继电保护课程设计报告--距离保护

继电保护课程设计报告--距离保护

继电保护原理课程设计报告评语：

考勤（10）守纪

（10）

设计

过程

（40）

设计

报告

（30）

小组

答辩

（10）

总成绩

（100）

专业：

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

兰州交通大学自动化与电气工程学院

201 年月日

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：

?E =115/3kV ，X G1=15Ω、X G2=10Ω、X G3=10Ω,L 1=L 2=60km 、L 3=40km ，

L B-C =50km ，L C-D =30km ，L D-E =20km ，线路阻抗0.4Ω/km ，I I I

∏==rel rel I rel K K K =0.85，

I B-C.max =300A 、I C-D.max =200A 、I D-E.max =150A ，K SS =1.5、K re =1.2。

A

B

试对线路L1、L2、L3进行距离保护的设计（说明：可让不同的学生做1、2、3、4、5、6、8、9处一至二处保护设计）。

1.2 要完成的内容

对保护3和保护5进行距离保护设计。其中包括距离保护Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段

的整定计算，及设备选型。

2 设计分析

2.1 设计步骤

其中包括四个步，第一步：保护3和保护5的Ⅰ段的整定计算及灵敏度校验；第二步：保护3和保护5的Ⅱ段的整定计算及灵敏度的校验；第三部：保护3和保护5的Ⅲ段的整定计算及灵敏度的校验；第四步：继电保护设备的选择和原理的分析。

2.2 本设计的保护配置

距离保护在作用上分为主保护和后备保护，主保护用于对线路进行保护主要作用的装置当线路故障时，主保护首先动作。当主保护由于故障拒动时就需要后备保护对线路起保护作用，后备保护用于对线路起后备保障作用。线路主保护有距离保护的Ⅰ段和Ⅱ段保护，线路的后备是距离保护Ⅲ段保护。后备保护又分为近后备保护和远后备保护。

2.2.1 主保护配置

距离保护的主保护是距离保护Ⅰ段和距离保护Ⅱ段。

(1) 距离保护Ⅰ段保护

距离保护的第Ⅰ段是瞬时动作的，它只反映本线路的故障，下级线路出口发生故障时，应可靠不动作。以保护3为例，其启动阻抗的整定值必须躲开本线路末端短路的测量阻抗来整定。同时，在考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的

K（一般取0.8～0.85）以满足要求。

误差后，需要引入可靠系数I

rel

如此整定后，距离Ⅰ段就只能保护本线路全长的80％～85％，无法保证保护线路全长，这是一个缺点。为了切除本线路末端15％～20％范围以内的故障，就需设置距离保护第Ⅱ段。

(2) 距离保护的Ⅱ段保护

距离段整定值的选择应使其不超出相邻下级保护Ⅰ段的保护范围，同时带有

K。高出一个△t的时限，以保证选择性。考虑到可能引起误差，需引入可靠系数II

rel

距离Ⅰ段与Ⅱ段配合工作构成本线路的主保护。

2.2.2 后备保护配置

距离保护的后备保护是距离保护的Ⅲ段保护，其可作为近后备保护也可作为远后备保护。

距离保护的Ⅲ段保护当作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作时的后备保护时，即为远后备保护；当作为本线路Ⅰ、Ⅱ段的后备保护时，即为近后备保护。其作用是保证线路保护的完整性，防止出现线路全长没有保护到的现象。

3 等效电路的建立及阻抗的计算

3.1 等效电路的建立

3.1.1 保护3等效电路建立

保护3等效电路建立及短路点选取如图2所示。

B

C

D

E

图2 保护3等效电路

3.1.2 保护5等效电路建立及阻抗计算

(1) 保护5与保护3配合时等效电路建立如图3所示。

G3

G

图3

保护5与保护3配合时等效电路

(2) 保护5与保护8配合时等效电路建立如图4所示。

B

图4 保护5与保护8配合时等效电路

3.2基本阻抗的计算

阻抗计算公式为：

Z=L×z 1 (1)

其中： L ——为线路长度（km ）；

z 1——为线路单位长度上的阻抗(Ω/km)。

将线路L 1的参数带入(1)，算得线路L 1的阻抗值为： Z L1=60×0.4=24 (Ω)

将线路L 3的参数带入(1)，算得线路L 3的阻抗值为：

Z L3=40×0.4=16 (Ω)

