电力系统机电保护课程设计

电力系统机电保护 课程设计论文

设计课题 中性点直接接地系统输电线路零序方向电流保护设计 论文题目 中性点直接接地系统零序电流保护的设计柴飞飞课程设计学 部 机械电气学部 专 业 电气工程及其自动化 班 级 13级 9 班 序 号 18 号 学 号 511312030149 学生姓名 黎明林 指导教师 赵红梅

2016年 7 月 15 日

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电力系统正常运行时是三相对称的，其零序、负序电流值理论上是零。多数的短路故障是不对称的，其零序、负序电流电压会很大的，利用故障的不对称性可以找到正常与故障的区别，并且这种差别是零与很大值的比较，差异更为明显。所以零序电流保护被广泛的应用在110KV及以上电压等级的电网中。

自动、迅速、有选择性地将故障组件从电力系统中切除，是故障组件免于继续遭到破坏并保证其他无故障部分迅速恢复正常运行，是保证电力系统安全运行的最有效的方法之一，选择110KV电力系统继电保护和自动装置的设计时遵2循其原则。自动重合闸是一种广泛应用于输电和供电线路上的有效反事故措施。即当线路出现故障，继电保护使断路器跳闸后，自动重合闸装置经短时间间隔后使断路器重新合上。所以，在瞬时性故障法伤跳闸的情况下，自动将断路器重合，不仅提高了供电的安全性，减少了停电损失，而且还提高了电力系统的暂态稳定水平，增大了高压线路的送点容量，所以架空线路要采用自动重合闸装置。关键词：三相对称 零序保护 自动重合闸 断路器

电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他形式的能量。在输送电能的过程中，电力系统希望线路有比较好的可靠性，因此在电力系统受到外界干扰时，保护线路的各种几点装置应该有比较可靠的、及时的保护动作，从而切断故障点极大限度的降低电力系统供电范围。电力系统继电保护就是为达到这个目的而设置的。通过此次线路保护的设计可以巩固我们本学期所学的《电力系统继电保护》这一课程理论知识，能提高我们提出问题、思考问题、解决问题的能力。

1设计原始资料

1.1具体题目

系统示意图如图2.58所示，发电机以发电机—变压器组方式接入系统，最大开机方式为4台机全开，最小开机方式为两侧各开1台机，变压器T5和T6可能2台也可能1台运行。参数为：

X1.T5 X1.T6 15Ω，LA-B 60Km，X1.G3 X2.G3 X1.G4 X2.G4 8Ω，E 115/KV，X1.G1 X2.G1 X1.G2 X2.G2 5Ω，LB-C 40Km，X0.T1~X0.T4 15Ω，X1.T1~X1.T4 5Ω，

ΙΠ

X0.T5 X0.T6 20Ω，线路阻抗Z1 Z2 0.4Ω/Km，Z0 1.2Ω/Km,Krel 1.2、Krel 1.15。

试为本系统设计零序电流保护和单相重合闸装置。 1.2 完成内容

如下图所示复杂电网，通过对复杂电网的阻抗计算及化简，生成等效阻抗计算模型，计算各段在不同运行方式下的三相短路电流，整定出保护装置的动作值、动作时间、动作范围、灵敏度。

2分析课题设计内容

2.1设计规程

正常运行的而电力系统是三相对称的，其零序、负序电流和电压理论上为零；多数的短路故障是三相不对称的，其零序、负序电流和电压会很大；利用故障的不对称性可以找到正常和故障间的差别，并且这种差别是零与很大值的比较，差异更为明显。利用三相对称性的变化特征，可以构成反应负序分量原理的各种保护。

当中性点直接接地系统中发生接地短路时，将出现很大的零序电压和电流，利用零序电压和零序电流构成的接地短路保护，具有显著的特点，被广泛应用在110Kv及以上电压等级的电网中。 2.2保护配置 2.2.1主保护配置

零序保护的主保护是零序保护Ⅰ段和零序保护Ⅱ段。

图1 网络接线图

(1) 零序保护第Ⅰ段

在发生单相或两相接地短路时，也可以求出零序电流3I0随线路长度l变化的关系曲线，然后相似于相间短路电流保护的原则，进行保护的整定计算。零序电流速断保护的整定原则如下：

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，引入可靠系数

'

(一般取为1.2～1.3)，即 Krel

''

Iact Krel3I0 max

(1)

② 躲开断路器三相触头不同期合闸时所出现的最大零序电流3I0.max，引入可靠系数Krel，即为

'Iact Krel3I0.max

(2)

