某輸電線路距離保護設計方案

1、某輸電線路距離保護設計方案 1.1輸電線路距離保護概述 輸電線路距離保護是指利用阻抗元件來反應短路故障的保護裝置，阻抗元件的阻抗值是 接入該元件的電壓與電流的比值，也就是短路點至保護安裝處的阻抗值。因線 路的阻抗值與 距離成正比，所以叫距離保護或阻抗保護。系統(tǒng)在正常運行時, 不可能 總工作于最 方式下，因此當運行方式變小時，電流保護的保護范圍將縮短，靈敏度降低；而距離保護 測量的是短路點至保護安裝處的距離，受系統(tǒng)運行方式影響較小，保護范圍穩(wěn)定，常用于線 路保護 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行主要有符合要求電網(wǎng)結構、系統(tǒng)運行方式和電力系統(tǒng)繼電保護來保 證。高壓及以上等級電網(wǎng)中，繼電裝置可靠性和速動性有雙重主保

2、護來保證，其 選擇性和 靈敏性主要由相間接地故障后被保護延時段來保證。距離保護是以距離測量元件為基礎構成 保護裝置，稱阻抗保護。系統(tǒng)正常運行時，保護裝置安裝處的電壓為系統(tǒng)的額定電壓，電流 負載電流，發(fā)生短路故障時，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，保護安 裝處的電壓與電流之比反映了保護安 裝處到短路點的阻抗，也反映保護安裝處到短路點距離。所以按照距離遠近來確定保護動作 時間，這樣就能有選擇地切除故障。 當前微計算機硬件的更新和網(wǎng)絡化發(fā)展在計算機控制領域。單片機與DSP芯片二者技術 上的融合，主要體現(xiàn)在運算能力的提高及嵌入式網(wǎng)絡通信

3、芯片的出現(xiàn)和應用 等方面。這些發(fā) 展使硬件設計更加方便。高性價比使冗余設計成為可能，為實現(xiàn)靈活化、高可靠性和模塊化 的通用軟硬件平臺創(chuàng)造了條件。硬件技術的不斷更新和微機保護設計網(wǎng)絡化，將為距離保護 的設計和發(fā)展帶來一種全新的理念和創(chuàng)新，它會大大簡化硬件設計、增強硬件的可靠性，使 裝置真正具有了局部或整體升級的可能。 1.2本文硏究內(nèi)容 本次課程設計的主要是輸電線路的距離保護。計算和分析主要內(nèi)容是計算保護1距離保 護I段、U段和川段整定值和靈敏度，計算靈敏度同時要注意每個保護的動作時間要精確，上 述工作完成后接下來對設計提出的系統(tǒng)震蕩和短路過渡電阻對系統(tǒng)的影響進行相應的計算分 析，并確定距離保護

4、的范圍，并分析系統(tǒng)在最小運行方式下振蕩時，保護1各段距離保護的 動作情況。后用MATLAB仿真，驗證計算的正確性。 第2章 輸電線路距離保護整定計算 2.1距離I段整定計算 距離I段動作阻抗的整定 距離I段按躲開下一條線路出口處短路的原則整定 op.i resZ ab 其中：kJ 0.8 計算相間距離保護第i段動作阻抗 Zop/i = K 丄 Zab = 0.8 % 0.4 x 30 = 9.6C 斷路器1、3、4QF處距離保護第I段的動作時間和靈敏度分別為： 111 topi =top3 =top4 0 sen K sen3=k sen4 _ $ % 確是動作時限:t=os 整定阻抗角與線路

5、阻抗角相等，保護區(qū)為被保護線路全長的80% 2.2距離n段整定計算 距離II段與相鄰線路距離保護I段相配合，或躲開線路末端變電所變壓器低壓出口側(cè)出 口處短路時的阻抗值整定。 （1）與相鄰線路第i段配合。 動作阻抗為：Z KZ亠K% Z cc 1rol 八口rol K rYir O Kb.min ：最小分支系數(shù)K reF = 0.8 助增分支: Kb z sAmax z AB z sBmin 10 12 15 2.47 Z sBmin1 5 汲出系數(shù)為：1 總的分支系數(shù)為：Kbmjn =Kb助心汲=2.47x1 = 2.47 整定阻抗為：zopj rAZAB-Kre|Kb.minz0p2 A0-

