110kV电网距离保护设计

前言

电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。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，可能出现各种故障和不正常的运行状态。继电保护装置，就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并作用于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：

（1）当电力系统中发生短路故障时，继电保护能自动地、迅速地和有选择地动作，使断路器跳闸，将故障元件从电力系统中切除，以系统无故障的部分迅速恢复正常运行，并使故障的设备或线路免于继续遭受破坏。

（2）当电气设备出现不正常运行情况时，根据不正常运行情况的种类和设备运行维护条件，继电保护装置则发出信号，以便由值班人员及时处理，或由装置自动进行调整。

由此可见，继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运行的可靠性，最大限度的保证向用户安全供电。因此，继电保护是电力系统重要的组成部分，是保证电力系统安全可靠运行的不可缺少的技术措施。本设计针对110kv电网的距离保护展开讨论，保证电网安全运行。

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2运行方式分析

最大和最小运行方式的区别在于系统负载不同(阻抗)，由于电网中某一段线路电压均为定值，所以继电保护中最大和最小运行方式下主要是考虑系统阻抗变化对电流型保护整定值的影响。

过电流分段保护注意如下：

1、最大运行方式下，本线路 I 段保护范围应大于线路全长的50%； 2、最小运行方式下，本线路 I 段保护范围应不小于线路全长的15%；

3、最大运行方式下，本线路 II 段保护范围应尽量不大于下一线路的在最小运行方式下的 I 段保护范围，以免本线路 II 段保护与下一线路的 II 段保护冲突。

图2-1 110kv电网最大运行方式接线图

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图2-2 110kv电网最小运行方式接线图

2.1 保护1的最大和最小运行方式

保护1的Ⅰ、Ⅱ段整定：

最大运行方式为G1、G2全运行，相应的 XXG1XT1s.min2=5.71 最小运行方式为一台电机运行，相应的 Xs.maxXG1XT1=11.42 母线B处三相短路流过保护1的最大电流 Id.B.maxEX=2.235kA

s.minXd保护1 的Ⅰ段定值为 IⅠⅠset.1KrelId.B.max=0.85×2.235=1.90kA

母线C三相短路流过保护3的最大电流 Id.C.maxEX=1.291kA

s.minXd保护3 的Ⅰ段定值为 IⅠⅠset.3KrelId.C.max=1.096kA 保护1 的Ⅱ段定值为 IⅡⅡⅠset.1KrelIset.3=0.823kA

母线B两相短路流过保护1的最小电流 I3Ed.B.min2XX=1.623kA

s.maxd保护1电流Ⅱ断的灵敏度系数 KⅡId.Bminsen.1IⅡ=1.973 灵敏度满足要求。 set.1II3Eset.12XL，Lmin1=24.19>9

s.maxmin1z1

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IIset.1EXs.minLmax1z,Lmax1=73.09>30

1保护1的第III段保护整定：

按躲最大负荷整定，外部故障切除后应该可靠地返回

IIIIIIIset1KrelKssKIL.max=0.36；

reKIk2.minsenIIII=4.51>1.2灵敏度满足要求。 set2.2 保护2的最大和最小运行方式

保护2的Ⅰ段整定：

最大运行方式为G3、G4全运行，相应的 Xs.minXG3XT32=6.75最小运行方式为一台电机运行，相应的 Xs.maxXG3XT3=13.5 母线A三相短路流过保护2的最大电流 IEd.A.maxX=1.42kAs.minXd保护2 的Ⅰ段定值为 IⅠⅠset.2KrelId.A.max=1.207kA

II3Eset.22X,Lmin2=85.35>9

s.maxLmin2z1IIEset.2Xs.minL，Lmax2=120.>30

max2z1保护2的III段整定：

IIIIKIIIrelKssset2KIL.max=0.36；

reKIk2.minsenIIII>1.2灵敏度满足要求。 set

错误！未指定书签。

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2.3 保护3的最大和最小运行方式

保护3的Ⅰ段整定：

最大运行方式为G1、G2全运行，相应的 XXG1XT1s.min2=5.71 最小运行方式为一台电机运行，相应的 Xs.maxXG1XT1=11.42 母线C三相短路流过保护3的最大电流 Id.C.maxEX

