电网的零序电流保护设计

毕业设计(论文)

电网的零序电流保护设计

学 院 高等职业技术学院 专 业 供用电技术 年级班别 一班 学 号 127537105 学生姓名 周冶 指导教师 张兴福

目 录

0 绪 论 ............................................................................................................. 1 0.1 本课题研究背景及意义 ......................................... 1 0.2 继电保护的发展概况[1] ......................................... 1 0.3 论文的主要工作 ............................................... 2 1 原始资料分析 ................................................................................................. 3 2 系统各元件参数计算及各序网络图的绘制 ................................................. 4 2.1 元件参数标么值计算 ........................................... 4 2.2 正（负）零序网络图的绘制 ..................................... 6 3 线路短路电流计算 ......................................................................................... 8 4 中性点直接接地系统的零序保护整定计算 ............................................... 19 4.1 零序保护的概念与构成特点 .................................... 19 4.2 零序电流保护的整定原则 ...................................... 20 4.3 对零序电流保护的评价 ........................................ 24 4.4 220KV电网零序保护的整定计算 ................................ 25 5 结 论 ....................................................................................................... 41 参 考 文 献 ....................................................................................................... 42

摘要

电力系统继电保护是保证电力系统安全稳定运行、限制电力系统大面积停电事故最基本和最有效的技术手段。零序电流保护广泛地作为电力系统接地短路的保护，根据接地短路时零序电流的出现和大小作为故障特征量，变压器接地方式、非全相运行、单相自动重合闸等因素对零序电流保护的运行产生重要的影响，必要时需要采取相应闭锁装置。

本设计根据继电保护装置在电力系统中的应用，介绍了220kV电网继电保护的零序电流保护的整定设计。

设计过程如下，首先对电力系统网络的参数进行计算，绘制出各序序网图，然后选择合理的运行方式，计算各母线发生各种金属性短路故障时通过线路保护装置的短路电流，根据所得数据及所选的运行方式选择最佳的配合保护，并对各保护进行分析和整定计算，确定零序电流保护的整定值以及三相重合闸装置选型。

关键词：闭锁装置；零序电流保护；三相重合闸

0 绪 论

0.1 本课题研究背景及意义

在中性点直接接地的电网中，接地故障占故障总次数的绝大多数，一般在90%以上。线路的电压等级愈高，所占的百分比愈大。母线故障、变压器差动保护范围内高压配电装置故障的情况也类似，一般也约占70%~80%。明显可见，接地保护是高压电网中最重要的一种保护[4]。

该电网为中性点直接接地电网，对于系统中发生的接地故障，必须配置相应的保护装置。一般装设多段式零序电流方向保护，根据重合闸方式的不同，零序电流方向保护可采用三段式或四段式，根据非全相运行时，线路零序电流大小的不同，零序电流保护可能有两个一段或两个二段。对重要线路，零序电流保护的第二段在动作时限和灵敏系数上均应满足一定要求。当电网结构比较复杂时，运行方式变化又很大时，零序保护的灵敏度可能变坏，应考虑选择接地保护，以改善接地保护性能，但是为了保护经高阻抗接地故障时相邻线路有较多的后备保护作用，同时也为选择性的配合，在装设接地保护的线路仍设有多段式零序电流方向保护。

因此合理配置与正确使用零序保护装置，是保障电网安全运行地重要条件。从电网安全运行地角度出发，电网对継电保护装置提出了严格地“四性”要求，即选择性、速动性、灵敏性、可靠性；因此，电网中継电保护定值的整定计算工作，一直是継电保护人员地一项重要工作，它直接关系到电网运行的安全，做好这项工作是电网安全运行地必要条件。

本设计中，我通过零序电流保护和自动装置的设计配置原则，综合运用所学专业知识，对电网的零序电流保护科学地进行整定。

0.2 继电保护的发展概况

继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。电力系统中的短路是不可避免的。短路必然伴随着电流的增大，因而为了保护发电机免受短路电流的破坏，首先出现了反应电流超过一预定值的过电流保护。

19世纪90年代出现了装于断路器上并直接作用与断路器的一次式（直接反应于一次短路电流）的电磁型过电流继电器。1901年出现了感应型过电流继电器。1908年提出了比较被保护元件两端电流的电流差动保护原理，导致了距离保护装置的出现，并在20世纪50年代完善了行波保护装置和发展了半导体晶体管式继电保护装置。在80年代后期，

1

[1]

标志着静态继电保护从第一代（晶体管式）向第二代（集成电路式）的过渡。90年代向微机保护过渡。目前，微机保护装置已取代集成电路式继电保护装置，成为静态继电保护装置的主要形式。

