三段式电流保护的设计(完整版)

学号 2010

《电力系统继电保护》

课程设计

（2010届本科）

题目：三段式电流保护课程设计

学院：物理与机电工程学院

专业：电气程及其自动化

作者姓名：

指导教师：职称：教授

完成日期：年12 月26 日

目录

1 设计原始资料........................................................................................................................................ - 3 -

1.1 具体题目..................................................................................................................................... - 3 -

1.2 要完成的内容............................................................................................................................. - 3 -

2 设计要考虑的问题................................................................................................................................ -

3 -

2.1 设计规程..................................................................................................................................... - 3 -

2.1.1 短路电流计算规程.......................................................................................................... - 3 -

2.1.2 保护方式的选取及整定计算 .......................................................................................... - 4 -

2.2 本设计的保护配置..................................................................................................................... - 5 -

2.2.1 主保护配置...................................................................................................................... - 5 -

2.2.2 后备保护配置.................................................................................................................. - 5 -

3 短路电流计算........................................................................................................................................ - 5 -

3.1 等效电路的建立......................................................................................................................... - 5 -

3.2 保护短路点及短路点的选取..................................................................................................... - 6 -

3.3 短路电流的计算......................................................................................................................... - 6 -

3.3.1 最大方式短路电流计算 .................................................................................................. - 6 -

3.3.2 最小方式短路电流计算 .................................................................................................. - 7 -

4 保护的配合及整定计算........................................................................................................................ - 8 -

4.1 主保护的整定计算..................................................................................................................... - 8 -

4.1.1 动作电流的计算............................................................................................................ - 8 -

4.1.2 灵敏度校验...................................................................................................................... - 9 -

4.2 后备保护的整定计算................................................................................................................. - 9 -

4.2.1 动作电流的计算.............................................................................................................. - 9 -

4.2.2 动作时间的计算............................................................................................................ - 10 -

4.2.3 灵敏度校验.................................................................................................................... - 10 -

5 原理图及展开图的的绘制.................................................................................................................. - 10 -

5.1 原理接线图............................................................................................................................... - 10 -

5.2 交流回路展开图........................................................................................................................- 11 -

5.3 直流回路展开图....................................................................................................................... - 12 -

6 继电保护设备的选择.......................................................................................................................... - 12 -

6.1 电流互感器的选择................................................................................................................... - 12 -

6.2 继电器的选择........................................................................................................................... - 13 -

7 保护的评价.......................................................................................................................................... - 14 -

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。

本次课程设计以电网的某条线路为例进行了三段式电流保护的分析设计。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的具体计算。

关键字：继电保护，电流保护

1 设计原始资料

1.1 具体题目

如图 1.1所示网络，系统参数为?E =115/3kV ，1G X =18Ω、2G X =18Ω、3G X =10Ω， 1L =2L =50km 、3L =30km 、C B L -=60km 、D C L -=40km 、E D L -=30km ，线路阻抗0.4Ω/km ，I rel

K =1.3、II rel K =III rel K =1.15，max C B I -=300A ，max D C I -=200A ，max E D I -=150A ，ss K =1.5，re K =0.85。

图1.1 系统网络图

试对线路保护3进行三段式电流保护的设计。

1.2 要完成的内容

（1）保护的配置及选择；

（2）短路电流计算（系统运行方式的考虑、短路点的考虑、短路类型的考虑）；

（3）保护配合及整定计算；

（4）保护原理展开图及展开图的设计；

（5）对保护的评价。

2 设计要考虑的问题

2.1 设计规程

2.1.1 短路电流计算规程

在决定保护方式前，必须较详细地计算各短路点短路时，流过有关保护的短路电流，

然后根据计算结果，在满足《继电保护和自动装置技术规程》和题目给定的要求条件下，尽可能采用简单的保护方式。其计算步骤及注意事项如下。

（1）系统运行方式的考虑

除考虑发电厂发电容量的最大和最小运行方式外，还必须考虑在设备检修或故障切除的情况下，发生短路时流过保护装置的短路电流最大和最小的系统运行方式，以便计算保护的整定值和保护灵敏度。在需采用电流电压联锁速断保护时，还必须考虑系统的正常运行方式。

