摘要
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。
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，继电保护中电流保护、距离保护的具体计算。
关键字：继电保护，电流保护，距离保护
1.系统初始条件
1.1.主接线图
下图为某电力系统主接线。该系统由某发电厂的三台发电机经三台升压变压器由A母线与单侧电源环形网络相连，其电能通过电网送至B、C、D三个降压变电所给用户供电。
1.2.相关参数
(1)110KV网络的接线如图所示，部分参数如图中所示
(2)网络中个线路均采用带方向或不带方向的电流电压保护，所有变压器均采用纵差保护作为主保护，变压器均为Y，d11接线
(3)发电厂的最大发电容量为：3*50MW，最小容量为2*50MW
(4)网络的正常运行方式为发电厂发电容量最大且闭环运行
(5)110KV断路器均采用SW6-110型断路器；ta3的跳闸时间为0.07s
(6)线路AB、 BC、AD和CD的最大负荷电流分别为230、150、230和140A；负荷自启动系数Kss=1.5
(7)各变电所引出线上后备保护的动作时间如图所示
(8)线路的正序电抗均为X1=0.4Ω/km
(9)电压互感器的变比nTA=110000/100
2.三段式电流保护整定计算
2.1.计算网络参数
选取基准功率ＳB=100MVA和基准电压为VB=Vav
最大运行方式下的最大电源阻抗：
最小运行方式下的最大电源阻抗：
2.2.最大短路电流计算和整定计算
为计算动作电流，应该计算最大运行方式下的三相短路电流，为校验灵敏度要计算最小运行运行方式下两相短路电流。为计算2OF、4OF、6QF、8QF的整定值根据如上系统图可知，最大运行方式要求1QF断开，等值阻抗图如下：
图2.1.2 系统等值电抗图
2.2.1.K1点发生三相短路
（1）电力系统网络等值电抗图为：
图2.2.1- K1点短路时等值电抗图
最大运行方式时：
计算K1点短路时的短路电流，系统的等效阻抗为：
由上面已经计算出，基准电流为：
，基准电抗为：
；
三相短路电流标幺值为：
三相短路电流的有名值为:
最小运行方式时：
三相短路电流的标幺值为：
三相短路电流的有名值为:
（2）保护8QF的整定
对保护8QF的三段式电流保护整定计算，三段式包括:瞬时性电流速断保护、限时电流速断保护以及定时限电流速断保护。
下面首先对8QF进行瞬时性电流速断保护的整定：
下面对一段保护的灵敏度进行校验：
代入已知数据得：
由于Lmin<0,因此灵敏度不够。
8QF的限时电流速断保护整定：
对8QF的二段保护进行灵敏度校验：
,可知不满足条件
因此，针对上面的情况，则8QF与相邻下一段的二段保护相互配合，则得到其整定值为：
灵敏度校验: 
,仍然不能满足要求。
由于所给条件有限，不能继续对8QF的二段保护进行符合灵敏度系数的整定。
8QF的定时限电流整定：
由初始条件知道线路AD的最大负载电流为230A,因此有下式：
对8QF的定时限速断保护进行灵敏度校验：
近后备：
,满足灵敏度要求。
远后备：
，也满足灵敏性的要求。
总结：对于保护8QF的三段式电流保护的整定，由上面的计算过程可以看到，Ⅰ、Ⅱ段保护都不能满足灵敏性要求，可以获取更多条件来进行整定,同时也可以通过其他保护来整定，例如距离保护等；而Ⅲ段保护可以满足灵敏性的要求。
2.2.2.K2点发生三相短路
（1）电力系统网络等值电抗图如下：
图5-3 K2点短路时等值电抗图
最大运行方式下有：
系统的等效阻抗为：
三相短路电流标幺值为：
而三相短路电流有名值为：
最小运行方式下：
系统等效阻抗为：
三相短路电流的标幺值为：
三相短路电流的有名值为:
（2）保护6QF的整定
同8QF的过程一样对6QF进行相同的整定计算。
首先进行瞬时性电流速断保护:
灵敏度校验：
因此Ⅰ段保护不满足灵敏度要求。
对6QF进行限时速断保护:
灵敏性校验：
，不满足灵敏性要求。
由于缺乏必要的条件，不能对6QF进行与相邻下一段的二段保护进行配合的整定计算。
定时限电流速断保护：
由初始条件可知线路CD最大负荷电流为120A,因此进行下面的整定：
对8QF的定时限速断保护分别进行近后备和远后备的灵敏度校验：
近后备灵敏度校验:
远后备灵敏度校验：
总结:通过上面的整定计算，可以看到6QF的Ⅲ保护满足灵敏度要求，可以对线路进行保护；而Ⅰ、Ⅱ段保护不能达到要求，由于缺乏必要的计算条件，没有继续往下整定，而也可以采用距离保护等保护。