s.minX=1.291kAd保护3 的Ⅰ段定值为 IⅠⅠset.3KrelId.C.max=1.0975kA

II3Eset.32X，Lmin3=102.42>6

s.maxLmin3z2IIEset.3Xs.minLmax3z，Lmax3=136.97>20

2保护3的III段整定：

IIIIKIIIrelKssset1KIL.max=0.36；

reKIk2.minsenIIII>1.2灵敏度满足要求。 set2.4保护4的最大和最小运行方式

保护4的Ⅰ、Ⅱ段整定：

最大运行方式为G3、G4全运行，相应的 Xs.minXG3XT32=6.75 最小运行方式为一台电机运行，相应的 Xs.maxXG3XT3=13.5 母线B处三相短路流过保护4的最大电流 IEd.B.maxX=2.918kAs.minXd保护4 的Ⅰ段定值为 IIset.4KIrelId.B.max=0.85×2.918=2.481kA

母线A三相短路流过保护2的最大电流 Id.A.maxEX=1.42kA

s.minXd保护2 的Ⅰ段定值为 IⅠⅠset.2KrelId.A.max=1.207kA

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保护4 的Ⅱ段定值为 IⅡKⅡⅠset.4relIset.2=0.905kA

母线B两相短路流过保护4的最小电流 I3Ed.B.min2X=2.527kA

s.maxXd保护4电流Ⅱ断的灵敏度系数 KⅡId.Bminsen.4IⅡ=2.792 灵敏度满足要求。 set.4II3Eset.42XL,Lmin4=24.19>6

s.maxmin4z2IIEset.4XLmax4=50.03>20

s.minLmax4z，2保护4的III段整定：

IIIIKIIIrelKssset2KIL.max=0.36；

reKIk2.minsenIIII>1.2灵敏度满足要求。 set

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3距离保护的配置和整定

线路AB正序阻抗 ZABZ1LAB=0.4×60=24 线路BC的正序阻抗 ZBCZ1LBC=0.4×40=16

保护1~4距离Ⅰ段在复阻抗平面上的动作区域如图3-1所示，圆周1、2、3、4分别对应保护1、2、3、4距离Ⅰ段的动作特性。

jXjXA12B34CRR图3-1各保护的动作区域

3.1保护1的配置和整定

在1处配备三段式距离保护；选用接地距离保护接线方式和相间距离保护接线方式；它们的Ⅰ、Ⅱ段选择具有方向特性的距离保护，Ⅲ段选择具有偏移特性的距离保护。

Ⅰ 保护1的距离保护Ⅰ段 ZⅠset.1,2KrelZAB=0.85×24=20.4

保护1接地距离保护最大最小分支系数

1）当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时，有 K1b.max=6.25，K1b.min=1.84 2）当与相邻变压器的快速保护相配合时，有 K1b.max=3.31，K1b.min=2.93 保护1距离Ⅱ段的整定：

1）整定阻抗：按下面两个条件选择。

（a）当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时，有

ⅡⅠ ZⅡK(ZKZset.1relAB1b.minset.3)=0.75×（24+1.84×13.6）=34.218

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（b）当与相邻变压器的快速保护相配合时，有

Ⅱ ZⅡset.1Krel(ZABK1b.minZt)=0.75×（24+1.84×（15 + (20 15)/14)）=39.19

 所以取ZⅡset.1=34.2182）灵敏度校验：KsenZⅡ34.218=1.43＞1.25，满足灵敏度要求。 set.1ZAB24I3）动作时限：与相邻保护3 的I段配合，有t1IIt3t=0+0.5=0.5s，它能同时满足与相邻线路保护以

及相邻变压器保护配合的要求。 保护1距离Ⅲ段的整定：

1）整定阻抗：按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有 ZL.minⅢZset.1UL.min0.9110==190.53，30.3IL.maxKrelZL.min

