電力系統(tǒng)繼電保護課程設(shè)計

1、課程設(shè)計報告課程名稱電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)計題目110kV線路距離保護的設(shè)計設(shè)計時間 2016-2017學(xué)年第一學(xué)期專業(yè)年級 電氣134班姓 名 王學(xué)成學(xué)號提交時間 2016 年12月19日成績指導(dǎo)教師何自立許景輝水利與建筑工程學(xué)院摘要 0第1章、概述 11.1 距離保護配置 1錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。1. 2零序保護配置 31.1.1 零序電流I段(速斷)保護 31.1.2 零序電流II段保護 3第2章、系統(tǒng)分析 42.1 故障分析 4442.1.3短路簡介及類別 52.2 輸電線路保護主要形式 6(1)電流保護 6(2)低電壓保護 6(3)距離保護 6(4)差動保護 72.3 對該

2、系統(tǒng)的具體分析 72.3.1 對距離保護的分析 72.3.2 對零序保護的分析 82.4 整定計算 82.4.1 距離保護的整定計算 82.4.2 零序保護的整定計算 122.4.3 結(jié)論 142.5 原理圖及動作分析 152.5.1 原理圖 152.5.2 動作分析 17第3章、總結(jié) 17第4章、參考文獻 17摘要距離保護是以距離測量元件為基礎(chǔ)構(gòu)成的保護裝置， 又稱阻抗保 護。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，保護裝置安裝處的電壓為系統(tǒng)的額定電壓， 電流為負載電流，而發(fā)生短路故障時，其電壓降低、電流增大。因此, 電壓和電流的比值，在正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下是有很大變化的。 由 于線路阻抗和距離成正比，保護安裝

3、處的電壓與電流之比反映了保護 安裝處到短路點的阻抗，也反映了保護安裝處到短路點的距離。 所以 可按照距離的遠近來確定保護裝置的動作時間，這樣就能有選擇地切 除故障。本設(shè)計為輸電線路的距離保護，簡述了輸電線路距離保護的原理 具體整定方法和有關(guān)注意細節(jié)，對輸電網(wǎng)絡(luò)距離保護做了詳細的描 述，同時介紹了距離保護的接線方式及阻抗繼電器的分類，分析了系統(tǒng)振蕩系統(tǒng)時各發(fā)電機電勢間的相角差隨時間周期性變化和短路過 渡電阻影響。最后通過 MATLAB1模仿真分析本設(shè)計的合理性，及是 否滿足要求。關(guān)鍵詞距離保護整定計算第1章、概述1.1距離保護配置距離保護的主保護是距離保護I段和距離保護n段。(1)距離保護第I段

4、線路AB正序阻抗 Zab乙LA B =0.4 X 60=24線路BC的正序阻抗 Zbc乙LBC =0.4X40=16保護 1、2 的距離保護 I 段 Zset.1,2 Krel Zab =0.85 X 24=20.4保護 3、4 的距離保護 I 段 Zset.3,4 KrelZBC =0.85 X 16=13.6(2)距離保護II段整定計算1)按與相鄰線路距離保護I段配合整定為保證在下級線路上發(fā)生故障時，上級線路保護處的保護n段不 至于越級跳閘所以其n段的動作范圍不應(yīng)該超出下級線路I段的動 作范圍?？紤]分支電路的影響，可按下式進行整 ZIIset.1 KIIrel(ZAB Kb.min?ZIs

5、et.2)式中，K,為可靠系數(shù)，取0.8；為確保在各種運行方式下保護1的II段范圍不超過保護2的I段范圍，分支系數(shù) Kb取各種情況下 的最小值Kb.min。2)與相鄰變壓器的快速保護相配合整定若被保護線路的末端母線接有變壓器時，其距離n段保護的動作范 圍不應(yīng)超出變壓器快速保護(一般是差動保護)的范圍，即距離II段 應(yīng)躲開線路末端變電所變壓器低壓側(cè)出口處短路時的阻抗值，設(shè)變壓器的阻抗為ZT,則起動阻抗整定為ZIIset.1 K、(Zab Kb.min ?Zt)當(dāng)被保護線路末端母線上既有出線又有變壓器時，距離n段的整定阻抗應(yīng)取上述兩種情況的較小者。3)保護動作時間的整定t II 1 t I 2t(