随着新的零序电流互感器系列的灵敏性不断地完善，用于电力系统产生零序接地电流时，与继电保护装置或信号装置配合使用，使装置元件动作，实现保护或监控的实用性更强。一些新研究成果如LZH-LJK/LXK 系列零序电流互感器适用于电缆线路，采用ABS 工程塑料外壳，树脂浇注成全密封，绝缘性能好，外型美观，具有灵敏度高，线性度好，运行可靠，安装方便，可根据系统的运行方式（中性点不接地、电阻接地、消弧线圈接地）选用相适应的零序电流互感器已不断诞生[6]。

继电保护是电力学科中最活跃的分支，在20世纪50至90年代的40年时间走过了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式和微机式五个发展阶段。电力系统的快速发展为继电保护技术提出艰巨的任务，电子技术、计算机技术、通信技术又为继电保护技术的发展不断注入新的活力，因此可以预计，继电保护学科必将不断发展，达到更高的理论和技术高度。

0.3 论文的主要工作

在本论文的设计初期，通过阅读大量的文献，提高对继电保护理论的理解。由于仿真的需要，也要学习电力系统综合分析软件PSASP的操作。然后对原始材料进行分析，计算系统中各元件的参数，绘制出各序的网络图，并在仿真软件里建系统进行仿真验算，再对系统的运行进行暂态分析和潮流。在设计中期，主要是对零序电流保护的整定。首先，整理继电保护中的大短路电流接地系统中的零序电流保护的整定原则，然后再去提取所要用到的零序电流的数据。其次，根据接地短路时变压器接地方式、非全相运行、三相自动重合闸的影响，整定出一套动作快、灵敏度高、选择性强的零序电流保护。在设计的后期，有两个任务：一是按照格式写论文，二是按照要求修改论文。

2

1 原始资料分析

1.1系统接线图及参数：

VkA5%V3%5.%/M70511601???21I/IIIII1II?0???I2IIImk58132UUU52j?021VSkV0k20222RAVVM84.k08V5.k.?77?13?15?s14oecUmCk052AVD9V25M101kmj01??kV/?9k030.355?2%k823342u01j1??002VmAK1A38kV1V.0V0M/0M?1km302V22kV1?12??se70k2ocU1A5%BV3%5.%/M5706W0111?21??I/IIV1III0II???k?I20III22UUU225V8.kA0VkEV151M?5V0?1?AK0sV52oecUM1/0042"21mVkK06A5V3M/02.V2201Vkk50322Vk53AF附图1 220KV系统图

3

2 系统各元件参数计算及各序网络图的绘制

2.1 元件参数标么值计算

取基准容量SB?60MWA,基准电压为平均额定电压VB?Vav，根据附图1、附表1和附

表2的数据计算各元件的各序电抗标幺值。 2.1.1 发电机的参数

1、W厂水轮发电机 （1）2?30MVA机组

X1?0.25?60?0.5?0.72530

X2?0.362?6030

（2）295.29MVA机组

X1?0.35?60?0.089?60?0.129235.9

X2?0.508235.9

2、R厂水轮发电机 22

X82601?0.3?13.8?60?0.36577.511

X2?0.435?13.277.5??0.529112

3、S系统

X601?0.5?60?0.063475

X2?0.61??0.077476 X1?0.5?60?0.1

X3002?0.61?60?0.122300

4、N系统

X601?0.5??0.07428 X2?0.61?60428?0.085 X1?0.5?60240?0.125

X2?0.61?60240?0.153

2.1.2 线路的参数

1、60km线路

X1?X2?0.41?60?60?0.032202

X0?3?0.41?60?60?0.092202

2、230线路

X1?X2?0.41?230?2300.1172202?

X2300?3?0.41?230??0.3522202

3、250线路

4

X1?X2?0.41?250?250?0.1272202

X600?3?0.41?60??0.092202

4、185km线路

X1?X2?0.41?180?1802202?0.094

X0?3?0.41?185?185?0.2822202

5、30km线路

X1?X2?0.41?30?30?0.0152202

X300?3?0.41?30?0.0462202?

