35kV输电线路继电保护设计.docx
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35kV输电线路继电保护设计
本科课程设计
课程名称：
电力系统继电保护原理
设计题目：
35kV输电线路继电保护设计
摘要
力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源之一，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。
电力系统继电保护是反映电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态而动作于断路器跳闸或发生信号的一种自动装置。
电力系统继电保护的基本作用是：
全系统范围内，按指定分区实时地检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警信号等措施，以求最大限度地维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损坏。
随着电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。
随着电力系统的迅速发展。
大量机组、超高压输变变电的投入运行，对继电保护不断提出新的更高要求。
继电保护是电力系统的重要组成部分，被称为电力系统的安全屏障，同时又是电力系统事故扩大的根源，做好继电保护工作是保证电力系统安全运行的必不可少的重要手段，电力系统事故具有连锁反应、速度快、涉及面广、影响大的特点，往往会给国民经济和人民生活造成社会性的灾难。
本次毕业设计的题目是35kv线路继电保护的设计。
主要任务是为保证电网的安全运行,需要对电网配置完善的继电保护装置.根据该电网的结构、电压等级、线路长度、运行方式以及负荷性质的要求，给35KV的输电线路设计合适的继电保护。
关键词：
35kv继电保护、整定计算、故障分析、设计原理
1、继电保护概论
1.1继电保护的作用
1.1.1继电保护的概念及任务
电力系统继电保护是反映电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态而动作于断路器跳闸或发生信号的一种自动装置。
继电保护的基本任务是：
电力系统发生故障时，自动、快速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证非故障设备继续运行，尽量缩小停电范围;电力系统出现异常运行状态时，根据运行维护的要求能自动、及时、有选择地发出告警信号或者减负荷、跳闸。
1.2继电保护的基本原理和保护装置的组成
1.2.1反应系统正常运行与故障时电器元件（设备）一端所测基本参数的变化而构成的原理（单端测量原理，也称阶段式原理）
运行参数：
I、U、Z∠φ
反应I↑→过电流保护
反应U↓→低电压保护
反应Z↓→低阻抗保护（距离保护）
1.2.2反应电气元件内部故障与外部故障（及正常运行）时两端所测电流相位和功率方向的差别而构成的原理（双端测量原理，也称差动式原理）
以A-B线路为例：
规定电流正方向：
电流从母线流向线路
规定电压正方向：
母线指向线路
利用以上差别，可构成差动原理保护。
如：
纵联差动保护；
方向高频保护；
相差高频保护等。
1.2.3保护装置的组成部分
┌──┐┌──┐┌──┐
输入─→│测量│─→│逻辑│─→│执行│─→输出
信号└──┘└──┘└──┘信号
↑
└整定值
1.3对电力系统继电保护的基本要求
1.3.1选择性
继电保护动作的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。
d3点短路：
6动作：
有选择性；5动作：
无选择性
如果6拒动，5再动作：
有选择性（5作为6的远后备保护）
d1点短路：
1、2动作：
有选择性；3、4动作：
无选择性
后备保护（本元件主保护拒动时）：
（1）由前一级保护作为后备叫远后备.
（2）由本元件的另一套保护作为后备叫近后备.
