简介：面向电力系统自动化专业的110KV单电源环形网络相间（接地）短路电流保护课程设计资料，适合正在完成继电保护课程设计或复习短路计算的学生参考。内容基于完整设计任务书展开，包含运行方式选择、网络参数计算、最大/最小短路电流与残压分析、三段式电流保护整定及灵敏度校验，并给出保护配置原则与整定结果表格，可帮助理解从已知条件到保护方案落地的全过程。资源为单个doc文档，压缩包约815KB，排版完整，兼具任务书、设计要点与计算说明，便于按章节查阅。已有247人学习下载，适合作为继电保护课程设计的模板或计算范例，尤其对方向电流保护、电流电压连锁保护的适用条件有较清晰梳理。总体而言，这份资料在实践环节中能提供从短路计算到保护整定的系统演示，有助于提升电力系统故障分析与继电保护配置能力。

1. 110kV单电源环形网络继电保护课程设计：这份设计真正要解决的两个矛盾

把“110kV单电源环形网络相间接地短路电流保护”这个课题拆开看，就会发现它比普通的辐射网线路保护难在两点：一是“单电源”却构成了闭合回路，同一个故障点上会有两条支路同时送电流，保护装的断路器位置不同，感受到的短路电流差异很大；二是“环形结构”让三段式电流保护的配合关系从“串联阶梯”变成了“闭环交叉”，分支系数、助增电流、方向元件这些概念全被牵出来。这份设计适合电气专业做继电保护课程设计的同学，也适合刚进供电公司需要快速看懂一份110kV线路保护整定说明的新员工。它能解决的问题很具体：把一次系统参数变成一张保护配置图、一组整定值，以及一本讲得清来龙去脉的《汇本》计算说明书。

2. 先算清环网里的短路电流：运行方式、标幺值与故障点选择

2.1 单电源环网的结构与短路电流走向

设计里“单电源环形网络”的典型结构，并不像一个闭合的圆形那么理想化，常见的模型是：电源变电站A的110kV母线出两条线路，一条线路L1送到中间变电站B，另一条线路L2也送到同一座变电站B，两条线路在B站并列运行。这样，从A站看去就是一个由两条并联线路组成的单环。单电源的意思不是只有一条供电路径，而是全网的功率只由A站这一个电源注入，但故障时短路电流会沿着两条线路同时涌向故障点，所以我做整定的第一步永远是画清楚这个网络的拓扑，然后标出每个断路器安装处看到的电流方向。

课程设计里最常用的系统参数取值，我直接给一套能用的，后面所有整定计算都基于它。基准容量取100MVA，110kV等级的平均额定电压取115kV，线路单位阻抗按0.4Ω/km处理，系统等值阻抗由电源短路容量折算或由老师直接给出。

表2-1 系统参数表

这里最先要建立一个概念：环网里“故障点总短路电流”和“流过某台保护的电流”是两个数。母线B发生三相短路时，故障点总电流是所有支路电流的合成，而装在L1首端的保护，实际感受到的只有L1这一条支路的电流。好多人在这一步把总电流直接当成保护安装处电流去整定，后面I段定值整体偏大，保护范围缩小，这是第一个翻车点。

2.2 标幺值法计算三相、两相短路电流

短路电流计算我习惯用标幺值法，因为手算时数值干净，且最大、最小运行方式只需要替换系统阻抗一个量。步骤固定为四步：设置基准值、把阻抗统一折算成标幺值、按故障类型和故障点组合计算、最后折算回有名值。

先算基准电流：

I_B = 100 / (√3 × 115) ≈ 0.502 kA

系统最大运行方式阻抗标幺值为 6 × 100 / 115² ≈ 0.0454，最小运行方式为 12 × 100 / 115² ≈ 0.0908。线路L1阻抗标幺值 6.0 × 100 / 115² ≈ 0.0454，线路L2为 4.8 × 100 / 115² ≈ 0.0363。

母线B三相短路时，L1和L2是并联关系，并联后阻抗标幺值约为 0.0454 × 0.0363 / (0.0454 + 0.0363) ≈ 0.0202。最大运行方式下总阻抗标幺值为 0.0454 + 0.0202 = 0.0656，故障点总短路电流标幺值为 1 / 0.0656 ≈ 15.24，折算成有名值是 15.24 × 0.502 ≈ 7.65 kA。

