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。1. 2零序保护配置 31.1.1 零序电流I段(速断)保护 31.1.2 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

2、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。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

3、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 MATLAB1模仿真分析本设计的合理性，及是 否满足要求。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I段和距离保护n段。(1)距离保护第I段

4、线路AB正序阻抗 Zab乙LA B =0.4 X 60=24线路BC的正序阻抗 Zbc乙LBC =0.4X40=16保护 1、2 的距离保护 I 段 Zset.1,2 Krel Zab =0.85 X 24=20.4保护 3、4 的距离保护 I 段 Zset.3,4 KrelZBC =0.85 X 16=13.6(2)距离保护II段整定计算1)按与相邻线路距离保护I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n段不 至于越级跳闸所以其n段的动作范围不应该超出下级线路I段的动 作范围。考虑分支电路的影响，可按下式进行整 ZIIset.1 KIIrel(ZAB Kb.min?ZIs

5、et.2)式中，K,为可靠系数，取0.8；为确保在各种运行方式下保护1的II段范围不超过保护2的I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n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II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ZIIset.1 K、(Zab 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n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 2t(

6、1.5)4)灵敏度校验距离保护II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II段来看，在本线路末端短路时其测量阻抗为ZAR因此灵敏系数为二一般要求及若不满足要求，则距离保护II段应与相邻元件 的保护II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n段应与相邻元件的保护n段相配合，进一步延伸保护范围，并延长动作时限。保护动作时间：距离I段与n段联合工作构成本线路的主保护。(1)距离保护第 川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

7、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 75°, L 30o(2)灵敏度校验距离保护的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

8、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4 to1 . 2零序保护配置1.1.1 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3Io.1.max,引入可靠系数为Krel=1.2ISet.1 = Krel 3Io.1.max (1.12)1.1.2 零序电流II段保护1)零序电流II段的电流整定零序电流II段保护的工作原理与相间短路限时电流速断保护一样，具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

9、路末端接地短路时的最小零序电流来校验，并满足31 0.4minCKre >=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 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

10、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

11、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 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

12、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，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%£围内变化，且靠近

13、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），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，具值较小，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

14、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

15、护是距离保护I段和距离保护n段。 距离保护第m段，装设距离保护 第m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I、II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线方式和相间距离保护接线方式；它们的I、n段选择具有方向特性的距离保护，田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

16、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 I段，对于保护1、4有零序保护I段和II段。2.4 整定计算2.4.1 距离保护的整定计算线路AB正序阻抗 ZAB乙LA B =0.4 X 60=24线路BC的正序阻抗 ZBC乙LBC =0.4X40=16保护 1、2 的距离保护 I 段 Zset.1,2 Krel Zab =0.85 X 24=20.4保护 3、4 的距离保护 I 段 Zset.3,4 KrelZBC =0.

17、85 X 16=13.6时间：t=0 s(一)保护1距离保护II段的整定与相邻下级最短线路的保护31段相配合时，有=0.8 X (24+1X 13.6) =30.082.当与相邻变压器的快速保护相配合时，有=0.75 X （24+1X 15） =31.2取较小者为n段整定值，即zSet=30.08效验：按本线路末端短路求灵敏系数为：uZ T30,09K= 1.253333 > 1,25满足要求f -24动作延时为：0.5s（二）保护2距离保护田段的整定1.按躲开最小负荷阻抗整定 ?ZL.min"J9 110=190.53UL.max ，3 0.3效验：按本线路末端短路求灵敏系数

18、为Ksen155空=6.50>1.5满足要求Zab24动作延时为：（三）保护3距离保护田段的整定效验：按本线路末端短路求灵敏系数为155.3045=11.42 >1.5满足要求tt-' = dt + 0 = 0.5零 动作延时为：.（四）保护1距离保护田段的整定按躲开最小负荷阻抗整定?u U L.min _ 0.9 110 _ZL.min 190.53I,3 0.3U L .max继 电器取相间接线方式的方 向 阻抗继 电器，外=30" 平5=75° Q = L2 / = L2 /；= 口的 ,效验按本线路末端短路求灵敏系数为7 m -1 二二 noKZ

19、e! 竺5丝=6.50>1.5满足要求Zab24相邻元件末端短路时的灵敏系数为155.3045Ca£'见方 + ri axt- = 4.13 >15满足要求155.3045匚+跖=E=3,9K满足要求动作延时为:（五）保护4距离保护n段的整定1 .与相邻下级最短线路的保护2 I段相配合时，有ZSet.4 K（Zbc ".minZ ；戌.2）=0.8>< （16+20.4） =29.122 .当与相邻变压器的快速保护相配合时，有nset.4K(ZbcK4b.minZt)=o.8x (16+15) =24.81取较小者加-ie-满足要求动作延时为

20、:（六）保护4距离保护田段的整定效验：1.按本线路末端短路求灵敏系数为ssn皿155.304516= 9.7065 >1.5满足要求2.相邻元件末端短路时的灵敏系数为琮口 155.3045_+=16+24 = 4，13 >L5满足要求sstl (3；155.3045 16+15=5.0098231.5满足要求动作延时为:（七）动作特性曲线1段R段1 A2 B 3 C 4田段项目整定值时限s灵敏度是否满足要求保护1、2- I段20.40Krel =0.85满足保护1- II段30.0811.2533333满足保护1-HI段155.304516.5、4.13、3.98满足保护2-HI段

21、155.30450.56.5满足保护3-HI段155.30450.511.42满足保护3、4- I段13.60Krel =0.85满足保护4- II段24.811.55满足保护4-m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)负序等值图零序等值图(一)单相接地短路复合序网保护 而3苦 S.38x tft; 225,87A Q.226KAJL n U,一 20.15 + 48如息=汽 X 36.54-1-20 X IS 4-72 +IS+49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

22、,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当两台发电机运行时 X1最小，X1min=15+72=87Q当T5, T6只有一台运行时X2最大，X2max=4G当T5, T6两台同时运行时X2最小，X2min=20Q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

23、台发电机运行时 X1最小，X1min=48+15=6笈当T5, T6只有一台运行时X2最大，X2max=4G当T5, T6两台同时运行时X2最小，X2min=20Q所以，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，_115 X <3_。网= 1D.94 +10.94+12.80 =915Kq流过保护2电流, 两相接地短路，项目整定值KA时限S灵敏

24、度是否满足要求保护1-I段0.853201.2满足保护1-n段0.56511.119不满足保护2-I段1.01201.2满足保护3-I段1.55901.2满足保护4-I段1.20301.2满足保护4-n段0.45212.07满足2.4.3结论距离保护：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I段是瞬时动作，只能保护线路全长 的8085%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H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

25、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, II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

26、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2.5.1 原理图(1)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

27、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”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I段有，由 KA1、K解口 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310m的1.3倍，保护范围不小于线路全长的 15%25%零序II段（由KA3 KT4和KS8构成）的整定电流，一般取下一 级线路的零序I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。零序田段（由 KA5 KT6和KS9构成）的整 定电流可取零序H （或加）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舜时动 作，通过继电器KA和KW勺触点串联把直流电源的正极加到阻抗继电 器KR1