6、8 12 0.8 2.47 15.2=39.64z11 IIop.1 靈敏度校驗:en要求；1.315 AB K； 二業(yè)二3964二3.30滿足要求 乙B 1 2 (2)躲開線路末端變電所變壓器低壓出口側(cè)出口處短路時的阻抗值。 動作阻抗為: Adp.I = KreizAB Krel Kb.min ZB Kb.min :最小分支系數(shù) 13 整定阻抗為:ZOP.1=K； |ZAB +Kr； iKb.minZB=0.8 漢 12 + 0.8匚 2.47 漢 38.5 = 85.680 靈敏度校驗: II sen E要求：1.3-1.5 ZAB ZOp1 _85A=714 滿足要求 Zab 12* 相

7、間距離II段整定值取上述兩項中較小值。 整定阻抗為：Zop.1 =ZabK rei Kb.minZop.2 =0.8 120.8 2.47 16.72 =42.64J 整定時間為：t=0.5S 2.3距離川段整定計算 0.9Ue.x fh .min -31 fh.max (1) 按躲過最小負荷阻抗整定 Zfh.min 動作阻抗為：Zs； .1 Kim K K rel re ss 09Ue, fh .min 1 fh.max 整定阻抗為：； (2)靈敏度校驗 0.9 115 0.35 3 二 170.73 J z fh.min 1 KllUKK relre ss 170.73 1.2 1.5 1

8、.2 近后備時:KSh二業(yè)二-=6.57 .1.3滿足要求 in 遠后備時：j Z酈 Z AB Z Hl 12 zop.1 .max ZBC 作為線路BC遠后備時：Ks： 作為變壓器遠后備時：K z AB * Kb.maxzB -38.5 78.88 12 1 152 78.88 2.9 1.2滿足要求。 -1.561.2滿足要求。 動作時間.toPf 二 top? t =1 1.5 =2.5S 2.4系統(tǒng)振蕩和短路過渡電阻影響分析 2.4.1系統(tǒng)震湯特性 系統(tǒng)振蕩時，系統(tǒng)中各發(fā)電機電勢間的相角差隨時間作周期性變化，從而使系統(tǒng) 中各點 電壓，線路電流以及距離保護的測量阻抗也將發(fā)生周期性變化，可

9、能導致距離保護的誤動作。 但通常系統(tǒng)振蕩若干周期后，多數(shù)情況下能自行恢復同步，若此時保護誤動，勢必造成不良后 果，因而使不允許的。 (1)對系統(tǒng)振蕩電壓，電流的變化規(guī)律幾點假設： 全相振蕩時，系統(tǒng)三相對稱，故可只取一相分析； 兩側(cè)電源電勢Em和En電勢相等，相角差為一：360 )； 系統(tǒng)中各元件阻抗角均相等，以表示； 不考慮負荷電流的影響，不考慮振蕩同時發(fā)生短路。 電流: U-M Zl E ZM I Em-En Zm Zl Zn Em(1 -匚碎曲 ZZ、2 t 振蕩電流的有效值隨變化（包絡線） 電壓：Um =em|Zm Un 二 E n I Z n 系統(tǒng)中總有一點的電壓為最低，其值為由0向E

