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：输电线路零序电流保护设计（题目：输电线路零序电流保护设计（2 2）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091091 学学 号：号： 090303027090303027 学生姓名：学生姓名： 霍怀鉴霍怀鉴 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 2012.12.31-2013.12012.12.31-2013.1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

2、号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目输电线路零序电流保护设计（2）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

3、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。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。续表ZT4=60ZT3=60ZT2=10ZG2=16ZT1=10321ZG1=16Z1.CD=40Z0.CD=80Z1.BC=20Z0.B

4、C=40Z0.AB=40AZ1.AB=20DCB本科生课程设计（论文）2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 要利用大接地电流

5、系统中发生接地短路时出现零序电流的特点，可以构成反映零序电流大小的多段式零序电流保护。针对题给的输电线路进行继电保护设计，采用三段式零序电流保护方法，确定出最大、最小运行方式下的等值电抗。进行了接地短路的最大、最小短路电流的计算。进行了保护 1、2、3 的电流速断保护整定计算，并计算各自的最小保护范围。进行了保护 2、3 的限时电流速断保护定值计算，并校验了灵敏度。进行了保护1、2、3 的过电流保护定值计算，确定保护 1、2、3 过电流保护的动作时限，校验保护 1 作进后备，保护 2、3 作远后备的灵敏度。绘制三段式电流保护原理接线图。并分析了动作过程。采用 MATLAB 建立系统模型进行了仿

6、真分析。关键词：继电保护；零序电流保护；整定计算；MATLAB 仿真； 本科生课程设计（论文）4目 录第 1 章 绪论 .4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 .122.1.3 动作时间的整定 .132.2 零序电流段整定计算 .132.3 零序电流段整定计算.15第 3 章 零序保护原理图的绘制与动作过程分析 .16第 4 章 MATLAB 建模仿真分析.17第 5 章 课程设计总结 .19参考文献 .20本科生课程设计（论文）5第 1 章 绪论利用接地时产生的零序电流使保护动作的

7、装置，叫零序电流保护。中性点直接接地系统发生接地短路，将产生很大的零序电流，利用零序电流分量构成保护，可以作为一种主要的接地短路保护。零序过流保护不反应三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。但零序过流保护受电力系统运行方式变换影响较大，灵敏度因此降低，特别是短距离线路上以及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。零序电流保护的优点是：(1)零序过电流保护的灵敏度高，零序过电流保护的动作时限也较相间保护为短；(2) 零序电流保护受系统运行方式变化的影响要小得多，零序

8、 I 段的保护范围较大，也较稳定，零序段的灵敏系数也易于满足要求；(3)当系统中发生某些不正常运行状态时，例如系统振荡，短时过负荷等、三相是对称的，相间短路的电流保护均将受它们的影响而可能误动作，因而需要采取必要的措施予以防止，而零序保护则不受它们的影响；(4)零序功率方向元件无死区。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。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，保护往往不能满足系统运行所提出的要求；(2)随着单相重合闸的广泛应用，在重合闸动作的过程中将出现非全相运行状态、再考虑系统两侧的电机发生摇摆，则可能出现较大的零序电流，

9、因而影响零序电流保护的正确工作，此时应从整定计算上予以考虑，或在单相重合闸动作过程中使之短时退出运行；(3)当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的网络时(例如 110kV 和 220kV电网)、则任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流，这将使零序保护的整定配合复杂化，并将增大第段保护的动作时限。零序电流保护一般适合使用于TN 接地系统。因为当发生一相接地时，对 TN-S 系统 Id 回路阻抗包括相线阻抗Z1，PE 线阻抗 ZPE 和接触阻抗 Zf，即 Zs Z1+ZPE+Zf；对于 TN-C 系统，Id回路阻抗包括相线阻抗 Z1，PEN 线阻抗 ZPEN 和接触电阻 Zf，即本科生课程