6、170km线路

X1?X2?0.41?170?170592202?0.086

X0?3?0.41?170?170?0.22202

2.1.3 变压器的参数

1、W厂

（1）60MVA变压器

XT?0.12?60?0.1260

（2）240MVA变压器

XT?0.12?60?0.03240

（3）20MVA变压器

X60T?0.105?20?0.315

2、R厂

XT?0.12?6090?0.08

3、系统S、N

（1）各侧短路电压百分比：（1-高压侧 2-中压侧 3-低压侧）

u11?(17?10.5?6)?10.752

u12?(17?6?10.5)?6.252 u13?2(6?10.5?17)??0.25

则各侧电抗

X1?0.1075?60120?0.054 X2?0.0625?60120?0.031

5

60120X0?0.0025??0

2.2 正（负）零序网络图的绘制

2.2.1 正序、负序、零序等值阻抗

根据2.1系统各元件参数归算结果和变压器中性点接地情况，我们可以画出该系统的正序、负序和零序等值阻抗图，分别如图2-1（a）、图2-2（a）和图2-3所示。各元件参数结果（标幺值）一并标示在图中，同时对等值阻抗分别进行简化（简化过程略），简化结果如图2-1（b）、图2-2（b）和图2-3所示。

RN(0.125)0.070.3650.080.3650.0940.031(0.1)0.063S0.0310.0310.3650.080.3650.0540.0310.0540.0310.0540.080.0860.08DC0.0540.054E0.0150.127B0.030.0890.120.5W0.1170.030.315AF0.5

（a）

R(0.148)0.111D0.094(0.1)0.0860.0150.1270.117CB0.042E

(0.125)0.07N(0.119)0.09S0.0630.028W

（b）

图2-1 正序等值网络图 （a）等值标么阻抗图，(b)简化图

6

RN(0.153)0.0850.3650.3650.3650.3650.0310.0310.080.080.080.08D0.0540.0540.086E0.030.1290.094C0.0150.0310.0540.7250.127B(0.122)0.120.0770.0310.054W0.725S0.0310.0540.1170.030.315FA (a)

RE(0.203)0.152D(0.153)0.0860.0420.085N0.0940.015(0.122)0.0280.127(0.159)0.0770.12S0.117WCB

(b)

图2-2 负序等值网络图

（a）等值标么阻抗图，(b)简化图

R0.080.08ED0.2590.054N0.2820.0460.3820.030.0540.3520.092S0.054CBA

图2-3 零序等值网络图 7

3 线路短路电流计算

3.1 运行方式的确定原则

各线路保护的运行方式按下列原则确定：

1、对单侧电源的辐射形线路AB,保护的最大运行方式由以下两条件决定：

（1）电源在以下运行情况下运行：W、R水电厂所有机组、变压器均投入，S、N等值系统按最大容量发电，变压器均投入。

（2）系统所有线路和选定的接地中性点均投入。

2、对单侧电源的辐射形线路AB,保护的最小运行方式是：

（1）电源在以下运行方式情况下运行：W厂停2?30MVA机组，R厂停77.5机组一台，S系统发电容量为300MVA,N系统发电容量为240MVA。 （2）双回线路BC单回线运行。

3、对双侧电源和多侧电源的环形网路中的线路，保护的最大运行方式是：

（1）电源在以下运行情况下运行：W、R水电厂所有机组、变压器均投入，S、N等值系统按最大容量发电，变压器均投入。环网开环，开环点在线路相邻的下一级线路上。

4、对双侧电源和多侧电源的环形网路中的线路，保护的最小运行方式是：

（1）电源在以下运行情况下运行；W厂停2?30MVA机组，R厂停77.5MVA机组一台，S系统发电容量为300MVA,N系统发电容量为240MVA。 （2）线路闭环运行，停运该线路背后可能的机组和线路。

3.2 短路计算方式的制定

1、各级电压可采用计算电压值或平均电压值，而不考虑变压器电压分接头实际位置

的变动。

2、发电机及调相机的正序阻抗课采用t=0时的瞬态值。 3、不计线路电容和负荷电流的影响。

4、发电机电动势标么值可以假定等于1，且两侧发电机电动势相位一致，只有在计算线路非全相运行电流和全相震荡电流时，才考虑相线路两侧发电机综合电动势间有一定的相角差。

5、不考虑短路电流的衰减，不计短路暂态电流中的非周期分量，但具体整定时应考虑其影响。

8

6、不计故障点的相间电阻和接地电阻[3]。

7、忽略发电机、变压器、架空线路、电缆线路等阻抗参数的电阻部分，并假设旋转电机的负序电抗等于正序电抗。

3.3 短路电流计算举例

根据上述运行方式的确定原则，我们可以计算各线路、各工况下的短路电流。在计算短路电流时，由于工作量非常大，且各条线路的计算方法相同。因此，我仅选取了其中一条线路进行短路电流计算并列出计算过程，求取250km线路的短路电流计算结果列于表3-2中。

