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1、电力系统继电保护课程设计题目：中性点直接接地系统零序电流保护的设计班级： 电气084班 姓名： 学号： 200809319 指导教师： 设计时间： 2012年3月4日 评语：成绩 1设计原始资料1.1具体题目系统示意图如图2.58所示，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，,、。试对1、2、3、4进行零序保护的设计。1.2 完成内容(1) 请画出所有元件全运行时三序等值网络图，并标注参数；(2) 所有元件全运行时，计算B母线发生单相接地短路和两相接地短路时的零序电流分布；(3) 分
2、别求出保护1、4零序II段的最大、最小分支系数；(4) 分别求出保护1、4零序I、II段的定值，并校验灵敏度；(5) 保护1、4零序I、II段是否需要安装方向元件；(6) 保护1处装有单相重合闸，所有元件全运行时发生系统振荡，整定保护1不灵敏I段定值。2分析课题设计内容2.1设计规程 正常运行的而电力系统是三相对称的，其零序、负序电流和电压理论上为零；多数的短路故障是三相不对称的，其零序、负序电流和电压会很大；利用故障的不对称性可以找到正常和故障间的差别，并且这种差别是零与很大值的比较，差异更为明显。利用三相对称性的变化特征，可以构成反应负序分量原理的各种保护。当中性点直接接地系统中发生接地短
3、路时，将出现很大的零序电压和电流，利用零序电压和零序电流构成的接地短路保护，具有显著的特点，被广泛应用在110Kv及以上电压等级的电网中。2.2保护配置2.2.1主保护配置零序保护的主保护是零序保护段和零序保护段。图1 网络接线图(1) 零序保护第段在发生单相或两相接地短路时，也可以求出零序电流随线路长度变化的关系曲线，然后相似于相间短路电流保护的原则，进行保护的整定计算。零序电流速断保护的整定原则如下： 躲开下一条线路出口处单相或两相接地时出现的最大零序电流3，引入可靠系数(一般取为1.21.3)，即 (1) 躲开断路器三相触头不同期合闸时所出现的最大零序电流3，引入可靠系数，即为 (2)
4、按躲开非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流整定。为此可以设置两个零序电流段保护，一个是按条件(1)和(2)整定(由于其定值较小，保护范围较大，因此，称为灵敏段)，它的主要任务是对全相运行状态下的接地故障起作用，具有较大的保护范围，而当单相重合闸起动时，则将其自动闭锁，需待恢复全相运行时才能重新投入；另一个是按条件(3)整定(由于其定值较大，因此称为不灵敏段)，装设它的主要目的是为了在单相重合闸过程中，其它两相又发生接地故障时，用以弥补失去灵敏段的缺陷，尽快地将故障切除，当然，不灵敏段也能反应全相运行状态下的接地故障，只是其保护范围较灵敏段小。 特殊情况的整定线路末端变压器低压侧
5、有电源的情况，零序保护段一般可按不伸出变压器范围整定。我的。如末端的变压器为两台及以上时，是否仍按上述原则整定可视具体情况比较优缺点后再决定。端变压器中性点不接地运行，只按躲开变压器低压侧母线相间短路的最大不平衡电流整定，即 (3) 式中，可靠系数，取1.3；不平衡系数，取0.1；非周期分量系数，取2；变压器低压侧三相短路最大短路电流。(2) 零序保护第段零序电流段保护整定是按躲过下段线路第段保护范围末端接地短路时，通过本保护装置的最大零序电流。同时还带有高出一个的时限，以保证动作的选择性。 按与相邻下一级线路的零序电流保护段配合整定，即 (4) 式中，可靠系数，取1.151.2；分支系数，按
6、实际情况选取可能的最大值；相邻下一级线路的零序电流保护段整定值。当按此整定结果达不到规定灵敏度数时，可改为与按与相邻下一级线路的零序电流保护段配合整定。 按躲开本线路末端母线上变压器的另一侧母线接地短路时流过的最大零序电流整定，即 (5) 当本段保护整定时间等于或低于本线路相间保护某段的时间时，其整定值还必须躲开该段相间保护范围末端发生相间短路的最大不平衡电流，即 (6) 引入零序电流的分支系数，则保护1的零序段整定为 (7) 当变压器切除或中性点改为不接地运行时，则该支路即从零序等效网络中断开，此时。 灵敏性的校验。为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末端