KssKrecos(setL)0.85190.53=159.05

1.21.2cos(7530)Zset.1III2）灵敏度校验：

（a）本线路末端短路时灵敏度系数为 Ksen(1)IIIZset159.05.1=6.63＞1.5 ZAB24ⅢZset.1≥1.2

K1b.maxZnext（b）相邻设备末端短路时灵敏度系数为 Ksen(2)ZAB① 相邻线路末端短路时灵敏系数。令XBKXBC,XK0，所以有

K1b11X56.02X12.0XAB0311X12.1XAB1X34.1XXX56.0[56.0(1BC0)(1)]X34.0X34.0X12.0XAB0

当X34.1、X56.0min分别取最小值，而X12.1、X12.0、X34.0分别取最大值时，K1b就取最大值，即当

X34.1min=6.75，X56.0min=10.71，X12.1max11.07，X12.0max=16.07，X34.0max=16.07时，有K1bmax=3.86，ZnextZBC=16，Ksen(2)ZABⅢZset.1=1.85>1.2

K1b.maxZnext②相邻变压器灵敏系数校验，此时 K1bmax=3.86，ZnextZt=15.36

Ksen(2)

ZABⅢZset.1=1.91>1.2 所以灵敏度校验要求。

K1b.maxZnext- 8 -

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Ⅱ3）动作时限：与相邻设备保护配合，有t1tⅡ3t=1s，它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压

器保护配合的要求。

3.2保护2的配置和整定

在2处配备三段式距离保护；选用接地距离保护接线方式和相间距离保护接线方式；它们的Ⅰ、Ⅱ段选择具有方向特性的距离保护，Ⅲ段具有偏移特性的距离保护。

Ⅰ 保护2的距离保护Ⅰ段 ZⅠset.1,2KrelZAB=0.85×24=20.4

保护2接地距离保护最大最小分支系数

当与相邻变压器的快速保护相配合时，有 K1b.max=8，K1b.min=6.74 保护2距离Ⅲ段的整定：

1）整定阻抗：按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

ZL.minUL.min0.9110KrelZL.minIII==190.53， Zset.2KssKrecos(setL)30.3IL.maxZset.2III0.85190.53=159.05

1.21.2cos(7530)2）灵敏度校验：

（a）本线路末端短路时灵敏度系数为 Ksen(1)IIIZset159.05.1=6.63＞1.5 ZAB24IIIZset.2 ≥1.2 ZABK2.b.maxZnext（b）相邻设备末端短路时灵敏度系数为Ksen(2)① 相邻线路末端短路时灵敏系数。令XBKXBC,XK0，所以有

K4b11X56.02X12.0XBC0311X34.1XAC1X12.1[X56.0XX56.0(1AB0)(1)]X12.0X12.0X34.0XBC0

当X12.1、X56.0分别取最小值，而X34.1、X12.0、X34.0分别取最大值时，K1b就取最大值，即当

X12.1min=5.53，X56.0min=10.71，X34.1max=13.5，X12.0max=16.07，X34.0max=16.07时，有

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ⅢZset.4=2.0>1.2

K4b.maxZnextK2.b.max=2.，ZnextZAB=24，Ksen(2)ZBC②相邻变压器灵敏系数校验，此时 K2.b.max=2.，ZnextZt=15.36

Ksen(2)ZBCⅢZset.4=2.81>1.2 所以灵敏度校验要求。

K4b.maxZnextⅡⅡtt42t=1s，它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压3）动作时限：与相邻设备保护配合，有

器保护配合的要求。

3.3保护3的配置和整定

在3处配备三段式距离保护；选用接地距离保护接线方式和相间距离保护接线方式；它们的Ⅰ、Ⅱ段选择具有方向特性的距离保护，Ⅲ段具有偏移特性的距离保护。 保护3的距离保护Ⅰ段

ⅠZⅠset.3,4KrelZBC=0.85×16=13.6

保护3接地距离保护最大最小分支系数

当与相邻变压器的快速保护相配合时，有 K1b.max=6.12，K1b.min=5.05 保护3距离Ⅲ段的整定：

1）整定阻抗：按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有 ZL.minUL.min0.9110==190.53，30.3IL.maxIIIZset.3KrelZL.min

KssKrecos(setL)0.85190.53=159.05

1.21.2cos(7530)Zset.3III2）灵敏度校验：

（a）本线路末端短路时灵敏度系数为 Ksen(1)IIIZset159.05.4=9.94＞1.5 ZBC16IIIZset.3≥1.2 ZBCK3.b.maxZnext（b）相邻设备末端短路时灵敏度系数为 Ksen(3)① 相邻线路末端短路时灵敏系数。令XBKXBC,XK0，所以有

