输电线路零序电流保护设计.doc

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： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 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）： 教研室： 学 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 . 1 I rel K rel K1 . 1 rel K 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( . 0 kk II 则有。 )1 . 1( . 0 )1( . 0 kk II 1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=60 ZT3=60 ZT2=10 ZG2=16 ZT1=10 32 1 ZG1=16 Z1.CD=40 Z0.CD=80 Z1.BC=20 Z0.BC=40 Z0.AB=40 A Z1.AB=20 D C B 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 本文是针对电力系统采用零序电流保护的方法进行的继电保护设计。零序电流 保护是利用接地时产生的零序电流使保护动作的装置。零序电流一般分四段式，零 序电流第、段为线路接地故障的主保护，而第、段为线路接地故障的后备 保护。 在本设计中，首先确定出最大、最小运行方式下的等值电抗及相间或接地短路 的最大、最小短路电流，计算出保护 1、2、3 的无时限零序电流保护的动作电流和 动作时限整定值，及各自的最小保护范围。然后对保护 2、3 进行了带时限零序电流 速断保护的整定值计算，并校验了灵敏度。又通过对保护 1 的零序段整定计算， 校验其作为近后备及远后备时的灵敏度，确定其动作时限，绘制出零序三段式电流 保护的原理接线图，并分析了动作过程。 最后采用 MATLAB 建立系统模型进行零序电流保护的仿真分析。 关键词：零序电流；多段式保护；整定计算 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 5 2.1 零序电流 段整定计算5 2.1.1 零序电流 段动作电流的整定 9 2.1.2 灵敏度校验 10 2.1.3 动作时间的整定 12 2.2 零序电流段整定计算12 2.3 零序电流段整定计算 13 第 3 章 零序保护原理图的绘制与动作过程分析 .14 第 4 章 MATLAB 建模仿真分析.16 第 5 章 课程设计总结 .17 参考文献 18 本科生课程设计（论文） 5 第 1 章 绪论 在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力系 统的继电保护装置提出了更高、更严格和要求。目前我国 110KV 及以上电网都采用 中性点直接接地的系统。现有的接地保护如果不计高频保护在内，主要有零序电流 保护和接地距离保护。零序电流保护有结构简单灵敏度高的优点。 利用接地时产生的零序电流使保护动作的装置，叫零序电流保护。利用大接地 电流系统中发生接地短路时出现零序电流等的特点，可以构成反映零序电流大小的 多段式零序电流保护。零序电流一般分四段式，零序电流第、段为线路接地故 障的主保护，而第、段为线路接地故障的后备保护。零序电流保护 的特点是 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。 零序电流保护有较好的灵敏度。但是其保护区域受运行方式的影响较大，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。 与相间短路相比，同一线路上的零序过电流保护动作时间比相间短路过电流 保护动作时间小。零序电流各段保护的动作电流也比相间短路电流保护对应段的 动作电流要小，因而用零序电流保护反映接地短路故障时的灵敏度要比用完全星 形接线的相间短路电流保护反映接地短路时的灵敏度高。 电力系统继电保护的基本作用是，在全系统范围内，按指定分区实时地检测各 种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警等措施，以求最大限度 地维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损坏。 本科生课程设计（论文） 6 第 2 章 输电线路零序电流保护整定计算 2.1 零序电流 段整定计算 系统接线图如图所示： 图 2.1 系统接线图 一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗、 1 Z 0 Z （1）当、均投入运行时：1G1T2G2T3T4T G11A B1BC1CDT1 G2T2 Z ABCD Z ZZ ZZZ 图 2.2 、均投入运行时等值正序（负序）网络图1G1T2G2T3T4T T4 0A B0BC0CDT1 T3 T2 Z ABCD Z ZZ ZZZ 图 2.3 、均投入运行时等值零序网络图1G1T2G2T3T4T 本科生课程设计（论文） 7 B 母线： ABTGTGB ZZZZZZ 122111 / 3320)1016/()1016( 4030 . 