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电气自动化：电力设计毕业论文
专科毕业设计(论文)
题
目：开发区 110kV 电力系统继电保护设计 张洪伟
学生姓名：
专业班级： 自 动 化 生 产 设 备 应 用 XX 班 学 号： 电 XXXXX 工 张俊山 2011 年 3 月 28 日 程 系
院 (系) 机 ： 指导老师： 完成时间：
某 110kV 电力系统继电保护设计
摘 要： 本次毕业设计的主要内容是 110kV 电力系统继电保护的配置，并依据
继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏性校验，确定方案中的保 护。 设计分为八个章节，第三、四章是计算系统的短路电流，确定运行方式; 第五章是各种设备的保护配置。其中变压器保护包括保护原理分析、保护整定 计算和灵敏性校验，主保护采用的是纵联差动保护和瓦斯保护，两者结合做到 优势互补，后备保护是复合电压启动过电流保护。母线保护包括保护原理分析， 采用了完全电流差动保护，简单可靠。110kV 侧的输电线路采用了距离Ⅰ、Ⅲ保 护，由于它的电压等级较高，还考虑了零序电流Ⅰ、Ⅲ保护。对于发电机主保 护采用了纵差动保护，后备保护采用了发电机定子绕组接地保护。
关键词：短路电流，整定计算，灵敏度，继电保护，微机保护
目
录
............................................................................................................................... 1 开题报告 ................................................................................................................................
............................................................................................................................... 2 方案比较 ................................................................................................................................
....................................................................................................................... 3 确定运行方式 ........................................................................................................................
3.1 标幺值计算.................................................................................................................... 3.2 短路电流的计算............................................................................................................. 3.3 确定运行方式............................................................................................................... 1
4 短路计算 .............................................................................................................................. 2
4.1 各种运行方式下各线路电流计算............................................................................... 2 4.2 各输电线路两相短路和三相短路电流计算............................................................... 2
5 继电保护的
配置 .................................................................................................................. 2
5.1 继电保护的基本知识................................................................................................... 2 5.2 变压器的保护配置..................................................................................................... 2 5.2.1 变压器配置............................................................................................................2 5.2.2 保护配置的整定....................................................................................................2 5.3 母线的保护配置........................................................................................................... 3 5.3.1 保护配置的原理....................................................................................................3 5.3.2 电流差动保护配置的整定.....................................................................................3 5.4 输电线路保护配置........................................................................................................ 3 5.4.1 保护配置的原理.....................................................................................................3 5.4.2 保护配置的整定.....................................................................................................3 5.5 发电机保护配置............................................................................................................ 4 5.5.1 保护配置的原理.....................................................................................................4 5.5.2 保护配置的整定.....................................................................................................4
6 结论 ....................................................................................................................................... 4
7 总结与体会 ........................................................................................................................... 4
8 谢辞 ....................................................................................................................................... 5
9 参考文献 ............................................................................................................................... 5
1 开题报告
由于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 趋势是向计算化，网络化及保护，控制，测量，数据通信一体化智能化发展。
通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断注入新的活力。未来继电保护的发
电能是一种特殊的商品,为了远距离传送,需要提高电压,实施高压输电,为了分配
使用,需要降低电压,实施低压配电,供电和用电。 发电----输电----配电----用电构成
一个有机系统。 通
常把由各种类型的发电厂,输电设施以及用电设备组成的电能生产与
费系统称为电力系统。电力系统在运行中 ,各种电气设备可能出现故障和不正常运行
