電氣自動化：電力設計畢業論文
專科畢業設計(論文)
題
目：開發區 110kV 電力系統繼電保護設計 張洪偉
學生姓名：
專業班級： 自 動 化 生 產 設 備 應 用 XX 班 學 號： 電 XXXXX 工 張俊山 2011 年 3 月 28 日 程 系
院 (系) 機 ： 指導老師： 完成時間：
某 110kV 電力系統繼電保護設計
摘 要： 本次畢業設計的主要內容是 110kV 電力系統繼電保護的配置，并依據
繼電保護配置原理，對所選擇的保護進行整定和靈敏性校驗，確定方案中的保 護。 設計分為八個章節，第三、四章是計算系統的短路電流，確定運行方式; 第五章是各種設備的保護配置。其中變壓器保護包括保護原理分析、保護整定 計算和靈敏性校驗，主保護采用的是縱聯差動保護和瓦斯保護，兩者結合做到 優勢互補，后備保護是復合電壓啟動過電流保護。母線保護包括保護原理分析， 采用了完全電流差動保護，簡單可靠。110kV 側的輸電線路采用了距離Ⅰ、Ⅲ保 護，由于它的電壓等級較高，還考慮了零序電流Ⅰ、Ⅲ保護。對于發電機主保 護采用了縱差動保護，后備保護采用了發電機定子繞組接地保護。
關鍵詞：短路電流，整定計算，靈敏度，繼電保護，微機保護
目
錄
............................................................................................................................... 1 開題報告 ................................................................................................................................
............................................................................................................................... 2 方案比較 ................................................................................................................................
....................................................................................................................... 3 確定運行方式 ........................................................................................................................
3.1 標幺值計算.................................................................................................................... 3.2 短路電流的計算............................................................................................................. 3.3 確定運行方式............................................................................................................... 1
4 短路計算 .............................................................................................................................. 2
4.1 各種運行方式下各線路電流計算............................................................................... 2 4.2 各輸電線路兩相短路和三相短路電流計算............................................................... 2
5 繼電保護的
配置 .................................................................................................................. 2
5.1 繼電保護的基本知識................................................................................................... 2 5.2 變壓器的保護配置..................................................................................................... 2 5.2.1 變壓器配置............................................................................................................2 5.2.2 保護配置的整定....................................................................................................2 5.3 母線的保護配置........................................................................................................... 3 5.3.1 保護配置的原理....................................................................................................3 5.3.2 電流差動保護配置的整定.....................................................................................3 5.4 輸電線路保護配置........................................................................................................ 3 5.4.1 保護配置的原理.....................................................................................................3 5.4.2 保護配置的整定.....................................................................................................3 5.5 發電機保護配置............................................................................................................ 4 5.5.1 保護配置的原理.....................................................................................................4 5.5.2 保護配置的整定.....................................................................................................4
6 結論 ....................................................................................................................................... 4
7 總結與體會 ........................................................................................................................... 4
8 謝辭 ....................................................................................................................................... 5
9 參考文獻 ............................................................................................................................... 5
