1、武漢理工大學(xué)電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化課程設(shè)計110KV系統(tǒng)接地保護的設(shè)計1 繼電保護1.1介紹原理1.1.1基本概念繼電保護是研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運行的異常工況，以探討其對策的反事故自動化措施。因在其發(fā)展過程中曾主要用有觸點繼電器來保護電力系統(tǒng)及其元件（發(fā)電機、變壓器、輸電線路等），使之免遭損害，所以沿稱繼電保護。其基本任務(wù)是：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)，自動將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。1.1.2繼電保護分類繼電保護可以按以下4種方式分類。（1）按被保護對象分類。有輸電

2、線路保護和主設(shè)備保護（如發(fā)電機、變壓器、母線、電抗器、電容器等保護）。（2）按保護功能分類。有短路故障保護和異常運行保護。前者又分為主保護、后備保護和輔助保護；后者又分為過負荷保護、低頻保護、非全相運行保護等。（3）按保護裝置進行比較和運算處理的信號量分類，有模擬式保護和數(shù)字式保護。一切電機型、整流型、晶體管型和集成電路型保護裝置，屬模擬式保護；采用微處理機和微型計算機的保護裝置，這是數(shù)字式保護。（4）按保護動作原來分類。有過電流保護、低電壓保護、過電壓保護、功率方向保護、距離保護、差動保護、高頻（載波）保護等。1.2接地短路1.2.1基本概念短路是指電源的相線和中性線或者相線之間無負載或無阻

3、抗連接。接地短路是指用電器件或者線路經(jīng)由接地產(chǎn)生的短路現(xiàn)象。在電源端中性線接地的系統(tǒng)（即TT、TN等T系統(tǒng)）中，線路中相線因為裸露、受潮、絕緣損壞、碰殼等事故使得用電器件可導(dǎo)電外殼或其他金屬器件帶電，而此類器件又經(jīng)與地連接做有接地保護。此時電流經(jīng)過相線-外殼-接地線-大地-電源中性線接地線-電源中性線，形成短路回路，接地短路出現(xiàn)。接地短路是電力系統(tǒng)中架空線路上出現(xiàn)最多的一類故障，尤其是單相接地短路故障占所有故障的90左右。完全星形接線的相間電流電壓保護對于大地電流系統(tǒng)中的單相接地短路，可能會不滿足靈敏性要求，因此，必須裝設(shè)專門的接地短路保護。反映接地短路保護主要有反映零序電流、零序電壓和零序功

4、率方向的電流電壓保護，接地距離保護及縱聯(lián)保護等。1.2.2繼電保護的配置方式對于單回線路接地短路，可裝設(shè)帶方向性或不帶方向性的多段式零序電流保護，在終端線路，保護段數(shù)可適當減少。對環(huán)網(wǎng)或電網(wǎng)中某些短線路，宜采用多段式接地距離保護，有利于提高保護的選擇性及縮短切除故障時間。對于平行線路的接地短路，一般可裝設(shè)零序電流橫差動保護作為主保護；裝設(shè)接于每一回線路的帶方向或不帶方向元件的多段式零序電流保護作為后備保護。1.3 零序電流保護1.3.1基本概念利用接地時產(chǎn)生的零序電流使保護動作的裝置，叫零序電流保護。在電纜線路上都采用專門的零序電流互感器來實現(xiàn)接地保護。中性點直接接地系統(tǒng)發(fā)生接地短路，將產(chǎn)生很

5、大的零序電流，利用零序電流分量構(gòu)成保護，可以作為一種主要的接地短路保護。零序過流保護部反應(yīng)三相和兩相短路，在正常運行哦那個和系統(tǒng)發(fā)生震蕩時也沒有零序分量產(chǎn)生，所以它有較好的靈敏度。但零序過流保護受電力系統(tǒng)運行方式變換影響較大，靈敏度因此降低，特別是短距離線路上以及復(fù)雜的環(huán)網(wǎng)中，由于速動段的保護范圍太小，甚至沒有保護范圍，致使零序電流保護各段的性能嚴重惡化，使保護動作時間很長，靈敏度很低。中性點直接接地系統(tǒng)中發(fā)生接地短路，將產(chǎn)生很大的零序電流分量，利用零序電流分量構(gòu)成保護，可作為一種主要的接地短路保護。因為它不反映三相和兩相短路，在正常運行和系統(tǒng)發(fā)生振蕩時也沒有零序分量產(chǎn)生，所以它有較好的靈敏度