6、1.5)4)靈敏度校驗距離保護II段，應(yīng)能保護線路的全長，本線路末端短路時，應(yīng)有 足夠的靈敏度。由于是反映于數(shù)值的下降而動作，其靈敏系數(shù)定義為 具體對保護1的距離II段來看，在本線路末端短路時其測量阻抗為ZAR因此靈敏系數(shù)為二一般要求及若不滿足要求，則距離保護II段應(yīng)與相鄰元件 的保護II段相配合，進一步延伸保護范圍，并延長動作時限。5)當(dāng)校驗本線路末端故障時，靈敏度不滿足要求時，則距離保護n段應(yīng)與相鄰元件的保護n段相配合，進一步延伸保護范圍，并延長動作時限。保護動作時間：距離I段與n段聯(lián)合工作構(gòu)成本線路的主保護。(1)距離保護第 川段整定本題按躲過正常運行時的最小負荷阻抗整定當(dāng)線路上負荷最大

7、且母線電壓最低時，負荷阻抗最小，如式中ZL.min最小負荷阻抗U L.min為正常運行母線電壓的最低值， .I L.max為被保護線路最大負荷電流。此系統(tǒng)選擇具有方向圓特性阻抗繼電器，由躲開負荷阻抗換算成整定阻抗值，則式中Zset.1為保護1距離III段的整定阻抗；Krel為可靠系數(shù)。取 Krel 1.2, Kss 1.2, Kre 1.2 和 set 75°, L 30o(2)靈敏度校驗距離保護的III段，既作為本線路I、II段保護的近后備，又作 為想了下級設(shè)備保護的遠后備，靈敏度應(yīng)分別進行校驗。作為近后備時，按本線路末端短路校驗，則作為遠后備時，按相鄰設(shè)備末端短路校驗，則(3)動

8、作時限的整定距離保護III段的動作延時，應(yīng)比與之配合的相鄰設(shè)備保護動作延時大于一個時間級差4 to1 . 2零序保護配置1.1.1 零序電流I段(速斷)保護躲開下級線路出口處單相或兩相接地短路時可能出現(xiàn)的最大零序電流3Io.1.max,引入可靠系數(shù)為Krel=1.2ISet.1 = Krel 3Io.1.max (1.12)1.1.2 零序電流II段保護1)零序電流II段的電流整定零序電流II段保護的工作原理與相間短路限時電流速斷保護一樣，具啟動電流首先考慮與下級線路的零序電流速斷保護范圍的末端M點相配合，并帶有一個高出 t的時限，以保證動作的選擇性?？煽肯禂?shù)為1.152)靈敏度校驗應(yīng)按照本線

9、路末端接地短路時的最小零序電流來校驗，并滿足31 0.4minCKre >=1.5I set.1若靈敏度不滿足要求，除考慮與下級零序 II段保護配合外，還 應(yīng)考慮到下列方式解決：用兩個不同靈敏度的零序II段保護。從電網(wǎng)接線的全局考慮，改用接地距離保護。第2章、系統(tǒng)分析2.1 故障分析2.1.1 故障引起原因1、雷害 2、大風(fēng)3、洪水暴雨 4、外力破壞5、覆冰6、污閃7、鳥害 8、本體缺陷2.1.2 故障狀態(tài)及其危害電力系統(tǒng)的所有一次設(shè)備在運行過程中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作、設(shè)計制造缺陷等原因會發(fā)生例如短路、斷線等故障。 最常見同時也是最危險的故障是發(fā)生各種類型的短路。在發(fā)生短路

10、時可能產(chǎn)生以下后果：(1)通過短路點的很大短路電流和所燃起的電弧，使故障元件損壞。(2)短路電流通過非故障元件.由于發(fā)熱和電動力的作用，引起 它們的損壞或縮短使用壽命。(3)電力系統(tǒng)中部分地區(qū)的電壓大大降低。使大量的電力用戶 的正常工作遭到破壞或產(chǎn)生廢品。(4)破壞電力系統(tǒng)中各發(fā)電廠之間并列運行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng) 振蕩，甚至使系統(tǒng)瓦解。2.1.3 短路簡介及類別電力系統(tǒng)的短路就是在回路中因為電阻降低而引起電流異常增 大的一種現(xiàn)象；電力系統(tǒng)在運行中，相與相之間或相與地或中性線) 之間發(fā)生非正常連接(即短路)時而流過非常大的電流。短路分為很多種情況，有單相接地短路，兩相短路，兩相短路接 地，三相短

