武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计
110kV系统接地保护的设计
1 继电保护概论
大电力系统的安全稳定运行，首先必须建立在电力系统的合理结构布局上，这是系统规划设计和运行调度工作中必须重视的问题。在此基础上，系统保护的合理配置和正确整定，同时配合系统安全自动装置（如解列装置、自动减负荷、切水轮发电机组、快速压汽轮发电机出力、自动重合闸、电气制动等），达到电力系统安全运行的目的。
鉴于机、炉、电诸部分构成电力生产中不可分割的整体，任一部分的故障均将影响电力生产的安全，特别是大机组的不断增加和系统规模的迅速扩大，使大电力系统与大机组的相互影响和协调问题成为电能安全生产的重大课题。电力系统继电保护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉设备的承受能力，机、炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。
1.1 概念
电力系统正常运行时，由于绝缘下降、污闪、风偏、雷击等原因会造成各种短路故障，严重危及电力系统和电气设备的安全运行，必需尽快将故障设备从电力系统中切除。
继电保护和安全自动装置（以下简称保护装置）是保障电力系统和电气设备安全稳定运行的应急快速反应部队，在电力系统中具有特别重要的地位。 当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备，一般通称为继电保护装置。
多年的运行实践证明，输电线路最常见的故障是各种类型的短路故障，如单相接地故障(约占90%). 两相接地故障(约占5%). 两相故障(约占2%). 三相故障(约占3%). 及少量的转换性故障。 1.2 功能
研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以沿称继电保护。基本任务是：
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当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响
继电保护的正确工作不仅有力地提高电力系统运行的安全可靠性，并且正确使用继电保护技术和装置，还可能在满足系统技术条件的前提下降低一次设备的投资。继电保护为完成其功能,必须具备以下5个基本性能：
①安全性：继电保护装置应在不该动作时可靠地不动作，即不应发生误动作现象。 ②可靠性：继电保护装置应在该动作时可靠地动作，即不应发生拒动作现象。 ③快速性：继电保护装置应能以可能的最短时限将故障部分或异常工况从系统中切除或消除。
④选择性：继电保护装置应在可能的最小区间将故障部分从系统中切除，以保证最大限度地向无故障部分继续供电。
⑤灵敏性：表示继电保护装置反映故障的能力。通常以灵敏系数Klm表示。灵敏系数有两种表达方式,即反映故障参量上升的保护灵敏系数，Klm=保护区内金属性短路时故障参量的最小计算值/保护的动作参量;反映故障参量下降的保护灵敏系数,Klm=保护的动作参量/保护区内金属性短路时故障参量的最大计算值。 继电保护须具备的 5个性能彼此紧密联系。在选择保护方案时，还应注意经济性。所谓经济性，不仅指保护装置的设备投资和运行维护费，还必须考虑由于保护装置不完善而发生误动或拒动时对国民经济所造成的损失
1.3 设计原则
电网继电保护一般要考虑的主要规则有：
（1）电力设备和线路必须有主保护和后背保护，必要是增加辅助保护，其中主保护要考虑系统稳定和设备安全；后备保护主要是考虑主保护和断路器拒动是用于故障切除；辅助保护是补充前二者的不足或在主保护退出时起保护作用； （2）线路保护之间或线路保护与设备之间应在灵敏度、选择性和动作时间上相互配合，以保证系统安全运行；
（3）对线路和设备所可能的故障或异常运行方式均应该设置相应的保护装置，以切除这些故障和给出运行的信号；
（4）对于不同电压等级的线路和设备，应根据系统运行要求配置不同的保护
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装置，一般电压等级越高，保护的性能越高越完善，如330kV以上线路或设备的主保护采用“双重化”保护装置等。
1.4 分类
继电保护可按以下4种方式分类。
①按被保护对象分类，有输电线保护和主设备保护(如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护)。
②按保护功能分类，有短路故障保护和异常运行保护。前者又可分为主保护、后备保护和辅助保护；后者又可分为过负荷保护、失磁保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护等。
③按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类，有模拟式保护和数字式保护。一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型（运算放大器）保护装置，它们直接反映输入信号的连续模拟量，均属模拟式保护；采用微处理机和微型计算机的保护装置，它们反应的是将模拟量经采样和模/数转换后的离散数字量,这是数字式保护。
④按保护动作原理分类，有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、高频（载波）保护等。
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2 整定保护
2.1 短路计算的基本假设
（1）忽略发电机，变压器，110kV架空线路，电缆线路等阻抗参数的电阻部分，并假定旋转电机的正序电抗等于负序电抗，既X1=X2 。
（2）发电机及调相机的正序电抗可采用t=0的初瞬态值Xd”的饱和值。 （3）发电机电势可以假定均等于1（标幺值）且相位一致。 （4）不考虑短路电流的衰减.
