電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)——三段式電流保護(hù)的設(shè)計(jì)

1、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)題目： 三段式電流保護(hù)的設(shè)計(jì)班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 評(píng)語(yǔ)：成績(jī)1 設(shè)計(jì)原始資料1.1 具體題目如圖1.1所示網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)參數(shù)為=115/kV，=15、=10、=10， =60km、=40km、=50km、=30km、=20km，線路阻抗0.4/km，=1.2、=1.15，=300A，=200A，=150A，=1.5，=0.85。圖1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖試對(duì)線路BC、CD進(jìn)行電流保護(hù)的設(shè)計(jì)。1.2 要完成的內(nèi)容（1）保護(hù)的配置及選擇； （2）短路電流計(jì)算（系統(tǒng)運(yùn)行方式的考慮、短路點(diǎn)的考慮、短路類(lèi)型的考慮）； （3）保護(hù)配合及整定計(jì)算； （4）保護(hù)原理展開(kāi)

2、圖的設(shè)計(jì)； （5）對(duì)保護(hù)的評(píng)價(jià)。2 設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題2.1 設(shè)計(jì)規(guī)程2.1.1 短路電流計(jì)算規(guī)程在決定保護(hù)方式前，必須較詳細(xì)地計(jì)算各短路點(diǎn)短路時(shí)，流過(guò)有關(guān)保護(hù)的短路電流， 然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在滿足繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程和題目給定的要求條件下，盡可能采用簡(jiǎn)單的保護(hù)方式。其計(jì)算步驟及注意事項(xiàng)如下。（1）系統(tǒng)運(yùn)行方式的考慮除考慮發(fā)電廠發(fā)電容量的最大和最小運(yùn)行方式外，還必須考慮在設(shè)備檢修或故障切除的情況下，發(fā)生短路時(shí)流過(guò)保護(hù)裝置的短路電流最大和最小的系統(tǒng)運(yùn)行方式，以便計(jì)算保護(hù)的整定值和保護(hù)靈敏度。在需采用電流電壓聯(lián)鎖速斷保護(hù)時(shí)，還必須考慮系統(tǒng)的正常運(yùn)行方式。（2）短路點(diǎn)的考慮求不同保護(hù)的整定值和靈

3、敏度時(shí)，應(yīng)注意短路點(diǎn)的選擇。若要繪制短路電流、電壓與距離的關(guān)系曲線，每一條線路上的短路點(diǎn)至少要取三點(diǎn)，即線路的始端、中點(diǎn)和末端三點(diǎn)。（3）短路類(lèi)型的考慮相間短路保護(hù)的整定計(jì)算應(yīng)取系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下三相短路電流，以作動(dòng)作電流整定之用；而在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下計(jì)算兩相短路電流，以作計(jì)算靈敏度之用。短路的計(jì)算選用三相短路或兩相短路進(jìn)行計(jì)算均可，因?yàn)閷?duì)保護(hù)所取的殘余而言，三相短路和兩相短路的殘余數(shù)值相同。若采用電流電壓連鎖速斷保護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)行方式應(yīng)采用正常運(yùn)行方式下的短路電流和電壓的數(shù)值作為整定之用。（4）短路電流列表為了便于整定計(jì)算時(shí)查考每一點(diǎn)的短路時(shí)保護(hù)安裝處的短路電流和，將計(jì)算結(jié)果列成表格。流過(guò)保護(hù)

4、安裝處的短路電流應(yīng)考慮后備保護(hù)的計(jì)算需要，即列出本線路各短路點(diǎn)短路時(shí)流過(guò)保護(hù)安裝處的短路電流，還要列出相鄰線路各點(diǎn)短路時(shí)流過(guò)保護(hù)安裝處的短路電流。計(jì)算短路電流時(shí)，用標(biāo)幺值或用有名值均可，可根據(jù)題目的數(shù)據(jù)，用較簡(jiǎn)單的方法計(jì)算。2.1.2 保護(hù)方式的選取及整定計(jì)算采用什么保護(hù)方式，主要視其能否滿足規(guī)程的要求。能滿足要求時(shí)，所采用的保護(hù)就可采用；不能滿足要求時(shí)，就必須采取措施使其符合要求或改用其他保護(hù)方式。選用保護(hù)方式時(shí)，首先考慮采用最簡(jiǎn)單的保護(hù)，以便提高保護(hù)的可靠性。當(dāng)采用簡(jiǎn)單保護(hù)不能同時(shí)滿足選擇性、靈敏性和速動(dòng)性要求時(shí)，則可采用較復(fù)雜的保護(hù)方式。選用保護(hù)方式時(shí)，可先選擇主保護(hù)，然后選擇后備保護(hù)。