③ 按躲开非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流整定。

为此可以设置两个零序电流Ⅰ段保护，一个是按条件(1)和(2)整定(由于其定值较小，保护范围较大，因此，称为灵敏Ⅰ段)，它的主要任务是对全相运行状态下的接地故障起作用，具有较大的保护范围，而当单相重合闸起动时，则将其自动闭锁，需待恢复全相运行时才能重新投入；另一个是按条件(3)整定(由于其定值较大，因此称为不灵敏Ⅰ段)，装设它的主要目的是为了在单相重合闸过程中，其它两相又发生接地故障时，用以弥补失去灵敏Ⅰ段的缺陷，尽快地将故障切除，当然，不灵敏Ⅰ段也能反应全相运行状态下的接地故障，只是其保护范围较灵敏Ⅰ段小。

④ 特殊情况的整定

线路末端变压器低压侧有电源的情况，零序保护Ⅰ段一般可按不伸出变压器范围整定。我的。如末端的变压器为两台及以上时，是否仍按上述原则整定可视具体情况比较优缺点后再

决定。

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，即

'(3)Iact KrelKbpKfzqId.max

(3)

式中，Krel——可靠系数，取1.3； Kbp——不平衡系数，取0.1； Kfz——非周期分量系数，取2； q

(3)

Id.max——变压器低压侧三相短路最大短路电流。

(2) 零序保护第Ⅱ段

零序电流Ⅱ段保护整定是按躲过下段线路第Ⅰ段保护范围末端接地短路时，通过本保护装置的最大零序电流。同时还带有高出一个 t的时限，以保证动作的选择性。

① 按与相邻下一级线路的零序电流保护Ⅰ段配合整定，即

'''

Iact KrelKfzIact

(4)

式中，Krel——可靠系数，取1.15～1.2；

Kfz——分支系数，按实际情况选取可能的最大值；

'

Ia相邻下一级线路的零序电流保护Ⅰ段整定值。当按此整定结果达不到规定灵敏c——t

度数时，可改为与按与相邻下一级线路的零序电流保护Ⅱ段配合整定。

② 按躲开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 Krel3I0.max

(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

''(3)Iact KrelKbpKfzqId.max

(6)

引入零序电流的分支系数K0bra，则保护1的零序Ⅱ段整定为

''

Iact.1

K'''

Iact.2 K0bra

(7)

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.min

IⅡact.1

(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：

⑥ 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。

⑦ 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。 2.2.2后备保护配置

零序电流Ⅲ段保护一般情况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。

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Krel，即为

''''''

Iact K.PrelIub.max

(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

I

'''act.1

'''Krel''' Iact.2 K0bra

(10)

'''

式中，Krel——可靠系数，一般取为1.1～1.2

'''

——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Krel

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

'''(3)

Iact KrelKbpKfzqId.max

(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2所示的阶梯原则来选择。

T图2 零序过电流保护的时限特性

3短路电流及残压计算

3.1等效电路的建立

所有元件全运行时三序电压等值网络图如图3 (a）、(b)、(c) 所示。 求出线路参数，即

LA-B 60Km，X1.AB X2.AB 60 0.4 24Ω,X0.AB 60 1.2 72Ω,

LB-C 40Km，

X1.BC X2.BC 40 0.4 16Ω,X0.BC 40 1.2 48Ω

E E

E

E

(a) 正序网络

(b) 负序网络

(c) 零序网络 图3 三序电压等值网络图

3.2 保护短路点的选取

母线A处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护2的最大零序电流。 母线B处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护1和4的最大零序电流。 母线C处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护3的最大零序电流。 3.3 短路电流的计算

先求出所有元件全运行时，B母线分别发生单相接地和两相接地短路时的复合序网等值图。

(1) 单相接地短路时，故障端口正序阻抗为

X XX X. 1X)1.3Z (X )( 1AB.BC1. 1

22

(24 5)(16 6.5)

29 22.5

12.67( ) 51.5

故障端口负序阻抗为

Z 2 Z 1 12.67( )

故障端口零序阻抗为

XXX

Z ( X0.AB)( X0.BC) 79.555.5

222

111

7.657( )

1110.012579 0.1 0.0180180.130597

79.51055.5

则B母线分别发生单相接地时的复合序网等值图如图4所示。

0 UA U U Uf0 0 f1f2 I 0因为 B，可以导出 I是一个串联型复合序网。 I I If1f2f0 0 C

E

图4 复合序网等值图

故障端口零序电流为

If0

E Z 1 Z 2 Z 0

2.012(kA)

在零序网中分流从而得到此时流过保护1、4的零序电流分别为

X X0.012579

I0.1 If0 0/[() X0AB] If0 0.194(kA)

20.130597

X X0.018018

I0.2 If0 0/[() X0BC] If0 0.278(kA)

