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 题目 输电线路电流电压保护设计 输电线路电流电压保护设计 4 4 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 2012 12 312012 12 31 2013 01 112013 01 11 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 输电线路电流电压保护设计 4 本科生课程设计 论文 II 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 15 3 115 1 G XkVE 20 20 32 GG XX L1 L2 60km L3 40km LB C 40km LC D 50km LD E 30km 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 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 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 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 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 本科生课程设计 论文 I 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 本科生课程设计 论文 II 目 录 第 1 章 绪 论 1 第 2 章 输电线路电流保护整定计算 2 2 1 保护 3 在最大 最小运行方式下的等值阻抗 2 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 2 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 3 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 4 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 4 2 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 7 3 1 电流三段式保护原理图 7 3 2 电流三段式原理展开图 8 第 4 章 MATLAB 建模仿真分析 10 4 1 MATLAB 的概述 10 4 2 系统仿真建模设计 11 4 3 仿真结果分析 13 课程设计总结 15 参考文献 16 本科生课程设计 论文 1 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 本科生课程设计 论文 2 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 X1 X2 X4 X5X7 X3X6 X8X9 图 2 1 最大运行方式 根据设计参数计算得 X4 X5 60 0 4 24 X6 40 0 4 16 X7 40 0 4 16 X8 30 0 4 12 X9 20 0 4 8 1336 5 20 63 5 42 1 max3 XXXXXX X 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 本科生课程设计 论文 3 图 2 2 最小运行方式 3max1133 43 3619 6 GLGL XXXXX 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 KA X E Ikc 48 2 min3 max 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 KA X E I 89 2 max3 min3 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 KA XX E Ikd 91 1 6min3 max KA XX E IkDmxin 14 2 6max3 X1X4 X7 X3X6 X8X9 KA XXX E Ike 72 1 76max3 min KA XXX E Ike 55 1 76min3 max 本科生课程设计 论文 4 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 Ik max 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 0 0 15 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 0 0 0 0 0 0 3 min33 15 6 75 100 16 1 12 100 lX lX BC KAIKI kErelop 45 1 21 1 2 1 3 max 11 1 KAIKI kDrelop 70 1 42 1 2 1 3 max 11 2 KAIKI kCrelop 29 2 91 1 2 1 3 max 11 3 65 5 2165 26 2 3 max3 1 1 min11 XbdX I E lx S OP 82 4 161382 33 2 3 max3 1 2 min22 XbcX I E lx S OP 0 0 0 0 0 0 min22 1517 40 100 12 82 4 100 2 l X lX CD 1 121310 25 2 3 max3 1 3 min33S OP X I E lx kI boprelopmin2 1 KI tt tt opop 21 本科生课程设计 论文 5 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t 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t 应与相邻线路电流保护的第 段相配合 分支系数为 1 即 kbmin KA kI boprelop 64 2 min2 3KI 所以该处电流保护的第 段的灵敏度为 1 3 故不满足灵敏08 1 2 min op I I K kc sen 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 KA kI boprelop 14 2 min1 2KI 此时的灵敏度 1 3 不满足要求 75 0 2 min I I K op ke sen 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 kI boprelopmin2 3 KI KA kI boprelop 98 1 min1 2KI 75 0 min I I K op kc sen st tt opop 1 23 KAI ED l re ss rel op I K KK I 303 0 02 2 3 3 max max 1 KAI DC l re ss rel op I K KK I 404 0 02 2 3 3 max max 2 本科生课程设计 论文 6 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 2 187 2 404 0 16 1 3 3 2 min 1 I I K op kE sen KAI CB l re ss rel op I K KK I 606 0 02 2 3 3 max max 3 3 18 3 303 0 16 1 3 3 1 min 1 I I K op kE sen 本科生课程设计 论文 7 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 1KA 4KM 7KS YR 2KA 5KT 8KS 3KA 6KT 9KS 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 本科生课程设计 论文 8 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 T Aa T Ac 1KA3KA5KA 2KA4KA6KA 7KA A C N WC W C 1KA 2KA 3KA 4KA 5KA 6KA 7KA KM 1KT 2KT 1KS 2KS 3KS KM 1KT 2KT QF T Q 本科生课程设计 论文 9 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 KA1 KA7 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 1KA 6KA 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 WS 1KS 2KS 3KS 本科生课程设计 论文 10 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 本科生课程设计 论文 11 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 本科生课程设计 论文 12 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 本科生课程设计 论文 13 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