电力系统继电保护课程设计
选题标号： 3号 三段式距离保护 班 级： 12电气1班 * 名： *** 学 号： ******** 指导教师： *** 日 期： 2015年12月30日
天津理工大学中环信息学院
电力系统继电保护课程设计
评语： 平时考核（30） 纪律（20） 答辩（50） 总成绩（100）
天津理工大学中环信息学院
目 录
第一章：选题背景 ………………………………………………………………01
1.1 选题意义 ………………………………………………………………01 1.2 设计的原始资料 ………………………………………………………01 1.3 要完成的内容 …………………………………………………………02 第二章：继电保护方案的设计 …………………………………………………02
2.1 设计规程 ………………………………………………………………02 2.2 本设计的保护配置 …………………………………………………03 第三章：距离保护的相关计算 …………………………………………………04
3.1 等效电路的建立…………………………………………………………04 3.2 对线路L1进行距离保护的设计 ……………………………………04 3.3 对线路L3进行距离保护的设计 ……………………………………07 第四章：电路的工作原理…………………………………………………………09
4.1 电路的工作原理图………………………………………………………09 4.2 绝对值比较电压回路……………………………………………………10 第五章：实验验证…………………………………………………………………11
5.1 实验的原理图……………………………………………………………11 5.2 实验的接线图……………………………………………………………11 5.3 实验步骤…………………………………………………………………12 5.4 实验结果…………………………………………………………………13 第六章：继电保护设备的选择 …………………………………………………14
6.1 继电器的选择……………………………………………………………14 结论…………………………………………………………………………………14 参考文献……………………………………………………………………………15
电力系统继电保护课程设计
第一章：选题背景
1.1选题意义
本设计是在学习了电力系统继电保护原理专业课程及相关专业课后的设计尝试，通过这次的课程设计是对继电保护原理这门课程的一次综合性检测。继电保护装置是安装在被保护元件上，反应被保护元件故障或不正常运行状态并作用于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它要自动，迅速，有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，并保证其他非故障元件正常运行，其基本要求如下：选择性，速动性，灵敏性和可靠性。
随着电子科技和计算机技术的飞速发展，继电保护技术也发生了巨大的变化。尤其是微机保护的推广应用、计算机网络和光纤通信的普及使继电保护技术发生了革命性的变化。继电保护正在沿着微机化，网络化，保护、控制、信号、测量和数据通信一体化，后备保护和安全自动装置的广域集中化和电流、电压变换的光学化的方向前进，使继电保护依然保持着学科的完整性和先进性。电力系统的飞速发展对继电保护技术不断提出愈来愈高的要求，而电子技术、计算机技术和通信技术的日新月异又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，因此电力系统继电保护技术是电力系统学科中最活跃的领域。我国的继电保护技术在建国后60余年已经历了机电式保护、晶体管保护、集成电路保护和微机保护四个时代，并且电力系统向着大机组、超高压、特高压、长距离、全国联网的方向发展。科学技术的进步，预示着继电保护技术仍将有更大的发展。本设计着重的阐明了距离保护的三段式整定 。
距离保护目前应用较多的是保护电网间的相间短路，对于大接地电流电网中的接地故障可由简单的阶段式零序电流保护装置切除，或者采用接地距离保护。通常在35kv电网中，距离保护作为复杂网络相间短路的主保护，本次课程设计的主要目的即是通过对一条已知参数的电网中对保护装置参数的计算，来了解距离保护，知道距离保护如何满足更高电压等级复杂网络快速，有选择性的切除故障元件的要求，为什么会在高压电网中快速应用，得到发展。
1.2设计原始资料
具体题目
如下图所示网络，系统参数为：
E373kV,ZG112、ZG220、ZG315，L1L2125km、
L370km，LBC42km，LCD25km，LDE20km，线路阻抗0.4/km，
1
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''''''Krel1.2 、KrelKrel1.15，IBC.max150A ，ICD.max250A，
IDE.max200A，Kss1.5 ，Kre0.85
A9G17G25G3L34L26321L18CDBE对线路L1、L3进行距离保护的设计。
1.3要完成的内容
我们要完成的内容是实现对线路的距离保护，而在本次设计中，我们要完