最小运行方式下，W厂停2?30MVA机组，R厂停77.5MVA机组一台，S系统发电容量为300MVA,N系统发电容量为240MVA；

表3-1 发电机及等值系统的参数

名称 每台机额定额定电压额定功率因素cosφ 正序电抗% 负序电抗% 容量（MVA） Ue(KV) W厂 235.29 235.29 2?30 15 11 13.8 115 115 0.85 0.83 0.84 0.35 0.25 0.3 0.5 0.5 0.508 0.362 0.435 0.61 0.61 R厂 S系统 N系统 232.5 300 240 4?77.5 B母线故障时，计算经250km线路流过C端的短路电流，系统正(负)零序网及零序网络的制定如下：

1、系统正序等值图变换如下：

9

RE0.148D0.0860.0420.125N0.0940.015S0.1270.10.0280.1190.117WCBRE0.148D0.04140.00660.042N0.00720.1280.1270.119S0.117WCBCB0.090.00720.1270.1190.1280.117SCB0.0550.0610.119B0.0587图3-1 系统正序等值网络图化简

2、 系统负序等值图变换如下：

R0.203ED0.04140.2016N0.00720.150.1270.159S0.117WCBCB0.110.00720.1270.1590.1150.117SCB0.0660.0610.159B0.07

图3-2 系统负序等值网络图化简

3、系统零序等值图变换如下：

10

0.074E0.0220.3820.02260.3520.1640.027SCBCB0.3820.02260.0510.0220.027S0.352C0.020.183B0.0226B0.02

图3-3 系统零序等值网络图化简

4、B母线故障时，计算线路BC的短路电流结果如下：（注：各化简过程用图示来表示）

（1）三相短路： 1）正序短路电流：

IE?'IE? 6?17.030.058717.036?0.1190.119?0.1161?8.627

流过250kmBC线路,通过C侧的短路电流

IBC?4.1370.117?0.127?4.137

化成有名值

Id.1?4.137?603?220?0.670(KA)

（2）两相短路：

IE?10.0587?0.07?7.77

1）正序短路电流：

IE?'0.119?3.9 70.11?90.1163.93?0.1170.117?0.127?1.887.7?7IBC(1)?

11

化成有名值

Id.1?1.88?603?220?0.306(KA)

2）负序短路电流：

IE?'7.77?0.1590.159?0.1277.483?0.117?7.483

IBC(2)??3.5880.127?0.117

化成有名值

I3.588?60d.2??0.502(KA)

3?220（3）单相短路

IE?1?6.7250.0587?0.07?0.021）正序短路电流：

I'6.725?0.119E??3.4050.119?0.116

I3.405?0.117BC.(1)??1.6330.127?0.117

化成有名值

I33?60d.1?1.6?0.253(KA)

3?2202）负序短路电流：

I'6.725?0.159E??3.7390.159?0.127 I9?0.117BC(2)?3.73?1.7930.127?0.117

化成有名值

I1.793?60d.2??0.279(KA)

3?2203）零序短路电流：

I'6.725?0.0226E??0.6740.0226?0.203 I0.674?0.352BC(0)??0.3230.352?0.382

化成有名值

12

I3?60d.0?0.32?0.064(KA)

3?220（4）两相短路接地

I1E??13.460.0587?0.07//0.02

1）正序短路电流：

I'E?13.46?0.119?6.8160.119?0.116 I6.816?0.117BC(1)??3.2680.127?0.117

化成有名值

I60d.1?3.268??0.505(KA)

3?2202）负序短路电流：

I'13.46?0.159E??7.4830.159?0.127

I7.483?0.117BC(2)??3.5880.127?0.117

化成有名值

I3.588?60d.2??0.153(KA)

3?2203）零序短路电流：

I'13.46?0.0226E??1.3480.0226?0.203

I1.348?0.352BC(0)??0.6460.352?0.382

化成有名值

I0.646?60d.0??0.092(KA)

3?220在C母线故障时，计算经250KM线路流过B端的短路电流。5、系统正序等值图变换如下：

13

RE0.148D0.04140.00660.167N0.00720.1280.1270.119S0.117WCBCB0.090.00720.1270.1190.1280.117SCB0.0550.0610.119C0.042

图3-4 系统正序等值网络图化简

6、系统负序等值图变换如下：

R0.203ED0.04140.2016N0.00720.150.1270.159S0.117WCBCB0.110.00720.1270.1590.150.117SCB0.0660.0610.159C0.051图3-5 系统负序等值网络图化简

7、系统零序等值图变换如下：

14

0.074E0.1640.0220.3820.02260.3520.027SCBCB0.3820.02260.0510.0220.027S0.352C0.020.183B0.0226C0.018

图3-6 系统零序等值网络图化简

8、C母线故障时，计算线路BC的短路电流结果如下：（注：各化简过程用图示来表示） （1）三相短路： 1）正序短路电流

IE?IE?'10.042?23.81

23.81?0.0550.055?0.18?5.573流过250kmBC线路,通过C侧的短路电流

IBC?5.573?0.1170.117?0.127?2.672

化成有名值

Id.1?2.672?603?220?0.419(KA)??

