110kV輸電線路繼電保護設(shè)計

第頁本科課程設(shè)計課程名稱：電力系統(tǒng)繼電保護原理設(shè)計題目：110kV輸電線路繼電保護設(shè)計院部：電力學院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：1304姓名：學號：1310240107成績：指導(dǎo)教師：李莉李靜日期：2019年6月20日——6月28日課程設(shè)計成績考核表學期第六學期姓名專業(yè)電氣工程及其自動化班級1304課程名稱電力系統(tǒng)繼電保護原理設(shè)計題目110kV輸電線路繼電保護設(shè)計評分評定指標分值得分知識創(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原理課程設(shè)計對110kV輸電線路進行了全面的介紹，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設(shè)置，110kV輸電線路保護的主體是距離保護及零序電流保護，距離保護又分為相間距離保護及接地距離保護，分別反應(yīng)相間短路故障于接地短路故障。最后對110kV輸電線路的保護進行了實際案列分析。針對110kV輸電線路保護配置，重點對距離保護做了詳細的案例分析。目錄1110kV輸電線路故障分析 11.1故障引起原因 11.2故障狀態(tài)及其危害 21.3短路簡介及類別 32110kV輸電線路保護 52.1110kV輸電線路的保護方法 52.1.1距離保護的整定計算方法 52.1.2階段式零序電流保護 72.2110kV輸電線路的保護原理 102.2.1距離保護的特點及基本原理 102.2.2零序電流保護的特點及優(yōu)缺點 113實際案例分析 144結(jié)論 16參考文獻 171110kV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：=1\*GB3①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)面積大或斷線等事故。=2\*GB3②大風風速超過或接近設(shè)計風速，加之線路木身的局部缺陷，如超過桿塔機械強度，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擺可能造成混線短路故障。=3\*GB3③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、沉降或是更嚴重的倒桿倒塔故障。=4\*GB3④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行，也可能造成嚴重的事故。=5\*GB3⑤覆冰當線路導(dǎo)線、避雷線上出現(xiàn)嚴重覆冰時，首先是加重導(dǎo)線和桿塔的機械負荷，使導(dǎo)地線弧垂過分增大，從而造成混線、斷線或倒桿倒塔、橫擔變形；當導(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€及避雷線之間短路故障。=6\*GB3⑥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，有此氧化作用很強的氣體，則會腐蝕金屬塔、導(dǎo)線、避雷線和金具等。=7\*GB3⑦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。=8\*GB3⑧本體缺陷由于線路如工藝問題、電氣距離問題、材料質(zhì)量等本體缺陷原因，在長時間受微風振動、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：=1\*GB3①通過短路點的很大短路電流和所燃起的電弧，使故障元件損壞。=2\*GB3②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。=3\*GB3③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。=4\*GB3④破壞電力系統(tǒng)中各發(fā)電廠之間并列運行的穩(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為電阻降低而引起電流異常增大的一種現(xiàn)象；電力系統(tǒng)在運行中，相及相之間或相及地〔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，但是相序(時間)不同。=1\*GB3①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)中一根相線及大地成等電位狀態(tài)了，也就是該相線的電位及大地的電位相等，都是“零”，非故障兩相電壓接近正常電壓，負荷電流接接近正常，故非故障相工作狀態(tài)及正常負荷狀態(tài)相差不大。圖1單相接地短路=2\*GB3②兩相短路（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。圖2兩相短路=3\*GB3③兩相短路接地（如圖3所示）兩相短路接地是指三相交流供電系統(tǒng)中兩根相線及大地成等電位狀態(tài)了，此時故障點處兩接地相的電壓都為零。圖3兩相短路接地=4\*GB3④三相對稱短路（如圖4所示）三相對稱短路是指三相全部短路，三相對稱性短路時，故障點處的各相電壓相等，且在三相系統(tǒng)對稱時均都為零。此種短路情況最為嚴重，對電力系統(tǒng)的損害極大。