电力系统继电保护课程设计

1、课程设计报告 课程名称 电力系统继电保护 设计题目 110kV 线路距离保护的设计 设计时间 2016-2017 学年第一学期 专业年级电气 134 班姓 名 王学成 学号 提交时间 2016 年 12月 19日 成绩 指导教师 何自立 许景辉水利与建筑工程学院摘 要 0第 1 章、概述 . 11.1 距离保护配置 1 错误 ! 未定义书签。 错误 ! 未定义书签。12 零序保护配置 31.2.1 零序电流 I 段（速断）保护 . 31.2.2 零序电流 II 段保护 3第 2 章、系统分析 . 42.1 故障分析 4442.1.3 短路简介及类别 52.2 输电线路保护主要形式 6（ 1）电

2、流保护 6（ 2）低电压保护 6（ 3）距离保护 6（ 4）差动保护 72.3 对该系统的具体分析 72.3.1 对距离保护的分析 72.3.2 对零序保护的分析 82.4 整定计算 82.4.1 距离保护的整定计算 82.4.2 零序保护的整定计算 122.4.3 结论 142.5 原理图及动作分析 152.5.1 原理图 152.5.2 动作分析 17第 3 章、总结 . 17第 4 章、参考文献 . 17摘要距离保护是以距离测量元件为基础构成的保护装置， 又称阻抗保 护。当系统正常运行时，保护装置安装处的电压为系统的额定电压， 电流为负载电流， 而发生短路故障时， 其电压降低、电流增大。

3、 因此， 电压和电流的比值， 在正常状态下和故障状态下是有很大变化的。 由 于线路阻抗和距离成正比， 保护安装处的电压与电流之比反映了保护 安装处到短路点的阻抗， 也反映了保护安装处到短路点的距离。 所以 可按照距离的远近来确定保护装置的动作时间， 这样就能有选择地切 除故障。本设计为输电线路的距离保护， 简述了输电线路距离保护的原理 具体整定方法和有关注意细节，对输电网络距离保护做了详细的描 述，同时介绍了距离保护的接线方式及阻抗继电器的分类， 分析了系 统振荡系统时各发电机电势间的相角差随时间周期性变化和短路过 渡电阻影响。最后通过 MATLAB建模仿真分析本设计的合理性，及是 否满足要求

4、。关键词：距离保护；整定计算；第 1 章、概述1.1 距离保护配置距离保护的主保护是距离保护段和距离保护段。（1）距离保护第段线路 AB正序阻抗 ZAB Z1LA B=0.4 60=24线路 BC的正序阻抗 ZB C Z1LB C =0.4 40=16保护 1、2 的距离保护段 Zset.1,2 Krel Z AB =0.85 24=20.4保护 3、4 的距离保护段 Zset.3,4 KrelZBC=0.8516=13.6（2）距离保护段整定计算1）按与相邻线路距离保护段配合整定 为保证在下级线路上发生故障时， 上级线路保护处的保护段不 至于越级跳闸所以其段的动作范围不应该超出下级线路段的动

5、 作范围。考虑分支电路的影响，可按下式进行整 Z set.1 K rel （Z AB K b.min ? Z set.2 ）式中， K IIrel 为可靠系数，取 0.8 ；为确保在各种运行方式下保护1 的段范围不超过保护 2 的段范围，分支系数 Kb 取各种情况下 的最小值 Kb.min 。2）与相邻变压器的快速保护相配合整定 若被保护线路的末端母线接有变压器时，其距离段保护的动作范 围不应超出变压器快速保护（一般是差动保护）的范围，即距离段 应躲开线路末端变电所变压器低压侧出口处短路时的阻抗值， 设变压 器的阻抗为 ZT，则起动阻抗整定为 Z II set.1 K II rel （ ZAB

