输电线路距离保护设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力系统继电保护电力系统继电保护课程设计 论文 课程设计 论文 题目 输电线路距离保护设计题目 输电线路距离保护设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 本科生课程设计 论文 课程设计 论文 任务及评语课程设计 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 输电线路距离保护设计 5 课程设计 论文 任务 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 线路每公里阻抗为 Z1 0 45 km 线路阻抗角为 L 63 AB BC 线路最大负荷 电流为 380A 负荷功率因数为 cos L 0 9 8 0 I rel K 电源电势8 0 rel K35 0 rel K 为 E 115kV ZsAmax 10 ZsAmin 7 ZsBmax 30 ZsBmin 15 归算至 115kV 的各变压器 阻抗为 82 8 容量 ST 为 15MV A 其余参数如图所示 1 计算保护 1 距离保护第 段的整 定值和灵敏度 2 计算保护 1 距离保护第 段的整 定值和灵敏度 3 计算保护 1 距离保护第 段的整 定值和灵敏度 4 分析系统在最小运行方式下振荡 时 保护 1 各段距离保护的动作情 况 5 当距保护 1 出口 20km 处发生带 过渡电阻 Rarc 12 的相间短路时 保护 1 的三段式距离保护将作何反 应 设 B 母线上电源开路 6 绘制三段式距离保护的原理框图 并分析动作过程 7 采用 MATLAB 建立系统模型进行 仿真分析 stOP5 0 8 stOP1 7 8 E 6 5 62 km 38k m 2 1 74 3 30 km D C B A 系统接线图 本科生课程设计 论文 续表 进度计划 第一天 收集资料 确定设计方案 第二天 距离 I 段整定计算及灵敏度校验 第三天 距离 II 段整定计算及灵敏度校验 第四天 距离 III 段整定计算及灵敏度校验 第五天 系统振荡和短路过渡电阻影响分析 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 本科生课程设计 论文 摘 要 线路的电流电压保护构成简单 可靠性好 用于中 低压电网一般能满足对保 护性能的要求 但是由于其灵敏度受系统运行方式的影响 有时保护范围很小 再 者 该保护的整定计算比较麻烦 这使得其在 35KV 及以上的复杂网络中很难适用 为此研究了性能更好的保护原理和方案距离保护 距离保护是一种反映物理量 测 量阻抗下降而动作的保护 可构成三段式距离保护即本设计所采用的保护方式 首 先对系统中保护 1 的各段整定值和灵敏度进行计算 然后分析了系统在最小运行方 式下振荡时 保护 1 各段距离保护的动作情况 并且分析在具体故障点给定后 保 护 1 的三段式距离保护的反应 最后绘制三段式距离保护的原理框图 分析其动作 过程 并采用 MATLAB 建立简单电力系统三段式距离保护的模型 进行仿真分析 关键词 三段式距离保护 系统振荡 MATLAB 仿真 本科生课程设计 论文 目 录 第 1 章绪论 1 1 1 继电保护概况 1 1 2 本文研究内容 1 第 2 章输电线路距离保护整定计算 2 2 1 保护 1 距离保护第 段整定计算 2 2 2 保护 1 距离保护第 段整定计算 2 2 3 保护 1 距离保护第 段整定计算 3 2 4 系统振荡和短路过渡电阻影响分析 4 2 4 1 系统在最小运行方式下发生振荡 4 2 4 2 系统发生带过渡阻抗的相间短路 6 第 3 章 线路距离保护原理图 8 3 1 距离保护原理图 8 3 2 距离保护原理说明 8 第 4 章 MATLAB 建模仿真分析 10 4 1 距离保护 MATLAB 建模 10 4 2 距离保护仿真波形及分析 11 第 5 章 课程设计总结 14 参考文献 15 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 继电保护概况 电力是当今世界使用最为广泛 地位最为重要的能源 电力系统的安全稳定运 行对国民经济 人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响 电力系统由各种电 气元件组成 由于自然环境 制造质量 运行维护水平等诸方面的原因 电力系统 中的各种元件在运行中不可能一直保持正常状态 根据断路通常伴随着电流显著增 大的特征 首先出现了电流超过预定值即动作的过电流保护 