（5）不考虑电容电流和负荷电流的影响。 （6）不考虑故障点的相间电阻和接地电阻。
（7）不考虑短路暂态电流中的非周期分量和高次谐波分量。
2.2 继电保护整定基本原则
继电保护的整定原则共有四点，即： （1）可靠性 （2）选择性 （3）灵敏性 （4）速动性
如果由于电网运行方式,装置性能等原因,不能兼选择性,灵敏性和速动性的要求,则应在整定时按照如下原则进行取舍： (1) 地区电网服从主系统电网 (2) 下一级电网服从上一级电网 （3）局部问题自行消化
（4）尽可能照顾地区电网和下一级电网的需要 （5）保重要用户供电
2.3 阶段式电流、电压保护整定原则
2.3.1 构成原理及适用范围
电流、电压保护装置是反应相间短路基本特征（既反映电流突然增大，母线电压突然降低），并接于全电流、全电压的相间保护装置。整套电流、电压保护装置一般由瞬时段、定时段组成，构成三段式保护阶梯特性。
三段式电流、电压保护一般用于110kV及以下电压等级的单电源出线上，对于
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双电源辐射线可以加方向元件组成带方向的各段保护。三段式保护的Ⅰ、Ⅱ段为主保护，第Ⅲ段为后备保护段。Ⅰ段一般不带时限，称瞬时电流速断，或瞬时电流闭锁电压速断，其动作时间是保护装置固有的动作时间。Ⅱ段带较小延时，一般称为延时电流速断或延时电流闭锁电压速断。Ⅲ段称为定时限过电流保护，带较长时限。对于6—10KV线路一般采用两段式保护。两段式保护的第一段为主保护段，第二段为后备保护段。
电流、电压保护简单可靠，有一定反映弧光电阻的能力，因此，当保护性能满足要求基本要求时，应优先采用。
2.3.2 基本要求及整定计算原则
（1） 保护区及灵敏度
保护装置第Ⅰ段，要求无时限动作，保护区不小于线路全长的20%。 第Ⅱ段电流定值在本线路末端故障时灵敏度满足： ? 对50km以上的线路不小于1．3 ? 对20～50km的线路不小于1．4 ? 对20km以下的线路不小于1．5
第Ⅲ段电流定值在本线路末端故障时要求灵敏系数不小于1.5，在相邻线路末端故障时，力争灵敏系数不小于1.2。 （2）定值配合及动作时间
保护定值的配合包括电流、电压元件定值的配合及动作时间的配合。电流、电压元件定值由可靠系数保证，动作时间定值由时间级差保证。保护装置第Ⅰ段一般只保护本线的一部分，不与相邻线配合。第Ⅱ段一般与相邻线路第Ⅰ段配合，当灵敏度不足时，可与相邻线路第Ⅱ段配合。第Ⅲ段与相邻线路（或变压器）第Ⅲ段（或后备段）配合，当灵敏度足够时，为了降低Ⅲ段动作时间，也可与相邻线路第Ⅱ段配合整定。
（3）计算用运行方式及短路电流
保护定值计算，灵敏度校验及运行方式选择，均采用实际可能的最大、最小（最不利）的方式及一般故障类型，不考虑特殊方式及双重的复杂故障类型，对于无时限动作或远离电厂的保护，整定计算是不考虑短路电流衰减。 （4） 系统振荡及发电机自启动
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电流、电压保护装在双电源线路上，一般用整定值躲开振荡影响，而不设振荡闭锁装置，以便简化保护。对于振荡中心附近的母线单电源出线，当系统振荡可能拒动时，应设低电压保护装置，以保证线路故障可靠切除。对应电动机自启动可能造成后备保护误动时，应从定值上躲开或加低电压闭锁，以防止误动。
2.4 元件保护整定计算原则
变压器在电力系统中应用非常普遍，占有很重要的地位。因此提高变压器工作的可靠性，对于保证电力系统的安全稳定运行具有十分重要的意义。
现代生产的变压器，在构造上是比较可靠的，故障机会较少。但在实际运行中，还要考虑发生各种故障和异常工作情况的可能性，因此必须根据变压器的容量和重要程度装设专用的保护装置。