6、 Kb.min ?Zt）当被保护线路末端母线上既有出线又有变压器时， 距离段的整 定阻抗应取上述两种情况的较小者。3）保护动作时间的整定t II 1 t I 2 t（1.5）4）灵敏度校验距离保护段， 应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有 足够的灵敏度。 由于是反映于数值的下降而动作， 其灵敏系数定义为 具体对保护 1 的距离段来看，在本线路末端短路时其测量阻抗为ZAB，因此灵敏系数为一般要求 ，若不满足要求，则距离保护段应与相邻元件 的保护段相配合，进一步延伸保护范围，并延长动作时限。5）当校验本线路末端故障时，灵敏度不满足要求时，则距离保 护段应与相邻元件的保护段相配合， 进一步延伸

7、保护范围， 并延 长动作时限。保护动作时间：距离段与段联合工作构成本线路的主保护。（ 1）距离保护第 III 段整定本题按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定当线路上负荷最大且母线电压最低时，负荷阻抗最小，如式中 ZL.min最小负荷阻抗 U L.min 为正常运行母线电压的最低值，I L.max 为被保护线路最大负荷电流。 此系统选择具有方向圆特性阻抗继电器， 由躲开负荷阻抗换算成 整定阻抗值，则式中 Zset.1为保护 1 距离 III 段的整定阻抗； Krel 为可靠系数。 取 Krel 1.2， Kss 1.2， Kre 1.2和 set 75o， L 30o（2）灵敏度校验 距离保护的

8、III 段，既作为本线路 I 、II 段保护的近后备，又作 为想了下级设备保护的远后备，灵敏度应分别进行校验。作为近后备时，按本线路末端短路校验，则 作为远后备时，按相邻设备末端短路校验，则（3）动作时限的整定距离保护 III 段的动作延时， 应比与之配合的相邻设备保护动作 延时大于一个时间级差 t 。1 2 零序保护配置1.2.1 零序电流 I 段（速断）保护躲开下级线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流 3 I ，引入可靠系数为 Krel =1.2set.1=K rel3I 0.1.max1.12)1.2.2 零序电流 II 段保护1）零序电流 II 段的电流整定零序电流 I

9、I 段保护的工作原理与相间短路限时电流速断保护 样，其启动电流首先考虑与下级线路的零序电流速断保护范围的末端M点相配合，并带有一个高出 t 的时限，以保证动作的选择性。 可靠系数为 1.152）灵敏度校验 应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来校验，并满足3I 0.4 min =1.5Kre I0.4min =1.5I set.1 若灵敏度不满足要求，除考虑与下级零序 II 段保护配合外，还 应考虑到下列方式解决：用两个不同灵敏度的零序 II 段保护。 从电网接线的全局考虑，改用接地距离保护。第 2 章、系统分析2.1 故障分析2.1.1 故障引起原因1、雷害 2 、大风 3 、洪水暴雨

10、4 、外力破坏5、覆冰 6 、污闪 7 、鸟害 8 、本体缺陷2.1.2 故障状态及其危害 电力系统的所有一次设备在运行过程中由于外力、 绝缘老化、 过 电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生例如短路、断线等故障。 最常见同时也是最危险的故障是发生各种类型的短路。 在发生短路时 可能产生以下后果 :1）通过短路点的很大短路电流和所燃起的电弧，使故障元件 损坏。（2）短路电流通过非故障元件 . 由于发热和电动力的作用， 引起 它们的损坏或缩短使用寿命。（ 3）电力系统中部分地区的电压大大降低。使大量的电力用户 的正常工作遭到破坏或产生废品。（4）破坏电力系统中各发电厂之间并列运行的稳定性，引起系

11、统 振荡，甚至使系统瓦解。2.1.3 短路简介及类别 电力系统的短路就是在回路中因为电阻降低而引起电流异常增 大的一种现象；电力系统在运行中，相与相之间或相与地或中性线 ） 之间发生非正常连接 （即短路） 时而流过非常大的电流。短路分为很多种情况，有单相接地短路，两相短路，两相短路接 地，三相短路等。 相线俗称火线， 三相就是三个火线， 他们电压相等， 频率相当，但是相序 （时间） 不同。单相接地短路 两相短路 两相接地短路 三线对称短路图 2-1 常见短路故障一、单相接地短路 单相接地短路是指三相交流供电系统中一根相线与大地成等电 位状态了，也就是该相线的电位与大地的电位相等，都是“零”，非

