畢業(yè)論文-10kv線路相間電流保護改進方法及實現(xiàn)方案設計

湖南大學畢業(yè)設計 第II相交。可知，交點之前是裝置的保護范圍，即使在最大運行方式下，電流速斷保護也無法對線路全長進行保護。因此，可以用保護范圍的大小來衡量電流速斷保護的靈敏性（也就是對保護范圍內故障的動作能力），一般表示為線路全長的百分數。此保護的主要優(yōu)點是簡潔可靠，動作迅速，因此得到了廣泛的應用。它的缺點也很明顯，線路的全長不可能都保護到，隨著系統(tǒng)運行方式的變化的保護范圍也會隨之變化。3.3限時電流速斷保護因為電流速斷保護范圍明顯受限的缺點，有必要起用一段新保護，對本線路上一段保護范圍以外進行故障切除，同時作為速斷保護的后備保護。這就是這一段保護的作用。對這個新的保護的要求，首先是在任何情況下對線路全長正確保護。靈敏性和動作時限達到最小是對這段保護的要求。本段線路的電路速斷保護他的保護范圍必須要大于本線路全長，才能完成對本線路完整的保護，此時當相鄰下一條線路出口端發(fā)生短路路時，它就會啟動，在這種情況下，出于滿足動作的選擇性考慮，我們就要使保護在一定時限后動作，而延伸范圍對時限大小起影響。此段保護一般定為比下一條線路的速斷保護延遲一個時間階段動作，此時間階段以表示?，F(xiàn)以圖3-2的保護2為例，來說明限時電流速斷保護的整定方法。設保護1裝有電流速斷，其起動電流按(3-3)式計算后為，交點M前段就是保護l電速斷保護的動作范圍，當在此點發(fā)生短路時，按照上述分析線路2的限時電流速斷動作范圍應當小于線路1電流速斷的動作范圍。單側電源供電時，它的啟動電流整定為（3-5）圖3-2限時電流速斷動作特性的分析在上式中能否選取兩個電流相等？選取等號的情況表示保護范圍重合，但這只能在理想情況下實現(xiàn)，實踐情況下不能發(fā)生中，1和2安裝地點不同，使用的電設備也不同，特性不一致，出現(xiàn)誤差時，保護1的一段保護動作范圍可能反而會小于保護2的二段動作范圍，即會出現(xiàn)線路2的限時速斷保護動作而線路1的速斷保護卻不能動作。因而保護2失去了選擇性。這種情況不能發(fā)生，所以整定時不能取等號，而必須使，引入可靠系數，則得（3-6）對于，考慮到短路電流中的非周期分量已經衰減，一般情況取為1.1~1.2。有上述可得，限時速斷的動作時限，應選擇得比下一條線路速斷保護的動作時限高出一個時間階段，即=+（3-7）從盡快切除故障的觀點來看，越小越好，但是為了保證兩個保護之間動作的選擇其值又不能選擇得太小?，F(xiàn)以線路置BC上發(fā)生故障時，保護2與保護l的配合關系為說明確定的原則如下：（1）應包括故障線路斷路器QF的跳閘時間(即從操作電流送入跳閘線圈Y的瞬間算起，直到電弧熄滅的瞬間為止)，因為在這一段時間里，故障并末消除，因此保護2在故障電流的作用下仍處于起動狀態(tài)。（2）應包括故障線路保護1中時間繼電器的實際動作時間比整定值要大才能動作。(當保護1為速斷保護時，保護裝置中不用時間繼電器，即可以不考慮這一項的影響)。（3）應包括保護2中時間繼電器可能比預定的時間提早動作閉合它的觸點。（4）如果保護2中的測量元件(電流繼電器)在外部故障切除后，由于慣性的影響而不能立即返回時，則中還應包括測量元件延遲返回慣性時間。（5）考慮一定的裕度，再增加一個裕度時間，就得到和之間的關系為（3-8）或（3-9）對于通常采用的斷路器和間接作用的二次式繼電器而言，的數值位于0.35~0.6s之間，通常多取為0.5s。