成保护9和保护8，保护5和保护4相关的距离保护，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。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，至于区内或区外的具体位置，一般并不需要确切的知道。可以用相位比较的方法来实现距离保护。 具体要完成的内容如下： （1）：对距离保护的相关计算 （2）：时间的整定 （3）：灵敏度校验 （4）：电路的工作原理图 （5）：保护配置及设备的选择 （6）：实验验证
第二章：继电保护方案的设计
2.1设计规程
（1）：分析材料
（2）：对距离保护的相关计算 （3）：时间的整定 （4）：灵敏度校验
2
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（5）：绘制电路的工作原理图 （6）：保护配置及设备的选择 （7）：实验验证 （8）：评价及结论
2.2本设计的保护配置
本设计的保护配置主要由主保护配置和后备保护配置构成，其中，距离保护Ⅰ段与Ⅱ段联合工作，构成本线路的主保护。设置距离保护Ⅲ段作为本级线路距离保护Ⅰ段、Ⅱ段的近后备保护。 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，联合工作构成本线路主保护。
（1）距离保护第Ⅰ段
距离保护的第Ⅰ段是瞬时动作的，是保护本身的固有动作时间。其第Ⅰ段保护本应保护线路全长，即保护范围为全长的100％，然而实际上却是不可能的，因为当线路出口处短路时，保护2第Ⅰ段不应动作，为此，其启动阻抗的整定值必须躲开这一点短路时所测量到的阻抗错误!未找到引用源。，即错误!未找到引用源。<错误!未找到引用源。,考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，需引入可靠系数错误!未找到引用源。（一般取0.8~0.85），
则保护Ⅰ的第一段整定值为：错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。。 同理，保护2的Ⅰ段一次整定值为：错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。
如此整定后，距离Ⅰ段就只能保护本线路全长的80％-85％，这是一个严重缺点。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）距离保护第Ⅱ段
距离Ⅱ段整定值的选择是类似于限时电流速断的，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△t的时限，以保证选择性。 2.2.2后备保护配置
距离保护的后备保护是距离保护第Ⅲ段，装设距离保护第Ⅲ段是为了作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为Ⅰ、Ⅱ段的后备保护。 对距离Ⅲ段整定值的考虑是与过电流保护相似的，其启动阻抗要按躲开正常运行时的最小负荷阻抗来选择，而动作时限应使其比距离Ⅲ段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个△t。
3
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第三章：距离保护的相关计算
3.1等效电路的建立
图3.1等效电路图
3.2对线路L1进行距离保护的设计
3.2.1线路L1的Ⅰ段整定计算 （1）动作阻抗：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。= 错
误!未找到引用源。*Z*错误!未找到引用源。 (3-1) 式中：错误!未找到引用源。--被保护线路L1的长度； Z --被保护线路单位长度的阻抗； 错误!未找到引用源。--可靠系数；
错误!未找到引用源。--距离保护Ⅰ段的动作阻抗；
其中：错误!未找到引用源。=125km，Z=0.4Ω/km，错误!未找到引用源。=1.2，代入上式得：
错误!未找到引用源。=1.2*0.4*125=60Ω
（2）动作时间：
错误!未找到引用源。=0s
（3）灵敏度检验：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。 *100%= 错误!未找到引用源。
*100%=120%>80%
4
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3.2.2线路L1的Ⅱ段整定计算 （1）动作阻抗：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。 =0.4*125=50Ω
错误!未找到引用源。=0.4*70=28Ω 错误!未找到引用源。=0.4*42=16.8Ω
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*（错误!未
找到引用源。 +错误!未找到引用源。 *错误!未找到引用源。） (3-2)
式中：错误!未找到引用源。 —可靠系数