11、路等。相線俗稱火線，三相就是三個火線，他們電壓相等， 頻率相當(dāng)，但是相序(時間)不同。單相接地短路兩相短路兩相接地短路三線對稱短路圖2-1 常見短路故障一、單相接地短路單相接地短路是指三相交流供電系統(tǒng)中一根相線與大地成等電 位狀態(tài)了，也就是該相線的電位與大地的電位相等，都是“零”，非 故障兩相電壓接近正常電壓，負荷電流接接近正常，故非故障相工作 狀態(tài)與正常負荷狀態(tài)相差不大。二、兩相短路兩相短路任意兩相導(dǎo)線，直接金屬性連接或經(jīng)過小阻抗連接在一起。此時故 障點處兩故障相的對地電壓相等，故障相電壓不為零。而非故障相 三、兩相短路接地兩相短路接地是指三相交流供電系統(tǒng)中兩根相線與大地成等電位狀態(tài)了，此時

12、故障點處兩接地相的電壓都為零。四、三相對稱短路三相對稱短路是指三相全部短路，三相對稱性短路時，故障點處的各相電壓 相等，且在三相系統(tǒng)對稱時均都為零。 此種短路情況最為嚴重，對電力系統(tǒng)的損 害極大。2.2 輸電線路保護主要形式(1)電流保護對于輸電線路來說，在正常運行時，每條線路上都流過由它供電 的負荷電流，越靠近電源端，負荷電流越大。假定在線路上發(fā)生三相 短路，從電源到短路點之間將流過很大的短路電流。利用流過被保護元件中電流幅值的增大，可以構(gòu)成過電流保護。(2)低電壓保護在輸電線路正常運行時，各變電所母線上的電壓一般都在額定電 壓±5%-±10%£圍內(nèi)變化，且靠近

13、電源端母線上的電壓略高。短路 后，各變電所母線電壓有不同程度的降低，離短路點越近，電壓降得 越低，短路點的相間或?qū)Φ仉妷航档偷搅恪?利用短路時電壓幅值的降 低，可以構(gòu)成低電壓保護。(3)距離保護同樣，在正常運行時，線路始端的電壓與電流之比反映的是該線路與供電負荷的等值阻抗及負荷阻抗角（功率因數(shù)角），其數(shù)值一般較大，阻抗角較小。短路后，線路始端的電壓與電流之比反映的是該測 量點到短路點之間線路段的阻抗，具值較小，如不考慮分布電容時一 般正比于該線路段的距離（長度），阻抗角為線路阻抗角，較大。利用 測量阻抗幅值的降低和阻抗角的變大，可以構(gòu)成距離 （低阻抗）保護。（4）差動保護利用每個電力元件在內(nèi)部

14、與外部短路時兩側(cè)電流相量的差別可以構(gòu)成電流差動保護，利用兩側(cè)電流相位的差別可以構(gòu)成電流相位差 動保護，利用兩側(cè)功率方向的差別可以構(gòu)成方向比較式縱聯(lián)保護，利用兩側(cè)測量阻抗的大小和方向等還可以構(gòu)成其他原理的縱聯(lián)保護。利用某種通信通道同時比較被保護元件兩側(cè)正常運行與故障時電氣量 差異的保護，稱為縱聯(lián)保護。它們只在被保護元件內(nèi)部故障時動作， 可以快速切除被保護元件內(nèi)部任意點的故障， 被認為具有絕對的選擇 性，常被用作220KV及以上輸電網(wǎng)絡(luò)和較大容量發(fā)電機、變壓器、電 動機等電力元件的主保護。2.3 對該系統(tǒng)的具體分析2.3.1 對距離保護的分析當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)相間短路時，我們采取距離保護，距離保護的主保

15、護是距離保護I段和距離保護n段。 距離保護第m段，裝設(shè)距離保護 第m段是為了作為相鄰線路保護裝置和斷路器拒絕動作的后備保護， 同時也作為I、II段的后備保護。為了快速切除線路上的各種短路， 線路A-B、B-C應(yīng)在1、2、3、4處配備三段式距離保護；選用接地距離保護接線方式和相間距離保護接線方式；它們的I、n段選擇具有方向特性的距離保護，田段具有偏移特性的距離保護。2.3.2 對零序保護的分析零序保護中會出現(xiàn)單相接地故障和兩相接地故障。畫出所有元件全運行時的三序等值網(wǎng)絡(luò)，并求出所有元件全運行時，A B、C母線，分別發(fā)生單相接地短路和兩相接地短路時的負荷序網(wǎng)等值圖。以便求出各個母線發(fā)生故障時其零序

16、電流的分布，從而求出流過各個保護的最大和最小零序電流。當(dāng)AB和BC段線路分別發(fā)生故障時，分析 系統(tǒng)最大和最小運行方式，并分別求出各個保護的最大和最小分支系 數(shù)。保護1、4對應(yīng)，保護2、3對應(yīng)，對于保護2、3只有零序保護 I段，對于保護1、4有零序保護I段和II段。2.4 整定計算2.4.1 距離保護的整定計算線路AB正序阻抗 ZAB乙LA B =0.4 X 60=24線路BC的正序阻抗 ZBC乙LBC =0.4X40=16保護 1、2 的距離保護 I 段 Zset.1,2 Krel Zab =0.85 X 24=20.4保護 3、4 的距離保護 I 段 Zset.3,4 KrelZBC =0.

