電力系統(tǒng)繼電保護課程設計——三段式電流保護的設計

1、電力系統(tǒng)繼電保護課程設計題目： 三段式電流保護的設計班級： 姓名： 學號： 指導教師： 設計時間： 評語：成績1 設計原始資料1.1 具體題目如圖1.1所示網(wǎng)絡，系統(tǒng)參數(shù)為=115/kV，=15、=10、=10， =60km、=40km、=50km、=30km、=20km，線路阻抗0.4/km，=1.2、=1.15，=300A，=200A，=150A，=1.5，=0.85。圖1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡圖試對線路BC、CD進行電流保護的設計。1.2 要完成的內(nèi)容（1）保護的配置及選擇； （2）短路電流計算（系統(tǒng)運行方式的考慮、短路點的考慮、短路類型的考慮）； （3）保護配合及整定計算； （4）保護原理展開

2、圖的設計； （5）對保護的評價。2 設計要考慮的問題2.1 設計規(guī)程2.1.1 短路電流計算規(guī)程在決定保護方式前，必須較詳細地計算各短路點短路時，流過有關保護的短路電流， 然后根據(jù)計算結果，在滿足繼電保護和自動裝置技術規(guī)程和題目給定的要求條件下，盡可能采用簡單的保護方式。其計算步驟及注意事項如下。（1）系統(tǒng)運行方式的考慮除考慮發(fā)電廠發(fā)電容量的最大和最小運行方式外，還必須考慮在設備檢修或故障切除的情況下，發(fā)生短路時流過保護裝置的短路電流最大和最小的系統(tǒng)運行方式，以便計算保護的整定值和保護靈敏度。在需采用電流電壓聯(lián)鎖速斷保護時，還必須考慮系統(tǒng)的正常運行方式。（2）短路點的考慮求不同保護的整定值和靈

3、敏度時，應注意短路點的選擇。若要繪制短路電流、電壓與距離的關系曲線，每一條線路上的短路點至少要取三點，即線路的始端、中點和末端三點。（3）短路類型的考慮相間短路保護的整定計算應取系統(tǒng)最大運行方式下三相短路電流，以作動作電流整定之用；而在系統(tǒng)最小運行方式下計算兩相短路電流，以作計算靈敏度之用。短路的計算選用三相短路或兩相短路進行計算均可，因為對保護所取的殘余而言，三相短路和兩相短路的殘余數(shù)值相同。若采用電流電壓連鎖速斷保護，系統(tǒng)運行方式應采用正常運行方式下的短路電流和電壓的數(shù)值作為整定之用。（4）短路電流列表為了便于整定計算時查考每一點的短路時保護安裝處的短路電流和，將計算結果列成表格。流過保護

4、安裝處的短路電流應考慮后備保護的計算需要，即列出本線路各短路點短路時流過保護安裝處的短路電流，還要列出相鄰線路各點短路時流過保護安裝處的短路電流。計算短路電流時，用標幺值或用有名值均可，可根據(jù)題目的數(shù)據(jù)，用較簡單的方法計算。2.1.2 保護方式的選取及整定計算采用什么保護方式，主要視其能否滿足規(guī)程的要求。能滿足要求時，所采用的保護就可采用；不能滿足要求時，就必須采取措施使其符合要求或改用其他保護方式。選用保護方式時，首先考慮采用最簡單的保護，以便提高保護的可靠性。當采用簡單保護不能同時滿足選擇性、靈敏性和速動性要求時，則可采用較復雜的保護方式。選用保護方式時，可先選擇主保護，然后選擇后備保護。

5、通過整定計算，檢驗能否滿足靈敏性和速動性的要求。當采用的保護不能很好地滿足選擇性或速動性的要求時，允許采用自動重合閘來校正選擇性或加速保護動作。當靈敏度不能滿足要求時，在滿足速動性的前下，可考慮利用保護的相繼動作，以提高保護的靈敏性。在用動作電流、電壓或動作時間能保證選擇性時，不要采用方向元件以簡化保護。后備保護的動作電流必須配合，要保證較靠近電源的上一元件保護的動作電流大于下一元件保護的動作電流，且有一定的裕度，以保證選擇性。2.2 本設計的保護配置2.2.1 主保護配置 選用三段式電流保護，經(jīng)靈敏度校驗可得電流速斷保護不能作為主保護。因此，主保護應選用三段式距離保護。2.2.2 后備保護配

