110kV环形网络继电保护配置与整定（二）
摘要：继电保护是保证电力系统安全稳定运行的重要组成部分，而整定值是保证保护装置正确动作的关键。本文结合给定110kV电网的接线及参数，对网络进行
继电保护设计，首先选择电流保护，对电网进行短路电流计算，确定电网的最大、最小运行方式，整定电流保护的整定值。在电流保护不满足的情况下，相间故障选择距离保护，接地故障选择零序电流保护，同时对距离保护、零序电流保护进行整
定计算。本设计最终配置的保护有：电流速断保护、瓦斯保护、纵差动保护等。关键词：继电保护，短路电流，整定计算
Abstract:Relay protection is important part to guarantee the safe and stable operation of the power system, and setting value is the key to ensure the protection correct action. In this paper, with given the wiring and the parameters of 110kV power grid to design 110KV network protection of relay, first ,select the current protection, calculate short circuit current on the grid, determine the Maximum and minimum operating mode of the grid, set the setting value of the current protection. Second ,Selecting the distance protection if the current protection does not meet the case, the phase fault choose the distance protection and the ground fault select zero sequence current protection .while setting calculation the distance protection and zero sequence current protection, . The final configuration of the protection of this design include: current speed trip protection, gas protection, the longitudinal differential protection and so on.
Keywords: protection of relay, short-circuit current, setting calculation
目录
1、前言 (1)
1.1电力系统继电保护作用 (1)
1.2继电保护的基本原理及保护装置的组成 (2)
1.3电力系统继电保护整定计算的基本任务及步骤 (2)
1.4继电保护整定计算研究与发展状况 (3)
1.5本次设计的主要内容 (3)
2、继电保护的原理 (4)
2.1线路保护的原理 (4)
2.2变压器保护的原理 (5)
2.3母线保护的原理 (7)
3 、短路电流计算并确定运行方式 (8)
3.1阻抗标幺值的计算 (8)
3.2短路电流计算 (9)
3.2.1电力系统所有设备均投运且闭环情况下短路电流的计算 (9)
3.2.2只有G1、G2投运且可能存在开环情况下短路电流的计算 (12)
3.2.3只有G1、G3投运且可能存在开环情况下短路电流的计算 (18)
3.3系统运行方式的确定 (23)
4 、继电保护的设计 (25)
4.1母线保护的整定计算 (25)
4.2变压器保护的整定计算 (28)
4.3线路保护的整定计算 (37)
4.4其他元件的保护与保护结果 (40)
5、结论 (42)
6、总结 (44)
谢辞 (45)
参考文献 (46)
附录一：110KV环网继电保护配置图 (47)
附录二：外文资料翻译 (48)
1、前言
电力系统继电保护的设计作为电气工程及其自动化专业的核心内容,它不仅包括了电力系统分析理论中的短路电流的计算还包括了电力系统继电保护中的整定计算。在完成了理论的学习的基础上，为了进一步加深对理论知识的理解，选择了110kv环网的继电保护设计作为毕业设计。电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他形式的能量。在输送电能的过程中,电力系统希望线路有比较好的可靠性,因此在电力系统受到外界干扰时,保护线路的各种继电装置应该有比较可靠的、及时的保护动作,从而切断故障点极大限度的降低电力系统供电范围。电力系统继电保护就是为达到这个目的而设置的。本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。其中短路电流的计算和继电保护的正定计算和校验是本设计的重点。通过此次线路保护的设计可以巩固所学的理论知识，能提高我们提出问题、思考问题、解决问题的能力。
