1、2015年度本科生课程论文（设计）110KV电网的零序保护院 系： 工学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2012级 学生姓名： 学 号： 导师及职称： 华静 2015年7月摘要电力作为当今社会的重要能源，对国民经济的发展和人民生活水平的提高起着不容忽视的重要作用。电力系统是由电能的产生，输送，分配和使用四个环节共同组成的一个系统。基于电力在现代社会中的重要性，则对电力的维护就显得格外重要。而对电力维护起重要作用的继电保护，则是电力系统能否正常工作的关键。电力系统继电保护技术作为一种主要的保护手段，有利于提高了系统运行的可靠性。因此，研究电力继电保护技术的现状与发展具有十分重要的现实
2、意义。鉴于此，对电力系统继电保护技术的现状与发展进行了初步探讨。电力系统继电保护技术的发展主要呈现两个方面的特征，一方面是我国电力系统继电保护技术起步较晚，发展迅速；另一方面是指微型继电，不断发展。电力系统正常运行时是三相对称的，其零序、负序电流值理论上是零。多数的短路故障是不对称的，其零、负序电流电压会很大，利用故障的不对称性可以找到正常与故障的区别，并且这种差别是零与很大值得比较，差异更为明显。所以零序电流保护被广泛的应用在110kV及以上电压等级的电网中。 继电保护的任务就是在系统运行过程中发生故障（三相短路，两相短路，单相接地等）和出现不正常时（过负荷，过电压，低电压等），能够自动，迅
3、速，有选择且可靠的发出跳闸命令将故障切除或发出各种相应的信号，从而减少故障和不正常现象所造成的停电范围和电气设备的损坏程度，保证电力系统安全稳定的运行。关键词：继电保护；零序电流保护；零序电流目录引言1 设计任务11.1 设计原始资料11.2 设计任务11.3 设计题目分析11.4 保护的配置22 绪论32.1 继电保护的概念32.2 继电保护的基本任务32.3 继电保护装置的特性32.4 电网零序保护43 零序保护整定计算53.1 零序电流的获取53.2 电网系统电路图以及短路时的序网图53.3 电网零序段保护的整定63.3.1 保护1、4的段（速断）保护整定63.3.2 保护2段（速断）保
4、护的整定93.3.3 保护3段（速断）保护的整定113.4 电网零序段保护的整定143.4.1 保护1段整定计算143.4.2 保护4段整定计算153.4.3 保护2、3的段整定163.5零序段的整定计算163.5.1 保护3段的定值163.5.2 保护1段的定值163.5.3 保护2段的定值173.5.4 保护4段的定值173.6 零序保护方向元件184 零序保护的评价194.1零序保护的优点194.2 零序保护的缺点205 结论21附录22参考文献23引言随着自动化技术的发展，电力系统的正常运行，故障期间以及故障后的恢复过程中，许多控制操作日趋高度自动化。电力系统继电保护一次泛指继电保护技
5、术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统，包括继电保护的原理设计，配置，整定，调试等技术，也包括由获取电量信息的电压，电流互感器二次回路，经过继电保护装置的断路器跳闸线圈的一般套具体设备，如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他形式的能量。在输送电能的过程中,电力系统希望线路有比较好的可靠性,因此在电力系统受到外界干扰时,保护线路的各种继电装置应该有比较可靠的、及时的保护动作,从而切断故障点极大限度的降低电力
6、系统供电范围。电力系统继电保护就是为达到这个目的而设置的。通过此次线路保护的设计可以巩固我们本学期所学的电力系统继电保护这一课程的理论知识，能提高我们提出问题、思考问题、解决问题的能力。电网继电保护的选择原则是：首先满足继电保护的四相基本要求，即选择性，速动性，灵敏性，可靠性。然后，根据各类保护的工作原理，性能并结合电网的电压等级，网络结构及接线方式等特点进行选择，使它们能有机的配合起来，构成完善的电网保护。如果电网保护的不合理，继电保护不仅不能保证电力系统的安全稳定运行，反而成为系统不能安全运行的因素。所以，配置合理的保护方案是十分重要的。在零序保护中应满足以下四个要求，即可靠性，选择性，速
7、动性和灵敏性。这几个之间，紧密联系，既矛盾又统一，必须根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置，配合，整定每个电力原件的继电保护。充分发挥和利用继电保护的科学性，工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性，稳定性和经济性发挥最大效能。这次课程设计以最常见的110KV电网零序电流保护设计为例进行分析设计要求对整个电力系统专业方面的课程有综合的了解。特别是对继电保护，电力系统有一定的掌握。重点进行了零序电流保护的分析，零序电流I段，II段和III段的保护计算。1 设计任务1.1 设计原始资料系统接线图如（1.1），发电机以发电机-变压器组方式接入系统，最大开机方式为4台机全开，最