6、置過電流保護作為后備保護和遠后備保護。3 短路電流計算3.1 等效電路的建立由已知可得,線路的總阻抗的計算公式為 (3.1) 其中：線路單位長度阻抗； 線路長度。所以，將數(shù)據(jù)代入公式(3.1.1)可得各段線路的線路阻抗分別為 經(jīng)分析可知，最大運行方式即阻抗最小時，則有三臺發(fā)電機運行，線路、運行，由題意知、連接在同一母線上，則式中 最大運行方式下的阻抗值；同理，最小運行方式即阻抗值最大，分析可知在只有和運行，相應地有由此可得最大運行方式等效電路如圖3.1所示，最小運行方式等效電路圖如圖3.2所示。圖3.1 最大運行方式等效電路圖圖3.2 最小運行方式等效電路圖3.2 保護短路點的選取選取B、C、

7、D、E點為短路點進行計算。3.3 短路電流的計算3.3.1 最大方式短路電流計算在最大運行方式下流過保護元件的最大短路電流的公式為 (3.2)式中 系統(tǒng)等效電源的相電動勢； 短路點至保護安裝處之間的阻抗； 保護安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗； 短路類型系數(shù)、三相短路取1，兩相短路取。（1）對于保護2等值電路圖如圖2所示，母線E最大運行方式下發(fā)生三相短路流過保護2的最大短路電流為(3.3) 代入數(shù)據(jù)得： (2)對于保護5等值電路圖如圖2所示，母線C最大運行方式下發(fā)生三相短路流過保護5的最大短路電流為(3.4) 代入數(shù)據(jù)得: 3.3.2 最小方式短路電流計算在最小運行方式下流過保護元件的最小短路電

8、流的公式為(3.5) 式中 系統(tǒng)等效電源的相電動勢； 保護安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗； 短路點到保護安裝處之間的阻抗。所以帶入各點的數(shù)據(jù)可以計算得到各點的的最小短路電流。4 保護的配合及整定計算4.1 主保護的整定計算4.1.1 動作電流的計算最小保護范圍計算式為（4.1） 其中 系統(tǒng)等效電源的相電動勢； 短路點至保護安裝處之間的阻抗； 線路單位長度的正序阻抗。(1)對于保護2等值電路圖如圖2所示，母線D最大運行方式下發(fā)生三相短路流過保護2的最大短路電流為相應的速斷定值為最小保護范圍根據(jù)式（4.1）可得即2處的電流速斷保護在最小運行方式下也沒有保護區(qū)。（2） 對于保護5等值電路圖如圖2所示

9、，母線C最大運行方式下發(fā)生三相短路流過保護3的最大短路電流為相應的速斷定值為最小保護范圍根據(jù)式（3.4）可得即3處的電流速斷保護在最小運行方式下也沒有保護區(qū)。所以，以上計算表明，在運行方式變化很大的情況下，電流速斷保護在較小運行方式下可能沒有保護區(qū)。4.1.2 靈敏度校驗限時電流速斷定值根據(jù)式(4.2)可以計算。 (4.2) 其中 可靠系數(shù)，取值為1.15。（1）整定保護2的限時電流速斷定值為線路末端（即D處）最小運行方式下發(fā)生兩相短路時的電流為所以保護2處的靈敏度系數(shù)為即不滿足1.2的要求。（2）同理保護5的限時電流速斷定值為 線路末端（即C處）最小運行方式下發(fā)生兩相短路時的電流為 所以保護

