电力系统继电保护课程设计---线路距离保护的设计 兰州交通大学

电力系统继电保护课程设计

题目： 线路距离保护的设计 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 设计时间：

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评语： 成绩

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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:

E1153kV,XG115、XG210、XG310，L1L260km、L340km，LBC50km、LCD30km、LDE30km，线路阻抗0.4/km,KⅠrel1.2、

ⅢIBCmax300A、ICDmax200A、ICEmax150A，Kss1.5，Kre0.85 KⅡrelKrel1.15，

A9G17G25G3L34L26L18BC32D1E

试对线路L1、L2、L3进行距离保护的设计。

1.2 要完成的内容

本文要完成的内容是对线路的距离保护原理和计算原则的简述，并对线路各参数进行分析及对线路L1、L2、L3进行距离保护的具体整定计算并注意有关细节。距离保护是利用短路时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离而工作的保护。

2 分析要设计的课题内容

2.1 设计规程

根据继电保护在电力系统中所担负的任务，一般情况下，对动作于跳闸的继电保护在技术上有四条基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。这几个之间，紧密联系，既矛盾又统一，必须根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置、配合、整定每个电力原件的继电保护。充分发挥和利用继电保护的科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性、稳定性和经济性发挥最大效能。

(1)可靠性

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可靠性是指保护该动作时应动作，不该动作时不动作。为保证可靠性，宜选用性能满足要求、原理尽可能简单的保护方案。

(2)选择性

选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。为保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如起动与跳闸元件、闭锁与动作元件），其灵敏系数及动作时间应相互配合。

(3)灵敏性

灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，灵敏性通常用灵敏系数或灵敏度来衡量，增大灵敏度，增加了保护动作的信赖性，但有时与安全性相矛盾。对各类保护的的灵敏系数的要求都作了具体规定，一般要求灵敏系数在1.2-2之间。

(4)速动性

速动性是指保护装置应能尽快地切除故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围。

110kV及以上电压等级的线路，由于其负荷电流大，距离长，用电流保护往往不能满足技术要求，而需要采用距离保护。这是因为与电流保护相比，距离保护有以下优点：

①灵敏度较高。因为阻抗ZUI，阻抗继电器反映了正常情况与短路时电流、电压值的变化，短路时电流I增大，电压U降低，阻抗Z减小得多。

②保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。由于短路点至保护安装处的阻抗取决于短路点至保护安装处的电距离，基本上不受系统运行方式的影响，因此，距离保护的保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。

③迅速动作的范围长。距离保护第一段的保护范围比电流速断保护范围长，距离保护第二段的保护范围比限时电流速断保护范围长，因而距离保护迅速动作的范围较长。

距离保护比电流保护复杂，投资多。但由于上述优点，在电流保护不能满足技术要求的情况下应当采用距离保护。

2.2 本设计的保护配置

2.2.1 主保护配置

距离保护Ⅰ段和距离保护Ⅱ段构成距离保护的主保护。 (1)距离保护的Ⅰ段

A1B2C3

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图2.1 距离保护网络接线图

瞬时动作，tⅠ是保护本身的固有动作时间。

保护1的整定值应满足：Zset电压互感器的误差，1ZAB考虑到阻抗继电器和电流、引入可靠系数Krel(一般取0.8—0.85)，则

 ZsetK1relZAB (2-1)

同理，保护2的Ⅰ段整定值为：

ZsetK2relZBC (2-2)

如此整定后，保护的Ⅰ段就只能保护线路全长的80%—85%，这是一个严重的缺点。为了切除本线路末端15%—20%范围以内的故障，就需要设置距离保护第Ⅱ段。

(2)距离Ⅱ段

整定值的选择和限时电流速断相似，即应使其不超出下一条线路距离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,例如在图1中，当保护2第Ⅰ段末端短路时，保护1的测量阻抗为：

ZmZABZset2 (2-3)

引入可靠系数Krel(一般取0.8)，则保护1的Ⅱ段的整定阻抗为：

 Zset)ZBC (2-4) 1Krel(ZABZset2)0.8ZAB(0.8~0.852.2.2 后备保护配置

为了作为相邻线路的保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离Ⅰ段与距离Ⅱ段的后备保护，还应该装设距离保护第Ⅲ段。

距离Ⅲ段：整定值与过电流保护相似，其启动阻抗要按躲开正常运行时的负荷阻抗来选择，动作时限还按照阶梯时限特性来选择，并使其比距离Ⅲ段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个t。

