110KV电网线路继电保护课程设计.docx

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110KV电网线路继电保护课程设计

电力系统继电保护

课

程

设

计

设计题目：

110KV电网线路继电保护课程设计

前沿

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。

因此，继电保护技术得天独厚，在40余年的时间里完成了发展的4个历史阶段：

继电保护的萌芽期、晶体管继电保护、集成运算放大器的集成电路保护和计算机继电保护。

继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化的发展。

随着计算机硬件的迅速发展，微机保护硬件也在不断发展。

电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护。

继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信号量，当突变量到达一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。

对电力系统继电保护的基本性能要求是有选择性，速动性，灵敏性，可靠性。

这次课程设计以最常见的110KV电网线路保护设计为例进行分析设计，要求对整个电力系统及其自动化专业方面的课程有综合的了解。

特别是对继电保护、电力系统、电路、发电厂的电气部分有一定的研究。

重点进行了电路的化简，短路电流的求法，继电保护中零序短路电流保护的具体计算。

●封面…………………………………………………………………………………………………1

●前言…………………………………………………………………………………………………2

●摘要………………………………………………………………………………………………5

●原始资料…………………………………………………………………………………………6

●设计内容…………………………………………………………………………………………7

●设计任务…………………………………………………………………………………………7

1系统运行方式和变压器中性点接地的选择………………………………………………7

1.1选择的原则……………………………………………………………………………………7

1.1.1发电机、变压器运行方式选择的原则………………………………………7

1.1.2变压器中性点接地选择的原则…………………………………………………8

1.1.3线路运行方式选择原则……………………………………………………………8

1.2本次设计运行具体方式的选择…………………………………………………………8

2故障点的选择和正、负、零序网络的判定………………………………………………8

3零序短路电流的计算……………………………………………………………………………12

3.1基准值的选择………………………………………………………………………………12

3.2输电线路的等值电抗的计算…………………………………………………………12

3.3变压器等值电抗的计算…………………………………………………………………13

3.4发电机等值电抗的计算…………………………………………………………………13

3.5最大负荷电流的计算………………………………………………………………………13

3.6负荷阻抗的计算……………………………………………………………………………13

3.7AE点短路的零序电流…………………………………………………………………14

3.8BD点短路的零序电流……………………………………………………………………14

4保护方式的选择、配置与整定计算、断路器的选择……………………………………14

4.1保护配置原则………………………………………………………………………………14

4.2配置方案的确定……………………………………………………………………………14

4.3继电保护零序电流的整定计算…………………………………………………………15

4.3.1断路器12或13的零序电流保护的整定计算和校验……………………15

4.3.1.1零序电流保护І段的整定计算…………………………………………15

4.3.1.2零序电流保护Ш段的整定计算………………………………………15

4.3.2断路器21或22的零序电流保护的整定计算和校验……………………15

4.3.2.1零序电流保护І段的整定计算…………………………………………15

4.3.2.2零序电流保护Ш段的整定计算………………………………………15

4.4断路器的选择………………………………………………………………………………16

4.4.1断路器选择的一般原则……………………………………………………16

4.4.2110kv断路器的选择与校验……………………………………………16

4.4.3断路器选择的确定…………………………………………………………17

5线路的自动重合闸………………………………………………………………………………18

5.1自动重合闸的配置………………………………………………………………………18

5.2自动重合闸配置方案的确定…………………………………………………………18

6保护的综合评价…………………………………………………………………………………18

7.保护配置图（分交、直流回路图）………………………………………………………19

●参考文献…………………………………………………………………………………………21

●设备清单一览表………………………………………………………………………………21

摘要

随着我国电力工业的迅速发展，各大电力系统的容量和电网区域不断扩大。

继电保护装置广泛应用于电力系统、农网和小型发电系统，是电网及电气设备安全可靠运行的保证。

为给110KV单电源电网线路进行继电保护设计，首先选择过电流保护，对电网进行短路电流计算，包括适中电流的正序、负序、零序电流的短路计算，整定电流保护的整定值。

在过电流保护不满足的情况下，相间故障选择距离保护，接地故障选择零序电流保护，同时对距离保护、零序电流保护进行整定计算。

同时详细介绍了主设备差动保护的整定算法，电气主接线的设计、做出短路点的等效电路图，对设备保护进行了相应的选择与校验。

通过比较各个接线方式的优缺点，确定变电站的主接线方式。

继电保护的基本任务：

（1）当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求,如保持电力系统的暂态稳定性等。

（2）反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同,例如有无经常值班人员,发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。

