输电线路电流电压保护设计.docx
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输电线路电流电压保护设计
电力系统保护与控制课程设计报告
摘要
本文针对110kV输电线路进行了继电保护的设计，采用了电流电压保护的方法，首先确定了系统分别在最大运行方式和最小运行方式下的等值阻抗，并计算了各相间短路的最大最小短路电流。
接着，计算了保护1、2、3的电流保护定值，并计算了各自的最小保护范围。
在接着，对保护2、3进行限时电流速断保护定值的计算及其灵敏度校验，并确定其动作时限。
然后对保护1、2、3进行过电流保护定值计算及其灵敏度校验，并确定各段保护的动作时限。
最后，绘制了电磁式三段式电流保护原理图和展开图，并详细分析其动作过程。
关键词：
电流电压保护；三段式电流保护；灵敏度
1绪论
1.1继电保护的作用
随着自动化技术的发展，电力系统的正常运行、故障期间以及故障后的回复过程中，许多控制操作日趋高度自动化。
这些控制操作的技术与装备大致可以分为两类，一类是通常理解的“电力系统自动化”，另一类是当电网或电气设备发生故障，或出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除异常情况的技术与装备。
其特点是动作速度快，其性质是非调节性的，这就是通常理解的“电力系统继电保护与安全自动装置”。
其作用是，一自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，是故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；二是反应电气设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作与发出信号或跳闸。
此时一般不要求迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免暂短的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动。
1.2对继电保护的基本要求
动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性（安全性和信赖性）、选择性、速动性和灵敏性。
这几“性”之间，紧密联系，既矛盾又统一，必须根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置、配合、整定每个电力元件的继电保护，充分发挥和利用继电保护的科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性、确定性和经济性发挥最大效能。
可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护性能的最基本要求。
继电保护的选择性是指保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障从电力系统中断开，最大限度地保证系统中无故障部分仍能持续安全地运行。
1.3原始资料
设计题目四：
输电线路电流电压保护设计（4）
1.3.1系统接线图如图：
1.3.2课程设计的内容及技术参数参见下表
设计技术参数
工作量
L1=L2=60km,L3=40km,
LB-C=40km,LC-D=50km,
LD-E=30km,线路阻抗0.4
/km,
最大负荷电流IB-C.Lmax=300A,
IC-D.Lmax=260A,
ID-E.Lmax=140A,
电动机自启动系数Kss=1.5，电流继电器返回系数Kre=0.85。
最大运行方式：
三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行；最小运行方式：
G2、L2退出运行。
1.确定保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗。
2.进行C母线、D母线、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算。
3.整定保护1、2、3的电流速断保护定值，并计算各自的最小保护范围。
4.整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度。
5.整定保护1、2、3的过电流保护定值，假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。
6．绘制三段式电流保护原理接线图。
并分析动作过程。
7、采用MATLAB建立系统模型进行仿真分析。
1.3.3工作计划：
第一天：
收集资料，确定设计方案。
第二天：
等值电抗计算、短路电流计算。
第三天：
电流I段整定计算及灵敏度校验。
第四天：
电流II段整定计算及灵敏度校验。
第五天：
电流III段整定计算及灵敏度校验。
第六天：
绘制保护原理图。
第七、八天：
MATLAB建模仿真分析。
第九天：
撰写说明书。
第十天：
课设总结，迎接答辩。
2输电线路电流保护整定计算
2.1保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗
2.1.1最大运行方式
