110kV输电线路零序电流保护设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学电力系统继电保护电力系统继电保护课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：110kv110kv 输电线路零序电流保护设计（输电线路零序电流保护设计（5 5）院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气104104 学学 号：号： 100303135100303135 学生姓名：学生姓名： 付瑶付瑶 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化学 号100303135学生姓名付瑶专业班级电气 10

2、4课程设计（论文）题目110kv 输电线路零序电流保护设计（5）本科生课程设计（论文）1课程设计（论文）任务系统接线图如图：课程设计的内容及技术参数参见下表设计技术参数工作量,3/115kve ,2 . 1irelkrelk1 . 1relk系统中各元件及线路的负序阻抗与正序阻抗相同,其他参数见图。计算最大和最小零序电流，应根据当 z1z0时，则有；反之，当 z1z0时，)1 . 1(. 0)1(. 0kkii则有。)1 . 1(. 0)1(. 0kkii1计算 b 母线、c 母线、d 母线处正序（负序）及零序综合阻抗z1、z0。2计算 b 母线、c 母线、d 母线处发生单相或两相接地短路时出

3、现的最大、最小零序电流。3整定保护 1、2、3 零序电流 i 段的定值，并计算各自的最小保护范围。4当 b 母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，整定保护 1、2 零序定值，并校验灵敏度。5整定保护 1 零序段定值，假定母线 d 零序过电流保护动作时限为0.5s，确定保护 1、2、3 零序过电流保护的动作时限，校验保护 1 零序段的灵敏度。5绘制零序三段式电流保护的原理接线图。并分析动作过程。6. 采用 matlab 建立系统模型进行仿真分析。zt4=60zt3=60zt2=10zg2=18zt1=10321zg1=18z1.cd=40z0.cd=80z1.bc=20z0.bc=40

4、z0.ab=40az1.ab=20dcb本科生课程设计（论文）2续表进度计划第一天：收集资料，确定设计方案。 第二天：综合阻抗 z1、z0计算。第三天：计算最大、最小零序电流。 第四天：整定保护 1、2、3 零序电流 i 段。第五天：整定保护 1、2 零序段。 第六天：整定保护 1 零序段定值 第七天：绘制保护原理图。 第八天：matlab 建模仿真分析。第九天：撰写说明书。 第十天：课设总结，迎接答辩。指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）3摘 要我国 110kv

5、及以上的电力系统均为大电流接地系统，单相接地短路将产生很大的故障相电流和零序 电流。三相式保护虽然对接地短路有保护作用。但该保护的动作电流必须大于最大负荷电流。因而灵敏度往往不够。所以必须采用零序电流保护装置作为接地保护是必要的。零序电流保护分为四段式，分别为主保护段，段。iii后备保护段，段。iiiiv在本设计当中，计算部分首先确定系统的最大最小运行方式，再通过零序电流保护的各段的整定原则计算出保护 1、2、3 的无时限零序电流保护的动作电流和动作时限整定值，算出各自的最小保护范围以完成灵敏度的校验。之后计算出保护2，3 的带时限零序电流保护的动作电流值，然后通过最小运行方式校验带时限电流保

6、护的灵敏度。最后对保护 1 的进行零序三段的整定计算。图形部分画出零序电流保护的原理图以及展开图。并介绍了方向性零序保护的原理图。系统控制部分设计了对零序电流保护的控制。并分析了动作过程。关键词：零序电流；单相接地；灵敏度；原理图本科生课程设计（论文）4目 录第 1 章 绪论 .5第 2 章 输电线路零序电流保护整定计算 .62.1 零序电流 段整定计算 .62.1.1 零序电流 段动作电流的整定 .62.1.2 灵敏度校验 .62.1.3 动作时间的整定 .62.2 零序电流段整定计算 .72.3 零序电流段整定计算.7第 3 章 零序保护原理图的绘制与动作过程分析 .8第 4 章 matl