10、5處的靈敏度系數(shù)為 也不滿足1.2的要求?？梢?，由于運行方式變化太大，2、3處的限時電流速斷的靈敏度遠不能滿足要求。4.2 后備保護的整定計算4.2.1 動作電流的計算過電流整定值計算公式為 （4.3） 其中 可靠系數(shù)，取值為1.15； 可靠系數(shù)，取值為1.5； 可靠系數(shù)，取值為0.85。所以有 同理得 4.2.2 動作時間的計算假設母線E過電流保護動作時限為0.5s，保護的動作時間為4.2.3 靈敏度校驗在最小運行方式下流過保護元件的最小短路電流的公式為（4.4）所以由靈敏度公式（4.4） （4.5） 可知，保護1作為近后備保護的靈敏度應為1.5 滿足近后備保護的要求；保護2作為遠后備保護的

11、靈敏度為1.2 滿足作為遠后備保護的要求保護5作為遠后備保護的靈敏度為1.2滿足作為遠后備保護靈敏度的要求。5 二次展開原理圖的繪制5.1 保護測量電路展開圖中交流回路和直流回路分開表示，分別如圖5.1和圖5.2所示。其特點是每個繼電器的輸出量和輸出量根據(jù)實際動作的回路情況分別畫在途中不同的位置上，但任然用同一個符號標注，一邊查對。在展開圖中，繼電器線圈和出點的鏈接盡量暗中故障后的動作連接，自左而右，自上而下的排列。 圖5.1 保護交流電流回路圖5.2保護跳閘電路圖5.2 保護直流回路展開圖6 繼電保護設備的選擇6.1 電流互感器的選擇互感器是按比例變換電壓或電電流的設備。其功能主要是將高電壓

12、或大電流按比例變換成標準低電壓(100V)或標準小電流(5A或10A，均指額定值)，以便實現(xiàn)測量儀表、保護設備及自動控制設備的標準化、小型，其一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測量儀表與繼電保護裝置等。同時互感器還可用來隔開高電壓系統(tǒng)，以保證人身和設備的安全。（1）小電流選線裝置用零序電流互感器小電流選線裝置本身沒有整定值，零序電流只是裝置的判據(jù)之一，要求零序電流互感器在一次接地電流較小時，和非金屬性接地時，零序電流互感器也要有一定的輸出，來滿足裝置啟動的門坎值。裝置本身的負載阻抗并不大，但需要通過電纜將各個零序電流互感器與裝置連接起來，所以電纜的阻抗就是零序電流互感器的主要負載阻抗，這種零序電流互

13、感器的負載阻抗一般為2.5左右，經(jīng)過多年實踐和試驗得知與小電流選線裝置配套的零序電流互感器選用：（2）與DD11/60型繼電器配套使用的零序電流互感器DD11/60型繼電器線圈并聯(lián)阻抗為10，COS=0.8，與ENRLJ（K）A型零序電流互感器是其配套產(chǎn)品，二次電流60mA時零序電流互感器一次電流4A。（3）與DL11/0.2型繼電器配套使用的零序電流互感器 DL11/0.2型繼電器線圈并聯(lián)阻抗為10，COS=0.8，我公司生產(chǎn)的ENRLJ（K）B型零序電流互感器是其配套產(chǎn)品，二次電流0.2A時零序電流互感器一次電流10A。（4）精度與容量（額定負荷）的關系國標中規(guī)定：“在額定頻率及額定負荷下

14、，電流誤差，相位差和復合誤差不超過上表所列限值?！彼运x零序電流互感器的容量要與二次回路（裝置及回路）阻抗匹配，才能達到上表精度，如所選容量大時零序電流互感器在使用時將出現(xiàn)正誤差，反之則出現(xiàn)負誤差。6.2 繼電器的選擇正確選用繼電器的原則應該是：繼電器的主要技術性能，如觸點負荷，動作時間參數(shù)，機械和電氣壽命等，應滿足整機系統(tǒng)的要求；繼電器的結構型式(包括安裝方式)與外形尺寸應能適合使用條件的需要；經(jīng)濟合理。(1)按使用環(huán)境條件選擇繼電器型號環(huán)境適應性是繼電器可靠性指標之一,使用環(huán)境和工作條件的差異，對繼電器性能有很大的影響。使用環(huán)境條件主要指溫度(最大與最小)、濕度(一般指40攝氏度下的最大