12、 故障两相电压接近正常电压， 负荷电流接接近正常， 故非故障相工作 状态与正常负荷状态相差不大。二、两相短路两相短路任意两相导线， 直接金属性连接或经过小阻抗连接在一起。 此时故 障点处两故障相的对地电压相等，故障相电压不为零。而非故障相三、两相短路接地两相短路接地是指三相交流供电系统中两根相线与大地成等电位状态了， 此 时故障点处两接地相的电压都为零。四、三相对称短路三相对称短路是指三相全部短路， 三相对称性短路时， 故障点处的各相电压 相等，且在三相系统对称时均都为零。 此种短路情况最为严重， 对电力系统的损 害极大。2.2 输电线路保护主要形式（1）电流保护对于输电线路来说，在正常运行时

13、，每条线路上都流过由它供电 的负荷电流，越靠近电源端，负荷电流越大。假定在线路上发生三相 短路，从电源到短路点之间将流过很大的短路电流。 利用流过被保护 元件中电流幅值的增大，可以构成过电流保护。（2）低电压保护在输电线路正常运行时，各变电所母线上的电压一般都在额定电 压5%10%范围内变化，且靠近电源端母线上的电压略高。短路 后，各变电所母线电压有不同程度的降低，离短路点越近，电压降得 越低，短路点的相间或对地电压降低到零。 利用短路时电压幅值的降 低，可以构成低电压保护。（3）距离保护同样，在正常运行时，线路始端的电压与电流之比反映的是该线 路与供电负荷的等值阻抗及负荷阻抗角 （功率因数角

14、 ） ，其数值一般较 大，阻抗角较小。 短路后，线路始端的电压与电流之比反映的是该测 量点到短路点之间线路段的阻抗， 其值较小， 如不考虑分布电容时一 般正比于该线路段的距离 （长度） ，阻抗角为线路阻抗角，较大。利用 测量阻抗幅值的降低和阻抗角的变大，可以构成距离 （低阻抗 ） 保护。（4）差动保护利用每个电力元件在内部与外部短路时两侧电流相量的差别可 以构成电流差动保护， 利用两侧电流相位的差别可以构成电流相位差 动保护，利用两侧功率方向的差别可以构成方向比较式纵联保护， 利 用两侧测量阻抗的大小和方向等还可以构成其他原理的纵联保护。 利 用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障

15、时电气量 差异的保护，称为纵联保护。它们只在被保护元件内部故障时动作， 可以快速切除被保护元件内部任意点的故障， 被认为具有绝对的选择 性，常被用作 220KV及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电 动机等电力元件的主保护。2.3 对该系统的具体分析2.3.1 对距离保护的分析当系统出现相间短路时，我们采取距离保护，距离保护的主保 护是距离保护段和距离保护段。 距离保护第段， 装设距离保护 第段是为了作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护， 同时也作为、段的后备保护。为了快速切除线路上的各种短路， 线路 A-B、B-C应在 1、2、3、4 处配备三段式距离保护；选用接地距 离保护接

16、线方式和相间距离保护接线方式； 它们的、 段选择具有 方向特性的距离保护，段具有偏移特性的距离保护。2.3.2 对零序保护的分析 零序保护中会出现单相接地故障和两相接地故障。 画出所有元件 全运行时的三序等值网络，并求出所有元件全运行时， A、B 、C 母 线，分别发生单相接地短路和两相接地短路时的负荷序网等值图。 以 便求出各个母线发生故障时其零序电流的分布， 从而求出流过各个保 护的最大和最小零序电流。 当 AB和 BC段线路分别发生故障时， 分析 系统最大和最小运行方式， 并分别求出各个保护的最大和最小分支系 数。保护 1、4对应，保护 2、3对应，对于保护 2、3 只有零序保护 段，对

