电力系统继电保护及自动装置课程设计.doc

电力系统继电保护及自动装置课程设计
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1 设计原始资料
1.1 具体题目
如下图所示网络，系统参数为：
=115/kV，XG1=15、XG2=10、XG3=10,L1=L2=60km、L3=40km，LB-C=50km，LC-D=30km，LD-E=20km，线路阻抗0.4/km，=0.85，IB-C.max=300A、IC-D.max=200A、ID-E.max=150A，KSS=1.5、Kre=1.2。

图1.1 线路网络图

试对线路L1、L2、L3进行距离保护的设计。
1.2 要完成内容
对保护3和保护5进行距离保护设计。其中包括距离保护Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段的整定计算，及设备选型。

2 设计分析
2.1 设计步骤
其中包括四个步，第一步：保护3和保护5的Ⅰ段的整定计算及灵敏度校验；第二步：保护3和保护5的Ⅱ段的整定计算及灵敏度的校验；第三部：保护3和保护5的Ⅲ段的整定计算及灵敏度的校验；第四步：继电保护设备的选择和原理的分析。
2.2 本设计保护配置
距离保护在作用上分为主保护和后备保护，主保护用于对线路进行保护主要作用的装置当线路故障时，主保护首先动作。当主保护由于故障拒动时就需要后备保护对线路起保护作用，后备保护用于对线路起后备保障作用。线路主保护有距离保护的Ⅰ段和Ⅱ段保护，线路的后备是距离保护Ⅲ段保护。后备保护又分为近后备保护和远后备保护。
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。
(1) 距离保护Ⅰ段保护
距离保护的第Ⅰ段是瞬时动作的，它只反映本线路的故障，下级线路出口发生故障时，应可靠不动作。以保护3为例，其启动阻抗的整定值必须躲开本线路末端短路的测量阻抗来整定。同时，在考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差后，需要引入可靠系数（一般取0.8～0.85）以满足要求。
如此整定后，距离Ⅰ段就只能保护本线路全长的80％～85％，无法保证保护线路全长，这是一个缺点。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) 距离保护的Ⅱ段保护
距离段整定值的选择应使其不超出相邻下级保护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。考虑到可能引起误差，需引入可靠系数。距离Ⅰ段与Ⅱ段配合工作构成本线路的主保护。
2.2.2 后备保护配置
距离保护的后备保护是距离保护的Ⅲ段保护，其可作为近后备保护也可作为远后备保护。
距离保护的Ⅲ段保护当作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作时的后备保护时，即为远后备保护；当作为本线路Ⅰ、Ⅱ段的后备保护时，即为近后备保护。其作用是保证线路保护的完整性，防止出现线路全长没有保护到的现象。

3 等效电路建立及阻抗计算
3.1 等效电路建立
3.1.1 保护3等效电路建立
保护3等效电路建立及短路点选取如图3.1所示。

图3.1 保护3等效电路

3.1.2 保护5等效电路建立及阻抗计算
(1) 保护5与保护3配合时等效电路建立如图3.2所示。

图3.2 保护5与保护3配合时等效电路

(2) 保护5与保护8配合时等效电路建立如图4所示。

图3.3 保护5与保护8配合时等效电路
3.2基本阻抗计算
阻抗计算公式为：
Z=L×z1 (1)
其中： L——为线路长度（km）；
z1——为线路单位长度上的阻抗(Ω/km)。
将线路L1的参数带入(1)，算得线路L1的阻抗值为：
ZL1=60×0.4=24 (Ω)
将线路L3的参数带入(1)，算得线路L3的阻抗值为：
ZL3=40×0.4=16 (Ω)
将线路B-C的参数带入(1)，算得线路B-C的阻抗值为：
ZB-C=50×0.4=20 (Ω)
将线路C-D的参数带入(1)，算得线路C-D的阻抗值为：
ZC-D=30×0.4=12 (Ω)
将线路D-E的参数带入(1)，算得线路D-E的阻抗值为：
ZD-E=20×0.4=8 (Ω)

