遼寧工業(yè)大學(xué) 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課設(shè) 輸電線路距離保護(hù)設(shè)計(jì)(1)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：輸電線路距離保護(hù)設(shè)計(jì)（1）院（系）： 新能源學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣工程122 學(xué) 號(hào)： 121803045 學(xué)生姓名： 李東澤 指導(dǎo)教師： 吳 靜 （簽字）起止時(shí)間： 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：新能源學(xué)院 教研室：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)121803045學(xué)生姓名李東澤專業(yè)班級(jí)電氣工程122課程設(shè)計(jì)（論文）題目輸電線路距離保護(hù)設(shè)計(jì)（1）課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)8E6562km38km2174330kmDCBA系統(tǒng)接線圖系統(tǒng)接線圖如圖：課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)參見下表設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)工作量線路每公里阻抗為Z1=0

2、.4/km,線路阻抗角為L(zhǎng)=65°,AB、BC線路最大負(fù)荷電流為400A,負(fù)荷功率因數(shù)為cosL=0.9,。電源電勢(shì)為E=115kV, ZsAmax=10,ZsAmin=8,ZsBmax=30,ZsBmin=15。歸算至115kV的各變壓器阻抗為84.7,容量ST為15MV.A。其余參數(shù)如圖所示。1計(jì)算保護(hù)1距離保護(hù)第段的整定值和靈敏度。2. 計(jì)算保護(hù)1距離保護(hù)第段的整定值和靈敏度。3. 計(jì)算保護(hù)1距離保護(hù)第段的整定值和靈敏度。4分析系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下振蕩時(shí)，保護(hù)1各段距離保護(hù)的動(dòng)作情況。5當(dāng)距保護(hù)1出口20km處發(fā)生帶過渡電阻Rarc=12的相間短路時(shí)，保護(hù)1的三段式距離保護(hù)將作

3、何反應(yīng)（設(shè)B母線上電源開路）？6繪制三段式距離保護(hù)的原理框圖。并分析動(dòng)作過程。7. 采用MATLAB建立系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。續(xù)表進(jìn)度計(jì)劃第一天：收集資料，確定設(shè)計(jì)方案。 第二天：距離I段整定計(jì)算及靈敏度校驗(yàn)。第三天：距離II段整定計(jì)算及靈敏度校驗(yàn)。 第四天：距離III段整定計(jì)算及靈敏度校驗(yàn)。第五天：系統(tǒng)振蕩和短路過渡電阻影響分析。第六天：繪制保護(hù)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(shè)總結(jié)，迎接答辯。指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘 要距離

4、保護(hù)是以距離測(cè)量元件為基礎(chǔ)構(gòu)成的保護(hù)裝置，又稱阻抗保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，保護(hù)裝置安裝處的電壓為系統(tǒng)的額定電壓，電流為負(fù)載電流，而發(fā)生短路故障時(shí)，其電壓降低、電流增大。因此，電壓和電流的比值，在正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下是有很大變化的。由于線路阻抗和距離成正比，保護(hù)安裝處的電壓與電流之比反映了保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)的阻抗，也反映了保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)的距離。所以可按照距離的遠(yuǎn)近來確定保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間，這樣就能有選擇地切除故障。本次課程設(shè)計(jì)主要輸電線路的距離保護(hù)，根據(jù)已知系統(tǒng)的接線圖，來確定保護(hù)1距離保護(hù)三段的整定值并校驗(yàn)各段的靈敏度，同時(shí)分析系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下振蕩時(shí)，保護(hù)1各段距離保護(hù)的動(dòng)作情況。最

5、后分析動(dòng)作過程并采用MATLAB建立系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析輸出系統(tǒng)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的電流和電壓波形，判斷系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)繼電器的誤動(dòng)作并分析其動(dòng)作與否的原因，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：距離保護(hù)；故障點(diǎn)；整定計(jì)算；仿真目 錄第1章 緒論11.1 輸電線路距離保護(hù)概述11.2 本文研究?jī)?nèi)容2第2章 輸電線路距離保護(hù)整定計(jì)算32.1 距離段整定計(jì)算32.2 距離段整定計(jì)算32.3 距離段整定計(jì)算42.4 系統(tǒng)振蕩和短路過渡電阻影響分析52.4.1 系統(tǒng)震蕩特性52.4.2 短路過渡電阻影響分析8第3章 距離保護(hù)原理圖的與動(dòng)作過程分析113.1 保護(hù)1各段距離保護(hù)的動(dòng)作過程113.2 三段

