电力系统保护与控制课程设计-输电线路电流电压保护设计.doc

电力系统保护与控制课程设计电力系统保护与控制课程设计 设计题目二：输电线路电流电压保护设计（设计题目二：输电线路电流电压保护设计（2 2） 课程设计任务书课程设计任务书 一、系统接线图如图： 二、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 ,15,3/115 1 G XkVE ,20,20 32 GG XX L1=L2=70km,L3=40km, LB-C=30km,LC-D=30km, LD-E=20km,线路阻抗 0.4/km, ,2 . 1 I rel K rel K15 . 1 rel K 最大负荷电流 IB-C.Lmax=400A, IC-D.Lmax=300A, ID-E.Lmax=150A, 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。 三、工作计划： 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。 B A G 1 1 23 L 3 L 2 L 1 ED C G 2 G 3 98 76 54 系统接线图 摘 要 电力系统的输、配电线路因各种原因可能会发生相间或相地短路故障，因此，必 须有相应的保护装置来反映这些故障，并控制故障线路的断路器，使其跳闸以切除故 障。 本任务书研究的是不带方向判别的相间短路电流电压保护。该线路相间短路电流 电压保护又称为三段式电流电压保护，确定出最大、最小运行方式下的等值电抗，进 行相间短路的最大、最小短路电流的计算。绘制三段式电流保护原理接线图，并分析 动作过程。 电流电压保护在单电源辐射网中一般有很好的选择性和灵敏度。而且电流电压保 护的电路构成、整定计算及调试维护都较简单，因此，它是最可靠的一种保护。 但是，三段式电流电压保护在多电源或单电源环网灯复杂网络中无法保证其选择 性，另外在系统运行方式变化很大、线路很短和线路长而负荷重等情况下，其灵敏度 可能不满足要求，甚至出现保护范围为零的情况。因此主要用于 35kV 及以下单电源辐 射网络作为线路保护，也可以作为电动机和小型变压器等元件的保护。 关键词：电流电压保护、三段式、选择性、灵敏度 目 录 一、绪 论 .1 1.1 电流电压保护概述.1 1.1.1 电流电压保护概况 .1 1.1.2 电流电压保护的性能分析 .1 1.2 课程设计主要内容及目的.2 二、输电线路电流保护整定计算 .3 2.1 电流 段整定计算.3 2.1.1 保护 3 在最大、最小运行方式下的等值电抗.3 2.1.2 C 母线、D 母线、E 母线相间短路的最大、最小短路电流 .4 2.1.3 整定计算 1、2、3 的电流速断保护定值.4 2.2 电流段整定计算.5 2.3 电流段整定计算.6 三、电流保护原理图的绘制与动作过程分析 .7 3.1 电流三段式保护原理图.7 3.2 电流三段式保护展开图.8 四、MATLAB 建模仿真结果推测.9 五、课程设计总结 .10 六、参考文献 .11 0 一、绪 论 1.1 电流电压保护概述 1.1.1 电流电压保护概况 电力系统中线路的电流电压保护包括：带方向判别和不带方向判别的相间短路 电流电压保护，带方向判别和不带方向判别的接地短路电流电压保护。他们分别是 用于双电源网络、单电源环形网络及单电源辐射网络的线路上切除相间或接地短路 故障。 线路相间短路电流电压是根据输、配电线上发生相间短路时线路电流增加而母 线电压下降的特征而设计的一种保护，主要用于 35kA 及以下的小接地电流系统中。 电流电压保护中有一种是以反应电流增大而动作的电流测量元件为基础构成的电流 保护，另一种是以反应电流增大而动作的电流测量元件和反应电压下降而动作的电 压测量元件为基础构成的电流电压保护。为了实现保护之间的配合和保护的选择性， 在这些保护中一般需要增加延时元件等逻辑元件才能形成一个完整的保护方案。电 流保护及电流电压保护的原理很简单，它们的关键在于如何选择保护的整定值，以 及如何设计保护中各个元件间的逻辑关系。 1.1.2 电流电压保护的性能分析 1) 电流电压保护的选择性 电流电压保护在单电源辐射网中一般有很好的选择性。电流（电压）保护第 段主要靠动作电流值来区分被保护范围内部和外部短路而具有选择性。而电流保护 第段和第段则应由动作电流和动作时间二者相结合才能保证其选择性，缺一不 可。但在多电源或单电源环网等复杂网络中这种保护可能无法保证其选择性。 2) 电流电压保护的动作速度 电流电压保护第段和第段共同作为线路的主保护，能满足技术规程关 于 35kV 及以下网络主保护的速动性要求。电流电压保护第段因为越接近电源，动 作时间越长，有时候动作时间长达好几秒，因而一般情况下只能作为线路的后备保 护。 3) 电流电压保护的灵敏度 电流电压保护的灵敏度因系统运行方式的变化而变化。