变压器的故障可分为本体故障和引出线故障两种。本体故障主要是：相间短路、绕组的匝间短路和单相接地短路。发生本体故障是很危险的。因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组的绝缘，烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油受热分解而产生大量的气体，还可能引起变压器油箱的爆炸。变压器的引出线故障主要是：引出线上绝缘套管的故障，这种故障可能导致引出线的相间或接地短路。 变压器的异常工作情况主要是：由于外部短路和过负荷引起的过电流，过电压，过激磁及其他异常工作情况（油面降低，油温升高，冷控失电以及冷却器全停等）
2.5 变压器的保护配置
（1） 防御变压器内部（本体和引出线）的多相短路,大接地系统单相接地短路以及绕组匝间短路的差动保护。
（2） 防御相间短路的相间后备保护（复合电压闭锁过流） （3） 防御大接地系统变压器中性点过电压的间隙保护。 （4） 防御大接地系统接地短路的零序电流保护。 （5） 防御变压器过负荷的过负荷保护。 （6） 变压器的非电量保护。
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2.6 阶段式零序电流保护的整定计算
在电力系统中发生接地短路时，如下图2-1（a）所示，可以利用对称分量的
方法将电流和电压分解为正序、负序、零序分量，并利用复合序网来表示它们之间的关系。短路计算的零序网络图如图2-1（b）所示，零序电流是由在故障点施加的零序电压Uk0产生的，它经过线路、接地变压器的接地支路（中性点接地）构成回路。零序电流的规定正方向，仍然采用由母线流向线路为正，而对零序电压的正方向，规定线路高于大地的电压为正。因此可知零序分量的参数具有下列特点：
（a）系统接线图
（b）零序网络图
（c）零序电压的分布图 图2.1 系统接地短路图
（1）零序电压
零序电源在故障点，故障点的零序电压最高，系统中距离故障点越远处的零序电压越低，取决于测量点到大地间阻抗的大小。零序电压的分布如图2-1（c）所示。在电力系统运行方式变化时，如果送电线路和中性点接地变压器位置、数
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目不变，则零序阻抗和零序等效网络就是不变的。而此时，系统的正序阻抗和序列阻抗要随着运行方式而变化，正、负序阻抗的变化将引起故障点处Uk1、Uk2、
Uk0三序电压之间分配的改变，因而间接影响零序分量的大小。
（2）零序电流
由于零序电流是由零序电压Uk0产生的，由故障点经由线路流向大地。流过故障点两侧线路保护的电流I0?和I0??将超前Uk090°；而当计及回路电阻时，列如取零序阻抗角为80°时，I0?和I0??将超前Uk0100°。零序电流的分布，主要取决于送电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关。
（3）零序功率及电压、电流相位关系
对于发生故障的线路，两端零序功率方向与正序功率方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。从任一保护安装处的零序电压和零序电流之间的关系看，例如保护1，由于A母线上的零序电压U*A0实际上是从该点到零序网络
中性点之间零序阻抗上的电压降，因此可以表示为 U。A0 =(- I?0)ZT10 （1）
。A0。式中ZT10是变压器T1的零序阻抗, U流向故障处的零序电流。
为A母线上的零序电压，I?0为从A母线
。 该处零序电流和零序电压之间的相位差也将由ZT10的阻抗角决定，而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。用零序电流和零序电压的幅值以及它们的相位关系即可以实现接地短路的零序电流和方向保护。
2.6.1保护Ⅰ段整定
（1）按躲开本线路末端接地短路的最大零序电流整定，即
??I0.max Iop（2） 1=3?Krel?式中，Krel——可靠系数，取1.2～1.3；计算时取1.3，