保護靈敏系數的含義是（3-10）（3-11）確保短路發(fā)生在線路末端時，保護裝置一定能夠動作，對限時電流速斷保護應要求。3.4過電流保護正常運行時，過電流保護一般不啟動，，而在電力系統(tǒng)故障時，由于電流的增大它會動作，一般它能同時保護本線路和相鄰線路的全長，有后備保護的作用。圖3-3選擇過電流保護動作電流和動作時間的網絡圖在故障切除之后電壓恢復階段，電動機會有自起動的一段過程。引入一個自起動系數，，自起動時最大電流；表示正常運行時最大負荷電流。由于自啟動電流的存在，保護4和5要立即返回。返回電流大于。引入可靠系數段，則有（3-12）電流繼電器是實現(xiàn)裝置的啟動和返回，引入繼電器的返回系數，則起動電流即為（3-13）式中——可靠系數，一般情況為1.25~1.5；——自起動系數，數值大于l；——電流繼電器的返回系數，一般采用0.85保護裝置起動電流與成負相關，它越大，靈敏性就越差，這是不利的。這就要求繼電器的啟動電流高。如圖3-4所示，各裝置的起動電流的整定要躲開各自被保護元件上的最大負荷電流。這樣當k1點短路時，保護l~5在短路電流的作用下都可能起動，但要滿足選擇性的要求，只有保護1才能動作，切除故障，而保護2~5返回于故障切除之后。這個要求的滿足需要依靠保護裝置動作的時限性。圖3-4單側電源發(fā)射形網絡中過電流保護保護l位于電網的最末端，電動機內部一旦發(fā)生故障，它可以瞬間給予切除，t1為保護裝置固有動作時間。相對于對保護2，k1點短路時要保證動作選擇性，動作時限。時間級差，此時保護2具有的動作時限為，保護2的時限確定以后，當k2點短路時，它將以的時限切除故障，此時為了保證保護3動作也要具有選擇性，又必須整定。引入以后則得保護3的動作時限應為，依次類推，保護4、5的動作時限分別為。綜上可以得出，處于電網終端附近的保護裝置(如1和2)，其過電流保護的動作時限并不長，因此在這種情況下它就可以作為主保護兼后備保護，前面介紹的兩種保護就不需要安裝。對本保護靈敏系數還要采用(3-10)來校驗，當本保護當做本線路保護的主保護時，應采用最小運行方式下本線路末端兩相短路時的電流進行校驗，要求是；當作為相鄰線路的后備保護時，校驗時需用最小運行方式下相鄰線路末端兩相短路電流，此時要求是。此外，這多個過電流保護之間靈敏系數也要配合，針對一個故障點，保護離故障點越近，靈敏系數要求也越高。圖2-6的網絡中，當k1點短路時，靈敏系數要有以下關系（3-14）在后備保護之間，為了確切保證選擇性，靈敏系數和動作時限互相要非常好配合。當處于更加復雜的網絡保護時，這個問題要尤其注意注意。而本保護的靈敏系數不能達到要求時，其它更好的保護方式就要去考慮了。

4線路三段式電流保護仿真4.1仿真軟件介紹Matlab是MathWorks公司推出的一套高性能的數值計算和可視化軟件。Matlab7.0中包含有Simulink及功能強大的仿真電力系統(tǒng)(SimPowerSystems)模塊庫，它的功能非常強大，含有電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳輸等電工科學中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，建模只需點擊和拖拉即可完成。利用MATLAB進行繼電保護原理及裝置的計算機仿真是當今高校及科研機構學習研究新型保護裝置的重要手段之一。本文根據以上線路繼電保護基本原理思路，利用Matlab中的Simulink模塊搭建出簡單的一次供電系統(tǒng)，在這基礎上搭建線路繼電保護模塊，繼而設置電力系統(tǒng)故障運行所搭建的模型，調試程序，達到保護按電流三段式原理和零序電流保護原理動作的目的，成功完成線路繼電保護仿真。