6、式距離保護(hù)的原理框圖11第4章 MATLAB建模仿真分析134.1 距離保護(hù)MATLAB建模134.2 距離保護(hù)仿真波形及分析14第5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)17第6章 參考文獻(xiàn)1817第1章 緒論1.1 輸電線路距離保護(hù)概述輸電線路距離保護(hù)是指利用阻抗元件來反應(yīng)短路故障的保護(hù)裝置，阻抗元件的阻抗值是接入該元件的電壓與電流的比值，也就是短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處的阻抗值。因線路的阻抗值與距離成正比，所以叫距離保護(hù)或阻抗保護(hù)。系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，不可能總工作于最大運(yùn)行方式下，因此當(dāng)運(yùn)行方式變小時(shí)，電流保護(hù)的保護(hù)范圍將縮短，靈敏度降低；而距離保護(hù)測(cè)量的是短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處的距離，受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響較小，保護(hù)范圍穩(wěn)定

7、，常用于線路保護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行主要有符合要求電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行方式和電力系統(tǒng)繼電保護(hù)來保證。高壓及以上等級(jí)電網(wǎng)中，繼電裝置可靠性和速動(dòng)性有雙重主保護(hù)來保證，其選擇性和靈敏性主要由相間接地故障后被保護(hù)延時(shí)段來保證。距離保護(hù)是以距離測(cè)量元件為基礎(chǔ)構(gòu)成保護(hù)裝置，稱阻抗保護(hù)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，保護(hù)裝置安裝處的電壓為系統(tǒng)的額定電壓，電流負(fù)載電流，發(fā)生短路故障時(shí)，電壓降低、電流增大。因此，電壓和電流比，正常狀態(tài)和故障狀態(tài)有很大變化。由于線路阻抗和距離成正比，保護(hù)安裝處的電壓與電流之比反映了保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)的阻抗，也反映保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)距離。所以按照距離遠(yuǎn)近來確定保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，這樣就能有選擇地切除故障。

8、當(dāng)前微計(jì)算機(jī)硬件的更新和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展在計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域。單片機(jī)與DSP芯片二者技術(shù)上的融合，主要體現(xiàn)在運(yùn)算能力的提高及嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信芯片的出現(xiàn)和應(yīng)用等方面。這些發(fā)展使硬件設(shè)計(jì)更加方便。高性價(jià)比使冗余設(shè)計(jì)成為可能，為實(shí)現(xiàn)靈活化、高可靠性和模塊化的通用軟硬件平臺(tái)創(chuàng)造了條件。硬件技術(shù)的不斷更新和微機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化，將為距離保護(hù)的設(shè)計(jì)和發(fā)展帶來一種全新的理念和創(chuàng)新，它會(huì)大大簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)、增強(qiáng)硬件的可靠性，使裝置真正具有了局部或整體升級(jí)的可能。1.2 本文研究?jī)?nèi)容本次課程設(shè)計(jì)的主要是輸電線路的距離保護(hù)。計(jì)算和分析主要內(nèi)容是計(jì)算保護(hù)1距離保護(hù)段、段和段整定值和靈敏度，計(jì)算靈敏度同時(shí)要注意每個(gè)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間要精

9、確，上述工作完成后接下來對(duì)設(shè)計(jì)提出的系統(tǒng)震蕩和短路過渡電阻對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析，并確定距離保護(hù)的范圍，并分析系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下振蕩時(shí)，保護(hù)1各段距離保護(hù)的動(dòng)作情況。后用MATLAB仿真，驗(yàn)證計(jì)算的正確性。第2章 輸電線路距離保護(hù)整定計(jì)算2.1 距離段整定計(jì)算距離段動(dòng)作阻抗的整定距離I段按躲開下一條線路出口處短路的原則整定 其中：計(jì)算相間距離保護(hù)第段動(dòng)作阻抗斷路器1、3、4QF處距離保護(hù)第段的動(dòng)作時(shí)間和靈敏度分別為：確定動(dòng)作時(shí)限：t=0S整定阻抗角與線路阻抗角相等，保護(hù)區(qū)為被保護(hù)線路全長(zhǎng)的80%。2.2 距離段整定計(jì)算距離II段與相鄰線路距離保護(hù)I段相配合，或躲開線路末端變電所變壓器

