辽宁工业大学
电力系统继电保护课程设计（论文）题目：输电线路零序电流保护设计（2）
院（系）：电气工程学院
专业班级：电气091
学号： 090303027
学生姓名：霍怀鉴
指导教师：（签字）
起止时间： 2012.12.31-2013.1
课程设计（论文）任务及评语
续表
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
利用大接地电流系统中发生接地短路时出现零序电流的特点，可以构成反映零序电流大小的多段式零序电流保护。
针对题给的输电线路进行继电保护设计，采用三段式零序电流保护方法，确定出最大、最小运行方式下的等值电抗。进行了接地短路的最大、最小短路电流的计算。进行了保护1、2、3的电流速断保护整定计算，并计算各自的最小保护范围。进行了保护2、3的限时电流速断保护定值计算，并校验了灵敏度。进行了保护1、2、3的过电流保护定值计算，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作进后备，保护2、3作远后备的灵敏度。绘制三段式电流保护原理接线图。并分析了动作过程。采用MATLAB建立系统模型进行了仿真分析。
关键词：继电保护；零序电流保护；整定计算；MATLAB仿真；
目录
第1章绪论 (4)
第2章输电线路零序电流保护整定计算 (6)
2.1 零序电流Ι段整定计算 (6)
2.1.1 零序电流Ι段动作电流的整定 (6)
2.1.2 灵敏度校验 (12)
2.1.3 动作时间的整定 (13)
2.2 零序电流Ⅱ段整定计算 (13)
2.3零序电流Ⅲ段整定计算 (15)
第3章零序保护原理图的绘制与动作过程分析 (16)
第4章 MATLAB建模仿真分析 (17)
第5章课程设计总结 (19)
参考文献 (20)
第1章绪论
利用接地时产生的零序电流使保护动作的装置，叫零序电流保护。中性点直接接地系统发生接地短路，将产生很大的零序电流，利用零序电流分量构成保护，可以作为一种主要的接地短路保护。零序过流保护不反应三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。但零序过流保护受电力系统运行方式变换影响较大，灵敏度因此降低，特别是短距离线路上以及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。
零序电流保护的优点是：
(1)零序过电流保护的灵敏度高，零序过电流保护的动作时限也较相间保护为短；
(2) 零序电流保护受系统运行方式变化的影响要小得多，零序I段的保护范围较大，也较稳定，零序Ⅱ段的灵敏系数也易于满足要求；
(3)当系统中发生某些不正常运行状态时，例如系统振荡，短时过负荷等、三相是对称的，相间短路的电流保护均将受它们的影响而可能误动作，因而需要采取必要的措施予以防止，而零序保护则不受它们的影响；
(4)零序功率方向元件无死区。在中性点直接接地的电网中，由于零序电流保护简单、经济、可靠，因而获得了广泛的应用。
零序电流保护的缺点是：
(1)对于短线路或运行方式变化很大的情况，保护往往不能满足系统运行所提出的要求；
(2)随着单相重合闸的广泛应用，在重合闸动作的过程中将出现非全相运行状态、再考虑系统两侧的电机发生摇摆，则可能出现较大的零序电流，因而影响零序电流保护的正确工作，此时应从整定计算上予以考虑，或在单相重合闸动作过程中使之短时退出运行；
(3)当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的网络时(例如110kV和220kV
电网)、则任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流，这将使零序保护的整定配合复杂化，并将增大第Ⅲ段保护的动作时限。零序电流保护一般适合使用于TN接地系统。因为当发生一相接地时，对TN-S系统Id回路阻抗包括相线阻抗Z1，PE线阻抗ZPE和接触阻抗Zf，即Zs＝Z1+ZPE+Zf；对于TN-C系统，Id回路阻抗包括相线阻抗Z1，PEN线阻抗ZPEN和接触电阻Zf，即ZS＝Z1+ZPEN+Zf；
对于TN-C-S系统，Id回路阻抗包括相线阻抗Z1，PEN线阻抗ZPEN，PE线阻抗ZPE和接触电阻Zf，即ZS＝Z1+ZPEN+ZPE+Zf，产生的单相接地故障电流Id＝220/ZS，明显大于无故障时的三相不平衡电流，只要整定合适，就可检测出发生接地故障时的零序电流，以切断故障回路。而对IT系统，一般均是使用对供电可靠性要求较高、对单相接地不必要立即切断供电回路、但需发出绝缘破坏监察信号、以维持继续供电一段时间。工矿企业内的不配出中性线的三相三线配电线路。当单相接地时，该故障线路上流过的零序电流是全系统非故障系统电容电流之和，因而容易检测出接地故障电流，故可用零序电流保护装置来监察相对地第一次接地故障。TT接地系统常应用于工农业、民用建筑的照明、动力混合供电的三相四线配电系统中，常发现三相不平衡电流较大，当发生一相接地时，Id回路阻抗包括相线阻抗Z1，PE线阻抗ZPE，负载侧接地电阻RA和电源侧接地电阻RB，接触阻抗Zf，即