一般情况下能满足灵敏 度要求。但在系统运行方式变化很大、线路很短和线路长而负荷重等情况下，其灵 敏度可能不容易满足要求，甚至出现保护范围为零的情况。这也是电流保护的主要 缺点。 4) 电流电压保护的可靠性 电流电压保护的电路构成、整定计算及调试维护都较简单，因此，它是最可靠 的一种保护。 电流电压保护因为选择性、灵敏度和动作速度等方面都存在不足，故主要用于 35kV 及以下单电源辐射网络作为线路保护，也可电动机和小型变压器等元件的保护。 1.2 课程设计主要内容及目的 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。 通过本课程设计，使学生掌握和应用电力系统继电保护的设计、整定计算、资 料整理查询和电气绘图等使用方法。在此过程中培养学生对各门专业课程整体观的 综合能力，通过较为完整的工程实践基本训练，为全面提高学生的综合素质及增强 工作适应能力打下一定的基础。本课程主要设计 35KV（110KV）线路、变压器、发 电机继电保护的原理、配置及整定计算，给今后继电保护的工作打下良好的基础。 2 二、输电线路电流保护整定计算 2.1 电流 段整定计算 2.1.1 保护 3 在最大、最小运行方式下的等值电抗 （1）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。 X X X X X X XXX G1 G2 G3 L1 L2 L3 BC CDDE . . 图 2.1 最大运行方式 ； ； 12 70*0.428LL 3 40*0.416L ; 30*0.412 BCCD XX20*0.48 DE X 3min121233 (/ / /)/ /()(60/7 14)/ /3613.9 GGLLGL XXXXXXX （2）最小运行方式：在最大运行方式基础上 G2、L2 退出运行，等效电路图 如图 2.2. X X X X XXX G1 G3 L1 L3 BC CDDE . . 图 2.2 最小运行方式 3max1133 ()/ /()43/ /3619.6 GLGL XXXXX 3 2.1.2 C 母线、D 母线、E 母线相间短路的最大、最小短路电流 C 母线最大短路电流： (3) max 3min 115/3 2.21 13.912 kC sBC E IkA XX 最小短路电流： (2) min 3max 33115/3 1.62 2219.612 kC sBC E IkA XX D 母线： (3) max 3min 115/3 1.75 13.9 12 12 kD sBCCD E IkA XXX (2) min 3max 33115/3 1.32 2219.6 12 12 kD sBCCD E IkA XXX E 母线： (3) 3min 115/3 1.45 13.912128 kEnax sBCCDDE E IkA XXXX (2) min 3max 33115/3 1.11 2219.6 12 128 kE sBCCDDE E IkA XXXX 2.1.3 整定计算 1、2、3 的电流速断保护定值 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 Ik max 虑最大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: 保护 1： (3) op1max 1.2 1.451.74 relkE IKIkA 保护 2： (3) op2max 1.2 1.752.10 relkD IKIkA 保护 3： (3) op3max 1.2 2.212.65 relkC IKIkA 根据公式，可得 1 minmax 1 3 2 s op E x lX I ； 1 1min 10.5xl 2 2min 4.2x l 3 3min 2.1x l 由上可见，保护 1 和保护 2 的 I 段保护不起作用，对于保护 3，则有 3min3 3min 3 2.1 17.5%15% 12 sen BCBC lx l K lX 保护 3 的 I 段动作时间：。3 0 op ts 4 2.2 电流段整定计算 整定保护 2、3 的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度 （1）对于保护 3 的电流保护的第段的动作电流应与相邻线路 CD 电流保护的第 段配合，即 (2- 3min min3 3max 11.82 sBC b sBC XX XX k 1） 所以由公式（1）可得： 3 1.15 2.1 1.32 1.82 op IkA 该处电流保护的第段的灵敏度为: (2) min 1 1.62 1.21.3 1.32 KC sen op I K I 不满足灵敏度的要求，故保护 3 的电流保护的第段的动作电流应与相邻线路 CD 电 流保护的第 II 段相配合，即 (2-2) 32min3 / oprelopb IKIK (2-3) 21min2 / oprelopb IKIK 将相应的数据带入公式（3）可得： 2 1.80 op IkA 再根据公式（2）就能得到： 3 1.14 op IkA 该处电流保护的第段的灵敏度为： 故满足灵敏度的要求. (2) min 3 1.62 1.421.3 1.14 KC sen op I K I 保护 3 第段的动作时间： 32 1 opop ttts （2）对于保护 2 的电流保护的第段的动作电流应与相邻线路 DE 电流保护的第 相配合，即 21min2 / oprelopb IKIK (2-4） 3min min3 3max 11.98 sBd b sBd XX XX k 所以， 2 1.01 op IkA 因此可得， 故满足灵敏度的要求。 (2) min 2 1.32 1.311.3 1.01 KD sen op I K I 保护 2 第段的动作时间：。 2 0.5 op ts 5 2.3 电流段整定计算 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。 (2-5）1max relss opL re KK II K ；。 1.5 ss K0.85 re K ；。 max 400 BC IA max 300 CD IA max 150 DE IA 将上述的数据带入公式（5） ，可得 1 2.03 1500.305 op IkA 2 2.03 3000.609 op IkA 3 2.03 4000.812 op IkA 检验灵敏度， 对于保护 1： (2) min 1 1 1.11 3.61.3 0.304 kE sen op I K I 故保护 1 可以作 E 点的近后备保护。 对于保护 2： (2) min 2 2 1.11 1.81.3 0.609 kE sen op I K I 故保护 2 可以作 E 点的远后备保护。 对于保护 3: (2) min 3 3 1.11 1.371.3 0.812 kE sen op I K I 故保护 3 可以作 E 点的远后备保护。 6 三、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 图 3.1 给出的是三段式电流电压保护的原理接线图，其中 1KA、2KA、KM 和 1KS 构成第段无时限电流速断保护；3KA、4KA、1KT 和 2KS 构成第段带时限电流速 断保护；5KA、6KA、7KA(采用两相三继电器式接线)、2KT 和 3KS 构成第段定时限 过电流保护。由于三段式电流保护各段的动作电流和动作时限整定均不相同，必须 分别使用不同的电流继电器和时间继电器，而信号继电器 1KS、2KS 和 3KS 则分别用 以发出、段保护动作的信号。电流继电器 7KA 接于 A,C 两相电流之和上， 是为了在 Y,d 接线的变压器后发生两相短路时提高过电流保护的灵敏性。 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。 7 3.2 电流三段式保护展开图 图 3.2 三段式电流保护展开图 继电保护的展开图接线图二次回路的供电方式来划分，即将二次回路分为交流 回路、直流回路、信号回路及保护回路等几个主要部分。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 KA1KA2KA3 KA4KA5KA6 KA7 TAa Tac A C N KA1 KA2 KA3 KA4 KA5 KA6 KA7 KT1 KM KT2 KT2 KM KT1 KS2 KS3 KS1 QF1 LT 控制小母 线 熔断器 段电流 段电流 段电流 跳闸回路 +wc-wc FU （a）交流电流回路 （b）直流电流回路 KS1 KS2 KS3 （c）起动信号 +WS 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。 9 四、MATLAB 建模仿真结果推测 对于电流段保护仿真，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，线路在 0.05s 发生故障，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。 1.对于段，母线短路时，保护 1、2 都不起作用，只有保护 3 起到了保护作用。 2.对于段，保护 3 的段与相邻的保护段配合无法满足灵敏度的要求，因 此保护 3 的段必须与相邻的段配合。而保护 2 的段与相邻的保护段配合就 已满足灵敏度的要求。 3.对于第段，保护 1、2、3 都达到了灵敏度的要求。 10 五、课程设计总结 本次课程设计是相间短路电流电压三段式保护。保护第段主要靠动作电流值 来区分被保护范围内部和外部短路而具有选择性。而电流保护第段和第段则应 由动作电流和动