10、设计（论文）6ZSZ1+ZPEN+Zf；对于 TN-C-S 系统，Id 回路阻抗包括相线阻抗 Z1，PEN 线阻抗 ZPEN，PE 线阻抗 ZPE 和接触电阻 Zf，即 ZSZ1+ZPEN+ZPE+Zf，产生的单相接地故障电流 Id220/ZS，明显大于无故障时的三相不平衡电流，只要整定合适，就可检测出发生接地故障时的零序电流，以切断故障回路。而对 IT 系统，一般均是使用对供电可靠性要求较高、对单相接地不必要立即切断供电回路、但需发出绝缘破坏监察信号、以维持继续供电一段时间。工矿企业内的不配出中性线的三相三线配电线路。当单相接地时，该故障线路上流过的零序电流是全系统非故障系统电容电流之和，因

11、而容易检测出接地故障电流，故可用零序电流保护装置来监察相对地第一次接地故障。TT 接地系统常应用于工农业、民用建筑的照明、动力混合供电的三相四线配电系统中，常发现三相不平衡电流较大，当发生一相接地时，Id 回路阻抗包括相线阻抗 Z1，PE 线阻抗 ZPE，负载侧接地电阻 RA 和电源侧接地电阻 RB，接触阻抗 Zf，即 ZS=Z1+ZPE+RA+RB+Zf，接地故障电流Id=220/ZS，由于 RA+RBZ1+ZPE+Zf，且 RA+RB 数值一般均较大，很明显 TT 系统的故障环路阻抗大，产生的单接故障电流 Id，远远小于不平衡电流，很难检测出故障电流，故不适用于 TT 接地系统。零序电流保

12、护具体应用可在三相线路上各装一个电流互感器（C.T），或让三相导线一起穿过一零序 C.T，也可在中性线 N 上安装一个零序 C.T，利用这些 C.T来检测三相的电流矢量和，即零序电流 Io，IA+IBIC=IO，当线路上所接的三相负荷完全平衡时（无接地故障，且不考虑线路、电器设备的泄漏电流），IO=0；当线路上所接的三相负荷不平衡，则 IO=IN，此时的零序电流为不平衡电流 IN；当某一相发生接地故障时，必然产生一个单相接地故障电流 Id，此时检测到的零序电流 IO=IN+Id，是三相不平衡电流与单相接地电流的矢量和。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

13、电流 段整定计算2.1.1 零序电流 段动作电流的整定第一种运行方式 G1,T1,G2,T2,T3,T4 都投入运行 图 2.1 正序、零序图B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算 111221() ()(16 10) (16 10)2033BGTGTABZZZZZZ012034() ()(10 1040) (60 60)18BTTABTTZZZZZZ1 BZ0 BZ(1,1)0KBI(1)0KBIZG1ZT2ZG2ZT1Z1ABZ1BCZ1CDA ABCDZT1ZT2Z0ABZT3ZT4Z0BCZ0CDABCD本科生课程设计（论文）8(1,1)010115/30.96

14、22332 18KBBBEIKAZZ (1,1)34001203460 600.9620.38510 104060 60TTKBTTABTTZZIIKAZZZZZC 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算1112211() ()(16 10) (16 10)202053CGTGTABBCZZZZZZZ0120340() ()(10 1040) (60 60)4058CTTABTTBCZZZZZZZ(1)0KCI(1,1)0KCI(1)001115/30.4052582 53KCCCEIKAZZ D 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算： 1112211

15、1() ()(16 10) (16 10)20204093DGTGTABBCCDZZZZZZZZ01203400() ()(10 1040) (60 60)4080138DTTABTTBCCDZZZZZZZZ (1)0KDI(1,1)0KDI(1)001115/30.20521382 93KDDDEIKAZZ 第二种运行方式 G1,T1,G2,T2,T3 投入运行ZG1ZT2ZG2ZT1Z1ABZ1BCZ1CDA ABCD本科生课程设计（论文）9 图 2.2 正序、零序图B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算111221() ()(16 10) (16 10)2033B

16、GTGTABZZZZZZ01203()(540) 6025.714BTTABTZZZZZ1 BZ0 BZ(1,1)0KBI(1)0KBI(1,1)010115/30.7862332 25.714KBBBEIKAZZ (1,1)3001203600.7860.44954060TKBTTABTZIIKAZZZZC 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算1112211() ()(16 10) (16 10)202053CGTGTABBCZZZZZZZ012030()(540) 604065.714CTTABTBCZZZZZZ(1)0KCI(1,1)0KCI(1)010115/30

