1、35KV 输电线路继电保护设计作者：鄢凯指导教师：陕春玲教学单位：三峡大学 葛洲坝集团电力有限责任公司摘要：35KV 输电线路继电保护主要是阶段式电流保护，即第段为电流速断保护，第段为限时电流速断保护，第段为过电流保护。它以第段和第段作为主保护，以第段作为辅助保护。当第、段灵敏系数不够时，可采用电流、电压联锁速段保护。第段保护动作时间短，速动性好，但其动作电流较大，不能保护线路全长，保护范围最小;第段保护有较短的动作时限，而且能保护线路全长，却不能作为相邻元件的后备保护；第段保护的动作电流较前两段小，保护范围大，既能保护本线路的全长又能作为相邻线路的后备保护，灵敏性最好，但其动作时限较长，速动
2、性差。使用段、段、段组成的阶段式电流保护的主要优点是简单、可靠，并且在一般情况下能够满足快速切除故障的要求。阶段式电流保护，在灵敏系数能满足要求时，用于35KV 中性点非直接接地电网的线路上，作为相间短路的保护。在35KV 线路继电保护的设计中，还用到了单相接地保护，一般采用无选择性的绝缘监视信号装置。关键词：35KV 线路 阶段式电流保护单相接地保护整定计算原理接线图评价及应用前言电力系统继电保护技术，是随电力系统的发展而发展起来的一门专业技术。电力系统的发展，使发电设备容量和供电范围不断扩大，电压等级不断提高，电力系统的网络也越来越复杂。这对于保证电力系统安全、可靠、稳定运动必不可少的继电
3、保护技术，便提出了越来越高的要求，从而也就有了电力系统继电保护原理和装置从简单到复杂的发展过程。再次我们所介绍的继电保护原理及装置主要用于35KV 输电线路中。35KV 电力系统属中性点非直接接地系统，其中性点或经消弧线圈接地或不接地；对于相间短路和单相接地，由于接地电流小，三相电压仍能保持平衡，对用户没有很大的影响。因此，单相接地保护一般动作于信号，但单相接地对人身和设备的安全产生危害时，就应动作于断路器跳闸，故均应装设相应的继电保护装置，一般由具有阶梯时限特性的多段式保护构成。为提高供电的可靠性尽快将故障从系统中切除，本次设计主要采用的是三段式电流保护和单相接地保护。着重介绍了这两种保护的
4、工作原理，并对其保护进行了详细整定分析，以便更好的为该线路配备一套优良的继电保护装置，提高该线路的选择性，速动性、灵敏性、可靠性的要求，使得该电网可靠、简单、经济、正常运行。正文故障分析：为了保证电力系统的安全运行，必须对电力系统中所有的电力设备和输电线路配置完善的继电保护。如果继电保护配置不当，保护将不能正确工作（误动或拒动） ，从而会扩大事故停电范围，给国民经济带来严重后果，有事还可能造成人身和设备安全事故。因此，合理选择保护方式，对保证电力系统的安全运行有非常重要的意义。电力网继电保护的配置，要满足电力网的不同结构、电压等级、线路长度、运行方式以及负荷性质等的要求，否则将不能达到预期的保
5、护效果。一般来说，电网发生短路故障所呈现的基本稳态特征是在保护安装所检测到的电流会升高，电压要降低，阻抗、相位等都会发生变化。35KV 中性点非直接接地电网中，输电线路的相间短路时，短路电流过大，对设备造成很大的危害，保护必须动作于断路器跳闸。单相接地时，由于故障点的接地电流很小，三相之间的线电压仍保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下允许再继续运行1-2小时，而不必立即跳闸，这也是采用中性点非直接接地运行的主要优点。但是，在单相接地以后，其他两相对地电压要升高根号3倍。为了防止故障进一部扩大成两点接地或相间短路，应及时发出信号，以便于运行人员采取措施予以消除。由此，在单相接地时，