20.130597

画出B母线发生单相接地时零序电流分布图如图5所示。

图5 零序电流分布图

(2) B母线两相接地短路时，故障端口各序阻抗和单相接地短路时相同，即

Z 1 Z 2 12.67 ， Z 7.65 7

0 IA

U 0因为 B，可以导出

U 0 C所示。

E

0 If1 If2 If0

U是一个并联型复合序网，则复合序网图如图6U U f1f2f0

图6 并联型复合序网图

Z 2Z 0

12.67 7.657

4.77

12.67 7.657

故端口正序电流为If1

E Z 1 Z 2Z 0

3.807(kA)

故障端口零序电流为If0

If1Z 0

Z 0 Z 2 If1

12.67

2.373(kA)

12.67 7.657

同样的，流过保护1、4的零序电流分别

X X0.0125792I I /[ )X ]I 0.kA22 9( 0AB0f 0.1f0

20.130597

)

X X0.0180184I I /[ )X ]I 0.kA32 0BC0f 0.2f0 7(20.130597从而得到如图7所示B母线两相接地短路时的零序电流分布图。

)

图7 零序电流分布图

(3) 先求保护1的分支系数K1.b。

当BC段发生接地故障，变压器5、6有助增作用，如图8所示。

IIXK1.b 1 1

IABMIABMX2

对X1，当只有一台发电机变压器组运行时X1最大 ，有X1max当两台发电机变压器组运行时X1最小，有

X1min

X0T0. 1.T 1572 87() AB

X T0.AB 7.5 72 79.5( ) 2

对X2,当T5、T6只有一台运行时X2最大，X2max 20；当T5、T6两台全运行时X2最小，X2min 10。因此，保护1的最大分支系数

X87

K1.b.max 1 1 9.7

X2min10

Xn79.5

K 1 1 4.9 75..min最小分支系数 1bX2max20

同样地分析保护4的分支系数K4.b。当AB段发生接地故障，变压器5、6有助增作用，如图9所示。

对X1,当只有一台发电机变压器组运行时X1最大,有

X1max X0.T3 X0.BC 15 48 63( )

当两台发电机变压器组运行时X1最小，有

X1min

X X0.BC 7.5 48 55.5( ) 2

最小分支系数

K4.b.min 1

X55.5

1 3.775

X2max20

4 保护的配合及整定计算

4.1 保护1距离保护的整定与校验 4.1.1 保护1零序保护第I段整定

(1) 保护1整定计算

零序I段：根据前面分析的结果，母线B故障流过保护1的最大零序电流为

I0.1.max 0.229(A)

故I段定值

I KI 3IIset0.1.max 1.2 3 0.229 0.8244(kA) rel

为求保护1的零序II段定值，应先求出保护3的零序一段定值，设在母线C处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护3的最大零序电流。此时有

X XX X45 6.5

Z 1 Z 2 ( X1.AB X1.BC)() 5.68( )

2251.5

XXX

Z 0 [( X0.AB) X0.BC (79.5 48)7.5 56.887.5 6.63( )

222

母线C单相接地短路时，有

If0

E Z 1 Z Z

3.69(kA)

从而求得母线C单相接地短路时流过保护3的电流

I0.3 3.69

母线C处两相接地短路时，有

7.5

0.43(kA)

56.88 7.5

Z 2Z 0

正序电流

5.68 6.63

3.06( )

5.68 6.63

If1

E Z 1 Z 2Z 0

7.6(kA)

零序电流

If0 If1

从而求得流过保护3的电流

Z5.68

7.6 3.5(kA)

Z Z 5.86 6.63

I0.3 3.5

7.5

0.408(kA)

56.88 7.5

这样，母线C处两相接地短路时流过保护3的最大零序电流

I0.3.max 0.43(kA)

(2) 保护3的零序I段定值为

II 3IIset K0.3.max 1.2 3 0.43 1.548(kA) .3rel

这样，保护1的零序II段定值为

II Iset.1

1.15I Iset .34.975 1.548 0.358(kA) K1.b.minIIK校验灵敏度：母线B接地故障流过保护1的最小零序电流

I0.min 0.194(kA)

灵敏系数 Kre

(3) 保护4整定计算

零序I段：根据前面分析的结果，母线B故障流过保护4的最大零序电流为

3Ii0.19 43

1.626 0.358Iset.1

I0.4.max 0.327A，

故I段定值

II 3IIset K0.4.max 1.2 3 0.327 1.18(kA) .1rel

为求保护4的零序II段定值，应先求出保护2的零序一段定值，设在母线A处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护2的最大零序电流。此时有

X XX X46.5 5

Z 1 Z 2 ( X1.AB X1.BC)() 4.52( )

2251.5

Z 0 [(

XXX

X0.BC) X0.AB] (55.5 72)7.5 80.477.5 6.86( ) 222

A处单相接地时，有

If0

E 4.179(kA)

Z 1 Z 2 Z 3从而求得流过保护2的电流

I0.2 4.179

A处两相接地时，有

7.5

0.356(kA)