1 開題報告
由于電力系統的飛速發展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術，計算機技術 趨勢是向計算化，網絡化及保護，控制，測量，數據通信一體化智能化發展。
通信技術的飛速發展又為繼電保護技術的發展不斷注入新的活力。未來繼電保護的發
電能是一種特殊的商品,為了遠距離傳送,需要提高電壓,實施高壓輸電,為了分配
使用,需要降低電壓,實施低壓配電,供電和用電。 發電----輸電----配電----用電構成
一個有機系統。 通
常把由各種類型的發電廠,輸電設施以及用電設備組成的電能生產與
費系統稱為電力系統。電力系統在運行中 ,各種電氣設備可能出現故障和不正常運行
態。 不正常運行狀態是指電力系統中電氣元件的正常工作遭到破壞,但是沒有發生故障 線,如:三相短路,兩相短路,兩相接地短路,單相接地短路,單相斷線和兩相斷線等。
運行狀態,如:過負荷,過電壓,頻率降低,系統振蕩等。 故障主要包括各種類型的短路和
本次畢業設計的主要內容是對 110kV 電力系統繼電保護的配置，參照《電力系統繼 性校驗從而來確定方案中的保護是否適用來編寫的。
電保護配置及整定計算》 ，并依據繼電保護配置原理，對所選擇的保護進行整定和靈敏
設計分八大章節，其中第三、四章是計算系統的短路電流，確定運行方式;第五章
是對各種設備保護的配置，首先是對保護的原理進行分析 ,保護的整定計算及靈敏性校
驗。其中對變壓器保護包括保護原理分析以及保護整定計算和靈敏性校驗，其中主保護
采用的是縱聯差動保護和瓦斯保護，用兩者的結合來做到優勢互補，后備保護有復合電
壓啟動過電流保護。母線保護包括保護原理分析， 采用了完全電流差動保護， 簡單可靠
110kV 輸電線路采用了距離Ⅰ、Ⅲ保護，同時由于它的電壓等級較高，我還考慮了零序 組接地保護。 由于本人水平有限，設計之中難免有些缺陷或錯誤，望批評指正。
電流Ⅰ、Ⅲ保護。對于發電機主保護采用了縱差動保護，后備保護采用了發電機定子繞
2 方案比較
本次畢業設計的主要內容是對 110kV 電力系統繼電保護的配置。 可以依據繼電保
護配置原理，根據經驗習慣，先選擇兩套初始的保護方案，通過論證比較后認可其中
的一套方案，再對這套方案中的保護進行確定性的整定計算和靈敏性校驗，看看它們 和校驗。 確定兩個初始方案如下： 方案 1： 保護對象 變壓器 母線 輸電線路 發電機 保護對象 變壓器 母線 輸電線路 發電機 主保護 縱聯差動保護、瓦斯保護 電流相位比較式母線差動保護 距離Ⅰ、Ⅲ保護 縱聯差動保護
方案 2：
是否能滿足要求，如果能滿足便可以采用，如果不能滿足則需要重新選擇，重新整定
后備保護 過負荷保護 零序電流Ⅰ、Ⅲ保護 定子繞組接地保護 后備保護
復合電壓啟動過電流保護、
___________________________
主保護 電流速斷保護、 瓦斯保護 電流相位比較式 母線差動保護 距離Ⅰ、Ⅲ保護 縱聯差動保護
復合電壓啟動過電流保護、零序電流保護 ___________________________ 零序電流Ⅰ、Ⅲ保護 定子繞組接地保護
對于變壓器而言，它的主保護可以采用最常見的縱
聯差動保護和瓦斯保護，用兩者
的結合來做到優勢互補。因為變壓器差動保護通常采用三側電流差動，其中高電壓側電
流引自高壓熔斷器處的電流互感器，中低壓側電流分別引自變壓器中壓側電流互感器和
低壓側電流互感器，這樣使差動保護的保護范圍為三組電流互感器所限定的區域，從而
可以更好地反映這些區域內相間短路，高壓側接地短路以及主變壓器繞組匝間短路故
障。考慮到與發電機的保護配合，所以我們用縱聯差動保護作為變壓器的主保護，不考
慮用電流速斷保護。瓦斯保護主要用來保護變壓器的內部故障，它由于一方面簡單，靈
敏，經濟;另一方面動作速度慢，且僅能反映變壓器油箱內部故障，就注定了它只有與
動過電流保護，這主要是考慮到低電壓啟動的過電流保護中的低電壓繼電器靈敏系數不
夠高。由于發電機-變壓器組中發電機才用了定子繞組接地保護，所以，變壓器不采用
零序電流保護。110kV 側的母線接線可以采用完全電流差動保護，簡單，可靠也經濟。
對于 110kV 側的輸電線路， 可以直接考慮用距離保護， 因為在電壓等級高的復雜網絡中
電流保護很難滿足選擇性，靈敏性以及快速切除故障的要求，因此這個距離保護也選擇
得合理，同時由于它的電壓等級較高，我們還應該考慮給它一個接地故障保護，先選擇
零序電流保護，因為當中性點直接接地的電網(又稱大接地電流系統)中發生短路時,將
出現很大的零序電流,而在正常運行情況下它們是不存在的。因此,利用零序電流來構成 接地保護作為后備保護。 些保護進行整定與校驗，是否符合設計要求。
接地短路的保護,就有顯著的優點。發電機則采用縱聯差動保護作為主保護，定子繞組
綜上所述，方案 1 比較合理，方案 1 保護作為設計的初始保護，在后續章節對這
3 確定運行方式
3.1 標幺值計算
本次設計中取 S B =100MVA, uB = uav ,系統用一個無限大功率電流代表，它到母 線的電抗標幺值 X s = S B = 100 = 0.125 。 S d 800 各元件的電抗標幺值計算如下： 發電機F1 和F2
變壓器 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
變壓器 B2 的各繞組短路電壓分別為：
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，變壓器 B2 的電抗值為
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
變壓器 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
變壓器 B4
xB =
4
線路 L1 線路 L2 線路 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
線路 L4
x L 4 = 0.4 × 60 ×
100 = 0.2 110 2
所以，110kV 電力系統繼電保護的等值網絡如圖 3.1 所示。
圖 3.1 110kV 電力系統等值網絡
3.2 短路電流的計算
110kV 電力系統正常運行時，發電機存在三種運行情況，即：兩臺發電機同時運行
一臺發電機退出運行另一臺單獨運行和兩臺同時運行;變壓器有兩種運行方式，即：一 系統運行時的轉移電抗，計算電抗和短路電流。 (一)兩臺發電機同時運行，變壓器 B1、 B2、 B3、 B4 同時投入運行。 進行網絡化簡： x14 = ( x3 /pic/p>
臺變壓器退出另一臺變壓器單獨運行和兩臺變壓器同時運行。下面分別分析各種情況下
x15 = ( x 2 + x 4 ) /pic/p>
(0.52 + 0.33) × 0.9 = 0.44 0.52 + 0.33 + 0.9
x16 = x11 /pic/p>
0.17 × 0.44 = 0.12 0.17 + 0.44
1 x17 = x8 /pic/p>
將 x10 、x12和x13 組成的三角形電路化簡為由 x18、x19 和x 20 組成的星形電路，計算 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 =
系統的等值化簡網絡如圖 3.2 所示。
⇕
圖 3.2 系統的等值化簡網絡
(1)轉移電抗和計算電抗計算 當 f 1 發生短路時 x21 = [( x17 + x 20 ) /pic/p>
= (0.26 + 0.031) × (0.12 + 0.10) + 0.052 0.26 + 0.031 + 0.12 + 0.10
=0.18 所以， f 1 點發生短路時的等值網絡如圖 3.3 所示。
圖 3.3
f 1 點發生短路時的等值網絡
∴系統 S 對短路點 f 1 的計算電抗為：
x js = x fi SN 800 = 0.125 × =1 SB 100
發電機 F1、F2 對短路點 f 1 的計算電抗為：
x js = 0.18 ×
2 × 25 = 0.09 100
當 f 2 發生短路時 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 點發生短路時的等值網絡如圖 3.4 所示。
圖 3.4
f 2 點發生短路時的等值網絡
∴系統 S 對短路點 f 2 的計算電抗為：
x js = x fi SN 800 = 0.21 × = 1.68 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路點 f 2 的計算電抗為：
x js = 0.12 ×
2 × 25 = 0.06 100
當 f 3 發生短路時 x23 = x1 + x18 = 0.125 + 0.052 = 0.177
x24 = x16 + x19 = 0.12 + 0.10 = 0.22
所以， f 3 點發生短路時的等值網絡如圖 3.5 所示。
圖 3.5
f 3 點發生短路時的等值網絡
S 點對 f 3 的轉移電抗為：
x23 .x 20
0.177 × 0.031
F 點對 f 3 的轉移電抗為為：
x26 = x24 +
x20 + x24 . x20 0.22 × 0.031 = 0.22 + 0.031 + = 0.29 x23 0.177
化簡的等值網絡如圖 3.6 所示。
圖 3.6 化簡的等值網絡
∴系統 S 對短路點 f 3 的計算電抗為：
x js = x fi
