電力系統(tǒng)繼電保護課程設計輸電線路電流電壓保護設計

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學電力系統(tǒng)繼電保護電力系統(tǒng)繼電保護課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目： 輸電線路電流電壓保護設計（輸電線路電流電壓保護設計（4 4）院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字）起止時間：起止時間：2012.12.312012.12.312013.01.112013.01.11本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣工程及其自動化學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）題目輸電線路電流電壓保護設計

2、（4）本科生課程設計（論文）ii課程設計（論文）任務系統(tǒng)接線圖如圖：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,15,3/1151gxkve,20,2032ggxxl1=l2=60km,l3=40km,lb-c=40km,lc-d=50km,ld-e=30km,線路阻抗 0.4/km,2 . 1irelkrelk15. 1relk最大負荷電流 ib-c.lmax=300a,ic-d.lmax=260a, id-e.lmax=140a,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

3、、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。bag1123l3l2l1edcg2g

4、3987654系統(tǒng)接線圖本科生課程設計（論文）續(xù)表進度計劃第一天：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。指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算本科生課程設計（論文）i摘 要電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行對國民經濟以及人民生活乃至

5、社會穩(wěn)定都有著極為重大的影響。本文嚴格按照任務書的要求，首先根據所需保護線路的特點，確定出保護 3 在最大、最小運行方式下以及保護 3 在最小運行方式下 g2 退出運行，l2 退出運行時的等值電抗。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，根據以上電流值整定保護 1、2、3 的電流速斷保護定值，保護 3 的限時電流速斷保護定值，確定各自的最小保護范圍并進行校驗。最后在一種假設的情況下對系統(tǒng)的保護情況進行實際的計算。完成電流保護原理圖后對電路的動作進行相應的分析。論文最后利用 matlab 進行模擬仿真。 關鍵詞：電流整定值；最大最小運行；matlab 仿真本科生課程

6、設計（論文）ii目 錄第 1 章 緒 論 .1第 2 章 輸電線路電流保護整定計算. .22.1 保護 3 在最大、最小運行方式下的等值阻抗.22.2 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.22.3 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.32.4 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.42.5 整定保護 2、3 的限時電流速斷保護定值，并校驗靈敏度.42.6 整定保護 1、2、3 的過電流保護定值.5第 3 章 電流保護原理圖的繪制與動作過程分析 .73.1 電流三段式保護原理圖.73.2 電流三段式原

7、理展開圖.8第 4 章 matlab 建模仿真分析 .104.1 matlab 的概述.104.2 系統(tǒng)仿真建模設計.114.3 仿真結果分析.13課程設計總結 .15參考文獻 .16本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒 論電力系統(tǒng)繼電保護是一種電力系統(tǒng)的反事故自動裝置，是整個電力系統(tǒng)設計的重要組成部分，其主要由發(fā)電機、變壓器、線路、電動機、電容器等元件組成。電力系統(tǒng)繼電保護能在全系統(tǒng)范圍內，按指定分區(qū)實時地檢測各種故障和不正常運行狀態(tài)，快速及時地采取故障隔離或告警等措施，以求最限度地維持系統(tǒng)的穩(wěn)定、保持供電的連續(xù)性、保障人身的安全、防止或減輕設備的損壞。因此繼電保護裝置在技術上有四個基本要

8、求：選擇性，速動性，靈敏性和可靠性。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或無時限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護；第二，帶時限電流速斷保護或帶時限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護：第三，定時限過電流保護或低電壓啟動過電流保護。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。這第、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

9、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。本科生課程設計（論文）2第 2 章 輸電線路電流保護整定計算2.1 保護 3 在最大、最小運行方式下的等值阻抗保護 3 在最大運行方式：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 2.1。x1x2x4x5x7x3x6x8x9圖 2.1 最大運行方式根據設計參數計算得：x4=