8、小开机方式为两侧各开1台机，变压器T5和T6可能2台也可能1台运行。参数为：，线路阻抗，。图 1.1 电网电路图1.2 设计任务根据系统的运行要求，对电网中线路上的保护1，2，3，4进行零序保护的设计，要求计算出各段的定值以及校验灵敏度，为保证选择性时，需要加装方向元件。1.3 设计题目分析根据题目可知系统为中性点直接接地系统，当发生故障时，网络中将会出现很大的零序电流，所以利用零序电流来构成接地短路的保护。因此合理配置与正确使用零序保护装置，是保障电网运行地重要条件。从电网安全运行地角度出发，电网对继电保护装置提出了严格地“四性”要求，即选择性、速动性、灵敏性、可靠性；因此，电网中继电保护定
9、值的整定计算工作，一直是继电保护人员的一相重要工作，它直接关系到电网运行的安全，做好这相工作是电网安全运行的必要条件。1.4 保护的配置电网系统中性点直接接地，保护1，4在系统的送电端，采用三段式的零序电流保护，保护2，3只装设段和，当电网中发生故障时，流过保护的短路电流值可能引起保护的误动，因此考虑在保护上加装方向元件，以保证动作的选择性。2 绪论2.1 继电保护的概念当系统一旦发生故障时，保证系统能有选择性的、快速的切除故障的装置，称为继电保护装置；原来实现此功能的装置是由继电器组合来实现的，故称为继电保护装置，而目前继电器已被电子元件及计算机替代，但仍沿用此名称。在电力部门常用继电保护一
10、词泛指机电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。2.2 继电保护的基本任务自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，动作于发信号、减负荷或跳闸。2.3 继电保护装置的特性继电保护装置必须具备以下4个基本性能：可靠性 可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护的最根本的要求。所谓的安全性，是要求继电保护在不需要它动作时不动作，即不发生误动，所谓的信赖性，是要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不发生拒动动作。安全性和信赖性主要取决与保护装置本
11、身的制造质量、保护回路的连接和运行维护的水平。选择性 继电保护的选择性是指保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障从电力系统中断开，最大限度地保证系统中无故障部分仍然能够继续运行。它包含两种意思：其一是只应由装在故障元件上的保护装置动作切除故障；其二是要力争相邻元件的保护装置对它起后备保护的作用。速动性 继电保护的速动性是指尽可能快地切除故障，以减少设备级用户在大短路电流、低电压下运行的时间，降低设备的损坏程度，提高电力系统并列运行的稳定性。灵敏性 是指对于保护范围内发生故障或不正常状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是规定的保护范围内故障时，在系统任意的运行条件下，无论短路点的位置、
12、短路的类型如何，以及短路点是否有过度电阻，当发生短路时都能敏锐感觉、正确反应。2.4 电网零序保护所谓零序保护，是指在大短路电流接地系统中发生接地故障后,就有零序电流，零序电压和零序功率出现,利用这些电气量构成保护接地短路的继电保护装置的统称。三相电流平衡时，没有零序电流，不平衡时产生零序电流，零序保护就是用零序互感器采集零序电流，当零序电流超过一定值（综合保护中设定）,零序保护继电器动作跳闸，断开电路。电力系统正常运行时是三相对称的，其零序、负序电流值理论上是零。多数的短路故障是不对称的，其零、负序电流电压会很大，利用故障的不对称性可以找到正常与故障的区别，并且这种差别是零与很大值得比较，差
13、异更为明显。所以零序电流保护被广泛的应用在110KV及以上电压等级的电网中。3 零序保护整定计算3.1 零序电流的获取为了获得零序零序电流，通常采用三相电流互感器按图3.1（a）接线，此时流入继电器回路中的电流为 （3.1）电流互感器采用三相星形接线方式，在中性线上所有流过的电流就是,因此，在实际的使用中，零序电流过滤器并不需要采用专门的一组电流互感器，而是接入相间保护用的电流互感器的中性线上就可以。（a）接线原理； （b）等效电路图3.1 零序电流过滤器3.2 电网系统电路图以及短路时的序网图电网所有元件全部运行时的正序、负序、零序等值电路图分别如图3.2所示（b）正序等值图（c）负序等值图
14、（d）零序等值图图 3.2 所有元件全运行的等值电路图3.3 电网零序段保护的整定零序电流段（速断）保护按照躲开下级线路出口单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流整定，引入可靠系数，即 （3.2）3.3.1 保护1、4的段（速断）保护整定根据设计要求已知条件可求出线路参数，即，所有元件全运行时，B母线分别发生单相和两相接地：（1）B母线发生单相接地短路故障端口正序、负序阻抗： 。故障端口零序阻抗： 。所以单相接地复合序网等值图如图3.3所示图 3.3 B母线单相接地短路复合序网图故障端口零序电流：，在零序网中按照零序导纳进行分配零序电流，从而可以得到流过保护1、4处的零序电流分别为：，以及