17、.387265.7142 53KCCCEIKAZZ D 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算11122111() ()(16 10) (16 10)20204093DGTGTABBCCDZZZZZZZZZT 1ZT 2Z0 ABZT 3Z0 BCZ0 CDABCD本科生课程设计（论文）10 0120300()(540) 604080145.714DTTABTBCCDZZZZZZZ (1)0KDI(1,1)0KDI(1)010115/30.2002145.7142 93KDDDEIKAZZ 所以最大运行方式为 G1,T1,G2,T2,T3 投入运行保护 1 零序电流段的整定

18、值010=K31.2 3 0.4491.616OPrelIIKA 保护 2 零序电流段的整定值020max=K31.2 3 0.3871.393OPrelCIIKA 保护 3 零序电流段的整定值030max=K31.2 3 0.2000.720OPrelDIIKA 第三种运行方式 G1,T1,T3,T4 投入运行 图 2.3 正序、零序图B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算111116 102046BGTABZZZZZG1ZT2ZG2ZT1Z1ABZ1BCZ1CDA ABCDZT 1Z0 ABZ0 BCZ0 CDZT 3 ZT 4A ABCD本科生课程设计（论文）11

19、01034() ()(1040) 3018.75BTABTTZZZZZ1 BZ0 BZ(1,1)0KBI(1)0KBI(1,1)010115/30.7952462 18.75KBBBEIKAZZ (1,1)3400134300.7950.5961030TTKBTTTZZIIKAZZZC 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算1111116 10202066CGTABBCZZZZZ010340() ()(1040) 304058.75CTABTTBCZZZZZZ1 CZ0 CZ(1)0KCI(1,1)0KCI(1,1)010115/30.3622662 58.75KCCCEI

20、KAZZ D 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算11111116 10202040106DGTABBCCDZZZZZZ0103400() ()(1040) 304080138.75DTABTTBCCDZZZZZZZ (1)0KDI(1,1)0KDI(1)010115/30.1892138.752 106KDDDEIKAZZ 第四种运行方式 G1,T1,T3 投入运行ZG1ZT2ZG2ZT1Z1ABZ1BCZ1CDA ABCD本科生课程设计（论文）12 图 2.4 正序、零序图B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算111116 102046BGTA

21、BZZZZ0103()(1040) 6027.273BTABTZZZZ1 BZ0 BZ(1,1)0KBI(1)0KBI(1,1)010115/30.6602462 27.273KBBBEIKAZZ (1,1)300103600.6600.360104060TKBTABTZIIKAZZZC 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算1111116 10202066CGTABBCZZZZZ01030()(1040) 604067.273CTABTBCZZZZZ(1)0KCI(1,1)0KCI(1)010115/30.333267.2732 66KCCCEIKAZZ D 母线处正序（

22、负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算11111116 10202040106DGTABBCCDZZZZZZ010300()(1040) 604080147.273DTABTBCCDZZZZZZZT 1Z0 ABZ0 BCZ0 CDZT 3A ABCD本科生课程设计（论文）13 (1)0KDI(1,1)0KDI(1)010115/30.1852147.2732 106KDDDEIKAZZ 2.1.2 灵敏度校验最小运行方式第一种运行方式 G1,T1,T3,T4 投入运行设AKABZkZ1112620kKGTAKZZZZ00 10034Z() ()(14 )(7040 )/8KTAKKB

23、TTZZZZZkk 1 KZ0ZK(1,1)0KI(1)0KI(1)010115/322 (2620 )(14 )(7040 )/8KKKEIZZkkk(1)(1)0340001034704080KBTTKKTABTTZZZkIIIZZZZ解得 k=38%15%0013OPII所以合格第二种运行方式 G1,T1,T3,投入运行1112620kKGTAKZZZZ00 1003Z() ()(14 )(10040 )/11KTAKKBTZZZZkk 15%0013OPII所以合格2.1.3 动作时间的整定断路器 3QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：30OPts断路器 2QF 处无时限电流速断保