SN 800 = 0.23 × = 1.84 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路點 f 3 的計算電抗為：
x js = 0.29 ×
2 × 25 = 0.145 100
(2)由計算曲線數字表查出短路電流的標幺值如。 (3)計算短路電流有名值。 各點發生短路時，各電源的基準電流分別為： 系統 S 發電機 F1、F2
IB =
100 = 0.502 3 × 115 100 IB = = 5.50 3 × 10.5
查表得短路電流的標幺值和有名值如表 3.1。
表 3.1 短路電流表
短路點
時間 4 S 標么值
系統 S 1.13
發電機 F1、F2 標么值 2.49
短路點總電流/k
有名值/kA
0.57 0.63 0.32 0.57 0.29
有名值/kA 標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA
13.70 2.47 13.58 2.52 13.84
14.27 13.90 14.13
f 2 處短路 4 S f 3 處短路
4 S
標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA
(二)發電機 F1 停運 F2 運行時，系統的等值網絡如圖 3.7 所示。
圖 3.7 系統的等值網絡
進行網絡化簡： 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
系統的等值化簡網絡如圖 3.8 所示。
圖 3.8 系統的等值化簡網絡
(1)轉移電抗和計算電抗計算 當 f 1 發生短路時
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 點發生短路時的等值網絡如圖 3.9 所示。
圖 3.9
f 1 點發生短路時的等值網絡
∴系統 S 對短路點 f 1的計算電抗為：
x js = x fi SN 800 = 0.125 × =1 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路點 f 1的計算電抗為：
x js = 0.78 ×
25 = 0.445 100
當 f 2 發生短路時 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 點發生短路時的等值網絡如圖 3.10 所示。
圖 3.10
f2 點發生短路時的等值網絡
∴系統 S 對短路點 f2 的計算電抗為：
x js = x fi SN 800 = 0.21 × = 1.68 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路點 f2 的計算電抗為：
x js = 0.0997 ×
25 = 0.025 100
當 f 3 發生短路時 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 點對 f 3 的轉移電抗為：
x32 = x 30 + x 20 + x30 .x20 0.177 × 0.031 = 0.177 + 0.031 + = 0.24 x31 0.1997
F2 點對 f 3 的轉移電抗為：
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
化簡的等值網絡如圖 3.11 所示。
⇕
圖 3.11 化簡的等值網絡
∴系統 S 對短路點 f 3 的計算電抗為：
x js = x fi SN 800 = 0.24 × = 1.92 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路 f 3 點的計算電抗為：
x js = 0.27 ×
25 = 0.067 100
(2)由計算曲線數字表查出短路電流的標幺值。 (3)計算短路電流有
名值。 (同上) 查表得短路電流的標幺值和有名值如表 3.2。
表 3.2 短路電流表
短路點
時間
系統 S
短路點總電流/k
f 1 處短路
4 S
標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA
1.13 0.57 0.63 0.32 0.54 0.27
標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA
2.11 11.6 2.45 13.47 4.83 26.53 26.80 13.79 12.17
f 2 處短路 4 S f 3 處短路
4 S
(三)線路 L1 處開環運行時，系統的等值網絡如圖 3.12 所示。
圖 3.12 系統的等值網絡
(1)轉移電抗和計算電抗計算 當 f 1 發生短路時，F 點對 f 1 的轉移電抗為：
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 點發生短路時的等值網絡如圖 3.13 所示。
圖 3.13
f 1 點發生短路時的等值網絡
∴系統 S 對短路點 f 1 的計算電抗為：
x js = x fi
SN 800 = 0.135 × = 1.08 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路點 f 1 的計算電抗為：
x js = x fi SN 25 × 2 = 0.54 × = 0.27 SB 100
當 f 2 發生短路時，S 點對 f 2 的轉移電抗為：
x35 = (0.135 + 0.099) + 0.20 +
=0.614
(0.135 + 0.099) × 0.20 0.26
所以， f2 點發生短路時的等值網絡如圖 3.14 所示。
圖 3.14
f2 點發生短路時的等值網絡
∴系統 S 對短路點 f2 的計算電抗為：
x js = x fi SN 800 = 0.614 × = 5.526 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路點 f2 的計算電抗為：
x js = 0.12 ×
25 × 2 = 0.06 100
當 f 3 發生短路時，S 點對 f 3 的轉移電抗為：
x3 6 = 0.135 + 0.099 = 0.234
F2 點對 f 3 的轉移電抗為：
x3 7 = 0.20 + 0.12 = 0.32
系統 S 對短路點 f 3 的計算電抗為： x js = 1.872
(2)由計算曲線數字表查出短路電流的標幺值。 (3)計算短路電流有名值。 (同上) 查表得短路電流的標幺值和有名值如表 3.3。
表 3.3 短路電流表
短路點
時間 4 S 標么值
系統 S 1.03 0.52 0.08 0.04 2.43 1.22
發電機 F1、F2 標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA 2.39 31.44 2.47 13.59 2.32 12.74
短路點總電流/k
f 1 處短路
有名值/kA
31.96 13.63 13.96
f 2 處短路 4 S f 3 處短路
4 S
標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA
(四)線路 L3 處開環運行時，系統的等值網絡如圖 3.15 所示。
圖 3.15 系統的等值網絡如
(1)轉移電抗和計算電抗計算 當 f 1 發生短路時，F 點對 f 1 的轉移電抗為：
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 點發生短路時的等值網絡如圖 3.16 所示。
圖 3.16
f 1 點發生短路時的等值網絡
∴系統 S 對短路點 f 1 的計算電抗為：
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
當 f 2 發生短路時，等值網絡如圖 3.17 所示。
圖 3.17 等值網絡
∴系統 S 對短路點 f2 的計算電抗為：
x js =
x fi SN 800 = 0 .3 6 5 × = 2 .9 2 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路點 f2 的計算電抗為：
x js = 0.12 ×
25 × 2 = 0.06 100
當 f 3 發生短路時，系統 S 對短路點 f 3 的計算電抗為：
x js = 1.27 ×
800 = 10.16 100
發電機 F1、F2 對短路 f 3 點的計算電抗為：
x js = 0.37 ×
25 × 2 = 0.185 100
(2)由計算曲線數字表查出短路電流的標幺值。 (3)計算短路電流有名值。 (同上) 查表得短路電流的標幺值和有名值如表 3.4。
表 3.4 短路電流表
短路點
時間 4 S 標么值
系統 S 1.03 0.52 0.35 0.18 0.38 0.19
發電機 F1、F2 標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA 2.44 13.42 2.47 13.59 2.47 13.59
短路點總電流/k
f 1 處短路
有名值/kA
13.94 13.76 13.78
f 2 處短路 4 S f 3 處短路
4 S
標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA
(五)線路 L4 處開環運行時，系統的等值網絡如圖 3.18 所示。