1.3.2速动性
继电保护的速动性是指继电保护装置应以尽可能快的速度切除故障设备。
故障后,为防止并列运行的系统失步,减少用户在电压降低情况下工作的时间及故障元件损坏程度，应尽量地快速切除故障。
（快速保护:
几个工频周期，微机保护：
30ms以下）
故障切除总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。
一般快速保护的动作时间为0.06-0.12s,最快的可达0.02-0.04s;一般断路器动作时间为0.06-0.15s，最快的有0.02-0.06s。
目前常用的无时限整套保护的动作时间表
带方向或不带方向的电流电压速断保护装置
0.06-0.1s
各型距离保护装置
0.1-1.25s
高频保护装置
0.04-0.15s
线路横差或纵差保护装置
0.06-0.1s
元件纵差保护装置
0.06-0.1s
1.3.3灵敏性
继电保护的灵敏性是指保护装置对于其应保护的范围内发生故障的反应能力。
（保护不该动作情况与应该动作情况所测电气量相差越大→灵敏度↑）。
一般用灵敏系数Klm来衡量灵敏度。
1.3.4可靠性
继电保护的可靠性是指保护装置在电力系统正常运行时不误动;再规定的保护范围内发生故障时，应可靠动作;而在不属于该保护动作的其他任何情况下，应可靠的不动作。
（主保护对动作快速性要求相对较高；后备保护对灵敏性要求相对较高。
）
1.4继电保护技术发展简史
上世纪90年代出现了装于断路器上并直接作用于断路器的一次式的电磁型过电流继电器，本世纪初，随着电力系统的发展，继电器才开始广泛应用于电力系统的保护。
这个时期可认为是继电保护技术发展的开端。
1901年出现了感应型过电流继电器。
1908年提出了比较被保护元件两端的电流差动保护原理。
1910年方向性电流保护开始得到应用，在此时期也出现了将电流与电压比较的保护原理，并导致了本世纪29年代初距离保护的出现。
随着电力系统载波通讯的发展，在1927年前后，出现了利用高压输电线上高频载波电流传送和比较输电线两端功率或相位的高频保护装置。
在50年代，微波中继通讯开始应用与电力系统，从而出现了利用微波传送和比较输电线两端故障电气量的微波保护。
早在50年代就出现了利用故障点产生的行波实现快速继电保护的设想。
经过20余年的研究，终于诞生了行波保护装置。
显然，随着光纤通讯将在电力系统中的大量采用，利用光纤通道的继电保护必将得到广泛的应用。
以上是继电保护原理的发展过程。
与此同时，构成继电保护装置的元件、材料、保护装置的结构型式和制造工艺也发生了巨大的变革.50年代以前的继电保护装置都是由电磁型感应型或电动型继电器组成的这些继电器统称为机电式继电器.
本世纪50年代初由于半导体晶体管的发展开始出现了晶体管式继电保护装置称之为电子式静态保护装置.70年代是晶体管继电保护装置在我国大量采用的时期满足了当时电力系统向超高压大容量方向发展的需要.80年代后期标志着静态继电保护从第一代（晶体管式）向第二代（集成电路式）的过渡.目前后者已成为静态继电保护装置的主要形式.
在60年代末有人提出用小型计算机实现继电保护的设想由此开始了对继电保护计算机算法的大量研究对后来微型计算机式继电保护（简称微机保护）的发展奠定了理论基础.
70年代后半期比较完善的微机保护样机开始投入到电力系统中试运行.
80年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋于成熟并已在一些国家推广应用这就是第三代的静态继电保护装置.微机保护装置具有巨大的优越性和潜力因而受到运行人员的欢迎.进入90年代以来它在我国得到了大量的应用将成为继电保护装置的主要型式.可以说微机保护代表着电力系统继电保护的未来将成为未来电力系统保护控制运行调度及事故处理的统一计算机系统的组成部分.
2.35KV线路故障分析
2.1常见故障分析
2.1.1相间短路
这里的“相”指三相对称制交流电源，是由三个单相交流电源所组成的电源系统——简称三相交流电源。
我国所采用的供电方式称为三相四线制交流电源，三相发电机的绕组作星形连接。
各绕组的首端称端线，端线与端线之间的电压称为线电压。
各绕组的末端连接在一起称中线，与端线之间的电压称为相电压。
相间短路是指端线与端线之间未经过负载（即用电器）而相连接所造成的电源短路。
2.1.2接地短路
在接地系统中，一相接地较大，可能构成系统短路。
这时的接地电流叫做接地短路电流。
在高压接地系统中，接地短路电流可能很大。
接地短路电流在500A及500A以下者称为小接地短路电流系统；接地短路电流500A以上者均为大接地短路电流系统。
