110kV输电线路继电保护设计

第页本科课程设计课程名称：电力系统继电保护原理设计题目：110kV输电线路继电保护设计院部：电力学院专业：电气工程及其自动化班级：1304姓名：学号：1310240107成绩：指导教师：李莉李静日期：2019年6月20日——6月28日课程设计成绩考核表学期第六学期姓名专业电气工程及其自动化班级1304课程名称电力系统继电保护原理设计题目110kV输电线路继电保护设计评分评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100设计说明书本次继电保护原理课程设计对110kV输电线路进行了全面的介绍，从110kV输电线路的故障原因及类型入手，重点分析了几大常见的故障类型（单相接地短路，两相短路，两相短路接地，三相短路），然后对110kV输电线路相关问题分析了具体的保护设置，110kV输电线路保护的主体是距离保护及零序电流保护，距离保护又分为相间距离保护及接地距离保护，分别反应相间短路故障于接地短路故障。最后对110kV输电线路的保护进行了实际案列分析。针对110kV输电线路保护配置，重点对距离保护做了详细的案例分析。目录1110kV输电线路故障分析 11.1故障引起原因 11.2故障状态及其危害 21.3短路简介及类别 32110kV输电线路保护 52.1110kV输电线路的保护方法 52.1.1距离保护的整定计算方法 52.1.2阶段式零序电流保护 72.2110kV输电线路的保护原理 102.2.1距离保护的特点及基本原理 102.2.2零序电流保护的特点及优缺点 113实际案例分析 144结论 16参考文献 171110kV输电线路故障分析1.1故障引起原因由于架空线路分布很广，又长期处于露天之下运行，所以经常会受到周围环境和自然变化的影响，从而使线路在运行中会发生各种各样的故障。以下介绍的八种最常见的因素：=1\*GB3①雷害线路遭受雷击引起绝缘子串闪络故障，有时会引起绝缘子断串，可能在线夹到防振锤之间的导线上留下痕迹，而且闪络面积大或断线等事故。=2\*GB3②大风风速超过或接近设计风速，加之线路木身的局部缺陷，如超过杆塔机械强度，使杆塔倾倒或损坏等，使导线产生振动、跳跃和碰线，从而引起故障;同塔双回线路若不同步风摆可能造成混线短路故障。=3\*GB3③洪水暴雨雷雨季节、季节洪水冲刷杆塔基础，从而引起基础边坡塌方、塔基裂缝、沉降或是更严重的倒杆倒塔故障。=4\*GB3④外力破坏线路遭到人为的破坏而引起故障。例如线路附近开挖土石方引起的杆塔倾斜或倾倒；线路附近操作起吊施工机械(或来往车辆)碰撞导线或杆塔、拉线等，造成的断线、倒杆故障，又如在线路附近放风筝、超高树林、漂浮物、火烧山、盗窃等。这些都会造成线路故障影响线路的正常运行，也可能造成严重的事故。=5\*GB3⑤覆冰当线路导线、避雷线上出现严重覆冰时，首先是加重导线和杆塔的机械负荷，使导地线弧垂过分增大，从而造成混线、断线或倒杆倒塔、横担变形；当导线、避雷线上的覆冰脱落时，又会引起导线舞动造成导线之间或导线及避雷线之间短路故障。=6\*GB3⑥污闪在工业区，特别是化工区或其它极污染源的地区，所产生的尘污或有害气体，会使绝缘子的绝缘能力显著降低，以致在潮湿多雾或下毛毛雨的天气。绝缘子串往往发生大面积的污秽闪络，造成停电事故，有此氧化作用很强的气体，则会腐蚀金属塔、导线、避雷线和金具等。=7\*GB3⑦鸟害鸟在杆塔上筑集或线路的杆塔上停落，芦苇、稻草、鸟大便，有时大鸟穿过导线飞翔，均可能造成线路接地或短路。=8\*GB3⑧本体缺陷由于线路如工艺问题、电气距离问题、材料质量等本体缺陷原因，在长时间受微风振动、气温变化的影响下也会造成线路故障。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\*GB3①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\*GB3②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\*GB3③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\*GB3④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。各种类型的短路包括三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。不同类型短路发生的概率是不同的，不同类型短路电流的大小也不同，一般为额定电流的几倍到几十倍。大量的现场统计数据表明，在高压电网中，单相接地短路次数占所有短路次数的85%以上。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，相及相之间或相及地〔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。=1\*GB3①单相接地短路（如图1所示）单相接地短路是指三相交流供电系统中一根相线及大地成等电位状态了，也就是该相线的电位及大地的电位相等，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及正常负荷状态相差不大。