10、低壓出口側(cè)出口處短路時(shí)的阻抗值整定。（1）與相鄰線路第段配合。動(dòng)作阻抗為： ：最小分支系數(shù) 助增分支：汲出系數(shù)為：1總的分支系數(shù)為： 整定阻抗為：靈敏度校驗(yàn)： 要求：1.31.5 滿足要求（2）躲開線路末端變電所變壓器低壓出口側(cè)出口處短路時(shí)的阻抗值。動(dòng)作阻抗為： ：最小分支系數(shù)整定阻抗為：靈敏度校驗(yàn)： 要求：1.31.5 滿足要求相間距離II段整定值取上述兩項(xiàng)中較小值。整定阻抗為：整定時(shí)間為：t=0.5S 2.3 距離段整定計(jì)算（1）按躲過最小負(fù)荷阻抗整定動(dòng)作阻抗為： 整定阻抗為： （2）靈敏度校驗(yàn)近后備時(shí)： 滿足要求遠(yuǎn)后備時(shí)：作為線路BC遠(yuǎn)后備時(shí)： 滿足要求。作為變壓器遠(yuǎn)后備時(shí)： 滿足要求。

11、動(dòng)作時(shí)間： 2.4 系統(tǒng)振蕩和短路過渡電阻影響分析2.4.1 系統(tǒng)震蕩特性系統(tǒng)振蕩時(shí)，系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)電勢(shì)間的相角差隨時(shí)間作周期性變化，從而使系統(tǒng)中各點(diǎn)電壓，線路電流以及距離保護(hù)的測(cè)量阻抗也將發(fā)生周期性變化，可能導(dǎo)致距離保護(hù)的誤動(dòng)作。但通常系統(tǒng)振蕩若干周期后，多數(shù)情況下能自行恢復(fù)同步，若此時(shí)保護(hù)誤動(dòng)，勢(shì)必造成不良后果，因而使不允許的。（1）對(duì)系統(tǒng)振蕩電壓，電流的變化規(guī)律幾點(diǎn)假設(shè)：.全相振蕩時(shí)，系統(tǒng)三相對(duì)稱，故可只取一相分析；.兩側(cè)電源電勢(shì)和電勢(shì)相等，相角差為；.系統(tǒng)中各元件阻抗角均相等，以表示；不考慮負(fù)荷電流的影響，不考慮振蕩同時(shí)發(fā)生短路。電流：振蕩電流的有效值隨變化（包絡(luò)線）電壓：系統(tǒng)中總有一

12、點(diǎn)的電壓為最低，其值為由0向相量所做的垂線的長(zhǎng)度，該點(diǎn)則稱為振蕩中心，以z表示。當(dāng) 且系統(tǒng)中各元件阻抗角相等時(shí)，振蕩中心的位置在全系統(tǒng)縱向阻抗的中點(diǎn)（即處）。當(dāng)時(shí)，I最大，相當(dāng)于在線路z點(diǎn)發(fā)生三相短路。振蕩周期：電壓的一個(gè)最大值到下一個(gè)最大值所經(jīng)歷的時(shí)間，一般發(fā)生在0.252.5s的范圍內(nèi)。（2）系統(tǒng)振蕩時(shí)測(cè)量阻抗時(shí)測(cè)量阻抗的變化規(guī)律。M側(cè)：因?yàn)樗?可見，當(dāng)變化，幅值變化，阻抗角亦變化。系統(tǒng)振蕩時(shí)時(shí)距離保護(hù)的影響：當(dāng)測(cè)量阻抗進(jìn)入特性圓內(nèi)，阻抗繼電器就要誤動(dòng)。全阻抗繼電器誤動(dòng)的相角，方向阻抗繼電器誤動(dòng)的相角。 因?yàn)門0.252.5之間，所以就可躲振蕩的影響。（3）當(dāng) 且系統(tǒng)中各元件阻抗角相等時(shí)