将线路B-C 的参数带入(1)，算得线路B-C 的阻抗值为： Z B-C =50×0.4=20 (Ω)

将线路C-D 的参数带入(1)，算得线路C-D 的阻抗值为：

Z C-D =30×0.4=12 (Ω)

将线路D-E 的参数带入(1)，算得线路D-E 的阻抗值为： Z D-E =20×0.4=8 (Ω)

4 保护的配合及整定计算

4.1 主保护的整定计算

4.1.1 Ⅰ段的整定计算

(1) Ⅰ段保护的阻抗整定公式为：

I I

set

rel L Z K Z =? (2) 式中 I

set Z ——距离Ⅰ段保护的整定阻抗(

Ω)； I

rel K ——距离Ⅰ段保护的可靠系数；

L Z ——被保护线路的正序阻抗(

Ω)。

将保护3的参数得带入(2)得：

I

.3set Z =0.85×20=17.0 (Ω)

将保护5的参数得带入(2)得：

I .5set Z =0.85×16=13.6 (Ω)

将保护1的参数得带入(2)得：

I .1set Z =0.85×8=6.8 (Ω)

将保护2的参数得带入(2)得：

I .2set Z =0.85×12=10.2 (Ω)

将保护8的参数得带入(2)得：

I .8set Z =0.85×24=20.4 (Ω)

(2) Ⅰ段保护的时间整定

保护3的Ⅰ段保护动作时间为：I

3t =0 (s)。

保护5的Ⅰ段保护动作时间为：I 5t =0 (s)。

保护2的Ⅰ段保护动作时间为：I 2t =0 (s)。

保护8的Ⅰ段保护动作时间为：I

8t =0 (s)。

4.1.2 Ⅱ段的整定计算

(1) Ⅱ段保护的阻抗整定公式为：

II set.1Z =II rel K （Z L +.min K b ?I set.2Z ） (3) 式中 II set Z ——距离Ⅱ段保护的整定阻抗(Ω)；

II rel K ——距离Ⅱ段保护的可靠系数；

Z L ——保护安装段的线路正序阻抗(Ω)；

.min K b ——最小分支系数；

I

set.2Z ——相邻下级保护的Ⅰ段保护阻抗整定值。

1) 将保护3与保护2的参数得带入(3)得：

II

set.3Z =0.85×(20+10.2)=25.67 (Ω)

2) 保护5的Ⅱ段保护分为两种情况。

① 保护5与保护3配合时的Ⅱ段保护等效图如图3所示。

K b =

35I I =12123121(//)+(//)G G L G L G G L X X Z X Z X X Z +++=6241610624

++++=1.867 将保护5与保护3的相应参数带入(3)得：

II

set.5Z =0.85×(16+1.867×17.0)=40.59 (Ω)

② 保护5与保护8配合时的Ⅱ段保护等效如图4所示。 将保护5与保护8的相应参数带入(3)得：

II

set.5Z =0.85×(16+20.4)=30.94 (Ω)

取以上两个计算值中较小者为保护5的Ⅱ段整定值，即取II

set.5Z =30.94 (Ω)。

3) 保护2与保护1的参数带入(3)得：

II

set.2Z =0.85×(12+6.8)=15.98 (Ω)

(2) Ⅱ段保护的时间整定

保护3的Ⅰ段保护的动作时间为：

II 3t =I 2t +t ?=0.5 (s)。

保护5的Ⅰ段保护的动作时间为：

I 5t =I 3t +t ?=0.5 (s)或I 5t =I 8t +t ?=0.5 (s)

取其中较长者，即I

5t =0.5 (s)。

(3) Ⅱ段保护的灵敏度校验

Ⅱ段保护的灵敏度校验依据为：

K sen =II set

Z L

Z ≥1.25 (4)

式中 K sen ——灵敏系数；

II set Z ——距离Ⅱ段的整定阻抗；

Z L ——被保护线路阻抗。

将保护3的相应参数带入(4)得：

K sen.3=25.67

20

=1.28≥1.25

将保护3的相应参数带入(4)得：

K sen.5=30.9416

=1.934≥1.25

所以保护3和保护5的Ⅱ段保护整定值均满足要求。

4.2后备保护的整定计算

4.2.1整定动作值

(1) 按与相邻下级线路距离保护Ⅱ段配合时，Ⅲ段的整定阻抗为：

III set.1Z =III rel K （Z L +.min b K ?II set.2Z ） .. (5)

