电网三段式零序电流保护

电网三段式零序电流保护

目 录

1．设计任务与要求 . ...................................................................................................................................... 1

1.1设计任务 . ......................................................................................................................................... 1 1.2设计要求 . ......................................................................................................................................... 1 2．分析要设计的课题内容 ........................................................................................................................... 2

2.1设计规程 . ......................................................................................................................................... 2 2.2本设计的保护配置 .......................................................................................................................... 2

2.2.1主保护（零序电流保护）的配置 ...................................................................................... 2 2.2.2后备保护（距离保护）配置 .............................................................................................. 2 2.3绘制等效电路图 . ............................................................................................................................. 2 3．短路电流及残压计算 . .............................................................................................................................. 4

3.1保护短路点的选取 .......................................................................................................................... 4 3.2短路电流的计算 . ............................................................................................................................. 4 4． 保护的配合及整定计算 . ........................................................................................................................ 6

4.1主保护的整定计算 .......................................................................................................................... 6

4.1.1动作电流 . ............................................................................................................................. 6 4.1.2动作时间 . ............................................................................................................................. 6 4.1.3灵敏度校验 .......................................................................................................................... 7 4.2后备保护的整定计算 ...................................................................................................................... 7

4.2.1动作电流 . ............................................................................................................................. 7 4.2.2动作时间 . ............................................................................................................................. 8 4.2.3灵敏度校验 .......................................................................................................................... 8 5．二次展开原理图的绘制 ........................................................................................................................... 9 6．零序保护的评价 . .................................................................................................................................... 11 参考文献 . ...................................................................................................................................................... 11

1．设计任务与要求

1.1设计任务

系统接线图如下图(图1.1) ，发电机以发电机-变压器组方式接入系统，开机方式为两侧各开1台机，变压器T5 1台运行。参数为：

E φ=115/，X 1.G2=X 2.G2=5Ω，X 1.G4=X 2.G4=5Ω，X 1.T2=X 1.T4=5Ω，X 0.T2=X 0.T4=15Ω，X 1.T5=15Ω，X 0.T5=20Ω，L A -B =60km ，L B -C =45km ，线路阻抗

II III

=1.19；K rel Z 1=Z 2=0.4Ω/km，Z 0=1.2Ω/km，K I rel =1.28，K rel =1.23。试对1、2、3、

4进行零序保护的设计。

图1.1系统接线图

1.2设计要求

本设计主要对系统进行零序保护的设计。要求完成对2、4点的零序保护的设计。通过对2、4点的保护方式的分析，进行零序三段电流保护，并对设计的保护进行灵敏度校验和整定时间的确定，并进行有关设备的选择和评价。

2．分析要设计的课题内容

2.1设计规程

继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，110~220kV有效接地电力网线路，应按下列规定装设反应接地短路和相间短路的保护装置。

(1)对于接地短路：

①装设带方向和不带方向的阶段式零序电流保护；

②零序电流保护不能满足要求时，可装设接地距离保护，并应装设一段或两段零序电流保护作为后备保护。

(2)对于相间短路：

①单侧电源单回线路，应装设三相多段式电流或电压保护，如不能满足要求，则应装设距离保护；

②双侧电源线路宜装设阶段式距离保护。

2.2本设计的保护配置

2.2.1主保护（零序电流保护）的配置

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。 2.2.2后备保护（距离保护）配置

距离保护是利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，该比值反应故障点到保护安装处的距离，如果短路点距离小于整定值，则保护装置动作。

2.3绘制等效电路图

绘制三序电压等值网络图如图1、图2、图3。

A B

C

图1正序网络

A B

C

图2负序网络

A

B

C

Z 0.BC

X 0.T2

Z 0.AB

X 0.T5

X 0.T4

图3零序网络

3．短路电流及残压计算

3.1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。

3.2短路电流的计算

整理线路参数可得：

L AB =50km ；Z 1.AB =Z 1.AB =50⨯0.4=20Ω；Z 0.AB =50⨯1.2=60Ω；

L BC =45km ；Z 1.BC =Z 2.BC =45⨯0.4=18Ω；Z 0.BC =45⨯1.2=54Ω；

(1)B 母线单相接地短路时，有上述三序网络图得故障端口正序阻抗：

Z ∑1=(X 1.G2+X 1.T2+Z 1.AB ) ||(Z 1.BC +X 1.G4+X 1.T4)

=(5+5+60)||(18+5+5)