6、。另一方面，零序電流保護仍有電流保護的某些弱點，即它受電力系統(tǒng)運行方式變化的影響較大，靈敏度將因此降低；特別是在短距離的線路上以及復(fù)雜的環(huán)網(wǎng)中，由于速動段的保護范圍太小，甚至沒有保護范圍，致使零序電流保護各段的性能嚴重惡化，使保護動作時間很長，靈敏度很低。當零序電流保護的保護效果不能滿足電力系統(tǒng)要求時，則應(yīng)裝設(shè)接地距離保護。接地距離保護因其保護范圍比較固定，對本線路和相鄰線路的保護效果都會有所改善。零序電流保護接于電流互感器的零序電流濾過器，接線簡單可靠，零序電流保護通常由多段組成，一般是三段式，并可根據(jù)運行需要而增減段數(shù)。為了適應(yīng)某些運行情況的需要，也可設(shè)置兩個一段或二段，以改善保護的效果。

7、1.3.2計算方式根據(jù)接地短路故障的計算方法可知，接地短路是相當于在正序網(wǎng)絡(luò)的短路點增加額外附加電抗的短路。這個額外附加電抗就是負序和零序綜合電抗。各序的電流分配，只決定該序網(wǎng)中各只路電抗的反比關(guān)系；而各序電流的絕對值要受其它序電抗的影響。計算分支零序電流的分布時，例如：計算電流分支系數(shù)，只須研究零序序網(wǎng)的情況；當要計算零序電流絕對值大小時，必須同時分析正、負、零三個序網(wǎng)的變化。零序電壓的特點，類似零序電流的情況。零序電壓分布在短路點最高，隨著距短路點的距離而逐漸降低，在變壓器中性點接地處為零。在電力系統(tǒng)架空線路上，零序電流一般用零序電流濾過器獲得。當架空線路發(fā)生接地故障時，零序電流濾過器將輸

8、出，電力系統(tǒng)中獲取零序電壓的方法一般有以下幾種：將三個單相電壓互感器的副方繞組接成開口三角形繞組來獲取，將三相五柱式電壓互感器的二次繞組接成開口三角形繞組來獲取，將電源中性點的電壓互感器或消弧線圈接地，再在副方繞組中獲取零序電壓，利用加法器來獲得零序電壓。此外，利用對稱分量濾過器也可以得到保護中常用到的各種序分量，包括零序電流、零序電壓分量。1.4 變壓器中性點接地1.4.1中性點接線方式變壓器中性點接地方式與電網(wǎng)的安全運行有密切關(guān)系。在系統(tǒng)正常運行時，中性點對地電壓為零，接地方式對系統(tǒng)沒有影響。當發(fā)生一相接地或人身觸電事故時，各種接地方式的差別就出現(xiàn)了。那么，采用哪種方法最佳，是值得討論的問

9、題。變壓器中性點接線方式一般分為以下五種：（1） 中性點不接地方式；（2） 中性點經(jīng)高電阻接地方式；（3） 中性點直接接地方式；（4） 中性點經(jīng)低電阻接地方式；（5） 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式；1.4.2中性點接線原則系統(tǒng)中變壓器中性點是否接地運行的原則是，應(yīng)盡量保持變電所零序阻抗基本不變，以保持系統(tǒng)中零序電流的分布不變，并使零序電流電壓保護具有足夠的靈敏度和變壓器不致于產(chǎn)生過電壓危險。一般變壓器中性點接地有如下原則：（1）電源端的變電所只有一臺變壓器時，其變壓器中性點應(yīng)直接接地運行。（2）變電所有兩臺及以上變壓器時，應(yīng)只將一臺變壓器中性點直接接地運行，當該變壓器停運時，再將另一臺中性點不接地

