單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)定時(shí)限過電流保護(hù)的建模與仿真

1、河南科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)題目單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)定時(shí)限過電流保護(hù)的建模與仿真學(xué)院農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院班級(jí)農(nóng)電131班學(xué)生姓名劉士指導(dǎo)教師李樹強(qiáng)日期2016年11月25日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)名稱繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)學(xué)生姓名劉寧專業(yè)班級(jí)農(nóng)電131設(shè)計(jì)題目單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)定時(shí)限過電流保護(hù)的建模與仿真1 .掌握繼電保護(hù)保護(hù)基本原理與整定計(jì)算；2 .掌握保護(hù)、控制、測(cè)量、信號(hào)回路接線與設(shè)計(jì)方法；3 .學(xué)習(xí)和掌握電力系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK的基本命令和應(yīng)用。二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求1 .電力系統(tǒng)的仿真。必須說明系統(tǒng)運(yùn)行方式、短路點(diǎn)與短路類型的確定原則或依據(jù)。2 .保護(hù)方式的選擇及短路電流的

2、整定計(jì)算。嘗試設(shè)置不同的短路參數(shù)并整定計(jì)算短路電流大小。3 .繪制繼電保護(hù)的接線方式及仿真輸出。要求繪制繼電器的接線圖及某一元件保護(hù)原理展開圖。4 .對(duì)保護(hù)的評(píng)價(jià)。要求從可靠性、選擇性、速動(dòng)性和靈敏性四個(gè)方面來評(píng)價(jià)所采用保護(hù)的質(zhì)量。5 .編寫設(shè)計(jì)說明書。不少于2000字的說明書。三、課程設(shè)計(jì)任務(wù)已知：電力系統(tǒng)的接線圖如圖1所示，電源電壓為35KV,系統(tǒng)最大和最小等效阻抗分別為=9化/"=6n；線路阻抗為%=ion鼠=24n；流過保護(hù)1、2、3的最大負(fù)荷電流分別為400、500、550A,心=1,3,Krt=0.85,K”尸115。試仿真保護(hù)4的過電流保護(hù)。圖1電力系統(tǒng)1 .了解電力系

3、統(tǒng)并繪制電力系統(tǒng)仿真模型；2 .繪制過電流電流保護(hù)的原理接線圖及展開圖并說明;3 .設(shè)置短路點(diǎn)并計(jì)算參數(shù)；4 .繪制繼電保護(hù)的仿真模型；5 .計(jì)算短路電流；6 .給出仿真結(jié)果并分析;要求：1 .繪制電力系統(tǒng)仿真圖；2 .繪制過電流電流保護(hù)的原理接線圖及展開圖;3 .設(shè)置至少三種短路點(diǎn)并計(jì)算參數(shù)及短路電流;四、時(shí)間進(jìn)度安排1.明確任務(wù)和文獻(xiàn)查找:3.仿真模型建立：2天5.編寫說明書：2天4 .繪制仿真結(jié)果并分析；2 .Matlab/Simulink熟悉與運(yùn)用：2天4 .仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果分析：2天6 .準(zhǔn)備答辯及答辯：1天五、主要參考文獻(xiàn)1 .家佩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算.北

4、京：中國電力出版社，20062 .張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（第二版）.中國電力出版社，20103 .于群，曹娜.MATLAB_Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真（第一版）.機(jī)械工業(yè)出版社，20114 .于群，曹娜.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理及仿真（第一版）.機(jī)械工業(yè)出版社，20155,中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB/T14285-2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程指導(dǎo)教師簽字:2016年11月25日摘要定時(shí)限過電流保護(hù)，也叫電流III段保護(hù)。其動(dòng)作電流按躲過被保護(hù)線路的最大負(fù)荷電流整定，其動(dòng)作時(shí)間一般保護(hù)階梯原則進(jìn)行整定以實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)的動(dòng)作選擇性，并且其動(dòng)作時(shí)間和短路電流的大小無

5、關(guān)。工作原理：反映電流增大而動(dòng)作，它要求能保護(hù)本條線路的全長和下一條線路的全長，作為本條線路主保護(hù)拒動(dòng)的近后備保護(hù)，具保護(hù)范圍應(yīng)包括下條線路或設(shè)備的末端。過電流保護(hù)在最大負(fù)荷時(shí)，保護(hù)不應(yīng)該動(dòng)作。動(dòng)作電流：按躲開被保護(hù)線路的最大負(fù)荷電流，且在自起動(dòng)電流下繼電器能可靠返回進(jìn)行整定。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，對(duì)單側(cè)電源的放射性電網(wǎng)能保證有選擇性的動(dòng)作，不僅能作為本條線路的近后備（有時(shí)作為主保護(hù)），而且可以作為下一條線路的遠(yuǎn)后備，在放射型電網(wǎng)中獲得廣泛應(yīng)用，一般在35kV及以下電網(wǎng)中作為主保護(hù)。缺點(diǎn)：動(dòng)作時(shí)間長，而且越靠近電源端其動(dòng)作時(shí)間越大，對(duì)靠電源端的故障不能快速切除。定時(shí)限過電流保護(hù)的要求是：應(yīng)

