110kV輸電線路繼電保護(hù)設(shè)計

1、FneffliinchuanEnergyInstitute滔像M犍僚挈浣本科課程設(shè)計課程名稱：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理設(shè)計題目：110kV輸電線路繼電保護(hù)設(shè)計院部：電力學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：1304姓名：學(xué)號：1310240107成績：指導(dǎo)教師：李莉李靜日期：2016年6月20日6月28日課程設(shè)計成績考核表學(xué)期第六學(xué)期姓名專業(yè)電氣工程及其自動化班級1304課程名稱電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原埋設(shè)計題目110kV輸電線路繼電保護(hù)設(shè)計評分評定指標(biāo)分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實(shí)際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100設(shè)計說明書本次繼電保護(hù)原理課程設(shè)計對11

2、0kV輸電線路進(jìn)行了全面的介紹，從110kV輸電線路的故障原因及類型入手，重點(diǎn)分析了幾大常見的故障類型（單相接地短路，兩相短路，兩相短路接地，三相短路），然后對110kV輸電線路相關(guān)問題分析了具體的保護(hù)設(shè)置，110kV輸電線路保護(hù)的主體是距離保護(hù)與零序電流保護(hù)，距離保護(hù)又分為相間距離保護(hù)與接地距離保護(hù)，分別反應(yīng)相間短路故障于接地短路故障。最后對110kV輸電線路的保護(hù)進(jìn)行了實(shí)際案列分析。針對110kV輸電線路保護(hù)配置，重點(diǎn)對距離保護(hù)做了詳細(xì)的案例分析。1 110kV輸電線路故障分析1.1.1 故障引起原因.1.1.2 故障狀態(tài)及其危害21.3 短路簡介及類別3.2 110kV輸電線路保護(hù)5.2

3、.1 110kV輸電線路的保護(hù)方法52.1.1 距離保護(hù)的整定計算方法.52.1.2 階段式零序電流保護(hù)72.2 110kV輸電線路的保護(hù)原理.102.2.1 距離保護(hù)的特點(diǎn)及基本原理102.2.2 零序電流保護(hù)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)113實(shí)際案例分析1.44結(jié)論16參考文獻(xiàn)171 110kV輸電線路故障分析1.1 故障引起原因由于架空線路分布很廣，又長期處于露天之下運(yùn)行，所以經(jīng)常會受到周圍環(huán)境和自然變化的影響，從而使線路在運(yùn)行中會發(fā)生各種各樣的故障。以下介紹的八種最常見的因素：雷害線路遭受雷擊引起絕緣子串閃絡(luò)故障，有時會引起絕緣子斷串，可能在線夾到防振錘之間的導(dǎo)線上留下痕跡，而且閃絡(luò)面積大或斷線等事

4、故。大風(fēng)風(fēng)速超過或接近設(shè)計風(fēng)速，加之線路木身的局部缺陷，如超過桿塔機(jī)械強(qiáng)度，使桿塔傾倒或損壞等，使導(dǎo)線產(chǎn)生振動、跳躍和碰線，從而引起故障；同塔雙回線路若不同步風(fēng)擺可能造成混線短路故障。洪水暴雨雷雨季節(jié)、季節(jié)洪水沖刷桿塔基礎(chǔ)，從而引起基礎(chǔ)邊坡塌方、塔基裂縫、沉降或是更嚴(yán)重的倒桿倒塔故障。外力破壞線路遭到人為的破壞而引起故障。例如線路附近開挖土石方引起的桿塔傾斜或傾倒；線路附近操作起吊施工機(jī)械（或來往車輛）碰撞導(dǎo)線或桿塔、拉線等，造成的斷線、倒桿故障，又如在線路附近放風(fēng)箏、超高樹林、漂浮物、火燒山、盜竊等。這些都會造成線路故障影響線路的正常運(yùn)行，也可能造成嚴(yán)重的事故。覆冰當(dāng)線路導(dǎo)線、避雷線上出現(xiàn)嚴(yán)

