輸電線路電流電壓保護設(shè)計

1、 電力系統(tǒng)保護與控制課程設(shè)計報告摘要本文針對110kV輸電線路進行了繼電保護的設(shè)計，采用了電流電壓保護的方法，首先確定了系統(tǒng)分別在最大運行方式和最小運行方式下的等值阻抗，并計算了各相間短路的最大最小短路電流。接著，計算了保護1、2、3的電流保護定值，并計算了各自的最小保護范圍。在接著，對保護2、3進行限時電流速斷保護定值的計算及其靈敏度校驗，并確定其動作時限。然后對保護1、2、3進行過電流保護定值計算及其靈敏度校驗，并確定各段保護的動作時限。最后，繪制了電磁式三段式電流保護原理圖和展開圖，并詳細分析其動作過程。關(guān)鍵詞：電流電壓保護；三段式電流保護；靈敏度目錄1緒論31.1繼電保護的作用31.2

2、對繼電保護的基本要求31.3原始資料41.3.1系統(tǒng)接線圖如圖：41.3.2 課程設(shè)計的內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)參見下表41.3.3 工作計劃：52 輸電線路電流保護整定計算62.1 保護3在最大、最小運行方式下的等值電抗62.1.1 最大運行方式62.3 電流I段整定計算及靈敏度校驗82.4 電流II段整定計算及靈敏度校驗122.4.1保護2的整定122.4.2保護3的整定133 電流保護原理圖的繪制及其動作過程分析1731電流三段式保護原理圖173.2 電磁式電流三段式保護展開圖194 課程設(shè)計總結(jié)205 參考文獻211 緒論1.1繼電保護的作用隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的正常運行、故障期間以及

3、故障后的回復過程中，許多控制操作日趨高度自動化。這些控制操作的技術(shù)與裝備大致可以分為兩類，一類是通常理解的“電力系統(tǒng)自動化”，另一類是當電網(wǎng)或電氣設(shè)備發(fā)生故障，或出現(xiàn)影響安全運行的異常情況時，自動切除故障設(shè)備和消除異常情況的技術(shù)與裝備。其特點是動作速度快，其性質(zhì)是非調(diào)節(jié)性的，這就是通常理解的“電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置”。其作用是，一自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，是故障元件免于繼續(xù)遭到損壞，保證其他無故障部分迅速恢復正常運行；二是反應(yīng)電氣設(shè)備的不正常運行狀態(tài)，并根據(jù)運行維護條件，而動作與發(fā)出信號或跳閘。此時一般不要求迅速動作，而是根據(jù)對電力系統(tǒng)及其元件的危害程度規(guī)定一定

4、的延時，以免暫短的運行波動造成不必要的動作和干擾引起的誤動。1.2對繼電保護的基本要求動作于跳閘的繼電保護，在技術(shù)上一般應(yīng)滿足四個基本要求，即可靠性（安全性和信賴性）、選擇性、速動性和靈敏性。這幾“性”之間，緊密聯(lián)系，既矛盾又統(tǒng)一，必須根據(jù)具體電力系統(tǒng)運行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置、配合、整定每個電力元件的繼電保護，充分發(fā)揮和利用繼電保護的科學性、工程技術(shù)性，使繼電保護為提高電力系統(tǒng)運行的安全性、確定性和經(jīng)濟性發(fā)揮最大效能?？煽啃园ò踩院托刨囆?，是對繼電保護性能的最基本要求。繼電保護的選擇性是指保護裝置動作時，在可能最小的區(qū)間內(nèi)將故障從電力系統(tǒng)中斷開，最大限度地保證系統(tǒng)中無故障部分仍

5、能持續(xù)安全地運行。1.3原始資料設(shè)計題目四：輸電線路電流電壓保護設(shè)計（4）1.3.1系統(tǒng)接線圖如圖： 1.3.2 課程設(shè)計的內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)參見下表設(shè)計技術(shù)參數(shù)工作量L1=L2=60km,L3=40km,LB-C=40km,LC-D=50km,LD-E=30km,線路阻抗0.4/km,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(shù)Kss=1.5，電流繼電器返回系數(shù)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

6、.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。1.3.3 工作計劃：第一天：收集資料，確定設(shè)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

7、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(shè)總結(jié)，迎接答辯。2 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電抗2.1.1 最大運行方式在最大運行方式下，三臺發(fā)電機及線路L1、L2、L3同時投入運行，等值阻抗如圖2.1所示。XG1 XL1XG2 XL2XG3XL3 XB_C XC_D XD_E圖2.1 最大運行方式等值阻抗XG1=15XG2=15XG3=20XL1=60×0.4=24XL2=60×0.4=24XL3=40×0.