6、能保護(hù)被保護(hù)線路的全長，也能保護(hù)相鄰線路全長及相鄰元件的全部。即應(yīng)能起到近后備與遠(yuǎn)后備保護(hù)的作用，一般作為主保護(hù)的后備保護(hù)。關(guān)鍵字：定時(shí)限過電流保護(hù)、電流整定、動(dòng)作電流、靈敏度校驗(yàn)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書目錄第一章緒論1.1 繼電保護(hù)基本原理1.2 繼電保護(hù)裝置的基本要求第二章單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)定時(shí)限過電流保護(hù)的整定計(jì)算2.1 定時(shí)限過電流保護(hù)工作原理2.2 按選擇性的要求整定過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限計(jì)算2.3 過電流保護(hù)靈敏系數(shù)的校驗(yàn)第三章MATLAB建模仿真分析3.1 MATLAB的概述3.2 系統(tǒng)仿真建模設(shè)計(jì)第四章課程設(shè)計(jì)總結(jié)參考文獻(xiàn)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書第一章緒論1.1繼電保護(hù)基本

7、原理研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運(yùn)行的異常工況，以探討其對(duì)策的反事故自動(dòng)化措施。因在其發(fā)展過程中曾主要使用有觸點(diǎn)的繼電器來保護(hù)電力系統(tǒng)及其元件(發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、母線等)使之免遭損害，所以簡(jiǎn)稱繼電保護(hù)。繼電保護(hù)裝置必須具有正確區(qū)分被保護(hù)元件是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護(hù)區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能。保護(hù)裝置要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎(chǔ)來構(gòu)成。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：(1)電流增大。短路時(shí)故障點(diǎn)與電源之間的電氣設(shè)備和輸電線路上的電流將由負(fù)荷電流增大至超過負(fù)荷電流。(2)電壓降低。當(dāng)發(fā)生相問短路和接地短路故障時(shí)，系統(tǒng)各

8、點(diǎn)的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點(diǎn)，電壓越低。(3)電流與電壓之間的相位角改變。正常運(yùn)行時(shí)電流與電壓間的相位角是負(fù)荷的功率因數(shù)角，一般約為20。，三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60085°,而在保護(hù)反方向三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角則是1800+(60085°)。(4)測(cè)量阻抗發(fā)生變化。測(cè)量阻抗即測(cè)量點(diǎn)(保護(hù)安裝處)電壓與電流之比值。正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)量阻抗為負(fù)荷阻抗；金屬性短路時(shí)，測(cè)量阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榫€路阻抗，故障后測(cè)量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。不對(duì)稱短路時(shí)，出現(xiàn)相序分量，如兩相及單相接地短路時(shí)，出現(xiàn)負(fù)序電流和負(fù)序電壓分量；單相接地

9、時(shí)，出現(xiàn)負(fù)序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運(yùn)行時(shí)是不出現(xiàn)的。利用短路故障時(shí)電氣量的變化，便可構(gòu)成各種原理的繼電保護(hù)。農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書1.2繼電保護(hù)裝置的基本要求繼電保護(hù)裝置為了完成它的任務(wù)，必須在技術(shù)上滿足選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性四個(gè)基本要求。對(duì)于作用于繼電器跳閘的繼電保護(hù)，應(yīng)同時(shí)滿足四個(gè)基本要求，而對(duì)于作用于信號(hào)以及只反映不正常的運(yùn)行情況的繼電保護(hù)裝置，這四個(gè)基本要求中有些要求可以降低。1 .選擇性選擇性就是指當(dāng)電力系統(tǒng)中的設(shè)備或線路發(fā)生短路時(shí)，其繼電保護(hù)僅將故障的設(shè)備或線路從電力系統(tǒng)中切除，當(dāng)故障設(shè)備或線路的保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，應(yīng)由相鄰設(shè)備或線路的保護(hù)將故障切除。

10、2 .速動(dòng)性速動(dòng)性是指繼電保護(hù)裝置應(yīng)能盡快地切除故障，以減少設(shè)備及用戶在大電流、低電壓運(yùn)行的時(shí)間，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。一般必須快速切除的故障有：(1)使發(fā)電廠或重要用戶的母線電壓低于有效值(一般為0.7倍額定電壓)。(2)大容量的發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障。(3)中、低壓線路導(dǎo)線截面過小，為避免過熱不允許延時(shí)切除的故障。(4)可能危及人身安全、對(duì)通信系統(tǒng)造成強(qiáng)烈干擾的故障。故障切除時(shí)間包括保護(hù)裝置和斷路器動(dòng)作時(shí)間，一般快速保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為0.04s0.08s,最快的可達(dá)0.01s0.04s,一般斷路器的跳閘時(shí)間為0.06s0.15s,最快的可達(dá)0.02s0.06s