10、x5=60*0.4=24x6=40*0.4=16x7=40*0.4=16x8=30*0.4=12x9=20*0.4=8 1336/5 .20)63/()5/42/1(max3xxxxxxx2.2 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 2.2.本科生課程設計（論文）3圖 2.2 最小運行方式3max1133()/ /()43/ /3619.6glglxxxxx2.3 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

11、流為： kaxeikc48. 2min3max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： kaxei89. 2max3min3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： kaxxeikd91. 16min3max kaxxeikdmxin14. 26max3 x1x4x7x3x6x8x9kaxxxeike72. 176max3minkaxxxeike55. 176min3max本科生課程設計（論文）42.4 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ik

12、max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。00152.5 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: 0000003min33156 .75%100*161 .12100lxlxbckaikikerelop45. 121. 1*2 . 1)3(max111kaikikdrelop70. 142. 1*2 . 1)3(max11

13、2kaikikcrelop29. 291. 1*2 . 1)3(max11365. 52165.2623max311min11xbdxielxsop82. 4161382.3323max312min22xbcxielxsop000000min221517.40%100*1282. 41002lxlxcd1 .121310.2523max313min33sopxielxkiboprelopmin21/kittttopop21本科生課程設計（論文）5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t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

14、t應與相鄰線路電流保護的第段相配合, 分支系數為:=1 即kbminkakiboprelop64. 2/min23ki所以該處電流保護的第段的靈敏度為:1.3 故不滿足靈敏08. 12minopiikkcsen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。kakiboprelop14. 2/min12ki此時的靈敏度1.3 不滿足要求。

15、75. 02miniikopkesen2.6 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。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。kiboprelopmin23/kikakiboprelop98. 1/min12ki75. 0miniikopkcsenstttopop123kaiedlressrelopikkki30

16、3. 0*02. 2)3()3(maxmax1kaidclressrelopikkki404. 0*02. 2)3()3(maxmax2本科生課程設計（論文）6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。2 . 187. 2404. 016. 1) 3() 3(2min1iikopkesenkaicblressrelopikkki606. 0*02. 2)3()3(maxmax33 . 18 . 3303. 016. 1) 3() 3(1min1iikopkesen本科生課程設計（論文）7第 3 章 電流保護原理圖的繪制與動作過程分析3.

17、1 電流三段式保護原理圖1ka4km7ksyr+2ka5kt+8ks+3ka6kt+9ks+圖 3.1 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

18、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本科生課程設計（論文）8執(zhí)行元件；執(zhí)行元件執(zhí)行繼電器功作輸出信號的任務。3.2電流三段式原理展開圖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

19、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 3.2、3.3、3.4 所示。圖 3.2 交流回路展開圖 圖 3.3 直流回路展開圖t aat ac1ka3ka5ka2ka4ka6ka7kaacn+wc-w c1ka2ka3ka4ka5ka6ka7kakm1kt2kt1ks2ks3kskm1kt2ktqft q本科生課程設計（論文）9圖 3.4 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

20、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 3.2 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(lián)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

21、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，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

22、中只有 ka 動作，kt 和 ks 不動作。+ws1ks2ks3ks本科生課程設計（論文）10 第 4 章 matlab 建模仿真分析4.1 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)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

23、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

24、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

25、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本科生課程設計（論文）11和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

26、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。4.2 系統(tǒng)仿真建模設計根據線路三段式保護的原理以及各段保護之間的配合模擬各段保護的動作情況。（1）模擬電流段保護動作執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖所示：圖 4.1 電流保護段仿真波形圖本科生課程設計（論文）12由圖 4.1 可以看出線路在 0.05s 發(fā)生故障，產生一個較大的短路，之后經過一個很小的延遲 0.001，斷路器 1 跳閘。電流段成功按時動作。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

27、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 仿真結果如下圖所示：圖 4.2 電流保護 ii 段仿真波形圖本科生課程設計（論文）13由圖 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，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 15.5，線路 0、2 分別為 0.3、3.5 仿真結果如下圖 4.3 所示：

28、圖 4.3 電流保護段仿真波形圖由圖 4.3 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。4.3 仿真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