15、相對濕度)、低氣壓(使用高度1000米以下可不考慮)、振動和沖擊。此外，尚有封裝方式、安裝方法、外形尺寸及絕緣性等要求。由于材料和結構不同，繼電器承受的環(huán)境力學條件各異，超過產(chǎn)品標準規(guī)定的環(huán)境力學條件下使用，有可能損壞繼電器，可按整機的環(huán)境力學條件或高一級的條件選用。(2)根據(jù)輸入量選定繼電器的輸入?yún)?shù)在電磁繼電器的輸入?yún)?shù)中，與用戶密切相關的是線圈的工作電壓(或電流)，而吸合電壓(或電流) 則是繼電器制造廠約束繼電器靈敏度并對其進行判斷、考核的參數(shù)，它只是一個工作下限參考值。不少用戶因不了解繼電器動作原理的特殊性，往往把吸合電壓(或電流)錯認為是繼電器應可靠工作的電壓(或電流)，而把工作電壓

16、值取在吸合電壓值上，這是十分危險也是不允許的。因為吸合值只是保證繼電器可靠動作的最小 輸入量，而繼電器動作后，還需要一個保險量，以提高維持可靠閉合所需的接觸壓力、抗環(huán)境作用所需的電磁吸力。否則，一旦環(huán)境溫度升高或在機械振動和沖擊條 件下，或輸入回路電流波動和電源電壓降低時，僅靠吸合值是不可能保證可靠工作的。所以選擇繼電器時，首先看繼電器技術條件規(guī)定的額定工作電壓是否與整機線 路所能提供的電壓相符，絕不能與繼電器吸合值相比。(3)根據(jù)負載情況選擇繼電器觸點的種類與參數(shù)與被控電路直接連接的觸點是繼電器的接觸系統(tǒng)。國外和國內(nèi)長期實踐證明，約百分之七十以上的故障發(fā)生在觸點上。這除了與繼電器本身結構與制

17、造因素密切相關之外，未能正確選用和使用也是重要因素之一。且大多數(shù)問題是由于用戶的實際負載要求與繼電器觸點額定負載不同而引起的。根據(jù)控制要求確定觸點組合形式，如需要的是常開還是常閉觸點或轉(zhuǎn)換觸點；根據(jù)被控回路多少確定觸點的對數(shù)和組數(shù)；根據(jù)負載性質(zhì)與容量大小確定觸點有關參數(shù)，如額定電壓、電流與容量，有時還需要考慮對觸點接觸電阻、抖動時間、分布電容等的要求。關于觸點切換的額定值，電磁繼電器一般規(guī)定它的性質(zhì)及大小。它的含義是指在規(guī)定的動作次數(shù)內(nèi)，在定的電壓和頻率下，觸點所能切換的電流的大小。這一負載值是由繼電器結構要素決定的。為了便于考核比較，一般只規(guī)定阻性負載。在實際使用中需要切換其它性質(zhì)的負載。(

18、4)按工作狀態(tài)選擇繼電器繼電器的工作狀態(tài)主要是指輸入信號對線圈的作用狀態(tài)。繼電器線圈的設計是對應于不同的輸入信號狀態(tài)的，有長期連續(xù)作用的信號，有短期重復工作(脈沖)信號。連續(xù)工作是指線圈能連續(xù)地承受工作信號的長期作用。對脈沖信號還要考慮脈沖頻率、通斷比等。因此，要根據(jù)信號特點選用適合于不同工作狀態(tài)的繼電器，一般不允許隨便使用，特別要注意不能將短期工作狀態(tài)的繼電器使用在連續(xù)工作狀態(tài)，高溫工作條件下尤其要注意。在實際切換功率負載或大功率負載時，尤其要考慮不宜切換速率過高。一般應少于10-20次/min。最大循環(huán)速率為：0.1次/(最大吸合時間最大釋放時間)s。(5)按安裝工作位置、安裝方式及尺寸、重量的選擇繼電器工作位置與其結構有關，大多數(shù)繼電器可在任意位置下工作，但也有部分繼電