态。 不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏,但是没有发生故障 线,如:三相短路,两相短路,两相接地短路,单相接地短路,单相断线和两相断线等。
运行状态,如:过负荷,过电压,频率降低,系统振荡等。 故障主要包括各种类型的短路和
本次毕业设计的主要内容是对 110kV 电力系统继电保护的配置，参照《电力系统继 性校验从而来确定方案中的保护是否适用来编写的。
电保护配置及整定计算》 ，并依据继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏
设计分八大章节，其中第三、四章是计算系统的短路电流，确定运行方式;第五章
是对各种设备保护的配置，首先是对保护的原理进行分析 ,保护的整定计算及灵敏性校
验。其中对变压器保护包括保护原理分析以及保护整定计算和灵敏性校验，其中主保护
采用的是纵联差动保护和瓦斯保护，用两者的结合来做到优势互补，后备保护有复合电
压启动过电流保护。母线保护包括保护原理分析， 采用了完全电流差动保护， 简单可靠
110kV 输电线路采用了距离Ⅰ、Ⅲ保护，同时由于它的电压等级较高，我还考虑了零序 组接地保护。 由于本人水平有限，设计之中难免有些缺陷或错误，望批评指正。
电流Ⅰ、Ⅲ保护。对于发电机主保护采用了纵差动保护，后备保护采用了发电机定子绕
2 方案比较
本次毕业设计的主要内容是对 110kV 电力系统继电保护的配置。 可以依据继电保
护配置原理，根据经验习惯，先选择两套初始的保护方案，通过论证比较后认可其中
的一套方案，再对这套方案中的保护进行确定性的整定计算和灵敏性校验，看看它们 和校验。 确定两个初始方案如下： 方案 1： 保护对象 变压器 母线 输电线路 发电机 保护对象 变压器 母线 输电线路 发电机 主保护 纵联差动保护、瓦斯保护 电流相位比较式母线差动保护 距离Ⅰ、Ⅲ保护 纵联差动保护
方案 2：
是否能满足要求，如果能满足便可以采用，如果不能满足则需要重新选择，重新整定
后备保护 过负荷保护 零序电流Ⅰ、Ⅲ保护 定子绕组接地保护 后备保护
复合电压启动过电流保护、
___________________________
主保护 电流速断保护、 瓦斯保护 电流相位比较式 母线差动保护 距离Ⅰ、Ⅲ保护 纵联差动保护
复合电压启动过电流保护、零序电流保护 ___________________________ 零序电流Ⅰ、Ⅲ保护 定子绕组接地保护
对于变压器而言，它的主保护可以采用最常见的纵
联差动保护和瓦斯保护，用两者
的结合来做到优势互补。因为变压器差动保护通常采用三侧电流差动，其中高电压侧电
流引自高压熔断器处的电流互感器，中低压侧电流分别引自变压器中压侧电流互感器和
低压侧电流互感器，这样使差动保护的保护范围为三组电流互感器所限定的区域，从而
可以更好地反映这些区域内相间短路，高压侧接地短路以及主变压器绕组匝间短路故
障。考虑到与发电机的保护配合，所以我们用纵联差动保护作为变压器的主保护，不考
虑用电流速断保护。瓦斯保护主要用来保护变压器的内部故障，它由于一方面简单，灵
敏，经济;另一方面动作速度慢，且仅能反映变压器油箱内部故障，就注定了它只有与
动过电流保护，这主要是考虑到低电压启动的过电流保护中的低电压继电器灵敏系数不
够高。由于发电机-变压器组中发电机才用了定子绕组接地保护，所以，变压器不采用
零序电流保护。110kV 侧的母线接线可以采用完全电流差动保护，简单，可靠也经济。
对于 110kV 侧的输电线路， 可以直接考虑用距离保护， 因为在电压等级高的复杂网络中
电流保护很难满足选择性，灵敏性以及快速切除故障的要求，因此这个距离保护也选择
得合理，同时由于它的电压等级较高，我们还应该考虑给它一个接地故障保护，先选择
零序电流保护，因为当中性点直接接地的电网(又称大接地电流系统)中发生短路时,将
出现很大的零序电流,而在正常运行情况下它们是不存在的。因此,利用零序电流来构成 接地保护作为后备保护。 些保护进行整定与校验，是否符合设计要求。
接地短路的保护,就有显著的优点。发电机则采用纵联差动保护作为主保护，定子绕组
综上所述，方案 1 比较合理，方案 1 保护作为设计的初始保护，在后续章节对这
3 确定运行方式
3.1 标幺值计算
本次设计中取 S B =100MVA, uB = uav ,系统用一个无限大功率电流代表，它到母 线的电抗标幺值 X s = S B = 100 = 0.125 。 S d 800 各元件的电抗标幺值计算如下： 发电机F1 和F2
变压器 B1
x F1 = x F 2 = x d '' xB =
1
SB 100 = 0 .1 3 × = 0 .5 2 SN 25
Vs % SB 1 0 .5 1 0 0 × = × = 0 .3 3 100 S N 1 0 0 3 1 .5
变压器 B2 的各绕组短路电压分别为：
V s 1 % = V s (1− 2 ) % + V s ( 3− 1) % − V s ( 2 − 3 ) % = 1 7 + 1 0 .5 − 6 .0 = 2 1 .5
Vs 2 % = Vs (1− 2) % + Vs ( 2 −3) % − Vs ( 3−1) % = 17 + 6.0 − 10.5 = 12.5 Vs 3 % = Vs ( 2 −3) % + Vs ( 3 −1) % − Vs (1 −2) % = 6.0 + 10.5 − 17 = −0.5
所以，变压器 B2 的电抗值为
xB =
21
Vs % S B 21.5 100 × = × = 0.67 100 S N 100 31.5
xB 22 =
x B 23 =
Vs % S B 12.5 100 × = × = 0.40 100 S N 100 31.5
Vs % S B − 0.5 100 × =
× = −0.016 ≈ 0 100 S N 100 31.5
变压器 B3
xB3 =
Vs % S B 10.5 100 × = × = 0.525 100 S N 100 20
Vs % S B 10.5 100 × = × = 0.525 100 S N 100 20
变压器 B4
xB =
4
线路 L1 线路 L2 线路 L3
xL = 0.4 × 100 ×
1
SB 100 = 0.4 × 100 × = 0.33 2 VB 110 2
x L 2 = 0.4 × 50 ×
x L 3 = 0 .4 × 3 0 ×
100 = 0.17 110 2
100 = 0 .0 9 9 1102
线路 L4
x L 4 = 0.4 × 60 ×
100 = 0.2 110 2
所以，110kV 电力系统继电保护的等值网络如图 3.1 所示。
图 3.1 110kV 电力系统等值网络
3.2 短路电流的计算
110kV 电力系统正常运行时，发电机存在三种运行情况，即：两台发电机同时运行
一台发电机退出运行另一台单独运行和两台同时运行;变压器有两种运行方式，即：一 系统运行时的转移电抗，计算电抗和短路电流。 (一)两台发电机同时运行，变压器 B1、 B2、 B3、 B4 同时投入运行。 进行网络化简： x14 = ( x3 // x6 ) + x5 = x3 .x6 + x5 = 0.52 × 0.40 + 0.67 = 0.90 x3 + x6 0.52 + 0.40
台变压器退出另一台变压器单独运行和两台变压器同时运行。下面分别分析各种情况下
x15 = ( x 2 + x 4 ) // x5 =
(0.52 + 0.33) × 0.9 = 0.44 0.52 + 0.33 + 0.9
x16 = x11 // x15 =
0.17 × 0.44 = 0.12 0.17 + 0.44
1 x17 = x8 // x9 = × 0.525 = 0.26 2
将 x10 、x12和x13 组成的三角形电路化简为由 x18、x19 和x 20 组成的星形电路，计算 如下：
x18 = x10 x12 0.33 × 0.099 = = 0.052 x10 + x12 + x13 0.33 + 0.099 + 0.20 x10 x13 0.33 × 0.20 = = 0.10 x10 + x12 + x13 0.33 + 0.099 + 0.20 x12 x13 0.099 × 0.20 = = 0.031 x10 + x12 + x13 0.33 + 0.099 + 0.20
x19 =
x20 =
系统的等值化简网络如图 3.2 所示。
⇕
图 3.2 系统的等值化简网络
(1)转移电抗和计算电抗计算 当 f 1 发生短路时 x21 = [( x17 + x 20 ) //(x 16 + x 19 )] + x 18
= (0.26 + 0.031) × (0.12 + 0.10) + 0.052 0.26 + 0.031 + 0.12 + 0.10
=0.18 所以， f 1 点发生短路时的等值网络如图 3.3 所示。
图 3.3
f 1 点发生短路时的等值网络
∴系统 S 对短路点 f 1 的计算电抗为：
x js = x fi SN 800 = 0.125 × =1 SB 100
发电机 F1、F2 对短路点 f 1 的计算电抗为：
x js = 0.18 ×
2 × 25 = 0.09 100
当 f 2 发生短路时 x2 2 = [( x1 + x1 8 ) / /( x1 7 + x 2 0)] + x 1 9 (0.125 + 0.052) × (0.26 + 0.031)
=0.21 所以， f 2 点发生短路时的等值网络如图 3.4 所示。
图 3.4
f 2 点发生短路时的等值网络
∴系统 S 对短路点 f 2 的计算电抗为：
x js = x fi SN 800 = 0.21 × = 1.68 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路点 f 2 的计算电抗为：
x js = 0.12 ×
2 × 25 = 0.06 100
当 f 3 发生短路时 x23 = x1 + x18 = 0.125 + 0.052 = 0.177
x24 = x16 + x19 = 0.12 + 0.10 = 0.22
所以， f 3 点发生短路时的等值网络如图 3.5 所示。
图 3.5
f 3 点发生短路时的等值网络
S 点对 f 3 的转移电抗为：
x23 .x 20
0.177 × 0.031
F 点对 f 3 的转移电抗为为：
x26 = x24 +
x20 + x24 . x20 0.22 × 0.031 = 0.22 + 0.031 + = 0.29 x23 0.177
化简的等值网络如图 3.6 所示。
图 3.6 化简的等值网络
∴系统 S 对短路点 f 3 的计算电抗为：
x js = x fi
