繼電保護課程設計 輸電線路電流電壓保護設計

1、繼電保護課程設計輸電線路電流電壓保護設計15第1章 緒論1第2章 設計的原始資料22.1題目內容22.2課程設計的內容及技術參數參見下表22.3 工作計劃：32.4設計需要考慮的問題32.5保護方式的選取及整定計算 3 第3章 輸電線路電流保護整定計算43.1保護3在最大、最小運行方式下的等值阻抗43.2保護3在最小運行方式下G2退出運行，L2退出運行等值電路43.3進行C母線、D母線、E母線相間短路的最大、最小短路電流的計算53.4整定保護1、2、3的電流速斷保護定值，并計算各自的最小保護范圍63.5整定保護2、3的限時電流速斷保護定值，并校驗靈敏度73.6整定保護1、2、3的過電流保護定值

2、8第4章 電流保護原理圖的繪制與動作過程分析94.1電流三段式保護原理圖94.2電流三段式原理展開圖10第5章MATLAB建模仿真分析125.1 MATLAB的概述125.2 仿真設計135.3仿真結果135.4結果分析15 第6章 課程設計總結與心得16參考文獻16 第1章 緒論 繼電保護裝置是指能反應電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生的故障或不正常遠行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。它的基本任務是：（1）自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到破壞，保證其他無故障部分迅速恢復正常運行。（2）反應電氣元件的不正常運行狀態(tài)，并根據運行維護的條件，而動作于發(fā)出

3、信號、減負荷或跳閘。一般情況下不要求保護迅速動作，而是根據對電力系統(tǒng)及其元件的程度經一定的延時動作于信號。目前，繼電保護裝置是以各電氣元件作為保護對象的，其切除故障的范圍是斷路器之間的區(qū)段。反應整個被保護元件上的故障，并能以最短的延時有選擇性地切除故障的保護稱為主保護；當主保護或斷路器拒絕動作時，用來切除故障的保護稱為后備保護。 電力系統(tǒng)對動作于跳閘的繼電保護裝置提出了四個基本要求，即選擇性、速動性、靈敏性和可靠性。這四個基本要求是分析研究繼電保護性能的基礎，在它們之間，既有矛盾的一面，又有在一定條件下統(tǒng)一的一面。除了以上四個基本要求以外，選用保護裝置時還應該考慮經濟性。在保證電力系統(tǒng)安全運行

4、的前提下，盡可能采用投資少、維護費用低的保護裝置。 線路相間短路的電流電壓保護有三種：第一，無時限電流速斷保護；第二，帶時限電流速斷保護；第三，定時限過電流保護。這三種相間短路電流電壓保護分別稱為相間短路電流保護第段、第段和第段。其中第段和第段作為線路主保護，第段作為本線路主保護的近后備保護和相鄰線路或元件的遠后備保護。第、段統(tǒng)稱為線路相間短路的三段式電流電壓保護。 第段稱為無時限電流速斷保護，該段動作時間快但是不能保護線路全長。第段稱為帶時限電流速斷保護，該段保護在任何情況下均能保護本線路的全長（包括線路末端），但是為了保證在相鄰的下一個線路出口處短路時保護的選擇性，必須和相鄰的無時限電流速

5、斷保護配合。第段稱為定時限過電流保護，該段保護主要是作為本線路主保護的近后備保護和相鄰下一線路（或元件）的遠后備保護。 本文主要內容是研究在母線短路時，保護1、2、3的第段、第段和第段的整定值，并檢驗它們的靈敏度確定它們是否能夠保護線路。第2章 設計的原始資料2.1題目內容系統(tǒng)接線圖如圖： BAG1123L3L2L1EDCG2G3987654系統(tǒng)接線圖 2.2課程設計的內容及技術參數參見下表設計技術參數工作量L1=L2=50km,L3=40km,LB-C=30km,LC-D=50km,LD-E=30km,線路阻抗0.4/km,最大負荷電流IB-C.Lmax=400A,IC-D.Lmax=360