=20Ω；

故障端口负序阻抗:

Z ∑1=Z ∑2=20Ω；

故障端口零序阻抗:

Z ∑0=(X 0.T2+Z 0.AB ) ||X 0.T5||(X 0.T4+Z 0.BC )

=(15+60)||20||(15+45)

=12.5Ω；

故障端口零序电流为:

'

单相接地短路时：

I o . B

=

E ϕ115/==1.265kA ；

2Z ∑1+Z ∑02⨯20+12.5

E ϕ115/==1.475kA ；

Z ∑1+2Z ∑020+2⨯12.5

两相接地短路时：

I o " . B

=

(2)A母线分别发生单相接地和两相接地短路时的等值网络。

故障端口正序阻抗为:

Z ∑1=(X 1.T2+X 1.G2) ||(Z 1.AB +Z 1.BC +X 1.T4+X 1.G4) =8.276Ω；

故障端口负序阻抗为:

Z ∑1= Z ∑2=8.276Ω；

故障端口零序阻抗为:

Z ∑0=[(X 0. T 4+Z 0. BC ) ||X 0. T 5+Z 0. AB ]||X 0. T 3

=[(15+48) ||20+73.2]||15

=10.677Ω；

则最大短路零序电流:

'

单相接地短路时：

I o . A =

E φ==2.438 kA ；

2Z ∑1+Z ∑0E ϕ115/==2.241kA ；

2Z ∑0+Z ∑18.276+2⨯10.677

"

两相接地短路时：

I o . A =

(3) C母线分别发生单相接地和两相接地短路时的等值网络。

单相接地短路时，故障端口正序阻抗为:

Z ∑1=(Z 1. AB +Z 1. BC +X 1. T 2+X 1. G 2) ||(X 1. T 4+X 1. G 4) =8.276Ω；

故障端口负序阻抗为：

Z ∑1= Z ∑2=8.276Ω；

故障端口零序阻抗为：

Z ∑0=[(X 0.T2+Z 0.AB ) ||X 0.T5+Z 0.BC ]||X 0.T4=10.694Ω；

则最大短路零序电流:

' 单相接地短路时：

I o . C =

E φ==2.437kA ；

2Z ∑1+Z ∑02⨯8.276+10.694

E φ==2.238kA ；

2Z ∑0+Z ∑18.276+2⨯10.694

"

两相接地短路时：

I o . C =

4． 保护的配合及整定计算

4.1主保护的整定计算

(1) 保护4的零序I 段按躲开下一条线路出口处单相或两相接地时可能出现的最大零序电流3I 0.max 整定，引入可靠系数K rel （一般取1.2~1.3），即

I I I set.4=K rel 3I 0.4.max (4.1) (2) 保护4的零序Ⅱ段与下一条线路的零序Ⅰ段配合，即与保护2的零序I 段配合：

I

II

II

set.4

II K rel I =I set.2 (4.2) K o.b

K rel 为可靠系数；K o.b 为分支系数。

4.1.1动作电流

（1） 保护4的零序Ⅰ段按躲开下一条线路出口处单相或两相接地时可能出现的最大零

序电流3I 0.max 整定，由式4.1得：

I set.4=K rel ⨯3I 0.4.max =1.28⨯3⨯1.475=5.664kA ；

I

I

（2）保护4零序Ⅱ段与下一条线路Ⅰ段配合，即与保护2的Ⅰ段配合由式4.1得：

I set.2=K rel ⨯3I 0.2.max =1.28⨯3⨯2.438=9.362kA ； (4.3)

I

I

分支系数 K 0.b =

X 0.T2+Z 0.AB

X 0.T5

=

15+60

=3. 75； (4.4) 20

由式4.3与4.4结果带入4.2中可得保护4的零序II 段电流为：

I

II set.4

II K rel 1.19I =I set.2=⨯9.362=2.971kA ； (4.5) K o.b 3.75

（3）保护2的零序Ⅰ段按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整定，由式4.1可得：

I I

I set.2=K rel ⨯3I 0.2.max =1.28⨯3⨯2.438=9.362kA ； (4.6)

4.1.2动作时间

保护4的Ⅰ段和保护2的Ⅰ段均为零序速断电流保护，故动作时间均为0s, 保护1的Ⅱ段为限时零序电流速断，比Ⅰ段延迟一个△t, 故保护4的Ⅱ段的动作时间为0.5s 。

