电力系统继电保护课程设计输电线路电流电压保护设计.doc

辽 宁 工 业 大 学电力系统继电保护课程设计（论文）题目： 输电线路电流电压保护设计（4）院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2012.12.312013.01.11本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目输电线路电流电压保护设计（4）课程设计（论文）任务BAG1123L3L2L1EDCG2G3987654系统接线图系统接线图如图：课程设计的内容及技术参数参见下表设计技术参数工作量L1=L2=60km,L3=40km,LB-C=40km,LC-D=50km,LD-E=30km,线路阻抗0.4/km,最大负荷电流IB-C.Lmax=300A,IC-D.Lmax=260A, ID-E.Lmax=140A,电动机自启动系数Kss=1.5，电流继电器返回系数Kre=0.85。最大运行方式：三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行；最小运行方式：G2、L2退出运行。1.确定保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗。2.进行C母线、D母线、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算。3.整定保护1、2、3的电流速断保护定值，并计算各自的最小保护范围。4.整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度。5.整定保护1、2、3的过电流保护定值，假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。6绘制三段式电流保护原理接线图。并分析动作过程。7、采用MATLAB建立系统模型进行仿真分析。16续表进度计划第一天：收集资料，确定设计方案。 第二天：等值电抗计算、短路电流计算。第三天：电流I段整定计算及灵敏度校验。 第四天：电流II段整定计算及灵敏度校验。第五天：电流III段整定计算及灵敏度校验。 第六天：绘制保护原理图。第七、八天：MATLAB建模仿真分析。 第九天：撰写说明书。第十天：课设总结，迎接答辩。指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要电力系统的安全稳定运行对国民经济以及人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。本文严格按照任务书的要求，首先根据所需保护线路的特点，确定出保护3在最大、最小运行方式下以及保护3在最小运行方式下G2退出运行，L2退出运行时的等值电抗。进行C母线、D母线、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算，根据以上电流值整定保护1、2、3的电流速断保护定值，保护3的限时电流速断保护定值，确定各自的最小保护范围并进行校验。最后在一种假设的情况下对系统的保护情况进行实际的计算。完成电流保护原理图后对电路的动作进行相应的分析。论文最后利用MATLAB进行模拟仿真。 关键词：电流整定值；最大最小运行；MATLAB仿真目 录第1章 绪 论1第2章 输电线路电流保护整定计算.22.1保护3在最大、最小运行方式下的等值阻抗.22.2保护3在最小运行方式下G2退出运行，L2退出运行等值电路.22.3进行C母线、D母线、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算.32.4整定保护1、2、3的电流速断保护定值，并计算各自的最小保护范围.42.5整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度.42.6整定保护1、2、3的过电流保护定值.5第3章 电流保护原理图的绘制与动作过程分析73.1电流三段式保护原理图.73.2电流三段式原理展开图.8第4章MATLAB建模仿真分析104.1 MATLAB的概述.104.2系统仿真建模设计.114.3 仿真结果分析.13课程设计总结15参考文献16第1章 绪 论电力系统继电保护是一种电力系统的反事故自动装置，是整个电力系统设计的重要组成部分，其主要由发电机、变压器、线路、电动机、电容器等元件组成。电力系统继电保护能在全系统范围内，按指定分区实时地检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警等措施，以求最限度地维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损坏。因此继电保护装置在技术上有四个基本要求：选择性，速动性，灵敏性和可靠性。线路相间短路的电流电压保护有三种：第一，无时限电流速断保护或无时限电流电压联锁速断保护；第二，带时限电流速断保护或带时限电流电压联锁速断保护：第三，定时限过电流保护或低电压启动过电流保护。这三种相间短路电流电压保护分别称为相间短路电流保护第段、第段和第段。其中第段和第段作为线路主保护，第段作为本线路主保护的近后备保护和相邻线路或元件的远后备保护。这第、段统称为线路相间短路的三段式电流电压保护。第段称为无时限电流速断保护，该段动作时间快但是不能保护线路全长。第段称为带时限电流速断保护，该段保护在任何情况下均能保护本线路的全长（包括线路末端），但是为了保证在相邻的下一个线路出口处短路时保护的选择性，必须和相邻的无时限电流速断保护配合。第段称为定时限过电流保护，该段保护主要是作为本线路主保护的近后备保护和相邻下一线路（或元件）的远后备保护。本文主要内容是研究在母线短路时，保护1、2、3的第段、第段和第段的整定值，并检验它们的灵敏度确定它们是否能够保护线路。