SN 800 = 0.23 × = 1.84 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路点 f 3 的计算电抗为：
x js = 0.29 ×
2 × 25 = 0.145 100
(2)由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值如。 (3)计算短路电流有名值。 各点发生短路时，各电源的基准电流分别为： 系统 S 发电机 F1、F2
IB =
100 = 0.502 3 × 115 100 IB = = 5.50 3 × 10.5
查表得短路电流的标幺值和有名值如表 3.1。
表 3.1 短路电流表
短路点
时间 4 S 标么值
系统 S 1.13
发电机 F1、F2 标么值 2.49
短路点总电流/k
有名值/kA
0.57 0.63 0.32 0.57 0.29
有名值/kA 标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA
13.70 2.47 13.58 2.52 13.84
14.27 13.90 14.13
f 2 处短路 4 S f 3 处短路
4 S
标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA
(二)发电机 F1 停运 F2 运行时，系统的等值网络如图 3.7 所示。
图 3.7 系统的等值网络
进行网络化简： x 2 7 = [( x 3 / / x 6 ) + x 5] / / x 4 / / x1 1 = 0.52 × 0.40 + 0.67 / /0.33 / /0.17 0.52 + 0.40 =0.0997
系统的等值化简网络如图 3.8 所示。
图 3.8 系统的等值化简网络
(1)转移电抗和计算电抗计算 当 f 1 发生短路时
x2 8 = [( x1 9 / / x 2 7 ) / /( x 1 7 / / x 2 0) + x 2 8
(0.10 + 0.0997) × (0.26 + 0.031) + 0.052 0.10 + 0.0997 + 0.26 + 0.031 =.178 =
所以， f 1 点发生短路时的等值网络如图 3.9 所示。
图 3.9
f 1 点发生短路时的等值网络
∴系统 S 对短路点 f 1的计算电抗为：
x js = x fi SN 800 = 0.125 × =1 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路点 f 1的计算电抗为：
x js = 0.78 ×
25 = 0.445 100
当 f 2 发生短路时 x 2 9 = [( x1 + x1 8 ) / /( x 1 7 + x 2 0)] + x 1 9
=
(0.125 + 0.052) × (0.26 + 0.031) + 0.1 0.125 + 0.052 + 0.26 + 0.031
=0.21 所以， f2 点发生短路时的等值网络如图 3.10 所示。
图 3.10
f2 点发生短路时的等值网络
∴系统 S 对短路点 f2 的计算电抗为：
x js = x fi SN 800 = 0.21 × = 1.68 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路点 f2 的计算电抗为：
x js = 0.0997 ×
25 = 0.025 100
当 f 3 发生短路时 x 3 0 = x1 + x1 8 = 0.125 + 0.052 = 0.177
x3 1 = x1 9 + x2 7 = 0.10 + 0.0.0997 = 0.1997
S 点对 f 3 的转移电抗为：
x32 = x 30 + x 20 + x30 .x20 0.177 × 0.031 = 0.177 + 0.031 + = 0.24 x31 0.1997
F2 点对 f 3 的转移电抗为：
x 3 3 = 0 .0 3 1 + + 0 .1 9 9 7 +
0 .0 3 1 × 0 .1 9 9 7 = 0 .2 7 0 .1 7 7
化简的等值网络如图 3.11 所示。
⇕
图 3.11 化简的等值网络
∴系统 S 对短路点 f 3 的计算电抗为：
x js = x fi SN 800 = 0.24 × = 1.92 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路 f 3 点的计算电抗为：
x js = 0.27 ×
25 = 0.067 100
(2)由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值。 (3)计算短路电流有
名值。 (同上) 查表得短路电流的标幺值和有名值如表 3.2。
表 3.2 短路电流表
短路点
时间
系统 S
短路点总电流/k
f 1 处短路
4 S
标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA
1.13 0.57 0.63 0.32 0.54 0.27
标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA
2.11 11.6 2.45 13.47 4.83 26.53 26.80 13.79 12.17
f 2 处短路 4 S f 3 处短路
4 S
(三)线路 L1 处开环运行时，系统的等值网络如图 3.12 所示。
图 3.12 系统的等值网络
(1)转移电抗和计算电抗计算 当 f 1 发生短路时，F 点对 f 1 的转移电抗为：
x34 = x12 + ( x13 + x16 ) +
x12 .( x13 + x16 ) x17
0.099 × (0.20 + 0.12) 0.26
= 0.099 + (0.20 + 0.12) +
=0.54
所以， f 1 点发生短路时的等值网络如图 3.13 所示。
图 3.13
f 1 点发生短路时的等值网络
∴系统 S 对短路点 f 1 的计算电抗为：
x js = x fi
SN 800 = 0.135 × = 1.08 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路点 f 1 的计算电抗为：
x js = x fi SN 25 × 2 = 0.54 × = 0.27 SB 100
当 f 2 发生短路时，S 点对 f 2 的转移电抗为：
x35 = (0.135 + 0.099) + 0.20 +
=0.614
(0.135 + 0.099) × 0.20 0.26
所以， f2 点发生短路时的等值网络如图 3.14 所示。
图 3.14
f2 点发生短路时的等值网络
∴系统 S 对短路点 f2 的计算电抗为：
x js = x fi SN 800 = 0.614 × = 5.526 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路点 f2 的计算电抗为：
x js = 0.12 ×
25 × 2 = 0.06 100
当 f 3 发生短路时，S 点对 f 3 的转移电抗为：
x3 6 = 0.135 + 0.099 = 0.234
F2 点对 f 3 的转移电抗为：
x3 7 = 0.20 + 0.12 = 0.32
系统 S 对短路点 f 3 的计算电抗为： x js = 1.872
(2)由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值。 (3)计算短路电流有名值。 (同上) 查表得短路电流的标幺值和有名值如表 3.3。
表 3.3 短路电流表
短路点
时间 4 S 标么值
系统 S 1.03 0.52 0.08 0.04 2.43 1.22
发电机 F1、F2 标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA 2.39 31.44 2.47 13.59 2.32 12.74
短路点总电流/k
f 1 处短路
有名值/kA
31.96 13.63 13.96
f 2 处短路 4 S f 3 处短路
4 S
标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA
(四)线路 L3 处开环运行时，系统的等值网络如图 3.15 所示。
图 3.15 系统的等值网络如
(1)转移电抗和计算电抗计算 当 f 1 发生短路时，F 点对 f 1 的转移电抗为：
x36 =
0 .3 3 + 0 .1 2 +
0 .3 3 × 0 .1 2 0 .2 0 + 0 .2 6
=0.45 所以， f 1 点发生短路时的等值网络如图 3.16 所示。
图 3.16
f 1 点发生短路时的等值网络
∴系统 S 对短路点 f 1 的计算电抗为：
x js = x fi SN 800 = 0.135 × = 1.08 SB 100
x js = x fi
SN 25 × 2 = 0 .4 5 × = 0 .2 2 5 SB 100
当 f 2 发生短路时，等值网络如图 3.17 所示。
图 3.17 等值网络
∴系统 S 对短路点 f2 的计算电抗为：
x js =
x fi SN 800 = 0 .3 6 5 × = 2 .9 2 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路点 f2 的计算电抗为：
x js = 0.12 ×
25 × 2 = 0.06 100
当 f 3 发生短路时，系统 S 对短路点 f 3 的计算电抗为：
x js = 1.27 ×
800 = 10.16 100
发电机 F1、F2 对短路 f 3 点的计算电抗为：
x js = 0.37 ×
25 × 2 = 0.185 100
(2)由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值。 (3)计算短路电流有名值。 (同上) 查表得短路电流的标幺值和有名值如表 3.4。
表 3.4 短路电流表
短路点
时间 4 S 标么值
系统 S 1.03 0.52 0.35 0.18 0.38 0.19
发电机 F1、F2 标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA 2.44 13.42 2.47 13.59 2.47 13.59
短路点总电流/k
f 1 处短路
有名值/kA
13.94 13.76 13.78
f 2 处短路 4 S f 3 处短路
4 S
标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA
