110kV输电线路继电保护设计

1、皴M辘源多饶Yinchuan Energy Institute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：李莉日 期：2016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埋设计题目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容容难易性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110

2、kV 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与零序电流保护，距离保护又分为相间距离保护与接地距离保护，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。1 110kV 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 32

3、110kV 输电线路保护 52.1 110kV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 72.2 110kV输电线路的保护原理 1.02.2.1 距离保护的特点及基本原理1. 02.2.2 零序电流保护的特点及优缺点 113 实际案例分析1.3.4 结论1.5.参考文献 1.6.1 110kV 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：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

4、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。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。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。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

5、的正常运行，也可能造成严重的事故。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与避雷线之间短路故障。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。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

6、路。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：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。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。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。破坏电力系统中各发电厂之间并列运行的稳定

7、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

8、是相序（ 时间）不同。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。图1单相接地短路两相短路（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。图3两相短路接地二相对称短路（如图4所本）三

9、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2 110kV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变电所与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与系统间的联络线。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与零序电流保护，距离保护 又分为相间距离保护与接地距离保护，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

10、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。2.1 110kV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?(?0?.80.85)，保护P1 的 I段整定阻抗一次值为：?= ?u?式中各量定义低?1保护pi的i段整定阻抗；?被保护线路的阻抗；?仍可靠系数，一般取0.80.85。距离

11、I段的整定只能保护本线路全长的80%85%。距离保护H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？?(?一般取0.8),保护P1的II段整定阻抗？图旃:?1 ?(?+ ?)?式中？?衿保护P1的II段整定阻抗；?加可靠系数，一般取0.8 ;?广相邻线路的I段整定阻抗；保护动作时间整定：?=?+ ?12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n保护装置的动作阻抗?保护范围内发生的金属性+短路时故障

12、阻抗的计算值距离保护田段整定计算：田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田段时间有相同 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，并与相邻线路零序电流速断保护相配合，带有 0.5s延时，它与 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

13、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。?A?我大3修？ ?零序电流I段保护（零序电流速断保护）为保证选择性, 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 即做?= ?；?3能?式子中?，可靠系数，取1.21.3.?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够?即? ? = ? ?3?ooooo0? 式子中？?可靠系数，取1.11.2。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3？0？.？。？若3?> ?携上述原则整定），则保护将要误

14、动作。若按3?%?整定，则动作电流过大，使保护范围缩小，不能充分发挥零序 I 段的作用。此时，应设置灵敏度不同的零序电流速断保护。灵敏的I段：？?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。单相自动重合闸启动时（即开始切除单相接地故障时）将其自动闭锁，待恢复全相运行时再重新投入。不灵敏的 II 段：其整定原则为? ?3?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

15、要小。零序电流II 段即限时零序电流速断保护， 其整定原则与相间短路的限时电流速断保护相似，即考虑与下一条线路的零序I段保护相配合，n 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?0?.?=1 ?00?.?2式子中？意?2相邻线路保护零序I段整定值，如有多条相邻线路，则取最大值;?说可靠系数，一般取1.1.?r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？1? = 0.5s。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

16、来校验。要求？?> 1.31.5,即?3?0.?n?”“?1当灵敏度不能满足要求时，可与相邻线路零序电流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，动作时间应当与相邻线路 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 ?即? ?北?.?式子中?本线路末端三相短路时流过本保护的最大不平衡电 流;?

17、可靠系数，一般取1.21.3。最大不平衡电流按下式计算:?.?=? ? ?.?式子中？?仍非周期分量系数，t=0时取1.52, t=0.5s时取1;?犷TA同型系数。TA型号相同时取0.5、型号不同时取1;?亍TA误差,取0.1s;?）?本线路末端三相短路时流过本保护的最大短路电流。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。动作时间与相间电流保护 III 段的整定原则相同。2.2 110k

18、V 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

19、，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 与电流保护类似。距离保护由起动元件、测量元件与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，它可与零序电 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

20、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。它与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 57A,而零序过电流保护 则按照躲开不平衡电流的原则整

21、定，具值一般为23A,由于发生单相接地短路时，故障相的电流与零序电流 31。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，Xo= (23) Xi,故障线路始端与末端短路时，零 序电流变化显著，曲线较陡，因此零序I段保护的保

22、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

23、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，并将增大零序田段的保护动作时间。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）R、P2,已知线路阻抗为ZM=4.4+j11.9

24、; P2的一 次整定阻抗为：？±2 =3.6 Q, 0s; ?盘=11 Q, 0.5s ; ?et2 =114Q,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？?o.max=40。； 1100 1TV 电压比？?V =,？?荷？?V= 1100kV , TA 电流比？?A = 600?5?= 120。试整定距离保护R的I、II段的二次整定阻抗、灵敏度角及动作时 间。110 kV图5解：距离保护R的整定：线路阻抗 ZMN=4.4+j11.9=12.68 /69.7 。最灵敏角（整定阻抗角）为线路阻抗角，即？?印=? = 69.7。I段整定阻抗小于线路阻抗，可靠系数取0.8, 一、二次值为：一次：？£t1 =0.8X12.68M10.144Q set1二次：？?Lt = ?et1 x-= 10.144 X/ Q= 1.1 Qn段与保护2的I段配合，整定阻抗一次值为：?% = ?（?徐 + ?.min?%）= 0.8X（12.68+1 X3.6）Q =13.024 Qn灵敏