10、m En相量所做的垂線的長度, 電壓的 一個最大值到下一個最大值所經(jīng)歷的時間，一般發(fā)生在 02525s的范圍內(nèi)。 該點則稱為振蕩中心，以z表示。 當Em=en且系統(tǒng)中各元件阻抗角相等時，振蕩中心的位置在全系統(tǒng)縱向阻 抗的中點（即仝處） 2 當=180時，Uz=0, I最大，相當于在線路Z點發(fā)生三相短路。振蕩周期: （2）系統(tǒng)振蕩時測量阻抗時測量阻抗的變化規(guī)律。 M側(cè): Em -1 Zm Emz 7M 0以 Zj.m 、=180 5 ctg- =05 乙 22 jctg b ctg? 2 2（1jCt9 A） m 2 -ZM）-j 二生-Zm xzy 益。6 r2”匚磯 乙幅值變化，阻抗角亦變化

11、 系統(tǒng)振蕩時時距離保護的影響: 當測量阻抗進入特性圓內(nèi)，阻抗繼電器就要誤動。全阻抗繼電器誤動的相角 r-4,方向阻抗繼電器誤動的相角 込70 亠 、；4-rt2 63-62 II一 I 360360 因為T二0.25-2.5 Z間，所以M_1.5S就可躲振蕩的影響。 （3）當Em = en且系統(tǒng)中各元件阻抗角相等時，振蕩中心的位置在全系統(tǒng)縱向阻 抗的中點（即今處） 2.4.2短路過渡電阻影響分析 過渡電阻的性質(zhì)： d（3）,d（2）電弧電阻 電弧電阻，桿塔電阻，大地電阻 zJJjJS+d+Wr_z+z J一 .一d gd iJIdId I I 其中乙為附加阻抗，乙二亠Rge、a為2超前Id的角

12、度。 1 d II 討論：ld=O,單側(cè)電源網(wǎng)絡 I ld=|d,乙二Rg純電阻性，乙增大。 II Id式0雙側(cè)電源網(wǎng)絡 受電側(cè)a0,乙電阻電感性，乙電抗部分增大。 送電側(cè)avO,乙電阻電容性，乙電抗部分減小。 依設計要求，當距保護1出口 20km處發(fā)生帶過渡電阻Rarc=12Q的相間短路時, 觀察保護1的三段式距離保護將作出的反應（設B母線上電源開路）。 則可將系統(tǒng)視作單側(cè)電源網(wǎng)絡 Zj=Zd 乙=8.8 12 =208 J 1、相間距離保護I段： 由于乙=20BZp, 所以相間距離保護I段不動作。 2、相間距離保護II段： 由于乙=20.8 : Zop, 所以相間距離保護II段動作。 3、

13、相間距離保護II段： 由于乙=20.8M Zopi 所以相間距離保護III段動作。 第3章 距離保護原理圖的與動作過程分析 3.1保護1各段距離保護的動作過程 系統(tǒng)在最小運行方式下振蕩時，保護 1各段距離保護的動作情況如下: 1、相間距離保護I段： 由于乙=184 Zop.i 所以相間距離保護丨段不動作。 2、相間距離保護II段： 由于乙=18V Zop.i t=0.5S1.5S 所以相間距離保護III段不動作。 3.2三段式距離保護的原理框圖 三段式距離保護的原理框圖如圖3.1 o 1 圖3.1二段式距離保護的原理柜圖 1 第4章MATLAB建模仿真分析 4.1距離保護MATLAB建模 目前

14、電子計算機已廣泛應用于電力系統(tǒng)的分析計算。MATLAB是一種交互式、面向?qū)ο?的程序設計語言，廣泛應用于工業(yè)界與學術界，主要用于矩陣運算，同時在 數(shù)值分析、自 動控制模擬、數(shù)字信號處理、動態(tài)分析、繪圖等方面也具有強大的功能，其程序設計語言結 構完整，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)計算問題，特別是關于矩陣和矢量的計算。MATLAB設計中，原始數(shù)據(jù)的填寫格式是 很關鍵的一個環(huán)節(jié)，它與程序使用的方便性和靈活性有著直接的關系。原始數(shù)據(jù)輸入格式的 設計，主要應從使用的角度出發(fā)，原則是簡單明了，便于修改。 作為強大的計算平臺，MATLAB集數(shù)值計算、符號運