6、A, ID-E.Lmax=240A,電動機自啟動系數Kss=1.5，電流繼電器返回系數Kre=0.85。最大運行方式：三臺發(fā)電機及線路L1、L2、L3同時投入運行；最小運行方式：G2、L2退出運行。1.確定保護3在最大、最小運行方式下的等值電抗。2.進行C母線、D母線、E母線相間短路的最大、最小短路電流的計算。3.整定保護1、2、3的電流速斷保護定值，并計算各自的最小保護范圍。4.整定保護2、3的限時電流速斷保護定值，并校驗靈敏度。5.整定保護1、2、3的過電流保護定值，假定母線E過電流保護動作時限為0.5s，確定保護1、2、3過電流保護的動作時限，校驗保護1作近后備，保護2、3作遠后備的靈敏

7、度。6繪制三段式電流保護原理接線圖。并分析動作過程。7、采用MATLAB建立系統(tǒng)模型進行仿真分析。2.3 工作計劃： 第一天：收集資料，確定設計方案。 第二天：等值電抗計算、短路電流計算。第三天：電流I段整定計算及靈敏度校驗。 第四天：電流II段整定計算及靈敏度校驗。第五天：電流III段整定計算及靈敏度校驗。 第六天：繪制保護原理圖。第七、八天：MATLAB建模仿真分析。 第九天：撰寫說明書。第十天：課設總結，迎接答辯。 2.4設計需要考慮的問題（1） 系統(tǒng)運行方式的考慮 除考慮發(fā)電廠發(fā)電容量的最大和最小運行方式外，還必須考慮在設備檢修或故障切除的情況下，發(fā)生短路時流過保護裝置的短路電流最大和

8、最小的系統(tǒng)運行方式，以便計算保護的整定值和保護靈敏度。在需采用電流電壓聯鎖速斷保護時，還必須考慮系統(tǒng)的正常運行方式。 （2） 短路點的考慮 求不同保護的整定值和靈敏度時，應注意短路點的選擇。 （3） 短路類型的考慮 相間短路保護的整定計算應取系統(tǒng)最大運行方式下三相短路電流，以作動作電流整定之用；而在系統(tǒng)最小運行方式下計算兩相短路電流，以作計算靈敏度之用。短路的計算選用三相短路或兩相短路進行計算均可，因為對保護所取的殘余而言，三相短路和兩相短路的殘余數值相同。 2.5保護方式的選取及整定計算 采用什么保護方式，主要視其能否滿足規(guī)程的要求。能滿足要求時，所采用的保護就可采用；不能滿足要求時，就必須

9、采取措施使其符合要求或改用其他保護方式。 選用保護方式時，首先考慮采用最簡單的保護，以便提高保護的可靠性。當采用簡單保護不能同時滿足選擇性、靈敏性和速動性要求時，則可采用較復雜的保護方式。 選用保護方式時，可先選擇主保護，然后選擇后備保護。通過整定計算，檢驗能否滿足靈敏性和速動性的要求。當采用的保護不能很好地滿足選擇性或速動性的要求時，允許采用自動重合閘來校正選擇性或加速保護動作。 第3章 輸電線路電流保護整定計算3.1保護3在最大、最小運行方式下的等值阻抗保護3的最大運行方式：三臺發(fā)電機及線路L1、L2、L3同時投入運行，等效電路圖如圖3.1 圖3.1 最大運行方式在最大運行方式下，短路電流

10、最大，阻抗最小如圖所示，根據任務書所給參數可以計算出：，可得： 3.2保護3在最小運行方式下G2退出運行，L2退出運行等值電路保護3在最小運行方式下G2退出運行，L2退出運行等效電路圖如圖3.2. 圖3.2 最小運行方式同理，最小運行方式下，短路電流最小，阻抗最大3.3進行C母線、D母線、E母線相間短路的最大、最小短路電流的計算當系統(tǒng)在最小運行方式下運行時C母線短路，此處有最大的短路電流為： 當系統(tǒng)在最大運行方式下運行時C母線短路,此處有最小的短路電流為： 對于D 、E母線發(fā)生相間短路的最大,最小短路電流計算,同樣的道理： 3.4整定保護1、2、3的電流速斷保護定值，并計算各自的最小保護范圍由