17、85 X 16=13.6時間：t=0 s(一)保護1距離保護II段的整定與相鄰下級最短線路的保護31段相配合時，有=0.8 X (24+1X 13.6) =30.082.當(dāng)與相鄰變壓器的快速保護相配合時，有=0.75 X （24+1X 15） =31.2取較小者為n段整定值，即zSet=30.08效驗：按本線路末端短路求靈敏系數(shù)為：uZ T30,09K= 1.253333 > 1,25滿足要求f -24動作延時為：0.5s（二）保護2距離保護田段的整定1.按躲開最小負荷阻抗整定 ?ZL.min"J9 110=190.53UL.max ，3 0.3效驗：按本線路末端短路求靈敏系數(shù)

18、為Ksen155空=6.50>1.5滿足要求Zab24動作延時為：（三）保護3距離保護田段的整定效驗：按本線路末端短路求靈敏系數(shù)為155.3045=11.42 >1.5滿足要求tt-' = dt + 0 = 0.5零 動作延時為：.（四）保護1距離保護田段的整定按躲開最小負荷阻抗整定?u U L.min _ 0.9 110 _ZL.min 190.53I,3 0.3U L .max繼 電器取相間接線方式的方 向 阻抗繼 電器，外=30" 平5=75° Q = L2 / = L2 /；= 口的 ,效驗按本線路末端短路求靈敏系數(shù)為7 m -1 二二 noKZ

19、e! 竺5絲=6.50>1.5滿足要求Zab24相鄰元件末端短路時的靈敏系數(shù)為155.3045Ca£'見方 + ri axt- = 4.13 >15滿足要求155.3045匚+跖=E=3,9K滿足要求動作延時為:（五）保護4距離保護n段的整定1 .與相鄰下級最短線路的保護2 I段相配合時，有ZSet.4 K（Zbc ".minZ ；戌.2）=0.8>< （16+20.4） =29.122 .當(dāng)與相鄰變壓器的快速保護相配合時，有nset.4K(ZbcK4b.minZt)=o.8x (16+15) =24.81取較小者加-ie-滿足要求動作延時為

20、:（六）保護4距離保護田段的整定效驗：1.按本線路末端短路求靈敏系數(shù)為ssn皿155.304516= 9.7065 >1.5滿足要求2.相鄰元件末端短路時的靈敏系數(shù)為琮口 155.3045_+=16+24 = 4，13 >L5滿足要求sstl (3；155.3045 16+15=5.0098231.5滿足要求動作延時為:（七）動作特性曲線1段R段1 A2 B 3 C 4田段項目整定值時限s靈敏度是否滿足要求保護1、2- I段20.40Krel =0.85滿足保護1- II段30.0811.2533333滿足保護1-HI段155.304516.5、4.13、3.98滿足保護2-HI段

21、155.30450.56.5滿足保護3-HI段155.30450.511.42滿足保護3、4- I段13.60Krel =0.85滿足保護4- II段24.811.55滿足保護4-m段155.304519.7065、4.13、5.009823滿足2.4.2零序保護的整定計算一.接地短路(a)正序等值圖(b)負序等值圖零序等值圖(一)單相接地短路復(fù)合序網(wǎng)保護 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保護4:單相接地短路零序電流分布圖(二)兩相接地短路復(fù)合序網(wǎng)故，流過保護1

22、,保護4的電流分別為:兩相接地短路零序電流分布圖保護1保護4的分支系數(shù)為：BC段故障時變壓器助增作用AB段故障時變壓器助增作用當(dāng)一臺發(fā)電機運行時 X1最大，X1max=30+72=102當(dāng)兩臺發(fā)電機運行時 X1最小，X1min=15+72=87Q當(dāng)T5, T6只有一臺運行時X2最大，X2max=4G當(dāng)T5, T6兩臺同時運行時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當(dāng)一臺發(fā)電機運行時 X1最大，X1max=48+30=78當(dāng)兩