4 保护配合及整定计算
4.1 主保护整定计算
4.1.1 Ⅰ段整定计算
(1) Ⅰ段保护的阻抗整定公式为：
(2)
式中 ——距离Ⅰ段保护的整定阻抗(Ω)；
——距离Ⅰ段保护的可靠系数；
——被保护线路的正序阻抗(Ω)。
将保护3的参数得带入(2)得：
=0.85×20=17.0 (Ω)
将保护5的参数得带入(2)得：
=0.85×16=13.6 (Ω)
将保护1的参数得带入(2)得：
=0.85×8=6.8 (Ω)
将保护2的参数得带入(2)得：
=0.85×12=10.2 (Ω)
将保护8的参数得带入(2)得：
=0.85×24=20.4 (Ω)
(2) Ⅰ段保护的时间整定
保护3的Ⅰ段保护动作时间为：=0 (s)。
保护5的Ⅰ段保护动作时间为：=0 (s)。
保护2的Ⅰ段保护动作时间为：=0 (s)。
保护8的Ⅰ段保护动作时间为：=0 (s)。
4.1.2 Ⅱ段整定计算
(1) Ⅱ段保护的阻抗整定公式为：
=（ZL+） (3)
式中 ——距离Ⅱ段保护的整定阻抗(Ω)；
——距离Ⅱ段保护的可靠系数；
ZL——保护安装段的线路正序阻抗(Ω)；
——最小分支系数；
——相邻下级保护的Ⅰ段保护阻抗整定值。
1) 将保护3与保护2的参数得带入(3)得：
=0.85×(20+10.2)=25.67 (Ω)
2) 保护5的Ⅱ段保护分为两种情况。
① 保护5与保护3配合的Ⅱ段保护等效图如图3所示。