1.1电力系统继电保护作用
电力系统运行要求安全可靠，但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔，因此，受自然条件、设备及人为因素的影响（如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等），电力系统在运行过程中，可能会遇到各种类型的故障和不正常运行方式，这些都可能在电力系统中引起事故，从而破坏电力系统的正常运行，降低电力设备的使用寿命，严重的将直接破坏电力系统的稳定性，造成大面积的停电。为此，在电力系统运行中，一方面要采取一切积极有效的措施来消除或减小故障发生的可能性；另一方面，当故障发生时，应该迅速而有选择性地切除故障元件，从而尽可能缩小故障的影响范围，而这一任务是由继电保护与安全自动装置来完成的[1]。电力系统中继电保护的基本任务在于：
（1）有选择地将故障元件从电力系统中快速、自动切除，使其损坏程度减至最轻，并保证最大限度地迅速恢复无故障部分的正常运行；
（2）反应电气元件的异常运行工况，根据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出警报信号、减负荷或延时跳闸；
（3）根据实际情况，尽快自动恢复停电部分的供电。
由此可见，继电保护实际上是一种电力系统的反事故自动装置，它是电力系统的一个重要组成部分，尤其对于超高压，超大容量的电力系统，继电保护对保持电力系统的安全稳定运行起着极其重要的作用。
1.2继电保护的基本原理及保护装置的组成
电力系统各元件都有其额定参数（电流、电压、功率等），短路或异常工况发生时，这些运行参数对额定值的偏离超出极限允许范围，对电力设备和电力系统安全运行构成威胁。继电保护装置要起到反事故的自动装置的作用，必须正确地区分“正常”与“不正常”运行状态、被保护元件的“外部故障”与“内部故障”，以实现继电保护的功能。因此，通过检测各种状态下被保护元件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别。依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护。
故障的一个显著特征是电流剧增，继电保护的最初原理反应电流剧增这一特征，即熔断器保护和过电流保护。故障的另一特征是电压锐减，相应有低电压保护。同时反应电压降低和电流增大的一种参数为阻抗，即对应的是距离保护，它以阻抗降低的多少反应故障点距离的远近，决定保护的动作与否。
随着电力系统的发展，电网结构日益复杂，机组容量不断增大，电压等级也越来越高，对继电保护的要求必然相应提高，要求选择性更好，可靠性更高，动作速度更快。因而促进了继电保护技术的发展，使保护的新原理、新装置不断问世。
一般来说，继电保护装置包括测量部分和逻辑部分、定值调整部分和执行部分。如图1.1所示。测量部分是指对从被保护对象输入有关信号与给定的整定值相比较，以判断是否发生故障或不正常运行状态。根据测量部分输出量的大小、性质、出现的顺序或其组合，进行逻辑判断，使保护装置按一定的逻辑关系工作，以确定保护是否该动作。执行部分依据前面环节判断得出的结果执行断路器跳闸或发出警报信号。
图 1.1继电保护装置的组成
1.3电力系统继电保护整定计算的基本任务及步骤
继电保护的整定计算是继电保护工作的一项重要内容，在系统发生故障时，继电保护装置应该满足选择性、速动性、可靠性和灵敏性的要求，其中只有可靠性的要求应由继电保护装置本身来完成，其他三项要求应由继电保护装置的整定计算来满足，使当电力系统任何一地点发生故障时，能够迅速、可靠并有选择性地切除故障元件，而且应尽可能缩小事故影响的范围，从而使电力系统能够迅速地恢复正常运行状态。继电保护整定计算的基本任务就是要对各种类型的继电保护给出整定值，而对电力系统中的全部继电保护来说，则需编制出一个整定方案。整定方案通常可按电力系统的电压等级或设备来编制，还可以按继电保护的功能来划分成小的方案分别进行。例如，一个110kV电网的继电保护整定方案，可分为相间距离保护方案、接地零序电流保护方案、重合闸方案、
设备保护方案等。这些方案之间既具有相对的独立性又有一定的配合关系。进行整定计算的步骤大致[5]如下：
（1）按继电保护功能分类拟定短路计算运行方式，选择短路类型，选择分支系数的计算条件；
（2）进行短路故障计算确定运行方式；
（3）按同一种功能的保护进行整定计算，如按距离保护或按零序电流保护分别进行整定计算，选取出整定值做出定值图；
（4）对整定结果进行比较，重复修改，选择出最佳方案。最后归纳出所存在的问题，并提出运行要求；
（5）画出定值单编写整定方案说明书。
1.4继电保护整定计算研究与发展状况