反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。

关键词：

110KV继电保护、短路电流、距离保护、零序电流保护、等效电路图

原始资料

1.110KV系统电气主接线图

110KV电气主接线图如下（其中红色部分为本课程设计的保护线路段即线路AE、BD段）

2.系统各元件主要参数

（1）发电机参数

机组

容量（MVA）

额定电压（KV）

额定功率因数

Xd、、

＃1

10．5

0．8

0.13

＃2

10.5

0.85

0.11

（2）输电线路参数

LGJ－185/15

LGJ－240/25

LGJ－185/18

LGJ－240/30

ф＝650

ф＝700

ф＝600

ф＝730

（3）变压器参数

序号

T1、T2

T3、T4

T5、T6

型号

SF－15000/110

SF－20000/110

SF－15000/110

接线组别

YN/△－11

短路电压

10.2%

10.1%

10.5%

变比

110±8×1.5%

110±2×2.5%

110±8×2.5%

（4）CT、PT变比

线路

CT变比

600/5

150/5

600/5

PT变比

110000/100

（5）各线路的长度（本组设计）

线路

长度（Km）

设计内容

1.BD线路电流保护设计

2.AE线路电流保护设计

设计任务

1.系统运行方式和变压器中性点节点的选择

2.故障点的选择及正、负、零序网络的判定

3.短路电流的计算

4.保护方式的选择、配置与整定计算、断路器的选择

5.线路的自动重合闸

6.保护的综合评价

7.保护配置图（分交、直流回路图）

1.系统运行方式和变压器中性点接地的选择

1．1选择原则

1.1.1发电机、变压器运行方式的选择原则

（1）一个发电厂有两台机组时，一般应考虑全停方式，一台检修，另一台故

障；当有三台以上机组时，则选择其中两台容量较大机组同时停用的方式。

对水电厂，还应根据水库运行方式选择。

（2）一个发电厂、变电站的母线上无论接几台变压器，一般应考虑其中容量

最大的一台停用。

1.1.2变压器中性点接地选择原则

（1）发电厂、变电所低压侧有电源的变压器，中性点均要接地。

（2）自耦型和有绝缘要求的其它变压器，其中性点必须接地。

（3）T接于线路上的变压器，以不接地运行为宜。

（4）为防止操作过电压，在操作时应临时将变压器中性点接地，操作完毕后

再断开，这种情况不按接地运行考虑。

1.1.3线路运行方式选择原则

（1）一个发电厂、变电站线线上接有多条线路，一般考虑选择一条线路检修，另一条线路又故障的方式。

（2）双回路一般不考虑同时停用。

1.2本次设计的具体运行方式的选择

电力系统运行方式的变化，直接影响保护的性能。

因此，在对继电保护进行整定计算之前，首先应该分析运行方式。

现结合本次设计具体说明如下，系统的最大运行方式是所有设备全部投入运行；系统的最小运行方式为发电机G1或G2投入。

对保护AE、BD而言，其最大运行方式应该是在系统最大运行方式；保护AE、BD的最小运行方式应该是在系统的最小运行方式。

所有变压器星型侧接地。

2.故障点的选择和正、负、零序网络的制定

如图下图

（1）所示，在整个系统中选择了2个短路点D1、D2。

通过这两点算出最大最小零序电流为后面的零序电流整定奠定基础。

（1）等效电路图及其短路点选择

AE间接地短路时的正、负、零序网络图

（2）AE接地短路时的正序网络图

（3）AE接地短路时的负序网络图

（4）AE接地短路时的零序网络图

BD间接地短路时的正、负、零序网络图

（4）BD接地短路时的正序网络图

（5）BD接地短路时的负序网络图

（6）BD接地短路时的零序网络图

3.短路电流的计算

