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220KV中性点直接接地电网继电保护设计

摘要

在电力系统中,电力系统中性点的接地方式一般是指供电或者配电端电力变压器中性点的接地方式,接地方式的选择直接影响到电力运行的安全性¸稳定性和经济性.随着电力科学技术的不断发展和我国电网结构的日趋复杂,出现了许多新型的接地技术以及新的接地标准.。

本设计对220KV电网进行了继电保护和自动装置整定计算，根据本在满足继电保护“四性”要求的前提下，求得最佳方案，电网的特点和运行要求分别配置了零序、距离、高频以及横差保护，最后对全套保护进行了评价.

地自动选线环节，有效的解决了中性点经消弧线圈接地方式的电网，长期难以解决的技术问题。

该装置的Z型结构接地变压器，具有零序阻抗小，损耗低，并可带二次负荷，其可调电抗器为无级连续可调铁芯全气隙结构，具有调节特性好、线性度高、噪声低等特点，装置采用消弧线圈串电阻接地方式，以抑制消弧线圈导致谐振的问题，其微机控制单元是实现自动跟踪检测、调节、选线的核心，系统的响应时间小于20s，由过补、欠补、最小残流三种运行方式。

2.220kv中性点直接接地电网的继电保护设计

2.1线路继电保护配置

保护方式的选择对电力系统的安全运行有直接的影响。

选择保护方式时，在满足继电保护“四性”要求的前提下，应力求采用简单的保护装置来达到系统提出的要求，只有当简单的保护不能满足要求时，才采用较复杂的保护。

对110～220kV中性点直接接地电网中的线路，应装置反应接地短路和相间短路的保护。

电力设备和线路的短路保护应有主保护和后备保护，必要时可再增设辅助保护。

在110～220kV中性点直接接地的电网中，线路的相间短路保护及单相接地短路保护均应动作于断路器使其跳闸。

220kV线路则宜采用近后备方式，如能实现远后备方式时，则宜采用远后备方式或同时采用远、近后备结合的方式。

220kV线路的保护可按以下原则配置。

对于单侧电源单回路线路，可装设三相多段式电流电压保护作为相间短路的保护。

但若不能满足灵敏度要求，则应装设多段式距离保护。

对于接地短路，宜装设带方向性元件或不带方向性元件的多段式零序电流保护，对某些线路，若装设带方向性接地距离保护可以明显改善整个电力系统接地保护性能时，可装设接地距离保护，并辅之以多段式零序电流保护。

对于双电源单回路线路，可装设多段式距离保护，若不能满足灵敏度和速动性要求时，则应加装高频保护作为主保护，把多段式距离保护作为后备保护。

在正常运行方式下，若保护安装处短路且无时限电流速断保护装置能够动作时，可装设此种保护作为辅助保护。

选择220kV线路保护时作了如下考虑：

由于本系统允许切除故障的时间为0.ls，为保证系统运行稳定，当220kV输电线路任何地点发生短路故障时，继电保护切除故障线路的时间都必须小于0.ls，因而，凡是不能在0.ls内切除全线路故障的保护装置都不宜作为主保护。

基于这种考虑，对双电源供电的单回路线路和环网内的线路，宜采用高频保护作为主保护。

具体而言，环网内的线路AB、AE、BE，双电源供电线路的CD线、DE线、EF线、FG线、GH线均采用高频保护作为主保护。

后备保护采用距离保护作为相间短路保护，零序电流保护作为接地短路保护，对单侧电源的辐射线路HI线可按线路-变压器组考虑，从而可以采用较简单的保护，因此.对线路扣可选用距离保护作为相间短路保护，零序电流保护作为接地短路保护。