10、變壓器改為中性點直接接地運行。若由于某些原因，變電所正常運行下必須有兩臺變壓器中性點直接接地運行，則當其中一臺變壓器停運時，應(yīng)將第三臺變壓器改為中性點直接接地運行。（3）雙母線運行的變電所有三臺及以上變壓器時，應(yīng)按兩臺變壓器中性點直接接地的方式運行，并把它們分別接于不同的母線上。當其中一臺中性點直接接地的變壓器停運時，應(yīng)將另一臺中性點不接地變壓器改為中性點直接接地運行。（4）低電壓側(cè)無電源的變壓器中性點應(yīng)不接地運行，以提高保護的靈敏度個簡化保護接線。（5）對于其它由于特殊原因不滿足上述條件規(guī)定著，應(yīng)按特殊情況臨時處理，例如，可采用改變保護定植，停用保護或增加變壓器接地運行臺數(shù)等方法進行處理，以

11、保證保護和系統(tǒng)的正常運行。2計算原理2.2保護段的整定計算2.2.1電流速斷保護工作原理對于反應(yīng)于短路電流幅值增大而瞬時動作的電流保護，稱為電流速斷保護。為了保證其選擇性，一般只能保護線路的一部分。為了解決這個矛盾可以有兩種辦法。通常都是優(yōu)先保證動作的選擇性，即從保護裝置啟動參數(shù)的整定上保證下一條線路出口處短路時不啟動，在繼電保護技術(shù)中，這又稱為按躲開下一條線路出口處短路的條件整定。另一種辦法就是在個別情況下，當快速切出故障是首要條件時，就采用無選擇性的速斷保護，而以自動重合閘來糾正這種無選擇性動作。對反應(yīng)電流升高而動作的電流速斷保護而言，能使該保護裝置啟動的最小電流值稱為保護裝置的整定電流，

12、以表示，顯然必須當實際的短路電流>時，保護裝置才能動作。保護裝置的整定電流，是用電力系統(tǒng)一次側(cè)的參數(shù)表示的，所代表的意義是：當在被保護線路的一次側(cè)電流達到這個數(shù)值時，安裝在該處的這套保護裝置就能夠動作。2.2.2零序電流保護段的整定（1）按躲開本線路末端接地短路的最大零序電流整定，即 (1)式中， 可靠系數(shù)，取1.21.3；計算時取1.3線路末端接地短路時流過保護的最大零序電流。（2）零序電流保護段的保護最小保護范圍亦要求不小于本保護線路長度的15%。（3） 整定的動作延時為0。2.3保護段的整定計算2.3.1限時電流速斷保護工作原理由于有選擇性的電流速斷保護不能保護本線路的全長，因此可

13、考慮增加一段帶時限動作的保護，用來切除本線路上速斷保護范圍以外的故障，同時也能作為速斷保護的后備，這就是限時電流速斷保護。對這個保護的要求，首先是在任何情況下能保護本線路的全長，并且具有足夠的靈敏性；其次是在滿足上述要求的前提下，力求具有最小的動作時限；在下級線路短路時，保證下級保護優(yōu)先切除故障，滿足選擇性要求。2.3.2零序電流保護段的整定此段保護按滿足以下條件整定：（1）按與相鄰下一級線路的零序電流保護段配合整定，即 （2）式中 ， 可靠系數(shù)，取1.2。 分支系數(shù)，按實際情況選取可能的最小值； 相鄰下一級線路的零序電流保護段整定值。 （2）當按此整定結(jié)果達不到規(guī)定靈敏系數(shù)時，可改為與相鄰下