0 210 / TTABTTB ZZZZZZ 18)60/60/()4010/10( C 母线： 532033 111BCBC ZZZ 584018 000BCBC ZZZ D 母线： 934053 111CDCD ZZZ 1388058 000CDCD ZZZ （2）当、投入运行时:1G1T2G2T3T B 母线： 3320)1016/()1016(/ 122111ABTGTGB ZZZZZZ 71.2560/)4010/10(/ 30210TABTTB ZZZZZ C 母线： 532033 111BCBC ZZZ 71.654071.25 000BCBC ZZZ D 母线： 934053 111CDCD ZZZ 71.1458071.65 000CDCD ZZZ G11A B1BC1CDT1 G2T2 Z ABCD Z ZZ ZZZ 图 2.4 、投入运行时等值正序（负序）网络图1G1T2G2T3T 0A B0BC0CDT1 T3 T2 Z ABCD Z Z ZZZ 图 2.5 、投入运行时等值零序网络图1G1T2G2T3T （3）当、投入运行时1G1T3T4T 本科生课程设计（论文） 8 G11A B1BC1CDT1 Z ABCD ZZZZ 图 2.6 、投入运行时等值正序（负序）网络图1G1T3T4T T4 0A B0BC0CDT1 T3 Z ABCD ZZ ZZZ 图 2.7 、投入运行时等值零序网络图1G1T3T4T B 母线： 46201016 1111ABTGB ZZZZ 75.18)60/60/()4010(/ 4030010TTABTB ZZZZZ C 母线： 662046 111BCBC ZZZ 75.584075.18 000BCBC ZZZ D 母线： 1064066 111CDCD ZZZ 75.1388075.58 000CDCD ZZZ （4）当、投入运行时1G1T3T G11A B1BC1CDT1 Z ABCD ZZZZ 图 2.8 、投入运行时等值正序（负序）网络图1G1T3T 0A B0BC0CDT1 T3 Z ABCD Z ZZZ 图 2.9 、投入运行时等值零序网络图1G1T3T 本科生课程设计（论文） 9 B 母线： 46201016 1111ABTGB ZZZZ 27.2760/)4010(/ 3010TABTB ZZZZ C 母线： 662046 111BCBC ZZZ 27.674027.27 000BCBC ZZZ D 母线： 1064066 111CDCD ZZZ 27.1478027.67 000CDCD ZZZ 二、计算 B、C、D 母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流 （1）当、均投入运行时1G1T2G2T3T4T B 母线： KA ZZ E I BB s KB 962 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I BB s KB 790 . 0 2 01 )1( 0 C 母线： KA ZZ E I CC s KC 393 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I CC s KC 405 . 0 2 01 )1( 0 D 母线： KA ZZ E I DD s KD 180 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I DD s KD 205 . 0 2 01 )1( 0 （2）当、投入运行时1G1T2G2T3T B 母线： KA ZZ E I BB s KB 786 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I BB s KB 724 . 0 2 01 )1( 0 C 母线： KA ZZ E I CC s KC 360 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I CC s KC 387 . 0 2 01 )1( 0 D 母线： KA ZZ E I DD s KD 173 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I DD s KD 200 . 0 2 01 )1( 0 （3）当、投入运行时1G1T3T4T B 母线： KA ZZ E I BB s KB 795 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I BB s KB 599 . 0 2 01 )1( 0 C 母线： KA ZZ E I CC s KC 362 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I CC s KC 348 . 0 2 01 )1( 0 D 母线： KA ZZ E I DD s KD 173 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I DD s KD 189 . 0 2 01 )1( 0 （4）当、投入运行时1G1T3T 本科生课程设计（论文） 10 B 母线： KA ZZ E I BB s KB 660 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I BB s KB 557 . 0 2 01 )1( 0 C 母线： KA ZZ E I CC s KC 331 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I CC s KC 333 . 0 2 01 )1( 0 D 母线： KA ZZ E I DD s KD 166 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I DD s KD 185 . 0 2 01 )1( 0 2.1.1 零序电流 段动作电流的整定 一、保护 1 零序电流 I 段 （1） 、运行1G1T2G2T3T4T 取两相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KBKB IIkA ZZZZZ ZZ II TTABTT TT KBB 385 . 0 43021 43)1 . 1( 00 （2） 、运行1G1T2G2T3T 取两相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KBKB IIkA ZZZZ Z II TABTT T KBB 449 . 0 3021 3)1 . 