5、重覆冰時，首先是加重導(dǎo)線和桿塔的機(jī)械負(fù)荷，使導(dǎo)地線弧垂過分增大，從而造成混線、斷線或倒桿倒塔、橫擔(dān)變形；當(dāng)導(dǎo)線、避雷線上的覆冰脫落時，又會引起導(dǎo)線舞動造成導(dǎo)線之間或?qū)Ь€與避雷線之間短路故障。污閃在工業(yè)區(qū)，特別是化工區(qū)或其它極污染源的地區(qū)，所產(chǎn)生的塵污或有害氣體，會使絕緣子的絕緣能力顯著降低，以致在潮濕多霧或下毛毛雨的天氣。絕緣子串往往發(fā)生大面積的污穢閃絡(luò)，造成停電事故，有此氧化作用很強(qiáng)的氣體，則會腐蝕金屬塔、導(dǎo)線、避雷線和金具等。鳥害鳥在桿塔上筑集或線路的桿塔上停落，蘆葦、稻草、鳥大便，有時大鳥穿過導(dǎo)線飛翔，均可能造成線路接地或短路。本體缺陷由于線路如工藝問題、電氣距離問題、材料質(zhì)量等本體缺陷

6、原因，在長時間受微風(fēng)振動、氣溫變化的影響下也會造成線路故障。1.2 故障狀態(tài)及其危害電力系統(tǒng)的所有一次設(shè)備在運(yùn)行過程中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作、設(shè)計制造缺陷等原因會發(fā)生例如短路、斷線等故障。最常見同時也是最危險的故障是發(fā)生各種類型的短路。在發(fā)生短路時可能產(chǎn)生以下后果：通過短路點(diǎn)的很大短路電流和所燃起的電弧，使故障元件損壞。短路電流通過非故障元件.由于發(fā)熱和電動力的作用，引起它們的損壞或縮短使用壽命。電力系統(tǒng)中部分地區(qū)的電壓大大降低。使大量的電力用戶的正常工作遭到破壞或產(chǎn)生廢品。破壞電力系統(tǒng)中各發(fā)電廠之間并列運(yùn)行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)瓦解。各種類型的短路包括三相短路、兩相短

7、路、兩相短路接地和單相接地短路。不同類型短路發(fā)生的概率是不同的，不同類型短路電流的大小也不同，一般為額定電流的幾倍到幾十倍。大量的現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在高壓電網(wǎng)中，單相接地短路次數(shù)占所有短路次數(shù)的85%以上。1.3 短路簡介及類別電力系統(tǒng)的短路就是在回路中因?yàn)殡娮杞档投痣娏鳟惓Ｔ龃蟮囊环N現(xiàn)象；電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，相與相之間或相與地或中性線）之間發(fā)生非正常連接（即短路）時而流過非常大的電流。短路分為很多種情況，有單相接地短路，兩相短路，兩相短路接地，三相短路等。相線俗稱火線，三相就是三個火線，他們電壓相等，頻率相當(dāng)，但是相序（時間）不同。單相接地短路（如圖1所示）單相接地短路是指三相交流供電系統(tǒng)

8、中一根相線與大地成等電位狀態(tài)了，也就是該相線的電位與大地的電位相等，都是“零”，非故障兩相電壓接近正常電壓，負(fù)荷電流接接近正常，故非故障相工作狀態(tài)與正常負(fù)荷狀態(tài)相差不大。ab圖i單相接地短路兩相短路（如圖2所示）兩相短路任意兩相導(dǎo)線，直接金屬性連接或經(jīng)過小阻抗連接在一起,此時故障點(diǎn)處兩故障相的對地電壓相等，故障相電壓不為零。而非故障相。b圖2兩相短路兩相短路接地（如圖3所示）兩相短路接地是指三相交流供電系統(tǒng)中兩根相線與大地成等電位狀態(tài)了，此時故障點(diǎn)處兩接地相的電壓都為零。圖3兩相短路接地二相對稱短路（如圖4所本）三相對稱短路是指三相全部短路，三相對稱性短路時，故障點(diǎn)處的各相電壓相等，且在三相系

