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2013011983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1摘 要 .1第 1 章、概述 .21.1距离保护配置 .21.1.1主保护配置 .21.1.2后备保护配置 .31 2 零序保护配置 .41.2.1零序电流 I 段（速断）保护 .41.2.2零序电流 II 段保护 .5第 2 章、系统分析 .52.1故障分析 .52.1.1故障引起原因 .52.1.2故障状态及其危害 .52.1.3短路简介及类

2、别 .62.2输电线路保护主要形式 .7（ 1）电流保护 .7（ 2）低电压保护 .7（ 3）距离保护 .7（ 4）差动保护 .72.3对该系统的具体分析 .82.3.1对距离保护的分析 .82.3.2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 .142.4.3结论 .202.5原理图及动作分析 .202.5.1原理图 .202.5.2动作分析 .22第 3 章、总结 .221第 4 章、参考文献232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

3、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 MATLAB 建模仿

4、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；1第 1 章、概述1.1 距离保护配置主保护配置距离保护的主保护是距离保护段和距离保护段。（1）距离保护第段线路 AB 正序阻抗ZABZ1 LA B =0.4× 60=24线路 BC 的正序阻抗ZB CZ1LB C =0.4× 40=16保护 1、2 的距离保护段Zset.1,2Krel Z AB =0.85× 24=20.4保护 3、4 的距离保护段Zset.3,4Krel ZBC =0.85× 16=13.6（2）距离保护段整定计算1）按与相邻线路距离保护段配合整定为保证在下级线路上发

5、生故障时， 上级线路保护处的保护段不至于越级跳闸所以其段的动作范围不应该超出下级线路段的动作范围。 考虑分支电路的影响，可按下式进行整 Z II set.1K IIrel (Z ABK b.min Z I set.2 )式中， K IIrel 为可靠系数，取 0.8；为确保在各种运行方式下保护1 的段范围不超过保护 2 的段范围，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

6、阻抗为ZT，则起动阻抗整定为 Z II set.1K II rel ( ZABK b.minZt )当被保护线路末端母线上既有出线又有变压器时，距离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2t II 1t I 2t(1.5)4）灵敏度校验距离保护段， 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 的距离段来看，在本线路末端短路时其测量阻抗为ZAB ，因此灵敏系数为一般要求，若不满足要求， 则距离保护段应与相邻元件的保护段相配合，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

7、满足要求时，则距离保护段应与相邻元件的保护段相配合，进一步延伸保护范围，并延长动作时限。保护动作时间：距离段与段联合工作构成本线路的主保护。后备保护配置（1）距离保护第 III 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且母线电压最低时，负荷阻抗最小，如ZL.minU L.minU L.max3.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ZsetIII.1ZL.minK rel K ssK re cos( setL )式中 Zse

8、t.1III为保护 1 距离 III 段的整定阻抗；K rel 为可靠系数。取 K rel 1.2 ， K ss 1.2 ， K re 1.2 和 set75o ， 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K sen (2)ZZ ABKset .11 b . maxZ next（3）动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 t。1 2 零序保护配置零序电流

9、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K3 I ，引入可靠系数为rel =1.2I set.1 = K rel3I （ 1.12）4零序电流 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，其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 1.15K relI set.4K4.b .minI set.22）灵敏度校验应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来校验，并满足K re3I 0.4 min>=1.5I s

10、et.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）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

11、于发热和电动力的作用，引起它们的损坏5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。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

12、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，此时故障点处两接地相的电压都为零。6四、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

13、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%范围内变化，且靠近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

14、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，其值较小，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

15、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。72.3 对该系统的具体分析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，距离保护的主保护是距离保护段和距离保护段。 距离保护第段， 装设距离保护第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、段的后备保护。为了快速

16、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、段选择具有方向特性的距离保护，段具有偏移特性的距离保护。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、

17、4 对应，保护 2、 3 对应，对于保护2、3 只有零序保护段，对于保护1、4 有零序保护段和段。2.4 整定计算距离保护的整定计算线路 AB 正序阻抗ZABZ1 LA B =0.4× 60=24线路 BC 的正序阻抗ZB CZ1LB C =0.4×40=168保护 1、2 的距离保护段Zset.1,2Krel Z AB =0.85× 24=20.4保护 3、4 的距离保护段Zset.3,4Krel ZBC =0.85× 16=13.6时间： t=0 s(一 )保护 1 距离保护段的整定与相邻下级最短线路的保护3段相配合时，有Zset.1Krel (Z

