1、.前言电力系统中的发电机、变压器、输电线路、母线以及用电设备，一旦发生故障，继电保护及安全自动装置能够快速、可靠、有选择地将故障元件从系统中切除，使故障元件免于继续遭受损坏，既能保证其它无故障部分迅速恢复正常，又能提高电力系统运行的稳定性，是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。而课程设计是学生在校期间的综合性实践教学环节，是学生全面运用所学基础理论、专业知识和基本技能，对实际问题进行设计（或研究）的综合性训练。通过课程设计，可以培养学生运用所学知识解决实际问题的能力和创新精神，增强工程观念，以便更好地适应工作的需求。本次课程设计为给110kV电网继电保护配置与线路保护整定计算，学习规程确定系
2、统运行方式，变压器运行方式。选择各元件保护方式，计算发电机、变压器、线路的参数，确定保护方式及互感器变比。对于线路和变压器故障，根据相间和接地故障的情况，选择相应的保护方式并作整定和校验。第 一 章 概 述1.1 电力系统继电保护的作用电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。电力系统由各种电气元件组成。这里电气元件是一个常用术语，它泛指电力系统中的各种在电气上的独立看待的电气设备、线路、器具等。由于自然环境，制造质量运行维护水平等诸方面的原因，电力系统的各种元件在运行中可能出现各种故障或不正常运行状态。因此，需
3、要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的专门技术之一就是继电保护技术。电力系统继电保护的基本作用是：在全系统范围内，按指定分区实时的检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警等措施，以求最大限度地维持系统的稳定，保持供电的连续性，保障人身的安全，防止或减轻设备的损坏。1.2 继电保护的基本要求对作用于跳闸的继电保护装置，在技术上有四个基本要求，也就是所说的“四性”：选择性、速动性、灵敏性和可靠性。（1）选择性选择性是指继电保护装置动作时，应在尽可能小的范围内将故障元件从电力系统中切除，尽量缩小停电范围，最大限度的保护电力系统中非故障部分能继续运行。（2）速动性
4、快速的切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作，切除故障。动作迅速而同时又能满足选择性要求的保护装置，一般结构都比较复杂，价格也比较昂贵。电力系统在一些情况下，允许保护装置带有一定的延时切除故障的元件。因此，对继电保护速动性的具体要求，应根据电力系统的接线以及被保护元件的具体情况来确定。 切除故障的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。一般的快速保护的动作时间为0.060.12s，最快的可达0.010.04s；一般的断路器动作时间为0.060.15s，最快的可达0.020.06s。
5、（3）灵敏性继电保护的灵敏性是指，对于其保护范围内发生的故障或不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的博爱户范围内部发生故障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻都能敏锐感觉，正确反应。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量，通常记为Ksen，它主要决定于被保护元件和电力系统的参数和运行方式。（4）可靠性 保护装置的可靠性是指，对于任何一台保护装置，在为其规定的保护范围内发生了他应该动作的故障，它不应该拒绝动作（简称拒动）；而在其他任何情况下，包括系统正常运行状态或发生了该保护装置不应该动作的故障时，则不应该错误动作（简称误动）。 可靠性主要
6、是针对保护装置本身的质量和运行维护水平而言的。一般来说，保护装置的原理方案越周全，结构设计越合理，所用元器件质量越好，制造工艺越精良，内外接线越简明，回路中继电器的触点数量越少，保护装置工作的可靠性就越高。同时，正确的安装和接线、严格的调整和试验、精确的整定计算和操作、良好的运行维护以及丰富的运行经验等，对于提高保护运行的可靠性也具有重要的作用。以上四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础。在它们之间，既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的绝大部分工作也是围绕着如何处理好这四个基本要求之间的辨证统一关系而进行的。另外，再选择继电保护方式时除应满足上述
