110KV系统接地保护的设计

1、武汉理工大学电力系统继电保护及其自动化课程设计110KV系统接地保护的设计1 继电保护1.1介绍原理1.1.1基本概念继电保护是研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以沿称继电保护。其基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。1.1.2继电保护分类继电保护可以按以下4种方式分类。（1）按被保护对象分类。有输电

2、线路保护和主设备保护（如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护）。（2）按保护功能分类。有短路故障保护和异常运行保护。前者又分为主保护、后备保护和辅助保护；后者又分为过负荷保护、低频保护、非全相运行保护等。（3）按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类，有模拟式保护和数字式保护。一切电机型、整流型、晶体管型和集成电路型保护装置，属模拟式保护；采用微处理机和微型计算机的保护装置，这是数字式保护。（4）按保护动作原来分类。有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、高频（载波）保护等。1.2接地短路1.2.1基本概念短路是指电源的相线和中性线或者相线之间无负载或无阻

3、抗连接。接地短路是指用电器件或者线路经由接地产生的短路现象。在电源端中性线接地的系统（即TT、TN等T系统）中，线路中相线因为裸露、受潮、绝缘损坏、碰壳等事故使得用电器件可导电外壳或其他金属器件带电，而此类器件又经与地连接做有接地保护。此时电流经过相线-外壳-接地线-大地-电源中性线接地线-电源中性线，形成短路回路，接地短路出现。接地短路是电力系统中架空线路上出现最多的一类故障，尤其是单相接地短路故障占所有故障的90左右。完全星形接线的相间电流电压保护对于大地电流系统中的单相接地短路，可能会不满足灵敏性要求，因此，必须装设专门的接地短路保护。反映接地短路保护主要有反映零序电流、零序电压和零序功

4、率方向的电流电压保护，接地距离保护及纵联保护等。1.2.2继电保护的配置方式对于单回线路接地短路，可装设带方向性或不带方向性的多段式零序电流保护，在终端线路，保护段数可适当减少。对环网或电网中某些短线路，宜采用多段式接地距离保护，有利于提高保护的选择性及缩短切除故障时间。对于平行线路的接地短路，一般可装设零序电流横差动保护作为主保护；装设接于每一回线路的带方向或不带方向元件的多段式零序电流保护作为后备保护。1.3 零序电流保护1.3.1基本概念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。在电缆线路上都采用专门的零序电流互感器来实现接地保护。中性点直接接地系统发生接地短路，将产生很

5、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。零序过流保护部反应三相和两相短路，在正常运行哦那个和系统发生震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。中性点直接接地系统中发生接地短路，将产生很大的零序电流分量，利用零序电流分量构成保护，可作为一种主要的接地短路保护。因为它不反映三相和两相短路，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

6、。另一方面，零序电流保护仍有电流保护的某些弱点，即它受电力系统运行方式变化的影响较大，灵敏度将因此降低；特别是在短距离的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。当零序电流保护的保护效果不能满足电力系统要求时，则应装设接地距离保护。接地距离保护因其保护范围比较固定，对本线路和相邻线路的保护效果都会有所改善。零序电流保护接于电流互感器的零序电流滤过器，接线简单可靠，零序电流保护通常由多段组成，一般是三段式，并可根据运行需要而增减段数。为了适应某些运行情况的需要，也可设置两个一段或二段，以改善保护的效果。

7、1.3.2计算方式根据接地短路故障的计算方法可知，接地短路是相当于在正序网络的短路点增加额外附加电抗的短路。这个额外附加电抗就是负序和零序综合电抗。各序的电流分配，只决定该序网中各只路电抗的反比关系；而各序电流的绝对值要受其它序电抗的影响。计算分支零序电流的分布时，例如：计算电流分支系数，只须研究零序序网的情况；当要计算零序电流绝对值大小时，必须同时分析正、负、零三个序网的变化。零序电压的特点，类似零序电流的情况。零序电压分布在短路点最高，随着距短路点的距离而逐渐降低，在变压器中性点接地处为零。在电力系统架空线路上，零序电流一般用零序电流滤过器获得。当架空线路发生接地故障时，零序电流滤过器将输

8、出，电力系统中获取零序电压的方法一般有以下几种：将三个单相电压互感器的副方绕组接成开口三角形绕组来获取，将三相五柱式电压互感器的二次绕组接成开口三角形绕组来获取，将电源中性点的电压互感器或消弧线圈接地，再在副方绕组中获取零序电压，利用加法器来获得零序电压。此外，利用对称分量滤过器也可以得到保护中常用到的各种序分量，包括零序电流、零序电压分量。1.4 变压器中性点接地1.4.1中性点接线方式变压器中性点接地方式与电网的安全运行有密切关系。在系统正常运行时，中性点对地电压为零，接地方式对系统没有影响。当发生一相接地或人身触电事故时，各种接地方式的差别就出现了。那么，采用哪种方法最佳，是值得讨论的问