17、于保护 1、4 有零序保护段和段。2.4 整定计算距离保护的整定计算线路 AB正序阻抗 ZAB Z1LA B=0.4 60=24线路 BC的正序阻抗 ZB C Z1LB C =0.4 40=16 保护 1、2 的距离保护段 Zset.1,2 Krel Z AB =0.85 24=20.4 保护 3、4 的距离保护段 Zset.3,4 Krel ZBC =0.85 16=13.6 时间： t=0 s( 一 ) 保护 1 距离保护段的整定 与相邻下级最短线路的保护 3段相配合时，有 =0.8 ( 24+113.6 )=30.082. 当与相邻变压器的快速保护相配合时，有=0.75 ( 24+1 1

18、5) =31.2取较小者为段整定值，即 Zset.1=30.08效验：按本线路末端短路求灵敏系数为：满足要求动作延时为： 0.5s（ 二 ） 保护 2 距离保护段的整定1. 按躲开最小负荷阻抗整定?ZL.min U? L.min =0.9 110 =190.53U L.max 3 0.3效验：按本线路末端短路求灵敏系数为Ksen（1） Zset.1 155.93=6.50 1.5 满足要求ZAB24动作延时为：（ 三 ） 保护 3 距离保护段的整定效验：按本线路末端短路求灵敏系数为满足要求动作延时为：( 四 ) 保护 1 距离保护段的整定 按躲开最小负荷阻抗整定?U L.min 0.9 110

19、ZL.min? = =190.53U? L.max3 0.3U L.max继电器取相间接线方式的方向阻抗继电器，, , , ,效验按本线路末端短路求灵敏系数为Ksen（1） Zset.1 155.93=6.50 1.5 满足要求ZAB 24相邻元件末端短路时的灵敏系数为满足要求满足要求动作延时为：（ 五 ） 保护 4 距离保护段的整定1. 与相邻下级最短线路的保护 2 段相配合时，有Z set.4 K rel (ZBC K 4 b.min Zset.2 ) =0.8 ( 16+20.4) =29.12 2. 当与相邻变压器的快速保护相配合时，有Zset.4 K rel (ZBC K 4b.mi

20、n Zt ) =0.8 ( 16+15)=24.81取较小者满足要求动作延时为：（ 六 ） 保护 4 距离保护段的整定效验：1按本线路末端短路求灵敏系数为满足要求2. 相邻元件末端短路时的灵敏系数为满足要求满足要求动作延时为：七）动作特性曲线 1 段段1 A 2 B 3 C 4 段项目整定值时限 s灵敏度是否满足要求保护 1、2- 段20.40Krel =0.85满足保护 1- 段30.0811.2533333满足保护 1- 段155.304516.5 、4.13 、3.98满足保护 2- 段155.30450.56.5满足保护 3- 段155.30450.511.42满足保护 3、 4- 段

21、13.60Krel =0.85满足保护 4- 段24.811.55满足保护 4- 段155.304519.7065 、4.13 、5.009823满足2.4.2 零序保护的整定计算一.接地短路(a) 正序等值图(b) 负序等值图X2.G2X2.T2(c) 零序等值图( 一 ) 单相接地短路复合序网保 护 1保护 4：单相接地短路零序电流分布图 (二)两相接地短路复合序网故，流过保护 1，保护 4 的电流分别为： 两相接地短路零序电流分布图 保护 1保护 4的分支系数为： BC段故障时变压器助增作用AB段故障时变压器助增作用当一台发电机运行时 X1最大， X1max=30+72=102当两台发电

22、机运行时 X1最小， X1min=15+72=87当 T5，T6只有一台运行时 X2最大， X2max=40当 T5，T6两台同时运行时 X2最小， X2min=20所以， K1.BMAX=1+X1.max/X2.min=1+102/20=6.1K1.BMax=1+X1.min/X2.max=1+87/40=3.175同理， K4.b=1+X1/x2当一台发电机运行时 X1最大， X1max=48+30=78 当两台发电机运行时 X1最小， X1min=48+15=63 当 T5，T6只有一台运行时 X2最大， X2max=40当 T5，T6两台同时运行时 X2最小， X2min=20所以，