6、一般只要求继电保护能有选择性的发出信号，而不必跳闸。但当单相接地对人身安全和设备安全构成威胁时，则应动作于跳闸。 35KV 中性点非直接接地电网，其输电线路应针对相间短路和单相接地短路故障配置相应的保护装置。配置： 相间短保护采用两相两继电流保护，它是一种阶段式电流远后备保护方式，以第段、段电流速断保护作为主保护，以第段过电流保护作为后备保护，必要时可增设复合电压闭锁元件。由几段线路串联的单侧电源线路，如上述保护不能满足选择性、灵敏性和速动性的要求时，速断保护可无选择地动作，但应以自动重合闸来补救。此时，速断保护应躲开降压变压器低压母线的短路。 对相间短路，保护应按下列原则配置：1.保护装置采
7、用远后备方式 下列情况应快速切除故障:a 如线路短路使发电厂厂用母线电压低于额定电压的60%时。b 如切除线路故障时间长，可能导致线路失去热稳定时。C 城市配电网络的直馈线路，为保证供电质量需要时。d 与高压电网邻近的线路，如切除故障时间长，可能导致高压电网产生稳定时。e 保护的电流回路的电流互感器采用不完全星形接线，各线路保护用电流互感器均装设在 A、C，以保证在大多数两点接地情况下只切除一个故障接地点。 单相接地短路保护采用无选择性的绝缘监视信号装置。绝缘监视信号装置反应零序电压，动作于信号。 实际上，绝缘监视用的电压继电器的整定值在多数情况下选用15V。即Udz=15V阶段式电流保护整定
8、计算：一、 互感器的变比确定:继电保护的电流互感器一次侧额定电流应大于该线路可能出现的最大负荷电流即 ITA1.25In，已知 Ikmax=400A 则其一次侧电流ITA1.25In=1.25*400A=500A。在35KV 线路中电流互感器二次侧额定电流为5A，故电流互感器的变比K=500A/5A=100 查表后，知选型号为 LCW-35的互感器。电流互感器的电流误差是电流互感器的二次电流与折算到二次侧的一次电流大小不相等产生的误差。继电保护35KV 线路用电流互感器要求其变比误差不超过10%，角度误差不超过7准确级选择10P10，表示该互感器为保护用，在一次侧流过的最大电流为其一次额定电流
9、10倍时，该互感器的综合误差不大于10%。二、 对阶段式电流保护的要求：1、三段式电流保护：保护的电流回路的电流互感器采用不完全星形接线，各线路保护用电流互感器均装设在 U、W 两相上，以保证在大多数两点接地情况下只切除一个故障接地点。采用远后备保护方式线路上发生短路时，应尽快切除故障，以保证非故障部分的电动机能继续运行。2、灵敏系数：延时电流速断主保护的电流定值在本线路末端故障时，应满足如下灵敏系数的要求： 对20 km 以下的线路不小于1.5 对2050 km 的线路不小于1.4 对50 km 以上的线路不小于1.3按相邻电力设备和线路末端短路计算（短路电流应为阻抗元件精确工作电流1.5倍
10、以上） ，可考虑相继动作，远后备保护（电流、电压和阻抗元件）灵敏系数1.2.3、整定计算：无时限电流保护（电流段）：电流速断保护的整定原则： 电流速断保护的动作要保证选择性，即只有在本条线路内发生故障时，才应快速动作，而在相邻的下一条线路故障时，不应该动作。但是，在图中 AB 线路末端 K1点短路和相邻线路 BC 始端 K2点短路时，流过 AB 线路始端即保护安装处的短路电流大小几乎相等，这样，如果 K1点短路时电流速断保护动作，则 K2点短路时，电流速断保护也将动作。因此为了保证选择性，保护1的电流速断保护的动作电流应该躲开下一条线路始端 K2点短路时的最大短路电流（即外部故障的最大短路电流