9、統(tǒng)對稱時均都為零。此種短路情況最為嚴(yán)重,對電力系統(tǒng)的損害極大。圖4三相對稱短路2 110kV輸電線路保護(hù)目前，我國110kV輸電線路在電網(wǎng)中的主要作用是連接地區(qū)220kV變電所與城市配電網(wǎng)或農(nóng)村配電網(wǎng)的110kV變電所，或者作為中小容量的發(fā)電廠與系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)線。大部分110kV輸電線路仍為單側(cè)有電源。110kV輸電線路保護(hù)的主體是距離保護(hù)與零序電流保護(hù)，距離保護(hù)又分為相間距離保護(hù)與接地距離保護(hù)，分別反應(yīng)相間短路故障于接地短路故障。110kV輸電線路一般采用三段式相間距離保護(hù)作為相間短路故障的保護(hù)方式，采用階段式零序電流保護(hù)作為接地短路的保護(hù)方式。對極個別非常短的線路，如有必要也可以考慮采用縱差

10、保護(hù)作為主保護(hù)。2.1 110kV輸電線路的保護(hù)方法2.1.1 距離保護(hù)的整定計算方法距離保護(hù)I段整定計算：距離保護(hù)I段定值按躲過本線路末端故障，整定距離保護(hù)第I段是無延時的速動段，一般按躲開下一條線路出口處短路的原則來整定，也就是按躲過本線路末端短路時的測量阻抗來整定。即測量阻抗小于本線路阻抗時動作。如圖1所示，引入可靠系數(shù)？卷應(yīng)80.85）,保護(hù)P1的I段整定阻抗一次值為：?后？?式中各量定義？幺?1保護(hù)P1的I段整定阻抗;?被保護(hù)線路的阻抗；?可靠系數(shù)，一般取0.80.85。距離I段的整定只能保護(hù)本線路全長的80%85%。距離保護(hù)n段整定計算：II段保護(hù)延時動作，為保證選擇性，保護(hù)區(qū)不能

11、伸出相鄰線路I段保護(hù)區(qū)，即測量阻抗小于本線路阻抗于相鄰線路I段動作阻抗之和時動作。引入可靠系數(shù)？?（?一般取0.8）,保護(hù)P1的II段整定阻抗？?的:?1?(?+?式中？?衿保護(hù)P1的II段整定阻抗；?可靠系數(shù)，一般取0.8;?（相鄰線路的I段整定阻抗；保護(hù)動作時間整定：?=?+?1'2'靈敏度校驗(yàn)：距離保護(hù)II段，應(yīng)能保護(hù)線路的全長，本線路末端短路時，應(yīng)有足夠的靈敏度。由于是反映于數(shù)值的下降而動作，其靈敏系數(shù)定義為n保護(hù)裝置的動作阻抗?折保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生的金屬性+短路時故障阻抗的計算值距離保護(hù)田段整定計算：田段除了作為本線路的近后備保護(hù)外，還要作為相鄰線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)。所以除了

12、在本線故障有足夠的靈敏度外，相鄰線路故障也要有足夠的靈敏度，其測量阻抗小于負(fù)荷阻抗時起動，故動作阻抗小于最小的負(fù)荷阻抗。動作時間于電流保護(hù)田段時間有相同的配置原則，即大于相鄰線路最長的時間。2.1,2階段式零序電流保護(hù)階段式零序電流保護(hù)分為三段式：零序電流I段為瞬時零序電流速斷,只保護(hù)線路的一部分；零序電流II段為限時零序電流速斷，可保護(hù)本線路全長，并與相鄰線路零序電流速斷保護(hù)相配合，帶有0.5s延時，它與零序電流I段共同構(gòu)成本線路接地故障的主保護(hù)；零序電流III段為零序過電流保護(hù)，動作時限按階梯原則整定，它作為本線路和相鄰線路的單相接地故障的后備保護(hù)。零序電流I段保護(hù)（零序電流速斷保護(hù)）為保

