三段式電流保護地設計

1、學號2010電力系統(tǒng)繼電保護課程設計（2010屆本科）題 目：三段式電流保護課程設計學院：物理與機電工程學院專業(yè)：電氣程及其自動化作者：指導教師： 職稱：教授完成日期：年 12 月 26 日目錄1 設計原始資料 - 3 -1.1 具體題目 - 3 -1.2 要完成的容 - 3 -2 設計要考慮的問題 - 3 -2.1 設計規(guī)程 - 3 -2.1.1 短路電流計算規(guī)程 - 3 -2.1.2 保護方式的選取及整定計算 - 4 -2.2 本設計的保護配置 - 5 -2.2.1 主保護配置 - 5 -2.2.2 后備保護配置 - 5 -3 短路電流計算 - 5 -3.1 等效電路的建立 - 5 -3.

2、2 保護短路點及短路點的選取 - 6 -3.3 短路電流的計算 - 6 -3.3.1 最大方式短路電流計算 - 6 -3.3.2 最小方式短路電流計算 - 7 -4 保護的配合及整定計算 - 7 -4.1 主保護的整定計算 - 7 -4.1.1 動作電流的計算 - 7 -4.1.2 靈敏度校驗 - 8 -4.2 后備保護的整定計算 - 9 -4.2.1 動作電流的計算 - 9 -4.2.2 動作時間的計算 - 9 -4.2.3 靈敏度校驗 - 10 -5 原理圖及展開圖的的繪制 - 10 -5.1 原理接線圖 - 10 -5.2 交流回路展開圖 - 11 -5.3 直流回路展開圖 - 11 -

3、6 繼電保護設備的選擇 - 12 -6.1 電流互感器的選擇 - 12 -6.2 繼電器的選擇 - 12 -7 保護的評價 - 14 -摘要電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術、計算機技術與通 信技術的飛速發(fā)展又為繼電保護技術的發(fā)展不斷地注入了新的活力。因此，繼電保護技 術得天獨厚，在 40 余年的時間里完成了發(fā)展的 4 個歷史階段：繼電保護的萌芽期、晶 體管繼電保護、集成運算放大器的集成電路保護和計算機繼電保護。繼電保護技術未來 趨勢是向計算機化，網(wǎng)絡化，智能化，保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化的發(fā)展。繼電保護的原理是利用被保護線路或設備故障前后某些突變的物理量為信號量，

4、當突變量到達一定值時，起動邏輯控制環(huán)節(jié)，發(fā)出相應的跳閘脈沖或信號。對電力系統(tǒng) 繼電保護的基本性能要有選擇性，速動性，靈敏性，可靠性。本次課程設計以電網(wǎng)的某條線路為例進行了三段式電流保護的分析設計。 重點進行 了電路的化簡，短路電流的求法，繼電保護中電流保護的具體計算。關鍵字 ：繼電保護，電流保護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 E =115/J3kV , XG1=18Q、Xg2=18Q、XG3=10Q, L1 = L2 =50km> L3=30km、LBC=60km、LCD=40km、LD E =30km 線路阻抗 0.4 Q/km K；I 二1"

5、3、 K； = Kr!二1-15, 1 B C max =300A , I c D max =200A , 1 d e max =150A , Kss=1.5, Kre=0.85。©>-Ga圖1.1系統(tǒng)網(wǎng)絡圖試對線路保護3進行三段式電流保護的設計。1.2要完成的容(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) 保護原理展開圖及展開圖的設計；(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

6、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

7、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

8、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。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

9、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

10、為X ZL (3.1) 其中： Z 線路單位長度阻抗；L 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L1、 L3運行，由題意知 G1 、G3 連接在同一母線上，則Xsmin (XG1| XG2 XL1|XL2)|(XG3 XL3) (9 10) | (10 12) 10.2( )式中 Xsmin 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 G和Li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。I.lfiQ724VVVh12Q

11、F10. 2 Q鄉(xiāng) '2IIBQq l2£i 1*圖3.1最大運行方式等效電路圖(3.2)（1）對于保護2等值電路圖如圖 流過保護2的最大短路電流為I kDmaxXsmin X bcXcd(3.3)圖3.2最小運行方式等效電路圖3.2保護短路點及短路點的選取選取B、C、D E點為短路點進行計算3.3短路電流的計算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EEIkK Zs Zk式中 E 系統(tǒng)等效電源的相電動勢;Zk 短路點至保護安裝處之間的阻抗； 乙一保護安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗;K 短路類型系數(shù)、三相短路取1，兩相短路取止o23.1所示，母線

