保护(3)三段式电流保护的设计(完整版)

继电保护原理课程设计报告

专 业：电气工程及其自动化 班 级： 电气1103 姓 名： 马春辉 学 号： 201109353 指导教师： 苏宏升

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2014 年7月 12日

1 设计原始资料 1.1 具体题目

如图1.1所示网络，系统参数为E=115/3kV，XG1=18Ω、XG2=18Ω、XG3=10Ω，

L1=L2=50km、L3=30km、LBC=60km、LCD=40km、LDE=30km，线路阻抗0.4Ω/km，

IIIIII

=1.3、Krel=Krel=1.15，IBCmax=300A，ICDmax=200A，IDEmax=150A，Kss=1.5，Krel

Kre=0.85。试对线路进行三段式电流保护的设计。

图1.1 系统网络图

1.2 要完成的内容

本题完成对线路保护3进行三段式电流保护的设计。

2 分析课题的设计内容 2.1 设计规程

2.1.1 主保护配置

选用三段式电流保护，经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。 2.1.2 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

其中：Z—线路单位长度阻抗；

L—线路长度。

所以，将数据代入公式(3.1)可得各段线路的线路阻抗分别为

XL1XL2ZL10.45020

XL3ZL30.43012

XZL (3.1)

XBCZLBC0.46024

XCDZLCD0.44016

XDEZLDE0.43012

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L1、L3 运行，由题意知G1、G3连接在同一母线上，则

XsminXG1//XG2XL1//XL2//XG3XL3910//101210.2

式中 Xsmi—n最大运行方式下的阻抗值；最大运行方式等效电路如图3.1所示。

同理，最小运行方式即阻抗值最大，分析可知在只有G1和L1运行，相应地有

XsmaxXG1XL1182038

最小运行方式等效电路图如图3.2所示。

图3.1 最大运行方式等效电路图

图3.2 最小运行方式等效电路图

3.2 保护短路点及短路点的选取

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

Z

式中 E—系统等效电源的相电动势；

Ik

E

K

EZsZk

(3.2)

Zk—短路点至保护安装处之间的阻抗； Zs—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

（1）对于保护2等值电路图如图3.1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

IkDmax

代入数据得:

E

XsminXBCXCD

(3.3)

IkDmax1.32kA

(2) 对于保护3等值电路图如图3.1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

IkCmax

代入数据得:

E

XsminXBC

(3.4)

IkCmax1.94kA

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

Ik.min

E3

2Zs.minZL

(3.5)

式中 E—系统等效电源的相电动势；

Zs.m—in保护安装处到系统等效电源之间的阻抗； ZL—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。

IEmin

ICmin

31151639A 2382416121151927A 233824

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

I

I

set

E 

（4.1） 2Zsmaxz1Lmin

其中 E—系统等效电源的相电动势；

Zs.ma—x短路点至保护安装处之间的阻抗；

z1—线路单位长度的正序阻抗。

(1)对于保护2等值电路图如图3.1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

IKDmax1.32kA

整定原则：按照躲过本线路末端最大短路电流来整定。则相应的速断定值为

II

Iset2KretIKDmax1.31.321.72kA

最小保护范围根据式（4.1）可得

L2min11.4km

即2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3等值电路图如图3.1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

Ik.C.max1.94kA

相应的速断定值为

IIset.3KIrelIk.C.max1.31.942.52kA

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。

IEmin

ICmin

31151639A 2382416121151927A 233824

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

I

I

set

E 

（4.1） 2Zsmaxz1Lmin

其中 E—系统等效电源的相电动势；

Zs.ma—x短路点至保护安装处之间的阻抗；

z1—线路单位长度的正序阻抗。

(1)对于保护2等值电路图如图3.1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

IKDmax1.32kA

整定原则：按照躲过本线路末端最大短路电流来整定。则相应的速断定值为

II

Iset2KretIKDmax1.31.321.72kA

最小保护范围根据式（4.1）可得

L2min11.4km

即2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3等值电路图如图3.1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