80.47 7.5

Z 2Z 0

正序电流

If1

4.52 6.86

2.723( )

4.52 6.86

E 9.17(kA) Z 1 Z 2Z 0零序电流

If0 If1

从而求得流过保护2的电流

Z4.52

9.17 3.64(kA)

Z Z 04.52 6.86

I0.2 3.64

这样，流过保护2的最大零序电流

7.5

0.31(kA)

80.47 7.5

I0.2.max 0.356(kA)

(4) 保护2的零序I段定值为

II 3IIset K0.2.max 1.2 3 0.256 1.286(kA) .2rel

这样，保护4的零序II段定值为

II Iset.4

1.15I Iset .23.775 1.286 0.39(kA) K4.b.minIIK校验灵敏度：母线B接地故障流过保护4的最小零序电流

I0.min 0.278(kA)

灵敏系数

Kre

3I0.278 3

2.14

0.39Iset.1

(5) 计算母线A发生接地短路时(最大运行方式、单相及两相接地)流过保护1的最大零序电流，然后将该零序电流值与保护1的I、II段定值相比较，如果零序电流小于定值，则A母线接地短路时保护1的零序电流继电器不会启动，所以不必加方向元件；如果零序电流大于定值，则必须加装方向元件。对保护1而言：由第(4)问分析知道：当母线A在最大运行方式下单相接地时流过保护1的零序电流最大，为：3I0.1.max 3I0.2.max 3 0.356 1.068(kA)，大于保护1的I、II段整定值，故需要加装方向元件。

对保护4而言：当母线C在最大运行方式下单相接地时流过保护4的零序电流最大，为：

3I0.4.max 3I0.3.max 3 0.43 1.29(kA)，大于保护4的I、II段整定值，故需要加装方向元

件。

(6) 不灵敏I段按躲过非全相振荡整定，即按在1处断路器单相断开、两侧电势角为180°时流过保护1的零序电流整定。此时有

X XX XZ1 X1.AB X1.BC 5 24 16 6.5 51.5( )

22

ZXX

Z X0.AB (X0.BC ) 7.5 72 55.5 87.97( )

222

单相断开时，故障端口正序电流

If1 1.58(kA)

Z1 Z2 Z0 2E sin

故障端口也是流过保护1的零序电流，即

If0 If1

Z51.5

1.58 0.583(kA)

Z2 Z0 51.5 87.98

接地短路时流过保护1的最大零序电流为0.229kA，二者中取大者，故保护1的不灵敏I段的定

II

值为Iset.1 Krel 3If0 1.2 3 0.583 2.099(kA)

5 继电保护设备选择

5.1 互感器的选择

互感器分为电流互感器TA和电压互感器TV，它们既是电力系统中一次系统与二次系统间的联络元件，同时也是一次系统与二次系统的隔离元件。它们将一次系统的高电压、大电流，转变成二次系统的低电压、小电流，供测量、监视、控制及继电保护使用。互感器的具体作用是：(1) 将一次系统各级电压均变成100以下的低电压，将一次系统各回路电流变成5A以下的小电流，以便于测量仪表及继电器的小型化、系列化、标准化。(2) 讲一次系统与二次系统在电气方面隔离，同时互感器二次侧有一点可靠接地，从而保证了二次设备及人员安全。 5.1.1 电流互感器的选择

(1) 电流互感器的选择

① 电流互感器一次回路额定电压和电流选择。电流互感器一次回路额定电压和电流选择应满足：

UN1 UNS IN1 I.max

(12)

(13)

式中，UN1/、IN1—电流互感器一次额定电压和电流。

为了确保所供仪表的准确度，互感器的一次侧额定电流应尽可能与最大工作电流接近。 ② 二次额定电流的选择

电流互感器的二次额定电流有5A和1A两种，一般强电系统用5A， 弱电系统用1A。 ③ 电流互感器种类和型式的选择

在选择互感器时，应根据安装地点(如屋内、屋外)和安装方式(如穿墙式、支持式、装入式等)选择相适应的类别和型式。选用母线型电流互感器时，应注意校核窗口尺寸。

④ 电流互感器准确级的选择

为保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。例如:装于重要回路(如发电机、调相机、变压器、厂用馈线、出线等)中的电能表和计费的电能表一般采用0.5~1级表，相应的互感器的准确级不应低于0.5级；对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线和500kV级宜用0.2级。供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表一般皆用1~1.5级的，相应的电流互感器应为0.5~1级。供只需估计电参数仪表的互感器可用3级的。当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。

⑤ 二次容量或二次负载的校验

为了保证互感器的准确级，互感器二次侧所接实际负载Z2l或所消耗的实际容量荷S2应不大于该准确级所规定的额定负载ZN2或额定容量SN2(ZN2及SN2均可从产品样本查到)，即

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