（2）两相短路：

IE?10.042?0.051?10.753

1）正序短路电流：

' IE?10.753?0.0550.055?0.182.517?0.1170.117?0.127?2.517?1.207

IBC(1)? 15

化成有名值

I?1.207?60?0.191(KA)

d.13?2202）负序短路电流：

I'10.753?0.066E??2.4810.066?0.22 I2.481?0.117BC(2)??1.190.127?0.117

化成有名值

I1.19?60d.2??0.186(KA)

3?220（3）单相短路

IE?1?9.010.042?0.051?0.0181）正序短路电流：

I'9.01?0.055E??2.1090.235

I2.109?0.117BC(1)??1.0110.127?0.117

化成有名值

I1.011?60d.1??0.159(KA)

3?2202）负序短路电流：

I'9.01?0.066E??2.0790.286 I2.079?0.117BC(2)??0.9970.127?0.117

化成有名值

I97?60d.2?0.9?0.155(KA)

3?2203）零序短路电流：

I'9.01?0.02E??0.7990.2256 I0.799?0.117BC(0)??0.3830.244

化成有名值

16

参 考 文 献

[1] 贺家李．电力系统继电保护原理[M]．北京：中国电力出版社，2004：6-8，9-58． [2] 许建安．电力系统继电保护[M]．北京：中国水利水电出版社，2005：11-36． [3] 许建安．继电保护整定计算[M]．北京：中国水利水电出版社，2001：3-53． [4] 王梅义．高压电网继电保护运行与设计[M]．北京：中国电力出版社，2007：6-15． [5] 郑贵林，王丽娟．现代继电保护概论[M]．武汉：武汉大学出版社，2003：2-26． [6] 李佑光，林东．电力系统继电保护原理及新技术[M]．北京：科学出版社，2003：78-120． [7] 尹项根，曾克娥．电力系统保护原理与应用[M]．武汉：华中科技大学出版社，2001：13-86． [8] 何仰赞，温增银．电力系统分析[M]．武汉：华中科技大学出版社，2002：1-230．

[9] 崔家佩，孟庆炎，陈永芳，熊炳耀．电力系统继电保护与安全自动装置整定计算[M]．北京：中国

电力出版社，1993：239-274．

[10] Vajira Pathirana，E.Dirks.Using Impedance Measurement to Improve the Reliability of Traveling-wave Distance Protection．Dept.of Electrical and Computer Engineering University of Manitoba，2003

[11] Giuseppe Fazio Vincenzo Laurpoli Francesco Muzi．Variable-Window Algorithm for Ultra-High-Speed Distance Protection．IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY，2003 [12] 张保会，尹项根．电力系统继电保护[M]．北京：中国电力出版社，2006：153-186． [13] 朱声石．高压电网继电保护原理与技术[M]．北京：中国电力出版社，1995：69-125． [14] 王梅义等．高压电网继电保护运行技术[M]．北京：电力工业出版社，1981：36-48．

42

当变压器T2切除或中性点改为不接地运行时，则该支路即从零序等效网络中断开，此时K0bra?1。

（4）灵敏性的校验。为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，具有足够的反应能力。这个能力通常用灵敏系数

Ksen来衡量。对反应于数值上升而动作的过量保护装置，灵敏系数的含义是

保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值保护装置的动作参数

式中故障参数的计算值，应根据实际情况，合理地采用最不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定。但不必考虑可能性很小的特殊情况。设此电流为Ik.B.min，代入上式中则灵敏系数为

Ksen?Ik.B.minIact.1Ⅱ （4.8）

为了保证在线路末端短路时，保护装置一定能够动作，在考虑实际短路时存在的过渡电阻以及测量误差等的影响，对限时电流速断保护要求Ksen?1.3~1.5。

（5）零序电流Ⅱ段保护的灵敏系数，应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来检验，并满足Ksen≥1.5的要求。当由于线路比较短或运行方式变化比较大，灵敏度不满足要求时，可考虑用下列方式解决：