错误!未找到引用源。—线路AB的阻抗
错误!未找到引用源。—线路错误!未找到引用源。对线路L1的分支系数，其求法如下： (3-3)
错误!未找到引用源。--线路错误!未找到引用源。的Ⅰ段整定阻抗，其值为：
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。Z
其中，错误!未找到引用源。=12Ω，错误!未找到引用源。=20Ω，错误!未找到引用源。=15Ω，代入公式得错误!未找到引用源。为：
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。 +1=2.34
其中：错误!未找到引用源。=1.15，代入错误!未找到引用源。得
错误!未找到引用源。=1.15*（50+2.34*16.8*1.2）=111.75Ω
（2）动作时间：
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。+△t=0.5s
（3）灵敏度检验：
K= 错误!未找到引用源。 = 错误!未找到引用源。 =2.24>1.25
因此，满足要求。
3.2.3线路L1的Ⅲ段整定计算 （1）动作阻抗：
错误!未找到引用源。=0.4*25=10Ω 错误!未找到引用源。=0.4*20=8Ω
与相邻线路的Ⅱ段配合：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*(错误!未找(3-4)
式中：错误!未找到引用源。—为可靠系数；
5
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。+1
到引用源。+错误!未找到引用源。*错误!未找到引用源。)
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错误!未找到引用源。—线路错误!未找到引用源。对线路错误!未找到引用源。的分支系数，单线系时，其值为1；
错误!未找到引用源。—距离Ⅲ段的动作阻抗；
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。* 错误!未找到引用源。=1.2*10=12Ω
错误!未找到引用源。=1.15*（16.8+12）=33.12Ω 错误!未找到引用源。=1.15*（50+33.12）=95.59Ω
（2）灵敏度校验：
K1= 错误!未找到引用源。 =错误!未找到引用源。 =1.91>1.5 K2= 错误!未找到引用源。 = 错误!未找到引用源。 =1.43>1.2
（3）动作阻抗： 与相邻线路的Ⅲ段配合：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*(错误!未
（3-5）
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。*（错误!未
找到引用源。+错误!未找到引用源。*错误!未找到引用源。） (3-6)
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*（错误!未
(3-7)
将数字代入各个公式得：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*错误!未找到引用源。
=1.2*20*0.4=9.6Ω
错误!未找到引用源。=1.15*（10+9.6）=22.54Ω 错误!未找到引用源。=1.15*（16.8+22.54）=45.24Ω 错误!未找到引用源。=1.15*（50+45.24）=109.53Ω
（4）灵敏度校验：
K3= 错误!未找到引用源。 =错误!未找到引用源。 =2.19>1.5 K4= 错误!未找到引用源。 = 错误!未找到引用源。 =1.64>1.2
（5）动作时间：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。+△t=1s
找到引用源。+错误!未找到引用源。*错误!未找到引用源。)
找到引用源。+ 错误!未找到引用源。*错误!未找到引用源。）
3.3对线路L3进行距离保护的设计
3.3.1线路L3的Ⅰ段整定计算 （1）动作阻抗：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。*Z*错误!未
找到引用源。
6
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其中：错误!未找到引用源。=70km，Z=0.4Ω/km，错误!未找到引用源。=1.2，代入上式得：
错误!未找到引用源。=1.2*0.4*70=33.6Ω
（2）动作时间：
错误!未找到引用源。=0s
（3）灵敏度检验：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。 *100%= 错误!未找到引用源。
*100%=120%>80%
3.3.2线路L3的Ⅱ段整定计算 （1）动作阻抗：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*（错误!未找到引用源。 +
错误!未找到引用源。 *错误!未找到引用源。）