5、通過(guò)整定計(jì)算，檢驗(yàn)?zāi)芊駶M足靈敏性和速動(dòng)性的要求。當(dāng)采用的保護(hù)不能很好地滿足選擇性或速動(dòng)性的要求時(shí)，允許采用自動(dòng)重合閘來(lái)校正選擇性或加速保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)靈敏度不能滿足要求時(shí)，在滿足速動(dòng)性的前下，可考慮利用保護(hù)的相繼動(dòng)作，以提高保護(hù)的靈敏性。在用動(dòng)作電流、電壓或動(dòng)作時(shí)間能保證選擇性時(shí)，不要采用方向元件以簡(jiǎn)化保護(hù)。后備保護(hù)的動(dòng)作電流必須配合，要保證較靠近電源的上一元件保護(hù)的動(dòng)作電流大于下一元件保護(hù)的動(dòng)作電流，且有一定的裕度，以保證選擇性。2.2 本設(shè)計(jì)的保護(hù)配置2.2.1 主保護(hù)配置 選用三段式電流保護(hù)，經(jīng)靈敏度校驗(yàn)可得電流速斷保護(hù)不能作為主保護(hù)。因此，主保護(hù)應(yīng)選用三段式距離保護(hù)。2.2.2 后備保護(hù)配

6、置過(guò)電流保護(hù)作為后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備保護(hù)。3 短路電流計(jì)算3.1 等效電路的建立由已知可得,線路的總阻抗的計(jì)算公式為 (3.1) 其中：線路單位長(zhǎng)度阻抗； 線路長(zhǎng)度。所以，將數(shù)據(jù)代入公式(3.1.1)可得各段線路的線路阻抗分別為 經(jīng)分析可知，最大運(yùn)行方式即阻抗最小時(shí)，則有三臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，線路、運(yùn)行，由題意知、連接在同一母線上，則式中 最大運(yùn)行方式下的阻抗值；同理，最小運(yùn)行方式即阻抗值最大，分析可知在只有和運(yùn)行，相應(yīng)地有由此可得最大運(yùn)行方式等效電路如圖3.1所示，最小運(yùn)行方式等效電路圖如圖3.2所示。圖3.1 最大運(yùn)行方式等效電路圖圖3.2 最小運(yùn)行方式等效電路圖3.2 保護(hù)短路點(diǎn)的選取選取B、C、

7、D、E點(diǎn)為短路點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。3.3 短路電流的計(jì)算3.3.1 最大方式短路電流計(jì)算在最大運(yùn)行方式下流過(guò)保護(hù)元件的最大短路電流的公式為 (3.2)式中 系統(tǒng)等效電源的相電動(dòng)勢(shì)； 短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處之間的阻抗； 保護(hù)安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗； 短路類(lèi)型系數(shù)、三相短路取1，兩相短路取。（1）對(duì)于保護(hù)2等值電路圖如圖2所示，母線E最大運(yùn)行方式下發(fā)生三相短路流過(guò)保護(hù)2的最大短路電流為(3.3) 代入數(shù)據(jù)得： (2)對(duì)于保護(hù)5等值電路圖如圖2所示，母線C最大運(yùn)行方式下發(fā)生三相短路流過(guò)保護(hù)5的最大短路電流為(3.4) 代入數(shù)據(jù)得: 3.3.2 最小方式短路電流計(jì)算在最小運(yùn)行方式下流過(guò)保護(hù)元件的最小短路電