13、，振蕩中心的位置在全系統(tǒng)縱向阻抗的中點(diǎn)（即處）。則2.4.2 短路過渡電阻影響分析過渡電阻的性質(zhì)： 電弧電阻 電弧電阻，桿塔電阻，大地電阻 其中為附加阻抗， ，為超前的角度。討論：.,單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò) 純電阻性， 增大。. . 雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)受電側(cè)>0, 電阻電感性，電抗部分增大。送電側(cè)<0, 電阻電容性，電抗部分減小。依設(shè)計(jì)要求，當(dāng)距保護(hù)1出口20km處發(fā)生帶過渡電阻Rarc=12的相間短路時(shí)，觀察保護(hù)1的三段式距離保護(hù)將作出的反應(yīng)（設(shè)B母線上電源開路）。則可將系統(tǒng)視作單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)1、 相間距離保護(hù)I段：由于所以相間距離保護(hù)I段不動(dòng)作。2、 相間距離保護(hù)II段：由于 所以相間距離保護(hù)I

14、I段動(dòng)作。3、 相間距離保護(hù)II段：由于 所以相間距離保護(hù)III段動(dòng)作。第3章 距離保護(hù)原理圖的與動(dòng)作過程分析3.1 保護(hù)1各段距離保護(hù)的動(dòng)作過程系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下振蕩時(shí)，保護(hù)1各段距離保護(hù)的動(dòng)作情況如下：1、 相間距離保護(hù)I段：由于所以相間距離保護(hù)I段不動(dòng)作。2、 相間距離保護(hù)II段：由于 t=0.5S<1.5S所以相間距離保護(hù)II段動(dòng)作。3、 相間距離保護(hù)II段：由于 t=2.5S>1.5S所以相間距離保護(hù)III段不動(dòng)作。3.2 三段式距離保護(hù)的原理框圖三段式距離保護(hù)的原理框圖如圖3.1。圖3.1 三段式距離保護(hù)的原理框圖第4章 MATLAB建模仿真分析4.1 距離保護(hù)MAT

15、LAB建模目前電子計(jì)算機(jī)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的分析計(jì)算。MATLAB是一種交互式、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界與學(xué)術(shù)界，主要用于矩陣運(yùn)算，同時(shí)在數(shù)值分析、自動(dòng)控制模擬、數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)分析、繪圖等方面也具有強(qiáng)大的功能，其程序設(shè)計(jì)語言結(jié)構(gòu)完整，且具有優(yōu)良的移植性，它的基本數(shù)據(jù)元素是不需要定義的數(shù)組。它可以高效率地解決工業(yè)計(jì)算問題，特別是關(guān)于矩陣和矢量的計(jì)算。MATLAB設(shè)計(jì)中，原始數(shù)據(jù)的填寫格式是很關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，它與程序使用的方便性和靈活性有著直接的關(guān)系。原始數(shù)據(jù)輸入格式的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)從使用的角度出發(fā)，原則是簡(jiǎn)單明了，便于修改。作為強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)，MATLAB集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算

16、及圖形處理等強(qiáng)大功能于一身，它幾乎可以滿足所有的計(jì)算要求。另外，MATLAB還針對(duì)許功能強(qiáng)大的模塊集或工具箱，如電力系統(tǒng)仿真工具箱等。一般說來，用戶可以直接使用工具箱足學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的模型而不需要自己編寫代碼。當(dāng)今社會(huì)高性能、低成本以及生產(chǎn)和更新?lián)Q代周期短已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最基本要求，模塊化、模型化以及動(dòng)態(tài)仿真是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)工具的最基本要求，而MATLAB中的Simulink就是可以完全滿足要求的幾個(gè)工具軟件之一。本次課程設(shè)計(jì)在斷路器處安裝保護(hù)及啟動(dòng)原件，保護(hù)模塊經(jīng)封裝成子系統(tǒng)，其輸入信號(hào)為電壓電流測(cè)量值和由啟動(dòng)元件發(fā)出的投切信號(hào)，輸入信號(hào)送至斷路器的控制端，以控制斷路器的