目前，在我国各大电网继电保护整定计算的过程中，计算机的应用还比较少。其主要工作还是由人工来完成的。继电保护在做整定计算时，一般先对整个电网进行分析，确定继电保护的整定顺序以及各继电器之间的主/从保护顺序，然后应用计算机进行故障计算。按照继电保护的整定规程，在考虑了各种可能发生的故障情况下，获取保护的整定值，同时应注意到各继电器之间的配合关系，以保证继电保护的选择性、速动性和灵敏性的要求。随着电网的规模不断扩大，电网的结构日趋复杂，需要耗费大量的人力、物力对整个电力网络进行分析计算，因此电力运行部门迫切要求能够应用计算机来进行继电保护的整定计算。
从总体上来说，几十年来在我国电力系统建设中，继电保护整定计算的理论研究、继电保护装置的生产和应用能满足我国电力系统发展的需要，并形成了一定的特色。近几年来，在广大继电保护人员的共同努力下，继电保护动作率逐年提高，继电保护与前沿技术也已紧密结合起来。其中，作为继电保护组成部分之一的微机保护起了重要作用。伴随着集成电路、计算机技术的飞速发展，信息技术的广泛应用，微机保护也迅速发展起来，使用人工智能(AI)、自适应控制算法等先进手段[3]。
1.5本次设计的主要内容
本次设计的内容主要包括对电网进行短路计算确定最大、最小运行方式，线路保护的配置、整定计算及校验和变压器保护的配置、整定计算及校验，以及母线保护的配置、整定计算及校验。
2、继电保护的原理
2.1线路保护的原理
110kV 线路保护的配置一般装设反应相间故障的电流电压保护和接地距离保护，一般采用远后备方式。电流电压保护是以电流继电器为基本元件，通过测量线路中电流的大小来确定动作的一种保护装置。其中反映电流增大而瞬时动作的电流保护称为电流速断保护（电流Ⅰ段保护）;能以较小的时限快速切除全线路范围以内的故障的电流保护称为限时电流速断保护（电流Ⅱ段保护）；启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置称为定时限过电流保护（电流Ⅲ段保护）。电流速断、限时电流速断和过电流保护都是反应于电流升高而动作的保护装置。它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择启动电流。即速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，限时电流速断是按照躲开下一级相邻元件电流速断保护的动作电流来整定，而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定。不同的整定原则构成不同的保护，由于电流速断不能保护线路全长，限时电流速断又不能作为相邻元件的后备保护，因此为保证迅速而有选择性地切除故障，常常将它们组合起来使用，而它们之间的相互配合则构成了阶段式的电流保护[10]。
1、 电流速断保护的单相原理接线图如2.1所示。
I
12
3
QF1
TA
++
-KM +信
号
YR
图2.1电流速断保护的单相原理接线图
正常运行时，负荷电流流过线路，反应到电流继电器中的电流小于其启动电流，电流继电器不动作，其常开触点断开，中间继电器的常开触点也是断开的，信号继电器的线圈和断路器的跳闸线圈中无电流，断路器主触头闭合处于送电状态。当线路短路时，短路电流超过保护装置的启动电流，电流继电器的常开触点闭合启动中间继电器，中间继电器的常开触点闭合将正电源接入信号继电器的线圈，并通过断路器的常开辅助触点接到跳闸线圈构成通路，断路器执行跳闸动作，跳闸后切除故障线路。
2、限时电流速断保护的单相原理接线图如2.2所示。
限时电流速断保护的单相原理接线图和电流速断保护接线的主要区别是用时间继
电器代替了原来的中间继电器，这样当电流继电器动作后，还必须经过时间继电器的延时才能动作于跳闸。而如果在延时期间故障已经切除，则电流继电器立即返回，整个保护随即复归原状，而不会形成误动作。
I
12
3
QF1
TA
++
-T +信号
YR
图2.2限时电流速断保护的单相原理接线图
3、本设计中是对环网线路配置保护，则采用带方向的过电流保护。其单相原理接线图如2.3所示。
图2.3带方向的过电流保护单相原理接线图
方向性继电保护的主要特点就是在原有保护的基础上增加一个功率方向判别元件，以保证在反方向故障时把保护闭锁，使其不误动作。
2.2 变压器保护的原理
电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，因此它的保护也非常多，主要介绍以下两种。
1、 变压器的差动保护
变压器差动保护的工作原理与线路纵差动保护的原理相同，都是比较被保护设备各侧电流的相位和数值的大小。如图2.4为其单相原理接线图，两侧TA1和TA2之间的区域为差动保护的保护范围，保护动作于跳开两侧的断路器QF1、QF2。
图2.4变压器差动保护单相原理接线图
2、复合电压过电流保护
复合电压闭锁的过电流保护一般用于升压变压器或过流保护灵敏度达不到要求的降压变压器上，适用于大多数中、小型变压器，保护原理接线如图2.5所示。