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。Z
其中，错误!未找到引用源。=12Ω，错误!未找到引用源。=20Ω，错误!未找到引用源。=15Ω，代入公式得错误!未找到引用源。为：
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。 +1=2.34 其中：错误!未找到引用源。=1.15，代入错误!未找到引用源。得
错误!未找到引用源。=1.15*（28+2.34*16.8*1.2）=86.45Ω
（2）动作时间：
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。+△t=0.5s
（3）灵敏度检验：
K= 错误!未找到引用源。 = 错误!未找到引用源。 =3.09>1.25
因此，满足要求。
3.3.3线路L3的Ⅲ段整定计算 （1）动作阻抗：
错误!未找到引用源。=0.4*25=10Ω 错误!未找到引用源。=0.4*20=8Ω
与相邻线路的Ⅱ段配合：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*(错误!未找到引用源。+错误!未找
到引用源。*错误!未找到引用源。)
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。* 错误!未找到引用源。=1.2*10=12Ω
错误!未找到引用源。=1.15*（16.8+12）=33.12Ω 错误!未找到引用源。=1.15*（28+33.12）=70.29Ω
（2）灵敏度校验：
K1= 错误!未找到引用源。 =错误!未找到引用源。 =2.51>1.5 K2= 错误!未找到引用源。 = 错误!未找到引用源。 =1.57>1.2
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（3）动作阻抗： 与相邻线路的Ⅲ段配合：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*(错误!未找到引用源。+错误!未找
到引用源。*错误!未找到引用源。)
错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。*（错误!未找到引用源。+错误!未
找到引用源。*错误!未找到引用源。）
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*（错误!未找到引用源。+ 错误!未
找到引用源。*错误!未找到引用源。）
将数字代入各个公式得：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。*错误!未找到引用源。
=1.2*20*0.4=9.6Ω
错误!未找到引用源。=1.15*（10+9.6）=22.54Ω 错误!未找到引用源。=1.15*（16.8+22.54）=45.24Ω 错误!未找到引用源。=1.15*（28+45.24）=84.23Ω
（4）灵敏度校验：
K3= 错误!未找到引用源。 =错误!未找到引用源。 =3.01>1.5 K4= 错误!未找到引用源。 = 错误!未找到引用源。 =1.88>1.2
（5）动作时间：
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。+△t=1s
第四章：电路的工作原理
4.1电路的工作原理图
三段式距离保护由测量回路，启动回路，逻辑回路三部分构成；
测量回路：测量回路的作用是通过测量阻抗来判断短路点到保护安装地点之间的
距离，判断故障处于哪一段保护范围。
启动回路：由启动元件组成，启动元件可以采用电流继电器、阻抗继电器，等，
一般采用负序电流继电器。
逻辑回路：逻辑回路由门电路和时间电路构成。其作用是对启动、测量回路送来
的信号进行分析判断，做出正确的跳闸决定。
如图：
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图4.1电路工作原理
4.2绝对值比较电压回路
图4.2绝对值比较的电压形成回路
1） 方向阻抗继电器的幅值比较电压形成回路，可以通过改变电抗变换器一次侧匝数或电压变换器的变比改变整定阻抗的大小。
2） 测量电压和测量电流通过电压形成回路得出阻抗继电器的两个幅值比较电气量，它们经整流滤波后接入幅值比较回路，由执行元件输出跳闸。
第五章：实验验证
5.1实验的原理图：
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图5.1.1微机阻抗保护实验原理图
图5.1.2阻抗继电器实验原理图
5.2 实验的接线图：
图5.2.1微机阻抗保护实验接线图
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图5.2.2阻抗继电器实验接线图
图5.2.3阻抗继电器部分实验接线图
5.3 实验步骤： 5.3.1微机阻抗保护实验
1.运行方式选择，置为“正常”处；将台面右角上的常规出口接通。 2.将微机保护装置除距离保护外全部设置为OFF。 3.将模拟线路电阻滑动头移至10%。