(五)线路 L4 处开环运行时，系统的等值网络如图 3.18 所示。
图 3.18 系统的等值网络
(1)转移电抗和计算电抗计算 当 f 1 发生短路时，等值网络如图 3.19 所示。
图 3.19 等值网络
∴系统 S 对短路点 f 1 的计算电抗为：
x js = x fi SN 800 = 0.135 × = 1.08 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路点 f 1 的计算电抗为：
x js = x fi SN 25 × 2 = 0.45 × = 0.225 SB 100
当 f 2 发生短路时，S 点对 f 2 的转移电抗为：
x41 =
0 .1 3 5 + 0 .3 3 +
0 .1 3 5 × 0 .3 3 0 .0 9 9 + 0 .2 6
=0.787
∴ f 2 发生短路时，等值网络如图 3.20 所示。
图 3.20 等值网络如
∴系统 S 对短路点 f2 的计算电抗为：
x js = x fi SN 800 = 0.787 × = 6.296 SB 100
∴发电机 F1、F2 对短路点 f2 的计算电抗为：
x js = 0.12 ×
25 × 2 = 0.06 100
当 f 3 发生短路时，等值网络如图 3.21 所示。
图 3.21 等值网络
∴系统 S 对短路点 f 3 的计算电抗为：
x js = 0.264 ×
800 = 2.11 100
发电机 F1、F2 对短路 f 3 点的计算电抗为：
x js = 0.879 ×
25 × 2 = 0.439 100
(2)由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值。 (3)计算短路电流有名值。 (同上) 查表得短路电流的标幺值和有名值如表 3.5。
表 3.5 短路电流表
短路点
时间 4 S 标么值
系统 S 1.03 0.52 0.29 0.15 0.49 0.25
发电机 F1、F2 标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA 2.44 13.42 2.47 13.59 2.01 11.06
短路点总电流/k
f 1 处短路
有名值/kA
13.94 13.73 11.31
f 2 处短路 4 S f 3 处短路
4 S
标么值 有名值/kA 标么值 有名值/kA
3.3 确定运行方式
由 3.2 节的计算过程，统计系统各短路点短路时的短路电流如表 3.6。
表 3.6 各短路点短路时的电流总结表
运行方式 两台发电机同时运行 一台变压器停运，另 一台变压器单独工作
线路 L1 处开环运行 线路 L3 处开环运行 线路 L4 处开环运行
f 1 处短路时的
短路电流/kA 14.27 12.167 31.96 13.93 13.92
f 2 处短路时的
短路电流/kA
13.90 13.79 13.63 13.76 13.73
f 3 处 短路 时的
短路电流/kA 14.13 26.80 13.96 13.78 11.31
综上所述： 系统 S 侧( f 1 处短路时)的最大运行方式为：线路 L1 处开环运行。 最小运行方式为：当一台发电机停运，另一台单独工作时。 发电机-变压器侧( f 2 处短路时)的最大运行方式为：两台变压器同时运行时。 最小运行方式为：线路 L1 处开环运行。
变压器侧( f 3 处短路时)的最大运行方式为：当一台发电机停运，另一台单独工作时
最小运行方式为：线路 L4 处开环运行。
4 短路计算
4.1 各种运行方式下各线路电流计算
由图 3.17 可知，系统 S 对短路点 f 1 的转移电抗为： x f 1 =0.125
∴系统折算到 110kV 的最小阻抗为： Z smin = x f 1 ×
115 2 115 2 = 0.125 × = 16.53 100 100
由图 3.20 可知，系统 S 对短路点 f 1 的转移电抗为： x f 1 =0.135
∴系统折算到 110kV 的最小阻抗为： Z smax
1
115 2 115 2 = x f1 × = 0.135 × = 17.85 100 100
输电线路 L1 长为 100kM，∴ Z L = 100 × 0.4 = 40 Ω (输电线路电阻率为 0.4 Ω /kM) 短路电流为：
UN I k min . L1 =
3 115 = 3 = 1.45 kA 40 + 17.85 115 3 = 3 = 1.17 kA 40 + 16.53
Z L1 + Z s max UN
I k max . L1 =
Z L1 + Z s min
同理，根据已知条件得： 输电线路 L2 短路电流为： Z L = 50 × 0.4 = 20 Ω
2
UN I k min. L =
2
115 3 = 3 = 1.75 kA 20 + 17.85 115 3 = 3 = 1.82 kA 20 + 16.53
Z L + Z s max
2
UN I k max. L =
2
Z L + Z s min
2
UN I k min . L3 =
3
115 = 3 = 2.23kA 12 + 17.85 115 3 = 3 = 2.33 kA 12 + 16.53
Z L3 + Z s max UN
I k max . L 3 =
Z L 3 + Z s min
4
输电线路 L4 短路电流为： Z L = 60 × 0.4 = 24 Ω
UN I k min. L4 =
3
115 = 3 = 1.59kA 24 + 17.85
Z L4 + Z s max
UN I k max. L =
4
115 3 = 3 = 1.64 kA 24 + 16.53
Z L + Z s min
4
4.2 各输电线路两相短路和三相短路电流计算
(一)各输电线路在最小运行方式下的两相和三相短路电流 系统电抗 发电机电抗
xs =0.135 xF =0.13
∴各输电线路三相短路电流为：
输电线路 L1 三相短路电流为：
=( 115 115 1 + )× 0.135 + 40 0.13 + 40 3
= 3.308( kA)
同理可得，输电线路 L2 三相短路电流为： I 2 ( 3 ) = 2 .1 0 7 ( kA ) 输电线路 L3 三相短路电流为： I 3 ( 3 ) = 1 .4 0 6 ( kA ) 输电线路 L 三相短路电流为： I
(3)
= 3 .5 0 5 ( k A )
∴各输电线路两相短路电流为：
输电线路 L1 两相短路电流为： I1 ( 2) = 3 ( 3) I1 = 2.865( kA) 2
3 ( 3) I 2 = 1.825(kA ) 2
输电线路 L2 两相短路电流为： I 2 ( 2) =
输电线路 L2 两相短路电流为： I 3 ( 2) = 3 I 3 ( 3) = 1.218( kA)
2 3 ( 3) I 4 = 3.035( kA) 2
输电线路 L2 两相短路电流为： I 4 ( 2) =
(二)各输电线路在最大运行方式下的三相短路电流 输电线路 L1 三相短路电流为： I1 ( 3 ) =
E x (1 1 0 ) 1 115 1 × = × = 955( A ) xs + xL 1 3 0.135 + 40 3
= 193( A )
同理可得，
输电线路 L2 三相短路电流为： I 2 ( 3 ) 输电线路 L3 三相短路电流为： I 3 ( 3 ) 输电线路 L4 三相短路电流为： I 4 ( 3 )
= 129( A )
= 318( A )
5 继电保护的配置
5.1 继电保护的基本知识
电能是一种特殊的商品,为了远距离传送,需要提高电压,实施高压输电,为了分配
和使用,需要降低电压,实施低压配电,供电和用电。发电----输电----配电----用电构
成了一个有机系统。通常把由各种类型的发电厂 ,输电设施以及用电设备组成的电能生
产与消费系统称为电力系统。电力系统在运行中 ,各种电气设备可能出现故障和不正常
运行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏 ,但是没有发
生故障的运行状态,如:过负荷,过电压,频率降低,系统振荡等。故障主要包括各种类型
断线等。其中最常见且最危险的是各种类型的短路 ,电力系统的短路故障会产生如下后 果: (1)故障点的电弧使故障设备损坏; 设备遭到破坏; 效益和人们的正常生活; 停电的恶性循环;
(2)比正常工作电流大许多的短路电流产生热效应和电动力效应,使故障回路中的
(3)部分电力系统的电压大幅度下降,使用户的正常工作遭到破坏,影响企业的经济
(4)破坏电力系统运行的稳定性,引起系统振荡,甚至使电力系统瓦解,造成大面积
故障或不正常运行状态若不及时正确处理,都可能引发事故。为了及时正确处理故
障和不正常运行状态,避免事故发生,就产生了继电保护,它是一种重要的反事故措施。
继电保护包括继电保护技术和继电保护装置 ,且继电保护装置是完成继电保护功能的核 或发出信号的一种自动装置。 继电保护的任务是: 力系统中切除,避免故障元件继续遭到破坏,使非故障元件迅速恢复正常运行。 的条件发出信号或跳闸。 继电保护装置的基本原理:
心,它是能反应电力系统中电气元件发生故障和不正常运行状态,并动作于断路器跳闸
(1)当电力系统中某电气元件发生故障时,能自动,迅速,有选择地将故障元件从电
(2)当电力系统中某电气元件出现不正常运行状态时,能及时反应并根据运行维护
我们知道在电力系统发生短路故障时,许多参量比正常时候都了变化，当然有的变
化可能明显，有的不够明显， 而变化明显的参量就适合用来作为保护的判据， 构成保护
比如：根据短路电流较正常电流升高的特点，可构成过电流保护;利用短路时母线电压
降低的特点可构成低电压保护;利用短路时线路始端测量阻抗降低可构成距离保护;利
用电压与电流之间相位差的改变可构成方向保护。除此之外，根据线路内部短路时，两 些保护，如反应变压器油在故障时分解产生的气体
而构成的气体保护。
侧电流相位差变化可以构成差动原理的保护。当然还可以根据非电气量的变化来构成某
原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征(差 继电保护装置的组成：
别) ，即可形成某种判据，从而构成某种原理的保护，且差别越明显，保护性能越好。
被测物理量--→测量--→逻辑--→执行--→跳闸或信号
整定值
测量元件：其作用是测量从被保护对象输入的有关物理量(如电流，电压，阻抗 保护是否该起动。
功率方向等) ，并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出逻辑信号，从而判断
