继电保护课程设计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.doc

1、山东交通学院多电源电力系统的零序保护摘要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

2、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When the normal operation of power system is the three-phase symmetrical, the zero sequence and negative sequence current value in theory is ze

3、ro. Most of the short circuit fault is asymmetric, the zero sequence voltage and negative sequence current will be very big, failure of asymmetry can be used to find the difference between the normal and fault, and the difference is zero and the great value of comparison, the difference is more appa

4、rent. So the zero sequence current protection is widely used in more than 110 kv voltage grade of power grid.Automatic, rapid, selective removal from the power system, fault components is fault components from continue to damage and ensure the normal operation of the other parts of the trouble-free

5、back quickly, is to guarantee the safe operation of the power system, one of the most effective way to select 110 kv power system relay protection and automatic device to follow the principle of its design. Is a kind of automatic reclosing is widely used in power transmission and effective anti-acci

6、dent measures on power lines. When circuit malfunction, relay protection after the circuit breaker tripped, automatic reclosing device makes the circuit breaker to close after short time interval. So, in the case of instantaneous fault spell trip, circuit breaker automatically overlap, not only impr

7、oves the security of the power supply, reduce the power loss, but also improve the transient stability of power system, increasing the send capacity of high-voltage lines, so the overhead line automatic reclosing device must be used.Keywords: three-phase symmetrical, zero sequence protection, automa

8、tic reclosing and circuit breakers前言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

9、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：，线路阻抗，,、。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

10、、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段和零序保护段。图1 网络接线图(1) 零序保护第段在发生单相或两相接地短路时，也可以求出零序电流随线路长度变化的关系曲线，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

11、护的整定原则如下： 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3，引入可靠系数(一般取为1.21.3)，即 (1) 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3，引入可靠系数，即为 (2) 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，因此称为不灵敏段)，装设它的主要

12、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，用以弥补失去灵敏段的缺陷，尽快地将故障切除，当然，不灵敏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段小。 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) 式中，可靠系数，取1.3；不平衡系数，取0.1；非周期分量系数，取2；变压器低压侧三相短路最大短路电流。(2) 零序保护第段零序电流段保护整定是按躲过下段线

13、路第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的时限，以保证动作的选择性。 按与相邻下一级线路的零序电流保护段配合整定，即 (4) 式中，可靠系数，取1.151.2；分支系数，按实际情况选取可能的最大值；相邻下一级线路的零序电流保护段整定值。当按此整定结果达不到规定灵敏度数时，可改为与按与相邻下一级线路的零序电流保护段配合整定。 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 (5) 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 (6) 引入零序电流的

14、分支系数，则保护1的零序段整定为 (7) 当变压器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。 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 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，代入上式中则灵敏系数为 (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

15、响，对限时电流速断保护要求。 零序电流段保护的灵敏系数，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： 使零序电流段保护与下一条线路的零序电流段保护配合，时限再抬高一级，可以取为1s。 保留0.5s的零序电流段保护，同时再增设一个与下一条线路的零序电流段保护配合的动作时限为1s的零序段。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

16、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来整定，引入可靠系数，即为 (9)(2) 与下一条线路零序段相配合,就是本保护零序段的保护范围，不能超出相邻线路上零序段的保护范围。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 (10)式中，可靠系数，一般取为1.11.2分支系数，即在相邻的零序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

17、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； 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。(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 (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23A)，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

18、图2所示的阶梯原则来选择。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，,，,(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

19、复合序网等值图。(1) 单相接地短路时，故障端口正序阻抗为 故障端口负序阻抗为故障端口零序阻抗为则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。因为，可以导出 是一个串联型复合序网。图4 复合序网等值图故障端口零序电流为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， 因为，可以导出 是一个并联型复合序网，则复合序网图如图6所示。图6 并联型复合序网图故端口正序电流为故障端口零序电流为同样的，流过保护1、4的零序电流分别 从而得到如图7所示