14、一級線路的零序電流保護段配合整定： （3）（3）零序段的靈敏度校驗： 1.31.5 (4)（4）保護段的動作時間： 當動作電流按式（2-3-1）計算時，；當動作電流按式（2-3-2）計算時，。2.4保護段保護的整定計算2.4.1無時限過電流保護工作原理作為下級線路主保護拒動和斷路器拒動時的遠后備保護，也作為過負荷時的保護，一般采用過電流保護。過電流保護通常是指其啟動電流按照躲開最大負荷電流來整定的保護，當電流的幅值超過最大負荷電流值時啟動。過電流保護有兩種：一種是保護啟動后出口動作時間是固定的整定時間，稱為定時限過電流保護；另一種是出口動作時間與過電流的倍數(shù)相關(guān)，電流越大，出口動作越快，稱為反

15、時限過電流保護。過電流保護在正常運行時不啟動，而在電網(wǎng)發(fā)生故障時，則能反應(yīng)于電流的增大而動作。在一般情況下，它不僅能夠保護本線路的全長，而且保護相鄰線路的全程，可以起到遠后備保護的作用。為保護在正常情況下各線路上的過電流保護絕對不動作，顯然保護裝置的啟動電流必須大于該線路上出現(xiàn)的最大負荷電流；同時還必須考慮在外部故障切除后電壓恢復(fù)，負荷自啟動電流作用下保護裝置必須能夠返回。其返回電流應(yīng)大于負荷自啟動電流。一般考慮后一種情況，往往為保證可靠返回從而決定啟動電流。2.4.2零序電流保護段保護的整定此段保護一般是起后備保護作用。段保護通常是作為零序電流保護段保護的補充作用。零序電流保護段保護按滿足以

16、下條件整定：（1）按躲開下一條線路出口處發(fā)生三相短路時，流過保護裝置的最大不平衡電流來整定 (5)式中， 可靠系數(shù)，取1.25。 最大不平衡電流。 其中 (6)式中， 非周期分量系數(shù)，取12； 電流互感器的同性系數(shù)，取0.5； 電流互感器的10%誤差，取0.1； 本線路末端三相短路的最大短路電流。（2）零序段的靈敏度校驗： 當作為近后備保護時， 1.31.5 (7)當作為遠后備保護時， 1.2 (8)式中， 本線路末端短路時在最小方式運行下的最小零序電流。 下一級線路末端短路時在最小方式運行下的最小零序電流。 最大分支系數(shù)。（3）零序電流保護段的動作時間：時限的確定:對于環(huán)型網(wǎng)絡(luò),若按階梯原則

17、與相鄰線路配合時,會產(chǎn)生斷路器誤動的現(xiàn)象因此應(yīng)找出解環(huán)點所以必須選出某一線路的保護段與其相鄰的保護段配合此即環(huán)網(wǎng)保護段的動作時限的起始點，此起始點的選擇原則是：應(yīng)考慮盡可能使整個環(huán)網(wǎng)中保護三段的保護靈敏度較高。3設(shè)計過程系統(tǒng)運行圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)運行圖3.1 無時限零序電流保護無時限零序電流保護應(yīng)躲過相鄰的下一線路出口，即本線路末端（亦即圖中B點）單相或亮相接地短路時可能出現(xiàn)的最大3倍零序電流，即：（1）對于AB線路，應(yīng)躲過B點的最大3倍零序短路電流3： 由于，因此當出現(xiàn)單相接地短路故障時零序電流有最大值。 = kA =0.428 kA = KA = 1.541 kA靈敏度校驗：設(shè)保護范

18、圍為L，則有： 1.541= L=70.22% > 15 % ，滿足靈敏度的要求。 （2）對于BC線路，應(yīng)躲過C點的最大3倍零序短路電流3： 由于，因此當出現(xiàn)單相接地短路故障時零序電流有最大值。 = kA =0.271 kA = KA =0.976kA靈敏度校驗：設(shè)保護范圍為L，則有： 0.976= L=32.57 % > 15 % ，滿足靈敏度的要求。 （3）對于BC線路，應(yīng)躲過D點的最大3倍零序短路電流3： 由于，因此當出現(xiàn)單相接地短路故障時零序電流有最大值。 = kA =0.143 kA = kA = 0.515kA靈敏度校驗：設(shè)保護范圍為L，則有： 0.515= L=78.