Ik.C.max1.94kA

相应的速断定值为

IIset.3KIrelIk.C.max1.31.942.52kA

最小保护范围根据式（3.4）可得

L3min38km

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。 4.1.2 灵敏度校验

限时电流速断定值根据式(4.2)可以计算。

IIIIIIKIse t (4.2) setrel

其中 KⅡre—l可靠系数，取值为1.15。

（2） 保护3的限时电流速断定值为

IIIset.3KIIretIIset.21.21.722.1kA

（1） 整定原则：按照躲过下级线路电流速断保护的最大动作电流来整定。

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

Ik.C.min

3E0.93kA

2XS.maxXBC23826 I0.93k.C.min0.44 II

Iset2.1

所以保护5处的灵敏度系数为

K

IIset.3

也不满足Ksen≥1.2的要求。

可见，由于运行方式变化太大，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

I

Ⅲset

ˊⅢIrelKrelKssIL.maxKreKre

（4.3）

其中 KrⅢe—l可靠系数，取值为1.2； Kss—可靠系数，取值为1.5 Kre—可靠系数，取值为0.9。

整定原则：按照大于本线路流过的最大负荷电流整定，则

I

Ⅲset3

ⅢKrelKss1.21.5IDE.L.max300600A

Kre0.9

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

tⅢ10.50.51(s)

tⅢ

Ⅲ2t10.51.5(s)

tⅢtⅢ320.52(s)

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

IE

k.min

2Z

s.maxZL

所以由灵敏度公式（4.4）

Ksen

Ik.min

IⅢ

set

保护3作为远后备保护的灵敏度为

KⅢset.3

IE.minIⅢ

639

600

1.07≤1.2 set.3不满足作为远后备保护灵敏度的要求。

5继电保护设备的选择 5.1 电流互感器的选择

根据以上整定计算本题中电流互感器的型号选择为LCWB6-110B

5.2 继电器的选择

根据以上整定计算本题中继电器的型号选择为DL-20C。

6 原理图及展开图的的绘制 6.1 原理接线图

4.4）4.5）（

（

如图附录图1所示原理接线图。

6.2 交流回路和直流回路展开图

展开图中交流回路和直流回路分开表示，分别如附录图2和图附录3所示。

7总结

在做继电保护配置时我们应该使配置的结果满足继电保护的基本要求，就是要保证可靠性、选择性、速动性和灵敏性。通过设计过程可以看出，最大运行方式下三相短路的短路电流与最小运行方式下得两相的短路电流相差很大。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，其动作之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] 张保会，尹项根．电力系统继电保护[M]．北京：中国电力出版社，2009:14-33 [2] 于永源，杨绮雯. 电力系统分析[M]. 北京: 中国电力出版社，2007:13-34 [3] 王永康．继电保护与自动装置[M]．北京：中国铁道出版社，1986:18-41

附录-1

图1 三段式电流保护原理接线图

图2 保护交流电流回路图

9

图3 保护直流回路展开图

10

继电保护原理课程设计报告

专 业：电气工程及其自动化 班 级： 电气1103 姓 名： 马春辉 学 号： 201109353 指导教师： 苏宏升

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2014 年7月 12日

1 设计原始资料 1.1 具体题目

如图1.1所示网络，系统参数为E=115/3kV，XG1=18Ω、XG2=18Ω、XG3=10Ω，

L1=L2=50km、L3=30km、LBC=60km、LCD=40km、LDE=30km，线路阻抗0.4Ω/km，

IIIIII

=1.3、Krel=Krel=1.15，IBCmax=300A，ICDmax=200A，IDEmax=150A，Kss=1.5，Krel

Kre=0.85。试对线路进行三段式电流保护的设计。

图1.1 系统网络图

1.2 要完成的内容

本题完成对线路保护3进行三段式电流保护的设计。

2 分析课题的设计内容 2.1 设计规程

2.1.1 主保护配置

选用三段式电流保护，经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。 2.1.2 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

其中：Z—线路单位长度阻抗；

L—线路长度。

所以，将数据代入公式(3.1)可得各段线路的线路阻抗分别为

XL1XL2ZL10.45020

XL3ZL30.43012

XZL (3.1)

XBCZLBC0.46024

XCDZLCD0.44016

XDEZLDE0.43012

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L1、L3 运行，由题意知G1、G3连接在同一母线上，则

XsminXG1//XG2XL1//XL2//XG3XL3910//101210.2

式中 Xsmi—n最大运行方式下的阻抗值；最大运行方式等效电路如图3.1所示。

同理，最小运行方式即阻抗值最大，分析可知在只有G1和L1运行，相应地有

XsmaxXG1XL1182038

最小运行方式等效电路图如图3.2所示。

图3.1 最大运行方式等效电路图

图3.2 最小运行方式等效电路图

3.2 保护短路点及短路点的选取

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

Z

式中 E—系统等效电源的相电动势；

Ik

E

K

EZsZk

(3.2)

Zk—短路点至保护安装处之间的阻抗； Zs—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

（1）对于保护2等值电路图如图3.1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

IkDmax

代入数据得:

E

XsminXBCXCD

(3.3)

IkDmax1.32kA

(2) 对于保护3等值电路图如图3.1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

IkCmax

代入数据得:

E

XsminXBC

(3.4)

IkCmax1.94kA

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

Ik.min

E3

2Zs.minZL

(3.5)

式中 E—系统等效电源的相电动势；

Zs.m—in保护安装处到系统等效电源之间的阻抗； ZL—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。

IEmin

ICmin

31151639A 2382416121151927A 233824

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

I

I

set

E 

（4.1） 2Zsmaxz1Lmin

其中 E—系统等效电源的相电动势；

Zs.ma—x短路点至保护安装处之间的阻抗；

z1—线路单位长度的正序阻抗。

(1)对于保护2等值电路图如图3.1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

IKDmax1.32kA

整定原则：按照躲过本线路末端最大短路电流来整定。则相应的速断定值为

II

Iset2KretIKDmax1.31.321.72kA

最小保护范围根据式（4.1）可得

L2min11.4km

即2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3等值电路图如图3.1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

Ik.C.max1.94kA

相应的速断定值为

IIset.3KIrelIk.C.max1.31.942.52kA

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。

IEmin

ICmin

31151639A 2382416121151927A 233824

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

I

I

set

E 

（4.1） 2Zsmaxz1Lmin

其中 E—系统等效电源的相电动势；

Zs.ma—x短路点至保护安装处之间的阻抗；

z1—线路单位长度的正序阻抗。

(1)对于保护2等值电路图如图3.1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

IKDmax1.32kA

整定原则：按照躲过本线路末端最大短路电流来整定。则相应的速断定值为

II

Iset2KretIKDmax1.31.321.72kA

最小保护范围根据式（4.1）可得

L2min11.4km

即2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3等值电路图如图3.1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

Ik.C.max1.94kA

相应的速断定值为

IIset.3KIrelIk.C.max1.31.942.52kA

最小保护范围根据式（3.4）可得

L3min38km

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。 4.1.2 灵敏度校验

限时电流速断定值根据式(4.2)可以计算。

IIIIIIKIse t (4.2) setrel

其中 KⅡre—l可靠系数，取值为1.15。

（2） 保护3的限时电流速断定值为

IIIset.3KIIretIIset.21.21.722.1kA

（1） 整定原则：按照躲过下级线路电流速断保护的最大动作电流来整定。

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

Ik.C.min

3E0.93kA

2XS.maxXBC23826 I0.93k.C.min0.44 II

Iset2.1

所以保护5处的灵敏度系数为

K

IIset.3

也不满足Ksen≥1.2的要求。

可见，由于运行方式变化太大，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

I

Ⅲset

ˊⅢIrelKrelKssIL.maxKreKre

（4.3）

其中 KrⅢe—l可靠系数，取值为1.2； Kss—可靠系数，取值为1.5 Kre—可靠系数，取值为0.9。

整定原则：按照大于本线路流过的最大负荷电流整定，则

I

Ⅲset3

ⅢKrelKss1.21.5IDE.L.max300600A

Kre0.9

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

tⅢ10.50.51(s)

tⅢ

Ⅲ2t10.51.5(s)

tⅢtⅢ320.52(s)

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

IE

k.min

2Z

s.maxZL

所以由灵敏度公式（4.4）

Ksen

Ik.min

IⅢ

set

保护3作为远后备保护的灵敏度为

KⅢset.3

IE.minIⅢ

639

600

1.07≤1.2 set.3不满足作为远后备保护灵敏度的要求。

5继电保护设备的选择 5.1 电流互感器的选择

根据以上整定计算本题中电流互感器的型号选择为LCWB6-110B

5.2 继电器的选择

根据以上整定计算本题中继电器的型号选择为DL-20C。

6 原理图及展开图的的绘制 6.1 原理接线图

4.4）4.5）（

（

如图附录图1所示原理接线图。

6.2 交流回路和直流回路展开图

展开图中交流回路和直流回路分开表示，分别如附录图2和图附录3所示。

7总结

在做继电保护配置时我们应该使配置的结果满足继电保护的基本要求，就是要保证可靠性、选择性、速动性和灵敏性。通过设计过程可以看出，最大运行方式下三相短路的短路电流与最小运行方式下得两相的短路电流相差很大。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，其动作之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] 张保会，尹项根．电力系统继电保护[M]．北京：中国电力出版社，2009:14-33 [2] 于永源，杨绮雯. 电力系统分析[M]. 北京: 中国电力出版社，2007:13-34 [3] 王永康．继电保护与自动装置[M]．北京：中国铁道出版社，1986:18-41

附录-1

图1 三段式电流保护原理接线图

图2 保护交流电流回路图

9

图3 保护直流回路展开图

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