3.1基准值的选择

基准功率：

SB=100MV·A，基准电压：

VB=115KV。

基准电流：

IB=SB/1.732VB=100×103/1.732×115=0.502KA；基准电抗：

ZB=VB/1.732IB=115×103/1.732×502=132.25Ω；电压标幺值：

E=E

（2）=1.05

3.2输电线路等值电抗的计算

（1）线路AE的等值电抗的计算

正序以及负序电抗：

XAE=X1LAE=0.4×70=28Ω

XAE*=28/132.25=0.211

零序电抗：

XAE0=X0LAE=3X1LAE=3×28=84Ω

XAE0*=XAE0/ZB=84/132.25=0.635

（2）线路BD等值电抗计算

正序以及负序电抗：

XBD=0.4×40=16Ω

XBD*=16/132.25=0.121

零序电抗：

XBD0=3XBD=48Ω

XBD0*=XBD0/ZB=48/132.25=0.362

（3）线路AB等值电抗计算

正序以及负序电抗：

XAB=X1LAB=0.4×60=24Ω

XAB*=XAB/ZB=24/132.25=0.181

零序电抗：

XAB0=X0LAB=3XAB=72Ω

XAB0*=XAB0/ZB=72/132.25=0.544

（4）线路AC等值电抗计算

正序以及负序电抗：

XAC=X1LAC=0.4×50=20Ω

XAC*=XAC/ZB=20/132.25=0.151

零序电抗：

XAC0=3XAC=60Ω

XAC0*=XAC0/ZB=60/132.25=0.454

备注：

查询电力架空线路阻抗值知：

X1=0.4Ω/KM，X0=3X1=1.2Ω/KM

3.3变压器等值电抗计算

（1）变压器T1、T2等值电抗计算

XT1=XT2=（UK%/100）×（VN2/SN）=（10.2/100）×（1102/15）≈82.28Ω

XT2*=XT1*=XT1/ZB=82.28/132.25=0.622

（2）变压器T3、T4等值电抗计算

XT3=XT4=（UK%/100）×（VN2/SN）=（10.1/100）×（1102/20）≈61.105Ω

XT4*=XT3*=XT3/ZB=61.105/132.25=0.462

（3）变压器T5、T6等值电抗计算

XT5=XT6=（UK%/100）×（VN2/SN）=（10.5/100）×（1102/15）≈84.7Ω

XT6*=XT5*=XT5/ZB=84.7/132.25=0.640

3.4发电机等值电抗计算

（1）发电机G1电抗标幺值计算

XG1=Xd、、×SB/SG1×ZB=0.13×100/15×132.25=114.528Ω

XG1*=Xd、、×SB/SG1=0.866

（2）发电机G2电抗标幺值计算

XG2=Xd、、×SB/SG2×ZB=0.11×100/20×132.25=72.875Ω

XG2*=Xd、、×SB/SG2=0.55

3.5最大负荷电流计算

（1）B母线最大负荷电流计算（拆算到110KV）

IfhB·max=2ST1/

U=2×15000/（1.732×115）=150.62A；

（2）A母线最大负荷电流计算

IfhA·max=2ST3/

U=2×20000/（1.732×115）=200.8234A

3.6负荷阻抗的计算

根据最大负荷电流可求出对应的负荷阻抗

XLD1=E/1.732Id1·max=265.6Ω

XLD2=E/1.732Id2·max=330.7Ω

XLD3=E/1.732Id3·max=189.7Ω

XLD4=E/1.732Id4·max=209.9Ω

3.7AE点短路的零序电流

根据题目给的数据和正、负、零序网图可求出

X0∑=59.819ΩX1∑=X2∑=75.709Ω

I0·max=E/（2Z0∑+Z0∑）=115/（2×59.819+75.709）=0.587KA