关键是分流。两条支路阻抗反比分配：流过L1的电流约为 7.65 × 4.8 / (6.0 + 4.8) ≈ 3.40 kA，流过L2的约为 7.65 × 6.0 / 10.8 ≈ 4.25 kA。这个“支路电流要单独算”的习惯，会跟到后面I段的整定值里。

表2-2 母线B短路电流汇总表

两相短路电流在三相短路基础上乘0.866，这是课程设计里简化计算的常用做法，作为灵敏度校验的下限值。如果学校要求严格，两相短路应单独用序网法计算，但短路电流保护整定中用0.866倍估算通常足够支持后续结论。

2.3 短路电流计算值怎么用：最大方式与最小方式的分工

四组数据的用途是固定的，我每次做设计前都会写在计算书第一页，防止后面整定取错：最大运行方式下的三相短路电流用于I段定值整定，因为I段要“躲过”本线路末端的最大短路电流，躲得过最大，其他情况自然不动；最小运行方式下的两相短路电流用于灵敏度校验，因为灵敏度考核的是保护最不利时能不能可靠动作，电流最小的时候都满足，其他情况也满足。

这里特别提醒一个环网独有的细节：校验灵敏度时，也要用“流过本保护安装处的最小两相短路电流”，而不是故障点总电流。例如L1保护的近后备灵敏度，应该用表2-2里的1.74 kA去校验，而不是3.92 kA。很多同学的整定计算书里故障点电流算得又大又全，到了校验环节却拿错数，最后灵敏系数虚高，答辩时被问几句就露馅。

故障点选择也不是越多越好，通常取每条待整定线路的末端母线作为主故障点。像这个模型，所有线路末端都汇到B母线，所以B母线一个点的数据就够用了。若环网中间还串联了第三座变电站，那就得在每座母线处都做一组短路电流计算，整理成同样的汇总表，方便后面逐段整定时按需取数。

3. 相间与接地短路的电流保护整定：三段式方案在环网上的落地与配合

3.1 保护选型：相间电流保护与零序电流保护分开配置

课题名称里“相间接地短路电流保护”看起来是一套保护，但实际上相间短路和接地短路在110kV中性点直接接地系统里必须分开配置。相间短路用三相电流保护，反映的是三相和两相故障；接地短路用零序电流保护，反映的是单相接地故障。把两套保护装进同一台微机保护装置，这就是课程设计里常见的110kV线路保护配置方案。

为什么不直接用距离保护？因为课题限定的是“短路电流保护”，电流保护不需要电压量参与逻辑，整定和校验的流程更接近课堂上学的基础理论，适合作为课程设计的主体方案。但在3.4节我会说明，环网闭环条件下电流保护有先天短板，这恰恰是设计里值得展开讨论的地方。

表3-1 相间保护与零序保护的分工

3.2 相间三段式电流保护的整定步骤与公式

三段式电流保护的整定口诀是：I段躲末端最大短路，II段与相邻I段配合，III段躲最大负荷电流。每一步都有一套固定的公式和取值范围，我整理成表，算的时候逐行对照不容易漏。

表3-2 相间三段式电流保护整定公式表

以线路L1保护为例，I段整定时取最大运行方式下母线B三相短路时流过L1的电流3.40 kA，可靠系数取1.3，I_op.I = 1.3 × 3.40 ≈ 4.42 kA。整定值的含义是：流过L1保护的电流超过4.42 kA时保护瞬时动作。由于助增效应，环网中这个定值的保护范围会明显伸入线路中段，这并不违反设计规范，但要靠最小运行方式下两相短路的保护范围来约束。

II段整定要看相邻元件。L1的相邻线路是L2，正常做法是与L2的I段配合：I_op.II = K_rel × K_fz × I_op.I(L2)。L2的I段定值为 1.3 × 4.25 ≈ 5.53 kA。这里的分支系数K_fz，指的是本线路末端外部故障时流过L1保护的电流与流过L2保护电流的比值。在B母线故障时，流过L1约3.40 kA，流过L2约4.25 kA，K_fz ≈ 0.8，这是“外汲”情况。代入后 I_op.II ≈ 1.1 × 0.8 × 5.53 ≈ 4.87 kA。