9、题。变压器中性点接线方式一般分为以下五种：（1） 中性点不接地方式；（2） 中性点经高电阻接地方式；（3） 中性点直接接地方式；（4） 中性点经低电阻接地方式；（5） 中性点经消弧线圈接地方式；1.4.2中性点接线原则系统中变压器中性点是否接地运行的原则是，应尽量保持变电所零序阻抗基本不变，以保持系统中零序电流的分布不变，并使零序电流电压保护具有足够的灵敏度和变压器不致于产生过电压危险。一般变压器中性点接地有如下原则：（1）电源端的变电所只有一台变压器时，其变压器中性点应直接接地运行。（2）变电所有两台及以上变压器时，应只将一台变压器中性点直接接地运行，当该变压器停运时，再将另一台中性点不接地

10、变压器改为中性点直接接地运行。若由于某些原因，变电所正常运行下必须有两台变压器中性点直接接地运行，则当其中一台变压器停运时，应将第三台变压器改为中性点直接接地运行。（3）双母线运行的变电所有三台及以上变压器时，应按两台变压器中性点直接接地的方式运行，并把它们分别接于不同的母线上。当其中一台中性点直接接地的变压器停运时，应将另一台中性点不接地变压器改为中性点直接接地运行。（4）低电压侧无电源的变压器中性点应不接地运行，以提高保护的灵敏度个简化保护接线。（5）对于其它由于特殊原因不满足上述条件规定着，应按特殊情况临时处理，例如，可采用改变保护定植，停用保护或增加变压器接地运行台数等方法进行处理，以

11、保证保护和系统的正常运行。2计算原理2.2保护段的整定计算2.2.1电流速断保护工作原理对于反应于短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护，称为电流速断保护。为了保证其选择性，一般只能保护线路的一部分。为了解决这个矛盾可以有两种办法。通常都是优先保证动作的选择性，即从保护装置启动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不启动，在继电保护技术中，这又称为按躲开下一条线路出口处短路的条件整定。另一种办法就是在个别情况下，当快速切出故障是首要条件时，就采用无选择性的速断保护，而以自动重合闸来纠正这种无选择性动作。对反应电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置启动的最小电流值称为保护装置的整定电流，

12、以表示，显然必须当实际的短路电流>时，保护装置才能动作。保护装置的整定电流，是用电力系统一次侧的参数表示的，所代表的意义是：当在被保护线路的一次侧电流达到这个数值时，安装在该处的这套保护装置就能够动作。2.2.2零序电流保护段的整定（1）按躲开本线路末端接地短路的最大零序电流整定，即 (1)式中， 可靠系数，取1.21.3；计算时取1.3线路末端接地短路时流过保护的最大零序电流。（2）零序电流保护段的保护最小保护范围亦要求不小于本保护线路长度的15%。（3） 整定的动作延时为0。2.3保护段的整定计算2.3.1限时电流速断保护工作原理由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此可

13、考虑增加一段带时限动作的保护，用来切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时也能作为速断保护的后备，这就是限时电流速断保护。对这个保护的要求，首先是在任何情况下能保护本线路的全长，并且具有足够的灵敏性；其次是在满足上述要求的前提下，力求具有最小的动作时限；在下级线路短路时，保证下级保护优先切除故障，满足选择性要求。2.3.2零序电流保护段的整定此段保护按满足以下条件整定：（1）按与相邻下一级线路的零序电流保护段配合整定，即 （2）式中 ， 可靠系数，取1.2。 分支系数，按实际情况选取可能的最小值； 相邻下一级线路的零序电流保护段整定值。 （2）当按此整定结果达不到规定灵敏系数时，可改为与相邻下

14、一级线路的零序电流保护段配合整定： （3）（3）零序段的灵敏度校验： 1.31.5 (4)（4）保护段的动作时间： 当动作电流按式（2-3-1）计算时，；当动作电流按式（2-3-2）计算时，。2.4保护段保护的整定计算2.4.1无时限过电流保护工作原理作为下级线路主保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，也作为过负荷时的保护，一般采用过电流保护。过电流保护通常是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的保护，当电流的幅值超过最大负荷电流值时启动。过电流保护有两种：一种是保护启动后出口动作时间是固定的整定时间，称为定时限过电流保护；另一种是出口动作时间与过电流的倍数相关，电流越大，出口动作越快，称为反