11、） 。为了简化计算，常将 K2点取在变电所 B 上，故其整定计算公式为IIOP1 = Krel I (3)kmax式中 IIOP1保护1第段（即电流速断）保护的动作电流整定值Krel 可靠系数，一般取1.21.3；I(3)kmax 变电所 B 中母线短路时，流过保护1的最大运行方式短路电流的周期分量即“整定值”注意：（1）引入大于1的可靠系数 K rel 的原因是考虑：A、短路电流的计算值与实际值有误差，实际值可能大于计算值。B、对于瞬时动作的保护，要考虑短路电流中的非周期分量的影响。C、电流继电器实际动作电流值与整定值间有误差。D、要有一定的裕度。（2）三相短路电流 I(3)k的计算：如图中
12、画出两条短路电流沿线路长度的分布曲线即 Ik=f（L）曲线.曲线 l 表示系统最大运行方式下三相短路电流沿线长度的分布曲线;即 I(3)kmax =f（l）曲线曲线2表示系统最小运行方式下，两相短路电流沿线路长度的分布曲线即 I(2)kmin =f（l）曲线。曲线3表示电流速断保护的动作的电流 IIOP1=f（l）曲线。三相短路电流的计算公式为 Ik=Es/(Zs+Z1l)式中 Es 系统等效电源的相电势Zs 系统等效阻抗，相当于保护安装处到电源之间的等效阻抗Z1 短路阻抗，即短路点到保护安装处之间的正序阻抗Z1 为正序阻抗，一般取其电抗分量，其值为0.4/km， l 为短路点到保护安装处的距
13、离当变电所 B 母线短路时 IKMAXB=Es/(Zs+Zab)= Es/(ZS+ Z1Lab)Zab 线路 A-B 的阻抗，Z ab=Zll ab(3)最大运行方式的考虑：在继电保护中：系统发生短路时，通过该保护安装处的短路电流最大时的运行方式称为最大运行方式，此时系统阻抗 Zs 最小。系统发生短路时，流过保护安装处的短路电流最小的运行方式称为系统最小运行方式，此时系统阻抗 Zs 最大。综上所述，由图中看出：无时限电流速断保护不能保护线路全长。曲线3是表示曲线1和曲线2分别相交于 M 点和 N 点，在两交点以远处发生短路时，短路电流值将小于动作电流，因此保护不动作。故从点所对应的横坐标值 L
14、max 相当于系统最大运行方式时保护动作范围N 点所对应的 Lmin 相当于系统最小运行方式时保护的动作范围。无论是 LMAX或 LMIN都小于线路 AB 的长度，因此，无时限电流速断不能单独作主保护使用，而必须于其他保护配合才能担当主保护的职责之所在。整定计算：1）动作电流的整定：按躲过本线路末端最大短路电流来整定。为了保证外部短路时，无时限电流速断保护不动作，其动作电流应躲过外部短路时的最大短路电流，即：IIOP1=KIrelI(3)klmax= KIrelES/(XSmin+x1lab) =1.25371000/3 （ 0.75+0.420）3.052二次侧电流 I =3.052KA/1
15、00=30.52A2)灵敏度：L=1/x(E/I-x)=1/0.4(37100/33.0521000-0.9)15.2488422kmLmin/lab=12.904/20*100%=64.52%15%符合要求Lmax=1/x1(Es/IOP1-XSmin) =1/0.4(371000/33.0521000-0.75)150623km动作时限的整定：无时限电流速断保护动作时间仅为保护固有动作时间，整定时限为0S ，即 T10S。根据系统要求，无时间电流速断保护的最大保护范围不应小于线路全长的50%，其最小保护范围不应小于线路全长的15%-20%无时限电流速断保护原理接线图电流继电器 KA 接于电