19、77 % > 15 % ，滿足靈敏度的要求。 3.2 帶時限零序電流保護當AB線路的段保護應(yīng)與相鄰下一線路（即BC線路）的零序電流保護段配合，即其中，=設(shè)發(fā)電機至母線A的等效零序阻抗為，B母線經(jīng)變壓器到地的零序等效阻抗為，則=由上式可以看出，當取最小值，取最大值時，即在最大運行方式下，單臺變壓器中性點接地運行時，有最小值。此時，=，=，如圖2所示。圖2 最大運行方式下單臺變壓器中性點接地運行零序等值網(wǎng)絡(luò)圖=2.01= kA = 0.676 kA靈敏度校驗：而在最小運行方式下發(fā)生接地短路時，AB線路末端零序短路電流有最小值。此時，由于<，因此在最小運行方式下發(fā)生單相接地短路時零序電流

20、最小。 = kA=0.246 kA = =1.39 > 1.3 滿足靈敏度的要求。= 1.0 s3.3 零序過電流保護 按躲開下一條線路出口處發(fā)生三相短路時，流過保護裝置的最大不平衡電流來整定： =當在最大運行方式下B母線處發(fā)生三相短路時，= kA =1.33 kA= 1.2×1.5×0.5×0.1×1.66 kA = 0.15 kA靈敏度校驗：=7.8 > 1.5 近后備=5.1 > 1.3 遠后備=+t4 110kV電網(wǎng)的保護裝置與自動裝置4.1 一般裝設(shè)規(guī)定在電力系統(tǒng)中，應(yīng)按照DL 755和DL/T 723標準的要求，裝設(shè)安全自動

21、裝置，以防止系統(tǒng)穩(wěn)定破壞或事故擴大，造成大面積停電，或?qū)χ匾脩舻墓╇婇L時間中斷。電力系統(tǒng)安全自動裝置，是指在電力網(wǎng)中發(fā)生故障或出現(xiàn)異常運行時，為確保電網(wǎng)安全與穩(wěn)定運行，起控制作用的自動裝置。如自動重合閘、備用電源或備用設(shè)備自動投人、自動切負荷、低頻和低壓自動減載、電廠事故減出力、切機、電氣制動、水輪發(fā)電機自起動和調(diào)相改發(fā)電、抽水蓄能機組由抽水改發(fā)電、自動解列、失步解列及自動調(diào)節(jié)勵磁等。安全自動裝置應(yīng)滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。4.2全線速動保護裝置110kV雙側(cè)電源線路符合下列條件之一時，應(yīng)裝設(shè)一套全線速動保護。（1）根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定要求有必要時；（2）線路發(fā)生三相短路，如使發(fā)電廠

22、廠用母線電壓低于允許值（一般為60%額定電壓），且其他保護不能無時限和有選擇地切除短路時；（3）如電力網(wǎng)的某些線路采用全線速動保護后，不僅改善本線路保護性能，而且能夠改善整個電網(wǎng)保護的性能。4.3其他保護裝置（1） 對多級串聯(lián)或采用電纜的單側(cè)電源線路，為滿足快速性和選擇性的要求，可裝設(shè)全線速動保護作為主保護。（2） 10kV線路的后備保護宜采用遠后備方式。（3）單側(cè)電源線路，可裝設(shè)階段式相電流和零序電流保護，作為相間和接地故障的保護，如不能滿足要求，則裝設(shè)階段式相間和接地距離保護，并輔之用于切除經(jīng)電阻接地故障的一段零序電流保護。（4）雙側(cè)電源線路，可裝設(shè)階段式相間和接地距離保護，并輔之用于切除