逻辑元件：其作用是根据测量部分输出量的大小，性质，输出的逻辑状态，出现的 并将有关命令传给执行元件。 如：故障时跳闸，不正常运行时发信号，正常运行时不动作等。 对继电保护的基本要求 仍能正常运行，以尽量减小停电范围。 断路器的跳闸时间。
顺序或它们的组合，使保护装置按一定逻辑关系工作，最后确定是否应跳闸或发信号
执行元件：其作用是根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务
选择性：是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件
速动性：是指保护快速切除故障的性能，故障切除的时间包括继电保护动作时间和
灵敏性：是指在规定的保护范围内，保护对故障情况的反应能力。满足灵敏性要求 反应出来。
即不发生拒绝动作也不发生错误动作。
的保护装置应在区内故障时，不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正确地
可靠性：是指发生了属于它该动作的故障，它能可靠动作，而在不该动作时，它能可靠不动
5.2 变压器的保护配置
5.2.1 变压器配置 (一)纵联差动保护
本 次 设 计所 采 用 的 变 压 器 型号 均 分 别 为 ： SDL-31500/110 、 SFSL-31500/110 、
SFL-20000/110、SFL-20000/110。对于这种大型变压器而言，它都必需装设单独的变压
器差动保护，这是因为变压器差动保护通常采用三侧电流差动，其中高电压侧电流引自
高压熔断器处的电流互感器，中低压侧电流分别引自变压器中压侧电流互感器和低压侧
电流互感器，这样使差动保护的保护范围为三组电流互感器所限定的区域，从而可以更
好地反映这些区域内相间短路，高压侧接地短路以及主变压器绕组匝间短路故障。所以
我们用纵联差动保护作为两台变压器的主保护，其接线原理图如图 5.1 所示。正常情况 ' ''
' '' '' I 1 = I 1 ⎯⎯ I 1 = n 2 = → nT (变压器变比) n1 n2 I '1 n1
所以这时 Ir=0，实际上，由于电流继电器接线方式，变压器励磁电流，
变比误差等影响 应的措施来减小。
导致不平衡电流的产生，故 Ir 不等于 0 ，针对不平衡电流产生的原因不同可以采取相
尽管纵联差动保护有很多其它保护不具备的优点，但当大型变压器内部产生严重漏 还需对变压器装设另外一个主保护——瓦斯保护。
油或匝数很少的匝间短路故障以及绕组断线故障时，纵联差动保护不能动作，这时我们
图 5.1 纵联差动保护原理示意图
(二)瓦斯保护
瓦斯保护主要用来保护变压器的内部故障，它由于一方面简单，灵敏，经济;另一 用才能做到优势互补，效果更佳。 (1)瓦斯保护的工作原理：
方面动作速度慢，且仅能反映变压器油箱内部故障，就注定了它只有与差动保护配合使
当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生，瓦斯继电器 KG 的上触点闭合，作
用于预告信号;当发生严重故障时，重瓦斯冲出，瓦斯继电器的下触点闭合，经中间继 闭合，也可利用切换片 XB 切换位置，只给出报警信号。 (2)瓦斯保护的整定： 轻瓦斯按气体容积进行整定，整定范围为：250～300cm
3
电器 KC 作用于信号继电器 KS，发出警报信号，同时断路器跳闸。瓦斯继电器的下触点
瓦斯保护有重瓦斯和轻瓦斯之分，它们装设于油箱与油枕之间的连接导管上。其中 ,一般整定在 250cm3
重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：0.6～1.5m/s,一般整定在 1m/s 。瓦斯保护
图 5.2 瓦斯保护原理示意图
(三)复合电压启动的过流保护
由于这种保护可以获得比一般过流保护更高的灵敏性，所以实践中它常用来作厂变
内部及低分支外部相间短路故障的后备保护，这里我也用来作为变压器的后备保护，它 低电压元件构成复合电压启动元件，其保护原理接线图如图 5.3 所示。
是由负序过电压元件、低电压元件、过流元件及时间元件构成，其中负序过电压元件与
复合电压过流保护的输入电流取高压侧电流 ,为保证选择性,复合电压启动元件需
要配置两套,输入电压分别取自厂变低压侧两个支上的电压。 保护采用两段延时出口
以 A 分支为例: 若发生相间不对称短路故障,”U2>”元件启动,常闭触点断开,使”U<”
元件启动; 若发生三相短路, ”U2>”元件短时启动, ”U<”元件也启动,在”U2>”元
件返回后,因”U<”元件返回电压较高,只要相间残压不高于返回电压, ”U<”元件仍保 开 A 厂用分支断路器,若故障不能消除,再按Ⅱ段延时 t2 动作于解列灭磁。
持动作状态,这时厂变高压侧过流元件”I>”已经动作,先按 I 段延时”U<”元件 t1 跳
图 5.3 复合电压启动的过流保护原理接线图
5.2.2 保护配置的整定 (一)纵联差动保护整定 不需要进行整定计
算，所以仅对纵联差动保护进行整定如下： (1)避越变压器的励磁涌流： I dz = k rel × I e = 1.3 ×165 = 214 ( A)
对于本次设计来说，变压器的主保护有纵联差动保护和瓦斯保护，其中瓦斯保护一般
其中 k rel 为可靠系数，取 1.3，而 I e = se = 31500 = 165 ( A ) 为变压器的额定电 3u e 3 × 110 流。 (2)避越外部短路时的最大不平衡电流：
I dz = k rel ( k txk fzq f i + ∆u110 + ∆ f za ) I dz .max
( 3)
= 1.3 (1× 1× 0.1 + 0.1 + 0.05) × 995 = 323.38
其中 Ktx 为电流互感器同型系数，型号相同时取 0.5，型号不同时取 1，这里为避免以后
更换设备的方便故取 1; k fzq 为非周期分量引起的误差，取 1; ∆ f za 建议采用中间值
的计算结果知 I dz .max ( 3) =995。 (3)躲过电流互感器二次回路断线的最大负荷电流：
I dz = 1.3I e = 1.3 ×165 = 214 ( A )
而保护基本侧的动作电流取： I dz . js = 1296 ( A ) (4)确定差动继电器的动作电流和基本侧差动线圈的匝数： 差动继电器的动作电流： I d z . j . jb . js = I e 2 . jb × I d z . jb . js = 2.38 × 1296 = 18.7 ( A )
I e . jb
165
其 中 I e. jb = I e = 165 ( A ) 为 电 流 互 感 器 的 一 次 侧 额 定 电 流 ;
3I e 3 × 165 = 2.38 ( A ) 为电流互感器的二次额定电流。 I e 2. jb = 600 = 600 5 5
差动线圈匝数：
w cd . js =
Aw0 I d z . j, jb . js
=
120 = 6 .4 ( t ) 1 8 .7
实际整定匝数选用：
wcd .z = 6 ( t )
w cd . z
所以继电器的实际动作电流为： I d z . j. j b = 1 2 0 = 2 0 ( A ) 保护装置的实际动作电流为：
I dz. jb = I e. jb × I dz. j. jb I ez. jb
= 20 × 165 = 1389 ( A ) 2.38
变压器差动保护参数计算结果如下表 5-1： 变压器 额定电压/kV 额定电流 Ie/A 互感器的接线方式 互感器的计算变比 互感器的选择变比 电流互感器 二次额定电流
B1
110
31500 = 165 3 × 110
B2
110
31500 = 165 3 × 110
B3
110
2000 = 185 3 × 115
B4
110
2000 = 18 3 × 115
D
3 × 165 58 = 5 5
d
3 × 165 58 = 5 5
y
3 × 185 320 = 5 5
y
3 × 185 32 = 5 5
100/5 58/20=2.9
100/5 58/20=2.9
400/5 320/80=4
400/5 320/80=4
当系统在最小运行方式下,线路 L4 处开环运行发生两相短路时,保护装置灵敏系数最低 即:
k im =
k jxI d .∑ .min = I dz. jb
k jx
3 (3) I f .min 1× 3 × 10326 2 1 2 = = 6.3 > 2 1385 I dz. jb
显然灵敏度满足要求。其中 I d .∑ .min 是变压器差动保护范围内短路时总的最小短路电 流有名值(归算到基本侧)。 k jx 是保护的接线系数,这里取 1 。 (二) 变压器的后备保护的整定 (1)复合电压启动过流保护,下面对它进行整定与灵敏性校验: 过电流元件动作值 I op 按躲开厂变额定电流 I N .st 整定,即: 对于 B1 、 B2 ： I o p = k rel × I N . st = 1 .1 5 × 3 1 5 0 0 = 2 1 3 ( A )
k re
0 .8 5 3 × 115
其中 Krel 是可靠系数,一般为 1.15～1.25,这里取 1.15, k re 是返回
系数,这里取 0.85 最小运行方式下,线路 L4 开环运行两相短路时,保护的灵敏性校验:
3 (3) 3 I × 2107 2 f1. min K = = 2 = 8.57 > 1.3 ，满足要求。 sen I 213 op
对于 B3 、 B4 ： I op = k rel × I N .st = 1.15 × 20000 = 135 ( A ) 0.85 3 × 115 k re 最小运行方式下, 线路 L4 开环运行两相短路时,保护的灵敏性校验:
3 (3) 3 I × 2107 2 f1. min K = = 2 = 13.5 > 1.3 ，满足要求。 sen I 135 op
(2)过负荷保护的整定计算： 取可靠系数 Krel 为 1.05,返回系数 Kres 为 0.85,IN 为保护安装侧变压器的额定电流。 对于 B1 、 B2 其额定电流为：
IN =
31500 3 ×1 1 0 = 165 ( A )
所以：
I o p er =
1 .0 5 k rel × 331 = 409 ( A ) IN = 0 .8 5 k res
对于 B3 、 B4 ,其额定电流为：
IN =
20000 3 ×1 1 0 = 105 ( A )
所以：
I o p er =
1 .0 5 k rel ×105 = 129 (A ) IN = 0 .8 5 k res
继电器选用 NSP712 系列多功能微机成套保护及自动装置。
5.3 母线的保护配置
5.3.1 保护配置的原理
电力系统中的母线是具有公共电气连接点,它起着汇总和分配电能的作用。所以发
电厂和变电站中的母线是电力系统中的一个重要组成元件。 母线运行是否安全可靠,将 会破坏整个系统的稳定。