图1单相接地短路=2\*GB3②两相短路（如图2所示）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。图2两相短路=3\*GB3③两相短路接地（如图3所示）两相短路接地是指三相交流供电系统中两根相线及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。图3两相短路接地=4\*GB3④三相对称短路（如图4所示）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。图4三相对称短路2110kV输电线路保护目前，我国110kV输电线路在电网中的主要作用是连接地区220kV变电所及城市配电网或农村配电网的110kV变电所，或者作为中小容量的发电厂及系统间的联络线。大部分110kV输电线路仍为单侧有电源。110kV输电线路保护的主体是距离保护及零序电流保护，距离保护又分为相间距离保护及接地距离保护，分别反应相间短路故障于接地短路故障。110kV输电线路一般采用三段式相间距离保护作为相间短路故障的保护方式，采用阶段式零序电流保护作为接地短路的保护方式。对极个别非常短的线路，如有必要也可以考虑采用纵差保护作为主保护。2.1110kV输电线路的保护方法2.1.1距离保护的整定计算方法距离保护Ⅰ段整定计算：距离保护Ⅰ段定值按躲过本线路末端故障，整定距离保护第Ⅰ段是无延时的速动段，一般按躲开下一条线路出口处短路的原则来整定，也就是按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。即测量阻抗小于本线路阻抗时动作。如图1所示，引入可靠系数KrelI(0.8~0.85)，保护P1的I段整定阻抗一次值Z式中各量定义Zset1ⅠZMN～被保护线路的阻抗KrelⅠ～可靠系数，一般取距离I段的整定只能保护本线路全长的80％～85％。距离保护Ⅱ段整定计算：Ⅱ段保护延时动作，为保证选择性，保护区不能伸出相邻线路Ⅰ段保护区，即测量阻抗小于本线路阻抗于相邻线路Ⅰ段动作阻抗之和时动作。引入可靠系数KrelⅡ（一般取0.8），保护P1的Ⅱ段整定阻抗ZZ式中Zset1Ⅱ～保护P1的ⅡKrelⅡ～可靠系数，ZNP～保护动作时间整定：t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K距离保护Ⅲ段整定计算：Ⅲ段除了作为本线路的近后备保护外，还要作为相邻线路的远后备保护。所以除了在本线故障有足够的灵敏度外，相邻线路故障也要有足够的灵敏度，其测量阻抗小于负荷阻抗时起动，故动作阻抗小于最小的负荷阻抗。动作时间于电流保护Ⅲ段时间有相同的配置原则，即大于相邻线路最长的时间。2.1.2阶段式零序电流保护阶段式零序电流保护分为三段式：零序电流I段为瞬时零序电流速断，只保护线路的一部分；零序电流II段为限时零序电流速断，可保护本线路全长，并及相邻线路零序电流速断保护相配合，带有0.5s延时，它及零序电流I段共同构成本线路接地故障的主保护；零序电流III段为零序过电流保护，动作时限按阶梯原则整定，它作为本线路和相邻线路的单相接地故障的后备保护。=1\*GB3①零序电流I段保护（零序电流速断保护）为保证选择性，IsetⅠ应大于本线路末端单相或两相接地短路时流过保护安装处的最大的3I0.maxI式子中KrelⅠ～可靠系数，取1.2IsetⅠ还应大于断路器三相不同时合闸（非全相运行）时出现的最大零序电流I式子中KrelⅠ～可靠系数，取1.1～当系统采用单相自动重合闸时，单相短路故障被切除后，系统处于非全相运行状态，并伴有系统震荡，此时将会出现很大的零序电流3I0.unc。若3I0.unc>IsetⅠ（灵敏的I段：IsetⅠ仍按上述原则整定，因动作值小，保护范围大，所以灵敏。主要任务是对全相运行状态下的接地故障进行保护。单相自动重合不灵敏的II段：其整定原则为I因动作值大，保护范围小，所以不灵敏。主要任务是专为非全相运行状态下（如单相自动重合闸过程中），其他两相又发生了单相接地故障时的保护，以便将故障尽快的切除。当然，它也能反应全相运行状态下的接地故障，只是其保护范围比灵敏I段要小。=2\*GB3②零序电流II段即限时零序电流速断保护，其整定原则及相间短路的限时电流速断保护相似，即考虑及下一条线路的零序I段保护相配合，Ⅱ段保护区应不超出相邻线路零序电流Ⅰ段保护，即躲过相邻线路Ⅰ段保护区末端短路时流过本线路的最大三倍零序电流I式子中I0.set2Ⅰ～相邻线路保护零序KrelⅡKbr0～零序分支系数，不大于1为保证选择性，按上述原则整定的零序电流II段应比下一条线路零序电流I段的动作时限大一个时限级差∆t，即t1Ⅱ限时零序电流速断保护的灵敏系数按被保护线路末段发生接地短路时的最小零序电流来校验。要求KsenK当灵敏度不能满足要求时，可及相邻线路零序电流II段配合整定，其动作时限应较相邻线路II段时限延长一个时间级差。=3\*GB3③零序电流III段零序过电流保护（零序电流III段）在正常时应该不起动，故障切除后应当返回，为保证选择性，动作时间应当及相邻线路III段按照阶梯原则配合。零序电流III段保护范围长，对于本线路和相邻线路的接地故障，零序过电流保护都应能够反应。