7、ab 建模仿真分析.9第 5 章 课程设计总结 .10参考文献 .11本科生课程设计（论文）5第 1 章 绪论1.1 零序电流保护的概况零序电流保护的概况本文是针对 110kv 输电线路采用零序电流保护的方法进行的继电保护设计。在正常负荷下，零序电流没有或者很小；当发生接地故障时，就一定有零序电流产生。据统计，接地短路故障约占总故障次数的 93%。所以，采用零序电流保护装置作为接地短路保护是必要的。零序电流保护装置简单，动作电流电流小，经济可靠，灵敏度高，正确动作率高。因此零序电流保护在中性点直接接地的高压，超高压输变电系统中的到了广泛的应用。零序电流 i 段保护的动作原则是：（1）躲过本线路

8、末端接地短路时的最大三倍零序电流。(2)躲断路器三相触头不同时合闸而出现的最大零序电流。 整定值应选取较大的一个。灵敏 i 段是按条件（1）或（2）整定。零序电流 ii 段保护的动作原则是：与相邻线路零序电流 i 段配合。灵敏性校验的原则是按本线路末端发生接地故障时最小零序电流校验。要求灵敏度大于等于 1.5。若不满足要求，改与相邻线段配合。零序电流 iii 段保护的动作原则是：躲下级线路出口三相短路时流过保护装置的最大不平衡电流。灵敏性校验遵循的原则是：近后备按被保护线路末端短路时，流过保护的最小三倍零序电流校验。远后备按相邻线路末端短路时，流过保护的最小三倍零序电流校验。动作时间按阶梯时限

9、原则来选择 应用零序电流保护的优点是零序过电流保护的灵敏度高，受系统运行方式的影响要小，不受系统振荡和过负荷的影响，方向性零序电流保护没有电压死区，简单、可靠。零序电流的分布与变压器中性点接地的多少和位置有关；大小与线路及中性点接地变压器的零序阻抗有关。在同一线路上的零序过电流保护与相间短路的过电流保护相比，将具有较小的时限，这是零序过电流保护的一大优点。零序电流保护的缺点是对短线路或运行方式变化很大时，保护往往不能满足要求，单相重合闸的过程中可能误动，当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的电网时，将使保护的整定配合复杂化，且将增大第 iii 段保护的动作时间。0.max3i0.max3i0.

10、max3i本科生课程设计（论文）61.2 本文主要内容本文主要内容1.计算 b 母线、c 母线、d 母线处正序（负序）及零序综合阻抗 z1、z0。2计算 b 母线、c 母线、d 母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序 电流。3整定保护 1、2、3 零序电流 i 段的定值，并计算各自的最小保护范围。4当 b 母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，整定保护 1、2 零序定值，并校验灵敏度。5整定保护 1 零序段定值，假定母线 d 零序过电流保护动作时限为 0.5s，确定保护 1、2、3 零序过电流保护的动作时限，校验保护 1 零序段的灵敏度。6绘制零序三段式电流保护的原理接线

11、图。并分析动作过程。本科生课程设计（论文）7第 2 章 输电线路零序电流保护整定计算2.1 零序电流 段整定计算系统接线图如图：图 2.1 系统接线图一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗 ，1z（1）当、均投入运行时：1g1t2g2t3t4t图 2.2等值正序（负序）网络图 图 2.3等值零序网络图zt4=60zt3=60zt2=10zg2=18zt1=10321zg1=18z1.cd=40z0.cd=80z1.bc=20z0.bc=40z0.ab=40az1.ab=20dcb0zzg1zg2zt1zt 2zab1zbc1zcd1abcdzt1zt 2zab0zbc0zcd0zt 30z

12、t 40abcd本科生课程设计（论文）8b 母线： c 母线: d 母线：（2）当、投入运行时:1g1t2g2t3t 图 2.4等值正序（负序）网络图图 2.5等值零序网络图b 母线： 4030. 0210/ttabttbzzzzzz18)60/60/()4010/10(584018000bcbczzz542034111bcbczzz3420)1018/()1018( abtgtgbzzzzzz122111/944054111cdcdzzz1388058000cdcdzzzzg1zg2zt1zt 2zab1zbc1zcd1abcddzt1zt 2zt3zab0zbc0zcd0abc71.256