7、的基本要求外，还应考虑经济条件。1.3 电网继电保护的设计原则关于电网继电保护的选择在“技术规程”中已有具体的规定，一般要考虑的主要规则为：（1） 电力设备和线路必须有主保护和后备保护，必要时增加辅助保护，其中主保护主要考虑系统稳定和设备安全；后备保护主要是考虑主保护和断路器拒动时用于故障切除；辅助保护是补充前二者的不足或在主保护退出时起保护作用；（2） 线路保护之间或线路保护与设备保护之间应在灵敏度、选择性和动作时间上相互配合，以保证系统安全运行；（3） 对线路和设备所有可能的故障或异常运行方式均应设置相应的保护装置，以切除这些故障和给出异常运行的信号；（4） 对于不同电压等级的线路和设备，
8、应根据系统运行要求和技术规程要求,配置不同的保护装置.一般电压等级越高,保护的性能越高越完善,如330KV以上线路或设备的主保护采用“双重化”保护装置等；（5）所有保护装置均应符合可靠性、选择性、灵敏性和速动性要求。第 二 章系统中各元件的主要参数计算2.1 标幺制及标幺值计算方法2.1.1标幺制的概念在电力系统计算中，广泛采用标幺制。标幺制是相对单位制中的一种，在标幺制中各物理量都用标幺值表示。标幺值=实际有名值（任意单位）/基准值（与有名值同单位）标幺值是一个没有量纲的数值。对于同一个实际值，当所选的基准值不同是，其标幺值也不同。所以当诉说一个物理量的标幺值是，必须同时说明起基准值多大，否
9、则仅有一个标幺值是没意义的。当选定电压、电流、阻抗、和功率的基准值分别为UB、IB、ZB和SB时,相应的标幺值为U*= U/UB （2-1）I*= I/IB （2-2）Z*= Z/ZB （2-3）S*= S/SB （2-4）2.1.2基准值的选取采用标幺值的目的是为了简化计算和便于对计算结果做出分析评价，在选择基准值时应考虑尽量实现这些目的。电力系统的各电气量基准值的选择,在符合电路基本关系的前提下,原则上可以任意选取。四个物理量的基准值都要分别满足以上的公式，因此，四个基准值只能任选两个，其余两个则由上述关系式决定。至于先选定哪两个基准值，原则上没有限制；但习惯上多先选定UB B。这样电力系
10、统主要涉及三相短路的IB ZB, 可得: （2-5） （2-6）U和原则上选任何值都可以，但应根据计算的内容及计算方便来选择。通常UB多选为额定电压或平均额定电压。B可选系统的或某发电机的总功率；有时也可取一整数，如100、1000MVA等。用标幺值计算时，也就是在各元件参数的有名值归算到同一个电压等级后，在此基础上选定统一的基准值求各元件参数的标幺值。2.1.3标幺值的计算方法：标幺值的计算有精确计算法和近似计算法两种，其区别在于参数归算时是否采用变压器实际变比。（1） 精确的计算法，在标幺值归算中，不仅将各电压级参数归算到基本级，而且还需选取同样的基准值来计算标幺值。1）将各电压级参数的有
11、名值按有名制的精确计算法归算到基本级，再基本级选取统一的电压基值和功率基值。 2）各电压级参数的有名值不归算到基本值而是再基本级选取电压基值和功率基值后将电压基值向各被归算级归算，然后就在各电压级用归算得到的基准电压和基准功率计算各元件的标幺值。（2）近似计算：标幺值计算的近似归算也是用平均额定电压计算。标幺值的近似计算可以就在各电压级用选定的功率基准值和各平均额定电压作为电压基准来计算标幺值即可。本次设计采用近似计算法。取基准容量为100MVA，基准电压为各级平均电压。2. 2 发电机参数的计算发电机的电抗有名值： （2-7）发电机的电抗标幺值： （2-8）式中： 发电机次暂态电抗 发电机的
12、额定电压 基准电压10.5 kV 基准容量100MVA 发电机额定容量MVA例：发电机G1：计算结果：表2.1 发电机参数结果表 发电厂发电机编号容量MVA功率因数COS次暂态电抗等值电抗 （标幺值）等值电抗（有名值） AG1,G2500.8512.50.25000.2756AG3700.8513.50.19290.21262. 3 变压器参数的计算双绕组变压器电抗有名值： （2-9）双绕组变压器电抗标幺值： （2-10）式中： 变压器短路电压百分值 发电机的额定电压 基准电压115KV 基准容量100MVA 变压器额定容量MVA例：变压器T1：计算结果： 表2.2 变压器参数结果表变压器编号
