继电保护课程设计报告--距离保护

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继电保护原理课程设计报告

评语： 考 勤 守 纪 （10） （10）

设计过程 设计报告 小组答辩 总成绩 （100） （40） （30） （10） 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

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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，XG1=15、XG2=10、XG3=10,L1=L2=60km、L3=40km，

KrelLB-C=50km，LC-D=30km，LD-E=20km，线路阻抗0.4/km，KIrelKrel=0.85，

IB-C.max=300A、IC-D.max=200A、ID-E.max=150A，KSS=1.5、Kre=1.2。

A9G13G25G3L3421L18CDBE图1 线路网络图

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段的整定计算，及设备选型。

、Ⅱ段和Ⅲ段

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。

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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、电压互感器的误差后，需要引入可靠系数KIrel（一般取0.8～0.85）以满足要求。

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

II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Krel。

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。

2

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3GC2D1EB

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。

BG983C5G342D1E

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。

5G34B89G 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×z1 (1)

其中： L——为线路长度（km）；

z1——为线路单位长度上的阻抗(Ω/km)。

将线路L1的参数带入(1)，算得线路L1的阻抗值为： ZL1=60×0.4=24 (Ω)

将线路L3的参数带入(1)，算得线路L3的阻抗值为：

ZL3=40×0.4=16 (Ω)

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将线路B-C的参数带入(1)，算得线路B-C的阻抗值为： ZB-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：

ZC-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： ZD-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：

ZIIsetKrelZL 式中 ZIset——距离Ⅰ段保护的整定阻抗(

Ω)； KIrel——距离Ⅰ段保护的可靠系数；

ZL——被保护线路的正序阻抗(

Ω)。

将保护3的参数得带入(2)得：

ZIset.3=0.85×20=17.0 (Ω)

将保护5的参数得带入(2)得：

ZIset.5=0.85×16=13.6 (Ω)

将保护1的参数得带入(2)得：

ZIset.1=0.85×8=6.8 (Ω)

将保护2的参数得带入(2)得：

ZIset.2=0.85×12=10.2 (Ω)

将保护8的参数得带入(2)得：

ZIset.8=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：tI3=0 (s)。

保护5的Ⅰ段保护动作时间为：tI5=0 (s)。

保护2的Ⅰ段保护动作时间为：tI2=0 (s)。

4

(2) 继电保护原理课程设计报告

I保护8的Ⅰ段保护动作时间为：t8=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：

III Zset.1=KIIrel（ZL+Kb.minZset.2） (3) II式中 Zset——距离Ⅱ段保护的整定阻抗(Ω)；

KIIrel——距离Ⅱ段保护的可靠系数；

ZL——保护安装段的线路正序阻抗(Ω)；

Kb.min——最小分支系数；

IZset.2——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：

IIZset.3=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。

Kb=

I3(XG1//XG2)ZL1XG2+ZL36241610===1.867 I5(XG1//XG2)ZL1624将保护5与保护3的相应参数带入(3)得：

IIZset.5=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：

IIZset.5=0.85×(16+20.4)=30.94 (Ω)

II取以上两个计算值中较小者为保护5的Ⅱ段整定值，即取Zset.5=30.94 (Ω)。

3) 保护2与保护1的参数带入(3)得：

IIZset.2=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：

t3II=tI2+t=0.5 (s)。

保护5的Ⅰ段保护的动作时间为：

IIIIt5=t3+t=0.5 (s)或t5=t8+t=0.5 (s)

I取其中较长者，即t5=0.5 (s)。

(3) Ⅱ段保护的灵敏度校验

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Ⅱ段保护的灵敏度校验依据为：

IIZsetKsen=≥1.25 (4)

ZL式中 Ksen——灵敏系数；

ZIIset——距离Ⅱ段的整定阻抗；

ZL——被保护线路阻抗。

将保护3的相应参数带入(4)得：

Ksen.3=25.6720=1.28≥1.25

将保护3的相应参数带入(4)得：

Ksen.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：ZIIIIIIZIIset.1=Krel（ZL+Kb.minset.2） .. 式中 KIIIrel——保护Ⅲ段的可靠系数；

ZL——阻抗测量元件返回系数；

Kb.min——最小分支系数；

ZIIset.2——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：

ZIIIset.3=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： ZIIIset.5=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：ZL.minU.(0.90.95)U.=