圖 3.18 系統的等值網絡
(1)轉移電抗和計算電抗計算 當 f 1 發生短路時，等值網絡如圖 3.19 所示。
圖 3.19 等值網絡
∴系統 S 對短路點 f 1 的計算電抗為：
x js = x fi SN 800 = 0.135 × = 1.08 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路點 f 1 的計算電抗為：
x js = x fi SN 25 × 2 = 0.45 × = 0.225 SB 100
當 f 2 發生短路時，S 點對 f 2 的轉移電抗為：
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 發生短路時，等值網絡如圖 3.20 所示。
圖 3.20 等值網絡如
∴系統 S 對短路點 f2 的計算電抗為：
x js = x fi SN 800 = 0.787 × = 6.296 SB 100
∴發電機 F1、F2 對短路點 f2 的計算電抗為：
x js = 0.12 ×
25 × 2 = 0.06 100
當 f 3 發生短路時，等值網絡如圖 3.21 所示。
圖 3.21 等值網絡
∴系統 S 對短路點 f 3 的計算電抗為：
x js = 0.264 ×
800 = 2.11 100
發電機 F1、F2 對短路 f 3 點的計算電抗為：
x js = 0.879 ×
25 × 2 = 0.439 100
(2)由計算曲線數字表查出短路電流的標幺值。 (3)計算短路電流有名值。 (同上) 查表得短路電流的標幺值和有名值如表 3.5。
表 3.5 短路電流表
短路點
時間 4 S 標么值
系統 S 1.03 0.52 0.29 0.15 0.49 0.25
發電機 F1、F2 標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA 2.44 13.42 2.47 13.59 2.01 11.06
短路點總電流/k
f 1 處短路
有名值/kA
13.94 13.73 11.31
f 2 處短路 4 S f 3 處短路
4 S
標么值 有名值/kA 標么值 有名值/kA
3.3 確定運行方式
由 3.2 節的計算過程，統計系統各短路點短路時的短路電流如表 3.6。
表 3.6 各短路點短路時的電流總結表
運行方式 兩臺發電機同時運行 一臺變壓器停運，另 一臺變壓器單獨工作
線路 L1 處開環運行 線路 L3 處開環運行 線路 L4 處開環運行
f 1 處短路時的
短路電流/kA 14.27 12.167 31.96 13.93 13.92
f 2 處短路時的
短路電流/kA
13.90 13.79 13.63 13.76 13.73
f 3 處 短路 時的
短路電流/kA 14.13 26.80 13.96 13.78 11.31
綜上所述： 系統 S 側( f 1 處短路時)的最大運行方式為：線路 L1 處開環運行。 最小運行方式為：當一臺發電機停運，另一臺單獨工作時。 發電機-變壓器側( f 2 處短路時)的最大運行方式為：兩臺變壓器同時運行時。 最小運行方式為：線路 L1 處開環運行。
變壓器側( f 3 處短路時)的最大運行方式為：當一臺發電機停運，另一臺單獨工作時
最小運行方式為：線路 L4 處開環運行。
4 短路計算
4.1 各種運行方式下各線路電流計算
由圖 3.17 可知，系統 S 對短路點 f 1 的轉移電抗為： x f 1 =0.125
∴系統折算到 110kV 的最小阻抗為： Z smin = x f 1 ×
115 2 115 2 = 0.125 × = 16.53 100 100
由圖 3.20 可知，系統 S 對短路點 f 1 的轉移電抗為： x f 1 =0.135
∴系統折算到 110kV 的最小阻抗為： Z smax
1
115 2 115 2 = x f1 × = 0.135 × = 17.85 100 100
輸電線路 L1 長為 100kM，∴ Z L = 100 × 0.4 = 40 Ω (輸電線路電阻率為 0.4 Ω /kM) 短路電流為：
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，根據已知條件得： 輸電線路 L2 短路電流為： 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
輸電線路 L4 短路電流為： 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 各輸電線路兩相短路和三相短路電流計算
(一)各輸電線路在最小運行方式下的兩相和三相短路電流 系統電抗 發電機電抗
xs =0.135 xF =0.13
∴各輸電線路三相短路電流為：
輸電線路 L1 三相短路電流為：
=( 115 115 1 + )× 0.135 + 40 0.13 + 40 3
= 3.308( kA)
同理可得，輸電線路 L2 三相短路電流為： I 2 ( 3 ) = 2 .1 0 7 ( kA ) 輸電線路 L3 三相短路電流為： I 3 ( 3 ) = 1 .4 0 6 ( kA ) 輸電線路 L 三相短路電流為： I
(3)
= 3 .5 0 5 ( k A )
∴各輸電線路兩相短路電流為：
輸電線路 L1 兩相短路電流為： I1 ( 2) = 3 ( 3) I1 = 2.865( kA) 2
3 ( 3) I 2 = 1.825(kA ) 2
輸電線路 L2 兩相短路電流為： I 2 ( 2) =
輸電線路 L2 兩相短路電流為： I 3 ( 2) = 3 I 3 ( 3) = 1.218( kA)
2 3 ( 3) I 4 = 3.035( kA) 2
輸電線路 L2 兩相短路電流為： I 4 ( 2) =
(二)各輸電線路在最大運行方式下的三相短路電流 輸電線路 L1 三相短路電流為： 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，
輸電線路 L2 三相短路電流為： I 2 ( 3 ) 輸電線路 L3 三相短路電流為： I 3 ( 3 ) 輸電線路 L4 三相短路電流為： I 4 ( 3 )
= 129( A )
= 318( A )
5 繼電保護的配置
5.1 繼電保護的基本知識
電能是一種特殊的商品,為了遠距離傳送,需要提高電壓,實施高壓輸電,為了分配
和使用,需要降低電壓,實施低壓配電,供電和用電。發電----輸電----配電----用電構
成了一個有機系統。通常把由各種類型的發電廠 ,輸電設施以及用電設備組成的電能生
產與消費系統稱為電力系統。電力系統在運行中 ,各種電氣設備可能出現故障和不正常
運行狀態。不正常運行狀態是指電力系統中電氣元件的正常工作遭到破壞 ,但是沒有發
生故障的運行狀態,如:過負荷,過電壓,頻率降低,系統振蕩等。故障主要包括各種類型
斷線等。其中最常見且最危險的是各種類型的短路 ,電力系統的短路故障會產生如下后 果: (1)故障點的電弧使故障設備損壞; 設備遭到破壞; 效益和人們的正常生活; 停電的惡性循環;
(2)比正常工作電流大許多的短路電流產生熱效應和電動力效應,使故障回路中的
(3)部分電力系統的電壓大幅度下降,使用戶的正常工作遭到破壞,影響企業的經濟
(4)破壞電力系統運行的穩定性,引起系統振蕩,甚至使電力系統瓦解,造成大面積
故障或不正常運行狀態若不及時正確處理,都可能引發事故。為了及時正確處理故
障和不正常運行狀態,避免事故發生,就產生了繼電保護,它是一種重要的反事故措施。
繼電保護包括繼電保護技術和繼電保護裝置 ,且繼電保護裝置是完成繼電保護功能的核 或發出信號的一種自動裝置。 繼電保護的任務是: 力系統中切除,避免故障元件繼續遭到破壞,使非故障元件迅速恢復正常運行。 的條件發出信號或跳閘。 繼電保護裝置的基本原理:
心,它是能反應電力系統中電氣元件發生故障和不正常運行狀態,并動作于斷路器跳閘
(1)當電力系統中某電氣元件發生故障時,能自動,迅速,有選擇地將故障元件從電
(2)當電力系統中某電氣元件出現不正常運行狀態時,能及時反應并根據運行維護
我們知道在電力系統發生短路故障時,許多參量比正常時候都了變化，當然有的變
化可能明顯，有的不夠明顯， 而變化明顯的參量就適合用來作為保護的判據， 構成保護
比如：根據短路電流較正常電流升高的特點，可構成過電流保護;利用短路時母線電壓
降低的特點可構成低電壓保護;利用短路時線路始端測量阻抗降低可構成距離保護;利
用電壓與電流之間相位差的改變可構成方向保護。除此之外，根據線路內部短路時，兩 些保護，如反應變壓器油在故障時分解產生的氣體
而構成的氣體保護。
側電流相位差變化可以構成差動原理的保護。當然還可以根據非電氣量的變化來構成某
原則上說：只要找出正常運行與故障時系統中電氣量或非電氣量的變化特征(差 繼電保護裝置的組成：
別) ，即可形成某種判據，從而構成某種原理的保護，且差別越明顯，保護性能越好。
被測物理量--→測量--→邏輯--→執行--→跳閘或信號
整定值
測量元件：其作用是測量從被保護對象輸入的有關物理量(如電流，電壓，阻抗 保護是否該起動。
功率方向等) ，并與已給定的整定值進行比較，根據比較結果給出邏輯信號，從而判斷
邏輯元件：其作用是根據測量部分輸出量的大小，性質，輸出的邏輯狀態，出現的 并將有關命令傳給執行元件。 如：故障時跳閘，不正常運行時發信號，正常運行時不動作等。 對繼電保護的基本要求 仍能正常運行，以盡量減小停電范圍。 斷路器的跳閘時間。
順序或它們的組合，使保護裝置按一定邏輯關系工作，最后確定是否應跳閘或發信號