最早出现的过电流保 护是熔断器 其特点是集保护装置与断电装置于一体 因而简单可靠 但也有诸多 缺点 动作精度差 配合难度大 断流能力有限 恢复供电麻烦 随着电力系统的 发展 对继电保护的性能要求不断提高 于是出现了作用于断路器的过电流继电器 20 世纪初 继电器开始广泛应用于电力系统的保护 1901 年出现了感应型过电 流继电器 1908 年提出了比较被保护元件两端电流的电流差动保护原理 1910 年方 向性电流保护原理得到应用 1920 年输电线路距离保护装置诞生 20 世纪 60 年代 末 有人提出了用小型计算机实现继电保护装置的设想 因当时小型计算机在价格 体积 性能方面的种种原因而未能投入实用 但却由此开始了对继电保护计算计算 法的大量研究 为后来微型计算机型继电保护装置的发展奠定了理论基础 微机型 保护除了具有保护功能外 还可兼有故障录波 故障测距 事件顺序记录以及网络 通信等铺筑功能 这对简化保护的调试 事故分析和事故后的处理等都有重大意义 由于微机型保护装置的巨大优越性和潜力 因而受到了运行人员的广泛欢迎 可以 说微机型保护代表着电力系统继电保护的未来 1 2 本文研究内容 本文主要研究针对于简单的电力系统 分析其距离三段式保护的原理及动作过 程 首先对系统中保护 1 的各段整定值和灵敏度进行了整定计算 然后分析了系统 在最小运行方式下振荡时 保护 1 各段距离保护的动作情况 分析其在具体故障点 给定后 保护 1 的三段式距离保护的动作情况 分析其动作过程 最后采用 MATLAB 建立简单电力系统三段式距离保护的模型 进行仿真分析 本科生课程设计 论文 2 第 2 章输电线路距离保护整定计算 2 1 保护 1 距离保护第 段整定计算 为配合方便 先求出 1 3 4QF 断路器处保护第 段的整定值 即 63 8 103045 0 8 0 1ABrelset ZKZ 6368 133845 0 8 0 3BCrelset ZKZ 6332 226245 0 8 0 4CDrelset ZKZ 断路器 1 3 4QF 处距离保护第 段的动作时间和灵敏度分别为 0 431 opopop ttt 80 431 sensensen KKK 2 2 保护 1 距离保护第 段整定计算 1QF 处保护的相邻元件为 BC 线和并联运行的变压器 T 当 1QF 处距离保护第 段与 BC 线段第 段配合时 有 3min1 setbABrelset ZKZKZ 68 1 30 3045 0 7 111 max min min sB ABsA AB B AB BAB AB BC b Z ZZ I I I II I I K 57 2 15 3045 0 10 11 min max max sB ABsA b Z ZZ K 故 6319 296368 1368 1 3045 0 8 0 1 set Z 和变压器配合时 因为 按 技术规程 2 3 3 2 条 应装纵差AMVST 3 6 保护 故变压器第 段保护范围应至低压母线 E 上 63 min1TrelABrelset ZKKZKZ 本科生课程设计 论文 6344 66 63 4 4168 1 8 03045 0 8 0 试中 考虑两台变压器并列运行 8 0 rel K TT ZZ 2 1 68 1 min b K 选为整定值 距离保护第 段的动作时间为 7486 28 1 set Z stop5 0 1 第 段保护的灵敏度为 5 116 2 3045 0 19 29 1 AB set sen Z Z K 满足灵敏度要求 2 3 保护 1 距离保护第 段整定计算 因为采用方向阻抗元件 故距离保护第 段的整定值应按一下条件整定 第一 躲过最小负荷阻抗 即 cos 9 0 3 1 max 1 LsetL erel set I UK Z 由题意知 即 而9 0cos L 8 25 L 63 set 故 6336 65 8 2563cos 4 0 9 035 0 3 115 1 set Z 按与相邻距离保护第 段动作时间配合 第 段距离保护的动作时间为 stop5 2 1 第二 与相邻线距离保护第 段配合 即 3min 1setbrelABrelset ZKKZKZ 8 0 relrel KK 4 min3setbBCrelset ZKZKZ 1 min b K 6354 3132 223845 0 8 0 3 set Z 3min1 8 0 setbABset ZKZZ 本科生课程设计 论文 63 2 53 6353 5 138 0 6354 3168 1 3045 0 8 0 应取为相间距离保护第 段的整定值 63 2 53 1 set Z 按与相邻距离保护第 段配合 第 段距离保护的动作时间为 ttt