7、发生两相短路时，具有足够的反应能力。这个能力通常用灵敏系数来衡量。对反应于数值上升而动作的过量保护装置，灵敏系数的含义是 式中故障参数的计算值，应根据实际情况，合理地采用最不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定。但不必考虑可能性很小的特殊情况。设此电流为，代入上式中则灵敏系数为 (8) 为了保证在线路末端短路时，保护装置一定能够动作，在考虑实际短路时存在的过渡电阻以及测量误差等的影响，对限时电流速断保护要求。 零序电流段保护的灵敏系数，应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来检验，并满足1.5的要求。当由于线路比较短或运行方式变化比较大，灵敏度不满足要求时，可考虑用下列方式解决： 使零
8、序电流段保护与下一条线路的零序电流段保护配合，时限再抬高一级，可以取为1s。 保留0.5s的零序电流段保护，同时再增设一个与下一条线路的零序电流段保护配合的动作时限为1s的零序段。这样保护装置中，就具有两个定值和时限均不相同的零序段，一个定值较大，能在正常运行方式和最大运行方式下，以较短的延时切除本线路上所发生的接地故障；另一个具有较长的延时，能保证在各种运行方式下线路末端接地短路时，保护装置具有足够的灵敏系数。2.2.2后备保护配置零序电流段保护一般情况是作为本线路和相邻线路的后备保护，在中性点直接接地系统中的终端线路上，它也可以作为主保护使用。零序电流段保护按如下原则整定：(1) 按躲开在
9、下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定，引入可靠系数，即为 (9)(2) 与下一条线路零序段相配合,就是本保护零序段的保护范围，不能超出相邻线路上零序段的保护范围。当两个保护之间具有分支电路时(有中性点接地变压器时)，起动电流整定为 (10)式中，可靠系数，一般取为1.11.2分支系数，即在相邻的零序段保护范围末端发生接地短路时，故障线路中零序电流与流过本保护装置中零序电流之比。保护装置的灵敏系数，当作为本条线路近后备保护时，按本线路末端发生接地故障时的最小零序电流来校验，要求； 当作为相邻元件的远后备保护时，按相邻元件保护范围末端发生接地故障时，流过本保护的最小零序电流(应考
10、虑图3-2所示的分支电路使电流减小的影响)来校验，要求。(3) 当本段保护整定时间等于或低于本线路相间保护某段的时间时，其整定值还必须躲开该段相间保护范围末端发生相间短路的最大不平衡电流，即 (11) 按上述原则整定的零序过电流保护，其起动电流一般都很小(在二次侧约为23A)，因此，在本电压级网络中发生接地短路时，它都可能起动，这时，为了保证保护的选择性，各零序过电流保护的动作时限也应按图2所示的阶梯原则来选择。图2 零序过电流保护的时限特性3短路电流及残压计算3.1等效电路的建立所有元件全运行时三序电压等值网络图如图3 (a）、(b)、(c) 所示。求出线路参数，即，,，,(a) 正序网络(
11、b) 负序网络(c) 零序网络图3 三序电压等值网络图3.2 保护短路点的选取母线A处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护2的最大零序电流。母线B处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护1和4的最大零序电流。母线C处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护3的最大零序电流。3.3 短路电流的计算先求出所有元件全运行时，B母线分别发生单相接地和两相接地短路时的复合序网等值图。(1) 单相接地短路时，故障端口正序阻抗为 故障端口负序阻抗为故障端口零序阻抗为则B母线分别发生单相接地时的复合序网等值图如图4所示。因为，可以导出 是一个串联型复合序网。图4 复合序网等值图故
12、障端口零序电流为在零序网中分流从而得到此时流过保护1、4的零序电流分别为画出B母线发生单相接地时零序电流分布图如图5所示。图5 零序电流分布图(2) B母线两相接地短路时，故障端口各序阻抗和单相接地短路时相同，即， 因为，可以导出 是一个并联型复合序网，则复合序网图如图6所示。图6 并联型复合序网图故端口正序电流为故障端口零序电流为同样的，流过保护1、4的零序电流分别 从而得到如图7所示B母线两相接地短路时的零序电流分布图。图7 零序电流分布图(3) 先求保护1的分支系数。当BC段发生接地故障，变压器5、6有助增作用，如图8所示。图8 变压器助增图对，当只有一台发电机变压器组运行时最大 ，有当