執行元件：其作用是根據邏輯元件傳送的信號，最后完成保護裝置所擔負的任務
選擇性：是指電力系統發生故障時，保護裝置僅將故障元件切除，而使非故障元件
速動性：是指保護快速切除故障的性能，故障切除的時間包括繼電保護動作時間和
靈敏性：是指在規定的保護范圍內，保護對故障情況的反應能力。滿足靈敏性要求 反應出來。
即不發生拒絕動作也不發生錯誤動作。
的保護裝置應在區內故障時，不論短路點的位置與短路的類型如何，都能靈敏地正確地
可靠性：是指發生了屬于它該動作的故障，它能可靠動作，而在不該動作時，它能可靠不動
5.2 變壓器的保護配置
5.2.1 變壓器配置 (一)縱聯差動保護
本 次 設 計所 采 用 的 變 壓 器 型號 均 分 別 為 ： SDL-31500/110 、 SFSL-31500/110 、
SFL-20000/110、SFL-20000/110。對于這種大型變壓器而言，它都必需裝設單獨的變壓
器差動保護，這是因為變壓器差動保護通常采用三側電流差動，其中高電壓側電流引自
高壓熔斷器處的電流互感器，中低壓側電流分別引自變壓器中壓側電流互感器和低壓側
電流互感器，這樣使差動保護的保護范圍為三組電流互感器所限定的區域，從而可以更
好地反映這些區域內相間短路，高壓側接地短路以及主變壓器繞組匝間短路故障。所以
我們用縱聯差動保護作為兩臺變壓器的主保護，其接線原理圖如圖 5.1 所示。正常情況 ' ''
' '' '' I 1 = I 1 ⎯⎯ I 1 = n 2 = → nT (變壓器變比) n1 n2 I '1 n1
所以這時 Ir=0，實際上，由于電流繼電器接線方式，變壓器勵磁電流，
變比誤差等影響 應的措施來減小。
導致不平衡電流的產生，故 Ir 不等于 0 ，針對不平衡電流產生的原因不同可以采取相
盡管縱聯差動保護有很多其它保護不具備的優點，但當大型變壓器內部產生嚴重漏 還需對變壓器裝設另外一個主保護——瓦斯保護。
油或匝數很少的匝間短路故障以及繞組斷線故障時，縱聯差動保護不能動作，這時我們
圖 5.1 縱聯差動保護原理示意圖
(二)瓦斯保護
瓦斯保護主要用來保護變壓器的內部故障，它由于一方面簡單，靈敏，經濟;另一 用才能做到優勢互補，效果更佳。 (1)瓦斯保護的工作原理：
方面動作速度慢，且僅能反映變壓器油箱內部故障，就注定了它只有與差動保護配合使
當變壓器內部發生輕微故障時，有輕瓦斯產生，瓦斯繼電器 KG 的上觸點閉合，作
用于預告信號;當發生嚴重故障時，重瓦斯沖出，瓦斯繼電器的下觸點閉合，經中間繼 閉合，也可利用切換片 XB 切換位置，只給出報警信號。 (2)瓦斯保護的整定： 輕瓦斯按氣體容積進行整定，整定范圍為：250～300cm
3
電器 KC 作用于信號繼電器 KS，發出警報信號，同時斷路器跳閘。瓦斯繼電器的下觸點
瓦斯保護有重瓦斯和輕瓦斯之分，它們裝設于油箱與油枕之間的連接導管上。其中 ,一般整定在 250cm3
重瓦斯按油流速度進行整定，整定范圍為：0.6～1.5m/s,一般整定在 1m/s 。瓦斯保護
圖 5.2 瓦斯保護原理示意圖
(三)復合電壓啟動的過流保護
由于這種保護可以獲得比一般過流保護更高的靈敏性，所以實踐中它常用來作廠變
內部及低分支外部相間短路故障的后備保護，這里我也用來作為變壓器的后備保護，它 低電壓元件構成復合電壓啟動元件，其保護原理接線圖如圖 5.3 所示。
是由負序過電壓元件、低電壓元件、過流元件及時間元件構成，其中負序過電壓元件與
復合電壓過流保護的輸入電流取高壓側電流 ,為保證選擇性,復合電壓啟動元件需
要配置兩套,輸入電壓分別取自廠變低壓側兩個支上的電壓。 保護采用兩段延時出口
以 A 分支為例: 若發生相間不對稱短路故障,”U2>”元件啟動,常閉觸點斷開,使”U<”
元件啟動; 若發生三相短路, ”U2>”元件短時啟動, ”U<”元件也啟動,在”U2>”元
件返回后,因”U<”元件返回電壓較高,只要相間殘壓不高于返回電壓, ”U<”元件仍保 開 A 廠用分支斷路器,若故障不能消除,再按Ⅱ段延時 t2 動作于解列滅磁。
持動作狀態,這時廠變高壓側過流元件”I>”已經動作,先按 I 段延時”U<”元件 t1 跳
圖 5.3 復合電壓啟動的過流保護原理接線圖
5.2.2 保護配置的整定 (一)縱聯差動保護整定 不需要進行整定計
算，所以僅對縱聯差動保護進行整定如下： (1)避越變壓器的勵磁涌流： I dz = k rel × I e = 1.3 ×165 = 214 ( A)
對于本次設計來說，變壓器的主保護有縱聯差動保護和瓦斯保護，其中瓦斯保護一般
其中 k rel 為可靠系數，取 1.3，而 I e = se = 31500 = 165 ( A ) 為變壓器的額定電 3u e 3 × 110 流。 (2)避越外部短路時的最大不平衡電流：
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 為電流互感器同型系數，型號相同時取 0.5，型號不同時取 1，這里為避免以后
更換設備的方便故取 1; k fzq 為非周期分量引起的誤差，取 1; ∆ f za 建議采用中間值
的計算結果知 I dz .max ( 3) =995。 (3)躲過電流互感器二次回路斷線的最大負荷電流：
I dz = 1.3I e = 1.3 ×165 = 214 ( A )
而保護基本側的動作電流取： I dz . js = 1296 ( A ) (4)確定差動繼電器的動作電流和基本側差動線圈的匝數： 差動繼電器的動作電流： 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 ) 為 電 流 互 感 器 的 一 次 側 額 定 電 流 ;
3I e 3 × 165 = 2.38 ( A ) 為電流互感器的二次額定電流。 I e 2. jb = 600 = 600 5 5
差動線圈匝數：
w cd . js =
Aw0 I d z . j, jb . js
=
120 = 6 .4 ( t ) 1 8 .7
實際整定匝數選用：
wcd .z = 6 ( t )
w cd . z
所以繼電器的實際動作電流為： I d z . j. j b = 1 2 0 = 2 0 ( A ) 保護裝置的實際動作電流為：
I dz. jb = I e. jb × I dz. j. jb I ez. jb
= 20 × 165 = 1389 ( A ) 2.38
變壓器差動保護參數計算結果如下表 5-1： 變壓器 額定電壓/kV 額定電流 Ie/A 互感器的接線方式 互感器的計算變比 互感器的選擇變比 電流互感器 二次額定電流
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
當系統在最小運行方式下,線路 L4 處開環運行發生兩相短路時,保護裝置靈敏系數最低 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
顯然靈敏度滿足要求。其中 I d .∑ .min 是變壓器差動保護范圍內短路時總的最小短路電 流有名值(歸算到基本側)。 k jx 是保護的接線系數,這里取 1 。 (二) 變壓器的后備保護的整定 (1)復合電壓啟動過流保護,下面對它進行整定與靈敏性校驗: 過電流元件動作值 I op 按躲開廠變額定電流 I N .st 整定,即: 對于 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 是可靠系數,一般為 1.15～1.25,這里取 1.15, k re 是返回
系數,這里取 0.85 最小運行方式下,線路 L4 開環運行兩相短路時,保護的靈敏性校驗:
3 (3) 3 I × 2107 2 f1. min K = = 2 = 8.57 > 1.3 ，滿足要求。 sen I 213 op
對于 B3 、 B4 ： I op = k rel × I N .st = 1.15 × 20000 = 135 ( A ) 0.85 3 × 115 k re 最小運行方式下, 線路 L4 開環運行兩相短路時,保護的靈敏性校驗:
3 (3) 3 I × 2107 2 f1. min K = = 2 = 13.5 > 1.3 ，滿足要求。 sen I 135 op
(2)過負荷保護的整定計算： 取可靠系數 Krel 為 1.05,返回系數 Kres 為 0.85,IN 為保護安裝側變壓器的額定電流。 對于 B1 、 B2 其額定電流為：
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
對于 B3 、 B4 ,其額定電流為：
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
繼電器選用 NSP712 系列多功能微機成套保護及自動裝置。
5.3 母線的保護配置
5.3.1 保護配置的原理
電力系統中的母線是具有公共電氣連接點,它起著匯總和分配電能的作用。所以發
電廠和變電站中的母線是電力系統中的一個重要組成元件。 母線運行是否安全可靠,將 會破壞整個系統的穩定。
直接影響發電廠,變電站和用戶工作的可靠性,在樞紐變電所的母線上發生故障時,甚至
引起母線短路故障的主要原因有:由于空氣污潰,導致斷路器套管及母線絕緣子的 地線合斷路器。
閃絡;母線電壓和電流互感器的故障;運行人員的誤操作 ,如帶負荷拉隔離開關、帶接
母線故障的類型,主要是單相接地和相間短路故障。與輸電線路故障相比較,母線 障所造成的后果。 母線完全電流差動保護。
故障的幾率雖較小,但造成的后果卻十分嚴重。因此,必須采取措施來消除或減少母線故