11、o對(duì)于反應(yīng)不正常運(yùn)行情況的繼電保護(hù)裝置，一般不要求快速動(dòng)作，而應(yīng)按照選擇性的條件，帶延時(shí)地發(fā)出信號(hào)。3 .靈敏性靈敏性是指電氣設(shè)備或線路在被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障或不正常運(yùn)行情況時(shí)，保護(hù)裝置的反應(yīng)能力。6農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書能滿足靈敏性要求的繼電保護(hù)，在規(guī)定的范圍內(nèi)故障時(shí)，不論短路點(diǎn)的位置和短路的類型如何，以及短路點(diǎn)是否有過渡電阻，都能正確反應(yīng)動(dòng)作，即要求不但在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下三相短路時(shí)能可靠動(dòng)作，而且在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下經(jīng)過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時(shí)也能可靠動(dòng)作。系統(tǒng)最大運(yùn)行方式：被保護(hù)線路末端短路時(shí)，系統(tǒng)等效阻抗最小，通過保護(hù)裝置的短路電流為最大運(yùn)行方式；系統(tǒng)最小運(yùn)行方

12、式：在同樣短路故障情況下，系統(tǒng)等效阻抗為最大，通過保護(hù)裝置的短路電流為最小的運(yùn)行方式。保護(hù)裝置的靈敏性是用靈敏系數(shù)來衡量。4 .可靠性可靠性包括安全性和信賴性，是對(duì)繼電保護(hù)最根本的要求。安全性：要求繼電保護(hù)在不需要它動(dòng)作時(shí)可靠不動(dòng)作，即不發(fā)生誤動(dòng)。信賴性：要求繼電保護(hù)在規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)該動(dòng)作的故障時(shí)可靠動(dòng)作，即不拒動(dòng)。繼電保護(hù)的誤動(dòng)作和拒動(dòng)作都會(huì)給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害。即使對(duì)于相同的電力元件，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，保護(hù)不誤動(dòng)和不拒動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響也會(huì)發(fā)生變化。以上四個(gè)基本要求是設(shè)計(jì)、配置和維護(hù)繼電保護(hù)的依據(jù)，又是分析評(píng)價(jià)繼電保護(hù)的基礎(chǔ)。這四個(gè)基本要求之間是相互聯(lián)系的，但往往又存在著矛盾。因此，

13、在實(shí)際工作中，要根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和用戶的性質(zhì)，辯證地進(jìn)行統(tǒng)一。農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書第二章定時(shí)限過電流保護(hù)的整定計(jì)算2.1 過電流保護(hù)的作用(1)電流速斷和限時(shí)電流速斷配合使得保護(hù)范圍內(nèi)(被保護(hù)線路)內(nèi)的故障都可以快速切除，因此兩者構(gòu)成了被保護(hù)線路的主保護(hù)。(2)為了保證相鄰線路主保護(hù)拒動(dòng)或斷路器拒動(dòng)時(shí)可靠切除故障(遠(yuǎn)后備)，同時(shí)作為本線路故障主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)可靠切除故障(近后備)，配置過電流保護(hù)。(3)過電流保護(hù)的主要作用是作為后備保護(hù)，提高整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。2.2 定時(shí)限過電流保護(hù)工作原理III(1)在正常情況下各條線路上的過電流保護(hù)絕不會(huì)動(dòng)作Iset3,Ilmax(2)在外部故障切

14、除后電壓恢復(fù)，負(fù)荷自動(dòng)啟動(dòng)電流作用下保護(hù)裝置必須能夠返回l.maxre>ISSmaxI111Iset3：過電流保護(hù)裝置的后動(dòng)電流Ire:過電流保護(hù)裝置的返回電流11max：線路上出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書1ssmax:外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)的自動(dòng)啟動(dòng)電流B53AtAt電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)電流要大于它正常工作的電流，因此，引入一個(gè)自起動(dòng)系44D4數(shù)Kss來表示自起動(dòng)時(shí)最大電流1ss.max與正常運(yùn)行時(shí)最大負(fù)荷電流115ax之比，即SSS.max-KSSlmax保護(hù)3、4和5在各自起動(dòng)電流的作用下必須立即返回。為此應(yīng)使保護(hù)裝置的返回電流（一次值）Ir'e大于ISS.