第2章 输电线路电流保护整定计算2.1保护3在最大、最小运行方式下的等值阻抗保护3在最大运行方式：三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行，等效电路图如图2.1。图2.1 最大运行方式根据设计参数计算得：X4=X5=60*0.4=24X6=40*0.4=16X7=40*0.4=16X8=30*0.4=12X9=20*0.4=8 2.2保护3在最小运行方式下G2退出运行，L2退出运行等值电路保护3在最小运行方式下G2退出运行，L2退出运行等效电路图如图2.2.图2.2 最小运行方式2.3进行C母线、D母线、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算当系统在最小运行方式下运行时C母线短路，此处有最大的短路电流为： 当系统在最大运行方式下运行时C母线短路,此处有最小的短路电流为： 对于D 、E母线发生相间短路的最大,最小短路电流计算,同样的道理： 2.4整定保护1、2、3的电流速断保护定值，并计算各自的最小保护范围由于电流速断保护的动作电流应躲过本线末端的最大短路电流，故应考虑最小运行方式下的三相短路电流.故有，保护1、2、3的第段的动作电流为：当最小灵敏度大于时,满足保护设计要求,经计算都满足。2.5整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度由于无时限电流速断保护只能保护线路的一部分,而该线路的剩下部分的短路故障必须依靠另外一种电流保护,即带时限的电流速断保护。对于此种保护的动作电流和动作时间的整定分别为: 其中为时限阶段,它与短路器的动作时间,被保护线路的保护的动作时间误差等因素有关.这里我们取=0.5S ,所以对于保护3的电流保护的第段的动作电流应与相邻线路电流保护的第段相配合, 分支系数为:=1即所以该处电流保护的第段的灵敏度为:1.3故不满足灵敏度的要求。断路器3QF处电流保护的第段与相邻线路电流保护的电流保护的第段相配合。即有 此时的灵敏度: 1.3 不满足要求。此时断路器3QF处电流保护的第段动作时间和断路器2QF处电流保护的第段动作时间相配合： 对于保护2QF的电流保护的第段与相邻线路1QF电流保护的电流保护的第段相配合。此时的灵敏度1.3不满足要求。2.6整定保护1、2、3的过电流保护定值整定保护1、2、3的过电流保护定值，假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。定时限过电流保护的作用是作本线主保护的后备保护,即近后备保护,并做相邻下一线路的后备保护,即远后备保护。因此，它的保护范围要求超过相邻线路的末端。故保护1可以作E点的近后备保护。故保护2可以作E点的远后备保护。故满足灵敏度的要求。第3章 电流保护原理图的绘制与动作过程分析3.1电流三段式保护原理图图3.1 三段式电流保护原理接线图如图所示1KA、2KA是A、C三相电流保护段的测量元件； 3KA、4KA是A、C三项电流保护段的测量元件； 5KA、6KA、7KA是A、C三相电流保护段的测量元件； KM是中间继电器；1KT、2KT是电流保护、段的逻辑延时元件；1KS、2KS、3KS是电流保护、段动作的报警用信号元件。在该保护的第段保护范围内发生AB两项短路时，测量元件1、2、3、4、5、6都将动作，其中测量元件1、2直接启动中间继电器和信号元件，并使断路器跳闸，切出故障。虽然测量元件3、4、5、6启动了延时元件，但因故障切除后，故障电流已消失，所以所有测量元件和延时未到的延时元件，均将返回。电流保护的、段不会再输出跳闸信号。同理，在线路末端短路时，只有延时元件动作以切出故障。每个继电器都由感受元件、比较元件和执行元件三个主要部分组成。感受元件用来测量控制量(如电压、电流等)的变化，并以某种形式传送到比较元件；比较元件将接收到的控制量与整定值进行比较，并将比较结果的信号送到执行元件；执行元件执行继电器功作输出信号的任务。3.2电流三段式原理展开图电网的三段式电流保护的作用，是利用不同过电流值下，设置不同的延时动作时间来规避工作尖峰电流和使发生短路故障时，只有事故点最近的断路器动作以减少断电的影响范围。三段式电流保护原理展开图如图3.2、3.3、3.4所示。图3.2 交流回路展开图 图3.3 直流回路展开图图3.4 信号回路展开图二次设备互相连接，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气回路称为二次回路。按电源性质分为交流电流回路（由电流互感器（TA）二次侧供电给测量仪表及继电器的电流线圈等所有电流元件的全部回路）和交流电压回路-由电压互感器（TV）二次侧及三相五柱电压互感器开口三角经升压变压器转换为220V供电给测量仪表及继电器等所有电压线圈以及信号电源等。如图3.2所示，它由交流回路、信号回路及纸篓控制回路三部分构成。交流回路由电流互感器TAa、TAc的二次绕组构成不完全星形联结，二次绕组姐电流继电器KA1KA7的线圈。信号回路由直流屏引出主流操作电源+WS供电。直流控制回路由直流操作电源+WC、-WC供电。当Lbc短路时，保护1、2全不动作，保护3动作。测量元件1KA6KA都将动作，其中1KA、2KA经KM无时限动作直接启动信号元件1KS，并使断路器跳闸，切除故障。虽然测量元件3KA、4KA启动了延时元件1KT，测量元件5KA、6KA启动了延时元件2KT，但是故障切除后，故障电流已消失，所以所有测量元件和延时未到的延时元件均返回。因此，电流、段不会再输出跳闸信号。同理，当Lcd短路时，保护3的段都不动作，段和段只有KA动作，KT和KS都不动作。保护2 的段都动作，并且使断路器跳闸。段和段中只有KA动作，KT和KS也都不动作，而保护3全部动作。当Lde短路时，保护1、2中段全不动作，段和段中只有KA动作，KT和KS都不动作。保护3的段动作，段和段中只有KA动作，KT和KS不动作。 