I0.max——线路末端接地短路时流过保护的最大零序电流。
（2）零序电流保护Ⅰ段的保护最小保护范围亦要求不小于本保护线路长度的15%。
（3） 整定的动作延时为0。
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2.6.2 保护Ⅱ段整定 此段保护按满足以下条件整定：
（1）按与相邻下一级线路的零序电流保护Ⅰ段配合整定，即 I?op1 =
KrelIop2Kbmin?? （3）
?式中 ，Krel—— 可靠系数，取1.2；
Kbmin?—— 分支系数，按实际情况选取可能的最小值；
Iop2—— 相邻下一级线路的零序电流保护Ⅰ段整定值。
（2）当按此整定结果达不到规定灵敏系数时，可改为与相邻下一级线路的零序电流保护Ⅱ段配合整定：
? Iop1=
KrelIop2Kbmin?? （4）
（3）零序Ⅱ段的灵敏度校验：
? Ksen =
3I0minI?op1≥1.5 （5）
（4）零序电流保护Ⅱ段的动作时间：
?1.0s （6） 当动作电流按式（1）计算时， t? op1??top2??t （7） 当动作电流按式（2）计算时， t? op12.6.3 保护Ⅲ段整定
此段保护一般是起后备保护作用。Ⅲ段保护通常是作为零序电流保护Ⅱ段保护的补充作用。零序电流保护Ⅲ段保护按满足以下条件整定：
（1）按躲开下一条线路出口处发生三相短路时，流过保护装置的最大不平衡电流来整定
???????KI Iop1relunb.max (8)
???式中， Krel —— 可靠系数，取1.25。
Iunb.max —— 最大不平衡电流。 其中
3） Iunb.max=Knp?Kst?Ker?I（d.max (9)
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式中， Knp——非周期分量系数，取1～2； Kst——电流互感器的同性系数，取0.5； Ker——电流互感器的10%误差，取0.1；
) Id(3.max——本线路末端三相短路的最大短路电流。
（2）零序Ⅲ段的灵敏度校验：
当作为近后备保护时，
??? Ksen?3I0minI???op1?1.5 (10)
当作为远后备保护时，
??? Ksen?3I1minKbmaxI???op1?1.3 (11)
式中， I0min——本线路末端短路时在最小方式运行下的最小零序电流。
I1min——下一级线路末端短路时在最小方式运行下的最小零序电流。 Kbmax——最大分支系数。 （3）零序电流保护Ⅲ段的动作时间：
时限的确定:对于环型网络,若按阶梯原则与相邻线路配合时,会产生断路器误动的现象因此应找出解环点所以必须选出某一线路的保护Ⅲ段与其相邻的保护Ⅱ段配合此即环网保护Ⅲ段的动作时限的起始点，此起始点的选择原则是：应考虑尽可能使整个环网中保护三段的保护灵敏度较高。
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3 110KV系统接地保护设计
3.1 电网的保护装置与自动装置
由系统网络图可知，不管在什么运行情况下，系统中都有变压器接地，因此发生短路故障时有零序电流出现，由于零序电流保护简单、经济、可靠，发生故障时零序电流很大，所以零序电流保护的灵敏度也高，在中性点直接接地的高压电网中十分适用，在此系统网络中也选用零序电流保护。
对于自动装置，可以选用自动重合闸，加入自动重合闸后，当线路出现故障，继电保护使断路器跳闸后，自动重合闸装置经短时间间隔后使断路器重新合上 。大多数情况下，线路故障（如雷击、风害等）是暂时性的，断路器跳闸后线路的绝缘性能（绝缘子和空气间隙）能得到恢复，再次重合能成功，这就提高了电力系统供电的可靠性。少数情况属永久性故障，自动重合闸装置动作后靠继电保护动作再跳开，查明原因，予以排除再送电。一般情况下，线路故障跳闸后重合闸越快，效果越好。重合闸允许的最短间隔时间为0.15～0.5秒 。线路额定电压越高，绝缘去电离时间越长。