13、容量MVA电压比, KV%正序等值电抗（标幺值）正序等值电抗（有名值） 零序等值电抗（标幺值）零序等值电抗（有名值） T1,T26010.50.175021.1750.140016.94T3639.750.154818.72620.123814.9810T42513.50.540065.340.456052.272T5,T631.510.50.333340.33330.266732.2666（变压器零序阻抗是0.8倍的正序阻抗）2. 4 线路参数的计算线路电抗有名值： （2-11）双绕组变压器电抗标幺值： （2-12）式中： 线路单位阻抗（线路正序阻抗为0.4W/km，单回线零序阻抗为1.2W
14、/km，双回线零序阻抗为1.4W/km） 线路长度km 基准电压115KV 基准容量100MVA例：线路Lm-n： 计算结果： 表2.3 线路参数结果表线路名称长度，km最大负荷MW功率因数COS正序等值电抗（标幺值）正序等值电抗（有名值） 零序等值电抗（标幺值）零序等值电抗（有名值） MN601200.850.1815240.635284MP40800.800.1210160.362948第 三 章 输电线路上的TA. TV变比的选择3.1 互感器的作用互感器是一次系统和二次系统间的联络元件，用以分别向测量仪表，继电器电流线圈和电压线圈供电，正确反应电气设备的正常用行和故障情况。互感器的作用
15、为：（1）将一次回路的高电压和大电流变为二次回路的标准的低电压（100V）和小电流（5A或1A），使测量仪表和保护装置标准化，小型化并使其结构轻巧，价格便宜和便于屏内安装。（2）使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次部分侧均接地，从而保证了设备和人生的安全。（3）取得零序电流和零序电压。3.2输电线路上TA的变比选择3.2.1 TA（电流互感器）的特点：（1）一次绕组串联在电路中并且匝数很少，故一次绕组中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流大小无关。（2）电流互感器的二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。 3.2.2 TA（电流互感器）
16、变比选择的原则电流互感器的选择和配置有应满足下列条件：（1）型式：电流互感器的型式应根据环境条件和产品情况选择。对于620kv屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构的电流互感器。对于35kv及以上配电装置，一般采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器。（2）一次回路电压：UgUnUg为电流互感器安装处的一次回路最大工作电流；Un为电流互感器额定电压。（3）一次回路电流：Ig.maxU10.9UnUn为电压互感器额定一次线电压,1.1和0.9是允许的一次电压波动范围。（3）电压互感器的二次电压U2N，应根据使用情况，按表3.4选用。表3.4 电压互感器二次额定电压选择表 绕组主二次绕组
17、附加二次绕组高压侧接线方式接于线电压接于相电压中性点直接接地中性点不接地或经销弧线圈接地二次额定电压1001003.3.3 TV变比选择的结果 变比： 第 四 章 中性点接地的选择4.1 中性点接地的确定原则电力系统的中性点是指：三相电力系统中星形连接的变压器或发电机中性点。目前我国的电力系统采用中性点运行方式主要有三种，中性点不接地，经过消弧线圈和直接接地，前两种称不接地电流系统；后一种又称为大接地电流系统。中性的直接接地系统中发生接地短路，将产生很大的零序电流分量，利用零序分量构成保护，可作为一种主要的接地短路保护。大地的电流系统发生接地短路时，零序电流的大小和分布与变压器中性接地点的数目
18、和位置有密切的关系，中性接地点的数目越多，意味着系统零序总阻抗越小，零序电流越大；中性点接地位置的不同，则意味着零序电流的分布不同。通常，变压器中性接地位置和数目按如下两个原则考虑：一是使零序电流保护装置在系统的各种运行方式下保护范围基本保持不变，且具有足够的灵敏度和可靠性；二是不使变压器承受危险的过电压。具体选择原则如下：（1） 对单电源系统，线路末端变电站的变压器一般不应接地，以提高保护的灵敏度和简化保护线路。（2） 对多电源系统，要求每个电源点都有一个中性点接地，以防接地短路的过电压对变压器产生危害。（3） 电源端的变电所只有一台变压器时，其变压器的中性点应直接接地。（4） 变电所有两台
19、及以上变压器时，应只将一台变压器中性点直接接地运行，当该变压器停运时，再将另一台中性点不接地的变压器改为中性点直接接地运行。若由于某些原因，变电所正常情况下必须有二台变压器中性点直接接地运行，则当其中一台中性点直接接地变压器停运时，应将第三台变压器改为中性点直接接地的运行。（5） 双母线运行的变电所有三台及以上变压器时，应按两台变压器中性点直接接地的方式运行，并把他们分别接于不同的母线上。当其中一台中性点直接接地变压器停运时应将另一台中性点不接地变压器改为中性点直接接地运行。(6) 低电压侧无电源的变压器中性点应不接地运行,以提高保护的灵敏度和简化保护接线.（7）对于其他由于特殊原因不满足上述
