110KV线路继电保护及其二次回路设计

1.主接线

下图为某电力系统主接线。该系统由某发电厂的三台发电机经三台 升压变压器由A母线与单侧电源环形网络相连，其电能通过电网送至B、

2•相关数据

⑴电网中的四条110kV线路的单位正序电抗均为 0.4 □⑶发电厂的最大发电容量为 3 X 50 MW，最小发电容量为 2 X 50 MW，发电机、变压器的其余参数如图示；

⑷系统的正常运行方式为发电厂发电容量最大， 输电网络闭环运行； ⑸系统允许的最大故障切除时间为 0.85s；

(6)线路AB、BC、AD、CD的最大负荷电流分别为 230A、 150A、 230A和140 A,负荷自启动系数 K55 =1.5;

⑺各变电所引出线上的后备保护的动作时间如图示，△ t二0.5s。

⑻系统中各110kV母线和变压器均设有纵差动保护作为主保护。

目录

供配电技术课程设计任务书 .................................... 1 摘要 ......................................................... 2

1、 ................................................... 系统条件 4 2、 ................................ 110KV线路继电保护整定计算 5 3、 ............................ 110KV继电保护和自动装置的配置

18 4、 ......................... 110KV系统电流互、电压互感器选型

22 5、 .......................... 110KV电流环网继电保护装配的配置

26

毕业设计总结 ................................................ 30 附录 ........................................................ 34 参考文献 .................................................... 35

摘要

随着我国电力工业的迅速发展，各大电力系统的容量和电网区域不 断扩大。继电保护装置广泛应用于电力系统、农网和小型发电系统，是 电网及电气设备安全可靠运行的保证。

为给110KV单电源环形电网进行继电保护设计， 首先选择过电流保 护，对电网进行短路电流计算，包括适中电流的正序、负序、零序电流 的短路计算，整定电流保护的整定值。在过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。

同时详细介绍了主设备差动保护的整定算法，电气主接线的设计、 做出短路点的等效电路图，对设备保护进行了相应的选择与校验。通过 比较各个接线方式的优缺点，确定变电站的主接线方式。 继电保护的基本任务：

(1) 当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护 装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元 件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损

坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求 如保持电力系统的暂态稳定性等。

(2) 反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备 运行维护条件的不同，例如有无经常值班人员，发出信号，以便值班人员进 行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电

气设备予以切除。反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延 时动作。

1、系统条件

、主接线

下图为某电力系统主接线。该系统由某发电厂的三台发电机经三台 升压变压器由A母线与单侧电源环形网络相连，其电能通过电网送至B、 C、D三个降压变电所给用户供电。

二、相关数据

⑴ 电网中的四条110kV线路的单位正序电抗均为 0.4 /km ；

⑵ 所有变压器均为 YN,d11接线，发电厂的升压变压器变比为 10.5/121，变电所的降压变压器变比为110/6.6;

⑶ 发电厂的最大发电容量为 3 >50 MW，最小发电容量为2 >50 MW，发电机、变压器的其余参数如图示；

⑷ 系统的正常运行方式为发电厂发电容量最大，输电网络闭环运 行; ⑸ 系统允许的最大故障切除时间为 0.85s； ⑹线路AB、 BC、AD、 CD的最大负荷电流分别为

230

A、 150A、 230A和140 A,负荷自启动系数 J：';

⑺ 各变电所引出线上的后备保护的动作时间如图示，△

t = 0.5s。

⑻系统中各110kV母线和变压器均设有纵差动保护作为主保护。

2、110KV线路继电保护整定计算

、二段式电流保护整定计算

1.

计算网络参数: 2.