（2）短路点的考虑

求不同保护的整定值和灵敏度时，应注意短路点的选择。若要绘制短路电流、电压与距离的关系曲线，每一条线路上的短路点至少要取三点，即线路的始端、中点和末端三点。

（3）短路类型的考虑

相间短路保护的整定计算应取系统最大运行方式下三相短路电流，以作动作电流整定之用；而在系统最小运行方式下计算两相短路电流，以作计算灵敏度之用。短路的计算选用三相短路或两相短路进行计算均可，因为对保护所取的残余而言，三相短路和两相短路的残余数值相同。

若采用电流电压连锁速断保护，系统运行方式应采用正常运行方式下的短路电流和电压的数值作为整定之用。

（4）短路电流列表

为了便于整定计算时查考每一点的短路时保护安装处的短路电流和，将计算结果列成表格。

流过保护安装处的短路电流应考虑后备保护的计算需要，即列出本线路各短路点短路时流过保护安装处的短路电流，还要列出相邻线路各点短路时流过保护安装处的短路电流。

计算短路电流时，用标幺值或用有名值均可，可根据题目的数据，用较简单的方法计算。

2.1.2 保护方式的选取及整定计算

采用什么保护方式，主要视其能否满足规程的要求。能满足要求时，所采用的保护就可采用；不能满足要求时，就必须采取措施使其符合要求或改用其他保护方式。

选用保护方式时，首先考虑采用最简单的保护，以便提高保护的可靠性。当采用简单保护不能同时满足选择性、灵敏性和速动性要求时，则可采用较复杂的保护方式。

选用保护方式时，可先选择主保护，然后选择后备保护。通过整定计算，检验能否满足灵敏性和速动性的要求。

当采用的保护不能很好地满足选择性或速动性的要求时，允许采用自动重合闸来校

正选择性或加速保护动作。

当灵敏度不能满足要求时，在满足速动性的前下，可考虑利用保护的相继动作，以提高保护的灵敏性。

在用动作电流、电压或动作时间能保证选择性时，不要采用方向元件以简化保护。 后备保护的动作电流必须配合，要保证较靠近电源的上一元件保护的动作电流大于下一元件保护的动作电流，且有一定的裕度，以保证选择性。

2.2 本设计的保护配置

2.2.1 主保护配置

选用三段式电流保护，经灵敏度校验可得电流速断保护不能作为主保护。因此，主保护应选用三段式距离保护。

2.2.2 后备保护配置

过电流保护作为后备保护和远后备保护。

3 短路电流计算

3.1 等效电路的建立

由已知可得,线路的总阻抗的计算公式为

L X Z = (3.1) 其中：Z —线路单位长度阻抗；

L —线路长度。

所以，将数据代入公式(3.1.1)可得各段线路的线路阻抗分别为

)(20504.0121Ω=?=?==L Z X X L L )

(12304.033Ω=?=?=L Z X L )(24604.0Ω=?=?=-C B BC L Z X

)(16404.0Ω=?=?=-D C CD L Z X

)(12304.0Ω=?=?=-E D DE L Z X

经分析可知，最大运行方式即阻抗最小时，则有三台发电机运行，线路1L 、3L 运行，由题意知1G 、3G 连接在同一母线上，则

)(2.10)1210(||)109()(||)||||(332121min Ω=++=++=L G L L G G s X X X X X X X

式中 m i n s X —最大运行方式下的阻抗值；

同理，最小运行方式即阻抗值最大，分析可知在只有1G 和1L 运行，相应地有

)

(38201811max .Ω=+=+=L G s X X X

由此可得最大运行方式等效电路如图3.1所示，最小运行方式等效电路图如图3.2所示。

图3.1 最大运行方式等效电路图

图3.2 最小运行方式等效电路图

3.2 保护短路点及短路点的选取

选取B 、C 、D 、E 点为短路点进行计算。

3.3 短路电流的计算

3.3.1 最大方式短路电流计算

在最大运行方式下流过保护元件的最大短路电流的公式为

k s k Z Z E K E I +==?