3 保护的配合及整定计算

3.1 线路L1距离保护的整定与校验

3.1.1 线路L1距离保护第I段整定

(1)线路L1的I段的整定阻抗为

I ZsetKrelL1Z1 (3-1)

=0.85×60×0.4

=20.4

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I式中 Zset—距离I段的整定阻抗；

L1—被保护线路L1的长度； Z1—被保护线路单位长度的阻抗； Krel—可靠系数；

(2)动作时间

tI0s（第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间）。 3.1.2 线路L1距离保护第Ⅱ段整定

(1)与相邻线路LBC距离保护I段相配合，线路L1的Ⅱ段的整定阻抗为

II (3-2) ZsetKrel(L1Z1KrelKb.minZ1LBC） Kb.min—线路LBC对线路L1的最小分支系数，其求法如下:

Z1Z2Z3I1I2I3Z4I4 图3.1 等效电路图

Z124 Z224 Z316

ZZ2//Z3=

I12416=9.6 (3-3)

24169.6ZI0.286I I=(3-4) 9.624ZZ1 Kb.min=

II==3.5 (3-5) 0.286II1于是 ZⅡset0.85600.40.853.50.45080 (2)灵敏度校验

距离保护Ⅱ段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足

Zset803.331.25 满足要求 ZL1600.4Ksen(3)动作时间，与相邻线路LBC距离I段保护配合，则， tIItIt0.5s

它能同时满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合的要求。

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3.1.3 线路L1距离保护第Ⅲ段整定

(1)整定阻抗：按躲开被保护线路在正常运行条件下的最小负荷阻抗ZLmin来整定计算的，所以有

Ⅲ ZsetZLmin (3-6) ⅢKrelKRKssZLminU1min0.9110190.53 (3-7) ILmax30.3190.5392.04

1.151.21.5Ⅲ其中Krel1.15，KR1.2，Kss1.5，于是

ⅢZset(2)灵敏度校验

距离保护Ⅲ段，即作为本线路I、Ⅱ段保护的近后备保护，又作为相邻下级线路的远后备保护，灵敏度应分别进行校验。

作为近后备保护时，按本线路末端短路进行校验，计算式为

IIIZset92.043.841.5 满足要求 ZL1600.4Ksen 作为远后备保护时，按相邻线路末端短路进行校验，计算式为

KsenIIIZset92.042.091.2 满足要求 ZL1Kb。maxZBC241203.2 线路L2距离保护的整定与校验

3.2.1 线路L2距离保护第I段整定

(1)线路L2的I段的整定阻抗为

I ZsetKrelL2Z1 (3-8)

=0.85×60×0.4

=20.4

I式中 Zset—距离I段的整定阻抗；

L2—被保护线路L2的长度； Z1—被保护线路单位长度的阻抗； Krel—可靠系数；

(2)动作时间

tI0s（第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间）。

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3.2.2 线路L2距离保护第Ⅱ段整定

(1)与相邻线路LBC距离保护I段相配合，线路L2的Ⅱ段的整定阻抗为

II (3-9) ZsetKrel(L2Z1KrelKb.minZ1LBC）其大小与线路LBC对线路L1的分支Kb.min—线路LBC对线路L1的最小分支系数，系数大小相同，为3.5。（求法同上）

于是 ZⅡset0.85600.40.853.50.45080

(2)灵敏度校验

距离保护Ⅱ段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足

Zset803.331.25 满足要求 ZL2600.4Ksen(3)动作时间，与相邻线路LBC距离I段保护配合，则， tIItIt0.5s

它能同时满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合的要求。 3.2.3 线路L2距离保护第Ⅲ段整定

(1)整定阻抗：按躲开被保护线路在正常运行条件下的最小负荷阻抗ZLmin来整定计算的，所以有

ⅢZsetZLmin (3-10) ⅢKrelKRKssZLminU2min0.9110190.53 (3-11) ILmax30.3190.5392.04

1.151.21.5Ⅲ其中Krel1.15，KR1.2，Kss1.5，于是

ⅢZset(2)灵敏度校验

距离保护Ⅲ段，即作为本线路I、Ⅱ段保护的近后备保护，又作为相邻下级线路的远后备保护，灵敏度应分别进行校验。

作为近后备保护时，按本线路末端短路进行校验，计算式为

IIIZset92.043.841.5 满足要求 ZL2600.4Ksen

作为远后备保护时，按相邻线路末端短路进行校验，计算式为

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KsenIIIZset92.042.091.2 满足要求 ZL1Kb。maxZBC241203.3 线路L3距离保护的整定与校验