选取基准功率S B=100MVA和基准电压为

-X G2(B) * -XG1(B) * G3(B) *

二 x G(N)* 亟二 0.129

SN

=X T2(B) * =XSB

T 1(B) *

T1(N)

*

\"263 S N 100 空哩40

XT 3(B) * T3(N)

100 0.175

100

60

L1 (B) * XL

SB 0.4

40 V2

x ------- 100 N

2 二

115 0.121

L2 (B) * XL

SB 50 100 V2

0.4

N

115 2

二 0.151 S B

L3

(B) * XL

V2

0.4

60 100 N 115 2

二 0.181

L4 (B) * XL

SB 50 100 V2 0.4

N

115 2

二 0.151

XT 4(B) * T5(B) *

=XT4(N) • S

BT 6(B) *

T7(B) *

二 X

10.5 100

' - ------------ = 0.525 100 20

最大运行方式下的最大电源阻抗: X1

( 0258 十0^63)||(0.258 +0.175) = 0.261 ||0.433 = 0.163

2 2

VB二

Vav

0.258

50

最小运行方式下的最大电源阻抗:

Xi 2 2

0.258

0.263 0.261

3. 最大短路电流计算和整定计算

为计算动作电流，应该计算最大运行方式下的三相短路 电流，为校验灵敏度要计算最小运行运行方式下两相短

路电流。为计算1OF、3OF、5QF、7QF的整定值根据 如上系统图可知，最大运行方式要求8QF断开，等值阻 抗图如

下：

相当于空载线路

1）当K1点发生三相短路时，正序网络图如下:

100 J3 115

E1 263 + -

X1=0.163 0.121_A

O.

K A A A A 0.18 1

0.263

V V

'vV1

v0.15

0.525

1

正序阻抗:

(0.163 0.121)||0.263||〔0.181 0.2631|(0.151 0.525

1

二0.100

二 0.502(KA)

基准电流：

SB

B

1152 X100

B

132SB

.25

基准阻抗:

三相短路的正序电流:

(3) al

I

j(Xi. x『)

0.1

短路电流：

|K)= m「l：3)汽 IB T 汉 10汉 0.502 二 5.02( KA )

瞬时电流速断保护，即躲过本线路末端最大短路电流：

1OF电流一段整定值：

I ；1 = K「e「I K1 = 1公 5.02= 6.024(KA)

3)

t = 0s

检验灵敏度系数:

2

即:

Zs

max

E.

Z L1

I act1

min

I

2 L1

0.261 132.25 0.4 L1 0

二

min

6.024

：：min

由此可知灵敏度不够

同理可知:

2）当K2点发生三相短路时，正序网络图如下:

0.181 —A A A ¥ V -________ ,n- _ _ - _________ ■■■. ___________ V E1 V V V V V V V X仁0.163 0.121 0.263 ------------- N 7 V -------------- 0.151 ■ + JV1 > = 0.263 < < <) 0.525 wU 正序阻抗： 基准电流：

X1 =0.119 IB二0.502

V _ 1151 132.25SB 100 Q

2 2

三相短路的正序电流: (3)

a1 1

基准阻抗：B

X

E迂 1

j（X

X『） 0.119

8.403

短路电流：

lK2 =1：3)

汉 IB = 1汉 8.403沃 0.502 二

4.218(KA )

瞬时电流速断保护，即躲过本线路末端最大短路电流:

30F电流一段整定值:

1；3「匚/(2 二 1公 4.218 = 5.062( KA )

Z L3min

t = 0s

仝 ___________

E ___

-1 actl

Zs。max

即

3）当K3点发生三相短路时，正序网络图如下二、检验灵敏度系数:

X仁0.163 0.121

E1

-

由此可知：灵敏度不够

:

0.181

0.15

1

AA 0.525V-

正序阻抗：X■二0.1

基准电流：冷二0.502

XB

基准阻抗：

V2 SB

1152

100 Q

=132.25

三相短路的正序电流:

(3) al

j（Xi x『）

短路电流：

5.291 1 0.1

I K3 = m 汇 I* 汉 IB = 1汉 5.29V 0.502= 2.656KA）

3

瞬时电流速断保护，即躲过本线路末端最大短路电流：

5OF电流一段整定值：

I ；5 = Kre「IK3 = 1Q 2.656= 3.187KA)

3)

(检验灵敏度系数:

I

actl

Z L4

min

Zs。max

即:

L4min ：：0

由此可知灵敏度不够

4) 7QF的整定，仅需要加一个功率方向继电器就可以了。

由上诉可知电流保护I灵敏度不够，在经济条件允许的情况 下，为了保证电力系统能更好的运行，且考虑电压等级为

110KV，所以可以采用距离保护：

短路电流列表：

1需=)I 厂仆 10況 0.502 = 5.02( KA )

I K2 = m「I * TB = 1汉 8.403沢 0.502= 4.218(KA ) I K3 二 m_ I ：3))I 厂 T 5.29V 0.502 二 2.656 KA )

三、距离保护整定计算

40^^

LI 2OF oor L3 +QF T5

UU 卜-10.551

H -10.5^

3汕

T1

T2

G1

SG)r

珈门

枷如

F 5QKM亦

3X30UYA ■.■f\"' T3

T2

-- cti t = d. 35 U P -10.5^

■/；■'■■ T6

爲=0.129

LI 卜-10.5^

1. 计算网络参数：

Z LI =

XL i= 0.4 40 = 16Q

Z L3

-

XL 3

=

0

.4 60 = 24Q

ZL4

二

XL 4 二

0.4 50 二

20Q

9

Z

VB 10.5 115T4 _XT5 -

- X

T4(N)

—=

SN

100

20

2. 距离保护整定值计算:

].5s

2X10MVA u E

T7

T8

9

=69.431Q

(1) 1QF距离保护整定值计算:

一段整定阻抗：

zSet 厂 K 冋ZL厂 0.85

16 = 13.8Q

二段段整定阻抗：

1)与相邻下级L3段的一段配合:

16 2

XLI 69.431

bmin

XT4 2

Z；et3 二 K ；乙3 二 0.85 24 二 20.4Q

Z：et厂 K(XL1 - Kbmin

0.80 21.569Q

2) 按躲过相邻变压器出口短路整定：

0.539

16 0.539 20.4)

二(

1 X

bm in

1

1

(

4

1-

C厂齐一 6)°.

z 口

167

Z；t厂 K((XLI Kbmin zT) 0.70 (16 0.167 69.431) 二 19.316Q

灵敏度校验：要求 Ksen二仝 >1.25

ZLI

所以 :Z set 1 =21.569 Q

t=0s

1、 3QF距离保护整定值计算：(同理)

Z；et3 二 K；eZL3 二 0.85 24 二 20.4Q ZSSet 厂 70.262 Q

2、 5OF距离保护整定值计算：

Z；et 5 二 K；IZL4 二 0.85 20 = 17Q

t = 0s

考虑到7QF仅需要加装一个功率方向继电器或者方向阻

抗继电器，5QF不需要和7QF的距离保护装置配合，所以5QF 仅需要和T6的保护配合。

Z；t 5 = 111 .203Q

汪意

根据设计要求： “系统允许的最大故障切除时间为

0.85s”

系统最低等级的后备保护延时时间都已经超过了了 1.5S,如果 按照阶梯原则配合，不满足设计要求，所以不需要加装三段保 护。

3、110KV继电保护和自动装置的配置

一、 保护装置的配置 1） 主保护的配置

由系统可知110KV线路配置有众联保护，全线路上任意点故障都能 快速切除。保证系统稳定安全运行。 2） 后备保护的配置

考虑保护性能优越性：110线路应该配距离保护，但是距离保护复杂 而且价格昂贵，维护困难。

考虑经济的优越性：可以尝试配 三段式电流保护，同时由于系统是 环网运行，相当于双电源运行一定要加方向元件。在 110KV等级电力网 络中，三段式电流保护可能在系统最小运行方式下没有保护范围，如果 系统在最小运行方式下运行的几率不大的情况下，而且资金不够的情况 下可以尝试三段式电流保护，基本可以保证系统正常运行。