2.2.3.K3点发生三相短路
（1）本电力系统的等值电抗电路如下图所示：
图5-4 K3点短路时电抗图
最大运行方式下有：
图5-3所示的等效电抗为：
则K3点发生三相短路时的短路电流为：
三相短路电流的有名值为：
最小运行方式下：
图5-3所示的等效电抗为: 
所以K3点发生三相短路时最小运行方式下短路电流标幺值为：
三相短路电流有名值计算为：
（2）保护4QF的整定
对于4QF的瞬时性电流速断保护整定有：
保护4QF的灵敏性校验：
由以上计算知4QF的Ⅰ段保护灵敏性要求不满足。
而对于4QF的Ⅱ、Ⅲ段的保护，因为题目中没有给出详细的数据，所以不能进行Ⅱ、Ⅲ段的整定计算。
同时针对于保护4QF，因为正常运行时有正向电流和反向电流流过，为了增大其工作的可靠性，可以增加一个功率方向继电器，以防止线路XL2上某一点发生短路时流过4QF的正向短路电流小于系统正常运行是流过4QF的反向单电流（注：这里正向电流方向是指由母线流向线路）。
2.2.4保护2QF的整定
保护2QF的整定，根据图2-1的电力系统网络图可以看出，当系统正常运行时不可能有正向电流通过，因此要是有正向电流通过，则线路一定发生故障。为此只需要在保护2QF处加一个功率方向继电器就可以实现线路的保护，而不用分析线路的运行方式。
由以上计算可知电流保护的Ⅰ段保护灵敏度都不能满足要求，在经济条件允许的情况下，为了保证电力系统能更好的运行，且考虑电压等级为110KV，所以可以采用距离保护。
3.距离保护整定计算
3.1 计算网络参数
由电力系统网络图有下列参数：
3.2 整定值计算
3.2.1 8QF距离保护整定值计算
1）距离Ⅰ段整定阻抗
2）距离Ⅱ段整定阻抗
与相邻下级L3配合有：
按躲过相邻变压器出口短路整定有：
取以上两个计算中较小者为Ⅱ段整定值，因此8QF的Ⅱ段整定值为：
。
进行灵敏度校验有：
，不满足灵敏度要求。
由于上述不满足灵敏度条件，所以改为相邻下一段的Ⅱ段保护相配合。因此6QF的Ⅱ段整定值为：
则按照相邻下一段整定有：
，满足要求。
所以延时整定为:
。
3.2.2 6QF的距离保护整定
同理，6QF的整定计算过程同8QF：
1）距离Ⅰ段整定阻抗
2）距离Ⅱ段整定阻抗
与相邻下级L3配合有：
按躲过相邻变压器出口短路整定有：
取以上两个计算中较小者为Ⅱ段整定值，因此8QF的Ⅱ段整定值为：
。
灵敏度校验有：
，不满足灵敏性要
求，但由于缺少相邻下一段的Ⅱ段整定值，故不能进行校正。
3.2.3 4QF的距离保护整定
4QF的Ⅰ段距离整定为：
因为2QF仅需要加装一个功率方向继电器或者方向阻抗继电器即可，所以4QF不需要和2QF的距离保护装置配合，4QF仅需要和T4的保护配合：
灵敏度校验：
，满足灵敏度要求。
同三段式电流保护整定，2QF的距离保护只需增加一个功率继电器或方向阻抗继电器即可。
4.电网的保护装置和自动装置设计
4.1 保护装置配置
1) 主保护的配置
由系统可知110KV线路配置有众联保护，全线路上任意点故障都能快速切除。保证系统稳定安全运行。
2) 后备保护的配置
考虑保护性能优越性：110线路应该配距离保护，但是距离保护复杂而且价格昂贵，维护困难。
考虑经济的优越性：可以尝试配三段式电流保护，同时由于系统是环网运行，相当于双电源运行一定要加方向元件。在110KV等级电力网络中，三段式电流保护可能在系统最小运行方式下没有保护范围，如果系统在最小运行方式下运行的几率不大的情况下，而且资金不够的情况下可以尝试三段式电流保护，基本可以保证系统正常运行。
考虑系统的运行方式：110KV高压输电网络应该属于大接地电力系统，需要配置零序保护。如上考虑到环网运行，也要加方向元件。保证保护不误动作。
继电保护保护装置的配置不是一层不变的，要考虑系统运行情况、经济状况、人员技能、环境影响等等情况，但是电力系统继电保护的基本任务不变：1.自动、迅速、有选择的将故障元件冲系统中切除。2.反应电力设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，动作于发出信号或跳闸。
4.2 自动装置配置
（1）简述
电力系统自动装置是指在电力网中发生故障或异常时起控制作用的设备，主要包括自动重合闸、备用电源自动投入装置、低频减载和失压解列装置等设备，电网中自动装置的型号多、逻辑千变万化，在实际运行中会暴露一些问题。电网中自动装置的配置，需要我们进行全面的考虑。