圖4三相對稱短路2110kV輸電線路保護目前，我國110kV輸電線路在電網(wǎng)中的主要作用是連接地區(qū)220kV變電所及城市配電網(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)電廠及系統(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輸電線路保護的主體是距離保護及零序電流保護，距離保護又分為相間距離保護及接地距離保護，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作為相間短路故障的保護方式，采用階段式零序電流保護作為接地短路的保護方式。對極個別非常短的線路，如有必要也可以考慮采用縱差保護作為主保護。2.1110kV輸電線路的保護方法2.1.1距離保護的整定計算方法距離保護Ⅰ段整定計算：距離保護Ⅰ段定值按躲過本線路末端故障，整定距離保護第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)KrelI(0.8~0.85)，保護P1的I段整定阻抗一次值Z式中各量定義Zset1ⅠZMN～被保護線路的阻抗KrelⅠ～可靠系數(shù)，一般取距離I段的整定只能保護本線路全長的80％～85％。距離保護Ⅱ段整定計算：Ⅱ段保護延時動作，為保證選擇性，保護區(qū)不能伸出相鄰線路Ⅰ段保護區(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)KrelⅡ（一般取0.8），保護P1的Ⅱ段整定阻抗ZZ式中Zset1Ⅱ～保護P1的ⅡKrelⅡ～可靠系數(shù)，ZNP～保護動作時間整定：t靈敏度校驗：距離保護Ⅱ段，應(yīng)能保護線路的全長，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K距離保護Ⅲ段整定計算：Ⅲ段除了作為本線路的近后備保護外，還要作為相鄰線路的遠后備保護。所以除了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，其測量阻抗小于負荷阻抗時起動，故動作阻抗小于最小的負荷阻抗。動作時間于電流保護Ⅲ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階段式零序電流保護分為三段式：零序電流I段為瞬時零序電流速斷，只保護線路的一部分；零序電流II段為限時零序電流速斷，可保護本線路全長，并及相鄰線路零序電流速斷保護相配合，帶有0.5s延時，它及零序電流I段共同構(gòu)成本線路接地故障的主保護；零序電流III段為零序過電流保護，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。=1\*GB3①零序電流I段保護（零序電流速斷保護）為保證選擇性，IsetⅠ應(yīng)大于本線路末端單相或兩相接地短路時流過保護安裝處的最大的3I0.maxI式子中KrelⅠ～可靠系數(shù)，取1.2IsetⅠ還應(yīng)大于斷路器三相不同時合閘（非全相運行）時出現(xiàn)的最大零序電流I式子中KrelⅠ～可靠系數(shù)，取1.1～當系統(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3I0.unc。若3I0.unc>IsetⅠ（靈敏的I段：IsetⅠ仍按上述原則整定，因動作值小，保護范圍大，所以靈敏。主要任務(wù)是對全相運行狀態(tài)下的接地故障進行保護。單相自動重合不靈敏的II段：其整定原則為I因動作值大，保護范圍小，所以不靈敏。主要任務(wù)是專為非全相運行狀態(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，以便將故障盡快的切除。當然，它也能反應(yīng)全相運行狀態(tài)下的接地故障，只是其保護范圍比靈敏I段要小。=2\*GB3②零序電流II段即限時零序電流速斷保護，其整定原則及相間短路的限時電流速斷保護相似，即考慮及下一條線路的零序I段保護相配合，Ⅱ段保護區(qū)應(yīng)不超出相鄰線路零序電流Ⅰ段保護，即躲過相鄰線路Ⅰ段保護區(qū)末端短路時流過本線路的最大三倍零序電流I式子中I0.set2Ⅰ～相鄰線路保護零序KrelⅡKbr0～零序分支系數(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t1Ⅱ限時零序電流速斷保護的靈敏系數(shù)按被保護線路末段發(fā)生接地短路時的最小零序電流來校驗。要求KsenK當靈敏度不能滿足要求時，可及相鄰線路零序電流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。=3\*GB3③零序電流III段零序過電流保護（零序電流III段）在正常時應(yīng)該不起動，故障切除后應(yīng)當返回，為保證選擇性，動作時間應(yīng)當及相鄰線路III段按照階梯原則配合。零序電流III段保護范圍長，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的最大不平衡電流Iunb.maxK式子中Iunb.max～本線路末端三相短路時流過本保護的最大不平衡電流KrelⅢ～可靠系數(shù)，一般取1.2～最大不平衡電流按下式計算：I式子中Kaper～非周期分量系數(shù)，t=0時取1.5～2，t=0.5s時取1Kss～TA同型系數(shù)。TA型號相同時取0.5、型號不同時取1Ker～TA誤差，取0.1sIK.max(3)～本線路末端三相短路時流過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的最小零序電流校驗，要求靈敏度系數(shù)大于1.3（或1.5）。