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K1b11X56.02X12.0XAB0311X12.1XAB1X34.1XXX56.0[56.0(1BC0)(1)]X34.0X34.0X12.0XAB0

当X34.1、X56.0min分别取最小值，而X12.1、X12.0、X34.0分别取最大值时，K1b就取最大值，即当

X34.1min=6.75，X56.0min=10.71，X12.1max=11.07，X12.0max=16.07，X34.0max=16.07时，有K1bmax=3.86，ZnextZBC=16，Ksen(2)ZABⅢZset.1=1.85>1.2

K1b.maxZnext②相邻变压器灵敏系数校验，此时 K1bmax=3.86，ZnextZt=15.36

Ksen(2)ZABⅢZset.1=1.91>1.2 所以灵敏度校验要求。

K1b.maxZnextⅡ3）动作时限：与相邻设备保护配合，有t1tⅡ3t=1s，它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压

器保护配合的要求。

3.4保护4的配置和整定

在4处配备三段式距离保护；选用接地距离保护接线方式和相间距离保护接线方式；它们的Ⅰ、Ⅱ段选择具有方向特性的距离保护，Ⅲ段具有偏移特性的距离保护。 保护4的距离保护Ⅰ段

ⅠZⅠset.3,4KrelZBC=0.85×16=13.6

保护4接地距离保护最大最小分支系数

1）当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时，有 K4b.max=6.17，K4b.min=1.72 2）当与相邻变压器的快速保护相配合时，有 K4b.max=2.92，K4b.min=2.48 保护4距离Ⅱ段的整定：

1）整定阻抗：按下面两个条件选择。

（a）当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时，有

ⅡⅠ ZⅡK(ZKZset.4relBC4b.minset.2)=0.75×（16+2.48×20.4）=49.94

（b）当与相邻变压器的快速保护相配合时，有

Ⅱ ZⅡset.4Krel(ZBCK4b.minZt)=0.75×（16+2.48×(15+5/14)）=40.56

 所以取ZⅡset.4=40.46

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IIZset40.56.4=2.>1.25,满足灵敏度要求。 ZBC162）灵敏度校验：KsenⅡ3）动作时限：与相邻保护2 的Ⅰ段配合，有t1tⅡ3t=0.5+0.5=1s，它能同时满足与相邻线路保护

以及相邻变压器保护配合的要求。 保护4距离Ⅲ段的整定：

1）整定阻抗：按躲过正常运行时 的最小负荷阻抗整定，有

ZL.minKrelZL.minUL.min0.9110Ⅲ==190.53， Zset.4KKcos()30.3ssresetLIL.maxZset.4III0.85190.53=159.05

1.21.2cos(7530)2）灵敏度校验：

（a）本线路末端短路时灵敏度系数为 Ksen(1)IIIZset159.05.4=9.94＞1.5 ZBC16ⅢZset.4≥1.2

K4b.maxZnext（b）相邻设备末端短路时灵敏度系数为 Ksen(2)ZBC① 相邻线路末端短路时灵敏系数。令XBKXBC,XK0，所以有

K4b11X56.02X12.0XBC0311X34.1XAC1X12.1[X56.0XX56.0(1AB0)(1)]X12.0X12.0X34.0XBC0

当X12.1、X56.0分别取最小值，而X34.1、X12.0、X34.0分别取最大值时，K1b就取最大值，即当

X12.1min=5.53，X56.0min=10.71，X34.1max=13.5，X12.0max=16.07，X34.0max=16.07时，有

K4.b.max=2.，ZnextZAB=24，Ksen(2)ZBCⅢZset.4=2.0>1.2

K4b.maxZnext②相邻变压器灵敏系数校验，此时 K4bmax=2.，ZnextZt=15.36

Ksen(2)ZBCⅢZset.4=2.81>1.2 所以灵敏度校验要求。

K4b.maxZnextⅡ3）动作时限：与相邻设备保护配合，有tⅡ4t2t=1s，它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压