? (3.2) 式中 ?E —系统等效电源的相电动势；

k Z —短路点至保护安装处之间的阻抗；

s Z —保护安装处到系统等效电源之间的阻抗；

?K —短路类型系数、三相短路取1，两相短路取

23。 （1）对于保护2等值电路图如图3.1所示，母线D 最大运行方式下发生三相短路流过保护2的最大短路电流为

CD BC D X X X E I ++=smin max k (3.3)

代入数据得：

CD

BC D X X X E

I ++=smin max k ()kA 32.1=

(2)对于保护3等值电路图如图3.1所示，母线C 最大运行方式下发生三相短路流过保护3的最大短路电流为

BC C X X E I +=smin max k 代入数据得:

BC C X X E

I +=smin max k

)k (94.1A =

3.3.2 最小方式短路电流计算 在最小运行方式下流过保护元件的最小短路电流的公式为

L

s k Z Z E I +=min .min .23? 式中 ?E —系统等效电源的相电动势；

m i n s,Z —保护安装处到系统等效电源之间的阻抗；

L Z —短路点到保护安装处之间的阻抗。

所以带入各点的数据可以计算得到各点的的最小短路电流。 ）（A I E 639121624381311523min =+++??=

）（A I C 92724381311523min =+??= (3.4) (3.5)

4 保护的配合及整定计算

4.1 主保护的整定计算

4.1.1 动作电流的计算

最小保护范围计算式为

min

1smax set z 23L Z E I I

+?=? 其中 ?E —系统等效电源的相电动势；

s .m a x

Z —短路点至保护安装处之间的阻抗； 1z —线路单位长度的正序阻抗。

(1)对于保护2等值电路图如图3.1所示，母线D 最大运行方式下发生三相短路流过保护2的最大短路电流为 ()kA I

kD 32.1max = 整定原则：按照躲过本线路末端最大短路电流来整定。

相应的速断定值为

最小保护范围根据式（4.1）可得

即2处的电流速断保护在最小运行方式下没有保护区。

（2）对于保护3等值电路图如图3.1所示，母线C 最大运行方式下发生三相短路流过保护3的最大短路电流为

)(94.1k Cmax kA I =

相应的速断定值为

最小保护范围根据式（3.4）可得

) ( 72 . 1 32 . 1 3 . 1 max

. . Ⅰ Ⅰ 2 . kA I K I D k rel set = ? = ? = ) ( 52 . 2 94 . 1 3 . 1 max . . Ⅰ Ⅰ 3 . kA I K I C k

rel set = ? = ? = （4.1） ()

km L 38min 3-=()km L 4.11min 2-=

即3处的电流速断保护在最小运行方式下也没有保护区。

所以，以上计算表明，在运行方式变化很大的情况下，电流速断保护在较小运行方式下可能没有保护区。

4.1.2 灵敏度校验

限时电流速断定值根据式(4.2)可以计算。

ⅠⅡⅡs e t r e l s e t I K I = (4.2) 其中 Ⅱ

r e l K —可靠系数，取值为1.15。

（1） 整定原则：按照躲过下级线路电流速断保护的最大动作电流来整定。 （2） 保护3的限时电流速断定值为

线路末端（即C 处）最小运行方式下发生两相短路时的电流为

)(93.024

383115×23E 23max .min ..kA X X I BC s C k =+=+= 所以保护5处的灵敏度系数为

也不满足sen K ≥1.2的要求。

可见，由于运行方式变化太大，3处的限时电流速断的灵敏度远不能满足要求。

4.2 后备保护的整定计算

4.2.1 动作电流的计算

过电流整定值计算公式为

re L ss rel rel set K I K K I I

max .Ⅲre ˊⅢK == （4.3） 其中 Ⅲr e l

K —可靠系数，取值为1.2； ss K —可靠系数，取值为1.5；

re K —可靠系数，取值为0.9。

) ( .2.1 72 . 1 × 2 . 1 Ⅰ 2 . Ⅱ Ⅱ 3 . kA I K I set rel set = = = 44.01.293.0set min ..3.===