接下来做灵敏度校验就知道问题在哪了：最小运行方式下本线路末端两相短路时流过L1的电流只有1.74 kA，K_sen = 1.74 / 4.87 ≈ 0.36，远远达不到1.5的要求。这不是取错系数，而是环网闭环结构下三段式电流保护II段的固有难题——对侧线路的电流分流让本保护能感受到的故障电流变小了。遇到这种情况，课程设计里不能硬着头皮往下写，应该停下来做个方案选择，具体见3.4节。

III段整定按躲最大负荷电流来。线路最大负荷电流取300 A，考虑电动机自启动系数1.3、返回系数0.85，可靠系数1.2，I_op.III = 1.2 × 1.3 × 0.3 / 0.85 ≈ 0.55 kA。动作时间与相邻线路的II段或III段配合，取最大时间加0.5s，整定为1.0s。

3.3 110kV中性点直接接地下的零序电流保护整定

110kV系统是中性点直接接地系统，单相接地时零序电流很大，必须单独配置零序电流保护。课程设计里一般也按三段式做：零序I段躲过本线路末端单相接地时流过本保护的最大零序电流；零序II段与相邻线路零序I段配合；零序III段按躲过最大负荷下不平衡电流或者与相邻零序III段配合来整定。

零序电流计算前先确定零序阻抗。简化处理时线路零序阻抗取正序阻抗的3.5倍，即L1零序阻抗21Ω，L2零序阻抗16.8Ω；系统侧零序阻抗由老师给定的系统参数折算，或者按正序阻抗的1.5～3倍估算。单相接地短路电流用序网法算，公式为 I(1) = 3E / (2Z1 + Z0)，其中Z1为正序总阻抗，Z0为零序总阻抗。以最大运行方式、B母线单相接地为例，代入后可得故障点单相接地短路电流约在6 kA量级，再按支路分流关系折算流过L1保护的零序电流，用于零序I段整定。

零序III段特别容易忽略返回系数，因为它是按不平衡电流整定的，正常运行时零序电流很小，定值很低，一旦整定错误，线路空载合闸时不平衡电流就可能误动。我习惯把零序III段定值取躲过本线路最大负荷电流下的不平衡电流，并校验单相接地短路时的灵敏度不低于1.5，这样既符合规程又不容易在答辩时被挑刺。

3.4 环网闭环下的分支系数与方向元件处理

3.2节那个K_sen=0.36的校验结果，就是环网闭环运行给三段式电流保护出的难题。II段想与相邻I段配合，但故障电流外汲导致灵敏度崩塌。遇到这种情况，我一般会做两件事。

第一件事：改II段配合对象。电流保护II段不一定非要与相邻线路的I段配合，也可以与相邻线路的II段配合，同时把动作时间加上0.5s。这样整定值可以明显降低，灵敏度有可能回到1.3以上，代价是切除故障时间变长，需要写清楚整定原则是“延时段按选择性配合”。

第二件事：检查方向性。L1发生故障时，对L2首端的保护来说，短路电流方向是从A站母线流向L2，方向是正方向，而且L2的I段定值5.53 kA可能被超过，导致非故障线路的L2保护误动切除。解决办法是在两条线路的保护上都配置方向元件，只允许电流从母线流向线路时动作，反向故障直接闭锁。方向元件需要接入电压互感器二次电压，课程设计里要明确画出电压互感器的接入位置和极性，稍不注意就会出现方向判断接反导致拒动的问题。

还有一种更工程化的选择是开环运行。单电源环网在正常运行时把某一处的联络开关打开，让网络变成辐射状，闭环只作为备用运行方式。这样整定计算退化成辐射网，II段灵敏度问题自然消失，但要在设计说明书中把开环点选择理由写清楚：通常选在距离电源远、负荷轻、线路短的一侧。课程设计如果采用这种方案，就相当于把“环形网络”和“保护配合”两个知识点都展示出来了，反而比硬算一个闭环方案更能体现对工程实际的理解。