當作為相鄰線路的遠后備保護時，應(yīng)按相鄰線路末端接地短路時流過本保護的最小零序電流校驗，要求靈敏系數(shù)大于1.2。動作時間及相間電流保護III段的整定原則相同。2.2110kV輸電線路的保護原理2.2.1距離保護的特點及基本原理距離保護是反應(yīng)故障點至保護安裝地點之間的距離（或阻抗），并根據(jù)距離的遠近而確定動作時間的一種保護裝置。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安裝處至短路點間的阻抗值，此阻抗稱為繼電器的測量阻抗。當短路點距保護安裝處近時，其測量阻抗小，動作時間短；當短路點距保護安裝處遠時，其測量阻抗增大，動作時間增大，這樣就保證了保護有選擇地切除故障線路。距離保護是有阻抗元件（阻抗繼電器）來完成保護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近，并利用故障的遠近確定動作時間的一種保護裝置。故障距離越遠，測量阻抗遠大。因此測量阻抗越大，保護動作時間應(yīng)當越長，并以此構(gòu)成三段式距離保護。其三段式距離保護的整定原則及電流保護類似。距離保護由起動元件、測量元件及邏輯回路三部分組成。距離保護可以應(yīng)用在任何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行方式多變的電力系統(tǒng)中，能有選擇性的、較快的切除相間故障。當線路發(fā)生單相接地短路時，距離保護在有些情況下也能動作:當發(fā)生兩相短路接地故障，它可及零序電流保護同時動作，切除故障。因此，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行方式多變，采用一般的電流、電壓保護不能滿足運行要求時，則應(yīng)考慮采用距離保護裝置。2.2.2零序電流保護的特點及優(yōu)缺點零序保護是電力系統(tǒng)中常用的一種保護手段，在實際的操作中有著廣泛的應(yīng)用零序過流保護不反應(yīng)三相和兩相短路，在正常運行和系統(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。但零序過流保護受電力系統(tǒng)運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，由于速動段的保護范圍太小，甚至沒有保護范圍，致使零序電流保護各段的性能嚴重惡化，使保護動作時間很長，靈敏度很低。零序保護的優(yōu)點：中性點直接接地的高壓電網(wǎng)中，由于零序電流保護簡單、經(jīng)濟、可靠，作為輔助保護和后備保護有著廣泛應(yīng)用。它及電流保護相比具有獨特的優(yōu)點，例如：一，相間短路的過電流保護按照大于負荷電流整定，繼電器的啟動電流一般為5～7A，而零序過電流保護則按照躲開不平衡電流的原則整定，其值一般為2～3A,由于發(fā)生單相接地短路時，故障相的電流及零序電流3I0相等，因此零序過電流保護的靈敏度高。此外，零序過電流保護的動作時限也較相間保護為短。尤其是對于兩側(cè)電源的線路，當線路內(nèi)部靠近任一側(cè)發(fā)生接地短路時，本冊零序Ⅰ段保護動作跳閘后，對側(cè)零序電流增大可使對側(cè)零序Ⅰ段保護也相繼動作跳閘，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和時限電流速斷保護直接受到系統(tǒng)運行方式變化的影響很大，而零序電流保護受系統(tǒng)運行方式的影響要小得多。此外，由于線路零序阻抗遠比正序阻抗大，X0=（2～3）X1，故障線路始端及末端短路時，零序電流變化顯著，曲線較陡，因此零序Ⅰ段保護的保護范圍大，也較穩(wěn)定，零序Ⅱ段保護的靈敏度系數(shù)也易于滿足要求。三，當系統(tǒng)發(fā)生某些不正常運行狀態(tài)時，如系統(tǒng)振蕩、短時過負荷等時，三相是對稱的，相間短路的電流保護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，而零序電流保護則不受它們的影響。四，方向性零序保護沒有電壓死區(qū)，較之距離保護實現(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，零序保護就為絕大部分的故障提供了保護，具有顯著的優(yōu)越性。零序保護的缺點：一，對于運行方式變化很大或接地點變化很大的電網(wǎng)，保護往往不能滿足系統(tǒng)運行所提供出的要求。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)非全相運行狀態(tài)，再考慮系統(tǒng)兩側(cè)的發(fā)電機發(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行。三，當采用自偶變壓器聯(lián)系兩個不同電壓等級的電網(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，將使零序保護的整定配合復(fù)雜化，并將增大零序Ⅲ段的保護動作時間。3實際案例分析如圖5所示，斷路器1QF、2QF處均裝設(shè)三段式相間距離保護（采用圓特性方向阻抗繼電器）P1、P2，已知線路阻抗為ZMN=4.4+j11.9；P2的一次整定阻抗為：Zset2Ⅰ=3.6Ω，0s；Zset2Ⅱ=11Ω，0.5s；Zset2Ⅲ=114Ω,3s；MN線路輸送的最大負荷電流為500A，最大負荷功率因數(shù)角為φLo.max=圖5解：距離保護P1的整定：線路阻抗ZMN=4.4+j11.9=12.68