16、流互感器 TA 的二次侧，KA 动作之后起动中间继电器 KM，KM 触点闭合后，经串联信号继电器 KS 的线圈接通，断路的跳闸先前 YT 使断路器跳闸。中间继电器 KM 的作用为：利用 KM 的触点接通断路器的跳闸回路因电流继电器的触点容量比较小，若直接接通跳闸回路，会被损坏。故起增加电流继电器触点容量的作用。当线路上装有管形避雷器时，可利用 KM 来增加保护装置的固有动作时间，以防止当避雷器放电动作时引起电流速断保护的误动作。因为避雷器放电相当于瞬时发生接地短路，但当放电结束时，线路立即恢复正常工作，因此电流速断保护不应误动作。为此，必须使保护的动作时间躲过避雷器的放电时间。一般避雷器放电时
17、间约半个周波（I 频） ，即10ms，也可能延长到20-30ms（1-1.5周波） ，并且还可能连续动作几次，故利用带延时0.06-0.08S 动作的中间继电器即可满足这以要求。4、无时限电流速断保护的评价及应用：优点：接线简单且可靠，动作速度快。缺点：不能保护线路的全长，即灵敏性差，保护范围受系统运行方式变化的影响。应用：当运行方式变化很大时，在最小方式下没有保护范围。当应用于短距离的输电线路时，由于线路首端和末端短路时，短路电流数值差别不大，致使保护区有可能为零（保护范围很小） ，因而不能采用。二、限时电流速断保护（电流段）（1）保护作用：由于电流速断保护不能保护本线路的全长，当被保护线路
18、末端附近短路时，必须由其他的保护来切除。为了满足速动性的要求，保护的动作应尽可能短。为此，可增加一套带时限的电流速断保护，用来切除本线路电流速断保护范围以外的故障，并作为无时限电流速断保护的后备保护。这种带时限的电流速断保护称为限时电流速断保护，又称为电流段保护。限时电流速断保护的主要任务是保护线路全长，并对末端故障具有足够的灵敏性，因此它是作为线路的主保护而设计的，由于它能以较小的时限快速切除全线范围以内的故障，因此，称之为限时电流速断保护。（2）限时电流速断保护的整定原则：如图为限时电流速断保护的计算图 a 保护动作电流的配合 b 保护动作时限的配合。线路 L1和 L2上分别装有无时限电流
19、速断保护和时限电流速断保护，其动作电流分别为 IIOP1和 IIIOP2，保护范围为 A-M和 B-N在保护1的限时电流速断保护中，要使其能保护 L1的全长，即线路 L1末端短路使应该可靠地动作，则其动作电流 IIIOP1 必须小于线路末端短路 Ik1，这样当相邻线路L2出口短路时，保护1也会起动，这种情况称为保护范围延伸到相邻线路。综上所述，若要限时电流速断保护能够保护线路全长，其保护范围必然要延伸到相邻线路首端，为保证选择性，必须给限时电流速断保护增加一定的时限，此时限既能保证选择性又能满足速动性的要求，即尽可能短。鉴于此，可首先考虑使它的保护范围不超出下一条线路速断的保护范围，而动作时限
20、则比下一条线路的速断保护高出一个时间段，此时间段以t 表示。A、动作电流的整定:由图知，N点为线路 L2电流速断保护范围末端，当该点短路时，短路电流等于保护2电流速断的动作电流 IIOP2，保护2的电流速断刚好能工作。由以上分析，保护1限时电流速断保护范围不应超过 N点，因此在单侧电源供电的情况下，它的动作电流应大于该店的短路电流，即: I IIOP1 IIOP2如果 IIIOP1= IIOP2则两个保护范围重合。考虑到电流互感器和继电器的误差，在保护1的限时电流速断保护出现的误差使其实际保护范围伸长，在保护2的电流速计算保护范围末端 N点发生短路时，保护2的电流速断保护实际上是不能动作的而保
21、护1的限时电流速断保护反而会动作，这就造成了非选择性动作，这是不允许的，故 I IIOP1 IIOP2所以动作电流的计算公式：IIIOP1= KIIrelI IOP2 引入可靠系数 Krel，考虑到短路电流中非周期分量已经衰减，故可选取比速断保护的 Krel 小一些，一般取 Krel=1.1-1.2B、动作时限的整定:限时电流速断保护的动作时限 T1应比下一跳线路无时限电流速断保护的动作时间 T2延长一个时间段t 即 T1= T2+t （T1T2）时间段t 大小的确定原则是：在保证保护装置之间动作的选择性的前提下应尽量小，以降低整个电网保护的时限水平，t 大小取决于所装设断路器及其传动机构的类