为了能尽量利用重合闸所提供的条件以加速切除故障，继电保护与之配合时，一般采用重合闸前加速和重合闸后加速保护两种方式。此系统是110KV系统，应该采用重合闸后加速保护，采用后加速保护时，线路发生故障时，第一次有选择性地切除故障，不会扩大停电范围，保证了永久性故障能瞬时切除，并仍然是有选择性的。
3.2 零序电流保护整定计算
零序电流保护包括无时限零序电流保护、带时限零序电流保护和零序过电流
保护，包含此三种保护的保护装置称为三段式零序电流保护，在系统中采用三段式零序电流保护。
3.2.1 无时限零序过电流速断保护（保护Ⅰ段）
无时限零序电流保护应躲过相邻的下一线路出口，即本线路末端（亦即图中B点）单相或亮相接地短路时可能出现的最大3倍零序电流3I0max，即：
?I0.max Iop1=3?Krel?（1） 对于AB线路，应躲过B点的最大3倍零序短路电流3I0B.max,计算如下：
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X1??X2??(30??10?)||(30??10?)?20??40?
X0??10?||10??40??45?
由于X0??X1?，因此当出现单相接地短路故障时零序电流有最大值I0B.max。 I0B?max?EsX1??X2??X0?115/3
=
40?40?45 kA
=0.531 kA
??I0.max=3?1.2?0.531 kA = 1.912kA Iop=3?Krel1灵敏度校验：
设保护范围为L，则有：
1.912?3?115/3[(30?10)||(30?10)?20L]?2?10||10?40L
解出保护范围L=73.97 % > 15 % ，满足灵敏度的要求。 整定动作时间top1?0。
?对于BC线路，应躲过C点的最大3倍零序短路电流3I0C。max，计算如下： X1??X2??(30??10?)||(30??10?)?20??20??60? X0??10?||10??40??40??85?
由于X0??X1?，因此当出现单相接地短路故障时零序电流有最大值I0C。max。 I0C。max?EsX1??X2??X0?115/3
=
60?60?85 kA
=0.324 kA
??I0.max=3?1.2?0.324 KA = 1.166kA Iop2=3?Krel灵敏度校验：
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设保护范围为L，则有：
1.166?3?115/3[(30?10)||(30?10)?20?20L]?2?10||10?40?40L
解出保护范围L=57.29 % > 15 % ，满足灵敏度的要求。
? 整定动作时间top?0。 2对于CD线路，应躲过D点的最大3倍零序短路电流3I0D。max，计算如下： X1??X2??(30??10?)||(30??10?)?20??20??40??100? X0??10?||10??40??40??80??165?
由于X0??X1?，因此当出现单相接地短路故障时零序电流有最大值I0C.max。 I0C?max?EsX1??X2??X0?115/3
=
100?100?165 kA
=0.182 kA
??I0.max=3?1.2?0.182 kA = 0.655 kA Iop3=3?Krel灵敏度校验：
设保护范围为L，则有：
0.655?3?115/3[(30?10)||(30?10)?20?20?40L]?2?10||10?40?40?80L
解出保护范围L=61.94 % > 15 % ，满足灵敏度的要求。
??0。 整定动作时间top33.2.2 带时限零序电流保护（保护Ⅱ段）
线路AB的Ⅱ段保护应与相邻下一线路（即BC线路）的零序电流保护Ⅰ段配合，即
I?op1 =
KrelIop2Kbmin??