23、經(jīng)電阻接地故障的一段零序電流保護。（5）對帶分支的110kV線路，可按4.6.5的規(guī)定執(zhí)行。5 二次回路的設(shè)計5.1 二次回路概述 二次回路是指用來控制、指示、監(jiān)測和保護一次電路運行的電路。二次回路又稱二次系統(tǒng)。按功能二次回路可分為斷路器控制回路、信號回路、保護回路、監(jiān)測回路和自動化回路，為保證二次回路的用電，還有相應(yīng)的操作電源回路等。 5.2二次回路設(shè)備的要求二次回路的工作電壓不宜超過250V，最高不應(yīng)超過500V?；ジ衅鞫位芈愤B接的負荷，不應(yīng)超過繼電保護和安全自動裝置工作準確等級所規(guī)定的負荷范圍。在絕緣可能受到油浸蝕的地方，應(yīng)采用耐油絕緣導(dǎo)線。保護和控制設(shè)備的直流電源、交流電流、電壓及人

24、信號引入回路應(yīng)采用屏蔽電纜。在安裝各種設(shè)備、斷路器和隔離開關(guān)的連鎖接點、端子排和接地線時，應(yīng)能在不斷開3kV及以上一次線的情況下，保證在二次回路端子排上安全地工作。發(fā)電廠和變電所中重要設(shè)備和線路的繼電保護和自動裝置，應(yīng)有經(jīng)常監(jiān)視操作電源的裝置。各斷路器的跳閘回路，重要設(shè)備和線路的斷路器合閘回路，以及裝有自動重合裝置的斷路器合閘回路，應(yīng)裝設(shè)回路完整性的監(jiān)視裝置。 在可能出現(xiàn)操作過電壓的二次回路中，應(yīng)采取降低操作過電壓的措施。在有振動的地方，應(yīng)采取防止導(dǎo)線接頭松脫和繼電器、裝置誤動作的措施。5.3二次回路的設(shè)置在電壓互感器二次回路中，除開口三角線圈和另有規(guī)定者(例如自動調(diào)整勵磁裝置)外，應(yīng)裝設(shè)自動

25、開關(guān)或熔斷器。接有距離保護時，宜裝設(shè)自動開關(guān)。電壓互感器的二次回路只允許有一點接地，接地點宜設(shè)在控制室內(nèi)。獨立的、與其他互感器無電聯(lián)系的電壓互感器也可在開關(guān)場實現(xiàn)一點接地。為保證接地可靠，各電壓互感器的中性線不得接有可能斷開的開關(guān)或熔斷器等。來自電壓互感器二次的四根開關(guān)場引出線中的零線和電壓互感器三次的兩根開關(guān)場引出線中的N線必須分開，不得共用。6 AB線路接地保護6.1 AB線路接地保護的原理圖 AB接地保護三段式零序保護原理框圖如圖3所示。跳閘圖3 三段式零序電流保護的原理框圖6.2 AB線路接地保護展開圖 三段式電流保護電路的原理展開圖如圖4所示。CABTAa9KA1KA2KA3KA4K

26、A5KA6KA7KA8KATAbTAc交流回路A相B相C相中線（a）交流回路展開圖+WC-WC2 KT9 KA6 KA3 KA8 KA5 KA2 KA7 KA4 KA1 KA3 KT2 KS3 KSYRQF1KCO3 KT2 KTKCO1 KS控制第 段第段第段信號回路跳閘回路直流回路（b）直流回路展開圖WS3 KS2 KS1 KS信號（c）信號回路圖圖4 三段式電流保護電路的原理展開圖7 小結(jié)與體會本次課程設(shè)計能夠順利完成離不開吳老師的盡責(zé)輔導(dǎo)和同學(xué)們的熱心幫助。在老師的悉心輔導(dǎo)下，成功的完成了本次設(shè)計。在設(shè)計過程中，無論是在構(gòu)思步驟，分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，配置保護，還是保護的整定計算和靈敏性校驗上，老師和同學(xué)都給與了我極大的幫助，在我設(shè)計遇到困難無法進行時，給予幫助和引導(dǎo)。本次課程設(shè)計的主要內(nèi)容是對110kV電力系統(tǒng)繼電保護的配置。經(jīng)過對設(shè)計要求，設(shè)計內(nèi)容的分