15、时限过电流保护。过电流保护在正常运行时不启动，而在电网发生故障时，则能反应于电流的增大而动作。在一般情况下，它不仅能够保护本线路的全长，而且保护相邻线路的全程，可以起到远后备保护的作用。为保护在正常情况下各线路上的过电流保护绝对不动作，显然保护装置的启动电流必须大于该线路上出现的最大负荷电流；同时还必须考虑在外部故障切除后电压恢复，负荷自启动电流作用下保护装置必须能够返回。其返回电流应大于负荷自启动电流。一般考虑后一种情况，往往为保证可靠返回从而决定启动电流。2.4.2零序电流保护段保护的整定此段保护一般是起后备保护作用。段保护通常是作为零序电流保护段保护的补充作用。零序电流保护段保护按满足以

16、下条件整定：（1）按躲开下一条线路出口处发生三相短路时，流过保护装置的最大不平衡电流来整定 (5)式中， 可靠系数，取1.25。 最大不平衡电流。 其中 (6)式中， 非周期分量系数，取12； 电流互感器的同性系数，取0.5； 电流互感器的10%误差，取0.1； 本线路末端三相短路的最大短路电流。（2）零序段的灵敏度校验： 当作为近后备保护时， 1.31.5 (7)当作为远后备保护时， 1.2 (8)式中， 本线路末端短路时在最小方式运行下的最小零序电流。 下一级线路末端短路时在最小方式运行下的最小零序电流。 最大分支系数。（3）零序电流保护段的动作时间：时限的确定:对于环型网络,若按阶梯原则

17、与相邻线路配合时,会产生断路器误动的现象因此应找出解环点所以必须选出某一线路的保护段与其相邻的保护段配合此即环网保护段的动作时限的起始点，此起始点的选择原则是：应考虑尽可能使整个环网中保护三段的保护灵敏度较高。3设计过程系统运行图如图1所示。图1 系统运行图3.1 无时限零序电流保护无时限零序电流保护应躲过相邻的下一线路出口，即本线路末端（亦即图中B点）单相或亮相接地短路时可能出现的最大3倍零序电流，即：（1）对于AB线路，应躲过B点的最大3倍零序短路电流3： 由于，因此当出现单相接地短路故障时零序电流有最大值。 = kA =0.428 kA = KA = 1.541 kA灵敏度校验：设保护范

18、围为L，则有： 1.541= L=70.22% > 15 % ，满足灵敏度的要求。 （2）对于BC线路，应躲过C点的最大3倍零序短路电流3： 由于，因此当出现单相接地短路故障时零序电流有最大值。 = kA =0.271 kA = KA =0.976kA灵敏度校验：设保护范围为L，则有： 0.976= L=32.57 % > 15 % ，满足灵敏度的要求。 （3）对于BC线路，应躲过D点的最大3倍零序短路电流3： 由于，因此当出现单相接地短路故障时零序电流有最大值。 = kA =0.143 kA = kA = 0.515kA灵敏度校验：设保护范围为L，则有： 0.515= L=78.

19、77 % > 15 % ，满足灵敏度的要求。 3.2 带时限零序电流保护当AB线路的段保护应与相邻下一线路（即BC线路）的零序电流保护段配合，即其中，=设发电机至母线A的等效零序阻抗为，B母线经变压器到地的零序等效阻抗为，则=由上式可以看出，当取最小值，取最大值时，即在最大运行方式下，单台变压器中性点接地运行时，有最小值。此时，=，=，如图2所示。图2 最大运行方式下单台变压器中性点接地运行零序等值网络图=2.01= kA = 0.676 kA灵敏度校验：而在最小运行方式下发生接地短路时，AB线路末端零序短路电流有最小值。此时，由于<，因此在最小运行方式下发生单相接地短路时零序电流

20、最小。 = kA=0.246 kA = =1.39 > 1.3 满足灵敏度的要求。= 1.0 s3.3 零序过电流保护 按躲开下一条线路出口处发生三相短路时，流过保护装置的最大不平衡电流来整定： =当在最大运行方式下B母线处发生三相短路时，= kA =1.33 kA= 1.2×1.5×0.5×0.1×1.66 kA = 0.15 kA灵敏度校验：=7.8 > 1.5 近后备=5.1 > 1.3 远后备=+t4 110kV电网的保护装置与自动装置4.1 一般装设规定在电力系统中，应按照DL 755和DL/T 723标准的要求，装设安全自动