本設計是根據繼電保護中線路三段式電流保護的原理，模擬單側電源系統(tǒng)中，線路發(fā)生故障是保護的動作情況，并對其進行數字、波形仿真。這里當然涉及到了三段式電流的整定計算與各段保護之間的配合。模型搭建起來之后，我們可以在線路的不同段可分別設置故障，仿真線路保護中電流速斷保護（Ⅰ段）、限時電流速斷保護(Ⅱ段)和定時限過電流保護(Ⅲ段)的動作情況。所建仿真模型如圖4-1所示。4.2模型模塊：（只需雙擊模塊即可實現(xiàn)修改參數，具體見附錄）“交流電壓源”模塊實際為一個單相電源模塊(ACVolatgeSourceblock)，通過設定該模塊的參數來模擬單電源系統(tǒng)。斷路器模塊“breaker”線路模塊故障模塊定時器模塊繼電器模塊電流測量模塊4.3線路三段式電流保護模塊子系統(tǒng)（Subsystem）線路三段式電流保護模型可以分為以下4個部分：1）電流保護Ⅰ段，該子系統(tǒng)主要功能是：當線路在Ⅰ段范圍內發(fā)生故障時，保護立即啟動并切除故障，它只能保護本線路的一部分。它是將經過傅立葉模塊變換的電流與預先設置的繼電器電流相比較，若大于預置值則輸出1，反之輸出0，這個信號再經過延遲模塊，因電流Ⅰ段是速斷保護，所以這個延遲時間很?。?.001），然后經過保護出口將最終的信號輸出給斷路器的外部控制端。保護出口部分主要由非門(NOT)、加法器(SUM)和常數(constant)、使能子系統(tǒng)模塊(EnableSubsystem)構成，其主要功能是將保護模塊的動作行為保持。這與單相重合閘仿真是一致的。2）電流保護Ⅱ段，該子系統(tǒng)主要功能是：當線路在Ⅱ段范圍內發(fā)生故障時，保護經過一個動作延時啟動并切除故障，它能保護本線路的全長。其動作原理與電流保護Ⅰ段基本相同，只是延遲時間不一樣，當滿足靈敏度的情況下Ⅱ段的延遲時間是0.5s，當靈敏度不滿足要求時，它的動作時間應與下一保護的Ⅱ段相配合，延遲時間就等于下一保護的Ⅱ段延遲時間加上0.5s。3）電流保護Ⅲ段，該子系統(tǒng)主要功能是：當線路在Ⅲ段范圍內發(fā)生故障時，保護經過一個動作延時啟動并切除故障，它不僅能保護本線路的全長，而且能保護下級相鄰線路的全長。其動作原理與電流保護Ⅰ段基本相同，也只是延遲時間設置不一樣。當滿足靈敏度的情況下，它的動作時間應與下一保護的Ⅲ段相配合，所以延遲時間等于下一級保護的Ⅲ段延遲時間加上0.5s。若靈敏度不滿足要求，則應當考慮電流電壓連鎖保護或是距離保護。4）保護總出口部分，該部分的功能就是將1）、2）、3）部分的輸出信號相與，就是當Ⅰ段輸出為1，Ⅱ段輸出為0，Ⅲ段輸出也為0時，經過一個乘法模塊，總輸出就為0，將斷路器跳開。同理，當故障發(fā)生在Ⅱ段或是Ⅲ段范圍內時，保護也是按這個原理動作的。4.4設置故障與仿真結果根據線路三段式保護的原理以及各段保護之間的配合，我們可以在線路的不同段設置故障，模擬各段保護的動作情況。模擬電流Ⅰ段保護動作，在電流Ⅰ段的范圍內設置故障，將線路1的值設置為5，線路0、2分別為0.3、3.5。設置仿真參數如下圖4-1所示圖4.1三段式電流保護仿真參數設置圖執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖4-2所示：圖4-2電流Ⅰ段仿真波形圖2圖4-2電流Ⅰ段仿真波形圖2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Ⅰ段成功按時動作。