24、护的动作时间为：20OPts断路器 1QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：10OPts断路器 1QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：120.5OPOPttts2.2 零序电流零序电流段整定计算根据课题要求 B 母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，即为第一种运行状态时，保护 1，2段整定值计算如下：1112211() ()(16 10) (16 10)202053CGTGTABBCZZZZZZZ0120340() ()(10 1040) (60 60)4058CTTABTTBCZZZZZZZ(1)0KCI(1,1)0KCI(1)001115/30.4052582 53KCCC

25、EIKAZZ 02max31.2 3 0.4051.458OPrelOKCIKIKA 003400120347530BCBCbTTABBCGGABTTIIKZZIIZZZZZ本科生课程设计（论文）150102min/1.1 1.458/75/300.642OPrelOPbIKIKKA灵敏度校验在最小运行方式下进行：1、G1,T1,T3,T4,投入运行B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算111116 102046BGTABZZZZ01034() ()(1040) 3018.75BTABTTZZZZZ1 BZ0 BZ(1,1)0KBI(1)0KBI(1,1)010115/

26、30.7952462 18.75KBBBEIKAZZ (1,1)3400134300.7950.5961030TTKBTTTZZIIKAZZZ2、G1,T1,T3 投入运行B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算111116 102046BGTABZZZZ0103()(1040) 6027.273BTABTZZZZ1 BZ0 BZ(1,1)0KBI(1)0KBI(1,1)010115/30.6602462 27.273KBBBEIKAZZ (1,1)300103600.6600.360104060TKBTABTZIIKAZZZ所以0 min0.360IKA1.50 min

27、0133 0.3601.40.642senOPIKI所以合格本科生课程设计（论文）162.3零序电流零序电流段整定计算0302min1.1 0.7200.792OPOPrelbIIKKAK003400120347530BCBCbTTABBCGGABTTIIKZZIIZZZZZ0201min1.1 0.792 30/750.348OPOPrelbIIKKAK12321OPOPOPttttts 本科生课程设计（论文）17第 3 章 零序保护原理图的绘制与动作过程分析 图 3.1 三段式电流保护原理图动作过程分析：在该保护的第 I 段保护范围内发生 AB 两相短路时，测量元件1.2.3.4.5.6

28、都动作，其中测量元件 1.4 经或门直接启动出口继电器 KCO 和信号元件 1KS，并使断路器 1QF 跳闸，切除故障。虽然测量元件 2.5 经或门启动了延时元件 3KT，但因故障切除后，故障电流已消失，所以所有测量元件和延时未到的延时元件 2KT、3KT，出口继电器 KCO 均返回。电流保护 II、III 段不会再输出跳闸信号。同理，在线路末端时，只有延时元件 2KT 动作以切除故障。本科生课程设计（论文）18第 4 章 MATLAB 建模仿真分析合理设置示波器参数后，激活仿真按钮，得到仿真结果如图 4.1 所示。示波器输出的电压波形为两个交流电压源的叠加，横轴为时间轴，纵轴为电压幅值。从仿

29、真结果可见，在交流电路中，两个交流电压源共同作用的结果等效于一个线性电压源。图 4.1 故障点发生三相短路的各相电流波形图基于计算机技术的电力系统继电保护数字仿真可以辅助继电保护系统的分析和设计， 将 MATLAB 仿真技术应用于电力系统继电保护研究中具有十分重要的现实意义。针对电力系统继电保护技术的核心内容， 构建了继电保护系统的 MATLAB 仿真模型。除所介绍的电力系统故障仿真、零序电流保护仿真和变压器纵差保护仿真外， 模型还可以对空载合闸励磁涌流仿真、单侧电源相间短路的电流保护仿真和微机保护算法仿真等进行实际仿真运行， 实践表明将 MATLAB 应用于电力系统继电保护数字仿真中是有效的和可行的。两相接地短路电流分析:将三相短路故障发生器中“故障相选择”的 A 相和 B