8、4=16XBC=40×0.4=16XCD=50×0.4=20XDE=30×0.4=12X3min=(XG1/XG2+XL1/XL2)/( XG3+XL3)=(15 /15+24/24)/(20+16)=12.652.1.2最小運行方式根據(jù)原始資料，最小運行方式就是，在最大運行方式的基礎(chǔ)上讓G2、L2退出運行，等值阻抗如圖2.2 XG1 XL1 XB_C XC_D XD_E XG3 XL3 圖2.2 最小運行方式等值阻抗其中X2max=(XG1+XL1)/( XG3+XL3)=(15 +24)/(20+16)=18.7222 相間短路的最大、最小短路電流的計算C母線

9、最大短路電流：IKCmax(3)=EX3min+XBC=115/312.65+16kA=2.32kAC母線最小短路電流:IKCmin(2)=32EX2max+XBC=32115/318.72+16kA=1.66kAD母線最大短路電流:IKDmax(3)=EX3min+XBC+XCD=115/312.65+16+20kA=1.37kAD母線最小短路電流:IKDmin(2)=32EX2max+XBC+XCD=32115/318.72+16+20kA=1.05kAE母線最大短路電流:IKEmax(3)=EX3min+XBC+XCD+XDE=115/312.65+16+20+12kA=1.09kAE母

10、線最小短路電流IKEmin(2)=32EX2max+XBC+XCD+XDE=32115/312.65+16+20+12kA=0.95kA表2-2-1短路電流計算結(jié)果母線名稱系統(tǒng)運行方式短路電流大小（kA）C母線最大2.32最小1.66D母線最大1.37最小1.05E母線最大1.09最小0.952.3 電流I段整定計算及靈敏度校驗無時限電流速斷保護依靠動作電流來保證選擇性，被保護線路外部短路時流過該保護的電流總是小于其動作值，不能動作；而只有在保護范圍內(nèi)段錄制，流過保護的電流有可能大于動作值，是該保護動作。且無時限電流速斷保護的作用是保證在任何情況下無時限切除本線路上的故障。保護1：Iop1=K

11、rel.IKEmax(3)=1.2×1.09kA=1.308kA保護2：Iop2=Krel.IKDmax(3)=1.2×1.37kA=1.644kA保護3：Iop1=Krel.IKCmax(3)=1.2×2.32kA=2.784kA在已知保護的動作電流后，大于一次動作電流的短路電流對應(yīng)的短路點區(qū)域，就是保護范圍。保護的范圍隨運行方式、故障類型的變化而變化，最小的保護范圍在系統(tǒng)最小運行方式下兩相短路時出現(xiàn)。一般情況下，應(yīng)按這種運行方式和故障類型來校驗保護的最小范圍，要求大于被保護線路全長的15%20%。保護1的最小保護范圍：x1l1min=32·EIop1

12、-X3max+XBC+XCD=32·11531.308-18.72+16+20=-10.76保護2的最小保護范圍：x2l2min=32·EIop2-X3max+XBC=32·11531.644-18.72+16=0.257保護3的最小保護范圍：x3l3min=32·EIop3-X3max=32·11532.784-18.72=1.93因為保護1：Ksen1=x1l1minXDE×100%=-89.67%<15%保護2：Ksen2=x2l2minXCD×100%=1.285%<15%保護3：Ksen3=x3l3mi

13、nXBC×100%=12.06%<15%均不滿足靈敏度，所以均不合格,需重新整定。 由系統(tǒng)接線圖可知，E母線為系統(tǒng)最末端母線，保護1的電流速斷保護按保護范圍為全長的30%整定也不會引起誤動，因此按保護范圍為全長的20%整定。保護1：x1l1min=30%·XDE=30%×12=3.6Iop1=32·EX2max+XCD+XDE+x1l1min=32·115318.72+16+20+3.6=0.986kA因為Iop1=KrelKssKre·I DE.Lmax=1.15×1.50.85×0.14=0.284kAI

14、op1故該整定值符合靈敏度要求，且保護1的最小保護范圍為3.6。保護2：由于按躲開本線路末端的最大短路電流來整定得到的啟動電流不符合靈敏度要求，因此降低整定值，增加動作時限，以保證該保護的可靠性。在此按躲開下一段線路20%處的最大短路電流來整定。DE線路20%處最大短路電流：IKDE13=EX3min+XBC+XCD+0.2XDE=115/312.65+16+20+2.4kA =1.301kAIop2=Krel.IKDE13=1.2×1.301kA=1.561kA校驗：保護2的最小保護范圍：x2l2min=32·EIop2-X3max+XBC=32·11531.5