Kb= = = =1.867

将保护5与保护3的相应参数带入(3)得：
=0.85×(16+1.867×17.0)=40.59 (Ω)
② 保护5与保护8配合时的Ⅱ段保护等效如图4所示。
将保护5与保护8的相应参数带入(3)得：
=0.85×(16+20.4)=30.94 (Ω)
取以上两个计算值中较小者为保护5的Ⅱ段整定值，即取=30.94 (Ω)。
3) 保护2与保护1的参数带入(3)得：
=0.85×(12+6.8)=15.98 (Ω)
(2) Ⅱ段保护的时间整定
保护3的Ⅰ段保护的动作时间为：
=+=0.5 (s)。
保护5的Ⅰ段保护的动作时间为：
=+=0.5 (s)或=+=0.5 (s)
取其中较长者，即=0.5 (s)。
(3) Ⅱ段保护的灵敏度校验
Ⅱ段保护的灵敏度校验依据为：
Ksen=≥1.25 (4)
式中 Ksen——灵敏系数；
——距离Ⅱ段的整定阻抗；
ZL——被保护线路阻抗。
将保护3的相应参数带入(4)得：
Ksen.3==1.28≥1.25
将保护3的相应参数带入(4)得：
Ksen.5==1.934≥1.25
所以保护3和保护5的Ⅱ段保护整定值均满足要求。
4.2后备保护整定计算
4.2.1整定动作值
(1) 按与相邻下级线路距离保护Ⅱ段配合时，Ⅲ段的整定阻抗为：
=（ZL+） .. (5)
式中 ——保护Ⅲ段的可靠系数；
ZL——阻抗测量元件返回系数；
——最小分支系数；
——相邻下级保护的Ⅱ段保护阻抗整定值。
1) 将保护3和保护1的对应参数带入(5)得：
=0.85×(20+15.98)=30.58 (Ω)
2) 将保护5和保护3的对应参数带入(5)得：
=0.85×(16+1.867×25.67)=54.34 (Ω)
(2) 按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定。
当线路上的负荷最大且母线电压最小时，负荷阻抗最小，其值为：
ZL.min= (6)
式中 ——正常运行母线电压的最低值；
——被保护线路最大负荷电流；
——母线额定线电压。
考虑到电动机自启动的情况下，保护Ⅲ段必须立即返回的要求，则整定值为：
= (7)
式中 ——可靠系数；
——电动机自启动系数；
——阻抗测量元件的返回系数。
将保护3的参数带入(6)、(7)得：
ZL.min.3==190.53 (Ω)
==89.97 (Ω)
取其中较小者作为距离保护Ⅲ段的整定阻抗。
保护3的Ⅲ段的整定阻抗=30.58 (Ω)。
保护5的Ⅲ段的整定阻抗=54.34 (Ω)。
4.2.2动作时间
(1) 保护3的Ⅲ段保，护动作时间：
=+=1 (s)
(2) 保护4的Ⅲ段后备保护动作时间：
=+=2 (s)或=+=1 (s)
取其中较大者作为距离保护Ⅲ段的整定时间，所以=1 (s)，=2 (s)。
4.2.3灵敏度校验
(1) 保护3的Ⅲ段保护灵敏度校验。
1) 作为近后备时，按本线路末端短路校验，计算式为：
Ksen(1)=≥1.5 (8)
将保护3的参数带入(8)得：
Ksen(1)==1.53>1.5
满足要求。
2) 作为远后备时，按相邻设备末端短路校验，计算式为：
Ksen(2)=≥1.2 (9)
将保护3的参数带入(9)得：
Ksen(2)==0.96<1.2
所以不满足要求，保护2需要加近后备保护。
(2) 保护5的Ⅲ段保护灵敏度校验。
1) 作为近后备时，按本线路末端短路校验。
将保护5的参数带入(8)得：
Ksen(1)==3.40>1.2
满足要求。
2) 保护5作为远后备保护又分为两种情况。
① 作保护3的远后备保护，将相应参数带入(9)得：
Ksen(2)==1.02<1.2
所以不满足要求，保护5不能作为保护3的远后备保护。如果保护9也不满足要求，保护3就需要加近后备保护。
② 作保护8的远后备保护，将相应参数带入(9)得：
Ksen(2)==1.36>1.2
满足要求。
4.3 距离保护振荡闭锁
当多电源并联运行时，电源之间就会出现振荡现象。因为该系统各部分的阻抗角都相等，所以振荡中心的位置就位于阻抗中心处，即位于Z=(6+24+16+10)=28 (Ω)处，距离保护5的阻抗为18 (Ω)。因为=13.6 (Ω)，=30.94 (Ω)，=54.34 (Ω)，可以知道，振荡中心不在保护5的Ⅰ段的整定定范围内，因此保护5的Ⅰ段不需要加振荡闭锁；但是振荡中心在保护5的的Ⅱ段和Ⅲ段的整定范围内，因此保护5的Ⅱ段和Ⅲ段都必须加振荡闭锁，来防止由于振荡而使保护误动。

5继电保护主要设备选择
5.1互感器的选择
(1) 电流互感器
保护3处的最大短路电流Umax==4.77 (kA)，保护5处的最大短路电流Umax==6.64 (kA)，保护3和保护5的电压最大值不会超过2，所以保护3处选取的电流互感器为LZZB9-10，保护5处选取的电流互感器为LZMB1-10保护3和保护5的电压互感器选用URED-20。他们的具体参数如表1、表2所示。

表1电流互感器选择
型号
额定一次电流(A)
额定短时热电流(kA/s)
额定动稳定电流(kA)
准确级组合
额定二次输出
0.2
0.5
5P
LZMB1-10
2500~5000
100
250
0.2/0.5/5P10/5P20
30
30
30
LZZB9-10
8000
63
100
0.2/0.5/10P10
10
15
20

表2电压互感器的选择
型号
电压比
额定绝缘水平(kV)
准确级及额定输出(VA)
极限输出(VA)
URED-20

24/65/125
0.5/3P(6P)-40/50
400

5.2继电器的选择
根据计算结果选择相应的继电器，其结果分别如表3、表4、表5所示。

表3 阻抗继电器的选择
型号
功能
测量范围(Ω)
输出
DIA53S
相AC直接连接100AC,可调设定值,滞后可调。
2-20
5-50
10-100
8A/250VAC
5A/24VDC