23、臺發(fā)電機運行時 X1最小，X1min=48+15=6笈當(dāng)T5, T6只有一臺運行時X2最大，X2max=4G當(dāng)T5, T6兩臺同時運行時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保護1整定計算：母線B故障流過保護1的最大零序電流If |0|.1=0.237KA,故母線C處分別發(fā)生單相接線短路和兩相接線短路，單相接地短路時，_115 X <3_。網(wǎng)= 1D.94 +10.94+12.80 =915Kq流過保護2電流, 兩相接地短路，項目整定值KA時限S靈敏

24、度是否滿足要求保護1-I段0.853201.2滿足保護1-n段0.56511.119不滿足保護2-I段1.01201.2滿足保護3-I段1.55901.2滿足保護4-I段1.20301.2滿足保護4-n段0.45212.07滿足2.4.3結(jié)論距離保護：由于同時利用了短路時電壓、電流的變化特征，通過測量故障阻 抗來確定故障所處范圍，保護區(qū)穩(wěn)定，靈敏度高，動作情況受電網(wǎng)運 行方式變化的影響小。距離保護I段是瞬時動作，只能保護線路全長 的8085%且它的保護范圍不受系統(tǒng)運行方式的影響，也不受故障類 型的影響。距離保護H段能夠保護本線路全長及下級線路首端一部 分，距離保護III段能保護本線路全長，及下

25、級線路全長及更遠。本 線路保護設(shè)計整定值都滿足要求，但距離保護受系統(tǒng)振蕩、短路過渡 電阻、電壓回路斷線等因素的影響。零序電流保護：正常運行的三相對稱，沒有零序電流，在中性點直接接地電網(wǎng)中， 發(fā)生接地故障時，會有很大的零序電流。故障特征明顯，利用這一特 征可以構(gòu)成零序電流保護。適用網(wǎng)絡(luò)與 110KV及以上電壓等級的網(wǎng) 絡(luò)。該系統(tǒng)零序電流保護裝置的設(shè)計中，保護 1, II段的整定值的靈 敏度系數(shù)不滿足要求，考慮改用接地距離保護。其他各整定值的靈敏 度系數(shù)都滿足要求。優(yōu)點：保護簡單，經(jīng)濟，可靠；整定值一般較低，靈敏度較高； 受系統(tǒng)運行方式變化的影響較小；系統(tǒng)發(fā)生震蕩、短時過負荷是不受 影響；沒有電壓

26、死區(qū)。缺點：對于短路線路或運行方式變化較大的情況，保護往往不能 滿足系統(tǒng)運行方式變化的要求。隨著相重合閘的廣泛應(yīng)用，在單項跳 開期間系統(tǒng)中可能有較大的零序電流，保護會受較大影響。2.5原理圖及動作分析2.5.1 原理圖(1)三段式零序電流保護原理圖三段式零序電流保護的原理接線如下圖， 在被保護線路的三相上 分別裝設(shè)型號和變比完全相同的電流互感器， 將它們的二次繞組互相 并聯(lián)，然后接至電流繼電器的線圈。當(dāng)正常運行和發(fā)生相間故障時，電網(wǎng)中沒有零序電流，故IR=0,繼電器不動作，只有發(fā)生接地故障 時，才出現(xiàn)零序電流，如其值超過整定值，繼電器就動作。實際工作中，由于三只電流互感器的勵磁特性不一致， 當(dāng)

27、發(fā)生相 間故障時，會造成較大的不平衡電流。為了使保護裝置在這種情況下 不誤動作，通常將保護的動作電流按躲過最大不平衡電流來整定。與相間短路的電流保護相同，零序電流保護也采用階段式保護， 通常采用三段式。目前的“四統(tǒng)一”保護屏則采用四段式。圖為三段 式零序電流保護的原理接線圖。瞬時零序電流速斷（零序I段有，由 KA1、K解口 KS7構(gòu)成），一般取保護線路末端接地短路時，流過保護 裝置3倍最大零序電流310m的1.3倍，保護范圍不小于線路全長的 15%25%零序II段（由KA3 KT4和KS8構(gòu)成）的整定電流，一般取下一 級線路的零序I段整定電流的1.2倍，時限0.5s,保證在本線末端 單相接地時，可靠動作。零序田段（由 KA5 KT6和KS9構(gòu)成）的整 定電流可取零序H （或加）段整定的1.2倍，或大于三相短路的最大 不平衡電流，其靈敏性要求下一級末端故障時，能可靠動作。（2）三段式距離保護原理圖當(dāng)保護區(qū)內(nèi)發(fā)生短路時，電流繼電器KA和功率繼電器KW舜時動 作，通過繼電器KA和KW勺觸點串聯(lián)把直流電源的正極加到阻抗繼電 器KR1