15、max。引入可靠系數(shù)K：,則Sre-KrelSSSmax-Kre1KSSSl.maxIIKre'1setreKreLZ111LZKrelKSSKSS:可靠系數(shù)，一般采用1.151.25;自起動(dòng)系數(shù)。數(shù)值大于1,應(yīng)由網(wǎng)絡(luò)具體接線和負(fù)荷性質(zhì)確定;Kre：電流繼電器的返回系數(shù)，一般采用0.850.95。保護(hù)1-位于電網(wǎng)的末端，只要電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障，它就可以瞬時(shí)動(dòng)作予以切除,t;即為保護(hù)裝置本身的故固有動(dòng)作時(shí)間。保護(hù)2-為了保證di點(diǎn)短路時(shí)動(dòng)作的選擇性，則應(yīng)整定其動(dòng)作時(shí)限農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書，2>tl0引入時(shí)間階段At,則保護(hù)2的動(dòng)作時(shí)限為上IIIAIII.A/、t2=t1+t(

16、24)依次類推，保護(hù)3、4、5的動(dòng)作時(shí)限均應(yīng)比相鄰各元件保護(hù)得動(dòng)作時(shí)限均高出至少一個(gè)At,只有這樣才能充分保證動(dòng)作的選擇性。2.3按選擇性的要求整定過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限計(jì)算2.3.1 保護(hù)4的電流定值流過保護(hù)4的最大負(fù)荷電流為11.4.max=400500-5501450(A)保護(hù)4的過電流值IIIset.4KIIIKrel'SS11.4.maxKre1.31.15M0.851450=2.55(KA)時(shí)限為t：nmaxC,t2",t；)+At=1+0.5=1.5(s)保護(hù)1切除故障后，流過保護(hù)4的最大負(fù)荷電流_'_._114max=500+550=1050A=1.05

17、KA在考慮電機(jī)的自啟動(dòng)出現(xiàn)的最大啟動(dòng)電流Issmax=Kss114max=1.31.05=1.365KAss.maxssl.4.max這個(gè)電流Iss.max必須小于保護(hù)4的返回電流Ire,否則1.5s以后保護(hù)4將誤切除相應(yīng)的要求10農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書2.55Issmax<Ire=Kre工1st4=2.55Kre,從而有2.55Kre>1.365,Kre>11365=0,535當(dāng)返ss.maxieiesei.ieieie回系數(shù)低于0.535時(shí)，會(huì)造成誤動(dòng)。在上圖所示的網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)保護(hù)4而言即應(yīng)滿足以下要求:=maX式中t；：i號(hào)(電動(dòng)機(jī))保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間t2"

18、：2號(hào)(變壓器)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間t；：3號(hào)(線路B-C)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間2.4過電流保護(hù)靈敏系數(shù)的校驗(yàn)過電流保護(hù)靈敏系數(shù)的校驗(yàn)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生金屬性短路時(shí)故障參數(shù)的計(jì)算值Ksen;保護(hù)裝置的動(dòng)作參數(shù)(1)當(dāng)過電流保護(hù)作為本線路的主保護(hù)時(shí)，應(yīng)采用最小運(yùn)行方式下本線路末端兩相短路時(shí)的電流進(jìn)行校驗(yàn)，要求Ksen之1.31.5；(2)當(dāng)作為相鄰線路的后備保護(hù)時(shí)，則應(yīng)采用最小運(yùn)行方式下相鄰線路末端兩相短路時(shí)的電流進(jìn)行校驗(yàn)，此時(shí)要求Ksen>1.2。(3)保護(hù)4的靈敏度k.B.mink.B.minKsen.4set.4relKss1l.4.maxKsen.4與Kre成正比，當(dāng)Kre下降時(shí)靈敏度下降Ksen

19、="3.2=2,6350.85止匕外，在各個(gè)過電流保護(hù)之間，還必須要求靈敏系數(shù)互相配合，即對(duì)同一故障點(diǎn)而言，要求越靠近故障點(diǎn)的保護(hù)應(yīng)具有越高的靈敏系數(shù)。農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書2.5原理接線分析如圖所示，當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生故障時(shí)，短路電流經(jīng)電流互感器TA流入KA1-KA3,短路電流大于電流繼電器整定值時(shí)，電流繼電器啟動(dòng)。因三只電流繼電器觸點(diǎn)并聯(lián)，所以只要一只電流繼電器觸點(diǎn)閉合，便啟動(dòng)時(shí)間繼電器KT,按預(yù)先整定的時(shí)限，其觸點(diǎn)閉合，并啟動(dòng)出口中間繼電器KOMoKOM動(dòng)作后，接通跳閘回路，使QF斷路器跳閘，同時(shí)使信號(hào)繼電器動(dòng)作發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。由于保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限與短路電流的大小無關(guān)，是固定的，故稱為定時(shí)限過電流。12農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書第四章課程設(shè)計(jì)總結(jié)本課程設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)定時(shí)限過電