由設計的已知條件可知,110kV 母線均是采用單母線接線,對于單母線我們可以采用
母線完全差動保護的原理接線圖如圖 5.4 所示,和其它元件的差動保護一樣,也是按
環流法的原理構成。在母線的所有連接元件上必須裝設專用的電流互感器 ,而且這些電
流互感器的變比和特性完全相同,并將所有電流互感器的二次繞組在母線側的端子互相
連接,在外側的端子也互相連接,差動繼電器則接于兩連接線之間,差動電流繼電器中流
過的電流是所有電流互感器二次電流的相量和。這樣,在一次側電流總和為零時,在理想 進母線的方向為正方向。圖中線路 I,II 接于系統電源,而線路 III 則接于負載。
的情況下,二次側電流的總和也為零。此圖為母線外部 K 點短路的電流分布圖,設電流流
(1)在 正常和 外部 故障 時 (K 點), 流 入母線 與流 出母 線的 一次 電流 之和 為零 , 即
∑
•
•
•
•
I =
I
+ I
I
− II
I
III
= 0
• • • 1 • 2
而
流入繼電器的電流為:
I
g
=
I
+
I
−
I
3
=
1
n
TA
⎛ ⎜ ⎝
•
•
•
I
I
+
I
II
−
I
III
⎞ ⎟ ⎠
因電流互感器變比 nTA 相同,在理想情況下流入差動繼電器的電流為零,即 Ig=0 部故障時,流入差動繼電器的電流為不平衡電流,即:
但實際上,由于電流互感器的勵磁特性不完全一致和誤差的存在 ,在正常運行或外
• •
I
g
=
I
unb
圖 5.4 母線完全電流差動保護的原理接線圖
其中 Iunb 是電流互感器特性不一致而產生的不平衡電流。 (2)母線故障時,所有有電源的線路,都向故障點供給故障電流,即:
•
I
g
=
1
n
TA
⎛ ⎜ ⎝
•
•
I
I
+
I
II
⎞ ⎟ = ⎠
1
•
n
I
K
TA
其中 Ik 是故障點的總短路電流,此電流數值很大,足以使差動繼電器動作。 (二)母聯電流相位比較式母線差動保護
由設計的已知條件可知,110kV 側的母線是采用雙母線帶旁路母線接線,這種接線方
式有一個特點就是它的運行方式不是固定不變的 ,而是有多種運行方式。所以雙母線固
定連接運行的完全差動保護對它來說缺乏靈活性,為了克服此缺點,我采用另一種差動 改變的母線上。
保護——母聯電流相位比較式母線差動保護,它很適用于雙母線連接元件運行方式經常
母聯電流相位比較式母線差動保護的原理是比較母線聯絡斷路器回路的電流與總
KD 和選擇元件 1KW,2KW 。起動元件 KD 接于所有引出線的總差動電流,KW 的兩個繞組分
別接入母聯斷路器回路的電流和總差動回路的電流 ,通過比較這兩個回路中電流的相位
來獲得選擇性。在圖 5.5(a)所示雙母線接線中,假設 I,II 母線并列運行,I 母線和 II 母 I 母線上的 K1 點發生短路故障時,母聯電流 I5 為：
• • 5 • 3
線的連接元件中均有電源線路,規定母聯電流 I5 的正方向為由 II 母線流向 I 母線,則當
I
短路電流 Ik 為：
•
=
I
•
+
I
•
4
• 2
• 3
I
k
=
I
1
+
I
+
I
+
I
4
故,當忽略各電源間相角差和各元件阻抗角差時,I5 和 Ik 同相位,如圖 5.5(b)所示。 II 母線上的 K2 點發生短路故障時,母聯電流 I5 為：
•
I
5
= −⎛ ⎜ ⎝
•
• 1
I
+
I
2
⎞ ⎟ ⎠
短路電流 Ik 仍如式(5.21)所示,所以 I5 與 Ik 反相位,如圖 5.5(c)所示。可見,以圖示 中,差動繼電器 KD 中的電流為：
I5 為正方向時,若 I5 與 Ik 同相位,則判別為 I 母線上發生了短路故障。在圖 5.14(a)接線
• •
I
k
=
I n
K TA
(a) (a) 原理接線圖; (b), (c) 相量關系 圖 5.5 母聯電流與短路電流相位比較
(b)
(c)
了短路故障。1KW,2KW 是故障母線的選擇元件,進行 I5 與 Ik 的相位比較。當 I w 與 I k 同
•
•
時從 1KW 的兩個繞組的同極性端流進時,1KW 處于動作狀態,對 2KW 處,從同極性端流出
•
•
處于不
動作狀態;當- I w 與 I 同時從 2KW 的兩個繞組的同極性端流進時,2KW 處于動作
k
狀態,對 1KW 處, - I w 從同極性端流出,處于不動作狀態。 母線上發生了短路故障。 5.3.2 電流差動保護配置的整定 (一)差電流起動元件整定 差電流起動元件的動作電流滿足兩個整定條件： (1)按躲開母線外部的最大不平衡電流整定，即：
I d = k rel k LH k fzq I d .max
•
由以上分析可見,KD,1KW 動作時,判別為 I 母線短路故障; KD,2KW 動作時,判別為 I
k k k
rel
—可靠系數，取 1.3。 —電流互感器變比誤差，取 0.1
LH fzq
—非周期分量系數，一般電流繼電器取 1.5～2。
I
d .max
—母線差動保護外部短路時流過的最大短路電流。
由于起動元件采用 BCH—2 型差動繼電器，故取 k
fzq
=1， k
LH
=0.1， k
rel
=1.3。
起動電流： I dz = k k k I = 1.3 × 0.1 × 1 × 14276 = 1854.7( A) rel LH fzq d . max 二次電流為： I dz. j = 1854.7 = 15.46( A )
600 5
BCH—2 型差動匝數為： W cd =
( AW ) 60 = = 3.88(匝) I dz. j 15.46
取 W cd =3 匝， I dz. j =16A。由于母線保護用 110kV 系統中，故 BCH—2 短路線匝 為〝B—B〞。
起動元件靈敏度計算： K (2) = lm (2)電壓閉鎖元件
(2) I d .min
I dz
=
12167 16 × 600
= 3.8 ，滿足要求。 3
三個相間電壓元件的動作電壓按躲開正常運行的最底電壓整定，由于母線短路時 的電壓閉鎖元件的靈敏度較高，為簡化計算可直接取 U
dz. j
=60～65v。
復合電壓閉鎖元件整定、負序電壓元件動作電壓按經驗公式： U =(15～20)v。 U ，零序電壓元件動作電壓按經驗公式 U e dz.0
dz.2
=(0.06～0.09
負序電壓元件和零序電壓元件的靈敏度應高于差電流起動元件靈敏度。 零序電壓元件
U
dz.2
=6.6
K lm =
3U d 0 65 = = 9.8 U 6.6 dz.2
零序電壓元件
U
dz.0
=18
Klm =
3U d 0 65 = = 3.6 ，滿足要求。 U 18 dz.0
繼電器選用 DSA2391 母線差動保護裝置。
5.4 輸電線路保護配置
5.4.1 保護配置的原理
(一) 距離保護 電流保護的主要優點是簡單，可靠，經濟，但它的靈敏性受系統運行方式變化的影
響較大，特別是在重負荷，長距離，電壓等級高的復雜網絡中，很難滿足選擇性，靈敏 離保護” 。
性以及快速切除故障的要求，為此，必須采用性能完善的保護裝置，因而就引入了“距
距離保護是反饋故障點至保護安裝點之間的距離或阻抗，并根據距離的遠近而確定
動作時間的一種保護裝置。該裝置的主要元件為距離或阻抗繼電器，它可根據其端子所
加的電壓和電流側知保護安裝處至短路點之間的阻抗值，此阻抗稱為阻抗繼電器的測量
阻抗。其主要特點是：短路點距離保護安裝點越近，其測量阻抗越小;相反地，短路點
距離保護安裝點越遠，
其測量阻抗越大，動作時間就越長。這樣就可保證有選擇地切除
(ZAB+ZK) 。由于保護 1 距離短路點較近，而保護 2 距離短路點較遠，所以，保護 1 的動 種選擇性的配合是靠適當的選擇各保護的整定阻抗值和動作時限來完成的。
作時間就比保護 2 的短。這樣故障就由保護 1 動作切除，不會引起保護 2 的誤動作。這
圖 5.6(a) 距離保護的基本原理
圖 5.6(b) 距離保護原理接線圖
(二)零序電流保護
零序電流保護屬于小接地電流系統的保護方式，它利用當系統發生故璋時零序電流
的發生.盡管此種保護方式屬于小接地電流系統，但早已在發電廠、變電站和配電系統 中得到較廣泛的應用。
采用中性點經高電阻接地，能使靈敏而有選擇性的接地保護得以實現，能減少電弧
接地過電壓的危險，接地保護是否動作于跳閘取決于接地電流的大小，這種接地保護方 其機械強度，給制造帶來了較大的困難，而且造價很高。
式的缺點是接地電阻電壓較高(6kV)，接地功耗較大(60 一 75kw)，使電阻器發熱，影響
中性點經消弧線圈接地系統，當發生單相接地故障時，在接地點產生一個電感點流
并和系統中的接地電容電流相抵消，可減小流經故障點的電流 .在通常情況下，接地電
弧不會出現，單相接地故障自動消除，從而就可減少接地故障引起的停電事故。由于采 護帶來了一定的困難，因而必須謀求新途徑。
用了消弧線圈，在發生單相接地故障時的電流分布發生了變化，又給實現有選擇性的保
目前，在變配電系統中為提高供電的可靠性，大多采用小接地電流系統.上述幾種 以考慮。
零序電流保護的接線方式都有各自的優缺點，在實際應用時應從經濟技術諸方面綜合加
零序分童的特點，如圖 5.7(a)所示的網絡，當 A 相發生金屬性單相接地短路時， 可
利用對稱分量的方法將電流、電壓分解為正序、負序和零序分量，并利用復合序網來表
示它們之間的關系.其零序網絡如圖 5.7 (b)所示，零序電流可看成是在故障點出現一個 規定從母線流向故障點，零序電壓的正方向是線路指向大地，其主要特點如下:
零序電壓亡，而產生的，零序電流經過變壓器接地中性點構成回路 .零序電流的正方向
1)線路中任何一點發生接地短路時，該點的三倍零序電流(或電壓)都等于該點的三 相電流(或電壓)的向 t 和，即
. . 0 . A . B
3I
.