13、證選擇性，破?康大于本線路末端單相或兩相接地短路時流過保護(hù)安裝處的最大的3?0?即?=?3谿?？式子中？?訪可靠系數(shù)，取1.21.3.?篇應(yīng)大于斷路器三相不同時合閘（非全相運(yùn)行）時出現(xiàn)的最大零序電流?即?=?式子中？?歷?可靠系數(shù)，取1.11.2。當(dāng)系統(tǒng)采用單相自動重合閘時，單相短路故障被切除后，系統(tǒng)處于非全相運(yùn)行狀態(tài)，并伴有系統(tǒng)震蕩，此時將會出現(xiàn)很大的零序電流3?2?若3?>?據(jù)上述原則整定），則保護(hù)將要誤動作。若按3?整定，則動作電流過大，使保護(hù)范圍縮小，不能充分發(fā)揮零序I段的作用。此時，應(yīng)設(shè)置靈敏度不同的零序電流速斷保護(hù)。靈敏的I段：？?仍按上述原則整定，因動作值小，保護(hù)范圍大，所

14、以靈敏。主要任務(wù)是對全相運(yùn)行狀態(tài)下的接地故障進(jìn)行保護(hù)。單相自動重合閘啟動時（即開始切除單相接地故障時）將其自動閉鎖，待恢復(fù)全相運(yùn)行時再重新投入。不靈敏的II段：其整定原則為?3隔?？因動作值大，保護(hù)范圍小，所以不靈敏。主要任務(wù)是專為非全相運(yùn)行狀態(tài)下（如單相自動重合閘過程中），其他兩相又發(fā)生了單相接地故障時的保護(hù)，以便將故障盡快的切除。當(dāng)然，它也能反應(yīng)全相運(yùn)行狀態(tài)下的接地故障，只是其保護(hù)范圍比靈敏I段要小。零序電流II段即限時零序電流速斷保護(hù)，其整定原則與相間短路的限時電流速斷保護(hù)相似，即考慮與下一條線路的零序I段保護(hù)相配合，n段保護(hù)區(qū)應(yīng)不超出相鄰線路零序電流I段保護(hù)，即躲過相鄰線路I段保護(hù)區(qū)末

15、端短路時流過本線路的最大三倍零序電流?=?0?2式子中喻?2不相鄰線路保護(hù)零序I段整定值，如有多條相鄰線路,則取最大值;?說可靠系數(shù)，一般取1.1.?屋零序分支系數(shù)，不大于1。為保證選擇性，按上述原則整定的零序電流II段應(yīng)比下一條線路零序電流I段的動作時限大一個時限級差？t,即？?=0.5s。限時零序電流速斷保護(hù)的靈敏系數(shù)按被保護(hù)線路末段發(fā)生接地短路時的最小零序電流來校驗(yàn)。要求？?/1.31.5,即?3?0.?n?”“,?1當(dāng)靈敏度不能滿足要求時，可與相鄰線路零序電流II段配合整定，其動作時限應(yīng)較相鄰線路II段時限延長一個時間級差零序電流III段零序過電流保護(hù)（零序電流III段）在正常時應(yīng)該不

16、起動，故障切除后應(yīng)當(dāng)返回，為保證選擇性，動作時間應(yīng)當(dāng)與相鄰線路III段按照階梯原則配合。零序電流III段保護(hù)范圍長，對于本線路和相鄰線路的接地故障，零序過電流保護(hù)都應(yīng)能夠反應(yīng)。零序電流III段的動作電流應(yīng)躲過下一線路始端（即本線路末端）三相短路時流過本保護(hù)的最大不平衡電流22?即?z?.?式子中？?.?9本線路末端三相短路時流過本保護(hù)的最大不平衡電流;?£?說可靠系數(shù)，一般取1.21.3。最大不平衡電流按下式計算:?.?=?須?式子中？?仍非周期分量系數(shù)，t=0時取1.52,t=0.5s時取1;?»TA同型系數(shù)。TA型號相同時取0.5、型號不同時取1;?亍TA誤差，取0.1

