继电保护原理课程设计报告

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指导教师：            

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2014 年7月 11日

1 设计原始资料

1.1 具体题目

如下图所示网络，系统参数为:

kV,、、，km、km，km、km、km，线路阻抗km,、，A、A、A，， 

试对线路L1、L2、L3进行距离保护的设计。

1.2 要完成的内容

在本次课程设计中，我所设计的是对线路中的第2,5处装置进行三段式的距离保护。距离保护是利用短路时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离而工作的保护。

2 分析要设计的课题内容

2.1 设计规程

根据继电保护在电力系统中所担负的任务，一般情况下，对动作于跳闸的继电保护在技术上有四条基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。这几个之间，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、整定每个电力原件的继电保护。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、稳定性和经济性发挥最大效能。

(1)可靠性

可靠性是指保护该动作时应动作，不该动作时不动作。为保证可靠性，宜选用性能满足要求、原理尽可能简单的保护方案。

(2)选择性

选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。为保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如起动与跳闸元件、闭锁与动作元件），其灵敏系数及动作时间应相互配合。

(3)灵敏性

灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，灵敏性通常用灵敏系数或灵敏度来衡量，增大灵敏度，增加了保护动作的信赖性，但有时与安全性相矛盾。对各类保护的的灵敏系数的要求都作了具体规定，一般要求灵敏系数在1.2-2之间。

(4)速动性

速动性是指保护装置应能尽快地切除故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围。

110kV及以上电压等级的线路，由于其负荷电流大，距离长，用电流保护往往不能满足技术要求，而需要采用距离保护。这是因为与电流保护相比，距离保护有以下优点：

①  敏度较高。因为阻抗，阻抗继电器反映了正常情况与短路时电流、电压值的变化，短路时电流增大，电压降低，阻抗减小得多。

②保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。由于短路点至保护安装处的阻抗取决于短路点至保护安装处的电距离，基本上不受系统运行方式的影响，因此，距离保护的保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。

③迅速动作的范围长。距离保护第一段的保护范围比电流速断保护范围长，距离保护第二段的保护范围比限时电流速断保护范围长，因而距离保护迅速动作的范围较长。

距离保护比电流保护复杂，投资多。但由于上述优点，在电流保护不能满足技术要求的情况下应当采用距离保护。

2.2 本设计的保护配置

2.2.1 主保护配置

距离保护Ⅰ段和距离保护Ⅱ段构成距离保护的主保护。

(1)距离保护的Ⅰ段

图2.1 距离保护网络接线图

瞬时动作，是保护本身的固有动作时间。

保护1的整定值应满足：考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，引入可靠系数(一般取0.8—0.85)，则

                                                       

同理，保护2的Ⅰ段整定值为：

                         

如此整定后，保护的Ⅰ段就只能保护线路全长的80%—85%，这是一个严重的缺点。为了切除本线路末端15%—20%范围以内的故障，就需要设置距离保护第Ⅱ段。

(2)距离Ⅱ段

整定值的选择和限时电流速断相似，即应使其不超出下一条线路距离Ⅰ段的保护范围，同时带有高出一个的时限，以保证选择性,例如在图2.1中，当保护2第Ⅰ段末端短路时，保护1的第二段保护的测量阻抗为：

引入可靠系数(一般取0.8)以及分支系数，则保护1的Ⅱ段的整定阻抗为：

2.2.2 后备保护配置

为了作为相邻线路的保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离Ⅰ段与距离Ⅱ段的后备保护，还应该装设距离保护第Ⅲ段。

距离Ⅲ段：整定值与过电流保护相似，其启动阻抗要按躲开正常运行时的负荷阻抗来选择，动作时限还按照阶梯时限特性来选择，并使其比距离Ⅲ段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个。

3距离保护整定计算

3.1等效电路建立及短路点选取

3.1.1保护2等效电路建立及短路点选取

保护2等效电路建立及短路点选取如图3.1所示。

图3.1 保护1等效电路

3.1.2保护5等效电路建立及短路点选取

保护5等效电路建立及短路点选取如图3.2所示。

图3.2 保护5等效电路

4 保护的配合及整定计算

4.1 保护2处的距离保护的整定与校验

4.1.1 保护2处的距离保护第I段整定

(1)保护装置2处的I段整定阻抗为                                   

      

 