I I K C

k set

整定原则：按照大于本线路流过的最大负荷电流整定

所以有 A I K K K I L E D re ss rel set 6003009

.05.12.1max ..3=??==-ⅢⅢ

4.2.2 动作时间的计算

假设母线E 过电流保护动作时限为0.5s ，保护的动作时间为

)(15.05.0Ⅲ1s t =+=

)(5.15.0Ⅲ1Ⅲ2s t t =+=

)(25.0Ⅲ2Ⅲ3s t t =+=

4.2.3 灵敏度校验

在最小运行方式下流过保护元件的最小短路电流的公式为

L s k Z Z E I +=max .min .23 所以由灵敏度公式（4.4）

Ⅲmin .set k sen I I K =

保护3作为远后备保护的灵敏度为

07.1600639Ⅲ3

.min .Ⅲ3.===set E set I I K ≤1.2 不满足作为远后备保护灵敏度的要求。

5 原理图及展开图的的绘制

5.1 原理接线图

如图5-1所示，每个继电器的线圈和触点都画在一个图形内，所有元件都用设备文字符号标注，如图中KA 表示电流继电器，KT 表示时间继电器，KS 表示信号继电器。原理接线图对整个保护的工作原理给出了一个完整的概念。

（4.4）

（4.5）

≥1

≥1≥1≥1

KCO

KS1KS2KS3

KT2

TAc

KAa1 KAc1 KAa2 KAc2 KAa3 KAc3 KAb3

图5.1 三段式电流保护原理接线图 5.2 交流回路展开图

展开图中交流回路和直流回路分开表示，分别如图5.2和图5.3所示。其特点是每个继电器的输出量和输出量根据实际动作的回路情况分别画在途中不同的位置上，但任然用同一个符号标注，一边查对。在展开图中，继电器线圈和出点的链接尽量暗中故障后的动作连接，自左而右，自上而下的排列。

TAa1TAa2TAa TAa3

KAb

3

TAc 交交交交交交

TAc1TAc2TAc3

图5.2 保护交流电流回路图

5.3 直流回路展开图 QF

+wc

-wc KAa1

KAb3

KAc1

KT2

KT3

KCO KS1KAa2

KAc2

KAa3

KAc3

KCO YR

电流速断保护限时电流速断保护过电流保护跳闸回路KT1KT3KS2KS3

图5.3 保护直流回路展开图

6 继电保护设备的选择

6.1 电流互感器的选择

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。

（1）小电流选线装置用零序电流互感器

小电流选线装置本身没有整定值，零序电流只是装置的判据之一，要求零序电流互感器在一次接地电流较小时，和非金属性接地时，零序电流互感器也要有一定的输出，来满足装置启动的门坎值。装置本身的负载阻抗并不大，但需要通过电缆将各个零序电流互感器与装置连接起来，所以电缆的阻抗就是零序电流互感器的主要负载阻抗，这种零序电流互感器的负载阻抗一般为2.5Ω左右，经过多年实践和试验得知与小电流选线装置配套的零序电流互感器选用：

（2）与DD11/60型继电器配套使用的零序电流互感器

DD11/60型继电器线圈并联阻抗为10Ω，COSΦ=0.8，与ENR —LJ （K ）××A 型零序电流互感器是其配套产品，二次电流60mA 时零序电流互感器一次电流≤4A 。

（3）与DL11/0.2型继电器配套使用的零序电流互感器

DL11/0.2型继电器线圈并联阻抗为10Ω，COSΦ=0.8，我公司生产的ENR—LJ（K）××B型零序电流互感器是其配套产品，二次电流0.2A时零序电流互感器一次电流≤10A。

（4）精度与容量（额定负荷）的关系

国标中规定：“在额定频率及额定负荷下，电流误差，相位差和复合误差不超过上表所列限值。”所以所选零序电流互感器的容量要与二次回路（装置及回路）阻抗匹配，才能达到上表精度，如所选容量大时零序电流互感器在使用时将出现正误差，反之则出现负误差。

6.2 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。

(1)按使用环境条件选择继电器型号

环境适应性是继电器可靠性指标之一,使用环境和工作条件的差异，对继电器性能有很大的影响。

使用环境条件主要指温度(最大与最小)、湿度(一般指40摄氏度下的最大相对湿度)、低气压(使用高度1000米以下可不考虑)、振动和冲击。此外，尚有封装方式、安装方法、外形尺寸及绝缘性等要求。由于材料和结构不同，继电器承受的环境力学条件各异，超过产品标准规定的环境力学条件下使用，有可能损坏继电器，可按整机的环境力学条件或高一级的条件选用。