在最大运行方式下，三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行，等值阻抗如图2.1所示。
XG1XL1
XG2XL2
XG3XL3XB_CXC_DXD_E
图2.1最大运行方式等值阻抗
1515
60×0.4=2460×0.4=2440×0.4=16
0×0.4=160×0.4=200×0.4=12
//+//）//（+）
//15+24//24）//（20+16）12.65
2.1.2最小运行方式
根据原始资料，最小运行方式就是，在最大运行方式的基础上让G2、L2退出运行，等值阻抗如图2.2
XG1XL1
XB_CXC_DXD_E
XG3XL3
图2.2最小运行方式等值阻抗
其中
+）//（+）+24）//（20+16）18.72
2．2相间短路的最大、最小短路电流的计算
C母线最大短路电流：
C母线最小短路电流:
D母线最大短路电流:
D母线最小短路电流:
E母线最大短路电流:
E母线最小短路电流
表2-2-1短路电流计算结果
母线名称
系统运行方式
短路电流大小（kA）
C母线
最大
最小
D母线
最大
最小
E母线
最大
最小
2.3电流I段整定计算及灵敏度校验
无时限电流速断保护依靠动作电流来保证选择性，被保护线路外部短路时流过该保护的电流总是小于其动作值，不能动作；而只有在保护范围内段录制，流过保护的电流有可能大于动作值，是该保护动作。
且无时限电流速断保护的作用是保证在任何情况下无时限切除本线路上的故障。
保护1：
保护2：
保护3：
在已知保护的动作电流后，大于一次动作电流的短路电流对应的短路点区域，就是保护范围。
保护的范围随运行方式、故障类型的变化而变化，最小的保护范围在系统最小运行方式下两相短路时出现。
一般情况下，应按这种运行方式和故障类型来校验保护的最小范围，要求大于被保护线路全长的15%～20%。
保护1的最小保护范围：
保护2的最小保护范围：
保护3的最小保护范围：
因为
保护1：
保护2：
保护3：
均不满足灵敏度，所以均不合格,需重新整定。
由系统接线图可知，E母线为系统最末端母线，保护1的电流速断保护按保护范围为全长的30%整定也不会引起误动，因此按保护范围为全长的20%整定。
保护1：
因为
＜
故该整定值符合灵敏度要求，且保护1的最小保护范围为。
保护2：
由于按躲开本线路末端的最大短路电流来整定得到的启动电流不符合灵敏度要求，因此降低整定值，增加动作时限，以保证该保护的可靠性。
在此按躲开下一段线路20%处的最大短路电流来整定。
DE线路20%处最大短路电流：
校验：
保护2的最小保护范围：
由于
灵敏度不符合要求，需重新整定。
按躲开下一段线路40%处的最大短路电流来整定。
DE线路40%处最大短路电流：
校验：
保护2的最小保护范围：
由于
灵敏度符合要求。
为了保证继电保护系统的选择性，需要增加时间延时，延时时间为，以免DE段发生短路时，保护2误动作。
增加延时以后，若CD段发生短路，延时时间到以后保护2动作，若DE段发生短路且短路电流大于保护2的启动电流，保护2会启动计时，而保护1直接动作，切断线路，使得短路电流消失，保护2返回，从而保证了系统的可靠性和选择性，但牺牲了系统的快速性。
保护3：
按躲开下一段线路即CD段线路的10%处的最大短路电流来整定。
2.195
2
校验：
保护3的最小保护范围：
由于
灵敏度符合要求。
为了保证继电保护系统的选择性，需要增加时间延时，延时时间为，以免CD段发生短路时，保护3误动作。
增加延时以后，若BC段发生短路，延时时间到以后保护3动作，若CD段发生短路且短路电流大于保护3的启动电流，保护3会启动计时，而保护2直接动作，切断线路，使得短路电流消失，保护3返回，从而保证了系统的可靠性和选择性，但牺牲了系统的快速性。
2.4电流II段整定计算及灵敏度校验
由于有选择性电流速断保护不能保护线路全长，因此增加限时电流速断保护，用来切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时作为速断保护的后备保护。
限时电流速断保护需与下一级线路的速断保护配合，启动电流值为
动作时限为
其中取。
2.4.1保护2的整定
由题意，保护2的Ⅱ段电流保护应与保护1的Ⅰ段保护配合，其启动电流为：
动作时限
灵敏度校验：
通过校验可知该整定值不符合灵敏度要求。
因此要降低整定值，由于E母线为系统最末端，故要满足及即可。
其中：
若按整定保护2电流保护Ⅱ段整定值，则
故保护2限时电流速断保护的整定值取，若保护2限时速断保护的时限只比保护1的电流速断保护大，由于保护2的Ⅱ段整定值小于保护1Ⅰ段整定值，当DE段发生短路且短路电流小于保护1Ⅰ段整定值时，保护1Ⅰ段保护不动作，保护2的Ⅱ段将动作，不能保证继电保护系统的选择性；由于DE段处于系统末端，故保护2Ⅱ段的动作时限要比保护1的Ⅲ段大一个，即
故保护2限时电流速断保护整定值
动作时限
2.4.2保护3的整定
按照限时电流速断保护的整定原则，保护3的Ⅱ段应与保护2的Ⅰ段相配合，故其启动电流为：
动作时限
灵敏度校验：
通过校验可知该整定值不符合灵敏度要求。
由于按与保护2Ⅰ段相配合整定不符合灵敏度要求，则与保护2Ⅱ段配合整定
动作时限
灵敏度校验：
通过校验知该整定值满足灵敏度要求。
故保护3限时电流速断保护的整定值
动作时限为
2.5电流III段整定计算及灵敏度校验