2）模擬電流Ⅱ段保護動作，在電流Ⅱ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4-3所示:圖4-3電流Ⅱ段仿真波形圖2圖4-3電流Ⅱ段仿真波形圖2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Ⅱ段成功按時動作。3）模擬電流Ⅲ段保護動作，在電流Ⅲ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15.5，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4-4所示:圖4-4電流Ⅲ段仿真波形圖1圖4-4電流Ⅲ段仿真波形圖2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Ⅲ段成功按時動作。4.5仿真結果分析對于電流Ⅰ段保護仿真，由圖4-10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Ⅰ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內。這期間其實電流Ⅱ段和Ⅲ段都啟動了，只是它們帶有一個動作延時，在還沒來得及動作時，電流Ⅰ段已經動作，并跳開短路器，以致線路電流減小，Ⅱ段和Ⅲ段都返回而不動作。如果將線路1的值再設置的大點，也就是遠離保護Ⅰ段范圍的末端，則保護Ⅰ段不會動作，而是限時電流速斷保護（Ⅱ段）動作。通過仿真波形我們可以看出仿真是合乎保護動作原理的，仿真成功。對于電流Ⅱ段保護仿真，由仿真的波形圖4-2可以看到，線路在0.05s發(fā)生了故障，產生一個較大的短路電流，但這個電流值小于電流Ⅰ段的啟動值，所以電流Ⅰ段不會啟動，而電流Ⅱ段和Ⅲ段會啟動，在經過Ⅱ段預先設置的延時0.5s后，斷路器1在0.55s跳閘，電流Ⅱ段成功按時動作。這是因為電流三段雖然啟動，但是還沒來得及動作，電流Ⅱ段已經將故障切除，以致電流減小使Ⅲ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Ⅲ段保護仿真，由仿真的波形圖4-3可以看到，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Ⅲ段成功按時動作。這是因為在線路末端發(fā)生短路，產生的短路電流較小，使得保護Ⅰ段和Ⅱ段都不會啟動，而Ⅲ段啟動，經過預先設置的延遲時間1.0s后，Ⅲ段動作而跳閘，切除故障。這里其實下一級線路的保護Ⅰ段也啟動了，最先動作的應該是它，但為了模擬三段動作情況，我們就假設了下一級線路的Ⅰ段因失靈或其他原因而拒動，來仿真Ⅲ段動作情況。電流Ⅲ段它不僅作為本線路主保護拒動時的近后備保護，而且作為下級相鄰線路保護拒動和斷路器拒動時的遠后備保護，同時還作為過負荷時的過負荷保護。通過仿真波形我們可以看出仿真是合乎保護動作原理的，電流Ⅲ段保護仿真成功。5對三段式電流保護的改進5.1整定問題“定值整定問題”原因造成繼電保護裝置異常動作占首位（14.8%）。定值整定問題系指對繼電器整定得不合理，造成繼電保護裝置誤動或者拒動，尤其是上下兩級開關在整定值上需要配合的時候，因為動作值或動作時間整定不當，上級開關保護躲不過起動沖擊電流或下級開關保護區(qū)域內的故障電流而誤動。在電力系統(tǒng)繼電保護中，很多都采用電流繼電器，因為電磁型繼電器本身固有的弱點，若想提高繼電保護動作的選擇性和可靠性，必須犧牲保護的靈敏性（放大整定值）和速動性（延時）。