电力系统继电保护课程设计三段式电流保护设计
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：
=115/kV ，Ω、Ω、Ω
，km
、km
、
、
、，线路阻抗
0.4Ω/km,
、
,
, ，。
A B
图1 系统网络图
试对线路BC、CD、DE进行电流保护的设计。
1.2 继电保护的设计任务
（1）选定供电系统各设备的保护方式和各种保护装置的配合方式
（2）进行各种保护装置的整定计算
（3）给出保护装置的原理图和施工接线图
（4）选择所用继电器、保护装置和辅助装置的型号、规格。
（5）对保护的评价。
2 题目分析
2.1 设计规程
2.1.1 设计的步骤
（1）设计资料的分析与参数计算；选取基准值，计算各元件的阻抗标幺值。 （2）系统运行方式：确定系统运行方式，计算系统最大阻抗和最小阻抗。 （3）短路电流计算：选择短路点，求各短路点最大运行方式下的三相短路电流，最小运行方式时的两相短路电流，求短路电流时要绘制等值电路图。
（4）电流保护整定计算：确定电流保护的动作电流，动作时限并进行灵敏度校验。 （5）继电保护回路展开图：绘制电流保护的直流回路和交流回路展开图。
2.2 线路设计的保护配置
2.2.1 主保护配置
根据分析应选用三段式电流保护，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 =
(3.1.1)
其中：Z —线路单位长度阻抗；
L —线路长度。
将数据代入公式(3.1.1)可得各段线路的线路阻抗分别为：
)(24604.0121Ω=?=?==L Z X X L L )(16404.033Ω=?=?=L Z X L )(20504.0Ω=?=?=-C B BC L Z X )(12304.0Ω=?=?=-D C CD L Z X
)(8204.0Ω=?=?=-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
)(6.10)1610(||)126()(||)||||(332121min Ω=++=++=L G L L G G s X X X X X X X
式中min s X —最大运行方式下的阻抗值；
“||”表示取并联的意思，以后不再解释。
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
)(392415X X X 1L 1G max .s Ω=+=+=
由此可得最大运行方式等效电路如图2所示，最小运行方式等效电路图如图3所示。
图2 最大运行方式等效电路图
图3 最小运行方式等效电路图
3.2 保护短路点的选取
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
Z E I +==
∑?
?
(3.3.1)
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
2
3。
（1）对于保护1，其等值电路图如图2所示,母线E 最大运行方式下发生三相短路流过保护1的最大短路电流为
DE
CD BC E X X X X E
I +++=
smin max k
代入数据得：
DE
CD BC E X X X X E
I +++=
smin max k
8
12206.103115+++=
)
(312.1kA =
（2）对于保护2等值电路图如图2所示，母线E 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
代入数据得：
CD BC D X X X E
I ++=
smin max k
)k (558.1A =
（3）对于保护3等值电路图如图2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 (17.2A =
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
(3.3.2)
(3.3.3)
(3.3.4)
L
s k Z Z E I +=
min .min .23
?
式中?E —系统等效电源的相电动势；
min 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 8.72781220391311523min =+++??=
）
（A I D 8.80912
20391
311523min =++??=
）
（A I C 51.97420391
3
11523min =+??=
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 23
L Z E I I
+?
=
? 其中?E —系统等效电源的相电动势；
s.max 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1，其等值电路图如图2所示，母线E 最大运行方式下发生三相短路流过保护1的最大短路电流为
）
（A I E k 312.1max k = 相应的速断定值的计算公式为
(3.3.4)
（4.1.1）
max 1.set kE I rel I I K I =
（4.1.2）
代入数据可得
)(57.1312.12.1max ..,Ⅰ
Ⅰ1.kA I K I E k rel set =?=?=
由最小保护范围计算式（4.1.1）得
??
?