1( 00 最大运行方式为：、运行1G1T2G2T3T 保护 1 的 I 段动作电流为：KAIKI Brelop 61641449 . 0 32 . 13 01 . 0 二、保护 2 零序电流 I 段 （1） 、运行1G1T2G2T3T4T 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KCKC IIkAII KCC 405 . 0 )1( 00 （2） 、运行1G1T2G2T3T 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KCKC IIkAII KCC 387 . 0 )1( 00 最大运行方式为：、运行1G1T2G2T3T4T 保护 2 的 I 段动作电流为：KAIKI Crelop 458 . 1 405 . 0 32 . 13 02 . 0 三、保护 3 零序电流 I 段 （1） 、运行1G1T2G2T3T4T 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KDKD IIkAII KDD 205 . 0 )1( 00 （2） 、运行1G1T2G2T3T 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KDKD IIkAII KDD 200 . 0 )1( 00 本科生课程设计（论文） 11 最大运行方式为：、运行1G1T2G2T3T4T 保护 3 的 I 段动作电流为：KAIKI Drelop 738 . 0 205 . 0 32 . 13 03 . 0 2.1.2 灵敏度校验 一、保护 1 的最小保护范围计算 设 （） ， 则 AB AK Z Z k 1 1 10 1 k,4040,40,20 101011 111 kZkZkZ BKAKAK (1)、运行1G1T3T4T 8/ )4070)(41 ()()( 2030 11430010 11111 111 11 kkZZZZZZ kZZZZ TTBKAKTK AKTGK 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 001 11 KBKBKK IIZZ 8/ )4070)(41 ()2030(2 3/115 2 11101 )1( 0 11 kkkZZ E I KK s KB KAII kk k ZZZZ ZZZ II OPK TTABT TTBK KBk 5084 . 1 3 75.687020 3/115 8 47 1 . 0 0 11 1 4301 430 )1( 00 1 1 1 得， 满足灵敏度要求%15% 7 . 33 1 k (2)、运行1G1T3T 11/ )40100)(41 ()()( 2030 1130010 11111 111 11 kkZZZZZ kZZZZ TBKAKTK AKTGK 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 001 11 KBKBKK IIZZ 11/ )40100)(41 ()2030(2 3/115 2 11101 )1( 0 11 kkkZZ E I KK s KB KAII kkk k ZZZ ZZ II opK TABT TBK KBK 5084 . 1 3 11/ )40100)(41 ()2030(2 3/115 11 410 1 . 0 0 111 1 301 30 )1( 00 1 1 1 得， 满足灵敏度要求%15%37.40 1 k 根据、，最小运行方式为：、运行1G1T3T4T 保护 1 的 I 段最小可以保护线路 AB 全长的 33.7% 二、保护 2 的最小保护范围计算 本科生课程设计（论文） 12 设 （） ， 则 BC BK Z Z k 2 2 10 2 k 2021 40,20 22 kZkZ BKBK （1）、运行1G1T3T4T 2043010 211111 0475.18)()( 2050 22 22 kZZZZZZ kZZZZZ BKTTABTK BKABTGK 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 001 22 KCKCKK IIZZ 2201 )1( 00 4075.18)2050(2 3/115 2 22 2 kkZZ E II KK s KCK 得， 满足灵敏度要求KAII opK 422 . 1 3 2 . 0 0 2 %15%66.26 2 k （2）、运行1G1T3T 203010 21111 4027.27)( 2050 22 22 kZZZZZ kZZZZ BKTABTK AKTGK 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 001 22 KCKCKK IIZZ 2201 )1( 00 4027.27)2050(2 3/115 2 22 2 KKZZ E II KK s KCK 得， 满足灵敏度要求KAII opK 422 . 1 3 2 . 0 0 2 %15%16 1 k 根据、，最小运行方式为：、运行1G1T3T 保护 2 的 I 段最小可以保护线路 BC 全长的 16% 三、保护 3 的最小保护范围计算 设 （） ， 则 CD CK Z Z k 3 3 10 3 k 3031 80,40 33 kZkZ CKCK （1）、运行1G1T3T4T 30043010 3111111 0875.58)()( 4070 33 33 kZZZZZZZ kZZZZZZ CKBCTTABTK CKBCABTGK 若 ,则取单相接地短路 33 01kK ZZ )1( 0 )1 . 1( 0KDKD II 3301 )1( 00 8075.58)4070(2 3/115 2 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得， 满足灵敏度要求KAII opK 7272 . 0 3 3 . 