8、流的公式為(3.5) 式中 系統(tǒng)等效電源的相電動(dòng)勢(shì)； 保護(hù)安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗； 短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處之間的阻抗。所以帶入各點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到各點(diǎn)的的最小短路電流。4 保護(hù)的配合及整定計(jì)算4.1 主保護(hù)的整定計(jì)算4.1.1 動(dòng)作電流的計(jì)算最小保護(hù)范圍計(jì)算式為（4.1） 其中 系統(tǒng)等效電源的相電動(dòng)勢(shì)； 短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處之間的阻抗； 線路單位長(zhǎng)度的正序阻抗。(1)對(duì)于保護(hù)2等值電路圖如圖2所示，母線D最大運(yùn)行方式下發(fā)生三相短路流過(guò)保護(hù)2的最大短路電流為相應(yīng)的速斷定值為最小保護(hù)范圍根據(jù)式（4.1）可得即2處的電流速斷保護(hù)在最小運(yùn)行方式下也沒(méi)有保護(hù)區(qū)。（2） 對(duì)于保護(hù)5等值電路圖如圖2所示

9、，母線C最大運(yùn)行方式下發(fā)生三相短路流過(guò)保護(hù)3的最大短路電流為相應(yīng)的速斷定值為最小保護(hù)范圍根據(jù)式（3.4）可得即3處的電流速斷保護(hù)在最小運(yùn)行方式下也沒(méi)有保護(hù)區(qū)。所以，以上計(jì)算表明，在運(yùn)行方式變化很大的情況下，電流速斷保護(hù)在較小運(yùn)行方式下可能沒(méi)有保護(hù)區(qū)。4.1.2 靈敏度校驗(yàn)限時(shí)電流速斷定值根據(jù)式(4.2)可以計(jì)算。 (4.2) 其中 可靠系數(shù)，取值為1.15。（1）整定保護(hù)2的限時(shí)電流速斷定值為線路末端（即D處）最小運(yùn)行方式下發(fā)生兩相短路時(shí)的電流為所以保護(hù)2處的靈敏度系數(shù)為即不滿足1.2的要求。（2）同理保護(hù)5的限時(shí)電流速斷定值為 線路末端（即C處）最小運(yùn)行方式下發(fā)生兩相短路時(shí)的電流為 所以保護(hù)

10、5處的靈敏度系數(shù)為 也不滿足1.2的要求?？梢?jiàn)，由于運(yùn)行方式變化太大，2、3處的限時(shí)電流速斷的靈敏度遠(yuǎn)不能滿足要求。4.2 后備保護(hù)的整定計(jì)算4.2.1 動(dòng)作電流的計(jì)算過(guò)電流整定值計(jì)算公式為 （4.3） 其中 可靠系數(shù)，取值為1.15； 可靠系數(shù)，取值為1.5； 可靠系數(shù)，取值為0.85。所以有 同理得 4.2.2 動(dòng)作時(shí)間的計(jì)算假設(shè)母線E過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限為0.5s，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為4.2.3 靈敏度校驗(yàn)在最小運(yùn)行方式下流過(guò)保護(hù)元件的最小短路電流的公式為（4.4）所以由靈敏度公式（4.4） （4.5） 可知，保護(hù)1作為近后備保護(hù)的靈敏度應(yīng)為1.5 滿足近后備保護(hù)的要求；保護(hù)2作為遠(yuǎn)后備保護(hù)的

11、靈敏度為1.2 滿足作為遠(yuǎn)后備保護(hù)的要求保護(hù)5作為遠(yuǎn)后備保護(hù)的靈敏度為1.2滿足作為遠(yuǎn)后備保護(hù)靈敏度的要求。5 二次展開(kāi)原理圖的繪制5.1 保護(hù)測(cè)量電路展開(kāi)圖中交流回路和直流回路分開(kāi)表示，分別如圖5.1和圖5.2所示。其特點(diǎn)是每個(gè)繼電器的輸出量和輸出量根據(jù)實(shí)際動(dòng)作的回路情況分別畫(huà)在途中不同的位置上，但任然用同一個(gè)符號(hào)標(biāo)注，一邊查對(duì)。在展開(kāi)圖中，繼電器線圈和出點(diǎn)的鏈接盡量暗中故障后的動(dòng)作連接，自左而右，自上而下的排列。 圖5.1 保護(hù)交流電流回路圖5.2保護(hù)跳閘電路圖5.2 保護(hù)直流回路展開(kāi)圖6 繼電保護(hù)設(shè)備的選擇6.1 電流互感器的選擇互感器是按比例變換電壓或電電流的設(shè)備。其功能主要是將高電壓