装置动作情况如下：当发生不对称短路时，故障相电流继电器动作，同时负序电压继电器动作，其动断触点断开，致使低电压继电器KV失压，动断触点闭合，启动闭锁中间继电器KM。想电流继电器通过KM常开触点启动时间继电器KT，经整定延时启动信号和出口继电器，将变压器两侧断路器断开。当发生对称短路时，由于短路初始瞬间也会出现短时的负序电压，KVN也会动作，使KV失去电压。因此，当负序电压消失后，KVN 返回，动断触点闭合，因此加于KV线圈上的电压已经是对称短路时的低电压，只要该电压小于低电压继电器的返回电压，KV不至于返回，而且KV的返回电压是其启动电压的（大于1）倍，因此，电压元件的灵敏度可提高倍。复合电压启动的过流保护在对称短路和不对称短路时都有较高的灵敏度。
图2.5复合电压启动的过电流保护原理接线图
2.3 母线保护的原理
母线是电力系统汇聚和分散电能的重要元件，母线发生故障，将使连接在母线上的所有元件停电。因此，母线保护尤为重要。本设计中采用了母线差动保护和电流比相式母线保护。母线完全差动电流保护的原理接线图如2.6所示，在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的电流互感器TA 。因为在一次侧电流总和为零时，母线保护所用电流互感器必须具有相同的变比,才能保证二次侧的电流总和也为零。所有TA 的二次侧在母线侧的端子连接在一起，另一侧的端子也连接在一起，然后接入差动继电器。这样差动继电器中的电流即为各个母线连接元件二次电流的向量和。
TA
K
KA I 1
I 2
I 3
I n
I>
QF 1
QF 2
QF 3
QF 4
图2.6母线完全差动电流保护的原理接线图
在正常运行及外部故障时，流入继电器的电流是由于各电流互感器的特性不同而引起的不平衡电流；当母线上发生故障时（如图中的K 点），所有与电源连接的元件都向d 点提供短路电流，于是流入差动继电器中的电流为
i
n
i
n
i i K
TA
n
i i
TA n
i i K 1
1
1
/
1
//
==
=∑∑== (1)
i
K
即为短路点的全部短路电流，此电流足够使差动继电器动作而驱动出口继电器，
从而使所有连接元件的断路器跳闸。
3 、短路电流计算并确定运行方式
3.1 阻抗标幺值的计算
G G
G k 1
k 2
k 3
k 4
A
B
C
D
x 1x 2x 3
x 4x 5x 6
x 7
x 14
x 12
x 11x 15
x 13x 10
x 9x 8
图3.1电力网络等值图
根据原始电力系统网络图可以绘制出如图3.1的等值网络图，其中根据等值网络图
计算各元件的等值阻抗，在阻抗的计算中，首先该选择基准值，对于本次设计选取的基准功率：S B =100MV ·A ，基准电压：B av
V V =。因此，电网各元件等值电抗的计算[4]如
下：
（1）发电机等值电抗的计算
如图2.1所示，其中电抗X1、 X2 、X3均为发电机的电抗，因为它们的参数均相同，所以
12
3100
0.1290.25850
B n
S
X X
X X S
?===
?=?
=
（2）变压器等值电抗的计算
对于变压器，根据它们的参数和型号不同，分别计算如下：
4
5%10.51000.26310010040b B n
U S X X S ??====?
6
%10.5100
0.175
10010060
b
B
n U
S X
S ??==
=?
89
11
1215
%10.51000.52510010020B
B n
U S X X X
X X
S ??=======?
（3）线路等值电抗的计算
对于线路，其阻抗为：
227100
0.4400.12115
B Y av
S X X V
=?
=??
=
2210100
0.4600.18115
B Y av
S X X V
=?
=??
=
221314100
0.4500.15115
B Y av
S X X X V
=
=?
=??
=
3.2短路电流计算
3.2.1 电力系统所有设备均投运且闭环情况下短路电流的计算 1、当系统中的发电机与变压器全部投运时的短路电流的计算。
（1）对k1点短路，其等值网络图如图3.2所示
G
G G k 1
x 2x 4x 1x 6
x 3
x 5G
G k 1
x 6
x 3
x 17x 16G
k 1
x 18
图3.2 k1点短路的等值网络变换图
其中：
1
216
11
2
110.2580.129
22X X X X X X
?==
=?=+
45174
4
5
110.2630.1312
2
X
X X X
X
X
?=
=
=?=+
()()()()()()16
173
6
18
16
17
3
6
0.1290.1310.2580.1750.16
0.1290.1310.2580.175X X
X X X X
X X X +?++?+===++++++
18350150
0.160.24100100js
X
X ?=?