ZS=Z1+ZPE+RA+RB+Zf，接地故障电流Id=220/ZS，由于RA+RB＞＞
Z1+ZPE+Zf，且RA+RB数值一般均较大，很明显TT系统的故障环路阻抗大，产生的单接故障电流Id，远远小于不平衡电流，很难检测出故障电流，故不适用于TT 接地系统。
零序电流保护具体应用可在三相线路上各装一个电流互感器（C.T），或让三相导线一起穿过一零序C.T，也可在中性线N上安装一个零序C.T，利用这些C.T 来检测三相的电流矢量和，即零序电流Io，IA+IB＋IC=IO，当线路上所接的三相负荷完全平衡时（无接地故障，且不考虑线路、电器设备的泄漏电流），IO=0；当线路上所接的三相负荷不平衡，则IO=IN，此时的零序电流为不平衡电流IN；当某一相发生接地故障时，必然产生一个单相接地故障电流Id，此时检测到的零序电流IO=IN+Id，是三相不平衡电流与单相接地电流的矢量和。
第2章 输电线路零序电流保护整定计算
2.1 零序电流Ι段整定计算
2.1.1 零序电流Ι段动作电流的整定
第一种运行方式G1,T1,G2,T2,T3,T4都投入运行
图2.1 正序、零序图
B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算 111221()()(1610)(1610)2033B G T G T AB Z Z Z Z Z Z ∑=+++=+++=Ω
012034()()(101040)(6060)18B T T AB T T Z Z Z Z Z Z ∑=+=+=Ω
1B Z ∑>0B Z ∑
(1,1)0KB I ∴>(1)0KB I
(1,1)010115/0.962233218
KB B B
E I KA Z Z φ
∑∑=
=
=++?
'(1,1)34001
20346060
0.9620.3851010406060
T T KB
T T AB T T Z Z I I KA Z Z Z Z Z ==?=++++
C 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
1112211()()(1610)(1610)202053C G T G T AB BC Z Z Z Z Z Z Z ∑=++++=++++=Ω 0120340()()(101040)(6060)4058C
T T AB T T BC Z Z Z Z Z Z Z ∑=++=++=Ω
1C Z ∑<0C Z ∑
(1)0KC I ∴>(1,1)
0KC I
(1)001115/0.405258253
KC C C
E I KA Z Z φ
∑∑=
=
=++?
D 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算：
11122111()()(1610)(1610)20204093D G T G T AB BC CD Z Z Z Z Z Z Z Z ∑=+++++=+++++=Ω
01203400()()(101040)(6060)4080138D T T AB T T BC CD
Z Z Z Z Z Z Z Z ∑=+++=+++=Ω
1D Z ∑< 0D Z ∑
∴ (1)0KD I > (1,1)
0KD I
(1)0010.2052KD D D
E I KA Z Z φ
∑∑=
=
=+
第二种运行方式G1,T1,G2,T2,T3投入运行
图2.2 正序、零序图
B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
111221()()(1610)(1610)2033B G T G T AB Z Z Z Z Z Z ∑=+++=+++=Ω 01203()(540)6025.714B T T AB T Z Z Z Z Z ∑=+=+=Ω
1B Z ∑>0B Z ∑
(1,1)0KB I ∴>(1)0KB I
(1,1)0100.7862KB B B E I KA Z Z φ∑∑=
==+
'(1,1)
3001
20360
0.7860.44954060
T KB T T AB T Z I I KA Z Z Z Z =?
=?=++++
C 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
1112211()()(1610)(1610)202053C G T G T AB BC Z Z Z Z Z Z Z ∑=++++=++++=Ω 012030()(540)604065.714C T T AB T BC Z Z Z Z Z Z ∑=
++=++=Ω
1C Z ∑<0C Z ∑
(1)0KC I ∴>(1,1)0KC I
(1)010115/0.387265.714253
KC C C E I KA Z Z φ∑∑=
==++?