2.2自动重合闸的配置

　　在电力系统的故障中，大多数是送电线路（特别是架空线路）的故障。

架空线路故障大都是“瞬时性”的，在线路被断开以后再进行一次合闸能大大提高供电的可靠性。

为此，在电力系统中采用了自动重合闸。

即当断路器跳闸以后，这种装置能够自动地将断路器重新合闸。

　　自动重合闸装置应按下列规定装设：

　　①在lkV及以上的架空线路和电缆与架空的混合线路中，当具有断路器时，应装设自动重合闸装置；

　　②旁路断路器和兼作旁路的母线联络断路器或分段断路器，宜装设自动重合闸装置；

③低压侧不带电源的降压变压器，应装设自动重合闸装置；

④必要时母线可装设自动重合闸装置。

各种自动重合闸装置中，综合重合闸为较先进的一种。

本设计采用微机保护装置，系统中所有线路均装设综合重合闸。

线路配置：

主保护采用方向高频；后备保护——距离保护作为相间短路保护，零序电流保护作为接地短路保护。

2.3微机保护装置简介

本系统采用WXB-15型微机高压线路保护装置。

WXB-l5型系列装置是使用硬件实现的成套微机高压线路保护装置，适用于110kV～500kV各电压等级的输电线路。

主保护为快速方向高频保护。

WXB-15型微机方向高频保护的推出，为同一回路配置相同硬件不同原理的双套主保护提供了可能。

a.本装置硬件特点

①采用了多单片机并行工作的硬件结构，装置设置了四个硬件完全相同的CPU插件，每个插件独立完成一种保护功能。

②采用电压—频率转换原理构成的模数转换器，它具有工作稳定、精度高、接口简单和调试方便等优点。

③跳闸出口回路采用三取二方式，提高了整套保护装置的可靠性。

　④采用液晶显示、菜单操作、使人—机对话更加简单、灵活。

　⑤具有RS232接口，可将全站微机保护就地联网。

保护配置示意图如表1所示。

CPU

CPU1

CPU2

CPU3

CPU4

保护功能

型号

高频

距离

高频

零序

高频

负序

方向

高频

相间

距离

接地

距离

零序

综重

WXB-15

●

WXB-15A

●

表1保护配置示意图

b.各种保护配置及其特点

①快速方向高频保护

它是由突变量方向元件、零序和负序方向元件完成的快速方向高频保护构成WXB-l5系列微机保护装置的主保护，由CPU1实现保护功能，可选用允许式或闭锁式。

突变量方向元件具有明确的方向性且动作迅速。

②距离保护

它是由三段式相间距离和接地距离构成的距离保护作为各套保护的基本配置，由CPU，实现。

用于切除出口短路故障的快速I段的距离元件动作时间不大于llms，当系统发生第一次故障时，采用电压记忆保证方向性。

若在振荡期间发生故障，刚采用负序方向元件把关，仅在出口完全三相对称短路时采用偏移特性。

阻抗特性采用四边形特性。

③零序保护

零序保护由CPU3实现，由四段全相运行时的零序保护和两段非全相运行时的不灵敏段零序保护构成。

装置设置了3U0零序保护突变量闭锁元件，以防止CT断线时零序保护误动。

④综合重合闸

综合重合闸由CPU.实现，设有单重、三笪、综重和停用四种方式，装置还设有M、N、P端子，以供外部不能选相的保护经本装置综重的选相元件选相跳闸。

本装置各套保护均设有独立的选相元件，由相电流差突变量选相元件及阻抗选相元件来实现。

综重的选相元件仅供外部无选相能力的保护经本装置出口处时使用。

c.主要技术数据

额定数据直流电压：

220V或110V（订货注明）

交流电压：

相电压：

100/

V,开口电压：

100V

交流电流：

5A或lA（订货注明）,频率：

50Hz

整定范围,距离元件：

0.05Ω～99.9Ω

电流元件：

0.05A～99.9A

时词元件：

保护跳闸时间：

接地故障为0～l2s；

相间故障为0～4.5s（其他为0～15.9s）。

精确工作范围

距离元件：

精确工作电压0.5V；.精确工作电流（0.1～20）In或（0.2～40）In。

零序方向元件，最小动作电压2V（固定）；最小动作电流<0.1In。

突变量方向元件：

最小动作电压4V；最小动作电流0.3In。

2.4电器主接线及主要电气设备的选择

2.4.1220KV电压级接线方式

220KV有五回线路，预留一回备用，因而220KV母线的接线形式可选用双母线接线形式，双母线分段接线，双母线带旁母（设有专门旁路断路器）的接线形式。

双母线特点

双母线接有两组母线，并且可以互为备用。

每一电源和出线的回路，都装有一台断路器，有两组母线隔离开关，可分别与两组母线连接。

两组母线之间的联络，通过母线联络断路器来实现。

采用双母线接线，有两组母线后，使运行的可靠性和灵活性大为提高。

其特点有：

（1）供电可靠。

（2）调度灵活。

（3）扩建方便。

双母线分段接线比双母线接线的可靠性更高，当一段工作母线发生故障后，在继电保护作用下，分段断路器先自动跳开，而后将故障段母线所连的电源回路的断路器跳开，该段母线所连的出线回路停电；随后，将故障母线所连的电源回路和出线回路切换备用母线上，即可恢复供电。