22、型，以及保护装置的动作时间的误差。在线路 L2短路时，保护1和保护2动作时间的配合关系，说明t 确定：(1)t 应包括故障线路 L2断路器的跳闸时间 TQF2, 即从操作电流送入跳闸线圈 YT的瞬间算起，知道电弧熄灭为止的时间，因为在这段时间里，故障并未消除，保护1仍应处于动作状态。当主保护为快速保护时，TQF2大致在下列范围内：对于快速及中速动作的断路器，TQF=0.11-0.16S；对于低速度动作的断路器 TQF =0.18-0.26S(2)t 应包括保护2的中间继电器实际动作时间比整定值 T2增大的正误差时间 TT2。若保护2为电流速断保护，则不必考虑这一项的影响。(3)t 应包括保护1
23、中时间继电器可能提前动作闭合其触点负误差时间 t 时间继电器动作误差:DS 111型 TT=0.05s; DS112型 TT=0.1sDS113型 TT=0.15s(4)t 应包括一个裕度时间 TY=0.1s 综合上述，保护1限时电流速断保护的动作时间为 T1=T2+TQF2+ TT2+ TT1+TY 则t=TQF2+ TT2+ TT1+TY假定：TQF2=0.05S，TT=0.15S ，TY=0.1S 则t=0.05+0.15+0.15+0.1=0.45S 根据所采用的断路器和继电器形式不同，t 在0.35-0.6S 之间，一般取t=0.5S按照上述原则整定的时限特性，由图知，在保护2瞬时速
24、断的保护范围内故障时，保护2将以 T2的时间动作，这时保护1的限时电流速断保护可能起动，因 T1T2所以保证了动作的选择性。当故障发生在保护 L1速断保护范围以内时，则保护1以 T1时间动作切除故障。当故障发生在保护 L1速断保护范围以外时，则保护1以 T1时间动作切除故障。结论：无时限电流速断保护和限时电流速断保护配合使用，可以使全线路范围内的短路故障都能在0.5S 内动作于跳闸，切除故障。故这两种保护可组合构成线路的主保护。C、灵敏系数的校验：限时电流速断保护的任务是保护权限范围内的相间短路故障，因此系统在最小运行方式下，线路末端发生两相短路时（此时流过保护的短路电流最小） ，应具有足够的
25、反应能力（即灵敏性） ，这种能力一般用灵敏系数 Ksen 来衡量。线路 L1的限时电流速断保护，其灵敏性系数校验公式：Ksen= IKmin/IIIOP1.31.5 IKmin系统在最小运行方式时，被保护线路末端两相短路时，通过保护的最小短路电流IIIOP 限时电流速断保护的动作电流限时电流速断保护的灵敏系数 Ksen 应大于1.这是因为当线路末端短路时，可能会出现一些不利于保护起动的因素，如：故障点可能有过度电阻的存在，使短路不是金属性的，因此短路电流减小不利于保护装置动作。实际的短路电流可能小于计算值。保护所用电流互感器具有一定的变比负误差。继电器动作电流值与整定值之间存在正误差。为使保护仍能可靠地动作，就必须考虑一定的裕度。故继电保护规程规定：限时电流速断保护的灵敏系数 Ksen 应为1.3 1.5 （200km 以下的线路不小于1.3；2050 km 的线路不小于1.4；50 km 以上的线路不小于1.5）若灵敏系数不满足要求，应降低保护装置起动电流整定值延长保护范围，以提高灵敏系数。即限时电流速断保护的动作电流可与下一条线路的限时电流速断保护的动作电流相配合。为保证选择性，其动作时限也必须比下一条线路的限时速断大t，即 T1= T2+tT1一般取1 1.2S。故提高了保护装置动作的灵敏性。