4.1.3灵敏度校验 灵敏度校验公式：

K sen =

I k.min

(4.7) I set.k

式中I k.min 为端点最小电流；I set.k 为保护电流

将数据带入4.7式中得灵敏度系数

" I 0B 3⨯1.265II

K sen =II ==1.28>1.2 满足要求

I set.42.971

4.2后备保护的整定计算

零序III 段保护按照躲开在下级线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡

III

电流I unb.max 来整定，引入可靠系数K rel （一般取为1.1~1.2），即为

I set =K rel I unb.max (4.8)

III III

其中， I unb.max =K np K st K er I k.max (4.9) 式中K np 为短路电流中非周期分量影响系数，取1.5；K st 为电流互感系数，取0.5；

K er 为电流互感误差，取0.1；I k.max 为端点最大电流。

同时，还必须要求各保护之间在灵敏系数上互相配合。当满足灵敏系数配合的要求时，实际上对零序过电流保护的整定计算，必须按逐级配合的原则来考虑，具体说，就是本保护零序III 段的保护范围，不能超过相邻线路的零序III 段保护的保护范围。当两个保护之间具有分支电路时，保护装置的启动电流应整定为

I

III

set .4

III K rel III =I set .2 (4.10) K o . b

4.2.1动作电流

(1)保护2的零序Ⅲ段保护按躲开末端最大不平衡电流整定，由4.9得：

I unb.max =K np K st K er I k.max =1.5⨯0.5⨯0.1⨯2.438=0.183kA ； (4.11)

将式4.11结果带入4.8式中得动作电流：

I set.2=K rel I unb.max =1.23⨯0.183=0.23kA ； (4.12)

III

III

(2)保护4的零序Ⅲ段保护按躲开末端最大不平衡电流整定，将式4.12结果带入4.10

式中得动作电流：

I

III set .4

III K rel 1.23III =I set =⨯0.23=0.075； (4.13) .2

K o . b 3.75

4.2.2动作时间

保护4的零序Ⅲ段保护与下段线路配合，动作时间比Ⅱ段的动作时间延迟△t ，故动作时间为1s 。

4.2.3灵敏度校验 保护4的零序Ⅲ段保护

作为近后备保护

K 4.min =

3I d.0C 3⨯2.437

==97.48>1.3 满足要求 III

I set .40.0753I d.0A 3⨯2.438

==97.52>1.3 满足要求 III

I set .40.075

作为远后备保护

K 4.min =

保护2的零序Ⅲ段保护 作为近后备保护

K 2.min =

3I d.0A 3⨯2.438

==31.8>1.3 满足要求 III

I set 0.23.2

综上可知：在零序电流保护的配置和保护中，保护4有I 段、II 段和III 段，而保护2只配置I 段、III 段保护，整个系统的安全稳定运行。

KSIII

绘制保护4、2的跳闸图如图5.1, 图5.2。

图5.1 保护4跳闸回路

5．二次展开原理图的绘制

图5.2 保护2跳闸回路

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6．零序保护的评价

零序保护的特点：

选择性:单电源辐射网络上可保证获得选择性；

多电源网络上在某些特殊情况下才获得选择性。

速动性:无时限速断和带时限速断保护动作是迅速的； 定时限过电流保护则常常不能满足速动性的要求 灵敏性:被保护线路很短时，无限时电流速断保护为零。 长距离重负荷线路过电流保护的灵敏度 常常也很小。 灵敏度差是电流电压保护的主要缺点。

可靠性:原理简单，逻辑少，整定计算和校验容易。 简单，可靠性好是它的主要优点。

零序电流保护通常由多段组成，一般是三段式，并可根椐运行需要增减段数。为了某些运行情况的需要，也可设置两个I 段或II 段，以改善保护的效果。接地距离保护的一般是两段式，一般都是以测量下序阻抗为基本原理。接地距离保护的保护性能受接地电阻大小的影响很大。

当线路配置了接地距离保护时，根椐运行需要一般还应配置阶段式零序电流保护。特别是零序电流保护中最小定值的保护段，它对检测经较大接地电阻的短路故障较为优越。因此，零序电流保护不宜取消，但可适当减少设置的段数。

参考文献

[1] 谭秀炳, 铁路电力与牵引供电继电保护[M].成都:西南交通大学出版社,1993. [2] 张保会, 尹项根主编. 电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005. [3] 于永源, 杨绮雯. 电力系统分析（第三版）[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

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