直接影响发电厂,变电站和用户工作的可靠性,在枢纽变电所的母线上发生故障时,甚至
引起母线短路故障的主要原因有:由于空气污溃,导致断路器套管及母线绝缘子的 地线合断路器。
闪络;母线电压和电流互感器的故障;运行人员的误操作 ,如带负荷拉隔离开关、带接
母线故障的类型,主要是单相接地和相间短路故障。与输电线路故障相比较,母线 障所造成的后果。 母线完全电流差动保护。
故障的几率虽较小,但造成的后果却十分严重。因此,必须采取措施来消除或减少母线故
由设计的已知条件可知,110kV 母线均是采用单母线接线,对于单母线我们可以采用
母线完全差动保护的原理接线图如图 5.4 所示,和其它元件的差动保护一样,也是按
环流法的原理构成。在母线的所有连接元件上必须装设专用的电流互感器 ,而且这些电
流互感器的变比和特性完全相同,并将所有电流互感器的二次绕组在母线侧的端子互相
连接,在外侧的端子也互相连接,差动继电器则接于两连接线之间,差动电流继电器中流
过的电流是所有电流互感器二次电流的相量和。这样,在一次侧电流总和为零时,在理想 进母线的方向为正方向。图中线路 I,II 接于系统电源,而线路 III 则接于负载。
的情况下,二次侧电流的总和也为零。此图为母线外部 K 点短路的电流分布图,设电流流
(1)在 正常和 外部 故障 时 (K 点), 流 入母线 与流 出母 线的 一次 电流 之和 为零 , 即
∑
•
•
•
•
I =
I
+ I
I
− II
I
III
= 0
• • • 1 • 2
而
流入继电器的电流为:
I
g
=
I
+
I
−
I
3
=
1
n
TA
⎛ ⎜ ⎝
•
•
•
I
I
+
I
II
−
I
III
⎞ ⎟ ⎠
因电流互感器变比 nTA 相同,在理想情况下流入差动继电器的电流为零,即 Ig=0 部故障时,流入差动继电器的电流为不平衡电流,即:
但实际上,由于电流互感器的励磁特性不完全一致和误差的存在 ,在正常运行或外
• •
I
g
=
I
unb
图 5.4 母线完全电流差动保护的原理接线图
其中 Iunb 是电流互感器特性不一致而产生的不平衡电流。 (2)母线故障时,所有有电源的线路,都向故障点供给故障电流,即:
•
I
g
=
1
n
TA
⎛ ⎜ ⎝
•
•
I
I
+
I
II
⎞ ⎟ = ⎠
1
•
n
I
K
TA
其中 Ik 是故障点的总短路电流,此电流数值很大,足以使差动继电器动作。 (二)母联电流相位比较式母线差动保护
由设计的已知条件可知,110kV 侧的母线是采用双母线带旁路母线接线,这种接线方
式有一个特点就是它的运行方式不是固定不变的 ,而是有多种运行方式。所以双母线固
定连接运行的完全差动保护对它来说缺乏灵活性,为了克服此缺点,我采用另一种差动 改变的母线上。
保护——母联电流相位比较式母线差动保护,它很适用于双母线连接元件运行方式经常
母联电流相位比较式母线差动保护的原理是比较母线联络断路器回路的电流与总
KD 和选择元件 1KW,2KW 。起动元件 KD 接于所有引出线的总差动电流,KW 的两个绕组分
别接入母联断路器回路的电流和总差动回路的电流 ,通过比较这两个回路中电流的相位
来获得选择性。在图 5.5(a)所示双母线接线中,假设 I,II 母线并列运行,I 母线和 II 母 I 母线上的 K1 点发生短路故障时,母联电流 I5 为：
• • 5 • 3
线的连接元件中均有电源线路,规定母联电流 I5 的正方向为由 II 母线流向 I 母线,则当
I
短路电流 Ik 为：
•
=
I
•
+
I
•
4
• 2
• 3
I
k
=
I
1
+
I
+
I
+
I
4
故,当忽略各电源间相角差和各元件阻抗角差时,I5 和 Ik 同相位,如图 5.5(b)所示。 II 母线上的 K2 点发生短路故障时,母联电流 I5 为：
•
I
5
= −⎛ ⎜ ⎝
•
• 1
I
+
I
2
⎞ ⎟ ⎠
短路电流 Ik 仍如式(5.21)所示,所以 I5 与 Ik 反相位,如图 5.5(c)所示。可见,以图示 中,差动继电器 KD 中的电流为：
I5 为正方向时,若 I5 与 Ik 同相位,则判别为 I 母线上发生了短路故障。在图 5.14(a)接线
• •
I
k
=
I n
K TA
(a) (a) 原理接线图; (b), (c) 相量关系 图 5.5 母联电流与短路电流相位比较
(b)
(c)
了短路故障。1KW,2KW 是故障母线的选择元件,进行 I5 与 Ik 的相位比较。当 I w 与 I k 同
•
•
时从 1KW 的两个绕组的同极性端流进时,1KW 处于动作状态,对 2KW 处,从同极性端流出
•
•
处于不
动作状态;当- I w 与 I 同时从 2KW 的两个绕组的同极性端流进时,2KW 处于动作
k
状态,对 1KW 处, - I w 从同极性端流出,处于不动作状态。 母线上发生了短路故障。 5.3.2 电流差动保护配置的整定 (一)差电流起动元件整定 差电流起动元件的动作电流满足两个整定条件： (1)按躲开母线外部的最大不平衡电流整定，即：
I d = k rel k LH k fzq I d .max
•
由以上分析可见,KD,1KW 动作时,判别为 I 母线短路故障; KD,2KW 动作时,判别为 I
k k k
rel
—可靠系数，取 1.3。 —电流互感器变比误差，取 0.1
LH fzq
—非周期分量系数，一般电流继电器取 1.5～2。
I
d .max
—母线差动保护外部短路时流过的最大短路电流。
由于起动元件采用 BCH—2 型差动继电器，故取 k
fzq
=1， k
LH
=0.1， k
rel
=1.3。
起动电流： I dz = k k k I = 1.3 × 0.1 × 1 × 14276 = 1854.7( A) rel LH fzq d . max 二次电流为： I dz. j = 1854.7 = 15.46( A )
600 5
BCH—2 型差动匝数为： W cd =
( AW ) 60 = = 3.88(匝) I dz. j 15.46
取 W cd =3 匝， I dz. j =16A。由于母线保护用 110kV 系统中，故 BCH—2 短路线匝 为〝B—B〞。
起动元件灵敏度计算： K (2) = lm (2)电压闭锁元件
(2) I d .min
I dz
=
12167 16 × 600
= 3.8 ，满足要求。 3
三个相间电压元件的动作电压按躲开正常运行的最底电压整定，由于母线短路时 的电压闭锁元件的灵敏度较高，为简化计算可直接取 U
dz. j
=60～65v。
复合电压闭锁元件整定、负序电压元件动作电压按经验公式： U =(15～20)v。 U ，零序电压元件动作电压按经验公式 U e dz.0
dz.2
=(0.06～0.09
负序电压元件和零序电压元件的灵敏度应高于差电流起动元件灵敏度。 零序电压元件
U
dz.2
=6.6
K lm =
3U d 0 65 = = 9.8 U 6.6 dz.2
零序电压元件
U
dz.0
=18
Klm =
3U d 0 65 = = 3.6 ，满足要求。 U 18 dz.0
继电器选用 DSA2391 母线差动保护装置。
5.4 输电线路保护配置
5.4.1 保护配置的原理
(一) 距离保护 电流保护的主要优点是简单，可靠，经济，但它的灵敏性受系统运行方式变化的影
响较大，特别是在重负荷，长距离，电压等级高的复杂网络中，很难满足选择性，灵敏 离保护” 。
性以及快速切除故障的要求，为此，必须采用性能完善的保护装置，因而就引入了“距
距离保护是反馈故障点至保护安装点之间的距离或阻抗，并根据距离的远近而确定
动作时间的一种保护装置。该装置的主要元件为距离或阻抗继电器，它可根据其端子所
加的电压和电流侧知保护安装处至短路点之间的阻抗值，此阻抗称为阻抗继电器的测量
阻抗。其主要特点是：短路点距离保护安装点越近，其测量阻抗越小;相反地，短路点
距离保护安装点越远，
其测量阻抗越大，动作时间就越长。这样就可保证有选择地切除
(ZAB+ZK) 。由于保护 1 距离短路点较近，而保护 2 距离短路点较远，所以，保护 1 的动 种选择性的配合是靠适当的选择各保护的整定阻抗值和动作时限来完成的。
作时间就比保护 2 的短。这样故障就由保护 1 动作切除，不会引起保护 2 的误动作。这
图 5.6(a) 距离保护的基本原理
图 5.6(b) 距离保护原理接线图
(二)零序电流保护
零序电流保护属于小接地电流系统的保护方式，它利用当系统发生故璋时零序电流
的发生.尽管此种保护方式属于小接地电流系统，但早已在发电厂、变电站和配电系统 中得到较广泛的应用。
采用中性点经高电阻接地，能使灵敏而有选择性的接地保护得以实现，能减少电弧
接地过电压的危险，接地保护是否动作于跳闸取决于接地电流的大小，这种接地保护方 其机械强度，给制造带来了较大的困难，而且造价很高。
式的缺点是接地电阻电压较高(6kV)，接地功耗较大(60 一 75kw)，使电阻器发热，影响
中性点经消弧线圈接地系统，当发生单相接地故障时，在接地点产生一个电感点流
并和系统中的接地电容电流相抵消，可减小流经故障点的电流 .在通常情况下，接地电
弧不会出现，单相接地故障自动消除，从而就可减少接地故障引起的停电事故。由于采 护带来了一定的困难，因而必须谋求新途径。
用了消弧线圈，在发生单相接地故障时的电流分布发生了变化，又给实现有选择性的保
目前，在变配电系统中为提高供电的可靠性，大多采用小接地电流系统.上述几种 以考虑。
零序电流保护的接线方式都有各自的优缺点，在实际应用时应从经济技术诸方面综合加
零序分童的特点，如图 5.7(a)所示的网络，当 A 相发生金属性单相接地短路时， 可
利用对称分量的方法将电流、电压分解为正序、负序和零序分量，并利用复合序网来表
示它们之间的关系.其零序网络如图 5.7 (b)所示，零序电流可看成是在故障点出现一个 规定从母线流向故障点，零序电压的正方向是线路指向大地，其主要特点如下:
零序电压亡，而产生的，零序电流经过变压器接地中性点构成回路 .零序电流的正方向
1)线路中任何一点发生接地短路时，该点的三倍零序电流(或电压)都等于该点的三 相电流(或电压)的向 t 和，即
. . 0 . A . B
3I
.
=
I
+
I
+
.
I
B
C
. 0
.
3U
=U
A
+U
+U
C
当系统中 A 相发生接地短路时， 故障点 D 的电压U
.
.
DA
故障点 = 0，
D 处的零序电压为
U
DA
=
1 . ( 3 U
.
.
DB
+U
.
DC
)
，即故障点的零序电压等于非故障相电压向量和的 1/3. 故障
.
点的电流 I 位相同
。
.
dA
=I
D ,
I
D B
= 0,
I
D C
= 0 . 即故障点的零序电流等于故障点电流的
1/3，并且相
2)故障点的零序电压最高，其值为 U
.