21、装置，以防止系统稳定破坏或事故扩大，造成大面积停电，或对重要用户的供电长时间中断。电力系统安全自动装置，是指在电力网中发生故障或出现异常运行时，为确保电网安全与稳定运行，起控制作用的自动装置。如自动重合闸、备用电源或备用设备自动投人、自动切负荷、低频和低压自动减载、电厂事故减出力、切机、电气制动、水轮发电机自起动和调相改发电、抽水蓄能机组由抽水改发电、自动解列、失步解列及自动调节励磁等。安全自动装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。4.2全线速动保护装置110kV双侧电源线路符合下列条件之一时，应装设一套全线速动保护。（1）根据系统稳定要求有必要时；（2）线路发生三相短路，如使发电厂

22、厂用母线电压低于允许值（一般为60%额定电压），且其他保护不能无时限和有选择地切除短路时；（3）如电力网的某些线路采用全线速动保护后，不仅改善本线路保护性能，而且能够改善整个电网保护的性能。4.3其他保护装置（1） 对多级串联或采用电缆的单侧电源线路，为满足快速性和选择性的要求，可装设全线速动保护作为主保护。（2） 10kV线路的后备保护宜采用远后备方式。（3）单侧电源线路，可装设阶段式相电流和零序电流保护，作为相间和接地故障的保护，如不能满足要求，则装设阶段式相间和接地距离保护，并辅之用于切除经电阻接地故障的一段零序电流保护。（4）双侧电源线路，可装设阶段式相间和接地距离保护，并辅之用于切除

23、经电阻接地故障的一段零序电流保护。（5）对带分支的110kV线路，可按4.6.5的规定执行。5 二次回路的设计5.1 二次回路概述 二次回路是指用来控制、指示、监测和保护一次电路运行的电路。二次回路又称二次系统。按功能二次回路可分为断路器控制回路、信号回路、保护回路、监测回路和自动化回路，为保证二次回路的用电，还有相应的操作电源回路等。 5.2二次回路设备的要求二次回路的工作电压不宜超过250V，最高不应超过500V。互感器二次回路连接的负荷，不应超过继电保护和安全自动装置工作准确等级所规定的负荷范围。在绝缘可能受到油浸蚀的地方，应采用耐油绝缘导线。保护和控制设备的直流电源、交流电流、电压及人

24、信号引入回路应采用屏蔽电缆。在安装各种设备、断路器和隔离开关的连锁接点、端子排和接地线时，应能在不断开3kV及以上一次线的情况下，保证在二次回路端子排上安全地工作。发电厂和变电所中重要设备和线路的继电保护和自动装置，应有经常监视操作电源的装置。各断路器的跳闸回路，重要设备和线路的断路器合闸回路，以及装有自动重合装置的断路器合闸回路，应装设回路完整性的监视装置。 在可能出现操作过电压的二次回路中，应采取降低操作过电压的措施。在有振动的地方，应采取防止导线接头松脱和继电器、装置误动作的措施。5.3二次回路的设置在电压互感器二次回路中，除开口三角线圈和另有规定者(例如自动调整励磁装置)外，应装设自动

25、开关或熔断器。接有距离保护时，宜装设自动开关。电压互感器的二次回路只允许有一点接地，接地点宜设在控制室内。独立的、与其他互感器无电联系的电压互感器也可在开关场实现一点接地。为保证接地可靠，各电压互感器的中性线不得接有可能断开的开关或熔断器等。来自电压互感器二次的四根开关场引出线中的零线和电压互感器三次的两根开关场引出线中的N线必须分开，不得共用。6 AB线路接地保护6.1 AB线路接地保护的原理图 AB接地保护三段式零序保护原理框图如图3所示。跳闸图3 三段式零序电流保护的原理框图6.2 AB线路接地保护展开图 三段式电流保护电路的原理展开图如图4所示。CABTAa9KA1KA2KA3KA4K

26、A5KA6KA7KA8KATAbTAc交流回路A相B相C相中线（a）交流回路展开图+WC-WC2 KT9 KA6 KA3 KA8 KA5 KA2 KA7 KA4 KA1 KA3 KT2 KS3 KSYRQF1KCO3 KT2 KTKCO1 KS控制第 段第段第段信号回路跳闸回路直流回路（b）直流回路展开图WS3 KS2 KS1 KS信号（c）信号回路图图4 三段式电流保护电路的原理展开图7 小结与体会本次课程设计能够顺利完成离不开吴老师的尽责辅导和同学们的热心帮助。在老师的悉心辅导下，成功的完成了本次设计。在设计过程中，无论是在构思步骤，分析系统网络图，配置保护，还是保护的整定计算和灵敏性校验上，老师和同学都给与了我极大的帮助，在我设计遇到困难无法进行时，给予帮助和引导。本次课程设计的主要内容是对110kV电力系统继电保护的配置。经过对设计要求，设计内容的分