20、规定者，应按特殊情况临时处理，例如，可采用改变保护定值，停运保护或增加变压器接地运行台数等方法进行处理，以保证保护和系统的正常运行。4. 2 中性点接地的选择根据变压器的台数和接地点的分布原则，结合该系统的具体情况，中性点接地的选择结果如下：（1）A厂：最大运行方式选择两台变压器T1（或T2）、T3中性点接地，并分别连在两组母线上（因系统双母线同时运行）；最小运行方式选择一台变压器中性点接地。（2）1站为终端站，为提高零序电流保护的灵敏度，变压器均不接地。（3）2站：两台变压器的容量相同，任取一台接地，另一台倒地。第 五 章 短路电流的计算5.1 电力系统短路计算的目的及步骤5.1.1 短路计
21、算的目的短路故障对电力系统正常运行的影响很大，所造成的后果也十分严重，因此在系统的设计，设备选择以及系统运行中，都应着眼于防止短路故障的发生，以及在短路故障发生后要尽量限制所影响的范围。短路的问题一直是电力技术的基本问题之一，无论从设计，制造，安装，运行和维护检修等各方面来说，都必须了解短路电流的产生和变化规律，掌握分析计算短路电流的方法。针对本次设计，短路电流计算的主要目的是：继电保护的配置和整定。系统中应配置哪些继电保护以及保护装置的参数整定，都必须对电力系统各种短路故障进行计算和分析，而且不仅要计算短路点的短路电流，还要计算短路电流在网络各支路中的分流系数，并要作多种运行方式的短路计算。
22、综上所述，对电力系统短路故障进行计算和分析是十分重要的。无论是电力系统的设计，或是运行和管理，各环节都免不了对短路故障的分析和计算。但是，实际的电力系统是十分复杂的，突然短路的暂态过程更加复杂，要精确计算任意时刻的短路电流非常困难。然而实际工程中并不需要十分精确的计算结果，但却要求计算方法简捷，适用，其计算结果只要能满足工程允许误差即可。因此，工程中适用的短路计算，是采用在一定假设条件下的近似计算法，这种近似计算法在电力工程中称为短路电流实用计算。5.1.2 计算短路电流的基本步骤短路电流计算是电力系统基本计算之一，一般采用标幺制进行计算。对于已知电力系统结构和参数的网络，短路电流计算的主要步
23、骤如下：（1） 制定等值网络并计算各元件在统一基准值下的标幺值。（2） 网络简化。对复杂网络消去电源点与短路点以外的中间节点，把复杂网络简化为如下两种形式之一：（3）一个等值电势和一个等值电抗的串联电路，（4）多个有源支路并联的多支星形电路，（5）考虑接在短路点附近的大型电动机对短路电流的影响。（6）计算指定时刻短路点发生某种短路时的短路电流（含冲击电流和短路全电流有效值）。（7） 计算网络各支路的短路电流和各母线的电压。一般情况下三相短路是最严重的短路（某些情况下单相接地短路或两相接地短路电流可能大于三相短路电流）。因此，绝大多数情况是用三相短路电流来选择或校验电气设备。另外，三相短路是对称
24、短路，它的分析和计算方法是不对称短路分析和计算的基础。5.2 运行方式的确定计算短路电流时，运行方式的确定非常重要，它关系到所选保护是否经济合理、简单可靠，以及是否能满足灵敏度要求等一系列问题保护的运行方式是以通过保护的短路电流的大小来区分的。某保护的最大（小）运行方式是指在某一点短路时通过该保护装置的短路电流最大（小）的运行方式。（1） 最大运行方式根据系统最大负荷的需要，电力系统中的发点设备都投入运行或大部分投入运行，以及选定的接地中性点全部接地的系统运行方式称为最大运行方式。它是指供电系统中的发电机，变压器，并联线路全投入的运行方式。系统在最大运行方式工作的时候，等值阻抗最小，短路电流最
25、大，发电机容量最大。（2） 最小运行方式根据系统最小负荷投入与之相适应的发电设备且系统中性点只有少分接地的运行方式称为最小运行方式，对继电保护来说是短路时通过保护的部短路电流最小的运行方式。它是指供电系统中的发电机，变压器，并联线路部分投入的运行方式。系统在最小运行方式工作的时候，应该满足等值阻抗最大，短路电流最小，发电机容量最小的条件。通常都是根据最大运行方式来确定保护的整定值，以保证选择性，在其它运行方式下也一定能保证选择性，灵敏度的校验应根据最小运行方式来运行。因为只要在最小运行方式下灵敏度一定能满足要求。5.3 短路计算结果系统的正序、零序网络图正序网络图零序网络图基准电流:例：距保护1的15%处短路，最小运行方式 发电机G3退出； MN线路投入一段； ZS取最大值 正序网络：