15、61-18.72+16=2.115由于Ksen2=x2l2minXCD×100%=10.58%<15%靈敏度不符合要求，需重新整定。按躲開下一段線路40%處的最大短路電流來整定。DE線路40%處最大短路電流：IKDE23=EX3min+XBC+XCD+0.4XDE=115/312.65+16+20+4.8kA =1.242kAIop2=Krel.IKDE13=1.2×1.242kA=1.491kA校驗：保護2的最小保護范圍：x2l2min=32·EIop2-X3max+XBC=32·11531.491-18.72+16=3.845由于Ksen2=x

16、2l2minXCD×100%=19.22%>15%靈敏度符合要求。為了保證繼電保護系統(tǒng)的選擇性，需要增加時間延時，延時時間為t2=0.5s，以免DE段發(fā)生短路時，保護2誤動作。增加延時以后，若CD段發(fā)生短路，延時時間到以后保護2動作，若DE段發(fā)生短路且短路電流大于保護2的啟動電流，保護2會啟動計時，而保護1直接動作，切斷線路，使得短路電流消失，保護2返回，從而保證了系統(tǒng)的可靠性和選擇性，但犧牲了系統(tǒng)的快速性。保護3：按躲開下一段線路即CD段線路的10%處的最大短路電流來整定。IKCD13=EX3min+XBC+0.1XCD =115/312.65+16+1.6kA =2.085

17、kA2.195Iop2=Krel.IKDE13=1.2×2.034kA=2.634kA2校驗：保護3的最小保護范圍：x2l2min=32·EIop3-X3max=32·11532.634-18.72=3.110由于Ksen3=x3l3minXBC×100%=19.44%>15%靈敏度符合要求。為了保證繼電保護系統(tǒng)的選擇性，需要增加時間延時，延時時間為t3=0.5s，以免CD段發(fā)生短路時，保護3誤動作。增加延時以后，若BC段發(fā)生短路，延時時間到以后保護3動作，若CD段發(fā)生短路且短路電流大于保護3的啟動電流，保護3會啟動計時，而保護2直接動作，切斷線路

18、，使得短路電流消失，保護3返回，從而保證了系統(tǒng)的可靠性和選擇性，但犧牲了系統(tǒng)的快速性。2.4 電流II段整定計算及靈敏度校驗由于有選擇性電流速斷保護不能保護線路全長，因此增加限時電流速斷保護，用來切除本線路上速斷保護范圍以外的故障，同時作為速斷保護的后備保護。限時電流速斷保護需與下一級線路的速斷保護配合，啟動電流值為Iop2=Krel·Iop1動作時限為t2=t1+t其中取t=0.5s。2.4.1保護2的整定由題意，保護2的段電流保護應(yīng)與保護1的段保護配合，其啟動電流為：Iop2=Krel·Iop1Kbmin2=1.15×0.9861=1.134kA動作時限t2=

19、t1+t=0+0.5s=0.5s靈敏度校驗：Ksen=IKDmin(2)Iop2=1.051.134=0.9261.5通過校驗可知該整定值不符合靈敏度要求。因此要降低整定值，由于E母線為系統(tǒng)最末端，故要滿足Iop2Iop2及Ksen1.5即可。其中：Iop2=KrelKssKre·I CD.Lmax=1.15×1.50.85×0.26=0.528kA若按Ksen=1.5整定保護2電流保護段整定值，則Iop2=IKDmin(2)Ksen=1.051.5=0.7kA0.528kA故保護2限時電流速斷保護的整定值取Iop2=0.7kA，若保護2限時速斷保護的時限只比保護

20、1的電流速斷保護大t，由于保護2的段整定值小于保護1段整定值，當DE段發(fā)生短路且短路電流小于保護1段整定值時，保護1段保護不動作，保護2的段將動作，不能保證繼電保護系統(tǒng)的選擇性；由于DE段處于系統(tǒng)末端，故保護2段的動作時限要比保護1的段大一個t，即t2=t1=1.0s故保護2限時電流速斷保護整定值 Iop2=0.7kA動作時限 t2=1.0s2.4.2保護3的整定按照限時電流速斷保護的整定原則，保護3的段應(yīng)與保護2的段相配合，故其啟動電流為：Iop3=Krel·Iop2Kbmin2=1.15×1.4911=1.715kA動作時限t3=t2+t=0.5+0.5s=1.0s靈敏

