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1、我国IlOkV及以上的电力系统均为大电流接地系统，单相接地短路将产生很大的故障相电流和零序电流。三相式保护虽然对接地短路有保护作用。但该保护的动作电流必须大于最大负荷电流。因而灵敏度往往不够。所以必须采用零序电流保护装置作为接地保护是必要的。零序电流保护分为四段式，分别为主保护/段，段。后备保护/段，W段。在本设计当中，计算部分首先确定系统的最大最小运行方式，再通过零序电流保护的各段的整定原则计算出保护1、2、3的无时限零序电流保护的动作电流和动作时限整定值，算出各自的最小保护范围以完成灵敏度的校验。之后计算出保护2,3的带时限零序电流保护的动作电流值，然后通过最小运行方式校验带时限电流保护的
2、灵敏度。最后对保护1的进行零序三段的整定计算。图形部分画出零序电流保护的原理图以及展开图。并介绍了方向性零序保护的原理图。系统控制部分设计了对零序电流保护的控制。并分析了动作过程。关键词：零序电流；单相接地；灵敏度；原理图第1章绪论2第2章输电线路零序电流保护整定计算42.1 零序电流I段整定计算41. 1.1零序电流I段动作电流的整定52. 1.2灵敏度校验103. 1.3动作时间的整定132.2 零序电流11段整定计算132.3零序电流HI段整定计算14第3章零序保护原理图的绘制与动作过程分析15第4章MATLAB建模仿真分析19第5章课程设计总结22参考文献23第1章绪论1.1 零序电流
3、保护的概况本文是针对IlokV输电线路采用零序电流保护的方法进行的继电保护设计。在正常负荷下，零序电流没有或者很小；当发生接地故障时，就一定有零序电流产生。据统计，接地短路故障约占总故障次数的93%。所以，采用零序电流保护装置作为接地短路保护是必要的。零序电流保护装置简单，动作电流电流小，经济可靠，灵敏度高,正确动作率高。因此零序电流保护在中性点直接接地的高压，超高压输变电系统中的到了广泛的应用。零序电流I段保护的动作原则是：（1）躲过本线路末端接地短路时的最大三倍零序电流。（2）躲断路器三相触头不同时合闸而出现的最大零序电流。整定值应选取较大的一个。灵敏I段是按条件（1）或（2）整定。零序电
4、流II段保护的动作原则是:与相邻线路零序电流I段配合。灵敏性校验的原则是按本线路末端发生接地故障时最小零序电流校验。要求灵敏度大于等于1.5。若不满足要求，改与相邻线11段配合。零序电流IH段保护的动作原则是：躲下级线路出口三相短路时流过保护装置的最大不平衡电流。灵敏性校验遵循的原则是：近后备按被保护线路末端短路时，流过保护的最小三倍零序电流校验。远后备按相邻线路末端短路时，流过保护的最小三倍零序电流校验。动作时间按阶梯时限原则来选择应用零序电流保护的优点是零序过电流保护的灵敏度高，受系统运行方式的影响要小，不受系统振荡和过负荷的影响，方向性零序电流保护没有电压死区，简单、可靠。零序电流的分布
5、与变压器中性点接地的多少和位置有关；大小与线路及中性点接地变压器的零序阻抗有关。在同一线路上的零序过电流保护与相间短路的过电流保护相比，将具有较小的时限，这是零序过电流保护的一大优点。零序电流保护的缺点是对短线路或运行方式变化很大时，保护往往不能满足要求，单相重合闸的过程中可能误动，当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的电网时，将使保护的整定配合复杂化，且将增大第HI段保护的动作时间。1.2 本文主要内容1 .计算B母线、C母线、D母线处正序（负序）及零序综合阻抗Zig、Z0o2 .计算B母线、C母线、D母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流。3 .整定保护1、2、3零序电流I