12、或大電流按比例變換成標(biāo)準(zhǔn)低電壓(100V)或標(biāo)準(zhǔn)小電流(5A或10A，均指額定值)，以便實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x表、保護(hù)設(shè)備及自動(dòng)控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、小型，其一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測(cè)量?jī)x表與繼電保護(hù)裝置等。同時(shí)互感器還可用來(lái)隔開(kāi)高電壓系統(tǒng)，以保證人身和設(shè)備的安全。（1）小電流選線裝置用零序電流互感器小電流選線裝置本身沒(méi)有整定值，零序電流只是裝置的判據(jù)之一，要求零序電流互感器在一次接地電流較小時(shí)，和非金屬性接地時(shí)，零序電流互感器也要有一定的輸出，來(lái)滿足裝置啟動(dòng)的門(mén)坎值。裝置本身的負(fù)載阻抗并不大，但需要通過(guò)電纜將各個(gè)零序電流互感器與裝置連接起來(lái)，所以電纜的阻抗就是零序電流互感器的主要負(fù)載阻抗，這種零序電流互

13、感器的負(fù)載阻抗一般為2.5左右，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐和試驗(yàn)得知與小電流選線裝置配套的零序電流互感器選用：（2）與DD11/60型繼電器配套使用的零序電流互感器DD11/60型繼電器線圈并聯(lián)阻抗為10，COS=0.8，與ENRLJ（K）A型零序電流互感器是其配套產(chǎn)品，二次電流60mA時(shí)零序電流互感器一次電流4A。（3）與DL11/0.2型繼電器配套使用的零序電流互感器 DL11/0.2型繼電器線圈并聯(lián)阻抗為10，COS=0.8，我公司生產(chǎn)的ENRLJ（K）B型零序電流互感器是其配套產(chǎn)品，二次電流0.2A時(shí)零序電流互感器一次電流10A。（4）精度與容量（額定負(fù)荷）的關(guān)系國(guó)標(biāo)中規(guī)定：“在額定頻率及額定負(fù)荷下

14、，電流誤差，相位差和復(fù)合誤差不超過(guò)上表所列限值?！彼运x零序電流互感器的容量要與二次回路（裝置及回路）阻抗匹配，才能達(dá)到上表精度，如所選容量大時(shí)零序電流互感器在使用時(shí)將出現(xiàn)正誤差，反之則出現(xiàn)負(fù)誤差。6.2 繼電器的選擇正確選用繼電器的原則應(yīng)該是：繼電器的主要技術(shù)性能，如觸點(diǎn)負(fù)荷，動(dòng)作時(shí)間參數(shù)，機(jī)械和電氣壽命等，應(yīng)滿足整機(jī)系統(tǒng)的要求；繼電器的結(jié)構(gòu)型式(包括安裝方式)與外形尺寸應(yīng)能適合使用條件的需要；經(jīng)濟(jì)合理。(1)按使用環(huán)境條件選擇繼電器型號(hào)環(huán)境適應(yīng)性是繼電器可靠性指標(biāo)之一,使用環(huán)境和工作條件的差異，對(duì)繼電器性能有很大的影響。使用環(huán)境條件主要指溫度(最大與最小)、濕度(一般指40攝氏度下的最大

15、相對(duì)濕度)、低氣壓(使用高度1000米以下可不考慮)、振動(dòng)和沖擊。此外，尚有封裝方式、安裝方法、外形尺寸及絕緣性等要求。由于材料和結(jié)構(gòu)不同，繼電器承受的環(huán)境力學(xué)條件各異，超過(guò)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)境力學(xué)條件下使用，有可能損壞繼電器，可按整機(jī)的環(huán)境力學(xué)條件或高一級(jí)的條件選用。(2)根據(jù)輸入量選定繼電器的輸入?yún)?shù)在電磁繼電器的輸入?yún)?shù)中，與用戶密切相關(guān)的是線圈的工作電壓(或電流)，而吸合電壓(或電流) 則是繼電器制造廠約束繼電器靈敏度并對(duì)其進(jìn)行判斷、考核的參數(shù)，它只是一個(gè)工作下限參考值。不少用戶因不了解繼電器動(dòng)作原理的特殊性，往往把吸合電壓(或電流)錯(cuò)認(rèn)為是繼電器應(yīng)可靠工作的電壓(或電流)，而把工作電壓