13、0/)4010/10(/30210tabttbzzzzz 3420)1018/()1018(/122111abtgtgbzzzzzz542034111bcbczzz本科生课程设计（论文）9c 母线：d 母线：（3）当、投入运行时1g1t3t4t图 2.6等值正序（负序）网络图图 2.7等值零序网络图b 母线：c 母线：d 母线：71.654071.25000bcbczzz944054111cdcdzzz71.1458071.65000cdcdzzzabcdzg1zt1zab1zbc1zcd1zt3zt 4zt1zab0zbc0zcd0abcd 75.18)60/60/()4010(/40300

14、10ttabtbzzzzz75.584075.18000bcbczzz1084068111cdcdzzz75.1388075.58000cdcdzzz682048111bcbczzz482010181111abtgbzzzz本科生课程设计（论文）10（4）当、投入运行时1g1t3t图 2.8等值正序（负序）网络图图 2.9等值零序网络图b 母线：c 母线：d 母线：二、计算 b、c、d 母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流（1）当、均投入运行时1g1t2g2t3t4tb 母线：zt1zab0zbc0zcd0abcdzt3abcd27.2760/)4010(/3010tabtb

15、zzzz482010181111abtgbzzzz682048111bcbczzz27.674027.27000bcbczzz1084068111cdcdzzz27.1478027.67000cdcdzzzkazzeibbskb949. 0182343/115201)1 . 1(0kazzeibbskb772. 0183423/115201)1(0本科生课程设计（论文）11c 母线：d 母线：（2）当、投1g1t2g2t3t入运行时b 母线：c 母线：d 母线：（3）当、投入运行时1g1t3t4tb 母线：kazzeiccskc391. 0582543/115201)1 . 1(0kazzei

16、ccskc400. 0585423/115201)1(0kazzeiddskd179. 01382943/115201)1 . 1(0kazzeiddskd204. 01389423/115201)1(0kazzeibbskb777. 071.252343/115201)1 . 1(0kazzeibbskb709. 071.253423/115201)1(0kazzeiccskc358. 071.652543/115201)1 . 1(0kazzeiccskc382. 071.655423/115201)1(0kazzeiddskd172. 071.1452943/115201)1 . 1(0

17、kazzeiddskd199. 071.1459423/115201)1(0kazzeibbskb777. 075.182483/115201)1 . 1(0kazzeibbskb579. 075.184823/115201)1(0本科生课程设计（论文）12c 母线：d 母线：（4）当、投入运行时1g1t3tb 母线：c 母线：d 母线：kazzeiddskd165. 027.14721083/115201)1 . 1(0kazzeiccskc358. 075.582683/115201)1 . 1(0kazzeiccskc341. 075.586823/115201)1(0kazzeidds

18、kd172. 075.13821083/115201)1 . 1(0kazzeiddskd187. 075.13810823/115201)1(0kazzeibbskb648. 027.272483/115201)1 . 1(0kazzeibbskb539. 027.274823/115201)1(0kazzeiccskc329. 027.672683/115201)1 . 1(0kazzeiccskc327. 027.676823/115201)1(0kazzeiddskd183. 027.14710823/115201)1(0本科生课程设计（论文）132.1.1 零序电流 段动作电流的整定

19、1、保护 1 零序电流 i 段（1）、运行 1g1t2g2t3t4t 因为 所以取两相接地短路（2） 、运行1g1t2g2t3t 因为 所以取两相接地短路 所以最大运行方式为：、运行1g1t2g2t3t 保护1 的 i 段动作电流为：2、保护 2 零序电流i 段（1）、运行1g1t2g2t3t4t 因为 所以取单相接地短路（2） 、运行1g1t2g2t3t 因为 取单相接地短路所以最大运行方式为：、运行1g1t2g2t3t4t保护 2 的 i 段动作电流为：kaikicrelop44. 1400. 032 . 1302. 0三、保护 3 零序电流 i 段（1） 、运行1g1t2g2t3t4t因