式中 III

rel K ——保护Ⅲ段的可靠系数；

Z L ——阻抗测量元件返回系数；

.min b K ——最小分支系数；

II

set.2Z ——相邻下级保护的Ⅱ段保护阻抗整定值。

1) 将保护3和保护1的对应参数带入(5)得：

III

set.3Z =0.85×(20+15.98)=30.58 (Ω)

2) 将保护5和保护3的对应参数带入(5)得： III set.5

Z =0.85×(16+1.867×25.67)=54.34 (Ω) (2) 按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定。

当线路上的负荷最大且母线电压最小时，负荷阻抗最小，其值为：

Z L.min =

.

.

.min .

.

.max

.max

(0.90.95)L N

L L U U I I =

(6)

式中 .

.min L U ——正常运行母线电压的最低值；

.

.max L I ——被保护线路最大负荷电流；

.

N U ——母线额定线电压。

考虑到电动机自启动的情况下，保护Ⅲ段必须立即返回的要求，则整定值为：

III

set.1Z =

.min rel

L ss re

K Z K K (7) 式中 rel K ——可靠系数； ss K ——电动机自启动系数； re K ——阻抗测量元件的返回系数。

将保护3的参数带入(6)、(7)得：

Z L.min.3

=190.53 (Ω)

III set.3Z =

0.85

190.531.5 1.2

??=89.97 (Ω)

取其中较小者作为距离保护Ⅲ段的整定阻抗。

保护3的Ⅲ段的整定阻抗III

set.3Z =30.58 (Ω)。 保护5的Ⅲ段的整定阻抗III set.5Z =54.34 (Ω)。

4.2.2动作时间

(1) 保护3的Ⅲ段保，护动作时间：

III 3t =II

2t +t ?=1 (s)

(2) 保护4的Ⅲ段后备保护动作时间：

III 5t =II 3t +t ?=2 (s)或III 5t =II 8t +t ?=1 (s)

取其中较大者作为距离保护Ⅲ段的整定时间，所以III 3t =1 (s)，III 5t =2 (s)。 4.2.3灵敏度校验

(1) 保护3的Ⅲ段保护灵敏度校验。

1) 作为近后备时，按本线路末端短路校验，计算式为：

K sen(1)=III

set

L

Z Z ≥1.5 (8)

将保护3的参数带入(8)得：

K sen(1)=

30.58

20

=1.53>1.5 满足要求。

2) 作为远后备时，按相邻设备末端短路校验，计算式为：

K sen(2)=III .max set

L b next

Z Z K Z +≥1.2 (9)

将保护3的参数带入(9)得：

K sen(2)=

30.58

2012

+=0.96<1.2

所以不满足要求，保护2需要加近后备保护。 (2) 保护5的Ⅲ段保护灵敏度校验。 1) 作为近后备时，按本线路末端短路校验。 将保护5的参数带入(8)得：

K sen(1)=

54.34

16

=3.40>1.2 满足要求。

2) 保护5作为远后备保护又分为两种情况。 ① 作保护3的远后备保护，将相应参数带入(9)得：

K sen(2)=

54.34

16 1.86720

+?=1.02<1.2

所以不满足要求，保护5不能作为保护3的远后备保护。如果保护9也不满足要求，保护3就需要加近后备保护。

② 作保护8的远后备保护，将相应参数带入(9)得：

K sen(2)=

54.34

1624

+=1.36>1.2

满足要求。

4.3 距离保护的振荡闭锁

当多电源并联运行时，电源之间就会出现振荡现象。因为该系统各部分的阻抗角都相等，所以振荡中心的位置就位于阻抗中心1

2

Z ∑处，即位于Z=

12

(6+24+16+10)=28 (Ω)处，距离保护5的阻抗为18 (Ω)。因为I .5set Z =13.6 (Ω)，II set.5Z =30.94 (Ω)，III set.5Z =54.34 (Ω)，可以知道，振荡中心不在保护5的Ⅰ段的整定

