电网接地短路的保护设计

1学号2014215936课程设计（2014级本科）题目：电网接地短路的保护设计学院：物理与机电工程学院专业：电气工程及其自动化作者姓名：吴雅荣指导教师：刘永科职称：副教授完成日期：2017年12月24日二○一七年十二月1目录1设计资料分析......................................................21.1系统接线图及参数：.........................................22分析要设计的课题内容（保护方式的确定）............................22.1设计规程...................................................22.2本设计的保护配置...........................................43短路电流计算......................................................43.1等效电路的建立.............................................43.2短路电流的计算.............................................44保护的配合及整定运算..............................................74.1主保护整定计算.............................................75MATLAB建模与仿真分析.............................................85.1仿真图像...................................................86保护的评价.......................................................15参考文献...........................................................1621设计资料分析在中性点直接接地的电网中，接地故障占故障总次数的绝大多数，一般在90%以上。线路的电压等级愈高，所占的百分比愈大。母线故障、变压器差动保护范围内高压配电装置故障的情况也类似，一般也约占70%~80%。明显可见，接地保护是高压电网中最重要的一种保护。1.1系统接线图及参数：G1=30MVAT1=31.5MVAX1=0.4Ω/kmT2=60MVAG2=60MVAXd″=x2=0.1Uk%=10.5X0=3.5X1Uk%=10.5Xd″=X2=0.125本课程设计主要对题目中所述系统进行零序电流保护的设计。主要完成对A处的零序保护的设计。通过对A保护方式的分析，短路电流的计算，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；最后进行有关设备的选择和评价。2分析要设计的课题内容（保护方式的确定）首先应该分析运行方式。由于本题开机运行方式为两侧各开1台发电机，所以不存在受最大运行方式和最小运行方式对零序保护的影响。2.1设计规程根据继电保护在电力系统中所担负的任务，一般情况下，对动作于跳闸的继电保护在技术上有四条基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。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。(1)可靠性可靠性是指保护该动作时应动作，不该动作时不动作。为保证可靠性，宜选图1.1电力系统简图3用性能满足要求、原理尽可能简单的保护方案。(2)选择性选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。为保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如起动与跳闸元件、闭锁与动作元件），其灵敏系数及动作时间应相互配合。(3)灵敏性灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，灵敏性通常用灵敏系数或灵敏度来衡量，增大灵敏度，增加了保护动作的信赖性，但有时与安全性相矛盾。对各类保护的的灵敏系数的要求都作了具体规定，一般要求灵敏系数在1.2-2之间。(4)速动性速动性是指保护装置应能尽快地切除故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围。110kV及以上电压等级的线路，由于其负荷电流大，距离长，用电流保护往往不能满足技术要求，而需要采用距离保护。这是因为与电流保护相比，距离保护有以下优点：①灵敏度较高。因为阻抗IUZ，阻抗继电器反映了正常情况与短路时电流、电压值的变化，短路时电流I增大，电压U降低，阻抗Z减小得多。②保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。由于短路点至保护安装处的阻抗取决于短路点至保护安装处的电距离，基本上不受系统运行方式的影响，因此，距离保护的保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。③迅速动作的范围长。距离保护第一段的保护范围比电流速断保护范围长，距离保护第二段的保护范围比限时电流速断保护范围长，因而距离保护迅速动作的范围较长。规范规定：110KV~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设置。1）对于接地短路：宜装设带方向和不带方向的阶段式零序电流保护；零序电流保护不能满足要求时，可装设接地距离保护，并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：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；4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（1）主保护（零序电流保护）配置电力系统正常运行时是三相对称的，其零序、负序电流值理论上为零。