（2）系统安全自动装置的配置
配置重合闸：在电力系统故障中，打多数故障是输电线路故障。运行经验表明大多数线路故障是“瞬时性”故障，此时，如果把断开的线路在合上，就能恢复正常供电。
如图所示：该系统为110KV输电线路系统，按照要求，每一个断路器都应该装有ARD装置，并与继电保护后加速配合形成重合闸后加速保护，保证电力系统最大限度的正常供电。
配置备用电源自动投入装置：当线路或用电设备发生故障时，能够自动迅速、准确的把备用电源投入用电设备中或把设备切换到备用电源上，不至于让用户断电的一种装置。
如图所示：该系统为110KV输电线路系统，根据系统要求，如果B变电站或C变电站中的两台变压器，为了保证负荷可以长时间的正常运行，应该加入AAT装置。
配置低频、低压减载装置：它在电力系统发生事故出现功率缺额使电网频率、电压急剧下降时,自动切除部分负荷,防止系统频率、电压崩溃,使系统恢复正常,保证电网的安全稳定运行和对重要用户的连续供电。
如图所示：该系统为110KV输电线路系统，根据当地系统运行状况和系统要求，为了保证系统能够稳定运行，防止系统频率、电压崩溃应该在变电站B、C、D中配置低频、低压减载装置。
4.3电流、电压互感器选择
（1）电流互感器
保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号以此来切断故障电路，以保护供电系统的安全。保护用互感器只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。
线路发生故障时的冲击电流产生热和电磁力，保护用电流互感器必须能够承受。二次绕组在短路情况下，电流互感器在一秒内能承受而无损伤的一次电流有效值，称额定短时热电流；二次绕组短路情况下，电流互感器能承受而无损伤的一次电流峰值，称额定动稳定电流。
电流互感器的额定一次电压应等于或大于回路的额定一次电压，绝缘水平也应满足相关标准。电流互感器的额定一次电流应根据其所属一次设备的额定电流或最大工作电流选择，并应能承受该回路的额定连续热电流、额定短时热电流及动稳定电流。同时，额定一次电流的选择，应使得在额定变流比条件下的二次电流在正常运行和短路情况下，满足该回路保护装置的整定值选择性和准确性要求。
电流互感器额定二次电流有1A和5A两类：各级电压的电流互感器额定二次电流选用1A时，可以减轻电流互感器二次负荷，二次电缆截面可减小，节约投资。一个厂站内的电流互感器额定二次电流允许同时采用1A和5A。但同一电压等级的电流互感器的额定二次电流一般采用相同电流值。
所以对电流互感器选择如下：
由于流过每个断路器的
都一样，所以它们的型号也一样，标准电流互感器的二次额定电流为5A。
（2）电压互感器的配置
电压互感器的作用是：把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的电磁结构关系与电流互感器相比正好相反。电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路的阻抗决定。当二次负载增大时时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二次侧的电磁平衡关系。可以说，电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器。简单的说就是“检测元件”。
电压互感器一般按以下原则配置。
（1）对于主接线为单母线、单母线分段、双母线等，在母线上安装三相式电压互感器；当其出线上有电源，需要重合闸鉴定同期或无压，需要同期并列时，应在线路侧安装单相或两相电压互感器；
（2）对于3/2主接线，常常在线路或变压器侧安装三相电压互感器，而在母线上安装单相互感器以供同期并联和重合闸鉴无压、鉴同期使用；
（3）内桥接线的电压互感器可以安装在线路侧，也可以安装在母线上，一般不同时安装。安装地点的不同对保护功能有所影响；
（4）对220kV及以下的电压等级，电压互感器一般有两个次级，一组接为星形，一组接为开口三角形。在500kV系统中，为了继电保护的完全双重化，一般选用三个次级的电压互感器，其中两组接为星形，一组接为开口三角形；
（5）当计量回路有特殊需要时，可增加专供计量的电压互感器次级或安装计量专用的电压互感器组；