20、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。当BC段发生接地故障，变压器5、6有助增作用，如图8所示。图8 变压器助增图对，当只有一台发电机变压器组运行时最大 ，有当两台发电机变压器组运行时最小，有对,当、只有一台运行时最大，；当、两台全运行时最小，。因此，保护1的最大分支系数最小分支系数 同样地分析保护4的分支系数。当AB段发生接地故障，变压器5、6有助增作用，如图9所示。图9 保护助增图对,当只有一台发电机变压器组运行时最大,有当两台发电机变压器组运行时最小，有最小分支系数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

21、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的最大零序电流为故I段定值为求保护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。此时有母线C单相接地短路时，有从而求得母线C单相接地短路时流过保护3的电流母线C处两相接地短路时，有正序电流零序电流从而求得流过保护3的电流这样，母线C处两相接地短路时流过保护3的最大零序电流(2) 保护3的零序I段定值为这样，保护1的零序II段定值为校验灵敏度：母线B接地故障流过保护1的最小零序电流灵敏系数 (3) 保护4整定计算零序I段：根

22、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，故I段定值为求保护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A处单相接地时，有从而求得流过保护2的电流A处两相接地时，有正序电流零序电流从而求得流过保护2的电流这样，流过保护2的最大零序电流(4) 保护2的零序I段定值为这样，保护4的零序II段定值为校验灵敏度：母线B接地故障流过保护4的最小零序电流灵敏系数(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

23、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：，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：，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。此时有单相断开时，故障端口正序电流故障端口也是流过保护1的零序电流，即接地短

24、路时流过保护1的最大零序电流为，二者中取大者，故保护1的不灵敏I段的定值为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

25、人员安全。5.1.1 电流互感器的选择(1) 电流互感器的选择 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：(12) (13) 式中，、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。 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。 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。 电流互感器准确级的选择为保证测量仪表

26、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0.51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11.5级的，相应的电流互感器应为0.51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。 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

27、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 或(14) 式中，电流互感器二次回路中所接仪表内阻的总和与所接继电器内阻的总和，可由产品样本中查得；电流互感器二次联接导线的电阻；电流互感器二次连线的接触电阻，一般取为0.1。(15) 因为A=，所以A 式中 ，A 、一电流互感器二次回路连接导线截面积(mm2)及计算长度（mm）。按规程要求联接导线应采用不得小于1.5mm2的铜线，实际工作中常取2.5mm2的铜线。当截面选定之后，即可计算出联接导线的电阻Rwi。有时也可先初选电流互感器，在已知其二次侧连接的仪表及继电器型号的情况下，确定连接导线的截面积。但须

28、指出，只用一只电流互感器时电阻的计算长度应取连接长度2倍，如用三只电流互感器接成完全星形接线时，由于中线电流近于零，则只取连接长度为电阻的计算长度。若用两只电流互感器接成不完全星形结线时，其二次公用线中的电流为两相电流之向量和，其值与相电流相等，但相位差为60，故应取连接长度的倍为电阻的计算长度。所以本题中电流互感器的型号为LCWB6-110B。5.1.2 电压互感器的选择(1) 电压互感器一次回路额定电压选择为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电力网电压应在(1.1-0.9)范围内变动，即满足下列条件 (16)式中，电压互感器一次侧额定电压。选择时，满足即可。

29、 (2) 电压互感器二次侧额定电压的选择电压互感器二次侧额定线间电压为100V，要和所接用的仪表或继电器相适应。(3) 电压互感器种类和型式的选择电压互感器的种类和型式应根据装设地点和使用条件进行选择，例如：在6-35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式；110-220kV配电装置通常采用串级式电磁式电压互感器；220kV及其以上配电装置，当容量和准确级满足要求时，也可采用电容式电压互感器。(4) 准确级选择和电流互感器一样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。(5) 按准确级和额定二次容