4. 课程设计避坑：分支系数、方向元件与整定边界最容易翻车的几个点

4.1 整定值错拿故障点总电流当成保护安装处电流

现象：I段整定值比正确值大了约30%，计算书上短路电流写得很大，但保护范围校验时发现范围短得离谱。

原因：把母线B故障时7.65 kA的总短路电流直接套进了I段整定公式，而实际上L1保护感受到的只有自己这条支路的3.40 kA。

解决：整定前先画一条“电流路径图”，从电源出发沿每条线路标到故障点，凡是故障电流经过保护安装处的才计入，分流走的要剔除。环网里所有故障点都要先做支路分配再取数。

4.2 分支系数想当然取1

现象：II段整定直接写I_op.II = 1.1 × I_op.I(相邻)，不乘K_fz，整定值偏小，灵敏度校验时显示是满足了，但这属于虚假校验。

原因：辐射网中相邻线路故障时，流过本保护的电流通常约等于流过相邻保护的电流，K_fz近似为1；环网中由于存在另一条并联供电路径，K_fz可以是0.8，也可以是2以上，必须算出来。

解决：分支系数按定义计算，K_fz = 本保护安装处电流 / 相邻保护安装处电流，且整定取最不利情况。K_fz大于1叫助增，整定值放大；小于1叫外汲，整定值缩小，两种情况来源不同，都要在计算书中注明。

4.3 单电源环网漏了方向元件或方向极性接反

现象：线路L1中段故障，L2首端保护同时动作，越级跳闸扩大停电范围。

原因：单电源不代表单供电路径，环网中故障点对L2保护来说处于正方向，且故障电流幅值超过其I段定值；方向元件缺失或极性接反都会造成误动甚至拒动。

解决：电源侧两条出线保护全部加装方向元件，整定计算时把方向闭锁条件写进保护逻辑。仿真或实验里验方向性时，先加正方向故障确认动作，再加反方向故障确认闭锁，把这个顺序写进报告就是加分项。

4.4 零序保护与相间保护时间级差搅在一起

现象：零序III段动作时间比相间III段还短，或者与相邻线路配合时时间级差只取了0.3s。

原因：相间保护和零序保护是两套保护，但装在同一台装置里，时间配合表各排各的，没有统一核对。

解决：建一张总的时间配合表，按变电站出口向外逐级排，每一级的相间和零序时限分别写，最后检查任意相邻线路之间的时间差是否都满足0.5s。时限配合是课程设计答辩必问项，提前把表画好能省很多解释时间。

4.5 计算说明书只有结果没有过程

现象：整定值表做得整整齐齐，但答辩时老师指着一个定值问怎么来的，翻了五页纸都找不到对应的计算过程。

原因：短路电流算完直接跳整定结果，中间公式和代入步骤被省略了，这在计算类课程设计里等于没做。

解决：每个整定值按“公式→代入→结果→结论”四行式写，单位完整，可靠系数标注清楚，每页留出修改痕迹空间。过程写足了，答辩时照着念都能站住脚。

5. 把计算做成《汇本》：计算说明书、保护配置图和整定表的组织方式

5.1 汇本的定位与章节结构

“汇本”这个词听起来有点老派，实际就是把课程设计的所有成果汇成一册，包括任务书解读、计算说明书、保护配置图、整定值汇总表和答辩备问记录。一个让老师看得舒服的汇本，重点不是做得厚，而是让读的人能在五分钟内找到任何一个定值的来龙去脉。

我常用的汇本结构是固定的六块：课题任务与系统参数、短路电流计算、保护配置方案、整定计算与灵敏度校验、图纸、整定值汇总表。每一块都要有“本章在做什么”的一句话导语，但不要写成了目录复读。计算书部分按线路分节，L1保护整定、L2保护整定各成一体，避免核对时来回翻页。

5.2 计算说明书的缩写规范

课程设计的计算说明书不是毕业论文，不需要长篇大论，但格式必须严谨。公式用统一编号，如（2-1）、（3-2），编号对应章节；短路电流保留三位小数，整定值保留两位小数；单位统一，kA和A不能混用，A要换算成kA处防止小数值漏零。