整定保护1、2、3的过电流保护定值，假定母线E过电流保护动作时限为，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。
保护1：
启动电流值：
动作时限：
保护2：
启动电流值：
动作时限：
保护3：
启动电流值：
动作时限：
灵敏度校验：
保护1做近后备保护的灵敏度：
满足灵敏度要求。
保护2做远后备保护的灵敏度：
满足灵敏度要求。
保护3做远后备保护的灵敏度：
满足灵敏度要求。
表2-5-1保护配置技术参数表
保护序号
保护名称
启动电流值（kA）
动作延时（S）
保护1
瞬时电流速断保护
0.986
0
延时电流速断保护
--
--
过电流保护
0.284
1.0
保护2
瞬时电流速断保护
1.491
0.5
延时电流速断保护
0.7
1.0
过电流保护
0.528
1.5
保护3
瞬时电流速断保护
2.634
0.5
延时电流速断保护
0.805
1.5
过电流保护
0.609
2.0
3电流保护原理图的绘制及其动作过程分析
3．1电流三段式保护原理图
图3.1（a）保护1原理接线图
图3.1（b）保护2、3原理接线图
各保护的三段式电流保护原理接线图如图3.1所示，其中所包括的元件有：
三相电流保护I段测量元件1KAa，1KAc；三相电流保护Ⅱ段测量元件2KAa，2KAc；三相电流保护Ⅲ段测量元件3KAa，3KAc；电流保护I、Ⅱ、Ⅲ段的逻辑延时元件1KT、2KT、3KT；电流保护I、Ⅱ、Ⅲ段的信号继电器1KS、2KS、3KS。
其中因为三段式电流保护各段的动作电流与动作时限的整定值各不相同，所以采取用不同规格和作用的电流继电器和时间继电器。
用1KS、2KS、3KS信号继电器发出各段保护动作的信号。
由于三相星形接线需要三个电流互感器、三个电流继电器和四根二次电缆，相对来讲是复杂和不经济的。
而两相星形接线较为经济简单，本次设计采取的是两相星形接线方式，在保护范围内发生两相短路时，能正确反映这些故障，两相星系接线方式在AB和BC相间短路时只有一个继电器动作，其他两相短路时有两个继电器动作。
例如保护的I段AB两相短路时，测量元件1KAa、2KAa、3KAa都会有动作，若在DE段发生该短路，保护1的1KAa将直接启动信号元件KS和出口继电器KCO，使得断路器跳闸，切除故障。
测量元件2KAa、3KAa启动延时元件2KT、3KT，由于1KAa直接启动1KS和KCO跳闸，延时时间未到故障已切除，故障电流消失，2KAa、3KAa、2KT、3KT均返回，不能启动KS发出跳闸信号。
所以Ⅱ、Ⅲ段不会输出跳闸信号。
若在BC段发生该故障，保护3的1KAa将启动时间继电器1KT计时，当延时时间到且信号元件KS和出口继电器KCO，使得断路器跳闸，切除故障，保护3的Ⅱ、Ⅲ段保护动作如保护1。
当系统发生三相短路时，有两个继电器动作，可以争取反应该故障。
由于110KV系统通常采用专门的零序电流保护，因此，当系统发生单相接地短路时，零序电流保护能争取反应各相单相接地短路。
就该接法而言，此接线方式不能反应B相单相接地短路。
当系统发生两相接地短路时，这种接线方式在不同相别的两点接地短路组合中，只能保证有2/3的机会有选择性的切除后面一条线路。
3.2电磁式电流三段式保护展开图
电流三段式保护展开图连线比较简单，层次清楚，让人一目了然，其中直流回路展开图如图3.2.1所示，它是由控制母线，电流保护I段，电流保护Ⅱ段、电流保护Ⅲ段信号回路和跳闸回路几部分组成。
电流速断保护
直流回路
显示电流速断保护
过电流保护
跳闸回路
图3.2.1直流回路展开图
交流回路展开图如图3.2.2所示，它是由六个电流继电器对应的电流互感器a、c相连，构成对应的A、C两相，并与中线共同组成交流回路。
A相
交流回路
C相
中线
图3.2.2交流回路展开图
4课程设计总结
本次课程设计的内容是对110kV输电线路进行了继电保护的设计。
本人对系统采用了电流电压保护的方法，首先确定了系统分别在最大运行方式和最小运行方式下的等值阻抗，并计算了各相间短路的最大最小短路电流。
接着，计算了保护1、2、3的电流保护定值，并计算了各自的最小保护范围。
在接着，对保护2、3进行限时电流速断保护定值的计算及其灵敏度校验，并确定其动作时限。
然后对保护1、2、3进行过电流保护定值计算及其灵敏度校验，并确定各段保护的动作时限。
最后，绘制了电磁式三段式电流保护原理图和展开图，并详细分析其动作过程。
在本次课程设计将课程所学内容实践到本次设计中，实现学以致用的目的，有利于同学们对本课程更好的掌握。
过程中遇到诸多问题，经过请教老师同学得到解决。
比如电流保护I段的整定按躲开本线路末端最大短路电流来整定，灵敏度校验并不合格，需要重新整定。
按照受伤现有的资料，没有找到解决的办法，因此请教了科任老师，采用降低整定值，增加延时的方式重新整定校验，直到灵敏度校验合格为止。
在Ⅱ段整定过程中，与I段配合整定，灵敏度校验也不合格，需要与下一段线路Ⅱ段保护配合整定才能达到灵敏度要求。
在保护接线方式上，经过综合对比，采用两相星形接线方式。
5参考文献
[1]张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].中国电力出版社，2009
[2]《电力系统保护与控制》教科书
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