6、段的定值，并计算各自的最小保护范围。4 .当B母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，整定保护1、2零序II定值，并校验灵敏度。5 .整定保护1零序HI段定值，假定母线D零序过电流保护动作时限为0.5s,确定保护1、2、3零序过电流保护的动作时限，校验保护1零序HI段的灵敏度。6 .绘制零序三段式电流保护的原理接线图。并分析动作过程。第2章输电线路零序电流保护整定计算2.1 零序电流I段整定计算系统接线图如图:图2.1系统接线图一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗Z,ZON（1）当G1、为、G2、T2、乃、74均投入运行时：ABCD图2.2等值正序（负序）网络图B母线：Zll=(
7、Zc+Zr)(Zc2+Zr2)+Zl4=(18+10)/(18+10)+20=34Zoze=(ZnZr2+Z04fi)/(Z0r3/Zor4)=(10/10+40)/(60/60)=18Zic=Zis+Z1c=3420=54ZOZC=ob+ZOBC=18+40=58Zid=ZicZicd=54+40=94Zod=Zoc+Zocd=58+SoQ=138C母线：D母线：(2)当Gi、Ti.G2、T2、八投入运行时:图2.4等值正序(负序)网络图/7r-V-r-r-V-乙TNT1)(Zc2+Zr2)+2i=(1810)/(8+10)+20=34Zoe6=(Z”2+Zoab)/*=(10/10+40)
8、/60=25.71ZlZCZE8+Zlc=34+20=54B母线:C母线:D母线:(3)当Gi、八、n、八投入运行时图2.6等值正序(负序)网络图ZoZC=Zose+Z0c=18.75fl+40=58.75Zid=Zic+Zicd=68+40C=108图2.7等值零序网络图B母线：Znyr=Znyw+Znftc=25.71+40=65.71U乙。U2rOUdCZid=Zic+Zicd=54+40=94C母线：Zod=Zoc+Zocd=65.71+8()=145.71D母线:(4)当Gi、为、力投入运行时B母线:C母线:D母线:图2.8等值正序(负序)网络图Zi=Zgi+对Zlg=18+1怛+2
9、()%48以7三Q7不乙(1。I妫/好工力.272Zic=Zib+Zibc=48+2()=68oZC=ZoEB+Zosc=勿+0C=67.27Zid=Z1c+Zicd=68+40二：108CWe。=ZoEC+Zoc。=67.27+W=147.27图2.9等值零序网络图ZoZD=ZozC+ZOCD=58.758()=138.75Zocd二、计算B、C、D母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流(1)当G、Tl.G2、T2、4、九均投入运行时7.i)_旦5L-=0.777kAB母线：kb-4zj+2Zz834+2x25.71,ES.115-=o7O%AZ-2Z1IB+ZoZB2x34
10、+25.71d=E，一=.5/R=03587kc-Zic+2Zoc54265.71C母线:,0)ES_U5/V_=o382kA7kc2Zic+Zoc2x54+65.71z._ES=.115j-=0j12kA7kdzid+2Zod94+2x145.717氏一115/走_=0.199AA7kd+Zod2x94+145.71D母线7(i,=ES=115/幺=0.777M/。依一方陋工如48+2x18.75(2)当Gr八、G2、乃投入运行时r(l.l)ES._ii5/V|_=Q949M，oKB Z1Ie + 2Z0Ifi34+218D母线：WEs_115/V3_ = 0772MKB-2Zzb + o2
11、34+18r(.l)ES =115/& = 0 39 IkAIoKC 一ZlZC + 2zoc54+258r(l).ES115/巨= 040OkAIOKC -2Zgc + ZoZC2x54+58(3 )当 r(l.l) _及_ 115/V3_ = 0 j79m1OKD -Zg/)+2ZoZD94+2138B母线：民_ 115/血=0 204kAIOKD 2Zid + ZOLD2x94 + 138C母线:GiTi T3、九投入运行时B母线:C母线:E、2Zzo + o11532x108+147.27= 0.183MD母线:(4)当G】、为、八投入运行时B母线:/(D_ESH53n一2Z.+Z如u