D0
，距故障点的距离越远，零序电压就越低
3)零序电流超前零序电压 90 ，如图 5.7 (d)所示，零序电流的分布，主要决定于线 路和中性点接地变压器的零序阻杭，而与电源的数目和位里无关。 4)零序功率 S。=I0·U0，由于故障点零序电压最高，所以，故障点的零序功率也最 大，距故障点越远零序功率越小。
0
图 5.7
接地短路时的零序等效网络
5.4.2 保护配置的整定
(一)输电线路的距离保护 对于 110kV 及以上电压级的输电线路，我们根据经验可以直接考虑用距离保护， 所以这里的 110kV 侧我直接进行距离保护的整定计算和灵敏度校验。
' 取 k rel =0.8， k rel =1.2, k st =1, k re =1.15。线路的最大灵敏角根据经验也一般取 60o～
80 ,取 ϕ =80 。 m 对于输电线路 L 2 距离Ⅰ段： Zop .1 = krel × z1 = 0.8 × 50 × 0.4(Ω )
Z o p .1
o
o
距离Ⅲ段：最小负荷阻抗 Z L . min = 动作阻抗为 由于 ϕ
o
v L . min I L . max
=
0 .9 U
0 .9 × 1 1 5
N
=
Z L . max
1 .4 5 3
3 = 4 1 .1( Ω )
Z op .1 =
1 1 × 41.1 = 293.78(Ω ) Z L.min = k rel k stk re 1.2 × 1 × 1.15
o
m
=80 ， c o s ϕ =0.85 得 ϕ
L
= arccos ϕ =31.78 。
整定阻抗
Z z et =
Z o p.1
cos(ϕ m − ϕ L )
=
29.78 = 45.12(Ω ) 0.66
所以， k sen = Z zet = 45.12 = 2.0 >1.5,满足要求。 Z1 20 (二)零序保护的整定
要对零序保护进行整定计算必须先求出发生接地短路故障时,故障点的最大零序电
流,而只有发生接地故障时,才会出现零序电流,所以只考虑单相短路和两相接地短路。
当 f 2 点发生短路时， L2 空载不包括在各序网络中。 变压器 B1 B2 B3 B4 中性点接地应包 括在零序网络中。 正序网络化简过程如下：
x 2 2 = ( x 1 + x 1 8 ) //( x 1 7 + x 2 0) =
(0.125 + 0.052) × (0.26 + 0.031) =0.61 0.125 + 0.052 + 0.26 + 0.031 0.52 × 0.40 + 0.67)//(0.52+0.33)=0.43 0.52 + 0.40
x 2 3 = [( x 3 // x 6 ) + x 5 ] // ( x 2 + x 4 ) = (
将支路 19、22 和 23 并联得等值电势和输入电抗：
E eq = E1 ( x10 + x22 ) 0.83 × (0.10 + 0.61) = = 0.52 x19 + x22 + x23 0.10 + 0.61 + 0.43 x23 ( x19 + x 22 ) 0.43 × (0.10 + 0.61) = = 0.14 x19 + x22 + x23 0.10 + 0.61 + 0.43
X ff (1) =
正序网络如图 5.8 所示。
⇕
⇕
图 5.8 正序网络
负序网络化简过程如下：
x24 = [( x 3 // x 6 ) + x 5] //( x 2 + x 4) =(
负序网络输入电抗：
X ff ( 2) =
0.54 × 0.4 +0.67)//(0.45+0.33)=0.4 0.54 + 0.4
( x19 + x22 ) x 23 (0.10 + 0.61) × 0.4 = = 0.25 x19 + x22 + x23 0.10 + 0.61 + 0.4
负序网络如图 5.9 所示。
⇕
⇕
图 5.9 负序网络
零序网络化简过程如下：
x2 5 = x1 7 + x1 9 + x 2 0 = 0.16 + 0.3 + 0.093 = 0.58
x26 = ( x5 + x6 ) // x4 =
零序网络输入电
抗：
X ff ( 0) =
0.67 × 0.4 + 0.33 = 0.58 0.67 + 0.4
x25 x26 0.553 × 0.58 = = 0.28 x25 + x26 0.553 + 0.58
零序网络如图 5.10 所示。
⇕
图 5.10 零序网络
所以，各序的输入阻抗分别为：
X ff (1) =1.4
X ff ( 2) =0.25
ff ( 2)
X ff ( 0) =0.28
(1) 单相短路时，因为 x∆ = X ff ( 0) + X
= 0.53 ，电源电势用次暂态电势：取
V f( 0) = E'' = j1.0 ，所以 0 秒时的短路正序电流为：
If
=
2 (1)*
V f( 0 ) 1.0 = = 0.518 (1) j ( x f 2 (1) + x∆ ) 1.4 + 0.53
f 2 处发生短路时，短路点的零序电流为：
I f 2 ( 0 )* = x f 2 ( 2) x f2 ( 2) + x f2 ( 0) I f 2 (1)* =
0.25 × 0.518 = 0.244 1.25 + 0.28
(1,1) 两相短路时，因为 x ∆ = X
ff ( 0 )
// X
ff ( 2 )
=
0.28 × 0.25 = 0.13 ，电源电势用次暂态电势 0.28 + 0.25
取 V f( 0) = E'' = j1.0 ，所以 0 秒时的短路正序电流为：
V f( 0)
1.0
f 2 处发生短路时，短路点的零序电流为： I f 2 ( 0)* = x f 2 ( 2) x f 2 ( 2) + x f 2 ( 0) I f 2 (1)* =
0.25 × 0.65 = 0.31 1.25 + 0.28
2 ( 0 ) max
综上所示，当 f 2 发生短路时的短路点最大零序电流为： I f
= 0.31( kA )
故 110kV 发生短路时各线路的零序电流保护整定如下：
' ' 零序Ⅰ段： I op = k rel × 3I f 2 ( 0) max = 1.2 × 3 × 0.31 = 1.12(kA)
零序Ⅲ段： 线路 L1
I o .unb.max = k np k st ∆fI k max. L1 = 1× 1× 0.1× 1170 = 117( kA)
I o p = k r el I o. u n b. max = 1.15 × 117 = 134.6( kA )
线路 L2
I o .u n b. max = k n p k s t∆ fI k max . L = 1× 1× 0.1× 1820 = 182( kA)
2
I o p = k r el I o. u n b. max = 1.15 × 182 = 209.3( kA )
线路 L3
I o .u n b. max = k n p k s t ∆ fI k max . L3 = 1 × 1 × 0.1 × 2330 = 233( kA ) I o p = k r el I o. u n b. max = 1.15 × 233 = 267.9( kA )
线路 L4
I o .u n b. max = k n p k s t∆ fI k max . L4 = 1× 1× 0.1× 1640 = 164( kA )
I o p = k r el I o. u n b. max = 1 .1 5 × 1 6 4 = 1 8 8 .6 ( kA )
其中， k rel 是可靠系数，这里取 1.15;
k np 是非周期分量影响系数，采用自动重合闸时加速为 1.5～2.0，其它为 1; k st 是电流互感器的同型系数，相同为 0.5，不同为 1;
∆f 是电流互感器误差，取 0.1;
I k max. L 是各输电线路的最大短路电流， I k max. L1 、 I k max. L2 、 I k max. L3 和 I k max. L4 值如 4.
节中所示。继电器选用 MLP-71 系列多功能微机线路成套保护及自动装置。
5.5 发电机保护配置
5.5.1 保护配置的原理
1.保护范围及特点电流速断保护仅能对发电机输出线路进行保护，而当绕组内部
(中性点到输出端断路器)有短路现象时，却存有死区。纵差保护是用于发电机内部绕组 靠性。
的短路保护，适用于与外电路并网且中性点侧有引出线的机组，该保护具有快速性，可
2.保护的构成及基本原理如图 5.1l 所示.1 号互感器 ILH 装在输出断路器 DL 附近
4 号互感器 4LH 装在发电机中性点引出线上，1LH 和 4LH 型
号变比相同，电流互感器的
极性同名端用“.”号表示，CJ 为差动电流继电器，而互感器之间的范围即为保护动作
区。我们令 1LH 和 4LH 一次侧电流分别为 I1 和 I2，二次侧电流分别为 i1 和 i2。显然
当发电机正常运行时，有 I1=I2，因为两互感器变比相同，故有 i1=i2, i2 由结点 a 流
进 Cj，由结点 b 流出。而 I1 经结点 b 流进 CJ，由结点 a 流出。根据克霍夫第一定律 不动作.
