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简介：这份课程设计以110KV单电源环形网络为研究对象，完整走完继电保护设计全流程，适合电气工程及其自动化专业本科生作为课程设计模板或备考复习资料。设计内容涵盖保护配置方案、短路电流及残压计算、K1/K2/K3不同短路点下的整定值计算、主保护与后备保护的配合分析，还涉及负荷自起动系数、时限级差、方向电流电压保护、变压器纵联差动保护等关键参数的运用，以及互感器、微机保护装置选型和二次展开原理图绘制等核心环节，能帮助读者掌握从原始资料分析、网络参数计算到保护综合评价的完整设计思路与计算步骤。资源包为1份Word文档，约348KB，文档按章节组织，包含设计原始资料、计算过程、设定表格和参考文献，便于直接参照修改。目前已有413人学习浏览，适合需要完成同类继电保护课程设计或想系统梳理110KV线路保护知识与整定计算方法的电气专业学生和工程技术人员。

1. 110KV单电源环网的继电保护课程设计，整定计算才是真正的门槛

一份110KV单电源环形网络的继电保护课程设计，网络化简和短路电流计算一般都能顺利过关，真正让人卡住的是三件事：三段式电流保护的Ⅰ段灵敏度校验不合格、环网分支系数怎么取、距离保护Ⅱ段与相邻线路配合后灵敏度依然不达标。这份设计以3×50MW发电厂、三条线路构成的环网为对象，把保护1、3、5的整定计算、互感器选型、PT断线闭锁和二次展开图全流程拆开来讲。文中的数值都可以用基准容量100MVA、基准电压115kV复算验证，现场做整定复核时可以直接对照参数表核稿。

2. 短路电流计算与三段式电流保护整定

2.1 等值电路与基准参数

取基准功率SB=100MVA、基准电压VB=115kV后，所有元件电抗都换算成标幺值。基准电流IB=SB/(√3VB)=100/(1.732×115)=0.502kA，基准阻抗ZB=VB²/SB=132.25Ω。这两个基准值贯穿后面所有短路电流和整定计算，建议开工前先写在草稿纸最上面，后续每次换算都回来对照，能少犯一半低级错误。

发电厂单台发电机额定容量50MW，次暂态电抗X''=0.129，换算到100MVA基准下为0.258；变压器T1、T2容量40MVA、短路电压百分数10.5%，换算为0.263；T3容量60MVA，换算为0.175。线路AB长40km、BC长30km、CA长50km，按0.4Ω/km计，标幺值分别为0.121、0.091、0.151。

提示：原文设计书里把BC线路的标幺值写成了0.109，但按0.4×30×100/115²复算是0.091，且后文距离保护章节中Z_BC=12Ω对应的也是0.091。手工设计书里这种誊抄不一致很常见，复现时以公式结果为准。

最大运行方式对应三台发变组全投，系统等值阻抗X1=0.163；最小运行方式停运一台发变组，X1=0.261。这两个值决定了后续Ⅰ段整定的边界条件，后面所有灵敏度校验都以最小方式参数为基准，不能混用。

2.2 K1点三相短路电流复算

K1点设在AB线路末端，也就是B母线处。最大运行方式下等值阻抗为0.163+0.121=0.284，三相短路电流标幺值1.05/0.284=3.70，有名值3.70×0.502=1.86kA。最小运行方式下等值阻抗0.382，短路电流有名值1.38kA。计算时系统电动势取1.05标幺值，这是110kV电网短路电流计算里的常见取值。

K2、K3点按同样套路计算：K2在BC末端，最大方式短路电流1.41kA，最小方式1.11kA；K3在CA末端，最大方式1.00kA，最小方式0.85kA。这三个点的最大、最小短路电流是后面所有保护的整定依据，至少要正向反向各验算一遍再往下走。