20、为取单相接地短路)1(0)1 . 1(0kdkdiikaiikdd204. 0)1(00 （2） 、运行1g1t2g2t3t 因为取单相接地短路)1(0)1 . 1(0kdkdiikaiikdd199. 0)1(00所以最大运行方式为：、运行1g1t2g2t3t4t保护 3 的 i 段动作电流为：kaikidrelop734. 0204. 032 . 1303. 0)1(0)1 . 1(0kbkbiikazzzzzzziittabttttkbb379. 060604010106060949. 04302143)1 . 1(00)1(0)1 . 1(0kbkbiikazzzzziitabtttk

21、bb5422. 06040101060949. 030213)1 . 1(00kaikibrelop952. 15422. 032 . 1301. 0)1(0)1 . 1(0kckciikaiikcc400. 0)1(00)1(0)1 . 1(0kdkdiikaiikdd199. 0)1(00本科生课程设计（论文）142.1.2 灵敏度校验一、保护 1 的最小保护范围计算设 （） ，则abakzzk11101 k,4040,40,20101011111kzkzkzbkakak(1)、运行1g1t3t4t8/ )4070)(41 ()()(2028114300101111111111kkzzzz

22、zzkzzzzttbkaktkaktgk 取单相接地短路)1(0)1 . 1(00111kbkbkkiizz8/ )4070)(41 ()2028(23/115211101)1(011kkkzzeikkskbkaiikkkzzzzzzziiopkttabtttbkkbk5084. 1375.6870203/1158471. 001114301430)1(00111得，满足灵敏度要求%15%7 .331k(2)、运行1g1t3t11/ )40100)(41 ()()(202811300101111111111kkzzzzzkzzzztbkaktkaktgk 取单相接地短路)1(0)1 . 1(0

23、0111kbkbkkiizz11/ )40100)(41 ()2028(23/115211101)1(011kkkzzeikkskbkaiikkkkzzzzziiopktabttbkkbk5084. 1311/ )40100)(41 ()2028(23/115114101. 00111130130)1(00111得，满足灵敏度要求%15%33.401k 根据、，最小运行方式为：、运行1g1t3t4t 保护 1 的 i 段最小可以保护线路 ab 全长的 33.6%二、保护 2 的最小保护范围计算设 （） ，则bcbkzzk22102 k202140,2022kzkzbkbk本科生课程设计（论文）

24、15（1）、运行1g1t3t4t20430102111110475.18)()(20482222kzzzzzzkzzzzzbkttabtkbkabtgk 取单相接地短路)1(0)1 . 1(00122kckckkiizz2201)1(004075.18)2048(23/1152222kkzzeiikkskck得，满足灵敏度要求kaiiopk422. 132. 002%15%64.262k（2）、运行1g1t3t 203010211114027.27)(20482222kzzzzzkzzzzbktabtkaktgk 取单相接地短路)1(0)1 . 1(00122kckckkiizz2201)1(

25、004027.27)2048(23/1152222kkzzeiikkskck得，满足灵敏度要求kaiiopk418. 132. 002%15%161k 根据、，最小运行方式为：、运行1g1t3t 保护 2 的 i 段最小可以保护线路 bc 全长的 16%三、保护 3 的最小保护范围计算设 （） ，则cdckzzk33103 k303180,4033kzkzckck（1）、运行1g1t3t4t 3004301031111110875.58)()(40683333kzzzzzzzkzzzzzzckbcttabtkckbcabtgk若 ,则取单相接地短路3301kkzz)1(0)1 . 1(0kdk