4.合上三相电源开关，合上直流电源开关，合上模拟断路器1KM、2KM，负荷灯全亮。调节调压器输出，使交流电压表显示电压从0V慢慢上升为50V；
5.打开移相器电源开关，同时按下微机按钮“+”、“-”，按下移相器开机按钮。
6.合上短路类型按钮SA、SB。
7.合上短路操作开关3KM（短路按钮）。模拟系统发生AB相间短路故障。
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8.故障发生时，阻抗继电器动作起动时间继电器，故障延时间到后发动作信号，中间继电器出口跳开模拟线路断路器2KM。
9.信号继电器复位，松开短路模拟开关3KM（短路按钮），合上模拟线路断路器2KM，恢复正常运行。
10.以10%为步长增大短路电阻，重复步骤8和10，直到保护接近不动作。 11.按表中给出角度值将移相器角度增加，将短路电阻滑动头移到10%-100%处，重复实验步骤8至11。记录实验数据（Ⅰ段，正常运行方式，AB两相短路）。
12.实验完成以后，将调压器输出为0V，断开所有电源开关。 13.根据实验得到实验结果。
5.3.2阻抗继电器实验
1.运行方式选择，置为“正常”处；将台面右角上的常规出口接通。 2.将模拟线路电阻滑动头移至10%。
3.合上三相电源开关，合上直流电源开关，合上模拟断路器1KM、2KM，负荷灯全亮。调节调压器输出，使交流电压表显示电压从0V慢慢上升为50V；
4.打开移相器电源开关，同时按下微机按钮“+”、“-”，按下移相器开机按钮。
5.合上短路类型按钮SA、SB。
6.合上短路操作开关3KM（短路按钮）。模拟系统发生AB相间短路故障。 7.故障发生时，阻抗继电器动作起动时间继电器，故障延时间到后发动作信号，中间继电器出口跳开模拟线路断路器2KM。
8.信号继电器复位，松开短路模拟开关3KM（短路按钮），合上模拟线路断路器2KM，恢复正常运行。
9.以10%为步长增大短路电阻，重复步骤8和10，直到保护接近不动作，记下能够使继电器动作的最大短路电阻值。
10.按表中给出角度值将移相器角度增加，将短路电阻滑动头移回到10%处，重复实验步骤8至11。记录实验数据
11.实验完成以后，将调压器输出为0V，断开所有电源开关。 12.根据实验数据确定保护的动作区域。
5.4 实验结果：
5.4.1微机阻抗保护实验结果：
根据5.1.1原理接线图接线后，按照实验步骤进行实验，得到结果为在移相器0°-45°时，全距离均可导致保护动作。但是移相器角度越大，保护动作所需时间越多。最终将导致保护不会动作。
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5.4.2电网距离保护实验结果：
根据5.1.2原理接线后，按照实验步骤进行实验，得到结果为保护在动作范围内时，保护均能动作，当移相器角度增大到一定程度后或距离增大到一定程度时，保护不会动作。
第六章 继电保护设备的选择
6.1继电器（或微机保护装置、测控保护单元）的选择
微机保护装置根据实验选择VHB-IV型微机保护装置，在进行微机阻抗保护实验时并没有用到继电器。
电网距离保护时选择LZ-21阻抗继电器，DZ-10中间继电器，DS-21C时间继电器，DX-11信号继电器。
评价与结论
距离保护：就是指反应保护安装处至故障点的距离，并根据这一距离的远近而确定动作时限的一种保护装置。距离保护的优点是：灵敏度高，能够保证故障线路在比较短的时间内，有选择性的切除故障，而且不受系统运行方式变化的影响。但是其缺点是：当距离保护突然失去电压时，将会产生误动作，因为距离保护是当测量到的阻抗值等于或小于整定值就动作，若电压突然消失，保护就会动作。
从对继电保护的四项基本要求上来说，对距离保护评价如下：
选择性：根据距离保护的工作原理，它可以在多电源的复杂网络中保证动作的选择性。
速动性：距离Ⅰ段保护是瞬时动作的，但是它只能保护线路全长的80%-85%，剩余的15%-20%不能瞬时切除，体现在实验中时，即为不能在一秒内切除故障，一端需要经过0.5S的延时才能切除。因此，在220kv及以上电压网络中有时候不能满足电路系统运行的要求，因此，不能作为系统的主保护来应用。
灵敏性：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，因此距离保护相对电压和电流保护具有较高的灵敏度，此外，由于距离保护Ⅰ段的保护范围不受系统运行方式变化的影响，其他两段受到的影响较小，因此，保护范
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围相对比较稳定。
可靠性：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，在其规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不会拒绝动作，而在其它保护不该动作的前提下，它也不会错误动作。但是，由于大量装置导致了距离保护接线复杂，可靠性相对电流保护来说较低，这也是距离保护的一个缺点。
参考文献
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