21、度校驗：Ksen=IKDmin(2)Iop3=1.661.715=0.9681.5通過校驗可知該整定值不符合靈敏度要求。由于按與保護2段相配合整定不符合靈敏度要求，則與保護2段配合整定Iop3=Krel·Iop2Kbmin2=1.15×0.71=0.805kA動作時限t3=t2+t=1.0+0.5s=1.5s靈敏度校驗：Ksen=IKDmin(2)Iop3=1.660.805=2.0621.5通過校驗知該整定值滿足靈敏度要求。故保護3限時電流速斷保護的整定值為Iop3=0.805kA動作時限為t3=1.5s2.5 電流III段整定計算及靈敏度校驗整定保護1、2、3的過電流保

22、護定值，假定母線E過電流保護動作時限為topE=0.5，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。保護1：啟動電流值：Iop1=KrelKssKre·I DE.Lmax=1.15×1.50.85×0.14=0.284kA動作時限：t1=topE+t=0.5+0.5s=1.0s保護2：啟動電流值：Iop2=KrelKssKre·I CD.Lmax=1.15×1.50.85×0.26=0.528kA動作時限：t2=t1+t=1.0+0.5s=1.5s保護3：啟動電流值：Iop3=KrelKss

23、Kre·I BC.Lmax=1.15×1.50.85×0.30=0.609kA動作時限：t3=t2+t=1.5+0.5s=2.0s靈敏度校驗：保護1做近后備保護的靈敏度：Ksen=IKEmin(2)Iop1=0.950.284=3.31.5滿足靈敏度要求。保護2做遠后備保護的靈敏度：Ksen=IKEmin(2)Iop2=0.950.528=1.81.2滿足靈敏度要求。保護3做遠后備保護的靈敏度：Ksen=IKDmin(2)Iop3=1.050.609=1.71.2滿足靈敏度要求。表2-5-1 保護配置技術(shù)參數(shù)表保護序號保護名稱啟動電流值（kA）動作延時(S)保護1

24、瞬時電流速斷保護0.9860延時電流速斷保護-過電流保護0.2841.0保護2瞬時電流速斷保護1.4910.5延時電流速斷保護0.71.0過電流保護0.5281.5保護3瞬時電流速斷保護2.6340.5延時電流速斷保護0.8051.5過電流保護0.6092.03 電流保護原理圖的繪制及其動作過程分析31電流三段式保護原理圖圖3.1（a）保護1原理接線圖圖3.1（b）保護2、3原理接線圖各保護的三段式電流保護原理接線圖如圖3.1所示，其中所包括的元件有：三相電流保護I段測量元件1KAa，1KAc；三相電流保護段測量元件2KAa，2KAc；三相電流保護段測量元件3KAa，3KAc；電流保護I、段的

25、邏輯延時元件1KT、2KT、3KT；電流保護I、段的信號繼電器1KS、2KS、3KS。其中因為三段式電流保護各段的動作電流與動作時限的整定值各不相同，所以采取用不同規(guī)格和作用的電流繼電器和時間繼電器。用1KS、2KS、3KS信號繼電器發(fā)出各段保護動作的信號 。由于三相星形接線需要三個電流互感器、三個電流繼電器和四根二次電纜，相對來講是復雜和不經(jīng)濟的。而兩相星形接線較為經(jīng)濟簡單，本次設(shè)計采取的是兩相星形接線方式，在保護范圍內(nèi)發(fā)生兩相短路時，能正確反映這些故障，兩相星系接線方式在AB和BC相間短路時只有一個繼電器動作，其他兩相短路時有兩個繼電器動作。例如保護的I段AB兩相短路時，測量元件1KAa、

26、2KAa、3KAa都會有動作，若在DE段發(fā)生該短路，保護1的1KAa將直接啟動信號元件KS和出口繼電器KCO，使得斷路器跳閘，切除故障。測量元件2KAa、3KAa啟動延時元件2KT、3KT，由于1KAa直接啟動1KS和KCO跳閘，延時時間未到故障已切除，故障電流消失，2KAa、3KAa、2KT、3KT均返回，不能啟動KS發(fā)出跳閘信號。所以、段不會輸出跳閘信號。若在BC段發(fā)生該故障，保護3的1KAa將啟動時間繼電器1KT計時，當延時時間到且信號元件KS和出口繼電器KCO，使得斷路器跳閘，切除故障，保護3的、段保護動作如保護1。當系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，有兩個繼電器動作，可以爭取反應(yīng)該故障。由于110KV系統(tǒng)通常采用專門的零序電流保護，因此，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時，零序電流保護能爭取反應(yīng)各相單相接地短路。就該接法而言，此接線方式不能反應(yīng)B相單相