1）使零序电流Ⅱ段保护与下一条线路的零序电流Ⅱ段保护配合，时限再抬高一级，可以取为1s。

2）保留0.5s的零序电流Ⅱ段保护，同时再增设一个与下一条线路的零序电流Ⅱ段保护配合的动作时限为1s的零序Ⅱ段。这样保护装置中，就具有两个定值和时限均不相同的零序Ⅱ段，一个定值较大，能在正常运行方式和最大运行方式下，以较短的延时切除本线路上所发生的接地故障；另一个具有较长的延时，能保证在各种运行方式下线路末端接地短路时，保护装置具有足够的灵敏系数。

3）从电网接线的全局考虑，改用接地距离保护。 3．零序电流Ⅲ段保护

零序电流Ⅲ段保护一般情况下是作为本线路和相邻线路的后备保护，在中性点直接接地系统中的终端线路上，它也可以作为主保护使用。

22

零序电流Ⅲ段保护按如下原则整定：

（1）按躲开在下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流Iub?max来整定，引入可靠系数Kr'''el，即为

Iact.P?KrelIub.max''''''? （4.9）

（2）与下一条线路零序Ⅲ段相配合,就是本保护零序Ⅲ段的保护范围，不能超出相邻线路上零序Ⅲ段的保护范围。当两个保护之间具有分支电路时(有中性点接地变压器时)，起动电流整定为

Iact.1?'''KrelK0bra'''Iact.2''' （4.10）

式中，Kr'''el——可靠系数，一般取为1.1～1.2

K0bra——分支系数，即在相邻的零序Ⅲ段保护范围末端发生接地短路时，故障线路中零序电流与流过本保护装置中零序电流之比。

保护装置的灵敏系数，当作为本条线路近后备保护时，按本线路末端发生接地故障时的最小零序电流来校验，要求Ksen?2； 当作为相邻元件的远后备保护时，按相邻元件保

护范围末端发生接地故障时，流过本保护的最小零序电流（应考虑图3-2所示的分支电路使电流减小的影响）来校验，要求Ksen?1.5。

（3）当本段保护整定时间等于或低于本线路相间保护某段的时间时，其整定值还必须躲开该段相间保护范围末端发生相间短路的最大不平衡电流，即

Iact?KrelKbpK'''fzqId.max(3) （4.11）

按上述原则整定的零序过电流保护，其起动电流一般都很小（在二次侧约为2～3A），因此，在本电压级网络中发生接地短路时，它都可能起动，这时，为了保证保护的选择性，各零序过电流保护的动作时限也应按图4-2所示的阶梯原则来选择。

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T2T1654321tPDt6相间保护t5t5(0)t6(0)零序保护t4t4(0)t3t2t1l

图4-2 零序过电流保护的时限特性

4、方向性零序电流保护

在双侧或多侧电源的网络中，电源处变压器的中性点一般至少有一台要接地，由于零序电流的实际流向是由故障点流向各个中性点接地的变压器，因此在变压器接地数目比较多的复杂网络中，就需要考虑零序电流保护动作的方向性问题。

零序功率方向元件接于零序电压3U0和零序电流3I0之上，反应于零序功率的方向而动作。当保护范围内部故障时，按规定的电流、电压正方向看，3I0超前于3U0为95?（对应于保护安装地点背后的零序阻抗角为85?~70?????~110?的情况），此时零序功率方向元件应正

确动作，并工作在最灵敏的条件之下。所以零序功率方向元件的最大灵敏角

?sen??95~?110??。

由于越靠近故障点的零序电压越高，因此零序方向元件没有电压死区。作为相邻元件的后备保护，应采用相邻元件末端短路时，在本保护安装处的最小零序电流、电压或功率的二次侧数值与功率方向元件的最小起动电流、电压或起动功率之比来计算灵敏系数，并要求Ksen?2[9]

。

4.3 对零序电流保护的评价

在中性点直接接地系统中，采用专门的零序电流保护，与利用三相星形接线的电流保护来保护单相短路相比较，具有一系列优点：

（1）相间短路的过电流保护是按躲开最大负荷电流整定，二次起动电流一般为5~7A；而零序过电流保护则按躲开不平衡电流整定，其值一般为2~3A。由于发生单相接地短路时，故障相的电流与零序电流3I0相等，零序过电流保护有较高的灵敏度。

（2）相间短路的电流速断和限时电流速断保护直接受系统运行方式变化的影响很大，而零序电流保护受系统运行方式变化的影响要小得多。而且，由于线路零序阻抗远较正序

24

阻抗为大，X0=（2~3.5）X1，故线路始端与末端接地短路时，零序电流变化显著，曲线较陡，因此零序Ⅰ段的保护范围较大，也较稳定，零序Ⅱ段的灵敏系统也易于满足要求。