23、K4.BMAX=1+X1.max/X2.min=1+78/20=4.9K4.BMax=1+X1.min/X2.max=1+63/40=2.575保护 1整定计算：母线 B故障流过保护 1的最大零序电流 If |0 |.1=0.237KA, 故母线 C处分别发生单相接线短路和两相接线短路， 单相接地短路时，流过保护 2 电流，两相接地短路，项目整定值KA时限S灵敏度是否满足要求保护 1-段0.853201.2满足保护 1-段0.56511.119不满足保护 2-段1.01201.2满足保护 3-段1.55901.2满足保护 4-段1.20301.2满足保护 4-段0.45212.07满足结论距离

24、保护：由于同时利用了短路时电压、 电流的变化特征， 通过测量故障阻 抗来确定故障所处范围，保护区稳定，灵敏度高，动作情况受电网运 行方式变化的影响小。 距离保护段是瞬时动作， 只能保护线路全长 的 80 85%,且它的保护范围不受系统运行方式的影响 , 也不受故障类 型的影响。距离保护段能够保护本线路全长及下级线路首端一部 分，距离保护 III 段能保护本线路全长，及下级线路全长及更远。本 线路保护设计整定值都满足要求， 但距离保护受系统振荡、 短路过渡 电阻、电压回路断线等因素的影响。零序电流保护：正常运行的三相对称， 没有零序电流，在中性点直接接地电网中， 发生接地故障时，会有很大的零序电

25、流。故障特征明显，利用这一特 征可以构成零序电流保护。适用网络与 110KV 及以上电压等级的网 络。该系统零序电流保护装置的设计中，保护 1，段的整定值的灵 敏度系数不满足要求， 考虑改用接地距离保护。 其他各整定值的灵敏 度系数都满足要求。优点：保护简单，经济，可靠；整定值一般较低，灵敏度较高； 受系统运行方式变化的影响较小； 系统发生震荡、 短时过负荷是不受 影响；没有电压死区。缺点：对于短路线路或运行方式变化较大的情况， 保护往往不能 满足系统运行方式变化的要求。 随着相重合闸的广泛应用， 在单项跳 开期间系统中可能有较大的零序电流，保护会受较大影响。2.5 原理图及动作分析原理图（1

26、）三段式零序电流保护原理图三段式零序电流保护的原理接线如下图， 在被保护线路的三相上 分别装设型号和变比完全相同的电流互感器， 将它们的二次绕组互相 并联，然后接至电流继电器的线圈。当正常运行和发生相间故障时， 电网中没有零序电流，故 IR=0，继电器不动作，只有发生接地故障时，才出现零序电流，如其值超过整定值，继电器就动作实际工作中， 由于三只电流互感器的励磁特性不一致， 当发生相 间故障时， 会造成较大的不平衡电流。 为了使保护装置在这种情况下 不误动作，通常将保护的动作电流按躲过最大不平衡电流来整定。与相间短路的电流保护相同，零序电流保护也采用阶段式保护， 通常采用三段式。目前的“四统一

27、”保护屏则采用四段式。图为三段 式零序电流保护的原理接线图。瞬时零序电流速断（零序段有，由 KA1、KM和 KS7构成），一般取保护线路末端接地短路时，流过保护 装置 3倍最大零序电流 3Iom的 1.3 倍，保护范围不小于线路全长的 15%25%。零序段（由 KA3、KT4 和 KS8构成）的整定电流，一般取下一 级线路的零序段整定电流的 1.2 倍，时限 0.5s ，保证在本线末端 单相接地时，可靠动作。零序段（由 KA5、 KT6和 KS9构成）的整 定电流可取零序（或） 段整定的 1.2 倍，或大于三相短路的最大 不平衡电流，其灵敏性要求下一级末端故障时，能可靠动作。 （2）三段式距离保护原理图当保护区内发生短路时， 电流继电器 KA和功率继电器 KW瞬时动 作，通过继电器 KA和 KW的触点串联把直流电源的正极加到阻抗继电 器 KR1、 KR2的触点上，同时加在时间继电器 KT2的线圈上。当在距离保护 I 段范围内发