=
I
+
I
+
.
I
B
C
. 0
.
3U
=U
A
+U
+U
C
當系統中 A 相發生接地短路時， 故障點 D 的電壓U
.
.
DA
故障點 = 0，
D 處的零序電壓為
U
DA
=
1 . ( 3 U
.
.
DB
+U
.
DC
)
，即故障點的零序電壓等于非故障相電壓向量和的 1/3. 故障
.
點的電流 I 位相同
。
.
dA
=I
D ,
I
D B
= 0,
I
D C
= 0 . 即故障點的零序電流等于故障點電流的
1/3，并且相
2)故障點的零序電壓最高，其值為 U
.
D0
，距故障點的距離越遠，零序電壓就越低
3)零序電流超前零序電壓 90 ，如圖 5.7 (d)所示，零序電流的分布，主要決定于線 路和中性點接地變壓器的零序阻杭，而與電源的數目和位里無關。 4)零序功率 S。=I0·U0，由于故障點零序電壓最高，所以，故障點的零序功率也最 大，距故障點越遠零序功率越小。
0
圖 5.7
接地短路時的零序等效網絡
5.4.2 保護配置的整定
(一)輸電線路的距離保護 對于 110kV 及以上電壓級的輸電線路，我們根據經驗可以直接考慮用距離保護， 所以這里的 110kV 側我直接進行距離保護的整定計算和靈敏度校驗。
' 取 k rel =0.8， k rel =1.2, k st =1, k re =1.15。線路的最大靈敏角根據經驗也一般取 60o～
80 ,取 ϕ =80 。 m 對于輸電線路 L 2 距離Ⅰ段： Zop .1 = krel × z1 = 0.8 × 50 × 0.4(Ω )
Z o p .1
o
o
距離Ⅲ段：最小負荷阻抗 Z L . min = 動作阻抗為 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,滿足要求。 Z1 20 (二)零序保護的整定
要對零序保護進行整定計算必須先求出發生接地短路故障時,故障點的最大零序電
流,而只有發生接地故障時,才會出現零序電流,所以只考慮單相短路和兩相接地短路。
當 f 2 點發生短路時， L2 空載不包括在各序網絡中。 變壓器 B1 B2 B3 B4 中性點接地應包 括在零序網絡中。 正序網絡化簡過程如下：
x 2 2 = ( x 1 + x 1 8 ) /pic/p>
(0.125 + 0.052) × (0.26 + 0.031) =0.61 0.125 + 0.052 + 0.26 + 0.031 0.52 × 0.40 + 0.67)/pic/p>
x 2 3 = [( x 3 /pic/pic/p>
將支路 19、22 和 23 并聯得等值電勢和輸入電抗：
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) =
正序網絡如圖 5.8 所示。
⇕
⇕
圖 5.8 正序網絡
負序網絡化簡過程如下：
x24 = [( x 3 /pic/pic/p>
負序網絡輸入電抗：
X ff ( 2) =
0.54 × 0.4 +0.67)/pic/p>
( x19 + x22 ) x 23 (0.10 + 0.61) × 0.4 = = 0.25 x19 + x22 + x23 0.10 + 0.61 + 0.4
負序網絡如圖 5.9 所示。
⇕
⇕
圖 5.9 負序網絡
零序網絡化簡過程如下：
x2 5 = x1 7 + x1 9 + x 2 0 = 0.16 + 0.3 + 0.093 = 0.58
x26 = ( x5 + x6 ) /pic/p>
零序網絡輸入電
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
零序網絡如圖 5.10 所示。
⇕
圖 5.10 零序網絡
所以，各序的輸入阻抗分別為：
X ff (1) =1.4
X ff ( 2) =0.25
ff ( 2)
X ff ( 0) =0.28
(1) 單相短路時，因為 x∆ = X ff ( 0) + X
= 0.53 ，電源電勢用次暫態電勢：取
V f( 0) = E'' = j1.0 ，所以 0 秒時的短路正序電流為：
If
=
2 (1)*
V f( 0 ) 1.0 = = 0.518 (1) j ( x f 2 (1) + x∆ ) 1.4 + 0.53
f 2 處發生短路時，短路點的零序電流為：
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) 兩相短路時，因為 x ∆ = X
ff ( 0 )
/pic/p>
ff ( 2 )
=
0.28 × 0.25 = 0.13 ，電源電勢用次暫態電勢 0.28 + 0.25
取 V f( 0) = E'' = j1.0 ，所以 0 秒時的短路正序電流為：
V f( 0)
1.0
f 2 處發生短路時，短路點的零序電流為： 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
綜上所示，當 f 2 發生短路時的短路點最大零序電流為： I f
= 0.31( kA )
故 110kV 發生短路時各線路的零序電流保護整定如下：
' ' 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： 線路 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 )
線路 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 )
線路 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 )
線路 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 是可靠系數，這里取 1.15;
k np 是非周期分量影響系數，采用自動重合閘時加速為 1.5～2.0，其它為 1; k st 是電流互感器的同型系數，相同為 0.5，不同為 1;
∆f 是電流互感器誤差，取 0.1;
I k max. L 是各輸電線路的最大短路電流， I k max. L1 、 I k max. L2 、 I k max. L3 和 I k max. L4 值如 4.
節中所示。繼電器選用 MLP-71 系列多功能微機線路成套保護及自動裝置。
5.5 發電機保護配置
5.5.1 保護配置的原理
1.保護范圍及特點電流速斷保護僅能對發電機輸出線路進行保護，而當繞組內部
(中性點到輸出端斷路器)有短路現象時，卻存有死區。縱差保護是用于發電機內部繞組 靠性。
的短路保護，適用于與外電路并網且中性點側有引出線的機組，該保護具有快速性，可
2.保護的構成及基本原理如圖 5.1l 所示.1 號互感器 ILH 裝在輸出斷路器 DL 附近
4 號互感器 4LH 裝在發電機中性點引出線上，1LH 和 4LH 型
號變比相同，電流互感器的
極性同名端用“.”號表示，CJ 為差動電流繼電器，而互感器之間的范圍即為保護動作
區。我們令 1LH 和 4LH 一次側電流分別為 I1 和 I2，二次側電流分別為 i1 和 i2。顯然
當發電機正常運行時，有 I1=I2，因為兩互感器變比相同，故有 i1=i2, i2 由結點 a 流
進 Cj，由結點 b 流出。而 I1 經結點 b 流進 CJ，由結點 a 流出。根據克霍夫第一定律 不動作.