2.3 保护1QF的三段式电流保护整定

先看Ⅰ段瞬时电流速断。按躲过本线路末端最大三相短路电流整定，可靠系数Krel取1.25，Iop=1.25×1.86=2.33kA，动作时间0s。整定值本身没有争议，问题出在灵敏度校验。

用最小运行方式下线路首端两相短路电流校验保护范围，公式是Lmin=(Eφ/(2×Iop)-Xs.max)/x_L。Eφ=115/√3=66.4kV，Xs.max=0.261×132.25=34.5Ω，x_L=0.4Ω/km，代入后Lmin为负值。这说明即使母线出口发生两相金属性短路，流过保护的最小短路电流也达不到2.33kA，Ⅰ段完全没有保护范围。原因是最大与最小运行方式下系统阻抗相差约60%，这是环网线路电流速断保护的典型软肋。

Ⅰ段不行就靠Ⅱ段限时电流速断。先按与BC线路的Ⅰ段配合，Iop=1.15×1.76=2.03kA，用本线路末端最小短路电流1.38kA校验，Ksen=0.68远低于1.3的要求，不合格。改与3QF的Ⅱ段配合，两级可靠系数相乘后定值降到0.97kA，Ksen=1.42满足要求，动作时间0.5s。

Ⅲ段定时限过电流保护按躲过最大负荷电流整定，Krel=1.2、自起动系数Kss=1.5、返回系数Kr=0.9，Iop=1.2×1.5×0.23/0.9=0.46kA。动作时间按阶梯原则整定为2.5s。近后备灵敏度3.0、远后备2.04，均满足规程要求。

2.4 保护3QF和5QF的整定结果与边界

3QF位于BC线路，Ⅰ段按K2点最大短路电流整定为1.25×1.41=1.76kA，Lmin同样为负值，灵敏度不满足；Ⅱ段与相邻保护配合后整定为0.81kA，Ksen=1.37满足；Ⅲ段整定0.48kA，近后备2.31、远后备1.77，均满足。5QF在CA线路，Ⅰ段整定为0.88kA，Lmin为负，Ⅱ、Ⅲ段因题目没有给出下游相邻线路的完整参数，只留到现场补充。

从结果看，这个环网上三个保护点的电流速断保护全部没有保护范围。这不是计算错误，而是单电源环网配合三段式电流保护时，最小运行方式下电源到故障点的阻抗太大导致的必然结果。下面这段脚本可以完整复算1QF的整定过程。

import math SB = 100.0 # 基准容量 MVA VB = 115.0 # 基准电压 kV IB = SB / (math.sqrt(3) * VB) # 基准电流 kA E = 1.05 # 系统等效电动势标幺值 Krel1 = 1.25 # I段可靠系数 # 线路标幺电抗 X_AB = 0.4 * 40 * SB / VB**2 # K1点最大运行方式三相短路 X1_max = 0.163 + X_AB ik1_max = E / X1_max * IB # 有名值 kA op1_I = Krel1 * ik1_max # 1QF I段定值 kA print(f"IB={IB:.3f} kA, K1最大短路电流={ik1_max:.2f} kA, " f"1QF I段定值={op1_I:.2f} kA")

代码中用标幺值算完短路电流后乘以基准电流得到有名值，Ⅰ段可靠系数取1.25是DL/T 584整定规程里的常用数值。把X_AB替换成其他线路参数，同一段代码可以复算3QF、5QF的整定结果，也能快速验证改变运行方式对定值的影响。

既然电流保护Ⅰ段在这个网络上整体失效，工程上自然要切换到距离保护。距离保护测量的是电压与电流的比值，受运行方式变化的影响比电流保护小一个量级，这也是110kV环网把距离保护作为相间故障主保护的根本原因，下一章展开整定。