流入和流出结点的电流应相等。即实际上继电器 CJ 中的电流及 Ic=I1=I2=0，所以 C
a
图 5.1l
纵差保护原理接线图
当保护区外部短路时(如 Dl 点)电源互感器 ILH 和 4LH 的一次电流是发电机向故障 CJ 也不动作。
点供给的短路电流，仍然有 i1= i2(不过此时 I1 和 I2 值很大)，i1=i2,CJ 中电流 ic=O
仅当保护区内部短路时(如发电机引出线上 D2 点)互感器 4LH 一次侧电流为发电机
变化， 故继电器 CJ 中的电流 iC=i1+12， CJ 中流过与故障点总短路电流成比例的电流 即 当此电流大于 CJ 的起动电流时，CJ 就动作，从而使发动机解列。 由上述分析知，按差动原理构成的保护装置可瞬时动作切除故障。 3.BCH—2 型继电器的单相差动保护原理
继电器是较早设备中常用的单相保护继电器。在实际电路中，考虑的问题远比上述
原理复杂。因为在外部短路时及正常工作时，由于 1LH 和 4LH 到保护屏的距离不一样
互感器的特性也不完全一致(另外还有电流相位差)等因素，差动回路中电流继电器有不
平衡电流存在，特别是在外部短路初瞬时.这种不平衡电流数值较大，可能造成 CJ 误动
作。BCH—2 型继电器采用的是具有速饱和特性的中间变流器， 其原理因与差动保护本身
关系不大，限于篇幅，不再赘述。在图 5.12 中 Wl 为差动线圈，W2 为平衡线圈，在正常 感应电流，CJ 不动作。
工作及外部短路时，W2 产生的磁通能抵消 WI 所产生的不平衡电流， 从而在 W2 中不产生
图 5.12 BCH—2 型继电器动作保护原理图
5.5.2 保护配置的整定 (一)原始数据计算
Se
25
折合至 110kV 平均电压的发电机次暂态电抗值为： x d'' x = x ''d S B = 0 .1 3 × 1 0 0 = 0 .5 2 ， 发电机额定电流为： I e = (二)差动保护整定 (1)按躲开外部故障最大不平衡电流整定，即：
I dz = krel k fzq k tx f i I d.max = 1.3 ×1 × 0.5 × 0.1 ×
100 × 103 3 ×10.5 × 0.442 = 809( A)
Se = 3U e
25 = 1.4( kA ) 3 × 10.5
(2)按躲开电流互感器二次回路断线时整定，即：
取 I dz =1820A，折合至二次侧为： I dz . j = 1821820 /(4000 / 5) = 2.3( A ) ，BCH-2 工作线圈匝数 为： W g = 60 = 60 = 26.1(匝 ) ，取 26 匝。 I dz . j 2.3 (三)发电机定子绕组接地保护
(1)发电机额定电流为： I e = 1400( A) ，LXHM-1 型零序
电流互感器额定电流为 1750A，当继电器线圈并联时保护一次动作电流为 2.4A。 (2)保护动作电流计算
I b p.2
1400 kEb p .b c Eb p . z c 1.4 × 0.06 × 1750 0.1 = + = + = 0.0115( A) z d z. cl.2 + z j zj 10 + 9 9
一次最大不平衡电流为：
I b p.1 = I b p.2 w2 (1 + zj z d z . cl .2
) = 0.0115 × 39 × (1 + 9 ) = 0.85( A ) 10
保护动作电流为：
I dz =
1 1 ( k r el 3 I cf + k r'' el I b p ) = ( 2 × 0 .6 9 + 1 .5 × 0 .8 5 ) = 3 .1 2 ( A ) ，该电流小于 kf 0 .8 5
5A，故
可采用。 继电器动作电流计算为：
z d z. j = I dz w 2 (1 + zj z d z . cl .2
) = 3.12 9 39(1 + ) 10 = 0.042( A )
继电器选用 DD-11/60 系列多功能微机成套保护及自动装置。
6 结论
综合前面的说明与计算结果可知该 110kV 电力系统继电保护的具体配置如下表：
表 5.2 保护配置表
保护对象 变压器 母线 输电线路 发电机
主保护 纵联差动保护、瓦斯保护 电流相位比较式母线差动保护 距离Ⅰ、Ⅲ保护 纵联差动保护
后备保护 零序电流保护 零序电流Ⅰ、Ⅲ保护 定子绕组接地保护
复合电压启动过电流保护、
___________________________
经过查找资料以及相关书籍可以得到本次毕业设计需配置的保护的型号如下：
(1)变压器保护装置： 采用 NSP712 变压器差动保护，适用于 110 kV 电压等级的双圈、三圈变压器，满足三侧 差动的要求。 主要功能： <1> 差动速断保护;比率差动保护，采用二次谐波制动; <2> 复合电压过流保护;零序电压保护;过负荷保护; <3> CT 断线判别等功能。 (2)母线差动保护装置： 采用 DSA2391 母线差动保护装置，本装置为由大规模可编程逻辑电路和 intel 80296 为 主 CPU 实现的母线差动保护，适用于 110kV 及以下电压等级的主接线为单母分段型及双 母线型最大 8 个元件的母线差动保护。 (3)线路成套保护及自动装置： 采用 MLP-71 系列多功能微机线路成套保护及自动装置，本装置适用于 110kV 电网长/短 输电线路。 MLP-71 系列是反映输电线路各种类型故障和不正常状态的成套保护及自动装 置，包含了相间电流、相间距离、接地距离、零序电流方向等保护段和低周、低压解列 备用电源自动投入等 8 种自动装置功能。 (4)发电机套保护及自动装置： 采用 DD-11/60 型系列多功能微机线路成套保护及自动装置，本装置适用于 110kV 发电 机电压器组微机保护。 DD-11/60 系列是反映输电线路各种类型故障和不正常状态的成套 保护及自动装置。
7 总结与体会
本次毕业设计的主要内容是对 110kV 电力系统继电保护的配置。经过对设计要求
设计内容的分析可知，首先要利用电力系统分析的知识，求出各短路点的短路电流，从
而确定各短路点短路时系统的最大及最小运行方
式，由于电力系统分析的相关知识掌握
得比较好，因此这一步进行得比较顺利。接下来在最大最小运行方式下求出各出线的最
大最小三相短路电流，两相短路电流和相应的最大负荷电流，在计算这一步过程中遇到
了一些小困难，通过查找相关的书籍，同时在老师的指导下也很快的迈了过去。其次
根据经验习惯，通过方案比较，论证选择了一套初始的保护。为了能够确定这些保
护是否满足要求， 是否有足够的实用性， 我们还需要对它们进行整定计算和灵敏性校验
对于 110kV 侧输电线路，经过对电流 I，III 段保护的灵敏性校验不合格后，改用了距
离保护，它的整定计算和灵敏性校验与电流保护相类似，因此很好处理，但是 110kV 侧
还必须考虑接地故障保护， 我采用的是零序电流保护， 因为这种保护平时很少做过练习
所以感觉比较陌生，经过多日的参考相关书籍，以及在同学的帮助和老师的辅导下，渡
过了难关。对于变压器， 它涉及的保护较多， 主保护是纵联差动保护与瓦斯保护的配合
后备保护主要有复合电压启动过电流保护，零序电流保护和过负荷保护。其中纵联差动
保护的整定计算和灵敏性校验过程比较繁琐，我根据工具书《电力系统继电保护配置原
理及整定计算》上的框架来进行整定和校验，中间虽然走了不少的弯路，遇到了不少的
困难，但经过认真分析，仔细思考后问题仍然得以解决，剩下的复合电压启动过电流保
护，零序电流保护和过负荷保护的整定与校验都容易理解，不难计算，这些是我毕业设
计能顺利完成的一个基础;对于母线来说，采用了母联电流相位比较式母线差动保护
这种保护简单，可靠又经济，恰倒好处。这种保护灵活性高，适用于母线连接元件运行
方式经常变动的母线。这些保护就目前国内继电保护的发展水平来说并不是最完美的
它有它的缺陷但也有自身的优势，它只能从某些方面来满足继电保护的四大基本要求 果。
随着社会的发展，它将会被新一代保护所代替，这是无法避免的，是社会进步的必然结
8 谢辞
本次接近两个星期的毕业设计能够顺利完成离不开老师的尽责辅导和同学们的热心帮
助。在老师的悉心辅导下，成功的完成了本次设计。在设计过程中，无论是在构思步骤，
分析系统网络图，配置保护，还是保护的整定计算和灵敏性校验上，老师都给与了我极大
的帮助，在我设计遇到困难无法进行时，给予帮助和引导。 老师的严谨治学态度、渊博的 了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。
知识、尽责无私的奉献精神使我深受启迪。我不
仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到
四年来，老师们在学习上、生活上给与了我无微不至的关怀和照顾，是他们让我逐步 有我今天的成绩，在这里我表示由衷的感谢。老师，您辛苦了! 最后，衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家!
成长起来的，没有他们的帮助就不会有现在今天知性的我，自信的我。没有他们也就不会
9 参考文献
[1] 马永翔， 王世荣.电力系统继电保护.十一五规划教材.北京： 中国林业出版社; 北京大学出版社 2006. [2] 贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理.增订版.北京：中国电力出版社，2004. [3] 何仰赞，温增银.电力系统分析.武汉：华中科技大学出版社，2002. [4] 西安交通大学，西北电力设计院.短路电流计算方法.北京：电力工业出版社，1992. [5] 张宝会，伊项根.电力系统继电保护.北京：中国电力出版社，2005. [6] 卢继平，詹红霞.电力系统继电保护.重庆：重庆大学出版社，2003. [7] 崔家佩.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京：中国电力出版社，2001. [8] 江善清、岳大伦.变压器继电保护.继电器，2007. [9] 于海涛.电气控制系统继电保护的整定与校验.科技咨询导报，2007. [10] 王维俭主编.电力系统继电保护基本原理.北京：清华大学出版社，1997. [11] 邹玑平.实用电气二次回路 200 例.北京：中国电力出版社，2000. [12] 继电保护通讯(七十二).江苏电机工程，2007.
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