11、于電流速斷保護的動作電流應躲過本線末端的最大短路電流，故應考慮最小運行方式下的三相短路電流.故有，保護1、2、3的第段的動作電流為：當最小靈敏度大于時,滿足保護設計要求,經計算都滿足。3.5整定保護2、3的限時電流速斷保護定值，并校驗靈敏度 由于無時限電流速斷保護只能保護線路的一部分,而該線路的剩下部分的短路故障必須依靠另外一種電流保護,即帶時限的電流速斷保護。對于此種保護的動作電流和動作時間的整定分別為: 其中為時限階段,它與短路器的動作時間,被保護線路的保護的動作時間誤差等因素有關.這里我們取=0.5S ,所以對于保護3的電流保護的第段的動作電流應與相鄰線路電流保護的第段相配合, 分支系數

12、為:=1即所以該處電流保護的第段的靈敏度為:<1.3故不滿足靈敏度的要求。斷路器3QF處電流保護的第段與相鄰線路電流保護的電流保護的第段相配合。即有 此時的靈敏度: <1.3 不滿足要求。此時斷路器3QF處電流保護的第段動作時間和斷路器2QF處電流保護的第段動作時間相配合： 對于保護2QF的電流保護的第段與相鄰線路1QF電流保護的電流保護的第段相配合。此時的靈敏度1.3不滿足要求。3.6整定保護1、2、3的過電流保護定值整定保護1、2、3的過電流保護定值，假定母線E過電流保護動作時限為0.5s，確定保護1、2、3過電流保護的動作時限，校驗保護1作近后備，保護2、3作遠后備的靈敏度。

13、定時限過電流保護的作用是作本線主保護的后備保護,即近后備保護,并做相鄰下一線路的后備保護,即遠后備保護。因此，它的保護范圍要求超過相鄰線路的末端。故保護1可以作E點的近后備保護。故保護2可以作E點的遠后備保護。故滿足靈敏度的要求。 第4章 電流保護原理圖的繪制與動作過程分析4.1電流三段式保護原理圖圖4.1 三段式電流保護原理接線圖如圖所示1KA、2KA是A、C三相電流保護段的測量元件； 3KA、4KA是A、C三項電流保護段的測量元件； 5KA、6KA、7KA是A、C三相電流保護段的測量元件； KM是中間繼電器；1KT、2KT是電流保護、段的邏輯延時元件；1KS、2KS、3KS是電流保護、段動

14、作的報警用信號元件。在該保護的第段保護范圍內發(fā)生AB兩項短路時，測量元件1、2、3、4、5、6都將動作，其中測量元件1、2直接啟動中間繼電器和信號元件，并使斷路器跳閘，切出故障。雖然測量元件3、4、5、6啟動了延時元件，但因故障切除后，故障電流已消失，所以所有測量元件和延時未到的延時元件，均將返回。電流保護的、段不會再輸出跳閘信號。同理，在線路末端短路時，只有延時元件動作以切出故障。每個繼電器都由感受元件、比較元件和執(zhí)行元件三個主要部分組成。感受元件用來測量控制量(如電壓、電流等)的變化，并以某種形式傳送到比較元件；比較元件將接收到的控制量與整定值進行比較，并將比較結果的信號送到執(zhí)行元件；執(zhí)行

15、元件執(zhí)行繼電器功作輸出信號的任務。4.2電流三段式原理展開圖電網的三段式電流保護的作用，是利用不同過電流值下，設置不同的延時動作時間來規(guī)避工作尖峰電流和使發(fā)生短路故障時，只有事故點最近的斷路器動作以減少斷電的影響范圍。三段式電流保護原理展開圖如圖4.2、4.3、4.4所示。圖4.2 交流回路展開圖 圖4.3 直流回路展開圖圖4.4 信號回路展開圖二次設備互相連接，構成對一次設備進行監(jiān)測、控制、調節(jié)和保護的電氣回路稱為二次回路。按電源性質分為交流電流回路（由電流互感器（TA）二次側供電給測量儀表及繼電器的電流線圈等所有電流元件的全部回路）和交流電壓回路-由電壓互感器（TV）二次側及三相五柱電壓互

16、感器開口三角經升壓變壓器轉換為220V供電給測量儀表及繼電器等所有電壓線圈以及信號電源等。如圖4.2所示，它由交流回路、信號回路及紙簍控制回路三部分構成。交流回路由電流互感器TAa、TAc的二次繞組構成不完全星形聯結，二次繞組姐電流繼電器KA1KA7的線圈。信號回路由直流屏引出主流操作電源+WS供電。直流控制回路由直流操作電源+WC、-WC供電。當Lbc短路時，保護1、2全不動作，保護3動作。測量元件1KA6KA都將動作，其中1KA、2KA經KM無時限動作直接啟動信號元件1KS，并使斷路器跳閘，切除故障。雖然測量元件3KA、4KA啟動了延時元件1KT，測量元件5KA、6KA啟動了延時元件2KT