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的比较，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。（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。在保护A、B处配备三段式距离保护，选用接地距离保护接线方式和相间距离保护接线方式。3短路电流计算3.1等效电路的建立所有元件全运行时零序电压等值网络如下图3.1所示。选择A点为故障点。3.2短路电流的计算：=0.4×80×0.4×80×=0.145==0.145==0.435已知：=60MVA,=：==0.13×=0.13×=0.26：==0.125×=0.1255：=×=×=0.2：=×=×=0.105作正、负、零序电路图如下图示：计算序电流序电压，近似取==××GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND116Xl2116XT1116Xt1A116X12116XT2116Xd2116Xl0116XT2116XT1116Xt2116X1A116Xd2116Xl1E1Uk1Uk2E2Uk0E2图3.1三序等值电路6×计算各相电流及相电压短路电流有效值：非故障相电压有效值：（1）A母线单相接地故障时，故障口正序阻抗；∑++)//(+)=0.17∑∑=0.17∑=+)//=0.08所以故障端口的零序电流为：=∑∑∑=0.62A所以A相单相接地短路时流过保护1的零序电流为：==0.14A（2）A母线两相接地短路时，流过保护1的零序电流为:=(+)∥(++)=0.207=(+)∥(++)=0.207∑=//(+)=0.146附加阻抗：7（）=∑∑∑∑=0.09=∑（）=0.88=∑∑∑∑=0.08=*0.1485=0.01可知=0.014保护的配合及整定运算4.1主保护整定计算（1）保护1的零序Ⅰ段的配置和整定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30.maxI，引入可靠系数'relK（一般取为1.2～1.3）。故零序Ⅰ段整定为：etⅠ=𝐾relⅠ3Ⅰ=0.036整定时间：𝑡Ⅰ=0S（2）零序电流Ⅲ段保护零序电流Ⅲ段保护一般情况下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Ⅲ段保护按如下原则整定：按躲开在下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流nb来整定，引入可靠系数𝐾relⅢ，即为etⅢ=𝐾relⅢnb三相短路电路计算如下：A点：∑)∗=0.518𝐾3)=𝑆𝑑∑)√3𝑈𝑑∗=555.6A当一台电流互感器误差为10%时而其余工作准确的不平衡电流为：nb=0.1𝐾3)=55.56A则Ⅲ段定值etⅢ=𝐾relⅢnb=66.7A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2senK；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来校验，要求1.5senK。5MATLAB建模与仿真分析5.1仿真图像（1）A相接地短路为例发电机端电压，电流波形9电压波形电流波形分析：发电机端电压电流波形为正弦波基本没什么变化A相接地短路为例(A,B,C三相电压)10分析：A相接地短路，A相电压在短路一段时间里为零，B,C两相电压升高为线电压，之后A,B,C三相电压恢复正常。A相接地短路为例(A,B,C三相电流)11分析：A相接地短路时当输电线路发生A相接地短路时,B相、C相电流没有变化,始终为0.对于故障相A相的电流:在稳态时,故障点A相电流由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电流为0.在0.01s时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生A相接地短路,A相短路电流波形发生了尖锐的抖动,大体上仍然呈现正弦规律变化.在0.04s时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点A相电流变化为0。（2）A、B两相接地短路(以A、B两相接地电压为例)发电机端电压。电流波形电压波形电流波形12两相接地短路(以A,B两相接地电压为例)分析：A,B两相接地短路时，A,B两相接地电压相等，C相电压为正常。两相接地短路(以A,B两相接地电压为流)13分析：:在A相、B相发生接地短路时,C相电流没有变化,始终为0.对于故障相A相和故障相B相电流:在稳态时,故障点A相、B相电流由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电流为0.在0.01s时,三相短路故障发生器闭合,此14时电路发生A相、B相接地短路,故障点A相电流波形下移,故障点B相电流波形上升,呈正弦规律变化.在0.05s时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点A相、B相电流变化为0.156保护的评价对零序电流保护的评价，零序电流保护通常由多段组成，一般是四段式，并可根据运行需要增减段数。为了某些运行情况的需要，也可设置两个一段或二段，以改善保护的效果。接地距离保护一般是二段式，一般都可以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的大小的影响很大。当线路配置了接地距离保护时，根据运行需要一般还应配置零序电流保护。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。零序电流保护和接地距离保护一般按阶梯特性构成，其整定配合遵循反映同种故障类型的保护上下级之间必须相互配合的原则，主要考虑与相邻下一级的接地保护相配合；当装设接地短路故障的保护时，则一般在同原理的保护之间进行配合整定。16参考文献[1]贺家李．电力系统继电保护原理[M]．北京：中国电力出版社，2004：6-8，9-58．[2]李光琦.电力系统暂态分析（第三版[M].北京：中国电