考虑系统的运行方式：110KV高压输电网络应该属于大接地电力系 统，需要配置零序保护。如上考虑到环网运行，也要加方向元件。保证 保护不误动作。

继电保护保护装置的配置不是一层不变的，要考虑系统运行情况、 经济状况、人员技能、环境影响等等情况，但是电力系统继电保护的基 本任务不变：1.自动、迅速、有选择的将故障元件冲系统中切除。 2.反应 电力设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，动作于发出信号或 跳闸。 二、 自动装置配置

1）简述

电力系统自动装置是指在电力网中发生故障或异常时起控制作用 的设备，主要包括自动重合闸、备用电源自动投入装置、低频减 载和失压解列装置等设备，电网中自动装置的型号多、逻辑千变 万化，在实际运行中会暴露一些问题。电网中自动装置的配置， 需要我们进行全面的考虑。

sor

15s

2X4QWVA U»

A

2 XI轴

也

3X 迦“

OVA

cu? t = (J. 55 u ” ■ 10.5X I* =0.129

2）系统安全自动装置的配置

配置重合闸：在电力系统故障中，打多数故障是输电线路故障。运 行经验表明大多数线路故障是“瞬时性”故障，此时，如果把断开的线 路在合上，就能恢复正常供电。

如图所示：该系统为110KV输电线路系统，按照要求，每一个断路 器都应该装有ARD装置，并与继电保护后加速配合形成重合闸后加速保 护，保证电力系统最大限度的正常供电。

配置备用电源自动投入装置：当线路或用电设备发生故障时，能 够自动迅速、准确的把备用电源投入用电设备中或把设备切换到备 用电源上，不至于让用户断电的一种装置。

如图所示：该系统为110KV输电线路系统，根据系统要求，如果 B 变电站或C变电站中的两台变压器，为了保证负荷可以长时间的正常运 行，应该加入AAT装置。

配置低频、低压减载装置：它在电力系统发生事故出现功率缺额使 电网频率、电压急剧下降时，自动切除部分负荷，防止系统频率、电压崩溃, 使系统恢复正常，保证电网的安全稳定运行和对重要用户的连续供电。

如图所示：该系统为110KV输电线路系统，根据当地系统运行状况 和系统要求，为了保证系统能够稳定运行，防止系统频率、电压崩溃应 该在变电站B、C、D中配置低频、低压减载装置。

4、110KV电流互、电压互感器选型 一、电流互感器的选择 1） 电流互感器的额定电压不小于安装地点的电网电压。

2） 电流互感器的额定电流不小于流过电流互感器的长期最大负荷电

流

3） 户内或户内式 4） 作出电流互感器所接负载的三相电路图，根据骨仔的要求确定所 需电

流互感器的准确级；例如有功功率的测量需要0.5级；过流保 护需要3级；差动保护需D级。 5） 根据电路图确定每相线圈所串联的总阻抗欧姆数（包括负载电流 线圈

的阻抗、连接导线的电阻和接触电阻），要求其中总欧姆数最 大的一相，不大于选定准确级下的允许欧姆数。

6） 校验电动稳定性：流过电流互感器最大三相短路冲击电流与电流

互感器原边额定电流振幅比值，应该不大于动稳定倍数。 7） 校验热稳定：产品目录给出一秒钟热稳定倍数K t，要求最大三相 或者

两相短路电流发热，不允许的发热。

根据系统电压等级和系统运行要求，由于缺乏一定的条件，只能根 据最简单的条件选取LZW— 110型电流互感器，在条件允许的情况下应 该根据系统运行的情况具体选择。

以下仅作为参考：

110KV电流互感器选择

(1)