D 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
11122111()()(1610)(1610)20204093D G T G T AB BC CD Z Z Z Z Z Z Z Z ∑=+++++=+++++=Ω
0120300()(540)604080145.714D T T AB T BC CD Z Z Z Z Z Z Z ∑=+++=+++=Ω
1D Z ∑< 0D Z ∑
∴ (1)0KD I > (1,1)
0KD I
(1)0100.2002KD D D E I KA Z Z φ∑∑=
==+
所以最大运行方式为G1,T1,G2,T2,T3投入运行 保护1零序电流Ⅰ段的整定值
'010=K 3 1.230.449 1.616OP rel I I KA I I ??=??=
保护2零序电流Ⅰ段的整定值
020max =K 3 1.230.387 1.393OP rel C I I KA I I ??=??=
保护3零序电流Ⅰ段的整定值
030max =K 3 1.230.2000.720OP rel D I I KA I I ??=??=
第三种运行方式G1,T1,T3,T4投入运行
图2.3 正序、零序图
B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
111116102046B G T AB Z Z Z Z ∑=++=++=Ω
01034()()(1040)3018.75B T AB T T Z Z Z Z Z ∑=++=+=Ω
1B Z ∑>0B Z ∑
(1,1)0KB I ∴>(1)0KB I
(1,1)0100.7952KB B B E I KA Z Z φ∑∑=
==+
'(1,1)
340013430
0.7950.5961030
T T KB T T T Z Z I I KA Z Z Z =?
=?=++
C 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
111111*********C G T AB BC Z Z Z Z Z ∑=+++=+++=Ω
010340()()(1040)304058.75C T AB T T BC Z Z Z Z Z Z ∑=+++
=++=Ω
1C Z ∑>0C Z ∑
(1)0KC I ∴<(1,1)0KC I
(1,1)010115/0.362266258.75
KC C C E I KA Z Z φ∑∑=
==++?
D 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
1111111610202040106D G T AB BC CD Z Z Z Z Z Z ∑=++++=++++=Ω
0103400()()
(1040)304080138.75D T AB T T BC CD Z Z Z Z Z Z Z ∑=++++=+++=
Ω
1D Z ∑< 0D Z ∑
∴ (1)0KD I > (1,1)
0KD I
(1)0100.1892KD D D E I KA Z Z φ∑∑=
==+
第四种运行方式G1,T1,T3投入运行
图2.4 正序、零序图
B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
111116102046B G T AB Z Z Z Z ∑=++=++=Ω 0103()(1040)6027.273B T AB T Z Z Z Z ∑=+=+=Ω
1B Z ∑>0B Z ∑
(1,1)0KB I ∴>(1)0KB I
(1,1)0100.6602KB B B E I KA Z Z φ∑∑=
==+
'(1,1)
30010360
0.6600.360104060
T KB T AB T Z I I KA Z Z Z =?
=?=++++
C 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
111111*********C G T AB BC Z Z Z Z Z ∑=+++=+++=Ω 01030()(1040)604067.273C T AB T BC Z Z Z Z Z ∑=++=++=Ω
1C Z ∑<0C Z ∑
(1)0KC I ∴>(1,1)0KC I
(1)0101150.333267.273266
KC C C E I KA Z Z φ∑∑=
==++?
D 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
1111111610202040106D G T AB BC CD Z Z Z Z Z Z ∑=++++=++++=Ω
010300()(1040)604080147.273D T AB T BC CD Z Z Z Z Z Z ∑=+++=+++=Ω
1D Z ∑< 0D Z ∑
∴ (1)0KD I > (1,1)
0KD I
(1)0100.1852KD D D E I KA Z Z φ∑∑=
==+
2.1.2 灵敏度校验
最小运行方式
第一种运行方式G1,T1,T3,T4投入运行 设AK
AB
Z k Z =
1112620k K G T AK Z Z Z Z ∑=++=+
0010034Z ()()(14)(7040)/8K T AK KB T T Z Z Z Z Z k k ∑=++=+-
1K Z ∑∴> 0Z K ∑ (1,1)0K I > (1)
0K I
(1)0102K K K E I Z Z φ∑∑=
=
+'(1)
(1)0340001034704080
KB T T K K T AB T T Z Z Z k I I I Z Z Z Z +-=?
=?++ '0013OP I I I ?=解得k=38%>15%
所以合格
第二种运行方式G1,T1,T3,投入运行
1112620k K G T AK Z Z Z Z ∑=++=+
001003Z ()()(14)(10040)/11K T AK KB T
Z Z Z Z k k ∑=++=+-
1K Z ∑∴<0Z K ∑ (1,1)0K I <(1)0K I
(1,1)001115/22(2620)(14)(10040)/11
K K K E I Z Z k k k φ∑∑=
=
+?+++-
'(1)(1)0300010310040110
KB T K K T AB T Z Z k I I I Z Z Z +-=?
=?
++ '0013OP I I I
?=解得k=46%>15%
所以合格
2.1.3 动作时间的整定
断路器3QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：
30OP t s I =
断路器2QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：
20OP t s I =
断路器1QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：
10OP t s I =
断路器1QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：
120.5OP OP t t t s II I =+=
2.2 零序电流Ⅱ段整定计算
根据课题要求B 母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，即为第一种运行状态时，保护1，2Ⅱ段整定值计算如下：
1112211()()(1610)(1610)202053C G T G T AB BC Z Z Z Z Z Z Z ∑=++++=++++=Ω 0120340()()(101040)(6060)4058C T T AB T T BC Z Z Z Z Z Z Z ∑=++=++=Ω
1C Z ∑<0C Z ∑
(1)0KC I ∴>(1,1)0KC I
(1)001115/0.405258253
KC C C
E I KA Z Z φ
∑∑=
=
=++?