这样，只是部分短时停电，而不必全部短期停电。

虽然这种接线具有很高的可靠性和灵活性，但增加了母联断路器和分段断路器的数量，配电装置接资较大。

双母线带旁母的特点

带有专门旁路断路器的接线，多装了价高的断路器和隔离开关，增加了投资，然而这对于接入旁路母线的一路回数较多，且对供电可靠性有特殊需要的场合是十分必要的。

不采用专用旁路母线的接线，虽然可以节约建设投资，但是检修出线断路器的倒闸操作十分繁杂，而且对于无论是单母线分段接线还是双母线接线，在检修期间均处于单母线不分段运行状况，极大地降低了可靠性。

2.4.2所用电接线

所用电接线的原则是：

所用电接线应保证对所用负荷可靠和连续供电；

接线能灵活地适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求；

设计时还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重地采用新技术、新设备，使所用接线具有可行性和先进性；

在设计所用电接线时，还应对所用电的电压等级、中性点接地方式、所用电源及其引接和所用电接线形式等问题进行分析和论证。

所用负荷根据供电重要性可分为三类：

经常连续、短时不经常、连续不经常。

所用电系统接线通常都采用单母线分段接线形式，并多以成套配电装置接受和分配电能。

2.5高压断路器及隔离开关的选择

2.5.1变压器220KV侧断路器及隔离开关的选择

最大持续工作电流为

Imax=1.05SN/31/2/UN=1.05×150/31/2/220=0.41KA

查表可选SW6—220/1200型少油断路器

短路时间：

tk=0.06+0.06+0.06=0.18A

2.5.2220KV进线断路器及隔离开关选择

最大负荷电流为：

Imax=1.05SN/31/2UN=1.05×213/31/2/220=0.58KA

查表可选SW6—220/1200型少油断路器

2.5.3母线的选择

220KV侧母线的选择

最大工作电流为：

0.41KAJ=1.07S=410×2/1.07=766mm2

故可选择2根型号为LGJ—400/20的导线，其载流量为1600A。

220KV侧进线的选择

最大工作电流为：

Imax=0.41KAS=410/1.07=383mm2

故可选择1根型号为LGJ—400/20的导线，其载流量为800A。

2.6系统运行方式的制定

在选择保护方式及进行整定计算时，都必须考虑系统运行方式变化带来的影响，所选用的保护方式应在各种运行方式下，都能满足选择性和灵敏性的要求。

对过量保护来说，通常都是根据系统最大运行方式来确定保护的整定值，以保证选择性，因为只要在最大运行方式下能保证选择性，在其他运行方式下也一定能保证选择性。

灵敏度的校验应根据最小运行方式来进行，因为只要在最小运行方式下，灵敏度符合要求，在其他运行方式下，灵敏度也一定满足要求，对某些保护（如电流电压联锁速断保护和电流速断保护），在整定计算时还要按正常运行方式来决定动作值或计算灵敏度。

a.最大运行方式

根据系统最大负荷的需要，电力系统中的发电设备都投入运行（或大部分投入运行）且选定的接地中性点全部接地的系统运行方式称为最大运行方式。

对继电保护来说，是短路时通过保护的短路电流最大的运行方式。

b.最小运行方式

根据系统最小负荷，投入与之相适应的发电设备，且系统中性点只有少部分接地的运行方式为最小运行方式。

在有水电厂的系统中，要考虑水电厂运行受水能状态限制的运行方式。

对继电保护来说，是短路时通过保护的短路电流最小的运行方式。

c.正常运行方式

根据系统正常负荷的需要，投入与之相适应数量的发电机、变压器和线路的运行方式称为正常运行方式。

这种运行方式在一年内的运行时间最长。

2.7变压器中性接地点的选择

大接地系统发生接地短路时，零序电流的大小与分布和变压器中性接地点的数目与位置有密切的关系，中性接地点的数目越多，意味着系统零序总阻抗越小，零序电流越大，中性接地点的位置不同，则意味着零序电流的分布不同。

通常，变压器中性接地位置和数目按以下两个原则考虑：

一是使零电流保护装置在系统的各种运行方式下保护范围基本保持不变，且具有足够的灵敏度和可靠性；二是不使变压器承受危险的过电压，为此，应使变压器中性点接地数目和位置尽可能保持不变。