0 0 3 %15%97.46 3 k 本科生课程设计（论文） 13 此时，与矛盾 326.96,788.88 33 01KK ZZ 33 01KK ZZ 所以，取两相接地短路 33 01KK ZZ )1( 0 )1 . 1( 0KDKD II )8075.58(24070 3/115 2 3301 )1 . 1( 00 33 3 kkZZ E II KK s KDK KAII opK 7272 . 0 3 3 . 0 0 3 得， 满足灵敏度要求%15%20.43 3 k （2）、运行1G1T3T 3003010 3111111 8027.67)( 4070 33 33 kZZZZZZ kZZZZZZ CKBCTABTK CKBCABTGK 若 ,则取单相接地短路 33 01kK ZZ )1( 0 )1 . 1( 0KDKD II 3301 )1( 00 8027.67)4070(2 3/115 2 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得， 满足灵敏度要求KAII opK 7272 . 0 3 3 . 0 0 3 %15%65.41 3 k 此时，与矛盾 59.100,66.86 33 01KK ZZ 33 01KK ZZ 所以，取两相接地短路 33 01KK ZZ )1( 0 )1 . 1( 0KDKD II )8027.67(24070 3/115 2 3301 )1 . 1( 00 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得， 满足灵敏度要求KAII opK 7272 . 0 3 3 . 0 0 3 %15%68.34 3 k 根据（1） 、 （2） ，最小运行方式为：、运行1G1T3T 保护 3 的 I 段最小可以保护线路 CD 全长的 34.68% 2.1.3 动作时间的整定 因为零序电流 I 段是无时限零序电流保护，不必加延时元件， 所以其整定的动作延时为 0 即，保护 1、2、3 的动作时间：sttt I op I op I op 0 321 本科生课程设计（论文） 14 2.2 零序电流零序电流段整定计算 保护 1 的段与保护 2 的 I 段配合 ，保护 1 的分支系数 1min I 2 . 0 II 1 . 0 / bop II relop kIKI5 . 2 30 75 0 0 1min AB BC b I I k KAI op 626 . 0 5 . 2/422 . 1 1 . 1 II 1 . 0 灵敏度校验：最小运行方式为、运行1G1T3T4T 流过保护 1 的最小零序电流 KA ZZZZ ZZ II TTABT TT KB 2096 . 0 4301 43)1( 0min0 不满足灵敏度要求3 . 1005 . 1 626 . 0 2096 . 0 33 1 . 0 min0 1 II op II sen I I K 所以，保护 1 的段与保护 2 的段配合 ，保护 2 的分支系数 1min II 2 . 0 II 1 . 0 / bop II relop kIKI1 2min b k KAkIKI bop II relop 80 . 0 1/7272 . 0 1 . 1/ 2min I 3 . 0 II 2 . 0 KAI op 352 . 0 5 . 2/80 . 0 1 . 1 II 1 . 0 满足灵敏度要求3 . 179 . 1 352 . 0 2096 . 0 33 1 . 0 min0 1 II op II sen I I K 所以，保护 1 的段动作电流：KAI op 352 . 0 II 1 . 0 保护 1 的段动作时间与保护 2 的段动作时间配合： stttttt I op II op II op 0 . 15 . 05 . 00 321 2.3零序电流零序电流段整定计算 保护 1 的段与保护 2 的段配合 KAkIKI bop III relop 352 . 0 5 . 2/80 . 0 1 . 1/ 1min II 2 . 0 III 1 . 0 灵敏度校验：最小运行方式为、运行1G1T3T4T 作为近后备： 满足灵敏度要求3 . 179 . 1 352 . 0 2096 . 0 33 1 . 0 min0 1 III op BIII sen I I K 作为远后备： 满足灵敏度要求2 . 173 . 2 352 . 0 320 . 0 33 1 . 0 min0 1 III op CIII sen I I K 本科生课程设计（论文） 15 已知母线 D 零序过电流保护动作时限为 0.5s 所以保护 1 的段零序电流保护的动作时间与保护 2 的段动作时间配合： stttttt II op II op III op 5 . 15 . 05 . 05 . 0 321 第 3 章 零序保护原理图的绘制与动作过程分析 如图 3.1 所示是零序保护原理图： 图 3.1 三段式零序电流保护原理图 以保护 1 为例，三段式零序电流保护的展开图如图 3.2 所示其中为交流回路， 图 3.3 为直流回路，图 3.4 为信号回路。 图 3.2 三段式零序电流保护展开图交流回路 图 3.3 三段式零序电流保护展开图直流回路 本科生课程设计（论文） 16 图 3.4 三段式零序电流保护展开图信号回路 各保护的动作过程分析： 以线路 AC 为例，如图所示 已知各保护的保护范围： 1QF：I 段 AM，段 AP，段 C 母线以后 2QF：I 段 BN，段、段 C 母线以后 3QF： C 母线以后 （1）故障发生在 AM 间时,由 1QF 的 I 段切除故障 动作的继电器： 1QF：1KA、KM、1KS、2KA、3KA 2QF、3QF：不动作 （2）故障发生在 MB 间时,由 1QF 的段切除故障 动作的继电器： 1QF： 2KA、1KT、2KS、3KA 2QF、3QF：不动作 （3）故障发生在 BP 间时,由 2QF 的 I 段切除故障 动作的继电器： 1QF：2KA、3KA 2QF：1KA、KM、1KS、2KA、3KA 3QF：不动作 （4）故障发生在 PN 间时,由 2QF 的 I 段切除故障 动作的继电器： 2QF：1KA、KM、1KS、2KA、3