opop 31 试中 相邻线路重合后不经振荡闭锁的距离保护第 段的动作时间 3op t 取第 段的动作时间为 stop5 2 1 进行距离保护第 段的灵敏度校验 当作为近后备时 5 194 3 3045 0 2 53 1 AB set sen Z Z K 当作为远后备时 94 0 45 0 3857 2 3045 0 2 53 max 1 BCbAB set sen ZKZ Z K 可见 作为近后备保护时 可满足灵敏度要求 作为 BC 线远后备保护时 却不 满足灵敏度要求 作为变压器的远后备保护时 更不满足灵敏度的要求 故应考虑 取为整定值 这时灵敏度得到提高 为 1 21 接近满足要求 6336 65 1 set Z 2 4 系统振荡和短路过渡电阻影响分析 2 4 1 系统在最小运行方式下发生振荡 求系统在最小运行方式下振荡时最小测量阻抗 时保护安装处的 minm Z 180 测量阻抗为 ZmZm 2 1 min 本科生课程设计 论文 5 53 13 303045 0 10 13 maxmax max sBABsA sA ZZZ Z m Z maxmaxsBABsA ZZZ 7475 1363 5 53 5 53 13 2 1 minm Z 可得 1minsetm ZZ 而 11minsetsetm ZZZ 可见 在最小运行方式下系统振荡时的轨迹线穿过阻抗保护第 和第 段测 m Z 量元件的动作特性圆 如图 2 1 所示 距离保护第 段的阻抗元件将误动 图 2 1 振荡对保护的影响 令对应时间为 为第 测量元件误动作时间 对应的时间为 1 1 1 t 2 2 2 t 为第 段测量元件误动作时间 对阻抗保护第 段而言 当时 虽第 段测 21 ttop 量元件动作 但保护将不误动 时 测量元件和保护均误动 对第 段而言 21 ttop 测量元件误动 当时 第 段保护会发生误动作 跳闸 故障被切除 故第 21 ttop 段保护的阻抗元件应返回不会误动 通常 因时 第 段保护动作时间可 11 ttop 本科生课程设计 论文 躲过振荡影响 也不可能误动 从以上分析计算知 系统振荡可能使距离保护第 段发生误动作 因此 在距离保护装置中必须增加振荡闭锁元件 2 4 2 系统发生带过渡阻抗的相间短路 当离断路器 1QF 保护安装处 20KM 处发生带过渡电阻的相间短路时 12 arc R 1QF 处保护的测量阻抗为 1263sin963cos9126345 0 20jZm 16 8 8 151216 8 8 3jj 31 2778 17 方向第 段的动作阻抗分别为 31 27 31 2755 8 31 2731 2763cos 8 10 1 op Z 31 2744 2331 2731 2763cos62 29 1 op Z 31 2789 4231 2731 2763cos 2 54 1 op Z 故有 111opopmop ZZZZ 由上述可见 故障点应在断路器 1QF 处相间距离保护的第 段保护范围内 而 此时哟与短路点过渡阻抗的影响 如图 2 2 所示 却落在距离保护第 段和第 m Z 段的动作特性圆内 图 2 2 短路过渡电阻对保护影响 本科生课程设计 论文 其中 A B C D E F 1set Z 1set Z 1set Z 1OP Z 1OP Z 1OP Z 故这时距离保护第 段将拒动 而距离保护第 段动作 降低了保护的速动性 因此 距离保护中必须有防止过渡电阻影响的措施 例如在距离第 段保护中增加 瞬时测量元件或采用承受过渡电阻能力强的阻抗测量元件等 本科生课程设计 论文 8 第 3 章 线路距离保护原理图 3 1 距离保护原理图 线路距离保护与电流电压保护类同 亦可构成三段式距离保护 其中距离保护 第 段为线路的主保护 距离保护第 段为本线主保护的近后备保护和相邻元 件的远后备保护 相间距离保护构成可用图 3 1 所示的框图来说明 图 3 1 三段式距离保护构成的单相原理框图 3 2 距离保护原理说明 图中 分别是距离保护第 段的测量元件 叫阻抗元件 Z Z Z 或阻抗继电器 用于测量故障点至保护安装处的距离 并与整定值进行比较 set Z 当时 测量元件有输出 反之 无输出 2KT 和 3KT 分别是距离保护第 setm ZZ Z Z Z 1 t t 1 3KT 2KT 3KS 2KS 1KS 7 8 9 2 3 4 5 6 10 跳闸 1 本科生课程设计 论文 段的延时元件 它作为时序逻辑判断元件 延时元件 2KT 用于判别故障是否 在距离保护第 段保护范围外的被保护线路内 故障点在该保护范围内时 延时元 件 2KT 输出跳闸信号 否则 2KT 不输出跳闸信号 延时元件 3KT 则用于判别是否本 线路发生了故障而主保护拒动和判别是否相邻元件发生了故障而相邻元件保护或断 