15、流过变压器支路电流。所以可得出单相接地零序电流分布如图3.4所示图 3.4 B母线单相接地短路零序电流分布图（2） B母线发生两相接地短路两相接地短路时故障端口各序阻抗可单相接地相同，即，,则复合序网如图3.5所示图 3.5 B母线两相接地复合序网图所以故障端口正序电流所以故障端口的零序电流同理，在零序网中按照零序导纳进行分配零序电流，从而可以得到流过保护1、4处的零序电流分别为：，以及流过变压器支路电流 。所以可得出两相接地零序电流分布如图3.6所示图 3.6 B母线两相接地短路零序电流分布图根据以上的计算，可以得出在B 母线上发生两相接地短路时流过保护1、4的短路电流最大，所根据式（3.2
16、）可计算出段的整定值，即保护1动作电流：，时限。保护4动作电流：，时限。3.3.2 保护2段（速断）保护的整定所有元件全运行时，A母线分别发生单相和两相接地：（1）A母线发生单相接地短路：所有元件全部运行，根据电网的等值三序图可得故障端口的正序、负序阻抗 。 。则复合序网的等值图如图3.7所示图 3.7 A母线单相接地短路复合序网图故障端口零序电流：在零序网中按照零序导纳进行分配零序电流，从而可以得到流过保护2处的零序电流为：，以及流过变压器的电流。零序电流分布图如图3.8所示图 3.8 A母线两相接地短路零序电流分布图（2） A母线发生两相接地短路：发生两相接地时故障端口各序阻抗可单相接地相
17、同，则复合网络图如图3.9所示图 3.9 A母线两相接地复合序网图所以故障端口正序电流所以故障端口的零序电流同理，在零序网中按照零序导纳进行分配零序电流，从而可以得到流过保护2处的零序电流2为：，以及流过变压器的电流。所以可得出两相接地零序电流分布如图3.10所示图 2.10 A母线两相接地短路零序电流分布图根据以上的计算，可以得出在A 母线上发生两相接地短路时流过保护2的短路电流最大，所根据式（3.2）可计算出段的整定值，即保护2动作电流：，时限。3.3.3 保护3段（速断）保护的整定所有元件全运行时，C母线分别发生单相和两相接地：（1）C母线发生单相接地短路：所有元件全部运行，根据电网的等
18、值三序图可得故障端口的正序、负序阻抗 。 。则复合序网的等值图如图3.11所示图 3.11 C母线单相接地短路复合序网图故障端口零序电流：在零序网中按照零序导纳进行分配零序电流，从而可以得到流过保护3处的零序电流为：，以及流过变压器的电流。零序电流分布图如图3.12所示图 3.12 C母线两相接地短路零序电流分布图（2）C母线发生两相接地短路：发生两相接地时故障端口各序阻抗可单相接地相同，则复合网络图如图3.13所示图 3.13 C母线两相接地复合序网图所以故障端口正序电流所以故障端口的零序电流同理，在零序网中按照零序导纳进行分配零序电流，从而可以得到流过保护1、4处的零序电流分别为：，以及流
19、过变压器的电流。所以可得出两相接地零序电流分布如图3.14所示图 3.14 C母线两相接地短路零序电流分布图根据以上的计算，可以得出在C 母线上发生两相接地短路时流过保护3的短路电流最大，所根据式（3.2）可计算出段的整定值，即保护3动作电流： 时限。3.4 电网零序段保护的整定零序段（限时速断）保护与下一级线路的零序电流速断保护范围相配合，并带有高出一个的时限，以保证动作的选择性。当两个保护之间的变电所母线上接线有中性点接地变压器时，则由于这一分支电路的影响，将使零序电流的分布发生变化，会对网络有助增电流或是外涉电流的影响，因此引入零序电流的分支系数，则零序段的启动电流应整定为 （3.3）3
20、.4.1 保护1段整定计算（1）保护1的分支系数当BC段发生故障时，变压器5、6有助增电流作用，如图3.15所示。对于,当只有一台发电机变压器组运行时最大，有，当有两台发电机变压器组都投入运行时最小，有，对于，当,只有一台运行时最大，有，当,只有两台都运行时最小，因此可以得出保护1的最大分支系数，最小分支系数。（2）保护1段整定值根据式（3.3）以及分支系数的求解可的保护1的整定值，时限。（3）灵敏度校验由图（3.4）和（3.6）可知，当B母线发生单相接地短路时流过保护1电流最小，所以灵敏度，满足灵敏度要求。3.4.2 保护4段整定计算（1）保护4的分支系数当AB段发生故障时，变压器5、6有助
21、增电流作用，如图3.16所示。对于,当只有一台发电机变压器组运行时最大，有，当有两台发电机变压器组都投入运行时最小，有，对于，当,只有一台运行时最大，有，当,只有两台都运行时最小，因此可以得出保护1的最大分支系数，最小分支系数。（2）保护4段整定值根据式（3.3）以及分支系数的求解可的保护4的整定值，时限。（3）灵敏度校验由图（3.4）和（3.6）可知，当B母线发生单相接地短路时流过保护4电流最小，所以灵敏度，满足灵敏度要求。3.4.3 保护2、3的段整定保护2、3的段在系统中按满足灵敏度的要求进行整定，以满住保护的需求。即所以保护2定值，为保证选择性，时限与保护2段配合，。所以保护3定值，为