13、两台发电机变压器组运行时最小，有对,当、只有一台运行时最大，；当、两台全运行时最小，。因此，保护1的最大分支系数最小分支系数 同样地分析保护4的分支系数。当AB段发生接地故障，变压器5、6有助增作用，如图9所示。图9 保护助增图对,当只有一台发电机变压器组运行时最大,有当两台发电机变压器组运行时最小，有最小分支系数4 保护的配合及整定计算4.1 保护1距离保护的整定与校验4.1.1 保护1零序保护第I段整定(1) 保护1整定计算零序I段：根据前面分析的结果，母线B故障流过保护1的最大零序电流为故I段定值为求保护1的零序II段定值，应先求出保护3的零序一段定值，设在母线C处分别发生单相接地短路和
14、两相接地短路，求出流过保护3的最大零序电流。此时有母线C单相接地短路时，有从而求得母线C单相接地短路时流过保护3的电流母线C处两相接地短路时，有正序电流零序电流从而求得流过保护3的电流这样，母线C处两相接地短路时流过保护3的最大零序电流(2) 保护3的零序I段定值为这样，保护1的零序II段定值为校验灵敏度：母线B接地故障流过保护1的最小零序电流灵敏系数 (3) 保护4整定计算零序I段：根据前面分析的结果，母线B故障流过保护4的最大零序电流为，故I段定值为求保护4的零序II段定值，应先求出保护2的零序一段定值，设在母线A处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护2的最大零序电流。此时有A
15、处单相接地时，有从而求得流过保护2的电流A处两相接地时，有正序电流零序电流从而求得流过保护2的电流这样，流过保护2的最大零序电流(4) 保护2的零序I段定值为这样，保护4的零序II段定值为校验灵敏度：母线B接地故障流过保护4的最小零序电流灵敏系数(5) 计算母线A发生接地短路时(最大运行方式、单相及两相接地)流过保护1的最大零序电流，然后将该零序电流值与保护1的I、II段定值相比较，如果零序电流小于定值，则A母线接地短路时保护1的零序电流继电器不会启动，所以不必加方向元件；如果零序电流大于定值，则必须加装方向元件。对保护1而言：由第(4)问分析知道：当母线A在最大运行方式下单相接地时流过保护1
16、的零序电流最大，为：，大于保护1的I、II段整定值，故需要加装方向元件。对保护4而言：当母线C在最大运行方式下单相接地时流过保护4的零序电流最大，为：，大于保护4的I、II段整定值，故需要加装方向元件。(6) 不灵敏I段按躲过非全相振荡整定，即按在1处断路器单相断开、两侧电势角为180时流过保护1的零序电流整定。此时有单相断开时，故障端口正序电流故障端口也是流过保护1的零序电流，即接地短路时流过保护1的最大零序电流为，二者中取大者，故保护1的不灵敏I段的定值为5 继电保护设备选择5.1 互感器的选择互感器分为电流互感器TA和电压互感器TV，它们既是电力系统中一次系统与二次系统间的联络元件，同时
17、也是一次系统与二次系统的隔离元件。它们将一次系统的高电压、大电流，转变成二次系统的低电压、小电流，供测量、监视、控制及继电保护使用。互感器的具体作用是：(1) 将一次系统各级电压均变成100以下的低电压，将一次系统各回路电流变成5A以下的小电流，以便于测量仪表及继电器的小型化、系列化、标准化。(2) 讲一次系统与二次系统在电气方面隔离，同时互感器二次侧有一点可靠接地，从而保证了二次设备及人员安全。5.1.1 电流互感器的选择(1) 电流互感器的选择 电流互感器一次回路额定电压和电流选择。电流互感器一次回路额定电压和电流选择应满足：(12) (13) 式中，、电流互感器一次额定电压和电流。待添加
18、的隐藏文字内容3为了确保所供仪表的准确度，互感器的一次侧额定电流应尽可能与最大工作电流接近。 二次额定电流的选择电流互感器的二次额定电流有5A和1A两种，一般强电系统用5A， 弱电系统用1A。 电流互感器种类和型式的选择在选择互感器时，应根据安装地点(如屋内、屋外)和安装方式(如穿墙式、支持式、装入式等)选择相适应的类别和型式。选用母线型电流互感器时，应注意校核窗口尺寸。 电流互感器准确级的选择为保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。例如:装于重要回路(如发电机、调相机、变压器、厂用馈线、出线等)中的电能表和计费的电能表一般采用0.51级表，相应的互感器的准确级不应