3. 距离保护整定计算与分支系数取值

3.1 距离保护与电流保护的本质差别

电流保护在环网上失灵的原因在于把短路电流大小作为唯一判据，而系统运行方式变化会大幅改变短路电流的绝对值。距离保护测量的是保护安装处的电压与电流之比U/I，故障点到保护安装处的电气距离近似等于线路正序阻抗，与电源阻抗大小基本无关。110kV有效接地系统中，相间故障用阶段式距离保护做主保护，接地故障配零序电流保护做后备，这是最常见的配置组合。

距离保护定值用二次阻抗表示，整定计算时需要把一次阻抗换算到二次侧：Zset.sec=Zset.prim×(n_TA/n_TV)，n_TA为电流互感器变比300/5=60，n_TV为电压互感器变比110/0.1=1100。本设计的实际整定计算在一次侧进行，换算环节不多，但现场微调定值时最容易在这里出错。

3.2 1QF距离保护的Ⅰ段与Ⅱ段整定

线路AB正序阻抗Z_AB=16Ω。距离Ⅰ段按躲过本线路末端故障整定，Krel取0.85，Zset=0.85×16=13.6Ω，动作时间0s。距离Ⅰ段保护范围约为线路全长的85%，余量留给互感器角差、线路参数误差和过渡电阻。

距离Ⅱ段需要与相邻线路配合。常规做法是先按与3QF的Ⅰ段配合校验灵敏度，若不合格则改用与3QF的Ⅱ段配合，配合公式为：

Zset1.Ⅱ=Krel×(Z_AB+Kbmin×Zset3.Ⅱ)

Kbmin是分支系数，定义为相邻线路BC中流过的电流与本线路AB中流过的电流之比。环网在线路末端短路时，短路电流会从多个路径流向故障点，必须按最小运行方式计算。本例中Kbmin≈0.55，配合对象取3QF的Ⅱ段定值27.84Ω，代入后得Zset1.Ⅱ=24.84Ω。

3.3 3QF距离保护整定与变压器出口短路配合

3QF保护BC线路，Z_BC=12Ω。Ⅰ段整定为0.85×12=10.2Ω，t=0s。Ⅱ段要躲过相邻变压器T6出口短路，T6归算到115kV侧的阻抗为69.43Ω，配合计算得Zset3.Ⅱ=27.84Ω，灵敏度Ksen=27.84/12=2.32，满足大于1.25的要求，动作时间1s。

与变压器配合时要注意：变压器阻抗远大于线路阻抗，算出来的Ⅱ段定值通常偏大，灵敏度反而宽松。距离Ⅱ段要能保护本线路全长并伸入相邻变压器高压侧，底线是变压器低压侧故障时不能越级跳闸，躲不过时要按变压器低压侧短路电流校验，适当缩短Ⅱ段范围。

3.4 灵敏度校验的两种常见误用

距离保护灵敏度校验分近后备和远后备。近后备按本线路末端金属性短路校验，Ksen=Zset/Z_line，要求不低于1.25；远后备按相邻元件末端短路校验，要求不低于1.2。常见误用有两种：一是近后备校验用了最大运行方式参数，导致灵敏度虚高；二是把Zset直接除以Z_line+Z_adj，把远后备当近后备算，得出一个低估但"看起来合理"的结果。

另一个容易被忽略的点是分支系数。手工整定时很多人直接取Kb=1，这在辐射形网络里没问题，但在环网或双回线中会带来明显偏差。分支系数取大会导致配合后的定值偏大、保护范围伸得过远，取小则灵敏度校验失真，必须根据网络结构和运行方式画出等值电路逐点计算。

4. 电流互感器、电压互感器与PT断线闭锁

4.1 电流互感器一次额定电流与短时热稳定校验

线路最大负荷电流230A，电流互感器一次额定电流按大于最大负荷电流并留裕度选择，选300/5A。选完变比还要校验短时热电流：线路短路时TA要在保护动作切除故障的时间内承受短路电流的热效应和电动力。短时热电流按Ith≥Ik.max×√(tk/th)验算，tk取保护最长动作时间对应的短路持续时间，th取互感器额定短时热电流时间1s或4s。动稳定电流校验的是短路电流峰值，按Ik.max的2.55倍折算，要求小于互感器额定动稳定电流。