3、35KV线路继电保护的配置
相间短路保护采用两相两继电流保护，它是一种阶段式电流保护。
以第Ⅰ段、第Ⅱ段电流速断保护作为主保护，以第Ⅲ段过电流保护作为后备保护。
2、单相接地故障的保护方式之一：
4.电网相间短路的电流保护
在电网中35kv及以下的较低电压的网络中主要采用三段式电流保护，最主要的优点就是简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求。
三段式过流保护包括：
1、瞬时电流速断保护（简称电流速断保护或电流ⅰ段）
2、限时电流速断保护（电流ⅱ段）
3、过电流保护（电流ⅲ段）。
电流速断、限时电流速断和过电流保护都是反应电流增大而动作的保护，它们相互配合构成一整套保护，称做三段式电流保护，它们的不同是保护范围不同。
三段的区别主要在于起动电流的选择原则不同。
其中速断和限时速断保护是按照躲开某一点的最大短路电流来整定的，而过电流保护是按照躲开最大负荷电流来整定的。
1、瞬时电流速断保护：
保护范围小于被保护线路的全长一般设定为被保护线路的全长的85%
2、限时电流速断保护：
保护范围是被保护线路的全长或下一回线路的15%
3、过电流保护：
保护范围为被保护线路的全长至下一回线路的全长
4.1瞬时电流速断保护
输电线路发生短路时，电流突然增大，电压降低。
利用电流突然增大使保护动作而构成的保护装置，称为电流保护。
通常输电线路电流保护采用阶段式电流保护，采用三套电流保护共同构成三段式电流保护。
可以根据具体的情况，只采用速断加过流保护或限时速断加过流保护，也可以三段同时采用。
4.1.1瞬时电流速断保护的工作原理
瞬时电流速断保护又称Ⅰ段电流保护，它是反应电流增大而能瞬时动作切除故障的电流保护。
图形符号：
Ｉ＞
当系统电源电势一定，线路上任一点发生短路故障时，短路电流的大小与短路点至电源之间的电抗（忽略电阻）及短路类型有关，三相短路和两相短路时，流过保护安装地点的短路电流可用下式表示
2-1
2-2
式中
——系统等电源相电势；
——系统等效电源到保护安装处之间的电抗；
——线路千米长度的正序电抗；
——短路点至保护安装处距离。
由式（2.1-1）、式（2.1-2）可见，当系统运行方式一定时，
和
是常数，流过保护安装处的短路电流，是短路点至保护安装处距离
的函数。
短路点距离电源越远（
越大），短路电流值越小。
4.1.2原理接线
图2.1——1瞬时电流速断保护原理接线图
瞬时电流速断保护单相原理接线，如图（2.1—1）所示，它是由电流继电器KA（测量元件）、中间继电器KM、信号继电器KS组成。
正常运行时，流过线路的电流是负荷电流，其值小于其动作电流，保护不动作。
当在被保护线路的速断保护范围内发生短路故障时，短路电流大于保护的动作值，KA常开触电闭合，启动中间继电器KM，KM触电闭合，启动信号继电器KS，并通过断路器的常开辅助触电，接到跳闸线圈YT构成通路，断路器跳闸切除故障线路。
因电流继电器的触电容量比较小，若直接接通跳闸回路，会被破坏，而KM的触点容量较大，可直接接通跳闸回路。
另外，考虑当线路上装有管型避雷器时，当雷击线路使避雷器放电时，而避雷器放电的时间约为0.01s，相当于线路发生顺势短路，避雷器放电完毕，线路即恢复正常工作。
在这个过程中，瞬时电流速断保护不应误动作，因此可利用带延时0.06～0.08s中间继电器来增大保护装置固有动作时间，以防止管型避雷器放电引起瞬时电流速断保护的误动作。
信号继电器继电器KS的作用以指示保护动作，以便运行人员处理和分析故障。
4.1.3瞬时电流速断保护的整定计算
在继电保护装置的整定计算中，一般考虑两种极端的运行方式，即最大运行方式和最小运行方式。
流过保护安装处的短路电流最大时的运行方式称为系统最大运行方式，此时系统阻抗
为最小；反之，当流过保护安装处的短路电流最小的运行方式称为系统最小运行方式，此时系统阻抗
为最大。
图2.2—1中曲线
表示最大运行方式下三相短路电流随的变化曲线，曲线
表示最小运行方式下两相短路电流随
的变化曲线。
设保护1、2分别为线路曲线
和
的瞬时电流速断保护。
在线路AB瞬时电流速
断保护区内发生故障时，保护1应瞬时动作；在线路BC瞬时保护的保护区内发生故障时，保护2应瞬时动作。
图表2.2——1曲线表示最大运行方式曲线表示最小运行方式
为保证选择性，对保护1而言，本线路末端短路时应瞬时动作切除故障；在相邻线路
首端
点短路时，不应动作，而应由保护2动作跳开断路器切除故障但由于被保护线路末端短路与相邻线路出口处