16、值取在吸合電壓值上，這是十分危險(xiǎn)也是不允許的。因?yàn)槲现抵皇潜ＷC繼電器可靠動(dòng)作的最小 輸入量，而繼電器動(dòng)作后，還需要一個(gè)保險(xiǎn)量，以提高維持可靠閉合所需的接觸壓力、抗環(huán)境作用所需的電磁吸力。否則，一旦環(huán)境溫度升高或在機(jī)械振動(dòng)和沖擊條 件下，或輸入回路電流波動(dòng)和電源電壓降低時(shí)，僅靠吸合值是不可能保證可靠工作的。所以選擇繼電器時(shí)，首先看繼電器技術(shù)條件規(guī)定的額定工作電壓是否與整機(jī)線 路所能提供的電壓相符，絕不能與繼電器吸合值相比。(3)根據(jù)負(fù)載情況選擇繼電器觸點(diǎn)的種類(lèi)與參數(shù)與被控電路直接連接的觸點(diǎn)是繼電器的接觸系統(tǒng)。國(guó)外和國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期實(shí)踐證明，約百分之七十以上的故障發(fā)生在觸點(diǎn)上。這除了與繼電器本身結(jié)構(gòu)與制

17、造因素密切相關(guān)之外，未能正確選用和使用也是重要因素之一。且大多數(shù)問(wèn)題是由于用戶的實(shí)際負(fù)載要求與繼電器觸點(diǎn)額定負(fù)載不同而引起的。根據(jù)控制要求確定觸點(diǎn)組合形式，如需要的是常開(kāi)還是常閉觸點(diǎn)或轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)；根據(jù)被控回路多少確定觸點(diǎn)的對(duì)數(shù)和組數(shù)；根據(jù)負(fù)載性質(zhì)與容量大小確定觸點(diǎn)有關(guān)參數(shù)，如額定電壓、電流與容量，有時(shí)還需要考慮對(duì)觸點(diǎn)接觸電阻、抖動(dòng)時(shí)間、分布電容等的要求。關(guān)于觸點(diǎn)切換的額定值，電磁繼電器一般規(guī)定它的性質(zhì)及大小。它的含義是指在規(guī)定的動(dòng)作次數(shù)內(nèi)，在定的電壓和頻率下，觸點(diǎn)所能切換的電流的大小。這一負(fù)載值是由繼電器結(jié)構(gòu)要素決定的。為了便于考核比較，一般只規(guī)定阻性負(fù)載。在實(shí)際使用中需要切換其它性質(zhì)的負(fù)載。(

18、4)按工作狀態(tài)選擇繼電器繼電器的工作狀態(tài)主要是指輸入信號(hào)對(duì)線圈的作用狀態(tài)。繼電器線圈的設(shè)計(jì)是對(duì)應(yīng)于不同的輸入信號(hào)狀態(tài)的，有長(zhǎng)期連續(xù)作用的信號(hào)，有短期重復(fù)工作(脈沖)信號(hào)。連續(xù)工作是指線圈能連續(xù)地承受工作信號(hào)的長(zhǎng)期作用。對(duì)脈沖信號(hào)還要考慮脈沖頻率、通斷比等。因此，要根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)選用適合于不同工作狀態(tài)的繼電器，一般不允許隨便使用，特別要注意不能將短期工作狀態(tài)的繼電器使用在連續(xù)工作狀態(tài)，高溫工作條件下尤其要注意。在實(shí)際切換功率負(fù)載或大功率負(fù)載時(shí)，尤其要考慮不宜切換速率過(guò)高。一般應(yīng)少于10-20次/min。最大循環(huán)速率為：0.1次/(最大吸合時(shí)間最大釋放時(shí)間)s。(5)按安裝工作位置、安裝方式及尺寸、重量的選擇繼電器工作位置與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，大多數(shù)繼電器可在任意位置下工作，但也有部分繼電