零序电流III段的动作电流应躲过下一线路始端（即本线路末端）三相短路时流过本保护的最大不平衡电流Iunb.maxK式子中Iunb.max～本线路末端三相短路时流过本保护的最大不平衡电流KrelⅢ～可靠系数，一般取1.2～最大不平衡电流按下式计算：I式子中Kaper～非周期分量系数，t=0时取1.5～2，t=0.5s时取1Kss～TA同型系数。TA型号相同时取0.5、型号不同时取1Ker～TA误差，取0.1sIK.max(3)～本线路末端三相短路时流过为本线路近后备的零序III段，其灵敏度应该按本线路末端接地短路时流过本保护的最小零序电流校验，要求灵敏度系数大于1.3（或1.5）。当作为相邻线路的远后备保护时，应按相邻线路末端接地短路时流过本保护的最小零序电流校验，要求灵敏系数大于1.2。动作时间及相间电流保护III段的整定原则相同。2.2110kV输电线路的保护原理2.2.1距离保护的特点及基本原理距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置主要的元件为距离（阻抗）继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值，此阻抗称为继电器的测量阻抗。当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增大，这样就保证了保护有选择地切除故障线路。距离保护是有阻抗元件（阻抗继电器）来完成保护安装处的电压电流的比值测量，根据比值的大小来判断故障的远近，并利用故障的远近确定动作时间的一种保护装置。故障距离越远，测量阻抗远大。因此测量阻抗越大，保护动作时间应当越长，并以此构成三段式距离保护。其三段式距离保护的整定原则及电流保护类似。距离保护由起动元件、测量元件及逻辑回路三部分组成。距离保护可以应用在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择性的、较快的切除相间故障。当线路发生单相接地短路时，距离保护在有些情况下也能动作:当发生两相短路接地故障，它可及零序电流保护同时动作，切除故障。因此，在电网结构复杂，运行方式多变，采用一般的电流、电压保护不能满足运行要求时，则应考虑采用距离保护装置。2.2.2零序电流保护的特点及优缺点零序保护是电力系统中常用的一种保护手段，在实际的操作中有着广泛的应用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。零序保护的优点：中性点直接接地的高压电网中，由于零序电流保护简单、经济、可靠，作为辅助保护和后备保护有着广泛应用。它及电流保护相比具有独特的优点，例如：一，相间短路的过电流保护按照大于负荷电流整定，继电器的启动电流一般为5～7A，而零序过电流保护则按照躲开不平衡电流的原则整定，其值一般为2～3A,由于发生单相接地短路时，故障相的电流及零序电流3I0相等，因此零序过电流保护的灵敏度高。此外，零序过电流保护的动作时限也较相间保护为短。尤其是对于两侧电源的线路，当线路内部靠近任一侧发生接地短路时，本册零序Ⅰ段保护动作跳闸后，对侧零序电流增大可使对侧零序Ⅰ段保护也相继动作跳闸，因而是总的故障切除时间更加缩短。二，相间短路的过电流速断保护和时限电流速断保护直接受到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的影响要小得多。此外，由于线路零序阻抗远比正序阻抗大，X0=（2～3）X1，故障线路始端及末端短路时，零序电流变化显著，曲线较陡，因此零序Ⅰ段保护的保护范围大，也较稳定，零序Ⅱ段保护的灵敏度系数也易于满足要求。三，当系统发生某些不正常运行状态时，如系统振荡、短时过负荷等时，三相是对称的，相间短路的电流保护将受到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，而零序电流保护则不受它们的影响。四，方向性零序保护没有电压死区，较之距离保护实现简单、可靠，在110kV及以上的高压和超高压电网中，单相接地故障约占全部故障的70%～90%，而且其他的故障也往往是由于单相接地故障发展起来的，零序保护就为绝大部分的故障提供了保护，具有显著的优越性。零序保护的缺点：一，对于运行方式变化很大或接地点变化很大的电网，保护往往不能满足系统运行所提供出的要求。二，随着单相重合闸的广泛应用，在重合闸的过程中将会出现非全相运行状态，再考虑系统两侧的发电机发生摇摆，可能会出现比较大的零序电流，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，或是单相重合闸动作过程中使之短时退出运行。三，当采用自偶变压器联系两个不同电压等级的电网（如110kV和220kV电网），则任一电网中的接地短路都将在另一网络中产生零序电流，将使零序保护的整定配合复杂化，并将增大零序Ⅲ段的保护动作时间。3实际案例分析如图5所示，断路器1QF、2QF处均装设三段式相间距离保护（采用圆特性方向阻抗继电器）P1、P2，已知线路阻抗为ZMN=4.4+j11.9；P2的一次整定阻抗为：Zset2Ⅰ=3.6Ω，0s；Zset2Ⅱ=11Ω，0.5s；Zset2Ⅲ=114Ω,3s；MN线路输送的最大负荷电流为500A，最大负荷功率因数角为φLo.max=图5解：距离保护P1的整定：线路阻抗ZMN=4.4+j11.9=12.68