26、dii3301)1(008075.58)4068(23/1152333kkzzeiikkskdk得，满足灵敏度要求kaiiopk726. 033. 003%15%94.463k此时，与矛盾326.96,788.883301kkzz3301kkzz所以，取两相接地短路3301kkzz)1(0)1 . 1(0kdkdii)8075.58(240683/11523301)1 . 1(00333kkzzeiikkskdk本科生课程设计（论文）16kaiiopk726. 033. 003得，满足灵敏度要求%15%18.433k（2）、运行1g1t3t300301031111118027.67)(4068

27、3333kzzzzzzkzzzzzzckbctabtkckbcabtgk若 ,则取单相接地短路3301kkzz)1(0)1 . 1(0kdkdii3301)1(008027.67)4068(23/1152333kkzzeiikkskdk得，满足灵敏度要求kaiiopk724. 033. 003%15%62.413k此时，与矛盾59.100,66.863301kkzz3301kkzz所以，取两相接地短路3301kkzz)1(0)1 . 1(0kdkdii)8027.67(240683/11523301)1 . 1(00333kkzzeiikkskdk得，满足灵敏度要求kaiiopk724. 03

28、3. 003%15%66.343k 根据（1） 、 （2） ，最小运行方式为：、运行1g1t3t 保护 3 的 i 段最小可以保护线路 cd 全长的 34.65%2.1.3 动作时间的整定断路器 1qf 处无时限电流速断保护的动作时间为：stiop01断路器 2qf 处无时限电流速断保护的动作时间为：stiop02电路器 3qf 处无时限电流速断保护的动作时间为：stiop032.2 零序电流零序电流段整定计算保护 1 的段与保护 2 的 i 段配合本科生课程设计（论文）17，保护 1 的分支系数1mini2. 0ii1. 0/bopiirelopkiki5 . 23075001minabbc

29、biik kaiop626. 05 . 2/422. 11 . 1ii1. 0灵敏度校验：最小运行方式为、运行1g1t3t4t流过保护 1 的最小零序电流kazzzzzziittabtttkb2096. 0430143)1(0min0 不满足灵敏度要求3 . 1005. 1626. 02096. 0331. 0min01iiopiiseniik所以，保护 1 的段与保护 2 的段配合，保护 2 的分支系数1minii2. 0ii1. 0/bopiirelopkiki12minbkkakikibopiirelop80. 01/7272. 01 . 1/2mini3. 0ii2. 0kaiop35

30、2. 05 . 2/80. 01 . 1ii1. 0满足灵敏度要求3 . 179. 1352. 02096. 0331. 0min01iiopiiseniik所以，保护 1 的段动作电流：kaiop352. 0ii1. 0保护 1 的段动作时间与保护 2 的段动作时间配合：sttttttiopiiopiiop0 . 15 . 05 . 003212.3零序电流零序电流段整定计算保护 1 的段与保护 2 的段配合kakikibopiiirelop352. 05 . 2/80. 01 . 1/1minii2. 0iii1. 0灵敏度校验：最小运行方式为、运行1g1t3t4t作为近后备：满足灵敏度要

31、求3 . 179. 1352. 02096. 0331. 0min01iiiopbiiiseniik作为远后备：满足灵敏度要求2 . 173. 2352. 0320. 0331. 0min01iiiopciiiseniik已知母线 d 零序过电流保护动作时限为 0.5s所以保护 1 的段零序电流保护的动作时间与保护 2 的段动作时间配合：sttttttiiopiiopiiiop5 . 15 . 05 . 05 . 0321本科生课程设计（论文）18第 3 章 方向性零序电流保护3.1 方向性零序保护的特点及原理图变压器的零序方向过电流保护是为防止电力变压器出现单项短路或负载严重不平衡而安装的保

32、护电路，在变压器出现单项短路或负载严重不平衡切断高压输出柜，使变压器断电，达到保护变压器和线路安全的目的。通常保护值设为额定电流的 25%。 零序功率方向保护原理是利用故障线路零序电流滞后零序电压 90。 ，非故障线路零序电流超前零序电压 90。的特点来实现的。即零序功率方向保护是利用故障线路和非故障线路的保护安装处零序电流方向相反的特点构成。用于零序电流保护不满足要求和接线复杂的网络中。目前采用这一原理实现的装置在实际电网中应用较多，但对中性点经消弧线圈接地的系统此原理无效。是针对中性点非直接接地系统中单相接地保护的装置。 图 3.1 静态功率方向继电器图 3.2 整流型和晶体管型零序功率方