3.3.1 线路L3距离保护第I段整定

(1)线路L3的I段的整定阻抗为

ZIsetKrelL3Z1 (3-12)

=0.85×40×0.4

=13.6

式中 ZIset—距离I段的整定阻抗；

L3—被保护线路L3的长度； Z1—被保护线路单位长度的阻抗； Krel—可靠系数；

(2)动作时间

tI0s（第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间）。 3.3.2 线路L3距离保护第Ⅱ段整定

(1)与相邻线路LBC距离保护I段相配合，线路L3的Ⅱ段的整定阻抗为

ZIIsetKrel(L3Z1KrelKb.minZ1LBC） (3-13) Kb.min—线路LBC对线路L3的最小分支系数，其求法如下:

Z1I1Z2I2Z4I4Z3I3 图3.2 等效电路图

Z124 Z224 Z316

ZZ24241//Z2=

2424=12 IZ3ZZI=12I0.43I 31612 KIb.min=

I=I43I=2.3 30.8 / 17

(3-14)

(3-15)(3-16)真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。

于是ZⅡset0.85600.40.852.30.45053.6

(2)灵敏度校验

距离保护II段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足

Zset53.63.351.25 满足要求 ZL1400.4Ksen(3)动作时间，与相邻线路LBC距离I段保护配合，则， tIItIt0.5s 3.3.3 线路L3距离保护第Ⅲ段整定

(1)整定阻抗：按躲开被保护线路在正常运行条件下的最小负荷阻抗ZLmin来整定计算的，所以有

Ⅲ ZsetZLmin (3-17) ⅢKrelKRKssZLminU1min0.9110190.53 (3-18) ILmax30.3190.5392.04

1.151.21.5Ⅲ其中Krel1.15，KR1.2，Kss1.5，于是

ⅢZset(2)灵敏度校验

距离保护Ⅲ段，即作为本线路I、Ⅱ段保护的近后备保护，又作为相邻下级线路的远后备保护，灵敏度应分别进行校验。

作为近后备保护时，按本线路末端短路进行校验，计算式为

IIIZset92.045.751.5 满足要求 ZL3400.4Ksen 作为远后备保护时，按相邻线路末端短路进行校验，计算式为

KsenIIIZset92.042.561.2 满足要求 ZL3Kb。maxZBC161204 继电保护设备的选择

4.1 互感器的选择

互感器是按比例变换电压或电电流的设备。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压(100V)或标准小电流(5A或10A，均指额定值)，以便实现测量仪表、

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保护设备及自动控制设备的标准化、小型，其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护装置等。同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。 4.1.1 电流互感器的选择

(1)形式的选择：根据安装的地点及使用条件，选择电流互感器的绝缘结构、安装方式、一次绕组匝数等。

对于6-20kV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构和树脂浇注绝缘结构的电流互感器。对于35kV及以上配电装置，一般采用油浸式瓷箱式绝缘结构的独立式流互感器。有条件时，应尽量采用套管式电流互感器。选用母线式互感器时，应该校核其窗口允许穿过的母线尺寸。

(2)额定电压：电流互感器一次回路额定电压不应低于安装地点的电网额定电压，即：UcUe110kV

(3)额定电流：电流互感器一次回路额定电流不应小于所在回路的最大持续工作电流，即：IleIgmax=300A

(4)准确等级：为保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。例如:装于重要回路(如发电机、调相机、变压器、厂用馈线、出线等)中的电能表和计费的电能表一般采用0.5-1级表，相应的互感器的准确级不应低于0.5级；对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线和500kV级宜用0.2级。供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表一般皆用1-1.5级的，相应的电流互感器应为0.5-1级。供只需估计电参数仪表的互感器可用3级的。当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。

所以根据电流互感器安装处的电网电压、最大工作电流和安装地点要求，选型号为LCWB6-110W2屋外型电流互感器。 4.1.2 电压互感器的选择

(1)电压互感器一次回路额定电压选择

为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电力网电压应在(1.1-0.9)Ug范围内变动，即满足下列条件

0.9UgUN1.1Ug

式中Ug—电压互感器一次侧额定电压。选择时，满足UN=Ug110kV即可。

(2)电压互感器二次侧额定电压的选择

电压互感器二次侧额定线间电压为100V，要和所接用的仪表或继电器相适应。 (3)电压互感器种类和型式的选择

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电压互感器的种类和型式应根据装设地点和使用条件进行选择，例如：在6-35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式；110-220kV配电装置当容量和准确级满足要求时宜采用电容式电压互感器，也可采用油浸式；500kV均为电容式。