变压器中性接地点的位置和数目的具体选择原则如下：

a.对单电源系统，线路末端变电站的变压器一般不应接，这样可以提高线路首端零序电流保护的灵敏度。

b.对多电源系统，要求每个电源点都有一个中性点接地，以防接地短路的过电压对变压器产生危害。

c.当一个变电站有多台变压器运行时，应将一部分变压器中性点接地，另一部分不接地。

这样，当接地运行的变压器检修停运时，不接地变压器可以接地运行，从而使接地点的数目和位置相对不变。

d.对有三台以上变压器的220kV或110kV双母线运行的发电厂，一般按两台变压器中性点直接接地运行，并把它们分别接于两组不同母线上，当其中一台中性点接地变压器停用时，将另一台不接地的变压器的中性点直接接地。

表2.2变压器中性点接地情况表

变电站名称

变压器台数

220kV侧中性点接地变压器台数

2.8系统最大负荷的潮流分布

计算系统中各元件的参数标么植时，取基准视在功率SR=100MVA，

2.8.1系统中各元件的主要参数

基准电压UR=UaN=230kV，基准电流IR=SR/

UR=0.251kA，

基准电抗XR=U

/SR=2302/100Ω=529Ω。

a.发电机及等值系统的参

b.表2.3发电机及等值系统的参数

电机或系统名称

电厂及系统的总容量/MVA

每台机额定功率P/MVA

额定电压Ue/KV

定额

功率因数

cosφ

正序电抗

负序电抗

最大

最小

标么值

A厂

300

150

2×100

2×50

10.5

0.80

0.85

18.33

12.39

0.156

0.19824

0.190

0.2419

B厂

4×20

10.5

0.80

15.1

0.604

0.8758

D厂

200

100

2×100

10.5

0.85

18.33

0.156

0.190

H厂

250

125

2×125

13.8

0.85

21.5

0.146

0.178

I系统

0.524

115

0.85

0.27

（0.524）

0.3294

（0.639）

II系统

200

150

230

0.85

0.31

（0.35）

0.3782

（0.427）

E站

2×30

18.7

0.623

18.5

0.617

F站

2×30

18.7

0.623

18.5

0.617

注①表中，括号内的数据为最小运行方式时的电抗标么值。

②负序电抗按下列情况计算：

对水电厂（B）的发电机，X2=1.45Xd，对系统的汽轮发电机（A、C、H、D）和I、II系统，X2=1.22X″d。

b.变压器的参数

闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频初级电压即为交流电网电压。

经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因数下运行。

变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小电网污染。

在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联“进线电抗器”以减少对电网的污染。

c.电流互感器和电压互感器变化

电压互感器是一种可以将高电压变为低电压，用于测量和保护回路中，我国规定PT的二次电压为100V，一次电压根据实际需要进行选择。

其实PT也就相当于一个降压变压器的作用，由于在出厂时已经进行了封装，因此生产出的成品其变比是固定的，不可改变

2.9系统潮流分布估算

为了确定各线路的最大负荷电流并选择电流互感器的变化，应计算系统在最大开机情况下的潮流分布。

取Sj=500MVA,220KV线路电抗为0.4Ω/Km

XL1=.0.4×100×500/2202=0.413Ω

XL2=0.4×120×500/2202=0.496Ω

XL3=0.4×90×500/2202=0.372Ω

XL4=0.4×80×500/2202×0.5=0.165Ω

XC1=0.42×500/1000=0.21Ω

XC2=0.38×500/500=0.48Ω

XC3=0.34×500/1500=0.113Ω

将整个系统化简，计算出总电抗为0.159Ω

2.10.2变压器阻抗的计算

UK1-2%=25.4%UK1-3%=15.5%UK2-3%=7.92%

UK1%=1/2（UK1-2%+UK1-3%-UK2-3%=1/2（25.4+15.5-7.92）%=16.49%

UK2%=1/2（UK1-2%+UK2-3%-UK1-3%=1/2（25.4+7.92-15.5）%=8.91%

UK3%=1/2（UK2-3%+UK1-3%-UK1-2%=1/2（7.92+15.5-25.4）%=-1.98%

UK%=5.5%

XT1=UK1%UN2/100SN×Sj/SN=16.49×2202/（100×150）×500/150=0.55Ω