其中，Kbmin=
IBCIAB?IAB?IBIAB?1?IBIAB
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设发电机至母线B的等效零序阻抗为XA，B母线经变压器到地的零序等效阻抗为XB，则
Kbmin=1?XXAB
由上式可以看出，当XA取最小值，XB取最大值时，即在最大运行方式下，单台变压器中性点接地运行时，Kbmin有最小值。此时，XA=45?，XB=50?，
Kbmin??=1?45501.9=1.9
Iop1=1.2? 1.166 kA = 0.736 kA
灵敏度校验：
Ksen? =
3I0minIop1?
而在最小运行方式下发生接地短路时，AB线路末端零序短路电流有最小值
I0Bmin。此时：
X1??X1??(30??10?)?20??60?
X0??10??40??50?
由于X0? I0Bmin?EsX1??X1??X0?115/3 = 60?60?50 kA =0.391kA Ksen? = 3I0BminI?op1 = 3?0.3910.736 =1.594 > 1.3 满足灵敏度的要求。 整定时间top1?1.0s。 ? 14 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 3.2.3 零序定时限过电流保护（保护Ⅲ段） 按躲开下一条线路出口处发生三相短路时，流过保护装置的最大不平衡电流 来整定： Iop1?KrelIunb.max ???(3) =Krel?Knp?Kst?Ker?Id.max ?????? 当在最大运行方式下B母线处发生三相短路时： Id.max?(3)EsX1?= 115/3(30?10)||(30?10)?20 kA =1.670 kA Iop1 = Krel?Knp?Kst?Ker?Id.max ??????(3)=1.2×1.5×0.5×0.1×1.670 kA = 0.149 kA 灵敏度校验： ①作为近后备保护时 Ksen???= 3I0minIop1???= 3?0.3910.149=7.87 > 1.5 满足要求。 ②作为远后备保护时 Ksen????3I1minKbmaxI???op1 其中I1min是系统最小运行方式下下一级线路末端（即C母线处）发生短路时的零序电流值。KbKbm= m是最大的分支系数，由前述知=1?XXABIBCIAB?IAB?IBIAB?1?IBIAB，则应使XA最大，为单电源最小方式下 运行；使XB最小，为两变压器接地运行，则C母线处发生短路时可得： X1??X2?=（30?+10?）+20?+20?=80? X0?=（10?+40?）+40?=90? 15 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 EsX1??X1??X0?115/3I1min= = 80?80?90KA =0.266kA 1? Kbma=xXXAB =1?=3 ??? Ksen?10?4050||503I1minKbmaxIop1=???3?0.2663?0.149=1.79>1.3 满足要求。 ?????????top2??t（此处的top2应根据保护3处的Ⅲ段的整定时间来进行 整定时间t?op1整定，而保护3处的Ⅲ段的整定时间要根据D母线以后的Ⅲ段整定时间来整定，由于缺少参数，故计算到此为止）。 16 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 4 二次回路断线闭锁 电压互感器二次回路在运行中容易发生单相接地和相间短路，造成保护装置交流失压，失压引起保护装置的误动，造成不应有的损失。由于这种不利因素的存在，许 多保护装置在设计时都考虑了断线闭锁回路。变电站中PT发生断线是一种常见的故障。一旦PT断线失压，会使得保护装置的电压量发生偏差，从而造成电动机和进线的低电压保护不正确动作，给工厂生产造成较大影响，为此，在工厂供电中，对于电动机和进线回路，当发生PT及PT二次回路故障时保护装置必须准确判断和处理，避免保护误动作。 