Ue二U=110kV

g

(2) I gma)=110%|le

I gmax 1102 Ie 啤

110% 1.1

1000A

型号 电流比 技术参数 级次组合 Kd 135 Kt 75/1s LB7-110 1200/5 0.2/10P15/10P2 0 （3）预选：LB7-110 ,技术参数如下表

⑷校验：

①热稳定校验：

I ⑷ 2t ep=26.4（kA 2S）

2 2

(I

tep<(| leK)}

I I ie=1200A Kt =75; t=1s

2

ie

K)2t=(1.2 x 75)2 x 1=8100(kA2S)

符合要求 ②动稳定校验:

K=135 ; lie=1200A i ch=7.83(kA)

、2lKdi；2 1.2 135 = 229 (kA)

1e

i ch ' 2 丨 1e K d

符合要求

二、电压互感器的选择

1） 电压互感器的额定电压不小于安装地点电网额定电压。 2） 户外或者户内式。 3） 结构形式：

一般110KV及以上电压，采用三个单相电压互感器结成：

Y 0 / Y 0 / [

-12 ,每个单相电压互感器变比是

35KV电压互感器，用三个单相接成Y 0/丫。/匚-12,每

一个 单项电压互感器变比是35000 WO 100-12

~；3 / J3 /

3

对于发电机自动电压电压调整器的是三个单相电压互感 器，接成△ /Yo-12，每个单相变比是U 100-112 ；

供发电机测量、同期及继电保护是用三相五柱式电压互感

对发电机电压母线的电压互感器，用三相五柱式电压式。

4）作出电压互感器副边所接负荷的三相电路图，

荷要

根据所接负

求，确定电压互感器准确级，一般有功功率测量要用0.5 级。 根据上面结构形式的要求，不同地方的电压互感器不同， 对于环网线路的运行根据电压等级匹配

WVB110-20H型电压互

感器。由于条件不够具体的配置要按上面的电压互感器配置的 要求来进行。 以下仅作为参考：

选取 WVB110-20H 户外 ；

110000/100

'.3 3

额定变比：

0.2 级：150VA 0.5 级：150VA 3P 级：100VA

5、110KV电流继电保护装配的配置

一、PSL 620C系列数字式线路保护装置概述

1.1适用范围

PSL 620C系列数字式线路保护装置是以距离保护、

保护和三相一次重合闸为基本配置的成套线路保护装置，

零序 并集

成了电压切换箱和三相操作箱，适用于 110KV、66KV或 35KV输配电线路。目前该系列保护装置有PSL621C、 PSL622C、PSL623C、

PSL626C、PSL627C 五种型号。 1.2功能配置及型号

本系列保护装置基本配置（PSL621C）设有两个硬件完全 相同的保护CPU模件，其中一个保护 CPU完成距离保护功 能，另一个保护

CPU完成零序保护和三相一次重合闸功能， 各CPU插件之间相互。

各种保护功能均由软件实现。保护的逻辑关系符合“四统 一”设计原则。

1.3性能特点：

1）人性化：

装置采用大屏幕全汉化液晶显示器，可显示 字，显示信息多；

事件和定值全部采用汉字显示或打印，摒弃字符表述方 式;

录波数据以波形方式输出，包括模拟量和重要开关量，可 由突变量或开关变位启动；

定值以汉字表格方式输出，控制字可按十六进制和按功能 两种方式整定；

全汉化 WINDOWS界面的调试和分析软件 PSview，不 但能完成人机对话的功能，还能对保护录波数据分析。

15X 8个汉

2）大资源：

保护功能模件（CPU）的核心为32位微处理器，配以大 容量的

RAM和Flash RAM，使得本装置

具有极强的数据处理能力和存储能力， 可记录的录波报 告为8至

50个，可记录的事件不少于1000条。数据存入 FLASHRAM中，装置

掉电后可保持；

A/D模件采用16位的A/D转换和有源低通滤波，使本

装置具有极高的测量精度；

采用CAN网作为内部通讯网络，数据信息进出流畅，事 件可立即上传；

可整定32套定值，供改变运行方式时切换使用。

3） 高可靠性：

装置采用背插式机箱结构和特殊的屏蔽措施，能通过

IEC255 — 22-4标准规定的IV级（4KV 士 10%）快速瞬变干 扰试验、IEC255 — 22 — 2标准规定的IV级（空间放电15KV , 接触放电8KV ）