式中  —保护2处的距离I段的整定阻抗；

       —被保护线路CD的长度；

       —被保护线路单位长度的阻抗；

       —可靠系数；

(2)动作时间

         （第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间）。

4.1.2 保护2处的距离保护第Ⅱ段整定

(1)与相邻线路距离保护I段相配合，保护2处的Ⅱ段的整定阻抗为

     是保护1的I段末端发生短路时对保护2而言的最小分支系数，由于其没有分支支路，故其分支系数为1                    

于是                

(2)灵敏度校验

距离保护Ⅱ段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足 

               满足要求

(3)动作时间与相邻保护1距离I段保护配合，则，

它能同时满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合的要求。

4.1.3 保护2处的距离保护第Ⅲ段整定

(1)整定阻抗：按躲开被保护线路在正常运行条件下的最小负荷阻抗来整定计算的，所以有

其中，，，于是

(2)灵敏度校验

距离保护Ⅲ段，即作为本线路I、Ⅱ段保护的近后备保护，又作为相邻下级线路的远后备保护，灵敏度应分别进行校验。

作为近后备保护时，按本线路末端短路进行校验，计算式为

           满足要求

    作为远后备保护时，按相邻线路末端短路进行校验，计算式为

      满足要求

(3)动作延时为

4.2 保护5处的距离保护的整定与校验

4.2.1 保护5处距离保护的第I段整定

(1)保护5处的I段的整定阻抗为

式中  —距离I段的整定阻抗；

       —被保护线路的长度；

       —被保护线路单位长度的阻抗；

       —可靠系数；

(2)动作时间

         （第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间）。

4.2.2 保护5处距离保护的第Ⅱ段整定

(1)与相邻线路距离保护I段相配合，线路的Ⅱ段的整定阻抗为

—线路对线路的最小分支系数，其求法为

图4.2.2 等效电路图

             

//==6.3

=0.53

===1.89  

于是

(2)灵敏度校验

距离保护Ⅱ段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足 

               满足要求

(3)动作时间，与相邻线路距离I段保护配合，则，

它能同时满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合的要求。

4.2.3 保护5处距离保护的第Ⅲ段整定

(1)整定阻抗：按躲开被保护线路在正常运行条件下的最小负荷阻抗来整定计算的，所以有

其中，，于是

(2)灵敏度校验

距离保护Ⅲ段，即作为本线路I、Ⅱ段保护的近后备保护，又作为相邻下级线路的远后备保护，灵敏度应分别进行校验。

作为近后备保护时，按本线路末端短路进行校验，计算式为

                  满足要求

    作为远后备保护时，按相邻线路末端短路进行校验，计算式为

                                               满足要求

其中，的求法为

图4.2.3 等效电路图

其中，

        满足要求

(3)动作延时为

5 继电保护设备的选择

5.1 互感器的选择

互感器是按比例变换电压或电电流的设备。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压(100V)或标准小电流(5A或10A，均指额定值)，以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型，其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护装置等。同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。

5.1.1 电流互感器的选择

(1)形式的选择：根据安装的地点及使用条件，选择电流互感器的绝缘结构、安装方式、一次绕组匝数等。

对于6-20kV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构和树脂浇注绝缘结构的电流互感器。对于35kV及以上配电装置，一般采用油浸式瓷箱式绝缘结构的独立式流互感器。有条件时，应尽量采用套管式电流互感器。选用母线式互感器时，应该校核其窗口允许穿过的母线尺寸。

(2)额定电压：电流互感器一次回路额定电压不应低于安装地点的电网额定电压，即：kV

(3)额定电流：电流互感器一次回路额定电流不应小于所在回路的最大持续工作电流，即：=300A

所以根据电流互感器安装处的电网电压、最大工作电流和安装地点要求，选型号为LCWB6-110W2屋外型电流互感器。

5.1.2 电压互感器的选择

(1)电压互感器一次回路额定电压选择

为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电力网电压应在(1.1-0.9)范围内变动，即满足下列条件

0.91.1

式中—电压互感器一次侧额定电压。选择时，满足=kV即可。

(2)电压互感器二次侧额定电压的选择

电压互感器二次侧额定线间电压为100V，要和所接用的仪表或继电器相适应。

(3)电压互感器种类和型式的选择

电压互感器的种类和型式应根据装设地点和使用条件进行选择，例如：在6-35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式；110-220kV配电装置当容量和准确级满足要求时宜采用电容式电压互感器，也可采用油浸式；500kV均为电容式。