（3）当系统中发生某些不正常运行状态时，如系统振荡、短时过负荷等，三相是对称的，相间短路的电流保护均受它们的影响而可能误动作，需要采取必要的措施予以防止，而零序电流保护则不受它们的影响。

（4）在110kV及以上的高压和超高压系统中，单相接地故障约占全部故障的70%~90%，而且其它的故障也往往是由单相接地发展起来的。

零序电流保护的缺点是：

（1）对于短线路或运行方式变化很大的情况，零序电流保护往往不能满足系统运行所提出的要求。

（2）零序电流保护受中性点接地数目和分布的影响。因此电力系统实际运行时，因保证零序网路结构的相对稳定。

实际上，在中性点直接接地的电网中，由于零序电流保护简单、经济、可靠，因而获得了广泛的应用[5]。

4.4 220KV电网零序保护的整定计算

4.4.1 系统接线示意图与各线路的零序电流

通过对系统的分析，得到系统的零序电网接线图如图4-3，另各母线在每种短路方式下分别故障时，通过系统各线路的短路电流计算得出表4-1。

E4189C2313F3519141011B112A11585D76151151617115

图4-3 系统接线示意简图

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表4-1 各母线故障时流过电网的零序电流

线路 运行故障类型 A母故障 B母故障 C母故障 D母故障 E母故障 (长度) 方式 (A) (A) (A) (A) (A) AB Max d（1） 558 0 0 0 0 L60 d（1，1） 523 0 0 0 0 Min d（1） 515 0 0 0 0 d（1，1） 507 0 0 0 0 BC Max d（1） 38 82 81 10 34 L230 d（1，1） 35 111 107 12 41 Min d（1） 35 69 65 8 28 d（1，1） 34 100 94 11 36 BC Max d（1） 35 75 74 9 32 L250 d（1，1） 32 102 98 11 37 Min d（1） 32 64 59 7 26 d（1，1） 31 92 86 10 34 CD Max d（1） 4 9 97 133 26 L185 d（1，1） 4 12 129 163 31 Min d（1） 4 8 78 112 21 d（1，1） 4 11 113 148 28 CE Max d（1） 15 33 359 34 626 L30 d（1，1） 14 45 475 42 739 Min d（1） 14 28 286 29 511 d（1，1） 14 40 416 38 666 DE Max d（1） 2 4 43 139 139 L170 d（1，1） 2 5 56 169 164 Min d（1） 2 3 34 117 114 d（1，1） 2 5 49 154 148

26

4.4.2 各保护装置的零序电流保护整定计算

1、保护1零序保护的整定 （1）Ⅰ段保护

1）躲开下一条线路出口处单相或两相接地时出现的最大零序电流3I0.max，查表得1674A，引入可靠系数Krel，取1.3，根据公式（4.1），即有

' Iact.1?Krel3I0.max?1.3?1674?2176(A)??

起动时间

t?0S

' 2）选定2176A，0S。

由于本线路处于系统的末端，没有下一线路可以配合，故不需要设零序Ⅱ段保护，直接设零序Ⅲ段保护。 （2）Ⅲ段保护

1）末端变压器中性点不接地运行，只按躲开变压器低压侧母线相间短路的最大不平衡电流整定，根据公式（4.11）有

起动时间

t?t??t?0.5S''''Iact.1?KrelKbpK'''fzqId.max?1.3?0.1?2?1959?509(A)(3)

计算选定509A, 0 S 。

2）效验灵敏度，查表得最小电流为1521A，则

Ksen?Ik.'''mIact.1?i1521n509?3

2．保护2零序保护的整定 （1）Ⅰ段保护

1）躲开下一条线路出口处单相或两相接地时出现的最大零序电流3I0.max，查表得306A，引入可靠系数Krel，取1.3，即有

' Iact.2?Krel3I0.max?1.3?306?397(A)