I0·min=E/（2Z2∑+Z1∑）=115/（2×75.709+59.819）=0.544KA

3.8BD点短路的零序电流

根据题目给的数据和正、负、零序网图可求出

X0∑=44.282ΩX1∑=X2∑=74.254Ω

I0·max=E/（2Z0∑+Z1∑）=115/（2×44.282+74.254）=0.706KA

I0·min=E/（2Z2∑+Z0∑）=115/（2×74.254+44.282）=0.596KA

4.保护方式的选择、配置与整定计算

4.1保护的配置原则

小电流接地系统（35KV及以下）输电线路一般采用三段式电流保护反应相间短路故障：

由于小电流接地系统没有接地点，故单相接地短路仅视作异常运行状态，一般利用母线上的绝缘检查装置发信号，由运行人员分区停电寻找接地设备。

对于变电站来讲，母线上出线回路较多，也涉及供电的连续性问题，故一般采用零序电流保护反应接地故障。

110KV输电线路一般采用三段式相间距离保护作为故障的保护方式，采用阶段式零序电流保护作为接地短路的保护方式。

对于极个别非常短的线路，如有必要也可以采用纵差保护作为主保护。

而在本课题中要求对AE、BD线路进行电流保护，且AE、BD均属于110KV的输电线路，故对其采用阶段式零序电流的保护作为接地短路的保护方式。

4.2配置方案的确定

根据课题的要求和保护的配置原则，从经济性出发：

对于AE、BD线路采用阶段式零序电流保护作为接地短路的保护方式。

其中，Ⅰ段作为线路的主保护，Ⅲ段作为后备保护（没有Ⅱ段）。

4.3继电保护零序电流保护的整定计算

4.3.1断路器12或13的零序电流保护的整定计算和校验

4.3.1.1零序电流保护І段的整定计算

（1）躲开下一条线路出口处单相接地或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0·max,即KK、=1.2,I0、·dz=KK、3I0·max=1.2×3×0.587=2.1132KA

由于断路器12或13无下一级线路，所以无需整定零序保护的Ⅱ段

4.1.2零序电流保护Ш段的整定计算

（1）起动电流

①躲开在下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流Iunb·max,即Iunb·max=0.865KA,KШK=1.2,I0Ш·dz=KШKIunb·max=1.2×0.865=1.04KA

（2）灵敏度校验

作为本线路近后备保护时，按相邻线路保护范围末端发生接地故障时、流过本保护的最小零序电流3I0Ш·min来校验，要求Ksen≥1.5,即Ksen=3I0Ш·min/I0Ш·dz=3×0.544/1.04=1.57≥1.5,符合要求。

（3）动作时限

零序Ш段电流保护的起动值一般很小，在同电压级网络中发生接地地短路时，都可能动作。

为保证选择性各保护的动作时限也按阶梯原则来选择。

t'"=Δt=0.5

4.3.2断路器21或22的零序电流保护的整定计算和校验4.3.2.1零序电流保护І段的整定计算

躲开下一条线路出口处单相接地或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0·max,即KrelІ=1.2,I0lІ·dz=KrelІ×3I0·max=1.2×3×0.706=2.5416KA

由于断路器21或22无下一级线路，所以无需整定零序保护的第Ⅱ段

4.3.2.2零序电流保护Ш段的整定计算

（1）起动电流

①躲开在下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流Iunb·max,即Iunb·max=0.936KA,KШK=1.2,I0Ш·dz=KШKIunb·max=1.2×0.936=1.28KA