流入和流出結點的電流應相等。即實際上繼電器 CJ 中的電流及 Ic=I1=I2=0，所以 C
a
圖 5.1l
縱差保護原理接線圖
當保護區外部短路時(如 Dl 點)電源互感器 ILH 和 4LH 的一次電流是發電機向故障 CJ 也不動作。
點供給的短路電流，仍然有 i1= i2(不過此時 I1 和 I2 值很大)，i1=i2,CJ 中電流 ic=O
僅當保護區內部短路時(如發電機引出線上 D2 點)互感器 4LH 一次側電流為發電機
變化， 故繼電器 CJ 中的電流 iC=i1+12， CJ 中流過與故障點總短路電流成比例的電流 即 當此電流大于 CJ 的起動電流時，CJ 就動作，從而使發動機解列。 由上述分析知，按差動原理構成的保護裝置可瞬時動作切除故障。 3.BCH—2 型繼電器的單相差動保護原理
繼電器是較早設備中常用的單相保護繼電器。在實際電路中，考慮的問題遠比上述
原理復雜。因為在外部短路時及正常工作時，由于 1LH 和 4LH 到保護屏的距離不一樣
互感器的特性也不完全一致(另外還有電流相位差)等因素，差動回路中電流繼電器有不
平衡電流存在，特別是在外部短路初瞬時.這種不平衡電流數值較大，可能造成 CJ 誤動
作。BCH—2 型繼電器采用的是具有速飽和特性的中間變流器， 其原理因與差動保護本身
關系不大，限于篇幅，不再贅述。在圖 5.12 中 Wl 為差動線圈，W2 為平衡線圈，在正常 感應電流，CJ 不動作。
工作及外部短路時，W2 產生的磁通能抵消 WI 所產生的不平衡電流， 從而在 W2 中不產生
圖 5.12 BCH—2 型繼電器動作保護原理圖
5.5.2 保護配置的整定 (一)原始數據計算
Se
25
折合至 110kV 平均電壓的發電機次暫態電抗值為： x d'' x = x ''d S B = 0 .1 3 × 1 0 0 = 0 .5 2 ， 發電機額定電流為： I e = (二)差動保護整定 (1)按躲開外部故障最大不平衡電流整定，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)按躲開電流互感器二次回路斷線時整定，即：
取 I dz =1820A，折合至二次側為： I dz . j = 1821820 /(4000 / 5) = 2.3( A ) ，BCH-2 工作線圈匝數 為： W g = 60 = 60 = 26.1(匝 ) ，取 26 匝。 I dz . j 2.3 (三)發電機定子繞組接地保護
(1)發電機額定電流為： I e = 1400( A) ，LXHM-1 型零序
電流互感器額定電流為 1750A，當繼電器線圈并聯時保護一次動作電流為 2.4A。 (2)保護動作電流計算
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
一次最大不平衡電流為：
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
保護動作電流為：
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 ) ，該電流小于 kf 0 .8 5
5A，故
可采用。 繼電器動作電流計算為：
z d z. j = I dz w 2 (1 + zj z d z . cl .2
) = 3.12 9 39(1 + ) 10 = 0.042( A )
繼電器選用 DD-11/60 系列多功能微機成套保護及自動裝置。
6 結論
綜合前面的說明與計算結果可知該 110kV 電力系統繼電保護的具體配置如下表：
表 5.2 保護配置表
保護對象 變壓器 母線 輸電線路 發電機
主保護 縱聯差動保護、瓦斯保護 電流相位比較式母線差動保護 距離Ⅰ、Ⅲ保護 縱聯差動保護
后備保護 零序電流保護 零序電流Ⅰ、Ⅲ保護 定子繞組接地保護
復合電壓啟動過電流保護、
___________________________
經過查找資料以及相關書籍可以得到本次畢業設計需配置的保護的型號如下：
(1)變壓器保護裝置： 采用 NSP712 變壓器差動保護，適用于 110 kV 電壓等級的雙圈、三圈變壓器，滿足三側 差動的要求。 主要功能： <1> 差動速斷保護;比率差動保護，采用二次諧波制動; <2> 復合電壓過流保護;零序電壓保護;過負荷保護; <3> CT 斷線判別等功能。 (2)母線差動保護裝置： 采用 DSA2391 母線差動保護裝置，本裝置為由大規模可編程邏輯電路和 intel 80296 為 主 CPU 實現的母線差動保護，適用于 110kV 及以下電壓等級的主接線為單母分段型及雙 母線型最大 8 個元件的母線差動保護。 (3)線路成套保護及自動裝置： 采用 MLP-71 系列多功能微機線路成套保護及自動裝置，本裝置適用于 110kV 電網長/短 輸電線路。 MLP-71 系列是反映輸電線路各種類型故障和不正常狀態的成套保護及自動裝 置，包含了相間電流、相間距離、接地距離、零序電流方向等保護段和低周、低壓解列 備用電源自動投入等 8 種自動裝置功能。 (4)發電機套保護及自動裝置： 采用 DD-11/60 型系列多功能微機線路成套保護及自動裝置，本裝置適用于 110kV 發電 機電壓器組微機保護。 DD-11/60 系列是反映輸電線路各種類型故障和不正常狀態的成套 保護及自動裝置。
7 總結與體會
本次畢業設計的主要內容是對 110kV 電力系統繼電保護的配置。經過對設計要求
設計內容的分析可知，首先要利用電力系統分析的知識，求出各短路點的短路電流，從
而確定各短路點短路時系統的最大及最小運行方
式，由于電力系統分析的相關知識掌握
得比較好，因此這一步進行得比較順利。接下來在最大最小運行方式下求出各出線的最
大最小三相短路電流，兩相短路電流和相應的最大負荷電流，在計算這一步過程中遇到
了一些小困難，通過查找相關的書籍，同時在老師的指導下也很快的邁了過去。其次
根據經驗習慣，通過方案比較，論證選擇了一套初始的保護。為了能夠確定這些保
護是否滿足要求， 是否有足夠的實用性， 我們還需要對它們進行整定計算和靈敏性校驗
對于 110kV 側輸電線路，經過對電流 I，III 段保護的靈敏性校驗不合格后，改用了距
離保護，它的整定計算和靈敏性校驗與電流保護相類似，因此很好處理，但是 110kV 側
還必須考慮接地故障保護， 我采用的是零序電流保護， 因為這種保護平時很少做過練習
所以感覺比較陌生，經過多日的參考相關書籍，以及在同學的幫助和老師的輔導下，渡
過了難關。對于變壓器， 它涉及的保護較多， 主保護是縱聯差動保護與瓦斯保護的配合
后備保護主要有復合電壓啟動過電流保護，零序電流保護和過負荷保護。其中縱聯差動
保護的整定計算和靈敏性校驗過程比較繁瑣，我根據工具書《電力系統繼電保護配置原
理及整定計算》上的框架來進行整定和校驗，中間雖然走了不少的彎路，遇到了不少的
困難，但經過認真分析，仔細思考后問題仍然得以解決，剩下的復合電壓啟動過電流保
護，零序電流保護和過負荷保護的整定與校驗都容易理解，不難計算，這些是我畢業設
計能順利完成的一個基礎;對于母線來說，采用了母聯電流相位比較式母線差動保護
這種保護簡單，可靠又經濟，恰倒好處。這種保護靈活性高，適用于母線連接元件運行
方式經常變動的母線。這些保護就目前國內繼電保護的發展水平來說并不是最完美的
它有它的缺陷但也有自身的優勢，它只能從某些方面來滿足繼電保護的四大基本要求 果。
隨著社會的發展，它將會被新一代保護所代替，這是無法避免的，是社會進步的必然結
8 謝辭
本次接近兩個星期的畢業設計能夠順利完成離不開老師的盡責輔導和同學們的熱心幫
助。在老師的悉心輔導下，成功的完成了本次設計。在設計過程中，無論是在構思步驟，
分析系統網絡圖，配置保護，還是保護的整定計算和靈敏性校驗上，老師都給與了我極大
的幫助，在我設計遇到困難無法進行時，給予幫助和引導。 老師的嚴謹治學態度、淵博的 了做人的道理。在此我要向我的導師致以最衷心的感謝和深深的敬意。
知識、盡責無私的奉獻精神使我深受啟迪。我不
僅學到了扎實、寬廣的專業知識，也學到
四年來，老師們在學習上、生活上給與了我無微不至的關懷和照顧，是他們讓我逐步 有我今天的成績，在這里我表示由衷的感謝。老師，您辛苦了! 最后，衷心感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家!
成長起來的，沒有他們的幫助就不會有現在今天知性的我，自信的我。沒有他們也就不會
9 參考文獻
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