22、保证选择性，时限与保护3段配合，。3.5零序段的整定计算零序电流段（过电流）保护按照躲开在下一级网络出口相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定，并引入可靠系数，即 （3.4）3.5.1 保护3段的定值C母线发上三相短路电流，110KV线路，不考虑非全相运行，则按最大不平衡电流整定，其中，。所以保护3段定值，时限与保护3段配合。灵敏度：满足灵敏度要求。3.5.2 保护1段的定值保护1的定值与保护3的段相配合所以段定值 ，时限与保护3段配合。作为近后备时灵敏度，满足灵敏度要求；作为远后备时灵敏度，满足灵敏度要求。3.5.3 保护2段的定值A母线发上三相短路电流，110KV线路，不考虑非全相运行，则
23、按最大不平衡电流整定，其中，。所以保护2段定值，时限与保护2段配合。灵敏度：，满足灵敏度要求。3.5.4 保护4段的定值保护4段的定值与2段相配合，所以段定值时限与保护2段配合。作为近后备时灵敏度，满足灵敏度要求；作为远后备时灵敏度，满足灵敏度要求。根据以上计算当C母线发生故障时，满足灵敏度配合原则；当A母线发生故障时，满足灵敏度配合原则。3.6 零序保护方向元件当保护装置的反方向上发生故障时，该保护应可靠闭锁，因此引入方向元件。当B母线出口短路时反向流过保护2的最小电流，为保证选择性，根据保护的整定值可知保护2的段需加设方向元件，同理，反向流过保护3的最小电流，3的段因设方向元件；A母线短路
24、时流过保护1反向最小电流，保护1的段和需要装设方向元件；C母线短路时流过保护4的反向最小电流，保护4的段和段需装方向元件。4 零序保护的评价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。4.1零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
25、，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：第一，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定，其值一般为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，本册零序段保护动作跳闸后，对侧零序电流增大可使对侧零序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。第二，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
26、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，故障线路始端与末端短路时，零序电流变化显著，曲线较陡，因此零序段保护的保护范围大，也较稳定，零序段保护的灵敏度系数也易于满足要求。第三，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。第四，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，
27、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。4.2 零序保护的缺点第一，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出的要求。第二，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。第三，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，并将增大零序段的保护动作时间。5
28、结论本次课程设计，是整定题目所给系统的零序电流保护，在设计的第一部分主要是对题目进行了分析，第二部分介绍了零序保护的概念及其作用和工作机理。在第三部分主要是三段的保护方式的确定、零序电流保护的整定，计算了零序保护的灵敏度，零序电流，对于保护，进行了三段整定。并且对其是否满足要求进行了分析。在最后部分对零序保护做了评价和分析。附录选择电流互感器TA从线路取得零序电流，通过KA1,KA3,KA5电流继电器，起到对各段的保护，KT6为时间继电器，延时后对1起后备保护的作用，再通过KS7，KS8，KS9信号继电器发送跳闸信号，并且最后让YT使得断路器跳闸。图A 三段式零序电流保护接线原理图（a）交流回路展开图 （b）直流回路展开图图B 三段式零序电流保护接线展开图参考文献1张保会，尹相根.电力系统继电保护M.北京:中国电力出版社，2010.3.2张保会，潘贞存.电力系统继电保护习题集M.北京:中国电力出版社， 2008.11.3纪建伟，黄丽华，葛丽娟等.电力系统分析M.北京:中国电力出版社， 2012.6.