12、.y248+18.75C母线：7(1=E_115/6cZ.+2Zzc68+258.75/(1)_ES1153naz11.40KC2Zic+Zoc2x68+58.75/(in_ES=U5/672公ow-Zid+2Zod108+2x138.75/=ES_115电-O187MD母m2Zid+Zop2108+138.75线ZIZB+2Z瞪B48+2x27.27=ES11532Zzz,2x48+27.27E_S1153ZlEC+2Zec68+2x67.27一=纥11532Zc+ZOZC-2x68+67.27一11530.539ZAE,0.329AA0.327AADOKBr(.)OKC0.648M1153
13、O1652A/(n_ow-Zid+2Zod-108+2l47.272.1.1 零序电流I段动作电流的整定一、保护1零序电流I段(1) Gl、为、G2、T2、T3、74运行因为喘%所以取两相接地短路ztf=ziz2izr3zr4=0,949xi(o+46o=0,379m(2) G、Tl、G2、T2、73运行因为以黑1髅B所以取两相接地短路0=iiZ=0.949X=0.5422kAZMlZT2+ZoJZn1010+4060所以最大运行方式为：Gl、Tl、G2、T2、73运行保护1的I段动作电流为：/；刖=K)3o8=1.2x3x0.5422=1.952ZA二、保护2零序电流I段(1) G、八、G2
14、、T2、T3、74运行因为OKCKC所以取单相接地短路Zoc=Zc=0.400M(2) G、Ti、G2、乃、兀运行因为血临取单相接地短路IOD=/%=0.199AA所以最大运行方式为：Gi、Ti、G2、T2、T3、74运行保护2的I段动作电流为：几g=K;“3oC=I.2x3x0.400=1.44KA三、保护3零序电流I段(1) G、八、G2、72、73、74运行因为以取单相接地短路od=Id=0.204kA(2) G、Ti.G2、T2、T3运行因为kdkd取单相接地短路I.D=ID=0A99kA所以最大运行方式为：G、Tl、G2、T2、T3、74运行保护3的I段动作电流为：/廉3=K33/O
15、D=I.2x3x0.204=0.734ZA2.1.2灵敏度校验一、保护1的最小保护范围计算(01ZO小端端取单相接地短路7(1)Es115/6kb-2Zia.+Zozzfi-2X(28+20占)+(1+4仁)(70-40年)/8j_/Z()+Z73Zr4_7-4匕115/追0*-0K8Zn+Z04+Zr3Z4-8-.-20匕+70.+68.753/%=.M=L5084以得，kx=33.7%15%满足灵敏度要求Gl、Ti73运行ZlEKI=Zg+Z“+Zii=28+20ZOEKl=(ZTI+ZAK)(Zo8+Z73)=(1+4)(10040Ar1)/11Z%Zz喘)/必取单相接地短路/115/e
16、OKB2Zii+Zozk2(28+20l)+(1+4ill)(100-40)/11/_y(i)ZOKlB+Z73_10-秋115/叫一KBZ+Zqab+Z311-2x(28+20匕)+(1+4)(10040.)/113*=L5084KA得，匕=40.33%15%满足灵敏度要求根据、，最小运行方式为：G、Ti、T3、八运行保护1的I段最小可以保护线路AB全长的33.6%二、保护2的最小保护范围计算Z设后=也(0心T3、74运行ZIEK2=ZGlZ7j+Zl4+ZIBK2=48+20k2ZoEK2=(ZrlZoAe)I(Zr3Z74)+ZOBKZ=1875+40&.Zik2Z0k2-1Skckc取
17、单相接地短路l=一一ESI”/.电qkc2Zk,+Z0k,2乂(48+20&)+1875+40%23o2=G2=l422K4得,2=26.64%15%满足灵敏度要求(2) G、Ti、73运行ZlEK2=Zci+Zrl+Ziak2=48+20k2ZOZK2=(Zr+ZoAB)(Z73+ZOBK2=2727+40%2vZiZ小.槛/必取单相接地短路l=庶二一二W.勺c2Ziki+Zoki2(48+20K2)+27.27+40K23/0&=/晨2=1418心得，ki=16%15%满足灵敏度要求根据、，最小运行方式为：G、八、73运行保护2的I段最小可以保护线路BC全长的16%三、保护3的最小保护范围