定范围内，因此保护5的Ⅰ段不需要加振荡闭锁；但是振荡中心在保护5的的Ⅱ段和Ⅲ段的整定范围内，因此保护5的Ⅱ段和Ⅲ段都必须加振荡闭锁，来防止由于振荡而使保护误动。

5继电保护主要设备的选择

5.1互感器的选择

(1) 电流互感器

保护3处的最大短路电流U max

=115/

13.93

=4.77 (kA)，保护5处的最大短路电

流U max

=115/

10

(kA)，保护3和保护5的电压最大值不会超过2

E，所以

保护3处选取的电流互感器为LZZB9-10，保护5处选取的电流互感器为LZMB1-10保护3和保护5的电压互感器选用URED-20。他们的具体参数如表1、表2所示。

表1电流互感器的选择

型号额定

一次

电流

(A)

额定短

时热电

流

(kA/s)

额定动

稳定电

流(kA)

准确

级组

合

额定二

次输出

0.

2

0.

5

5

P

LZMB 1-10 2500~

5000

100 250

0.2/0

.5/5P

10/5

P20

3

3

3

LZZB9 -10 8000 63 100

0.2/0

.5/10

P10

1

1

5

2

0 表2电压互感器的选择

型号电压比额定绝

缘水平

(kV)

准确级及额

定输出(V A)

极

限

输

出

(V

A)

URED-

20

3:1.0,3

:1.0,3

:

2024/65/1

25

0.5/3P(6P)-40

/50

400

5.2继电器的选择

根据计算结果选择相应的继电器，其结果分别如表3、表4、表5所示。

表3 阻抗继电器的选择

型号功能测量范围

(Ω)

输出

DIA53S

相AC直接

连接

100AC,可

调设定值,

滞后可调。

2-20

5-50

10-100

8A/250V AC

5A/24VDC 表4 信号继电器的选择

型号功能工作线圈额

定电流(A)

工作线

圈额定

电压(V)

保持线

圈额定

值(V)

DX-32A

灯光信

号，机械

保持，电

气复归。

0.01-2.4 12-220 48-220

表5延时继电器的选择

型号时间范围输出供电电源

DBB01C 0.1s-10h 5A/250V AC

5A/24VDC

24VDC

24-240V AC

6原理图的绘制

6.1保护测量回路

对于动作于跳闸的继电保护功能来说，最为重要的是判断出故障处于规定的保护区内还是保护区外，因此测量回路主要作用是判断出故障位置，至于区内或区外的具体位置，一般并不需要确切的知道。

6.1.1绝对值比较法原理

绝对值比较的电压形成回路如图5所示。

图5 绝对值比较的电压形成

阻抗继电器的动作条件为|B Z |≤|A Z |，该式两端同乘以测量电流.

m I ，并令

.m I A Z =.A U ，.m I B Z =.B U ，则绝对值比较的动作条件为|.B U |≤|.

A U |。绝对值比较式的阻抗元件，既可以用阻抗比较的方式实现，也可以用电压比较的方式实现。 6.1.2相位比较原理的实现

相位比较原理电路图如图6所示。

图6 相位比较电压形成电路

在图6中，电压变换器T 有两个输出绕组，输出的电压都为.

m U K U ；电抗互

感器UR也有两个输出绕组，其中一个的输出电压为

.

m

I

K I，另一个绕组接相角调

节电阻。按照图示连接，可以得到

.

C

U=

.

m

I

K I-

.

m

U

K U,.D

U=

.

m

U

K U。所以相位比较

阻抗继电器的动作条件为-90o≤

..

.

m m

I U

m

U

K I K U

arc

K U

-

≤90o。

6.2保护跳闸回路

保护跳闸电路图如图7所示。

图7 保护跳闸电路

首先电路电流互感器和电压互感器将测量数据传入阻抗继电器，阻抗继电器将测量值与整定值进行逻辑比较，如果测量阻抗在距离保护Ⅰ段范围内，保护直接跳闸，如果测量阻抗在Ⅱ段或Ⅲ段范围内，保护经过Ⅱ段延时或Ⅲ段延时后，保护跳闸，切出故障，对线路起到保护作用。

7结论

设计主要完成的内容是对保护3、5进行相应的设计，通过分析和计算，在保护3和保护5处设置Ⅰ段、Ⅱ段主保护和Ⅲ段后备保护。在保护3处，是瞬时动作的，但是它只能保护线路全长的80%—85%，剩下的10%—15%故障时经过Ⅱ段延时Ⅱ段主保护启动。若主保护未启动，经过Ⅲ段延时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。