19、低于0.5级；对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线和500kV级宜用0.2级。供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表一般皆用11.5级的，相应的电流互感器应为0.51级。供只需估计电参数仪表的互感器可用3级的。当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。 二次容量或二次负载的校验为了保证互感器的准确级，互感器二次侧所接实际负载Z2l或所消耗的实际容量荷S2应不大于该准确级所规定的额定负载ZN2或额定容量SN2(ZN2及SN2均可从产品样本查到)，即 或(14) 式中，电流互感器二次回路中所接仪表内阻的总和与所接继电器内阻的总和，可由产品样本中查得；电
20、流互感器二次联接导线的电阻；电流互感器二次连线的接触电阻，一般取为0.1。(15) 因为A=，所以A 式中 ，A 、一电流互感器二次回路连接导线截面积(mm2)及计算长度（mm）。按规程要求联接导线应采用不得小于1.5mm2的铜线，实际工作中常取2.5mm2的铜线。当截面选定之后，即可计算出联接导线的电阻Rwi。有时也可先初选电流互感器，在已知其二次侧连接的仪表及继电器型号的情况下，确定连接导线的截面积。但须指出，只用一只电流互感器时电阻的计算长度应取连接长度2倍，如用三只电流互感器接成完全星形接线时，由于中线电流近于零，则只取连接长度为电阻的计算长度。若用两只电流互感器接成不完全星形结线时，
21、其二次公用线中的电流为两相电流之向量和，其值与相电流相等，但相位差为60，故应取连接长度的倍为电阻的计算长度。所以本题中电流互感器的型号为LCWB6-110B。5.1.2 电压互感器的选择(1) 电压互感器一次回路额定电压选择为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电力网电压应在(1.1-0.9)范围内变动，即满足下列条件 (16)式中，电压互感器一次侧额定电压。选择时，满足即可。 (2) 电压互感器二次侧额定电压的选择电压互感器二次侧额定线间电压为100V，要和所接用的仪表或继电器相适应。(3) 电压互感器种类和型式的选择电压互感器的种类和型式应根据装设地点和使用
22、条件进行选择，例如：在6-35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式；110-220kV配电装置通常采用串级式电磁式电压互感器；220kV及其以上配电装置，当容量和准确级满足要求时，也可采用电容式电压互感器。(4) 准确级选择和电流互感器一样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。(5) 按准确级和额定二次容量选择首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级额定容量。有关电压互感器准确级的
23、选择原则，可参照电流互感器准确级选择。一般供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。电压互感器的额定二次容量(对应于所要求的准确级)，应不小于电压互感器的二次负荷，即。 (17) 式中，各仪表的视在功率、有功功率和无功功率。各仪表的功率因数。如果各仪表和继电器的功率因数相近，或为了简化计算起见，也可以将各仪表和继电器的视在功率直接相加，得出大于的近似值，它若不超过，则实际值更能满足式子的要求。由于电压互感器三相负荷常不相等，为了满足准确级要求，通常以最大相负荷进行比较。计算电压互感器各相的负荷时，必须
24、注意互感器和负荷的接线方式。所以本题中的电压互感器的型号为JDZJ-3。5.2 继电器的选择5.2.1 按使用环境选型使用环境条件主要指温度(最大与最小)、湿度(一般指40摄氏度下的最大相对湿度)、低气压(使用高度1000米以下可不考虑)、振动和冲击。此外，尚有封装方式、安装方法、外形尺寸及绝缘性等要求。由于材料和结构不同，继电器承受的环境力学条件各异，超过产品标准规定的环境力学条件下使用，有可能损坏继电器，可按整机的环境力学条件或高一级的条件选用。对电磁干扰或射频干扰比较敏感的装置周围，最好不要选用交流电激励的继电器。选用直流继电器要选用带线圈瞬态抑制电路的产品。那些用固态器件或电路提供激励