整定计算过程我推荐四行式写法：第一行写公式，第二行代入数值，第三行写结果，第四行写结论。比如L1的I段整定：

I_op.I = K_rel × I_k.max = 1.3 × 3.40 = 4.42 kA；结论：线路L1首端电流速断定值取4.42 kA，保护范围满足电网规程要求。

这种写法最大的好处是还原性好，答辩时老师问到任何一个定值，都能当场从这个格式里找到答案。

5.3 保护配置图与电气主接线图的配合

课程设计通常要交两张图：电气主接线图和保护配置图。主接线图只要画单线图，标出断路器、隔离开关、母线、变压器和线路走向。保护配置图要在主接线图基础上，把电流互感器、电压互感器、保护装置、跳闸回路和重合闸回路的信息叠加进去。

画保护配置图时有三个细节容易被扣分：一是电流互感器要画在断路器的线路侧还是母线侧，直接关系到保护范围，装在线路侧才能保护完整条线路；二是电压互感器要标清二次回路极性，这和方向元件的正确性绑定；三是保护装置的型号和功能要写全，微机型保护要标注含相间三段、零序三段、重合闸功能。用CAD画的话，建议把保护配置图画在独立的图层，方便修改叠图，很多审阅老师会专门放大看这一层。

表5-1 汇本应包含的文件清单

5.4 整定值汇总表的正确填法

整定值汇总表是整个汇本的收口文件，必须做到一页纸看完全部结论。表格按线路分行，按保护段分列，每个定值后面紧跟动作时间和灵敏系数，三者缺一不可。我习惯在表末加一列“整定依据”，写下该定值对应的计算说明书页码，这样老师核验时按图索骥，效率很高。

表5-2 整定值汇总表示例（部分）

填表前最后再校一遍时间配合。I段0s，II段0.5s，III段1.0s，级差稳定在0.5s，这是110kV线路保护最常见的节奏。如果某一段动作时间变成了0.6s或1.2s，多校一步是不是和相邻线路的时间配合表叠错了。

6. 再进一步：用仿真复核整定值，验证环网开闭环与方向性

如果时间允许，我会在设计之外再用仿真把整定值复核一遍，这一步在课程设计里是明显的加分项。用Simulink搭一个简化模型，电源用三相电压源加内部阻抗代替，线路用集中参数π模型，两条线路L1和L2按参数分别建模，变压器直接简化成母线节点，然后在B母线设置三相短路、两相短路和单相接地故障，记录各断路器安装处的电流波形。

仿真跑完第一件事是对短路电流。把表2-2里的7.65 kA、3.40 kA这些值和仿真稳态短路电流对比，误差通常能控制在5%以内，误差来源主要是手算时忽略了线路电阻和负荷电流。如果误差超过10%，先检查是不是模型里系统阻抗设置错了，再把双绕组变压器的漏抗因素加进去重新核算。

第二件事是验证开环与闭环的区别。把L2在B站的联络开关断开，重新跑一次B母线三相短路，会看到流过L1的短路电流明显变大，因为L1从并联支路之一变成了唯一通路。这个变化的数值正好解释了为什么闭环时II段灵敏度不足，开环后却能轻松过1.5。

第三件事是验证方向元件的动作逻辑。在L1中段设置故障，观察L2首端保护感受到的电压与电流相位关系，确认故障时功率方向是正的，再在母线上设置反向故障确认方向元件闭锁。仿真里方向元件用电压电流的相位比较模块实现，整定值按90度接线还是按相电压相电流取，不同学校规定不同，以教材为准。

我个人的习惯是，仿真模型的文件名里直接写清开合闸状态，比如“闭环_最大方式_三相短路”，避免后面整理报告时分不清工况。课设答辩时先展示运行方式表和仿真波形，再讲整定计算，整个逻辑链会顺很多。最后提醒一句，所有仿真结果都要回填到计算说明书里作为校验附件，哪怕老师不看，这份材料的完整性对评分也有正面作用。希望帮到你。

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