17、開合狀態(tài)。信號(hào)1表示合閘，斷路器的初始狀態(tài)為合閘。氣動(dòng)元件是通過負(fù)序電流來判別系統(tǒng)是否發(fā)生故障，只有當(dāng)故障發(fā)生時(shí)才能將整套保護(hù)模塊迅速投入工作。使用元件庫中的故障模塊進(jìn)行故障點(diǎn)的設(shè)置，可以方便的設(shè)置故障類型以及故障點(diǎn)起始時(shí)刻。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，線路只有電感，總長(zhǎng)為120km。Three-PhauseV-1measurement模塊充當(dāng)了由SimPowerSystem系統(tǒng)到Simulink系統(tǒng)的接口，相當(dāng)于實(shí)際的電流和電壓互感器。Three-Phause Fault模塊可以模擬三相的各種故障，當(dāng)設(shè)定某種故障時(shí)，運(yùn)行仿真可以得到短路電流和短路電壓，這是其他元件需要的數(shù)據(jù)，先經(jīng)過一個(gè)三相濾波器消除衰減的

18、直流分量。整個(gè)系統(tǒng)通過設(shè)定不同的整定值來得到不同的保護(hù)范圍，因此可以將三個(gè)整定值不同的距離保護(hù)模塊以及延時(shí)模塊組成三段式距離保護(hù)，實(shí)現(xiàn)本線路的主保護(hù)和下級(jí)線路的后備保護(hù)。最后再設(shè)計(jì)一個(gè)啟動(dòng)原件來控制三段式距離保護(hù)的投切。輸電線路距離保護(hù)的MATLAB仿真電路圖如圖4.1所示。圖4.1 輸電線路距離保護(hù)的仿真電路圖4.2 距離保護(hù)仿真波形及分析正常狀態(tài)下的波形圖如圖4.2所示，此時(shí)的波形是電壓時(shí)三相對(duì)稱，相角互差120度的波形。圖4.2 正常狀態(tài)下時(shí)系統(tǒng)的電壓波形圖系統(tǒng)發(fā)生設(shè)計(jì)中的線路故障時(shí)的各相電壓波形如圖4.3和圖4.4所示。由于故障仿真屬于暫態(tài)，故此時(shí)仿真起止時(shí)間為0-0.5s，故障的其實(shí)

19、時(shí)刻為0.01s,。改變故障類型仿真得到如下結(jié)論：接地距離保護(hù)對(duì)于范圍內(nèi)的相間短路不會(huì)動(dòng)作，并且各段中的相間距離保護(hù)對(duì)于保護(hù)范圍內(nèi)的單相接地故障也不會(huì)動(dòng)作。圖4.3 故障線路的相間電壓波形 圖4.4 故障線路的相間電流波形線路兩相接地故障時(shí)的電壓波形圖如圖4.5所示。線路兩相接地故障時(shí)的電壓波形圖反映了系統(tǒng)發(fā)生兩相接地故障的過程中，故障線路的電壓變化，根據(jù)系統(tǒng)的發(fā)生故障后電流電壓的變化，發(fā)現(xiàn)距離保護(hù)能夠反映保護(hù)范圍內(nèi)的各種相間故障和接地故障，實(shí)現(xiàn)了本線路保護(hù)和后一級(jí)級(jí)線路的后備保護(hù)。仿真結(jié)果表明，所建立的保護(hù)模型具有實(shí)時(shí)性和正確性，符合上文的計(jì)算結(jié)論。圖4.5 線路兩相接地故障時(shí)的電壓波形圖第5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本文要求設(shè)計(jì)輸電線路的距離保護(hù)。這對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，不可能總工作于最大運(yùn)行方式下，因此當(dāng)運(yùn)行方式變小時(shí)，電流保護(hù)的保護(hù)范圍將縮短，靈敏度降低；而距離保護(hù)測(cè)量的是短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處的距離，受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響較小，保護(hù)范圍穩(wěn)定因此常用于線路保護(hù)。這次設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是針對(duì)系統(tǒng)的接線圖和提出的相應(yīng)問題，計(jì)算出保護(hù)1距離保護(hù)段、段和段的整定值和靈敏度，在計(jì)算靈敏度的同時(shí)要注意的問題就是每個(gè)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間要計(jì)算準(zhǔn)確，這對(duì)后續(xù)的計(jì)算至關(guān)重要。靈敏度的計(jì)算同時(shí)也是很重要的一環(huán)，這能影響到計(jì)算所得的靈敏度是否滿足系統(tǒng)的要求。上述工作完成后接下