短路的短路电流几乎相等，保护1无法区别被保护线路末端短路故障和
点的短路故障。
因此，瞬时电流速断保护1的动作电流应按大于本线路末端短路时流过保护安装处的最大短路电流来整定，即
（2—3）
式中
—保护1无时限电流速断保护的动作电流，又称一次动作电流；
—可靠系数，考虑到继电器的整定误差、短路电流计算误差和非周期分量的影响等而引入的大于1的系数，一般取1.2～1.3。
—被保护线路末端末端B母线上三相短路时保护安装测量到的最大短路电流，一般取次暂态短路电流周期分量的有效值。
瞬时电流速断保护按式（2.2—1）确定整定值时，保证了在相邻线路上发生短路故障保护1不会误动作。
当然这样选择保护动作电流之后，瞬时电流速断保护必然不能保护线路全长。
同时从图（2.2—1）还可以看出，瞬时电流速断保护范围随系统运行方式和短路类型而变。
在最大运行方式下三相短路时，保护范围最大为
；在最小运行方式下两相短路时，保护范围最小为
。
对于短线路，由于线路首末端短路时，短路电流数值相差不大，在最小运行方式下保护范围可能为零。
瞬时电流速断保护的选择性是依靠保护整定值保证的
瞬时电流速断保护的灵敏系数，是用其最小保护范围来衡量的，规程规定，最小保护范围
不应小于线路全长的
。
图（2.2—1）中在最小保护区末端（交点N）发生短路故障时，短路电流等于由式（2.2—1）所决定的保护的动作电流，即
（2—4）
解得最小保护长度
（2—5）
式中
—系统最小运行方式下，最大等值电抗；
—输电线路千米正序电抗。
同理，最大保护区末端短路时，即
（2—6）
解得最大保护长度
（2—7）
式中
—系统最大行方式下，最小等值电抗。
通常规定，最大保护范围不应小于被保护线路的
，最小保护范围不应小于被保护线路全长
。
整定计算：
1）、动作电流
I'op.1=K'rel*Ikl.max
=K'rel*
=
=3.052KA
二次侧电流
2）、最大保护范围为
满足要求。
最小保护范围为
满足要求。
3）、动作时限：
T'1=0
4.2限时电流速断电流保护
由于瞬时电流速断保护不能保护线路全长，当被保护线路末端附近短路时，必须由其他的保护来切除。
为了满足速动的要求，保护的动作时间应尽可能的短。
为此，可增加一套带时限的电流速断保护，用以切除瞬时电流速断保护范围以外的短路故障，这种带时限的电流速断保护范围以外的短路故障，称为限时电流速断保护。
要求限时电流速断保护被保护线路的全长。
4.2.1限时电流速断保护的工作原理
限时电流速断保护的工作原理，可用图3.1—1说明。
线路L1和L2上分别装有瞬时电流速断保护，其动作电流分别为
、
，保护范围如图3.1—1所示。
设在线路L1和L2的保护装置还装有限时电路速断保护，以保护1的限时电路速断保护为例，要使其能保护L1的全长，即线路L1末端短路时应该可靠地动作，则其动作电流
必须小于线路末端的短路电流最小短路电流。
图3.1—1限时电流速断保护的工作原理
由以上分析可知，若要是限时电路速断保护能够保护线路全长，其保护范围必然要延伸到相邻线路以部分。
为满足选择性必须给限时电流速断保护增加一定的时限，此时限既能保证选择性又能满足速动性的要求，即尽可能短。
鉴于此，可首先考虑使它的保护范围不超出相邻线路瞬时电流速断保护的保护范围，而动作时限则比相邻线路的无时限电速断保护长一个时限级差，用
表示。
可见限时电流速断保护是通过动作值和动作时限来保证选择性的。
4.2.2限时电流速断保护的整定计算
为了满足选择性，保护1限时电流速断保护的动作电流
应大于保护2的瞬时电流速断保护的动作电流
，
图2.2—2
写成等式
（3—1）
（3—2）
式中
—变压器低压母线D点发生短路故障时，流过保护安装最大短路电流。
为了保证选择性，保护1的限时电流速断保护的动作时限
，还要与保护2的瞬
时电流速断保护、保护3的差动（或瞬时电流速断保护）动作时限
、
相配合，即
（3--5）
式中
—时限级差。
对于不同型式的断路器及保护装置，
在0.3～0.6范围内。
灵敏度
（3—4）
对灵敏度的要求：
1.3～1.5
如果灵敏系数不能满足要求时，一般可用降低保护动作电流的方法来解决，即本线路限时电流速断保护的启动电流与相邻线路的限时速断相配合。
即
（3—5）
整定计算：
1）、动作电流
二次侧电流：
2）、动作时限：
3）、灵敏度：
其中取
4.2.3限时电流速断保护的单相原理接线
限时电流速断保护的单相原理接线图3.3—1所示。
它与瞬时电流速断保护相似，只是时间继电器KT代替了中间继电器KM。