=?=
查表得，
当 t=0s 时， I = 4.526 当 t=4s 时， I = 2.425 因此
kA I
41.3115
350
3526.4//
=???
=
kA I s t 83.1115
350
3425.24=???
==
（2）对于K2点短路，其等值网络图如3.3所示
G
k 2
G
k
2
G k 2
k 2
G x 21
x 18
x 7
x 14
x 13
x 10
x 18
x 7
x 19
x 18x 20
图 3.3 k2点短路的等值网络变换图
其中：
19
10
13140.180.150.150.48
X
X
X X =
++=++=
720207
20
0.120.48
0.096
0.120.48
X X X X X
??==
=+
+ 2118
20
0.160.0960.256
X
X
X
=
+=+=
21350150
0.2560.384100100js
X
X ?=?
=?=
查表得，
当 t=0s 时， I = 2.811 当 t=4s 时， I = 2.217 因此
kA I
12.2115
350
3811.2//
=???
=
kA I s t 67.1115
350
3217.24=???
==
（3）对于K3点短路，其等值网络图如3.4所示
G
k 3
G
k 3
G k 3
k 3
G
x 25
x 18
x 7
x 14
x 13
x 10
x 18
x 22
x 23
x 18x 24
图3.4 k3点短路的等值网络变换图
其中： 2210
70.120.180.3
X X X =+=+= 23
13
140.150.150.3
X X
X =
+=+=
15.02
1
2223
22
232224=?=
+
?=X X
X X X X 31.016.015.018
24
25
=+=+
=
X
X
X
465.0100
150
31.010050325=?=??
=X X
js
查表得，
当 t=0s 时， I = 2.302 当 t=4s 时， I = 2.088 因此
kA I
73.1115
350
3302.2//
=???
= kA I s t 57.1115
350
3088.24=???
==
（4）对于K4点短路，其等值网络图如3.5所示
G
k 4
G
G
G
x 28
x 18
x 7x 14
x 13
x 10x 18
x 26
x 14
x 18x 27
k 4
k 4
k 4
图3.5 k4点短路的等值网络变换图
其中：
45
.015.018.012.013
10
7
26
=++=+
+
=
X
X
X
X
113.015
.045.015
.045.014
26
14
2627=+?=
+?=X X
X X X
273.016.0113.018
27
28
=+=+
=
X
X
X
41.0100
150
273.010050328=?=??
=X X
js
查表得，
当 t=0s 时， I = 2.664 当
t=4s 时， I = 2.184 因此
kA I
01.2115
350
3664.2//
=???
=
kA I s t 64.1115
350
3184.24=???
==
3.2.2 只有G1、 G2投运且可能存在开环情况下短路电流的计算 1、当G1 、G2投运，而G3停运时的短路电流的计算 （1）对k1点短路，其等值网络图如图3.6所示
G
G x 1x 4
x 2
k 1
x 5
G
x 16
k 1
图3.6 G1、G2时k1点短路的等值网络变换图
其中：
26.0131.0129.02
12
14
15
4
542
1
2116=+=+
=
+?+
+?=X
X X
X X X X
X X X X
26.0100
50
216=??
=X X
js
查表得，
当 t=0s 时， I = 4.178 当 t=4s 时， I = 2.404 因此
kA I
098.2115
350
2178.4//
=???
=
kA I s t 21.1115
350
2404.24=???
==
（2）对k2点短路，其等值网络图如图3.7所示
k
2
G
x 16
x 7
x 14
x 13
x 10
G
x 17
k 2
图3.7 G1、G2时k2点短路的等值网络变换图
其中：
()()356
.0096.026.015
.018.015.012.015.018.015.012.026.014
1310
7
14131071617=+=+++++?+
=+++++?+=X X X
X X X X X X X
356.0100
50
217=??
=X X
js
查表得，
当 t=0s 时， I = 2.975 当 t=4s 时， I = 2.250 因此
kA I
49.1115
350
2975.2//
=???
=
kA I s t 13.1115
350
2250.24=???
==
（3）对k3点短路，其等值网络图如图3.8所示