???-?=max min 235.2s I set Z I E L
代入数据可得
)(9.85min 1km L -=
即1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2等值电路图如图2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
)
(558.1max kA I kD =
相应的速断定值为
)
(87.1558.12.1max 2kA I K I kD I
rel I set =?=?=
最小保护范围根据式（4.1.3）可得
)(6.70min 2km L -=
即2处的电流速断保护在最小运行方式下也没有保护区。
（3）对于保护3等值电路图如图2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
)(17.2max kA I kC =
相应的速断定值为
)(603
.217.22.1max ..ⅠⅠ3.kA I K I C k rel set =?=?= 最小保护范围根据式（4.1.3）可得
)(3.42min 3km L -=
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。根据以上计算可以得到电流速断保护整定结果如表2所示。
表2 电流速断保护整定结果
动作电流(kA)
最小保护范围(km)
是否适用电流速断保护
BC 段保护3
2.603 -85.9 否 CD 段保护2 1.87 -70.6 否 DE 段保护1
1.57
-42.3
否
4.1.2 灵敏度校验
限时电流速断定值根据式(4.2.1)可以计算。
Ⅰ
ⅡⅡset rel set I K I = (4.1.4)
其中Ⅱrel K —可靠系数，取值为1.15。
（1）整定保护2的限时电流速断定值为
)(806.157.1×
15.1Ⅰ
1.ⅡⅡkA I K I set rel set === 线路末端（即D 处）最小运行方式下发生两相短路时的电流为
)
(8098.0142115
1220393115×23E 23max .min ..kA X X X I CD BC s D k ==++=++=
所以保护2处的灵敏度系数为
4484.0806.18098
.0Ⅱmin ..Ⅱ2.===
set D k set I I K
即不满足sen K ≥1.2的要求。
（2）同理保护3的限时电流速断定值为
)(151.287.1×
15.1Ⅰ
2.ⅡⅡ
3.kA I K I set rel set ===
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
)
(9746.0118115
20393115×23E 23max .min ..kA X X I BC s C k ==+=+=
所以保护3处的灵敏度系数为
4531.0151
.29746
.0Ⅱ
min ..Ⅱ3.===
set C k set I I K 也不满足sen K ≥1.2的要求。
可见，由于运行方式变化太大，2、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 .Ⅲ
re ˊⅢK ==（4.2.1）
其中Ⅲ
rel K —可靠系数，取值为1.15；
ss K —可靠系数，取值为1.5； re K —可靠系数，取值为0.85。
所以有
304.5(A)
150×03.20.85
150
×1.5×15.1max .ⅢⅢ
1
.====-re L E D ss rel set K I K K I
同理得
406(A)200×03.2Ⅲ
2.==set I 609(A)300×
03.2Ⅲ
3.==set I
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 =+=
)(5.15.0Ⅲ1Ⅲ
2s 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（4.2.4）
Ⅲ
min
.set
k sen I I K =
可知，保护1作为近后备保护的灵敏度应为
（4.2.2）
（4.2.4）
39.25.3048
.727Ⅲ
1
.min .Ⅲ1.===
set E set I I K ≥1.5 满足近后备保护的要求；
保护2作为远后备保护的灵敏度为
79.14068
.727Ⅲ
2
.min .Ⅲ
2.===
set E set I I K ≥1.2 满足作为远后备保护的要求
保护3作为远后备保护的灵敏度为
33.16098
.809Ⅲ
3
.min .Ⅲ
3.===
set D set I I K ≥1.2 满足作为远后备保护灵敏度的要求。
5 二次展开原理图的绘制
5.1 三段式电流保护原理接线图
继电保护接线图一般可以用原理接线图和展开图两种形式来表示。原理接线图中的每个功能块，再有电磁型继电器实现时可能是一个独立的原件，但在数字式保护和集成电路式保护中，往往将几个功能块用一个原件实现。如图4所示，每个继电器的线圈和触点都画在一个图形中，所有元件都用设备文字符号表示，如图中KA 表示电流继电器，KT 表示时间继电器，KS 表示时间继电器。原理接线图对整个保护的工作原理能给出一个完整的概念。
TAa
Ⅲ
图4 三段式电流保护原理接线图
5.2 保护测量电路
展开图中交流回路和直流回路分开表示，分别如图5和图6 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。
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
图5 保护交流电流回路图
5.3 保护跳闸电路
图6 保护直流回路展开图
6 保护的评价
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。我们在设计时必须综合考虑这些因素，选择最合理的设计配置方案。
110kV多点原系统中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电流值很大，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]吕继绍.电力系统继电保护设计原理.北京：中国水利电力出版社
[2] 谭秀炳．铁路电力与牵引供电系统继电保护[M]．成都：西安交通大学出版社，2007.
[3] 贺家李，李永丽，董新洲炳．电力系统继电保护原理[M]．北京：中国电力出版社,1986．