18、计算Z设自=一(03ZOT,则岫/必取单相接地短路，0勺=OKD =ESKy +OK32 X (68+40玲)+58.75+80%11533,=/晨3=726Z4得,=46.94%15%满足灵敏度要求此时，Z,y=88,788,Zoy.=96.326,与ZlyKZoy.矛盾I乙八37U乙八3I乙八3U乙八3所以，Z,k、ZOLK,却以15%满足灵敏度要求(2) G、Ti八运行ZvLK3=Zgi+Z=+ZAB+ZIBC+4%=68+40&ZOZKI=(Z+Zoas)Zt3+Zosc+ZOeK、=67.27+8。4若ZlxZ。注,则槛/D取单相接地短路_ 7(1).0长3 - OKo -11532
19、Zx+Zo2X(68+40)+67.27+80小3,=&炉=0.724M得，自=41.62%15%满足灵敏度要求此时，Z1y=86.66,Zfty.=100.59,与ZnZoyx-矛盾I乙八3U乙A3I乙八3U乙八3所以，Zij,3ZKJ15%满足灵敏度要求根据(1)、(2),最小运行方式为：G、八、力运行保护3的I段最小可以保护线路CD全长的34.65%2.1.3动作时间的整定断路器IQF处无时限电流速断保护的动作时间为：=OS断路器2QF处无时限电流速断保护的动作时间为：力2=0,电路器3QF处无时限电流速断保护的动作时间为：力3=OS2.2零序电流H段整定计算保护1的H段与保护2的I段配
20、合%=C%*，保护1的分支系数LL肾喘=2.5七I=1.11.422/2.5=0.6267C4灵敏度校验：最小运行方式为Gl八、T3、八运行ZIlz流过保护1的最小零序电流0min=/必川1_=O2096KAuIiiinUAxJf-9Q7IfjZTI+/0A8+r3r4K着=3x296=10051.3满足灵敏度要求/爆0352所以，保护1的II段动作电流：/；%=0.352KA保护1的H段动作时间与保护2的H段动作时间配合：瑞=琮2+&=%+&+&=。+。5+05=1Os2.3零序电流川段整定计算保护1的In段与保护2的II段配合=Kj%2/Mmw=L1X080/2.5=0.352g灵敏度校验
21、：最小运行方式为GlTT3、九运行作为近后备：K胃=当皿=3X2096=791.3满足灵敏度要求%352Y作为远后备：=3X0320=2.731.2满足灵敏度要求I喘I0.352己知母线D零序过电流保护动作时限为0.5s所以保护1的HI段零序电流保护的动作时间与保护2的H段动作时间配合：t,=七+r=3+r+=.5+0.5+0.5=1.5s第3章方向性零序电流保护3.1 方向性零序保护的特点及原理图图3.2整流型和晶体管型零序功率方向继电器变压器的零序方向过电流保护是为防止电力变压器出现单项短路或负载严重不平衡而安装的保护电路，在变压器出现单项短路或负载严重不平衡切断高压输出柜，使变压器断电，
22、达到保护变压器和线路安全的目的。通常保护值设为额定电流的25%。零序功率方向保护原理是利用故障线路零序电流滞后零序电压90。，非故障线路零序电流超前零序电压90o的特点来实现的。即零序功率方向保护是利用故障线路和非故障线路的保护安装处零序电流方向相反的特点构成。用于零序电流保护不满足要求和接线复杂的网络中。目前采用这一原理实现的装置在实际电网中应用较多，但对中性点经消弧线圈接地的系统此原理无效。是针对中性点非直接接地系统中单相接地保护的装置。3.2 零序电流的获取方法在电力系统架空线路上的零序电流一般用零序电流过滤器获得，如图所示。图中，三个相的电流互感器采用相同的型号和变比，按图所示的极性接
23、线，当架空线发生接地故障时，零序电流过滤器将输出零序电流.FFI图3.3零序电流过滤器如图所示的是用零序电流互感器方式取出线路中的零序电流，它用于电缆线路取出零序电流。零序电流互感器有一个铁芯，三相电缆线穿过其铁芯，从铁芯上的二次绕组取出线路故障电流中的零序电流。故障零序电流互感器不存在因为三相电流互感器激磁电流不对称产生的不平衡电流，而只有三相电缆对铁芯不对称而产生的不平衡电流，但其值较小。图3.4零序电流互感器第4章零序保护原理图的绘制与动作过程分析4.1零序电流保护的原理图4.TA图4. 1零序电流保护原理图零序电流保护的展开图如图4. 2是零序电流保护的交流回路TAaIKA 3K 5K