15、算及圖形處理等強大功能于一身， 它幾乎可以滿足所有的計算要求。另外，MATLAB還針對許功能強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習、應用和評估不同的 模型而不需要自己編寫代碼。當今社會高性能、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)對產(chǎn)品設計的最基本要求，模塊化、模型化以及動態(tài)仿真是產(chǎn)品設計者對設計工具 的最基本要求，而MATLAB中的Simulink就是可以完全滿足要求的幾個工具軟件之一。 本次課程設計在斷路器處安裝保護及啟動原件，保護模塊經(jīng)封裝成子系統(tǒng)，其輸入信號 為電壓電流測量值和由啟動元件發(fā)出的投切信號，輸入信號送至斷路器的控制

16、端，以控制斷 路器的開合狀態(tài)。信號1表示合閘，斷路器的初始狀態(tài)為合閘。氣動元 件是通過負序電流來判 別系統(tǒng)是否發(fā)生故障，只有當故障發(fā)生時才能將整套保護模塊迅速投入工作。使用元件庫中 的故障模塊進行故障點的設置，可以方便的設置故障類型以及故障點起始時刻。為了簡 化系統(tǒng)，線路 只有 電感，總長為120km。Three-PhauseV-lmeasuremer模塊充當了由 SimPowerSystem系統(tǒng)到Simulink系統(tǒng)的 接口，相當于實際的電流和電壓互感器。Three- Phause Faults塊可以模擬三相的各種故障，當設定某種故障時，運行仿真可以得到短路電 流和短路電壓，這是其他元件需要

17、的數(shù)據(jù)，先經(jīng)過一個三相濾波器消除衰減的直流分量。 整個系統(tǒng)通過設定不同的整定值來得到不同的保護范圍，因此可以將三個整定值不同的距離 保護模塊以及延時模塊組成三段式距離保護，實現(xiàn)本線路的主保護和下級線路的后備保護。 最后再設計一個啟動原件來控制三段式距離保護的投切。輸電線路距離保護的MATLAB仿真 電路 圖如圖4.1所示 4.2距離保護仿真波形及分析 正常狀態(tài)下的波形圖如圖4.2所示，此時的波形是電壓時三相對稱，相角互差120 度的波 形。 圖4.2正常狀態(tài)下時系統(tǒng)的電壓波形圖 系統(tǒng)發(fā)生設計中的線路故障時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)，故此時仿真起止時間為00.

18、5S,故障的其實時刻為0.01s,o改變故障類型仿真得到如下 結論：接地距離保護對于范圍內(nèi)的相間短路不會動作，并且各段中的相間距離保護對于保護 范圍內(nèi)的單相接地故障也不會動作。 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的電壓波形圖如圖45所示。線路兩相接地故障時的電壓波 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)距離保護能夠反映保護范圍內(nèi)的各種相間故障和接地故 障，實現(xiàn)了本線路保護和后一級級線路的后備保護。仿真結果表明，所建立的保護模型具有實 時性和正確性，符合上文的計算結論。 圖4.5線

19、路兩相接地故障時的電壓波形圖 第5章課程設計總結 本文要求設計輸電線路的距離保護。這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關重要。系統(tǒng)在正常運 行時，不可能總工作于最大運行方式下，因此當運行方式變小時，電流保護的保護范圍將 縮短，靈敏度降低；而距離保護測量的是短路點至保護安裝處的距離，受系統(tǒng)運行方式影 響較小，保護范圍穩(wěn)定因此常用于線路保護。 這次設計的主要目標是針對系統(tǒng)的接線圖和提出的相應問題，計算出保護1距離 保護I 段、U段和川段的整定值和靈敏度，在計算靈敏度的同時要注意的問題就是每個保護的動作時 間要計算準確，這對后續(xù)的計算至關重要。靈敏度的計算同時也是很重要的一環(huán)，這能影 響到計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來對設計提出的系統(tǒng)震蕩 和短路過渡