(4)准确级选择

和电流互感器一样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。

则根据电压等级选型号为为YDR-110的电压互感器。

5.2 继电器的选择

正确选用继电器的原则应该是：①继电器的主要技术性能，如触点负荷，动作时间参数，机械和电气寿命等，应满足整机系统的要求；②继电器的结构型式(包括安装方式)与外形尺寸应能适合使用条件的需要；③经济合理。

继电器除需满足在各种稳态的线路和环境条件下工作的要求外，还必须考虑到各种动态特性，即吸合时间、释放时间，由于电流的波动因素造成的抖动，以及触点碰撞造成的回跳等。

6保护跳闸回路

三段式距离保护电路主要由测量回路、起动回路和逻辑回路三大部分组成，三部分组成的跳闸回路在线路故障时进行配合，对线路出现的故障进行相应的保护，三段式距离保护电路如图6.1所示。

图6.1 保护跳闸电路

6.1启动回路原理的实现

启动回路主要由启动元件组成，启动元件可由电流继电器、阻抗继电器、负序电流继电器或负序零序电流增量继电器构成。正常运行时，整套保护处于未启动状态，启动部分的启动元件DLJ不启动，三段式距离保护不投入工作。线路短路时，启动元件DLJ解除整套保护的闭锁，使其投入工作。启动部分用来在短路时启动整套保护，在0.1s时间内允许距离Ⅰ段跳闸。超过0.1s时动作，启动切换继电器，对于各段有公用阻抗继电器的距离保护装置，进行段别或相别切换。启动部分的作用是判别线路是否发生短路，保护是否应该投入工作。

6.2测量回路原理的实现

测量回路的Ⅰ段和Ⅱ段，由公用阻抗继电器1ZKJ、2ZKJ组成，而第Ⅲ段由测量阻抗继电器3ZKJ组成。测量回路是测量短路点到保护安装处的距离，用以判断故障处于那一段保护范围。

6.3逻辑回路原理的实现

逻辑回路主要由门电路和时间电路组成。它主要是根据阻抗继电器测量及启动元件输出结果，来判断和决定是否应该跳闸，什么时间跳闸。

7 总结

本设计主要完成的内容是根据距离保护的原理和方法对保护2 、5进行相应的保护，通过分析和计算，在保护2处设置Ⅰ段主保护和Ⅱ,Ⅲ段后备保护，在保护5处设置Ⅰ、Ⅱ段主保护和Ⅲ段后备保护，实现了对2、5处保护的基本要求。

在保护1处，Ⅰ段主保护是瞬时动作的，但是它只能保护线路全长的80%—85%，若主保护未启动，经过0.5s的延时Ⅲ段后备保护启动，通过后备保护将故障切除，从而实现对全线路的保护。

在保护5处，Ⅰ段主保护是瞬时动作的，但是它只能保护线路全长的80%—85%，若Ⅰ段主保护未启动，经过0.5s的延时Ⅱ段主保护启动，通过后备保护将故障切除，若Ⅱ段后备保护仍不启动，可通过Ⅲ段后备保护启动，从而实现对全线路的保护。

从对继电保护所提出的基本要求来评价距离保护，可以得出如下几个主要的结论：

(1)根据距离保护工作原理，它可以在多电源的复杂网络中保证动作的选择性。

(2)距离I段是瞬时动作的，但是它只能保护线路全长的80%-85%，因此，两端合起来就使得在30%-40%线路长度内的故障不能从两端瞬时切除，在一端需经过0.5s的延时才能切除。在220kV及以上电压的网络中，这有时候不能满足电力系统稳定运行的要求，因而，不能作为主保护来应用。

(3)由于阻抗继电器同时反应于电压的降低和电流的增大而动作，因此，距离保护较电流、电压保护具有较高的灵敏度。此外，距离I段的保护范围不受系统运行方式变化的影响，其它两段受到的影响也比较小，因此，保护范围比较稳定。

(4)由于保护范围中采用了复杂的阻抗继电器和大量的辅助继电器，再加上各种必要的闭锁装置，因此接线复杂，可靠性比电流保护低，这也是它的主要缺点。

参考文献

[1] 谭秀炳编.铁路电力与牵引供电系统继电保护[M].成都：西南交通大学出版社，2006.

 [2] 尹项根主著.电力系统继电保护原理与应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

 [3] 张保会主编.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.