静，电放电试验，装置整体具备高可靠性； 组屏可不加抗干扰模件。

4） 开放性：

通信接口方式选择灵活，与变电站自动化系统配合，可实 现远方定值修改和切换、事件记录及录波数据上传、压板遥控 投退和遥测、遥信。

5） 透明化：

记录保护内部各元件动作行为和录波数据， 作时内部各计算值；

记录各元件动

记录保护在一次故障中发出的所有事件和当前运行的定 值;

可将数据在 PSview软件上分析保护内部各元件动作过 程。

6）免调试概念：

在采样回路中，选用高精度、高稳定的器件保证正常运行 的高精度，避免因环境改变或长期运行而造成采样误差增大；

细微的软件自动调整，提升装置精度。完善的自检功能， 满足状态检修的要求；

装置中无可调节元件，无需在现场调整采样精度，同时可 提高装置运行的稳定性。

具体保护装置说明请参考 PSL620C数字式线路保护装 置技术说明书

课程设计总结

110KV线路继电保护及其二次回路设计，对于我们刚刚毕 业的大

学生来说，还是一个比较难的课题。当我们刚刚拿起这 个毕业设计课题时，我有点懵：仿佛就是狗咬刺猬一一不知道 从何处下手。经过自己的反复思索和查找资料，在一步一步地 缓慢进行着。睡着时间的流逝，

110KV线路继电保护及其二次 回路课程设计现在也已经做到毕业设计

总结这一步来了。

回想刚刚走过的一个多星期的历程设计历程，牺牲了很 多休息时

间，几乎每天都在埋头苦干，桌子上的书一天比一天 多。不过虽然很辛苦，但是收获颇丰，现在以课程设计创作的 过程的形式来总结如下：

准备工作:

结论：根据设计要求：发电厂的最大发电容量为

3 X 50

MW，最小发电容量为2 X50 MW，系统的正常运行方式 为发电厂

发电容量最大，输电网络闭环运行。

2. 110KV环网线路应该配备什么样的保护？

结论：主保护：重要的输电线路需要装设纵联保护或距离 保护。 后备保护：可以装设三段式电流保护、零序保护

3. 如果三段式电流保护满足要求， QF具体整定时，最大运

行方怎么样运行的的？

结论：1QF、3QF、5QF的整定要在8QF断开的情况下求 得最大短路电流，然后在进行整定计算

4. 短路电流计算的基本知识和计算技巧：是用有名值还是有 标么值计

算？

结论：系统有多个电压等级，利用标么值计算可以避免电 压的换算，较为简单

5） 序网络图该如何画？

结论：具体可以参考《电力系统分析》短路电流计算部分。6） 如果保护不满足要求该怎么办？

结论：计算过程中发现三段式电流保护一段就不满足要 求，我们的措施是换距离保护。

二、网络计算

1） 网络参数的计算。 2） 最大短路电流的计算。 3） 保护整定值的计算。 4） 灵敏度的校验。

5） 保护不满足要求的解决办法。 2. 查找厂家资料配备CT、PT和保护装置。

3. CT、PT的配置主要参考了《发电厂变电所电气设备》中

CT、PT

的配置原则，保护装置的配置主要对南自保护装置经行了

相关比

较。

4. 绘制图纸

根据设计要求：绘制了 110KV线路保护、测量交流回路图 和110KV线路保护、测量直流控制回路图