33、向继电器* * * * *kw0 = -110sen* * * * *kw0* = 70sen本科生课程设计（论文）193.2 零序电流的获取方法 在电力系统架空线路上的零序电流一般用零序电流过滤器获得，如图所示。图中，三个相的电流互感器采用相同的型号和变比，按图所示的极性接线，当架空线发生接地故障时，零序电流过滤器将输出零序电流.图 3.3 零序电流过滤器 如图所示的是用零序电流互感器方式取出线路中的零序电流，它用于电缆线路取出零序电流。零序电流互感器有一个铁芯，三相电缆线穿过其铁芯，从铁芯上的二次绕组取出线路故障电流中的零序电流。故障零序电流互感器不存在因为三相电流互感器激磁电流不对称产生

34、的不平衡电流，而只有三相电缆对铁芯不对称而产生的不平衡电流，但其值较小。图 3.4 零序电流互感器* * * *i0i0a b c电缆头电缆ta0本科生课程设计（论文）20第 4 章 零序保护原理图的绘制与动作过程分析4.1 零序电流保护的原理图图 4.1 零序电流保护原理图4.2 零序电流保护的展开图如图 4.2 是零序电流保护的交流回路图 4.2 交流回路qf1kakm3ka4kt5ka6kt7ks8ks9ksytqfqf信信信信信信*iiitttatactaa1ka3ka5ka2ka4ka6ka本科生课程设计（论文）21如图 4.3 是零序电流保护的直流电路 图 4.3 直流回路如图 4

35、.4 是零序电流保护的信号回路图 4.4 信号回路4.3 动作过程的分析已知各保护的保护范围：1qf：i 段 am，段 ap，段 c 母线以后2qf：i 段 bn，段、段 c 母线以后3qf： c 母线以后1k a2k a3k a4k a1k t5k a6k a2k t1k s2k s3k skm1k t2k tytfu 1fu 2+w c-wckmqfwsp3ks1ks2kswaux本科生课程设计（论文）22 若在 am 线路中发生 ab 短路，则故障是由保护 1qf 的 i 段切除的。各继电器的动作情况为发生短路各电流继电器动作，但由于是发生 ab 相短路，所以反应 c 相的2ka,4ka

36、,6ka 不动作。又因为是由保护 1 的 i 段切除的，所以 km,1ks 动作。而除电流继电器的其它继电器都不动作。若在 bn 线路中发生 ab 短路，则故障是由保护 2qf 的 i 段切除的。各继电器的动作情况与上述判断方法一致。即 2ka,4ka,6ka 不动作，其它电流继电器动作。又是由保护 2 的 i 段切除的，所以 km,1ks 动作，其它继电器不动作。若在 mb 线路中发生 ab 短路，则故障是由保护 1qf 的 ii 段切除的。各继电器的动作情况为 1ka,2ka,4ka,6ka 不动作，其它电流继电器动作，因为由保护 1qf 的 ii段切除的，所以 1kt,2ks 动作，其它

37、继电器不动作。本科生课程设计（论文）23第 5 章 matlab 建模仿真分析5.1 仿真模型的建立仿真模型的建立 用 matlab 仿真分析系统的电流电压变化过程：采用 matlab 软件中的 simulink工具箱，先进行图形模块的建立和联接，连入测量元件示波器测量电流电压，再运行程序进行波形仿真。模块联接及仿真波形如图 5.1 和图 5.2 所示：图 5.1 仿真模型5.2 仿真结果及分析仿真结果及分析图 5.2 系统仿真波形abcthree-phase source1abcthree-phase sourceabcabcthree-phase breaker2abcabcthree-phase breakerabcabcthree-phasetransfo