12、D最大運行方式下發(fā)生三相短路代入數(shù)據(jù)得:對于保護3等值電路圖如圖3.1所示，母線C最大運行方式下發(fā)生二相短路流過保護3的最大短路電流為kCmaxXsminX BC(3.4)代入數(shù)據(jù)得:kCmaxEXsminXBC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流的公式為k.minZs.minZl(3.5)式中 E 系統(tǒng)等效電源的相電動勢;Zs,min 保護安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗;Zl 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主保護的整定計算動作電流的計算最小保護圍計算式為I setZ smaxmin(4.1)

13、其中 E 系統(tǒng)等效電源的相電動勢;Zs.max 短路點至保護安裝處之間的阻抗；乙一線路單位長度的正序阻抗。(1) 對于保護 2 等值電路圖如圖 3.1 所示，母線 D 最大運行方式下發(fā)生三相短路流 過保護 2 的最大短路電流為整定原則：按照躲過本線路末端最大短路電流來整定。相應的速斷定值為I' K I1.3 1.32 1.72 (kA)最小保護圍根據(jù)式( 4.1 )可得L2min 11.4 km即2處的電流速斷保護在最小運行方式下沒有保護區(qū)。(2) 對于保護3等值電路圖如圖3.1所示，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ISet.3 G Ik

14、.®仙 252(2)最小保護圍根據(jù)式( 3.4)可得L3min38 km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)。靈敏度校驗限時電流速斷定值根據(jù)式 (4.2) 可以計算nsetK rnel IIset(4.2)其中Krnel 可靠系數(shù)，取值為 1.15。1) 整定原則：按照躲過下級線路電流速斷保護的最大動作電流來整定2) 保護 3 的限時電流速斷定值為nset3K n 11rel set.21.2 X1.72 2.1 (kA)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I

15、.3 Es.maxX BC.3115 3X238 240.93(kA)所以保護5處的靈敏度系數(shù)為K set.3k.C .minI set0.932.10.44也不滿足Ksen > 1.2的要求?？梢姡捎谶\行方式變化太大,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動作電流的計算過電流整定值計算公式為皿setrelKeKrUssIL.maxKre其中Krel 可靠系數(shù)，取值為1.2；Kss 可靠系數(shù)，取值為1.5;Kre 可靠系數(shù)，取值為0.9。整定原則：按照大于本線路流過的最大負荷電流整定 所以有mset3K rel K ssKreE .L. max1.2 1.50

16、.9300600A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0.5 0.5 1(s)t2m t1m 0.5 1.5(s)m mt3t20.52(s)423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1 k.min2 3 E(4.4)Z s.max Z L所以由靈敏度公式（4.4）Ksen1 k.min(4.5)保護3作為遠后備保護的靈敏度為K 皿I E.minKset.3皿I set.3639 1.07 < 1.2600不滿足作為遠后備保護靈敏度的要求。5原理圖及展開圖的的繪制5.1原理接線圖如圖5-1所示，每個繼電器的線圈和觸點都畫在一個圖形

17、，所有元件都用設備文字 符號標注，如圖中KA表示電流繼電器，KT表示時間繼電器，KS表示信號繼電器。原理 接線圖對整個保護的工作原理給出了一個完整的概念。圖5.1三段式電流保護原理接線圖5.2交流回路展開圖展開圖流回路和直流回路分開表示，分別如圖5.2和圖5.3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盡量暗中故障后的動作 連接，自左而右，自上而下的排列。TAaTAal TAa2 TAa3圖5.2保護交流電流回路圖5.3直流回路展開圖+WC-WC圖5.3保護直流回路展開圖6 繼電保護設

18、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

19、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 零序電流互感器的負載阻抗一般為 2.5 Q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 10Q, CO=0.8，與ENRLJ (K) XXA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10Q, CO=0.8，我公司生產(chǎn)的ENR LJ (

20、K)XXB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， 電流誤差， 相位差和復合誤差不超過上表 所列限值。 ”所以所選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。(

21、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

22、 ） ，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

23、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)，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。（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