25、及对尖峰信号比较敏感地地方，也要选择有瞬态抑制电路的产品。5.2.2 按输入信号不同确定继电器种类按输入信号是电、温度、时间、光信号确定选用电磁、温度、时间、光电继电器，这是没有问题的。这里特别说明电压、电流继电器的选用。若整机供给继电器线圈是恒定的电流应选用电流继电器，是恒定电压值则选用电压继电器。5.2.3 输入参量的选定与用户密切相关的输入量是线圈工作电压，而吸合电压则是继电器制造厂控制继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数。对用户来讲，它只是一个工作下极限参数值。控制安全系数是工作电压(电流)吸合电压(电流)，如果在吸合值下使用继电器，是不可靠的、不安全的，环境温度升高或处于振动、冲击
26、条件下，将使继电器工作不可靠。整机设计时，不能以空载电压作为继电器工作电压依据，而应将线圈接入作为负载来计算实际电压，特别是电源内阻大时更是如此。当用三极管作为开关元件控制线圈通断时，三极管必须处于开关状态，对6VDC以下工作电压的继电器来讲，还应扣除三极管饱和压降。当然，并非工作值加得愈高愈好，超过额定工作值太高会增加衔铁的冲击磨损，增加触点回跳次数，缩短电气寿命，一般，工作值为吸合值的1.5倍，工作值的误差一般为10%。5.2.4 根据负载情况选择继电器触点的种类和容量国内外长期实践证明，约70%的故障发生在触点上，这足见正确选择和使用继电器触点非常重要。触点组合形式和触点组数应根据被控回
27、路实际情况确定。动合触点组和转换触点组中的动合触点对，由于接通时触点回跳次数少和触点烧蚀后补偿量大，其负载能力和接触可靠性较动断触点组和转换触点组中的动断触点对要高，整机线路可通过对触点位置适当调整，尽量多用动合触点。根据负载容量大小和负载性质(阻性、感性、容性、灯载及马达负载)确定参数十分重要。认为触点切换负荷小一定比切换负荷大可靠是不正确的，一般说，继电器切换负荷在额定电压下，电流大于100mA、小于额定电流的75%最好。电流小于100mA会使触点积碳增加，可靠性下降，故100mA称作试验电流，是国内外专业标准对继电器生产厂工艺条件和水平的考核内容。由于一般继电器不具备低电平切换能力，用于
28、切换50mV、50A以下负荷的继电器订货，用户需注明，必要时应请继电器生产厂协助选型。继电器的触点额定负载与寿命是指在额定电压、电流下，负载为阻性的动作次数，当超出额定电压时，可参照触点负载曲线选用。当负载性质改变时，其触点负载能力将发生变动。结 论在中性点直接接地系统中，采用专门的零序电流保护，与利用三相星形接线的电流保护来保护单相短路相比较，具有一系列优点：(1) 相间短路的过电流保护是按躲开最大负荷电流整定，二次起动电流一般为57A；而零序过电流保护则按躲开不平衡电流整定，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，零序过电流保护有较高的灵敏度。(2) 相间短路
29、的电流速断和限时电流速断保护直接受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变化的影响要小得多。而且，由于线路零序阻抗远较正序阻抗为大，X0=(23.5)X1，故线路始端与末端接地短路时，零序电流变化显著，曲线较陡，因此零序段的保护范围较大，也较稳定，零序段的灵敏系统也易于满足要求。(3) 当系统中发生某些不正常运行状态时，如系统振荡、短时过负荷等，三相是对称的，相间短路的电流保护均受它们的影响而可能误动作，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。(4) 在110kV及以上的高压和超高压系统中，单相接地故障约占全部故障的70%90%，而且其它的故障也往往是由单相接地发展起来的。零序电流保护的缺点是：(1) 对于短线路或运行方式变化很大的情况，零序电流保护往往不能满足系统运行所提出的要求。 (2) 零序电流保护受中性点接地数目和分布的影响。因此电力系统实际运行时，因保证零序网路结构的相对稳定。参 考 文 献1 谭秀炳编.铁路电力与牵引供电系统继电保护M.成都:西南交通大学出版社,2006.2 李俊年主编.电力系统继电保护M.北京:中国电力出版社,1993.3 尹项根主著.电力系统继电保护原理与应用M.武汉:华中科技大学出版社,2004.4 张保会主编.电力系统继电保护M.北京:中国电力出版社,2005.