第4章MATLAB建模仿真分析4.1 MATLAB的概述MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多.在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、c+ 、JAVA的支持，可以直接调用。用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用，非常的方便。MATLAB的基础是矩阵计算,但是由于他的开放性，并且mathwork也吸收了像maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。当前流行的MATLAB 6.5/7.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)，工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包、控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。MATLAB一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，他们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。4.2系统仿真建模设计根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合模拟各段保护的动作情况。（1）模拟电流段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图所示：图4.1电流保护段仿真波形图由图4.1可以看出线路在0.05s发生故障，产生一个较大的短路，之后经过一个很小的延迟0.001，断路器1跳闸。电流段成功按时动作。2）模拟电流段保护动作，在电流段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不同段发生故障，所以就可以直接改变线路1的值来模拟线路不同段的故障。将线路1的值设置为10，线路0、2分别为0.3、3.5仿真结果如下图所示：图4.2 电流保护II段仿真波形图由图4.2可以看出线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过预先设置的延时0.5s，断路器1在0.55s跳闸。电流段成功按时动作。3）模拟电流段保护动作，在电流段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不同段发生故障，所以就可以直接改变线路1的值来模拟线路不同段的故障。将线路1的值设置为15.5，线路0、2分别为0.3、3.5仿真结果如下图4.3所示：图4.3 电流保护段仿真波形图由图4.3看出线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过预先设置的延时1.0s，断路器1在1.05s跳闸。电流段成功按时动作。4.3 仿真结果分析对于电流段保护仿真，由图4.1可以出看出电流段成功按时动作。但是这个故障必须设置在电流速断的保护范围之内。这期间其实电流段和段都启动了，只是他们带有一个动作延时，在还没来得及动作时，电流段已经动作，并跳开断路器，以至线路电流减小，段和段都返回而不动作。对于电流段保护仿真，由仿真的波形图4.2可以看出，线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，但是这个电流值小于电流段的启动值，所以电流段不会启动，而段和段会启动，在经过段预先设置的延时0.5s后，断路器1在0.55s跳闸，电流段成功按时动作。这是因为电流段虽然启动，但是还没来得及动作，电流已经将故障切除，以致电流减小使段返回，这也正是电流保护为什么要有动作时限配合的原因。对于电流段保护仿真，在线路末端发生短路产生的短路电流较小，使得保护段和段都不会启动，而段启动，经过预先设置的延迟时间1.0s后段动作而跳闸，切除故障。电流段不仅作为线路主保护拒动时的近后备保护，而且作为下一级相邻线路保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，同时还作为过负荷时的过负荷保护。 课程设计总结电力系统是有许多复杂的一次设备和二次回路的保护、控制、调节、信号等辅助设备组成的一个有机整体，是基于理论电工电机学和电力系统等基础理论的一门综合性学科。本文设计的是相间短路电流电压三段式保护。随着电力系统规模的不断扩大，对电力系统安全性、可靠性、高效性运行的要求越来越高，继电保护应运而生，本文对继电保护各项参数进行了计算，以及安装了方向保护元件实现方向保护，并对其系统保护的算法进行了MATLAB仿真研究。本文章首先是对电力系统继电保护进行了简单的介绍，然后对电流电压保护做了概述和简单的计算，然后给出了三段式电流保护的原理图，最后对系统进行MATLAB仿真，等处的结果与计算结果相比较。参考文献1 陈堂等编著 配电系统及其自动化技术 中国电力出版社2004.8 2 赵晶 主编Prote199高级应用人民邮电出版社，2000：18-25 3 何仰赞等 编著 电力系统分析 武汉：华中理科技学出版社，2002.34 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003.45 王士政主编 电网调度自动化与配网自动化技术中国水利水电出版社2007.36 梅丽凤等编著单片机原理及接口技术清华大学出版社2009.7 7 许建安 编著 电力系统微机继电保护中国水利水电出版社2003.68 尹项根 曾克娥编著 电力系统继电保护原理与应用 华中科技大学出版社 2001.59 吴必信 编著 电力系统继电保护 中国电力出版社 2000.1010 李丽娇 齐云秋 编著 电力系统保护 中国电力出版社 2005.7