(4)准确级选择

和电流互感器一样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。

(5)按准确级和额定二次容量选择

首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级额定容量。有关电压互感器准确级的选择原则，可参照电流互感器准确级选择。一般供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。

则根据电压等级选型号为为YDR-110的电压互感器。

4.2 继电器的选择

正确选用继电器的原则应该是：①继电器的主要技术性能，如触点负荷，动作时间参数，机械和电气寿命等，应满足整机系统的要求；②继电器的结构型式(包括安装方式)与外形尺寸应能适合使用条件的需要；③经济合理。

(1)按使用环境条件选择继电器型号

环境适应性是继电器可靠性指标之一,使用环境和工作条件的差异，对继电器性能有很大的影响。

使用环境条件主要指温度(最大与最小)、湿度(一般指40摄氏度下的最大相对湿度)、低气压(使用高度1000米以下可不考虑)、振动和冲击。此外，尚有封装方式、安装方法、外形尺寸及绝缘性等要求。由于材料和结构不同，继电器承受的环境力学条件各异，超过产品标准规定的环境力学条件下使用，有可能损坏继电器，可按整机的环境力学条件或高一级的条件选用。

(2)根据输入量选定继电器的输入参数

在电磁继电器的输入参数中，与用户密切相关的是线圈的工作电压(或电流)，而吸合电压(或电流) 则是继电器制造厂约束继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数，它只是一个工作下限参考值。不少用户因不了解继电器动作原理的特殊性，往往把吸合电压(或电流)错认为是继电器应可靠工作的电压(或电流)，而把工作电压值取在吸合电压值上，这是十分危险也是不允许的。因为吸合值只是保证继电器可靠动作的最小 输入量，而继电器动作后，还需要一个保险量，以提高维持可靠闭合所需的接触压力、抗

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环境作用所需的电磁吸力。否则，一旦环境温度升高或在机械振动和冲击条 件下，或输入回路电流波动和电源电压降低时，仅靠吸合值是不可能保证可靠工作的。所以选择继电器时，首先看继电器技术条件规定的额定工作电压是否与整机线 路所能提供的电压相符，绝不能与继电器吸合值相比。

(3)根据负载情况选择继电器触点的种类与参数

与被控电路直接连接的触点是继电器的接触系统。国外和国内长期实践证明，约百分之七十以上的故障发生在触点上。这除了与继电器本身结构与制造因素密切相关之外，未能正确选用和使用也是重要因素之一。且大多数问题是由于用户的实际负载要求与继电器触点额定负载不同而引起的。①根据控制要求确定触点组合形式，如需要的是常开还是常闭触点或转换触点；②根据被控回路多少确定触点的对数和组数；③根据负载性质与容量大小确定触点有关参数，如额定电压、电流与容量，有时还需要考虑对触点接触电阻、抖动时间、分布电容等的要求。关于触点切换的额定值，电磁继电器一般规定它的性质及大小。它的含义是指在规定的动作次数内，在定的电压和频率下，触点所能切换的电流的大小。这一负载值是由继电器结构要素决定的。为了便于考核比较，一般只规定阻性负载。在实际使用中需要切换其它性质的负载。

(4)按工作状态选择继电器

继电器的工作状态主要是指输入信号对线圈的作用状态。继电器线圈的设计是对应于不同的输入信号状态的，有长期连续作用的信号，有短期重复工作(脉冲)信号。连续工作是指线圈能连续地承受工作信号的长期作用。对脉冲信号还要考虑脉冲频率、通断比等。因此，要根据信号特点选用适合于不同工作状态的继电器，一般不允许随便使用，特别要注意不能将短期工作状态的继电器使用在连续工作状态，高温工作条件下尤其要注意。在实际切换功率负载或大功率负载时，尤其要考虑不宜切换速率过高。一般应少于10-20次/min。最大循环速率为：0.1次/(最大吸合时间最大释放时间)s。

(5)按安装工作位置、安装方式及尺寸、重量的选择

继电器工作位置与其结构有关，大多数继电器可在任意位置下工作，但也有部分继电器工作位置有具体的规定。例如普通水银继电器，就规定要直立安装，其偏斜极限不得超过30℃，否则，由于水银的连接中断将不起继电器作用。