L.minN I.L.maxI. L.max式中 U.L.min——正常运行母线电压的最低值；

I.L.max——被保护线路最大负荷电流；

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(5)

(6)

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UN——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：

IIIZset.1=

.KrelZL.min (7) KssKre式中 Krel——可靠系数； Kss——电动机自启动系数； Kre——阻抗测量元件的返回系数。

将保护3的参数带入(6)、(7)得：

ZL.min.3=0.9110/3103300=190.53 (Ω)

ZIII0.85set.3=

1.51.2190.53=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ZIIIset.3=30.58 (Ω)。 保护5的Ⅲ段的整定阻抗ZIIIset.5=54.34 (Ω)。

4.2.2动作时间

(1) 保护3的Ⅲ段保，护动作时间：

tIII=tII32+t=1 (s)

(2) 保护4的Ⅲ段后备保护动作时间：

tIIIII5=t3+t=2 (s)或tIII5=tII8+t=1 (s)

取其中较大者作为距离保护Ⅲ段的整定时间，所以tIII3=1 (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：

Ksen(1)=ZIIIsetZ≥1.5 L将保护3的参数带入(8)得：

Ksen(1)=

30.5820=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：

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tIII5=2 (s)。 (8)

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IIIZsetKsen(2)=≥1.2 (9)

ZLKb.maxZnext将保护3的参数带入(9)得：

Ksen(2)=

30.58=0.96<1.2

2012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：

Ksen(1)=

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：

Ksen(2)=

54.34=1.02<1.2

161.8672054.34=3.40>1.2 16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：

Ksen(2)=

满足要求。

54.34=1.36>1.2

16244.3 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Z=

1Z处，即位于21I(6+24+16+10)=28 (Ω)处，距离保护5的阻抗为18 (Ω)。因为Zset.5=13.6 (Ω)，2IIIIIZset.5=30.94 (Ω)，Zset.5=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。

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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Umax=流Umax=

115/3=4.77 (kA)，保护5处的最大短路电13.93115/3=6.64 (kA)，保护3和保护5的电压最大值不会超过2E，所以10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 额定

型号

一次电流(A)

LZMB2500~1-10 5000

额定短时热电流

额定动准确稳定电级组

额定二次输出

LZZB9

8000

-10

0.0.5

流(kA) 合

2 5 P (kA/s)

0.2/0

.5/5P333

100 250

10/50 0 0 P20 0.2/0

112

63 100 .5/10

0 5 0 P10

表2电压互感器的选择

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极

额定绝

型号

电压比

缘水平(kV)

限

准确级及额

输(VA)

定输出(VA) 出

URED-20

20:3,0.1:3,0.1:3

24/65/10.5/3P(6P)-40

400

25 /50

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 相AC直接连接

DIA53S

100AC,可调设定值,滞后可调。

表4 信号继电器的选择

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测量范围(Ω)

输出

2-20

8A/250VAC

5-50

5A/24VDC

10-100

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型号 功能 灯光信

工作线圈额定电流(A)

工作线保持线圈额定圈额定电压(V) 值(V)

DX-32A

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 DBB01C

6原理图的绘制

6.1保护测量回路

时间范围 输出 供电电源

5A/250VAC 24VDC

0.1s-10h

5A/24VDC 24-240VAC

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。

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TAURR1.KIIm21.KIIm21.KUUm2UA绝对比较回路TVT•UB•

.图5 绝对值比较的电压形成

阻抗继电器的动作条件为|ZB||ZA|，该式两端同乘以测量电流Im，并令

ImZA=UA，ImZB=UB，则绝对值比较的动作条件为|UB||UA|。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。

TA......URR•KIIm..UC.TVT•KUUm.•KUUmUD.相位比较回路

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KUUm；电抗互

.

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感器UR也有两个输出绕组，其中一个的输出电压为KIIm，另一个绕组接相角调节电阻。按照图示连接，可以得到UC=KIIm-KUUm,UD=KUUm。所以相位比较阻抗继电器的动作条件为-90oarc......KIImKUUmKUUm...90。

o

6.2保护跳闸回路

保护跳闸电路图如图7所示。

母线KCO≥1KSTVTA线路IKTIIKZIIKSIIKTIIIKSIIIKZIKZ

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。

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