4.1 断线闭锁保护的原理 1JB N600 1YMa 1YMb 1YMc YMN JD YHa YHb YHc 1ZK A602 A601 2ZK B602 B601 3ZK C601 C602 C G A630I B630I C630I 图4-1 PT电压回路接线图 断路闭锁接线如图所示，断线闭锁继电器由两个线圈组成，一个线圈接在由3个电容器组成的零序电压虑过器输出端，另一个线圈接在电压互感器开口三角形组成的零序滤过器上，且2个线圈极性相反，产生的势相互抵消。正常情况下，由于三相对称，由三个电容器组成的零序电压滤过器没有输出，断线闭锁继电器K线圈1中无电流，继电器不启动。当发生一相或两线断线是，由于加在断线闭锁元件电压三相不对称，断线闭锁继电器线圈1有电流流过，继电器启动，将保护闭锁。为了防止三相熔断器同时熔断，在其中一相熔断器上并联一个电容器，如图5-1所示。当三相熔断器同时熔断时，并联电容器的一相仍然可以构成闭锁通路，闭锁元件仍然可以起到闭锁作用。当一次系统出现接地短路故障时，由于存在零序分量，由三个电容构成的零序电压滤过器有输出。为防止此时的误闭锁，继电器的线圈2接在电压互感器的开口三角形侧，也有零序电压存在，流过2线圈的电流产生的磁势相互抵消，继电器不启动，保护不被闭锁。 4.2 三相电压求和闭锁元件 17 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 正常运行时，三相电压基本对称。若电压互感器二次回路完好，相电压依次为Ua、Ub、Uc，三相电压的向量和Ua+Ub+Uc=0.即使出现不平衡电压，数值也很小。当电压互感器二次出现一相或两相断线时，三相电压的对称被破坏，出现较大的零序电压。当a相断线时，平衡被破坏，三相电压向量和Ua+Ub+Uc≠0。 当三相电压互感器断线时，三相电压数值和为|Ua|+|Ub|+|Uc|≈0，实际采用|Ua|+|Ub|+|Uc|≤0.5UN(UN为一定值)条件作为判据。在一相或两相断线时，三相电压数值和为|Ua|+|Ub|+|Uc|≥UpN（UpN为额定相电压）。因此，可以通过判别三相电压的向量和大小来判断一相或两相断路；通过判别三相电压数值和大小可以判别三相电压断线。通过检测电压互感器开口三角形零序电压与三相电压向量和的差作为断线闭锁的依据，动作条件方程为： Ud=|KUx -（Ua+Ub+Uc）| 上式中Ud为差电压； Ux是根据电路系统设定的值； 相电压依次为Ua、Ub、Uc。 K为计及电压互感器变比的系数，中性点直接接地系统时K=1/3，中性点不直接接地系统时K=3。 上式为三相断线时发送闭锁信号和不发送闭锁信号的临界情况。 4.3二次回路断线闭锁判定 根据以上断线失压工作原理的分析电压互感器二次一相或两相断线的判据是: |Ua+Ub+Uc|≥U式中UPNPN 是一整定值，根据电网的实际情况整定； 在实际中常选用|Ua+Ub+Uc|≥8V。即为一相或两相断线的判据。 当发生三相断线时，考虑到出口处保护安装处的电压很低，此时若用|Ua|+|Ub|+|Uc|≤0.5U条件判别，将造成严重后果。为了保证断线闭锁元 N件工作可靠性，可考虑检测电流是否大于负荷电流，则动作条件是： |Ua|+|Ub|+|Uc|≤0.5U，Iop≥Iset N式中，Ua、Ub、Uc为电压互感器二次侧电压; UN为根据电力系统整定的定值; 18 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 Iset为整定电流，可取过电流保护定值; Iop为测得的电流值。 19 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 5 AB线路接地保护 5.1 原理图 综合以上分析及计算可以得到AB接地保护三段式零序保护原理框图如图5-1所示。 QFYRQF信号信号信号KS3KS6KS9KA1I1KMKA4I2KT5t1KA7I3KT8t2TA 图5-1 三段式零序电流保护的原理框图 5.2 展开图 三段式电流保护电路的原理展开图如图5-2所示。 