17、s;喉）?方本線路末端三相短路時流過本保護(hù)的最大短路電流。為本線路近后備的零序III段，其靈敏度應(yīng)該按本線路末端接地短路時流過本保護(hù)的最小零序電流校驗(yàn)，要求靈敏度系數(shù)大于1.3（或1.5）當(dāng)作為相鄰線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)時，應(yīng)按相鄰線路末端接地短路時流過本保護(hù)的最小零序電流校驗(yàn)，要求靈敏系數(shù)大于1.2。動作時間與相間電流保護(hù)III段的整定原則相同。2.2110kV輸電線路的保護(hù)原理2.2.1 距離保護(hù)的特點(diǎn)及基本原理距離保護(hù)是反應(yīng)故障點(diǎn)至保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離（或阻抗），并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動作時間的一種保護(hù)裝置。該裝置主要的元件為距離（阻抗）繼電器，它可根據(jù)其端子上所加的電壓和電流測知保護(hù)安裝處

18、至短路點(diǎn)間的阻抗值，此阻抗稱為繼電器的測量阻抗。當(dāng)短路點(diǎn)距保護(hù)安裝處近時，其測量阻抗小，動作時間短；當(dāng)短路點(diǎn)距保護(hù)安裝處遠(yuǎn)時，其測量阻抗增大，動作時間增大，這樣就保證了保護(hù)有選擇地切除故障線路。距離保護(hù)是有阻抗元件（阻抗繼電器）來完成保護(hù)安裝處的電壓電流的比值測量，根據(jù)比值的大小來判斷故障的遠(yuǎn)近，并利用故障的遠(yuǎn)近確定動作時間的一種保護(hù)裝置。故障距離越遠(yuǎn)，測量阻抗遠(yuǎn)大。因此測量阻抗越大，保護(hù)動作時間應(yīng)當(dāng)越長，并以此構(gòu)成三段式距離保護(hù)。其三段式距離保護(hù)的整定原則與電流保護(hù)類似。距離保護(hù)由起動元件、測量元件與邏輯回路三部分組成。距離保護(hù)可以應(yīng)用在任何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行方式多變的電力系統(tǒng)中，能有選擇性的、

19、較快的切除相間故障。當(dāng)線路發(fā)生單相接地短路時，距離保護(hù)在有些情況下也能動作：當(dāng)發(fā)生兩相短路接地故障，它可與零序電流保護(hù)同時動作，切除故障。因此，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行方式多變，采用一般的電流、電壓保護(hù)不能滿足運(yùn)行要求時，則應(yīng)考慮采用距離保護(hù)裝置。2.2.2 零序電流保護(hù)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)零序保護(hù)是電力系統(tǒng)中常用的一種保護(hù)手段，在實(shí)際的操作中有著廣泛的應(yīng)用零序過流保護(hù)不反應(yīng)三相和兩相短路，在正常運(yùn)行和系統(tǒng)發(fā)生振蕩時也沒有零序分量產(chǎn)生，所以它有較好的靈敏度。但零序過流保護(hù)受電力系統(tǒng)運(yùn)行方式變換影響較大，靈敏度因此降低，特別是短距離線路上以及復(fù)雜的環(huán)網(wǎng)中，由于速動段的保護(hù)范圍太小，甚至沒有保護(hù)范圍，致使零

20、序電流保護(hù)各段的性能嚴(yán)重惡化，使保護(hù)動作時間很長，靈敏度很低。零序保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)：中性點(diǎn)直接接地的高壓電網(wǎng)中，由于零序電流保護(hù)簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，作為輔助保護(hù)和后備保護(hù)有著廣泛應(yīng)用。它與電流保護(hù)相比具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如：一，相間短路的過電流保護(hù)按照大于負(fù)荷電流整定，繼電器的啟動電流一般為57A,而零序過電流保護(hù)則按照躲開不平衡電流的原則整定，具值一般為23A,由于發(fā)生單相接地短路時，故障相的電流與零序電流3Io相等，因此零序過電流保護(hù)的靈敏度高。止匕外，零序過電流保護(hù)的動作時限也較相間保護(hù)為短。尤其是對于兩側(cè)電源的線路，當(dāng)線路內(nèi)部靠近任一側(cè)發(fā)生接地短路時，本冊零序I段保護(hù)動作跳閘后，對側(cè)零序電流增大