当保护范围内发生短路故障时，电流继电器KA动作后，必须经时间继电器的延时，启动信号继电器，动作于断开断路器。
图3.3—1限时电流速断保护单相原理接线图
限时电流速断保护灵敏性较高，能保护线路的全长，并且还可作为本线路瞬时电流速断保护的后备保护。
这样，瞬时电流速断保护与限时电流速断保护配合使用，可以使全线路范围的短路故障都能在0.5s内动作于跳闸，切除故障。
所以，这两种保护可组合构成线路的主保护。
4.3定时限过电流保护
4.3.1定时限过电流保护的工作原理
定时限过电流保护是指按躲过最大负荷电流整定，并以动作时限保证其选择性的一种保护。
输电线路正常运行时它不应启动，发生短路且短路电流大于其动作电流时，保护启动延时动作于断路器跳闸。
过电流保护不仅能保护本线路的全长，也能保护相邻线路的全长，是本线路的近后备和相邻线路的远后备保护。
图4.1—1定时限过电流保护的工作原理及时限特性
以图4.1—1为例分析过电流保护的工作原理。
此图为单侧电源辐射形电网，图中线路保护1、保护2、保护3装有定时限过电流保护。
当线路L3上点发生短路时，短路电流将流过保护1、2、3，一般均大于保护1、2、3均将同时启动。
但根据选择性的要求，应该由距离故障点最近的保护3动作，使断路器QF3跳闸，切除故障，而保护1、2则在故障切除后立即返回。
显然要满足故障切除后，保护1、2立即返回的要求，必须依靠各保护装置具有不同的动作时限来保证。
用
、
、
分别表示保护装置1、2、3的动作时限，则有
写成等式
（4—1）
从上式可见，保护装置动作时间是从用户到电源逐渐增加，越靠近电源，保护动作时间越长。
特点：
形状象一个阶梯，故称为梯形时限特性。
由于保护时间是固定的，与短路电流大小无关，故此种保护称为定时限过电流保护。
4.3.2定时限时电流保护的整定计算
图4.2—1
定时限过电流保护的动作电流需按以下两个原则整定：
（1）在被保护线路流过最大负荷电流时，保护装置不应动作。
（2）相邻线路短路故障切除后，保护应可靠返回
过电流保护的动作电流为
（4—2）
4.3.3定时限过电流保护的灵敏度校验和保护动作时间
（1）灵敏度校验
（4—3）
最小短路电流的确定：
（1）运行方式：
短路电流最小的运行方式
（2）短路点位置：
保护区末端
（3）短路类型：
两相短路
（4）电网连接方式：
考虑开环运行，还是闭环运行。
定时限过电流保护应分别校验作本线路近后备保护和作相邻线路及元件远后备保护的灵敏系数。
当定时限过电流保护作为主线路主保护的近后备保护时，要求
1.3～1.5；当定时限过电流保护作为相邻线路的远后备保护时，
1.2；作为作为Y,d连接的变压器远后备保护时，短路类型应根据过电流保护接线而定。
（2）保护动作时间
为了保证选择性，过电流保护的动作时间按阶梯原则整定，即从用户到电源的各保护动作时间逐渐增加一个时限级差。
其表达式为
（4—4）
若本线路的下一级有多条线路时，则本级过电流保护的动作时间应比下级保护中动作时间最长的多出一个
（3）单相式原理接线图
图4.3—1定时限过电流保护单相式原理接线图
整定计算：
1）、动作电流：
二次侧电流：
2）、灵敏度：
作为本线路的后备保护即近后备时：
作为相邻线路的后备保护即远后备时：
3）、动作时限：
5：
致谢
本课设是在李莉老师李静老师的悉心指导下完成的。
老师严谨的治学态度、精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范给我留下的深刻的印象。
在我做课程设计的每个阶段从选题到查阅资料、方案论证到方案设计，中期课设的修改，后期课设格式的调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。
每次遇到难题向老师请教，老师的回答总能使我豁然开朗，受益匪浅。
在此，谨向导师表达崇高的敬意和衷心的感谢。
感谢，课设期间和我合作的同学们，以及曾经在各个方面给予过我帮助的同学们，正是在你们的支持下才使我的论文顺利完成。
6:
参考文献
1、《电力系统继电保护原理》主编：
贺家李、宋从矩出版发行：
中国电力出版社
2、《电力系统继电保护》主 编：
税正申、施怀谨出版发行：
重庆大学出版社
3、《供用电网络继电保护》主编:
马丽英出版发行:
中国电力出版社
4、《电气工程专业毕业设计指南—继电保护分册》主编：
韩笑出版发行：
中国水利水电出版社
5、《电力系统继电保护》主编：
许建安陕春玲出版发行：
黄河水利水电出版社
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