比較有效的解決辦法就是將DL、GL系列繼電器更換為微機保護，微機保護與傳統(tǒng)的電磁型保護裝置相比，在原理上有突出的優(yōu)點：整定值在故障開始時或電動機啟動時，能自動提高一定倍數（通過軟件編程來實現(xiàn)），在電動機啟動完畢或者故障發(fā)生一段時間后，整定值自動恢復至原來的數值，這樣既躲過起動沖擊電流或故障電流的影響，又使繼電保護的選擇性、速動性、靈敏性和可靠性趨向統(tǒng)一。5.2繼電器問題“繼電器問題”造成保護異常動作也占相當大的比例。繼電器問題主要集中在繼電器斷線、接點卡住或粘住或接觸不良、功率方向元件潛動、抗干擾性能差等方面問題。其主要原因是繼電器校驗不符合標準、安裝不符合要求、投運前沒有做現(xiàn)場通流和傳動試驗，還有繼電器抗干擾性能差，易受外界干擾影響，造成繼電器工作失常和損壞；現(xiàn)場屏蔽及接地方面也存在不少問題，影響繼電器的正常運行。因此，繼電器的合理選用是十分必要的。正確選用繼電器的原則應該是：①繼電器的主要技術性能，如觸點負荷，動作時間參數，機械和電氣壽命等，應滿足整機系統(tǒng)的要求；②繼電器的結構型式(包括安裝方式)與外形尺寸應能適合使用條件的需要；③經濟合理。（1）按使用環(huán)境條件選擇繼電器型號環(huán)境適應性是繼電器可靠性指標之一,使用環(huán)境和工作條件的差異，對繼電器性能有很大的影響。（2）根據輸入量選定繼電器的輸入參數在電磁繼電器的輸入參數中，與用戶密切相關的是線圈的工作電壓(或電流)，而吸合電壓(或電流)則是繼電器制造廠約束繼電器靈敏度并對其進行判斷、考核的參數，它只是一個工作下限參考值。（3）根據負載情況選擇繼電器觸點的種類與參數與被控電路直接連接的觸點是繼電器的接觸系統(tǒng)。5.3保護方案的改進當線路上發(fā)生不對稱故障時,三相電壓電流將處于不對稱運行狀態(tài);當故障切除后,三相電壓,電流又將恢復對稱穩(wěn)態(tài)運行;故障時將產生序分量。所以,可根據檢測到的序分量確定故障是否對稱、系統(tǒng)的運行狀態(tài)并決定斷路器的行為。對一個多電源供電的系統(tǒng),跳開兩個斷路器才能切除一條線路上的故障,而跳開動作是有先有后的,此間時間差一般情況下很大的,端斷路器動作前會有本端故障電流的變化，我們可以借此識別故障。區(qū)內故障時可以加快速度跳開本端斷路器。建立一個處理算法，用來抽取出正、負、零序分量,并正確計算出序分量有效值,比較大小,從而知曉系統(tǒng)狀態(tài)。通過對電氣量的監(jiān)測，遠端斷路器的動作可由序分量變化判斷,同時故障區(qū)外的斷路器誤動也防止,故障區(qū)內的斷路器準確加速跳閘。判斷方程如下：R1=(S0+S2)/S1，S0、S1、S2分別代表零序、正序、負序分量有效值。在本方案中,所有的繼電器都被安排成兩種動作模式,使用傳統(tǒng)保護整定的固定時間動作模式和使用新原理的加速動作模式。不對稱故障發(fā)生時,每一個繼電器維持固定時間模式啟動,這時，某個繼電器相應的斷路器會率先跳閘,下一個啟動的繼電器用序分量對系統(tǒng)的運行狀況進行判斷,如對稱運行狀況恢復,判定故障位于區(qū)外,此繼電器返回,相應的斷路器不動作;對稱運行未能恢復,故障不一定位于區(qū)內,也可能位于下一條線路。為了不誤動,相電流需要檢測是否低于閾值(很小接近0),有的話,表示該條線路的對端斷路器已經跳閘,故障發(fā)生在區(qū)內,相應的斷路器應該跳閘;沒