XT2=UK2%UN2/100SN×Sj/SN=8.91×2202/（100×150）×500/150=0.297Ω

XT3=UK3%UN2/100SN×Sj/SN=-1.98×2202/（100×150）×500/150=0.066Ω

XT4=UK4%UN2/100SN×Sj/SN=N×2202/（100×150×10-3）×500/630×10-3=43.65Ω

2.11正序、负序、零序等值阻抗

根据系统中各元件参数计算结果和变压器中性点接地的情况，本系统的正序等值阻抗图如图1所示。

图1：

正序等值阻抗图

2.12短路电流计算结果

短路电流计算主要对各线路在最大、最小运行方式下的短路进行计算。

短路类型分为三相短路、二相短路、二相短路接地和单相短路接地。

为了校验零序I段的保护范围，在各线路中点短路，然后求此线路在单相短路接地，两相短路接地时流过保护的零序电流。

此外，还有距离保护和零序电流保护最大、最小分支系数的求取，求取时需要针对具体保护，考虑开机情况及断线与否，不考虑联络线的断线问题。

图2;线路AB的短路电流计算结果

保护侧

故障点

序

短电

运行方式路电流流

流过B侧保护的电流/kA

流过A侧保护的电流/kA

A母线故障

KK=0.5

B母线故障

KK=0.5

Id·1

Id·2

Id·3

3Id·0

Id·1

Id·2

Id·3

3Id·0

最大运行方式

d（3）

2.054

2.6766

（2）

1.027

1.3383

（1）

0.6787

0.8362

1.3707

0.6555

2.2582

3.1785

d（1.1）

1.3633

0.6903

0.8291

1.1732

1.5974

1.0792

1.7848

2.6619

最小运行方式

d（3）

1.1310

1.5133

（2）

0.5655

0.7566

（1）

0.4299

0.5329

1.0223

0.4712

1.6215

2.3121

d（1.1）

0.8156

0.3154

0.6199

1.0065

0.9776

0.5356

1.5212

2.2765

3继电保护装置的整定计算及校验

3.1高频保护的整定计算原则

系统中发生故障时，高频保护将某种电量（简称判别量）转换为高频电波，再借助于通常传给对侧，然后，线路每一侧按照对侧与本侧判别量之间的关系来判断区内或区外故障。

由于选取的判别量不同，判别量的传送方式和采用通道的情况不同，出现了各种型号的高频保护装置。

目前广泛采用的高频保护按其工作原理的不同可以分为两大类，即方向高频保护和相差高频保护。

高频保护要以两侧判别量之间的关系来判断故障的性质，因此，线路两侧的高频保护相当于一个整体，必须同时运行。

为了使保护具有良好的动作特性，要求线路两侧电流互感器的变比和型号相同，两侧保护的型号相同，保护装置的整定值也相同。

高频负序功率方向保护的原理框图如图2.8所示。

它的主要组成元件有两个，一个是起动元件，它在外部故障时起动发读机；另一个是方向元件，它在正向适中时准备好跳闸回路。

起动元件采用反向（方向由线路指向母线）负序功率方向继电器KA-，方向元件采用正向（方向由母线指向线路）负序功率方向继电器KA+，为提高保护的可靠性，加装了负序电流元件I2，在内部故障时，KA不动作，外部故障时，近故障侧的KA_动作，发出高频信号闭锁两侧表保护，使之不跳闸。

这种保护的结构比较简单，需进行整定计算的动作参数主要有起动元件KA_，方向元件KA+和负序电流元件I2三者的动作值。

图2高频闭锁负序功率方向保护原理框图

3.2距离保护的整定计算

距离保护是以反映从故障点到保护安装处之间阻抗大小的，阻抗继电器为主要元件，动作时限具有阶梯特性的保护装置。

当故障点至保护安装处之间的实际阻抗小于整定值时，故障点发生在保护范围之内，保护动作。

配上方向元件及时间元件，即组成了具有阶梯特性的距离保护装置。

当故障线路中的电流大于阻抗继电器的允许精工电流时，保护装置的动作性能与通过保护装置的故障电流大小无关。

距离保护的整定计算

①距离Ⅰ段的整定计算：

当被保护线路中无分支接线时，按保护范围不伸出线路末段整定80%—85%保护线路的正序阻抗计算。

当线路变压器组，按保护范围不伸出变压器整定。

即ZⅠdz=Kk（ZL+ZB）Kk=0.7

第Ⅰ段的动作时限为继电器本身的固有时限，通常取tdz<0.06s

当线路末段变电站为两台及以上变压器并列运行且变压器均装设有差动保护时，可以按躲开线路末段或按躲开终端变电站其它母线故障来整定计算。

即：

ZⅠdz=KkZx1ZⅠdz=KkZxL+KkbZ'b

（Kk=0.8---0.85）Kkb=0.75

Z'b：

并联阻抗ZxL

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