KA1KT5KA4KA7KS3KMKS6KT5KS9KT8QFYRKT8 TAKA7KA8KA9 （a）交流回路展开图 KM （b）直流回路展开图 20 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 W 1 2 3 信（c）信号回路图 图5-2 三段式电流保护电路的原理展开图 电压互感器二次回路在运行中容易发生单相接地和相间短路，造成保护装置交流失压，失压引起保护装置的误动，造成不应有的损失。由于这种不利因素的存在，许 多保护装置在设计时都考虑了断线闭锁回路。变电站中PT发生断线是一种常见的故障。一旦PT断线失压，会使得保护装置的电压量发生偏差，从而造成电动机和进线的低电压保护不正确动作，给工厂生产造成较大影响，为此，在工厂供电中，对于电动机和进线回路，当发生PT及PT二次回路故障时保护装置必须准确判断和处理，避免保护误动作。 21 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 6 平面布置图 平面布置图如下所示： A I段保护 aA II段保护 b A III段保护 c B I段保护 B II段保护 B III段保护 键盘输入 按钮 指示灯 转换开关 图6.1 平面布置图 在继电器屏面上，左下角是继电器的按钮开关，打开开关才有继电保护功能，打开时指示灯亮。另中间有三个端子a、b和c是接入电流互感器的二次侧，继电器上有两组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段保护的开关显示屏，显示各段保护开关的开断情况，有两组的转换开关。右下角有键盘，可以从中输入各段保护的电流整定动作值和动作时间，可以再显示屏上显示。 需要继电保护时，先在键盘输入保护值，在按下按钮开关，指示灯亮，按转换开关，观察两组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段的关断情况，从而判定保护的作用。 22 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 小结 课程设计是实践课的一种，在很大程度上实现了动手与动脑，理论与实际的相互结合，既是对工业环境的一个简单缩影，又是对理论知识的一种检验，很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡。 通过本次继电保护课程设计，我更加充分的理解了课本上的知识，并能够加以扩展，从而应用于实践当中。这几天的课程设计令我受益匪浅，很多平时模棱两可的知识点都认真复习并实践了。我对继电保护提升了认识，我意识到我们所学的东西将来都是要付诸实践的，所以一切要从实际情况出发，理论联系实际，这样才能真正发挥我们所具备的能力。 此次课程设计首先让我明白了继电保护存在的重要意义，必须经过精密的设计和计算。在进行课题设计的过程中，加深了我对零序电流的认识，对三段式继电保护的求解思路有了比较透彻的理解。同时也看到了研究性学习的效果，从研究中去学习，理论结合实际，将理论运用到实际，同时在实践中发现问题，然后解决问题， 这次课程设计，也让我发现了自己的理论知识也还存在很多的不足。而且还给我不小的阻碍，但自己通过学习，查找资料等跨越了这些障碍。在这个过程中，我明白了，只要用心去做，认真去做，持之以恒，就会有新的发现，有意外的收获。也感谢老师和同学们对我的帮助。 23 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 参考文献 [1]张保会，尹项根.电力系统继电保护.北京：中国电力出版社，2009 [2]李成明.电力系统继电保护实用技术问答.北京：中国电力出版社，2008 [3]杨玉敏.电力系统继电保护原理及应用.北京：中国电力出版社，2006 [4王大鹏，王艳丽.电力系统继电保护测试技术.北京：中国水利出版社，2003 [5]沈诗佳.电力系统继电保护及二次回路.北京：北京科学技术出版社，2007 [6]尹项根，曾克娥.电力系统继电保护原理与应用.武汉：华中科技大学出版社，2001 [7]吴必信.电力系统继电保护同步训练.北京：中国电力出版社，2009 24 武汉理工大学《电力系统继电保护及其自动化》课程设计 25