17、，但是故障切除后，故障電流已消失，所以所有測量元件和延時未到的延時元件均返回。因此，電流、段不會再輸出跳閘信號。同理，當Lcd短路時，保護3的段都不動作，段和段只有KA動作，KT和KS都不動作。保護2 的段都動作，并且使斷路器跳閘。段和段中只有KA動作，KT和KS也都不動作，而保護3全部動作。當Lde短路時，保護1、2中段全不動作，段和段中只有KA動作，KT和KS都不動作。保護3的段動作，段和段中只有KA動作，KT和KS不動作。 第5章MATLAB建模仿真分析5.1 MATLAB的概述MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）之意。除具備卓越的數值計算能力外，它還提供了專業(yè)

18、水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB來解算問題要比用C、FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多.在新的版本中也加入了對C、FORTRAN、c+ 、JAVA的支持，可以直接調用。用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用，非常的方便。MATLAB的基礎是矩陣計算,但是由于他的開放性，并且mathwork也吸收了像maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數

19、學軟件。當前流行的MATLAB 6.5/7.0包括擁有數百個內部函數的主包和三十幾種工具包(Toolbox)，工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真,文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包、控制工具包、信號處理工具包、通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎.除內部函數外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構造新的專用工具包。MATLAB一個高級的距陣/陣列語言，它包含控制語句、函數、數據結構、輸入和輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命

20、令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序(M文件)后再一起運行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C語言基礎上的，因此語法特征與C語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數學表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是MATLAB能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因。MATLAB對許多專門的領域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，他們都是由特定領域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經把工具箱延伸到了科學研究和

21、工程應用的諸多領域，諸如數據采集、數據庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經網絡、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設計、LMI控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。5.2 仿真設計5.3仿真結果 （1）模擬電流段保護動作執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖5.1所示：由圖可以看出線路在0.05s發(fā)生了故障，產生一個較大的短路電流，之后經過一個很小的延時0.001s，斷路器1跳閘。電流段成功按時動作。

22、圖5.1 電流I段 （2）模擬電流段保護動作，在電流段的范圍內設置故障，由于本設計是模擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路1的值來模擬線路不同段的故障。將線路1的值設置為10，線路0、2分別為0.3、3.5。仿真參數同1），執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖5.2所示: 圖5.2 電流II段 由圖可以看出線路在0.05s發(fā)生了故障，產生一個較大的短路電流，之后經過預先設置的延時0.5s，斷路器1在0.55s跳閘。電流段成功按時動作。（3）模擬電流段保護動作，在電流段的范圍內設置故障，由于本設計是模擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路1的值來模擬線路不同段的故障。將線路1的值設置為15.

23、5，線路0、2分別為0.3、3.5。仿真參數同1），執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖5.3所示: 圖5.3 電流III段 由圖可以看出線路在0.05s發(fā)生了故障，產生一個較大的短路電流，之后經過預先設置的延時1.0s，斷路器1在1.05s跳閘。電流段成功按時動作。5.4結果分析對于電流段保護仿真，由圖4.1可以出看出電流段成功按時動作。但是這個故障必須設置在電流速斷的保護范圍之內。這期間其實電流段和段都啟動了，只是他們帶有一個動作延時，在還沒來得及動作時，電流段已經動作，并跳開斷路器，以至線路電流減小，段和段都返回而不動作。對于電流段保護仿真，由仿真的波形圖4.2可以看出，線路在0.05s發(fā)生了故障，產生一個較大的短路電流，但是這個電流值小于電流段的啟動值，所以電流段不會啟動，而段和段會啟動，在經過段預先設置的延時0.5s后，斷路器1在0.55s跳閘，電流段成功按時動作。這是因為電流段雖然啟動，但是還沒來得及動作，電流已經將故障切除，以致電流減小使段返回，這也正是電流保護為什么要有動作時限配合的原因。對于電流段保護仿真，在線路末端發(fā)生短路產生的短路電流較小，使得保護段和段都不會啟動，而段啟動