表4 信号继电器的选择
型号
功能
工作线圈额定电流(A)
工作线圈额定电压(V)
保持线圈额定值(V)
DX-32A
灯光信号，机械保持，电气复归。
0.01-2.4
12-220
48-220

表5延时继电器的选择
型号
时间范围
输出
供电电源
DBB01C
0.1s-10h
5A/250VAC
5A/24VDC
24VDC
24-240VAC

6原理图绘制
6.1保护测量回路
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，因此测量回路主要作用是判断出故障位置，至于区内或区外的具体位置，一般并不需要确切的知道。
6.1.1绝对值比较法原理
绝对值比较的电压形成回路如图6.1所示。

图6.1 绝对值比较的电压形成
阻抗继电器的动作条件为||||，该式两端同乘以测量电流，并令=，=，则绝对值比较的动作条件为||||。绝对值比较式的阻抗元件，既可以用阻抗比较的方式实现，也可以用电压比较的方式实现。
6.1.2相位比较原理的实现
相位比较原理电路图如图6.2所示。

图6.2 相位比较电压形成电路

在图6.2中，电压变换器T有两个输出绕组，输出的电压都为；电抗互感器UR也有两个输出绕组，其中一个的输出电压为，另一个绕组接相角调节电阻。按照图示连接，可以得到=-,=。所以相位比较阻抗继电器的动作条件为-90o90o。
6.2保护跳闸回路
保护跳闸电路图如图6.3所示。

图6.3 保护跳闸电路

首先电路电流互感器和电压互感器将测量数据传入阻抗继电器，阻抗继电器将测量值与整定值进行逻辑比较，如果测量阻抗在距离保护Ⅰ段范围内，保护直接跳闸，如果测量阻抗在Ⅱ段或Ⅲ段范围内，保护经过Ⅱ段延时或Ⅲ段延时后，保护跳闸，切出故障，对线路起到保护作用。
结论：设计主要完成的内容是对保护3、5进行相应的设计，通过分析和计算，在保护3和保护5处设置Ⅰ段、Ⅱ段主保护和Ⅲ段后备保护。在保护3处，是瞬时动作的，但是它只能保护线路全长的80%—85%，剩下的10%—15%故障时经过Ⅱ段延时Ⅱ段主保护启动。若主保护未启动，经过Ⅲ段延时Ⅲ段后备保护启动，通过后备保护将故障切除，从而实现对全线路的保护。

总 结
通过为期一周的课程设计，让我学习了很多，也了解了很多，真的可以说是受益匪浅。
此次课程设计中，我做的课题是《基于51单片机倒车雷达控制系统》。整个系统由单片机控制电路、超声波发射与接收电路、温度补偿电路、LCD显示电路以及语音报警电路等几部分组成。查阅了很多资料并且对以前学习的专业知识系统并有针对性的复习设计出了自己满意作品，进而得到同学和老师的肯定，也只有这样才能起到此次课程设计的目的。
通过各方面的努力，最终设计出了自己较为满意的系统。虽然这一周过得很辛苦，但是自己付出的努力得到了回报，那种成就感是任何事物都无法代替的。
还有在设计过程中，我们积累的经验，对我们以后的学习和工作会有莫大的帮助。

致 谢
通过这次课程设计，我对传感器设计基础知识复习了一遍，而且更重要的是又学到了很多新的知识，获得了新的经验。我从中学会了如何去做设计，学会知道团队精神的重要性，在这次的课程设计当中，在一些材料的选用，与其它同学进行了交流，提高了自己的工作效率。
在如此短的时间。依靠个人能力是不可能完成如此繁琐的资料查找与收集的。所以，通过这次课程设计，加强了同学之间的交流，大大增进了我们班的凝聚力，协作的精神更强了。而且自己也学到了很多实际的有用的东西，相信对以后的工作一定会大有益处。
最后，在此对竟静静老师的帮助表示深深的谢意。

参考文献
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[15]《电力系统分析》于永源 杨绮雯 编 中国电力出版社。

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