继电器除需满足在各种稳态的线路和环境条件下工作的要求外，还必须考虑到各种动态特性，即吸合时间、释放时间，由于电流的波动因素造成的抖动，以及触点碰撞造成的回跳等。

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5 二次展开原理图的绘制

5.1 保护测量电路

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，至于区内或区外的具体位置，一般并不需要确切的知道。可以用两种方法来实现距离保护。一种是首先精确地测量出Zm，然后再将它与事先确定的动作进行比较。当Zm落在动作区之内时，判为区内故障，给出动作信号；当Zm落在动作区之外时，继电器不动作。另一种方法不需要精确的测出Zm，只需间接地判断它是处在动作边界之外还是处在动作边界之内，即可确定继电器动作或不动作。 5.1.1 绝对值比较原理的实现

如前所述，绝对值比较的一般动作表达式如式ZBZA所示。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。

该式两端同乘以测量电流Im，并令ImZAUA，ImZBUB,则绝对值比较的动作条件又可以表示为

UBUA （5-1）

式(5—1)称为电压形式的绝对值比较方程。电路图如图5.1所示。

CT•••••••R0.5K1Im••UA绝对值比较回路•0.5K1ImPTKuUm 图

5.1 绝对值比较的电压形成

•UB•13 / 17

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5.1.2 相位比较原理的实现

相位比较原理的阻抗元件动作条件的一般表达式如式-90oarg•••••ZC90o所示，相ZD角表达式的分子、分母同乘以Im，并令ImZCUC，ImZDUD，则相位比较的动作条件又可以表示为

-90oarg•UCUD•90o （5-2）

式（5-2）称为电压形式相位比较方程。电路图如图5.2所示。

CTR•K1ImUC绝对值比较回路•KuUmPT•KuUm•UD•

图5.2 相位比较的电压形成

5.2 保护跳闸回路

三段式距离保护主要由测量回路、起动回路和逻辑回路三部分组成，如图5.3所示。

0.1s/0I2T1、、、、QHJ&JZ1、2ZKJY1&T22XJ1XJH、、、、、、3ZKJ1Y2&T33XJ、、、、

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图5.3 保护跳闸回路

5.2.1 起动回路

起动回路主要由起动元件组成，起动元件可由电流继电器、阻抗继电器、负序电流继电器或负序零序电流增量继电器构成。实践证明，负序零序电流增量继电器动作可靠、灵敏度高，同时还可兼起断线闭锁保护作用。正常运行时，整套保护处于未起动状态，即使测量元件动作也不会产生误跳闸。起动部分用来在短路时起动整套保护，即解除闭锁，允许1、2ZKJ和3ZKJ通过与门Y1和Y2去跳闸。起动部分启动后，起动时间电路T1，在0.1s时间内（开放时间内）允许距离Ⅰ段跳闸。超过0.1s时T1动作，一方面通过禁止门JZ闭锁距离Ⅰ段，另一方面起动切换继电器，对于各段或各相有公用阻抗继电器的距离保护装置，进行段别或相别切换。 5.2.2 测量回路

测量回路的Ⅰ段和Ⅱ段，由公用阻抗继电器1、2ZKJ组成，而第Ⅲ段由测量阻抗继电器3ZKJ组成。测量回路是测量短路点到保护安装处的距离，用以判断故障处于那一段保护范围。 5.2.3 逻辑回路

逻辑回路主要由门电路和时间电路组成。与门电路包括与门Y1、Y2、或门H和禁止门JZ,用以分析判断是否应该跳闸。

7 保护的评价

从对继电保护所提出的基本要求来评价距离保护，可以得出如下几个主要的结论： (1)根据距离保护工作原理，它可以在多电源的复杂网络中保证动作的选择性。 (2)距离I段是瞬时动作的，但是它只能保护线路全长的80%-85%，因此，两端合起来就使得在30%-40%线路长度内的故障不能从两端瞬时切除，在一端需经过0.5s的延时才能切除。在220kV及以上电压的网络中，这有时候不能满足电力系统稳定运行的要求，因而，不能作为主保护来应用。

(3)由于阻抗继电器同时反应于电压的降低和电流的增大而动作，因此，距离保护较电流、电压保护具有较高的灵敏度。此外，距离I段的保护范围不受系统运行方式变化的影响，其它两段受到的影响也比较小，因此，保护范围比较稳定。

(4)由于保护范围中采用了复杂的阻抗继电器和大量的辅助继电器，再加上各种必要

的闭锁装置，因此接线复杂，可靠性比电流保护低，这也是它的主要缺点。

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参考文献

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