18、ABK1b.min Zset.3 )=0.8×（ 24+1×13.6） =30.082. 当与相邻变压器的快速保护相配合时，有Zset.1K rel ( ZABK1b.min Zt )=0.75×（ 24+1× 15）=31.2取较小者为段整定值，即Zset.1 =30.08效验：按本线路末端短路求灵敏系数为：满足要求动作延时为： 0.5s(二 )保护 2 距离保护段的整定1.按躲开最小负荷阻抗整定ZL.minU L.min = 0.9110 =190.5330.3U L.max效验：按本线路末端短路求灵敏系数为9K sen(1)Zset.1155.93

19、满足要求Z AB=6.501.524动作延时为：错误！未找到引用源。(三 )保护 3 距离保护段的整定效验：按本线路末端短路求灵敏系数为满足要求动作延时为：(四 )保护 1 距离保护段的整定按躲开最小负荷阻抗整定U L.min0.9110ZL.min=190.53U L.max30.3继电器取相间接线方式的方向阻抗继电器，,效验按本线路末端短路求灵敏系数为K sen(1)155.93 =6.501.5满足要求Zset.1Z AB24相邻元件末端短路时的灵敏系数为10满足要求满足要求动作延时为：(五 )保护 4 距离保护段的整定1. 与相邻下级最短线路的保护 2 段相配合时，有Zset.4Kre

20、l ( ZBCK 4b .min Zset.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Zset.4 K rel ( ZBC K 4b.min Zt ) =0.8×（ 16+15）=24.81取较小者满足要求动作延时为：(六 )保护 4 距离保护段的整定效验：111按本线路末端短路求灵敏系数为满足要求2.相邻元件末端短路时的灵敏系数为满足要求满足要求动作延时为：（七）动作特性曲线1 段12段1A2B3C4段项目整定值时限灵敏度是否满足s要求保护 1、2- 20.40rel满足段K =0.8513保护 1- 段 30.0811.

21、2533333满足保护 1- 段 155.304516.5 、4.13 、满足3.98保护 2- 段 155.30450.56.5满足保护 3- 段 155.30450.511.42满足保护 3、4- 13.60Krel =0.85满足段保护 4- 段 24.811.55满足保护 4- 段 155.304519.7065 、4.13 、满足5.009823零序保护的整定计算一.接地短路(a)正序等值图B X1.BCX1.T3X1.G3CEAX1.G1X1.T1X1.ABX1.T 4X1.G4EX1.T5EX1.T 2X1.G2EX1.T6(b)负序等值图B X2.BCC X2.T3X2.G3X

22、2.G1X2.T1AX2.ABX2.T4X2.G4X2.T5X2.G2X2.T2X2.T6(c)零序等值图14XXB X 0.BCCA0.T1X 0.ABX 0.T4X 0.T50.T 2X 0.T6(一 )单相接地短路复合序网保护1：15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16故，流过保护 1，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：BI BCMI ABMX1MI A'BMX2BC 段故障时变压器助增作用17BIABMICBMMX1X2AB 段故障时变压器助增作用IC'BM当一台发电机运行时 X1 最大，

23、X1max=30+72=102 当两台发电机运行时 X1 最小， X1min=15+72=87当 T5，T6 只有一台运行时 X2 最大， X2max=40 当 T5，T6 两台同时运行时 X2 最小， X2min=20 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当两台发电机运行时X1 最小， X1min=48+15=63当 T5，T6 只有一台运行时 X2 最大， X2max=40 当 T5

24、，T6 两台同时运行时 X2 最小， X2min=20 所以， K4.BMAX=1+X1.max/X2.min=1+78/20=4.9 K4.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，18单相接地短路时，流过保护 2 电流，两相接地短路，整定值时限是否满足项目S灵敏度KA要求保护 1-0.853201.2满足段保护 1-11.1190.565不满足段保护 2-01.21.012满足段保护 3-1.55901.2满足段保护

25、4-01.21.203满足段保护 4-12.070.452满足段19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

26、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，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。

27、2.5 原理图及动作分析原理图（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20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

28、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（零序段有，由KA1 、 KM 和 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3Iom 的 1.3 倍，保护范围不小于线路全长的15%25%。零序段（由 KA3 、KT4 和 KS8 构成）的整定电流，一般取下一级线路的零序段整定电流的1.2 倍，时限 0.5s，保证在本线末端单相接地时，可靠动作。零序段（由 KA5 、KT6 和 KS9 构成）的整定电流可取零序（或）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 瞬时动作，通过继电器 KA 和 KW 的触点串联把直流电源的正极加到阻抗继电器KR1 、KR221