02max 3 1.230.405 1.458OP rel OKC I K I KA I I ??=?=??=
0034001
2034
75
30BC
BC b T T AB BC
G G AB T T I I K Z Z I I Z Z Z Z Z =
=
=?
++
0102min / 1.1 1.458/75/300.642OP rel OP b I K I K KA II II I ???=?=?=
灵敏度校验在最小运行方式下进行： 1、G1,T1,T3,T4,投入运行
B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
111116102046B G T AB Z Z Z Z ∑=++=++=Ω
01034()()(1040)3018.75B T
AB T T Z Z Z Z Z ∑=++=+=Ω
1B Z ∑>0B Z ∑
(1,1)0KB I ∴>(1)0KB I
(1,1)010115/0.795246218.75
KB B B E I KA Z Z φ∑∑=
==++?
'(1,1)
340013430
0.7950.5961030
T T KB T T T Z Z I I KA Z Z Z =?
=?=++
2、G1,T1,T3投入运行
B 母线处正序（负序）及零序综合阻抗及最大、最小零序电流的计算
111116102046B G T AB Z Z Z Z ∑=++=++=Ω 0103()(1040)6027.273
B T AB T Z Z Z Z ∑=+=+=Ω
1B Z ∑>0B Z ∑
(1,1)0KB I ∴>(1)0KB I
(1,1)0101150.660246227.273
KB B B E I KA Z Z φ∑∑=
==++?
'(1,1)
30010360
0.6600.360104060
T KB T AB T Z I I KA Z Z Z =?
=?=++++
所以0min 0.360I KA ?=
0min 01
330.360
1.40.642sen OP I K I II ?II
??=
==>1.5 所以合格
2.3零序电流Ⅲ段整定计算
302
min
1.10.7200.792OP OP rel
b I I
K KA K I II
II ???=?=?=
0034001
2034
75
30BC
BC b T T AB BC
G G AB T T I I K Z Z I I Z Z Z Z Z =
=
=?
++
201
min
1.10.79230/750.348OP OP rel
b I I
K KA K II III III ???=?=??=
12321OP OP OP t t t t t s III III I =+?=+?=
第3章零序保护原理图的绘制与动作过程分析
图3.1 三段式电流保护原理图
动作过程分析：在该保护的第I段保护范围内发生AB两相短路时，测量元件1.2.3.4.5.6都动作，其中测量元件1.4经或门直接启动出口继电器KCO和信号元件1KS，并使断路器1QF跳闸，切除故障。虽然测量元件2.5经或门启动了延时元件3KT，但因故障切除后，故障电流已消失，所以所有测量元件和延时未到的延时元件2KT、3KT，出口继电器KCO均返回。电流保护II、III段不会再输出跳闸信号。同理，在线路末端时，只有延时元件2KT动作以切除故障。
第4章 MATLAB建模仿真分析
合理设置示波器参数后，激活仿真按钮，得到仿真结果如图4.1所示。示波器输出的电压波形为两个交流电压源的叠加，横轴为时间轴，纵轴为电压幅值。从仿真结果可见，在交流电路中，两个交流电压源共同作用的结果等效于一个线性电压源。
图4.1 故障点发生三相短路的各相电流波形图
基于计算机技术的电力系统继电保护数字仿真可以辅助继电保护系统的分析和设计，将MATLAB仿真技术应用于电力系统继电保护研究中具有十分重要的现实意义。针对电力系统继电保护技术的核心内容，构建了继电保护系统的MATLAB 仿真模型。除所介绍的电力系统故障仿真、零序电流保护仿真和变压器纵差保护仿真外，模型还可以对空载合闸励磁涌流仿真、单侧电源相间短路的电流保护仿真和微机保护算法仿真等进行实际仿真运行，实践表明将MATLAB 应用于电力系统继电保护数字仿真中是有效的和可行的。
两相接地短路电流分析:将三相短路故障发生器中“故障相选择”的A相和B相选中，并选择故障相接地选项；在万用表元件中选择A相、B相和C相的电流作为测量电气量，激活仿真按钮，各相电流波形如图4.2所示。
图4.2 故障点发生两相接地短路的各相电流波形
单相接地短路电流分析：将三相短路故障发生器中“故障相选择”的A相故障，并选择故障相接地选项；在万用表元件中选择A相、B相和C相的电流作为测量电气量，激活仿真按钮，各相电流波形如图4.3所示。
图4.3 故障点发生单相接地短路的各相电流波形