30、量选择首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级额定容量。有关电压互感器准确级的选择原则，可参照电流互感器准确级选择。一般供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。电压互感器的额定二次容量(对应于所要求的准确级)，应不小于电压互感器的二次负荷，即。 (17) 式中，各仪表的视在功率、有功功率和无功功率。各仪表的功率因数。如果各仪表和继电器的功率因数相近，或为了简化计算起见，也可以将各仪表和继电器

31、的视在功率直接相加，得出大于的近似值，它若不超过，则实际值更能满足式子的要求。由于电压互感器三相负荷常不相等，为了满足准确级要求，通常以最大相负荷进行比较。计算电压互感器各相的负荷时，必须注意互感器和负荷的接线方式。所以本题中的电压互感器的型号为JDZJ-3。6单相自动重合闸6.1用途110kV及以上线路大多采用三相一次重合闸，根据运行经验110kV以上的大接地电流系统的高压架空线路上，短路故障中70%以上是单相接地短路，特别是220kV以上的架空线路，由于线间距离大，单相接地故障甚至高达90%左右。在这种情况下，如果只把发生故障的一相断开，然后再进行单相重合闸，而未发生故障的两相在重合闸周期

32、内仍然继续，就能大大提高供电的可靠性和系统并列运行的稳定性。因此，在220kV以上的大接地电流系统中，广泛采用了单相重合闸。一般在220kV及以下电压单回联络线、两侧电源之间相互联系薄弱的线路(包括经低一级电压线路弱联系的电磁环网)，特别是大型汽轮发电机组的高压配出线路。6.2作用自动重合闸装置是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。电力系统运行经验表明，架空线路绝大多数的故障都是“瞬时性”的，永久性的故障一般不到10%。因此，在由继电保护动作切除短路故障后，电弧将自动熄灭，绝大多数情况下短路处的绝缘可以自动恢复。因此，自动将断路器重合，不仅提高了供电的安全性和可靠性，减少了停电

33、损失，而且还提高了电力系统的暂态水平，增大了高压线路的送电容量，也可纠正由于断路器或继电保护装置造成的误跳闸。所以，架空线路要采用自动重合闸。自动重合闸的主要作用：（1）大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数，特别是对单侧电源的单回线路尤为显著；（2）在高压输电线路上采用重合闸，还可以提高电力系统并列运行的稳定性；（3）在电网的设计与建设过程中，有些情况下由于考虑重合闸的作用，即可以暂缓架设双回线路，以节省投资；（4）对断路器本身由于机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起纠正的作用。6.3装置要求（1）正常运行时，当断路器由继电保护动作或其它原因而跳闸后，自动重合闸装置均应动作。（2

34、）由运行人员手动操作或通过遥控装置将断路器断开时，自动重合闸不应起动。（3）继电保护动作切除故障后，自动重合闸装置应尽快发出重合闸脉冲。（4）自动重合闸装置动作次数应符合预先的规定。（5）自动重合闸装置应有可能在重合闸以前或重合闸以后加速继电保护的动作 ，以便加速故障的切除。 （6）在双侧电源的线路上实现重合闸时，重合闸应满足同期合闸条件。（7）当断路器处于不正常状态而不允许实现重合闸时，应将自动重合闸装置闭锁。结 论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

35、流一般为57A；而零序过电流保护则按躲开不平衡电流整定，其值一般为23A。由于发生单相接地短路时，故障相的电流与零序电流相等，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阻抗为大，X0=(23.5)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，因此零序段的保护范围较大，也较稳定，零序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

36、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。参 考 文 献1 谭秀炳编.铁路电力与牵引供电系统继电保护M.成都:西南交通大学出版社,2006.2 李俊年主编.电力系统继电保护M.北京:中国电力出版社,1993.3 尹项根主著.电力系统继电保护原理与应用M.武汉:华中科技大学出版社,2004.4 张保会主编.电力系统继电保护M.北京:中国电力出版社,2005.忽略此处.- 26 -