（2）灵敏度校验

作为本线路近后备保护时，按相邻线路保护范围末端发生接地故障时、流过本保护的最小零序电流3I0Ш。

·min来校验，要求Ksen≥2,即Ksen=3I0Ш·min/I0Ш·dz=3×0.958/1.28=≥2,符合要求。

（3）动作时限

零序Ш段电流保护的起动值一般很小，在同电压级网络中发生接地地短路时，都可能动作。

为保证选择性各保护的动作时限也按阶梯原则来选择。

t'"=Δt=0.5

4.4断路器的选择

4.4.1断路器选择的一般原则

为保证高压电器在正常运行、检修、短路和过电压情况下的安全，高压电器应按下列条件选择：

按正常工作条件包括电压、电流、频率、机械荷载等选择

②按短路条件包括短时耐受电流、峰值耐受电流、关合和开断电流等选择；

③按环境条件包括温度、湿度、海拔、地震等选择；

④按承受过电压能力包括绝缘水平等选择；

⑤按各类高压电器的不同特点包括开关的操作性能、熔断器的保护特性配合、互感器的负荷及准确等级等选择。

4.4.2.110kv断路器的选择与校验

（1）额定电压：

Ue=110kV

（2）额定电流：

Ie>本变电站最大长期工作电流Igmax

（考虑变压器事故过负荷的能力40%）

（3）查电气设备手册选择断路器型号及参数如表11-1

表11-1

型号

数量

技术参数

额定电流I（A）

额定开断电流（KA）

动稳定电流

（kA）

4秒热稳定电流（kA）

LW25-110/1000

1000

（4）校验：

①Ue=110kV=UN

②I=1000A>480.6A

③额定开断电流校验：

110kV母线三相稳态短路电流

=4.1KA

LW25-110/1000断路器的额定开断电流＝25KA

符合要求。

④动稳定校验：

110kV母线短路三相冲击电流

=10.455（kA）

LW25-110/1000断路器的动稳定电流Igf=63（kA）

⑤热稳定校验：

110kV母线短路热容量：

Qdt=

2tep=72.16（kA2S）

LW25-110/1000断路器的4秒热稳定电流：

It=25（kA）

It2t=252×4=2500（kA2S）

2tep

⑥温度校验：

LW25-110/1000断路器允许使用环境温度：

-40℃～40℃

本变电站地区气温：

-12℃～38℃，符合要求。

4.4.3断路器的确定

通过以上校验可知，110kV侧所选LW25-110/1000断路器符合本课题设计的要求。

所以本设计的110KV侧采用LW25-110/1000断路器。

5.线路的自动重合闸

5.1自动重合闸的配置

自动重合闸按跳开相数分为单相自动重合闸和三相自动自动重合闸。

单相自动重合闸在故障后通过选相元件来判断出故障相，并跳开单相，然后进行自动重合单相，若合闸不成功则跳开三相，不再自动重合；三相自动重合闸在故障后跳开三相，然后进行自动重合三相，若重合不成功，则跳开三相，不再自动重合。

自动重合闸按与继电保护的配合可分为重合闸前加速和重合闸后加速。

前加速在故障后无选择性地快速切除故障，而在重合闸以后的第二次跳闸时有选择性切除的，前加速能够快速切除故障，使瞬时性故障来不及发展为永久性故障，且使用设备少，但是如果重合闸装置拒绝重合闸将会导致大范围的停电，故一般用在35KV及以下又发电厂或重要变电站引出的直配线路上，以便快速切除故障，保证母线电压；而后加速则是故障后有选择性性地切除故障，在重合闸以后的第二次跳闸时快速切除故障，后加速在第一次能够有选择性的切除故障，不会造成大范围的停电，且保证第二次快速的切除永久性故障，但是使用的设备较多，较为复杂，一般用在35KV以上的网络及对重要负荷供电的输电线路上。

5.2自动重合闸配置方案的确定

由于该课题设计保护的线路AE、BD都是110KV，其相应的负荷都是一级负荷，且运行经验表明，在110KV及以上的架空线路上，由于线间距离较大，单相接地故障的概率很大。

故采用具有后加速的单相自动重合闸，以保证供电的可靠性与稳定性。

6.保护的综合评价

零序电流保护通常由

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