二次额定电流选5A还是1A，主要看二次电缆长度和负载能力。控制室距一次设备超过100m时，5A回路的二次电缆压降容易超出保护装置允许范围，可以考虑改用1A或加大电缆截面。本设计各断路器最大工作电流相同，统一选5A，二次回路电阻满足要求。保护用电流互感器的准确级一般选5P20或10P20，其中20表示在20倍额定一次电流下复合误差不超过规定值，这和测量级0.2级的选型逻辑完全不同，不要混用。

4.2 电压互感器配置原则

110kV大接地电流系统在母线上配置三相电压互感器是标准做法，一组星形接法为保护和测量提供相电压、线电压，一组开口三角形接法用于检测零序电压。变比110/0.1kV，开口三角每相绕组电压为100/√3V，系统发生单相接地故障时开口三角输出100V。

电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流大小由负载阻抗决定，与电流互感器的工作特性正好相反。因此TV二次侧严禁短路，接线时要确保空气开关或熔断器串接在每一相回路中，不能只在总出口装一只。二次侧两端都要接地且只能有一点接地，多点接地会导致继电保护装置在系统故障时感受到附加的零序电压，引起零序方向保护误判。

4.3 PT断线闭锁逻辑与整定

电压互感器二次回路断线时，保护装置失去电压判据，距离保护、方向保护都可能误动。常规闭锁方式是判别开口三角3U0、负序电压和负序电流的配合特征，而不是单纯看电压有无。PT一相断线时开口三角会出现约33V的不平衡电压，但没有负序电流；系统真正发生不对称短路时，3U0和负序分量同时出现，此时保护必须开放。

开口三角不平衡电压按33V整定是经验值，实际装置中还会叠加三次谐波和零序电压的基波分量，所以现场建议加上负序电流判据做复合闭锁。"电压突变且有流"可以作为辅助判据，比单纯比较3U0幅值可靠得多。

5. 二次展开图绘制步骤与保护配置评价

5.1 展开图从哪里开始画

二次展开图按回路类型拆成三张图：交流电流回路、交流电压回路、直流操作回路。交流电流回路从TA二次侧端子开始，经试验端子、保护装置电流输入端子，最后在保护屏内一点接地；交流电压回路从TV二次侧开关开始，经电压切换继电器接点、保护装置电压输入端子到电压监视继电器；直流操作回路从控制电源正极开始，经保护跳闸触点、断路器跳闸线圈、信号继电器到负极。

端子编号必须全图唯一。TA回路的A401、B401、C401，电压回路的A601等，同一编号在不同页面出现时代表同一条回路。跳闸回路要标明正负电源极性，合闸位置、跳闸位置监视回路要分开画。画展开图的核心不是画得漂亮，而是回路编号清晰、便于安装调试和后续排故。图纸里最容易出错的地方是跳闸回路和保护出口压板的位置：压板应串联在保护跳闸触点与断路器跳闸线圈之间，断开压板后保护只发信号不跳闸，这是现场检修时的硬要求。

5.2 从四性角度核对保护配置

用继电保护四性来核对这份配置：选择性上，三段式电流保护和距离保护都按阶梯原则配合了时间，环网双侧电源处配置方向元件防止反向故障误动；灵敏性上，电流速断保护在最小运行方式下全部没有保护范围，是本设计最大短板，距离保护投入后由距离Ⅰ段承担快速切除；速动性上，Ⅰ段0s动作、Ⅱ段0.5到1s，满足110kV线路对主保护的要求；可靠性上，主保护用差动和距离保护、后备保护用阶段式电流保护，单一元件失效不会导致保护拒动。

做整定计算和现场校验，建议先把系统最大、最小阻抗和各个故障点的短路电流列成一张总表，再谈保护配合，这张表能省掉大部分返工。

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