(2)根据输入量选定继电器的输入参数

在电磁继电器的输入参数中，与用户密切相关的是线圈的工作电压(或电流)，而吸合电压(或电流) 则是继电器制造厂约束继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数，它只是一个工作下限参考值。不少用户因不了解继电器动作原理的特殊性，往往把吸合电压(或电流)错认为是继电器应可靠工作的电压(或电流)，而把工作电压值取在吸合电压值上，这是十分危险也是不允许的。因为吸合值只是保证继电器可靠动作的最小输入量，而继电器动作后，还需要一个保险量，以提高维持可靠闭合所需的接触压力、抗环境作用所需的电磁吸力。否则，一旦环境温度升高或在机械振动和冲击条件下，或输入回路电流波动和电源电压降低时，仅靠吸合值是不可能保证可靠工作的。所以选择继电器时，首先看继电器技术条件规定的额定工作电压是否与整机线路所能提供的电压相符，绝不能与继电器吸合值相比。

(3)根据负载情况选择继电器触点的种类与参数与被控电路直接连接的触点是继电器的接触系统。国外和国内长期实践证明，约百分之七十以上的故障发生在触点上。这除了与继电器本身结构与制造因素密切相关之外，未能正确选用和使用也是重要因素之

一。且大多数问题是由于用户的实际负载要求与继电器触点额定负载不同而引起的。①根据控制要求确定触点组合形式，如需要的是常开还是常闭触点或转换触点；②根据被控回路多少确定触点的对数和组数；③根据负载性质与容量大小确定触点有关参数，如额定电压、电流与容量，有时还需要考虑对触点接触电阻、抖动时间、分布电容等的要求。关于触点切换的额定值，电磁继电器一般规定它的性质及大小。它的含义是指在规定的动作次数内，在定的电压和频率下，触点所能切换的电流的大小。这一负载值是由继电器结构要素决定的。为了便于考核比较，一般只规定阻性负载。在实际使用中需要切换其它性质的负载。

(4)按工作状态选择继电器

继电器的工作状态主要是指输入信号对线圈的作用状态。继电器线圈的设计是对应于不同的输入信号状态的，有长期连续作用的信号，有短期重复工作(脉冲)信号。连续工作是指线圈能连续地承受工作信号的长期作用。对脉冲信号还要考虑脉冲频率、通断比等。因此，要根据信号特点选用适合于不同工作状态的继电器，一般不允许随便使用，特别要注意不能将短期工作状态的继电器使用在连续工作状态，高温工作条件下尤其要注意。在实际切换功率负载或大功率负载时，尤其要考虑不宜切换速率过高。一般应少于10-20次/min。最大循环速率为：0.1次/(最大吸合时间最大释放时间)s。

(5)按安装工作位置、安装方式及尺寸、重量的选择

继电器工作位置与其结构有关，大多数继电器可在任意位置下工作，但也有部分继电器工作位置有具体的规定。例如普通水银继电器，就规定要直立安装，其偏斜极限不得超过30℃，否则，由于水银的连接中断将不起继电器作用。

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。

7 保护的评价

在做继电保护配置时我们应该使配置的结果满足继电保护的基本要求，就是要保证可靠性、选择性、速动性和灵敏性。可是这四个指标在很多情况下是互相矛盾的，因此我们要根据实际情况让它们达到一定的平衡即可。

通过设计过程可以看出，最大运行方式下三相短路的短路电流与最小运行方式下得两相的短路电流相差很大。按躲过最大运行方式下末端最大短路电流整定的电流速断保护的动作值很大，最小运行方式下灵敏度不能满足要求。限时电流速断保护的定值必须与下一级线路电流速断保护的定值相配合，所以其定值也很大，灵敏度也均不能满足要

求。过电流整定按照躲过最大负荷电流整定，其动作之受运行方式的限制不大，作为近后备和远后备灵敏度都能满足要求，一般采用受运行方式变化影响很小的距离保护。

参考文献

[1] 张保会，尹项根．电力系统继电保护[M]．北京：中国电力出版社，2009．

[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] 王永康．继电保护与自动装置[M]．北京：中国铁道出版社，1986．