（6)在小接地电流系统，需要检查线路电压或同期时，应在线路侧装设两相式电压互感器或装一台电压互感器接线间电压。在大接地电流系统中，线路有检查线路电压或同期要求时，应首先选用电压抽取装置。通过电流互感器或结合电容器抽取电压，尽量不装设单独的电压互感器。500kV线路一般都装设三只电容式线路电压互感器，作为保护、测量和载波通信公用；
7）电压互感器二次侧绕组决不允许短路。
5电压互感器二次回路断线闭锁装置
5.1 闭锁装置作用
电压互感器相当于一个电压源，当二次回路发生短路时将会出现很大的短路电流，如果没有合适的保护装置将故障切除，将会使电压互感器及其二次线烧坏。
电压互感器二次回路在运行中容易发生单相接地和相间短路，造成保护装置交流失压，失压引起的保护装置的误动，造成不应有的损失，由于这种不利因素的存在，许多保护装置在设计师都考虑了断线闭锁回路。电压互感器二次回路保护设备，一般采用快速熔断器或自动空气开关。
5.2 闭锁装置设计
电压回路保护方式的选择，主要取决于电压回路所接的继电保护和自动装置的特性。当电压回路故障不会引起继电保护和自动装置误动作的情况下，首先采用简单方便的熔断器作为电压回路的保护；但是在电压回路故障有可能造成继电保护和自动装置不正确动作的场合，应采用自动开关，作为电压回路的保护，以便在切除电压回路故障的同时，也闭锁有关的继电保护和自动装置。在实际工程中，通常在60kV及以下没有接距离保护的电压互感器二次回路和测量仪表专用的电压回路，都采用快速熔断器保护；对于接有距离保护的电压回路，通常采用自动开关作为保护设备。
电压互感器二次回路在运行中容易发生单相接地短路和相间短路，造成保护装置交流失压，而失压引起保护装置误动作，从而造成不必要的损失。为此针对于这种现象，设计出一套电压二次回路断线闭锁装置，它能够在线路发生故障时可以开放保护，而在电压互感器二次回路断线时闭锁保护。
电压二次回路断线闭锁装置的原理是：在实际供电系统中，发生单相短路、两相短路和两相接地短路的非对称性故障情况极其普遍，因此利用电压回路发生
非对称性故障或电压回路被断开一相或二相时形成不平衡电压来启动闭锁装置，对保护实行闭锁，防止保护误动作；同时可利用电压互感器二次侧断线时的电流小于设定的闭锁电流值，这样保护就闭锁，也可以用来防止保护误动作。
图5.2-1 PT断线综合判别逻辑法图
6.保护4接线图
由前面的整定可知，对保护4QF采用三段式电流保护，因此分别画出4QF的原理接线图、展开图、屏幕布置图。
6.1 4QF原理图
图6.1-1 三段式电流保护原理图
6.2 4QF接线图
图6.2-1 三段式电流保护接线图
6.3 4QF展开图
图6.3-1交流回路展开图
图6.3-2 直流回路展开图
6.4 4QF屏幕布置图
图6.4-1 屏幕布置图
7.总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。在这次宝贵的设计活动中，经验才是对于我们最大的收获，而且还增强了自身对未知问题以及对知识的深化认识的能力，但是，仅仅是完成了作品还是不可以自我满足的，我们要认真的思考设计过程中遇到的问题，多查资料，将理论与实际相结合思考，并在以后的学习中更要加倍注意犯过的错误。
通过这次设计，在获得知识之余，还加强了个人的独立提出问题、思考问题、解决问题能力，从中得到了不少的收获和心得。在思想方面上更加成熟，个人能力有进一步发展，本次课程设计使本人对自己所学专业知识有了新了、更深层次的认识。在这次设计中，我深深体会到理论知识的重要性，只有牢固掌握所学的知识，才能更好的应用到实践中去。这次设计提高了我们思考问题、解决问题的能力，它使我们的思维更加缜密，这将对我们今后的学习、工作大有裨益。
此次课程设计能顺利的完成与同学和老师的帮助是分不开的，在对某些知识模棱两可的情况下，多亏有同学的热心帮助才可以度过难关；更与老师的悉心教导分不开，在有解不开的难题时，多亏老师们的耐心指导才使设计能顺利进行。
参考文献
【1】 张保会。尹项根.电力系统继电保护[M]. 西安: 西安交通大学出版社. 2003.
【2】 于永源，杨绮雯. 电力系统分析[M]. 北京: 中国电力出版社. 2007.
【3】 李光绮. 电力系统暂态分析[M]. 北京: 中国电力出版社. 2006.
【4】 许建安. 继电保护整定计算[M]. 北京: 中国水利水电出版社. 2009.
【5】 何仰赞. 电力系统分析[M]. 武汉: 华中科技大学出版社. 2002.
【6】 吕继绍. 电力系统继电保护设计原理[M]. 北京: 水利电力出版社. 2004.