21、可使對側(cè)零序I段保護(hù)也相繼動作跳閘，因而是總的故障切除時間更加縮短。二，相間短路的過電流速斷保護(hù)和時限電流速斷保護(hù)直接受到系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響很大，而零序電流保護(hù)受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響要小得多。止匕外，由于線路零序阻抗遠(yuǎn)比正序阻抗大，Xo=(23)Xi,故障線路始端與末端短路時，零序電流變化顯著，曲線較陡，因此零序I段保護(hù)的保護(hù)范圍大，也較穩(wěn)定，零序II段保護(hù)的靈敏度系數(shù)也易于滿足要求。三，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些不正常運(yùn)行狀態(tài)時，如系統(tǒng)振蕩、短時過負(fù)荷等時，三相是對稱的，相間短路的電流保護(hù)將受到它們的影響而可能誤動作，因而需要采取必要的措施予以防止，而零序電流保護(hù)則不受它們的影響。四，方向性零序保護(hù)沒

22、有電壓死區(qū)，較之距離保護(hù)實(shí)現(xiàn)簡單、可靠，在110kV及以上的高壓和超高壓電網(wǎng)中，單相接地故障約占全部故障的70%90%,而且其他的故障也往往是由于單相接地故障發(fā)展起來的，零序保護(hù)就為絕大部分的故障提供了保護(hù)，具有顯著的優(yōu)越性。零序保護(hù)的缺點(diǎn)：一，對于運(yùn)行方式變化很大或接地點(diǎn)變化很大的電網(wǎng)，保護(hù)往往不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行所提供出的要求。二，隨著單相重合閘的廣泛應(yīng)用，在重合閘的過程中將會出現(xiàn)非全相運(yùn)行狀態(tài)，再考慮系統(tǒng)兩側(cè)的發(fā)電機(jī)發(fā)生搖擺，可能會出現(xiàn)比較大的零序電流，因而影響零序電流保護(hù)的正確工作，此時應(yīng)從整定計算上予以考慮，或是單相重合閘動作過程中使之短時退出運(yùn)行。三，當(dāng)采用自偶變壓器聯(lián)系兩個不同電壓等

23、級的電網(wǎng)（如110kV和220kV電網(wǎng)），則任一電網(wǎng)中的接地短路都將在另一網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生零序電流，將使零序保護(hù)的整定配合復(fù)雜化，并將增大零序田段的保護(hù)動作時間。M110kVp2QF解：距離保護(hù)Pi的整定:3實(shí)際案例分析如圖5所示，斷路器1QF2QF處均裝設(shè)三段式相間距離保護(hù)（采用圓特性方向阻抗繼電器）R、P2,已知線路阻抗為ZM=4.4+j11.9;P2的一次整定阻抗為：？&t2=3.6Q,0s;?gt2=110.5s;?2t2=114Q,3s;MN線路輸送的最大負(fù)荷電流為500A,最大負(fù)荷功率因數(shù)角為？?o.max=40。；11001TV電壓比？?V=-?-?=1100kV,TA電流比？?A=600?5?=120。試整定距離保護(hù)R的I、II段的二次整定阻抗、靈敏度角及動作時間。1QF線路阻抗ZMN=4.4+j11.9=12.68/69.7。最靈敏角（整定阻抗角）為線路阻抗角，即？?en=?=69.7。,I段整定阻抗小于線路阻抗，可靠系數(shù)取0.8,一、二次值為:一次：?et1=0.8X12.68M10.144Q二次：？?Lt=?et1X?=10.144X需'表1n段與保護(hù)2的I段配合，整定阻抗一次值為:nn一一I?蠹1=?備(?