路器拒动 若出现上述拒动情况 则延时元件 3KT 会有输出 使本线断路器跳闸 元件 1 是电流或阻抗测量元件 作为整套距离保护的启动元件 判断是否发生故障 发生故障时有输出 元件 2 和 3 分别是振荡闭锁元件和电压互感器二次断线闭锁元 件 分别在系统振荡和电压互感器二次断线时有输出 经非门 10 闭锁保护 可防止 保护误动作 1KS 2KS 3KS 为距离第 段保护的信号元件 当相应段的 保护动作时 相应段的信号元件动作输出保护动作的报警信号 在上述原理框图中 有三点值得说明 第一 整套保护也可用距离保护中第 段的测量元件兼做启动元件 第二 保护中第 的测量元件 整定值 Z Z Z 可由一个阻抗元件用接点进行切换来实现 第三 若测量元件 和无方向 Z Z Z 性 则需加方向判断元件 从图 3 1 中可见 三段式距离保护与三段式电流保护的差别主要表现在一下三 个方面 第一 测量元件是阻抗元件 而不是电流元件 第二 增加了两个闭锁元 件 整套保护中每相均有启动元件 可以增强保护的可靠性 本科生课程设计 论文 10 第 4 章 MATLAB 建模仿真分析 4 1 距离保护 MATLAB 建模 目前电子计算机已广泛应用于电力系统的分析计算 MATLAB 是一种交互式 面向对象的程序设计语言 广泛应用于工业界与学术界 主要用于矩阵运算 同时 在数值分析 自动控制模拟 数字信号处理 动态分析 绘图等方面也具有强大的 功能 其程序设计语言结构完整 且具有优良的移植性 它的基本数据元素是不需 要定义的数组 它可以高效率地解决工业计算问题 特别是关于矩阵和矢量的计算 MATLAB 设计中 原始数据的填写格式是很关键的一个环节 它与程序使用的方便 性和灵活性有着直接的关系 原始数据输入格式的设计 主要应从使用的角度出发 原则是简单明了 便于修改 作为强大的计算平台 MATLAB 集数值计算 符号运算及图形处理等强大功能 于一身 它几乎可以满足所有的计算要求 另外 MATLAB 还针对许功能强大的模 块集或工具箱 如电力系统仿真工具箱等 一般说来 用户可以直接使用工具箱足 学习 应用和评估不同的模型而不需要自己编写代码 当今社会高性能 低成本以 及生产和更新换代周期短已经成为现代企业对产品设计的最基本要求 模块化 模 型化以及动态仿真是产品设计者对设计工具的最基本要求 而 MATLAB 中的 Simulink 就是可以完全满足要求的几个工具软件之一 本次课程设计在断路器处安装保护及启动原件 保护模块经封装成子系统 其 输入信号为电压电流测量值和由启动元件发出的投切信号 输入信号送至断路器的 控制端 以控制断路器的开合状态 信号 1 表示合闸 断路器的初始状态为合闸 气动元件是通过负序电流来判别系统是否发生故障 只有当故障发生时才能将整套 保护模块迅速投入工作 使用元件库中的故障模块进行故障点的设置 可以方便的 设置故障类型以及故障点起始时刻 为了简化系统 线路只有电感 总长为 120km Three PhauseV 1measurement 模块充当了由 SimPowerSystem 系统到 Simulink 系统的接口 相当于实际的电流和电压互感器 Three Phause Fault 模块可 以模拟三相的各种故障 当设定某种故障时 运行仿真可以得到短路电流和短路电 压 这是其他元件需要的数据 先经过一个三相滤波器消除衰减的直流分量 整个 系统通过设定不同的整定值来得到不同的保护范围 因此可以将三个整定值不同的 距离保护模块以及延时模块组成三段式距离保护 实现本线路的主保护和下级线路 的后备保护 最后再设计一个启动原件来控制三段式距离保护的投切 输电线路距 本科生课程设计 论文 离保护的 MATLAB 仿真电路图如图 4 1 所示 图 4 1 输电线路距离保护的仿真电路图 4 2 距离保护仿真波形及分析 正常状态下的波形图如图 4 2 所示 此时的波形是电压时三相对称 相角互差 120 度的波形 图 4 2 正常状态下时系统的电压波形图 本科生课程设计 论文 系统发生设计中的线路故障时的各相电压波形如图 4 3 和图 4 4 所示 由于故障 仿真属于暂态 故此时仿真起止时间为 0 0 5s 故障的其实时刻为 0 01s 改变故障 类型仿真得到如下结论 接地距离保护对于范围内的相间短路不会动作 并且各段 中的相间距离保护对于保护范围内的单相接地故障也不会动作 图 4 3 故障线路的相间电压波形 图 4 4 故障线路的相间电流波形 线路两相接地故障时的电压波形图如图 4 5 所示 线路两相接地故障时的电压 波形图反映了系统发生两相接地故障的过程中 故障线路的电压变化 根据系统的 发生故障后电流电压的变化 发现距离保护能够反映保护范围内的各种