起动时间

27

t?0S

' 2）选定397A，0 S。

（2）Ⅱ段保护

因为B侧只有一台变压器中性点接地，故可选正常最小方式的数据，当A母线故障时，根据公式（4.4）查表得计算为

Kfz?Ik.BC.minIk.AB.min?31507?0.06

1）按与相邻下一级线路的零序电流保护1Ⅰ段保护0S配合整定。

Ia''c.t2?KrelKIf'''z.1act?1.15?0.0?621?76 50(A1) t?t??t?0.5S

'选定150A，0.5S

2）效验灵敏度，查表得最小电流为192A 根据式子（4.8），有 （3）Ⅲ段保护

因为相邻下一级线路的零序电流保护1段没设Ⅱ段保护，故考虑跟Ⅲ段配合整定。 1）按与相邻下一级线路的零序电流保护1Ⅲ段保护0.5S配合整定。

Ia'''c.t2Ksen?Ik.''mIact.2?i192n150?1.53

?KrelKIf''''''z.1act?1.15?0.0?65?09 39(A) t?t??t?1.0S

''选定39A，1.0S

2）效验灵敏度，则

Ksen?Ik.''minIact.2?19239?4.9

3．保护3零序保护的整定 （1）Ⅰ段保护

1）躲开下一条线路出口处单相或两相接地时出现的最大零序电流3I0.max，查表得

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333A，引入可靠系数Krel，取1.3，即有

' Iac.t3?Krel0.max3I?1.3?333?43A2 ()起动时间

t?0S

' 2）选定432A，0 S。

（2）Ⅱ段保护

因为B侧只有一台变压器中性点接地，故可选正常最小方式的数据，当A母线故障时，有表得数据计算为

Kfz?Ik.BC.minIk.AB.min?34507?0.067

1）按与相邻下一级线路的零序电流保护1Ⅰ段保护0S配合整定。

Ia''?Kc.t3rKel''Ifz1.15?.1act''0.0?672?176 167(A) t?t??t?0.5S

选定167A，0.5S

2）效验灵敏度，查表得最小电流为207A，则 （3）Ⅲ段保护

因为相邻下一级线路的零序电流保护1段没设Ⅱ段保护，故考虑跟Ⅲ段配合整定。 1）按与相邻下一级线路的零序电流保护1Ⅲ段保护0.5S配合整定。

Ia'''c.t3Ksen?Ik.''minIact.3?207167?1.52

?KrelKIf'''z.1act?1.15?0.06?7''5?09 44(A) t?t??t?1.0S

'''选定44A，1.0S

2）效验灵敏度，则

Ksen?Ik.'''minIact.3?20744?4.7

4．保护4零序保护的整定

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（1）Ⅰ段保护

1）躲开下一条线路出口处单相或两相接地时出现的最大零序电流3I0.max，查表得1425A，引入可靠系数Krel，取1.3，即有

' Iact.4?Krel3I0.max?1.3?1425?1852(A)

起动时间

t?0S

' 2）选定1852A，0 S。

（2）Ⅱ段保护

按躲开下一条线路末端时流过的最大零序电流值整定，故选择与230kmBC线路保护3配合整定。因为C侧有三台变压器中性点接地，故可选正常最小方式的数据，当B母线故障时，有表得数据计算为

Kfz?Ik.CE.minIk.BC.min?28169?0.44

1）按与相邻下一级线路的零序电流保护3Ⅰ段保护0S配合整定。

Ia''c.t4?KrelKIf'''z.3act?1.15?0.4?4'4?32 18(2A) t?t??t?0.5S

2）按不伸出本线路末端母线上变压器的另一侧母线接地短路时流过的最大零序电流整定，即

选定218A，0.5S

3）效验灵敏度，查表得最小电流858A，则 （3）Ⅲ段保护

1）按与相邻下一级线路的零序电流保护3的Ⅱ段保护0.5S配合整定。

Ia'''c.t4Iact.4?K''rel3I0.max?1.3?153?198(A)

Ksen?Ik.''mIact.4?in858218?3.9

?KrelKIf'''''z.3act?1.15?0.4?41?67 84(A) t?t??t?1.0S

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''

2）按不伸出本线路末端母线上变压器的另一侧母线接地短路时流过的最大零序电流

整定，即

Iact.4?198(A)'''

3）比较上述两条件，由于2）的整定电流值与本线Ⅱ段保护非常接近，对灵敏度没有改善，故选定84A，1.0S

4）效验灵敏度，则 5．保护5零序保护的整定 （1）Ⅰ段保护

1）躲开下一条线路出口处单相或两相接地时出现的最大零序电流3I0.max，查表得492A，引入可靠系数Krel，取1.3，即有

' Iac.t5Ksen?Ik.minIact.4'''?85884?9.5

?Krel0.max3I?1.3?192?63A9 ()起动时间

t?0S

' 2）选定639A，0 S。

（2）Ⅱ段保护

因为E侧有两台变压器中性点接地，故可选正常最小方式的数据，当C母线故障时，有表得数据计算为

Kfz?Ik.DE.minIk.CE.min?34286?0.12

1）按与相邻下一级线路的零序电流保护4Ⅰ段保护0S配合整定。

Ia''c.t5?KrelK''If''z.4act?1.15?0.1?218?52 55(A2) t?t??t?0.5S

2）按不伸出本线路末端母线上变压器的另一侧母线接地短路时流过的最大零序电流整定，即

Iact.5?Krel3I0.max?1.3?141?183(A)''

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