24、A图4. 2交流回路如图4. 3是零序电流保护的直流电路-WC图4. 3直流回路如图4. 4是零序电流保护的信号回路WAUX图4.4信号回路4.3动作过程的分析已知各保护的保护范围：1QF：I段AM,11段AP,HI段C母线以后2QF：I段BN,II段、山段C母线以后3QF：C母线以后若在AM线路中发生AB短路，则故障是由保护IQF的I段切除的。各继电器的动作情况为发生短路各电流继电器动作，但由于是发生AB相短路，所以反应C相的2KA,4KA,6KA不动作。又因为是由保护1的I段切除的，所以KM,IKS动作。而除电流继电器的其它继电器都不动作。若在BN线路中发生AB短路，则故障是由保护2QF的
25、I段切除的。各继电器的动作情况与上述判断方法一致。即2KA,4KA,6KA不动作，其它电流继电器动作。又是由保护2的I段切除的，所以KMjKS动作，其它继电器不动作。若在MB线路中发生AB短路，则故障是由保护IQF的II段切除的。各继电器的动作情况为1KA,2KA,4KA,6KA不动作，其它电流继电器动作，因为由保护IQF的II段切除的，所以IKT,2KS动作，其它继电器不动作。第5章MATLAB建模仿真分析5.1 仿真模型的建立用MATLAB仿真分析系统的电流电压变化过程：采用MATLAB软件中的Simulink工具箱，先进行图形模块的建立和联接，连入测量元件示波器测量电流电压，再运行程序进
26、行波形仿真。模块联接及仿真波形如图5.1和图5.2所示：图5.1仿真模型5.2 仿真结果及分析一| FIWB O0.10.20.10.4 O.S图5.2系统仿真波形图5.3系统仿真波形系统采用中性点不接地方式时，发生单相接地故障三相间线电压仍然对称，不必马上切除故障部分，提高了供电的可靠性。但是接地电流在故障处可能产生稳定或间歇性的电弧，将危害整个电网的安全运行。若系统改为直接接地，中性点会与故障点成短路回路，线路上将流过很大的短路电流，此时系统不能继续运行，需要迅速切除故障线路。若系统采用中性点经电阻接地，故障点电压、电流波形均得到改善。系统采用中性点经消弧线圈接地时，由于线圈可产生感性电流
27、，与容性电流相互补偿，减少故障的故障电流，可以提高供电的可靠性。第6章课程设计总结本设计主要是针对输电线路零序电流保护的研究，内容主要为零序I段，口段III段的整定，方向电流保护的原理和零序电流保护的原理图以及展开图，并对其短路过程进行了分析，最后进行了MATERLAB仿真。零序电流保护I段的整定是按躲过本线路末端在最大运行方式下故障时，流过本保护的最大零序电流。零序II段是与相邻线路的零序I段动作电流相配合。零序HI段按躲过被保护线路末端在最大运行方式下发生三相短路时，流过本保护的最大不平衡电流。零序功率方向保护原理是利用故障线路零序电流滞后零序电压90。，非故障线路零序电流超前零序电压90
28、。的特点来实现的。零序电流保护的原理图以及展开图是根据发生短路时继电保护装置的动作情况而画出的，展开图分为交流回路，直流回路，信号回路。最后运用MATERLAB知识对其进行了仿真实验。参考文献1于永源，电力系统分析（第二版），北京：中国电力出版社，20042何仰赞电力系统分析（第三版）。武汉，华中科技大学出版社，20013陈强，MATLAB全攻略宝典，北京：中国水利水电出版社，20004祝淑萍，电力系统分析课程设计，北京，中国电雷出版社，20075梅丽凤等编著单片机原理及接口技术清华大学出版社2009.7许建安编著电力系统微机继电保护中国水利水电出版社2003.67陈堂等编著配电系统及其自动化技术中国电力出版社2004.88赵晶主编Protel99高级应用.人民邮电出版社，2000：18-259何仰赞等编著电力系统分析武汉：华中理科技学出版社，2002.310于海生编著微型计算机控制技术清华大学出版社2003.411王士政主编电网调度自动化与配网自动化技术中国水利水电出版社2007.3