器保护配合的要求。

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4振荡闭锁分析

电力系统振荡时，电压最低的这一点称为振荡中心，在系统各部分的阻抗角相等的情

1况下，振荡中心的位置就位于阻抗中心Z处，

2ZZT1ZABZBCZT3ZG35.535.2624165.268.111ZG132.29距离保护222安装在系统的不同位置，受振荡的影响是不同的。

4.1保护1的振荡闭锁分析

图4-1

从上图可以看出，振荡轨迹不进入Ⅰ段的动作特性曲线中，所以不需要加振荡闭锁；但是进入了Ⅱ的动作特性曲线中，如果从Zm1进入到Zm2出来的时间小于0.5s，那么Ⅱ段不需要加振荡闭锁，Ⅱ段保护的动作延时可以躲过振荡，如果大于0.5s，那么Ⅱ段保护就需要加振荡闭锁。虽然振荡曲线穿过Ⅲ的动作特性曲线，但是Ⅲ的动作延时是1s，可以躲过振荡，所以也不需要加振荡闭锁了。综上所述，保护1的Ⅰ段、Ⅲ段不用加振荡闭锁，Ⅱ段要不要加振荡闭闭锁看具体情况而定。

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4.2 保护2的振荡闭锁分析

从下图可以看出，振荡轨迹进入Ⅰ段的动作特性曲线中，由于保护Ⅰ段是瞬动的，没有动作延时，所以需要加振荡闭锁；如果振荡轨迹在Ⅲ段动作特性曲线内的时间小于0.5s，那么Ⅲ段不需要加振荡闭锁，Ⅲ段保护的动作延时可以躲过振荡，如果大于0.5s，那么Ⅲ段保护就需要加振荡闭锁。综上所述，保护2的Ⅰ段需要加振荡闭锁，Ⅲ段要不要加振荡

闭闭锁视情况而定。

图4-2

4.3保护3的振荡闭锁分析

11 对于保护3而言，无论是Zmax还是Zmin都在线路A、B上，而保护3安装在线路

22B、C上，而且装有功率方向元件，Ⅰ段、Ⅲ段都采用方向圆动作特性，所以振荡曲线在保护3的动作特性曲线反方向上，不会有交点。通过以上叙述，保护3的Ⅰ段和Ⅲ段就都不需要加振荡闭锁了。

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4.4保护4的振荡闭锁分析

从下图可以看出，振荡轨迹不进入Ⅰ段的动作特性曲线中，所以不需要加振荡闭锁；但是进入了Ⅱ的动作特性曲线中，如果从Zm1进入到Zm2出来的时间小于0.5s，那么Ⅱ段不需要加振荡闭锁，Ⅱ段保护的动作延时可以躲过振荡，如果大于0.5s，那么Ⅱ段保护就需要加振荡闭锁。虽然振荡曲线穿过Ⅲ的动作特性曲线，但是Ⅲ的动作延时是1s，可以躲过振荡，所以也不需要加振荡闭锁了。综上所述，保护4的Ⅰ段、Ⅲ段不用加振荡闭锁，Ⅱ段要不要加振荡闭闭锁看具体情况而定。

图4-3

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5 结论

电流电压保护的主要优点是简单、可靠、经济，但是对于容量大、电压高或结构复杂的网络，它们难于满足电网对保护的要求。电流电压保护一般只适用于35kv及以下电压等级的配电网。对于110kv电压等级的复杂网，线路保护采用距离保护能够满足电网继电保护的要求。

距离保护的主要优点：

（1）能够满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求； （2）距离保护较电流保护有较高的灵敏度。 距离保护的主要缺点： （1）不能实现全线瞬动；

（2）距离保护装置较复杂，调试比较麻烦，可靠性较低。

本设计基于对110kv电网线路和负荷的保护，确保发生故障时可靠地切断电源保证供电线路安全运行，对线路的4个区域分别安装了保护装置，该4个装置分别配置了三段接地距离保护和相间距离保护，当线路发生短路对应装置会立即动作保护线路安全。与此同时，综合考虑线路震荡闭锁的要求，保护装置能够保证区外故障引起系统震荡时可靠闭锁，仅震荡无故障时可靠闭锁，区外故障时不闭锁。装置具有较高灵敏度，可以应用于实际线路。

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6 参考文献

[1] 张保会，尹项根. 电力系统继电保护－2版. 北京：中国电力出版社，2009. 12 [2] 李维波. MATLAB在电气工程中的应用. 北京：中国电力出版社，2007 [3] 王葵，孙莹. 电力系统自动化－2版. 北京：中国电力出版社，2004

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