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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（1010） 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气093093 学学 号：号： 090303095090303095 学生姓名：学生姓名： 丁树娜丁树娜 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2012.12.31-2013.01.112012.12.31-2013.01.11 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 090303095 学生姓名丁树娜专业班级电气 093 课程设 计（论 文）题 目 输电线路距离保护设计（10） 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=0.44/km,线路阻抗角为 L=74,AB、BC 线路最大负荷电 流为 410A,负荷功率因数为 cosL=0.93,8 . 0 I rel K 。电源电势8 . 0 rel K35 . 0 rel K 为 E=115kV, ZsAmax=13, ZsAmin=8,ZsBmax=31,ZsBmin =14。归算至 115kV 的各变压器 阻抗为 82.6,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） 1 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） 2 摘 要 距离保护是测量保护安装处的电流和电压，保护安装处的电压与电流之比反映 了保护安装处到短路点的阻抗，并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置， 又称为低阻抗保护。 本次课程设计主要输电线路的距离保护，距离保护的主保护是距离保护段和 距离保护段，联合工作构成本线路主保护。距离保护的后备保护是距离保护第 段，装设距离保护第段是为了作为保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时 也作为、段的后备保护。根据已知系统的接线图，来确定保护 1 距离保护三段 的整定值并校验各段的灵敏度，同时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。最后分析动作过程并采用 MATLAB 建立系统模型进行仿 真分析输出系统正常状态和故障状态下的电流和电压波形，判断系统是否会出现继 电器的误动作并分析其动作与否的原因，用实验数据来验证计算的准确性。 关键词：距离保护；低阻抗保护；整定值；灵敏度 本科生课程设计（论文） 3 目 录 第 1 章绪论 .4 1.1 输电线路距离保护概述.4 1.2 本文研究内容.4 第 2 章 输电线路距离保护整定计算 .6 2.1 距离 段整定计算.6 2.1.1 距离 段动作阻抗的整定 .6 2.1.2 灵敏度校验 .6 2.1.3 动作时间的整定 .6 2.2 距离段整定计算.6 2.3 距离段整定计算 .7 2.4 系统振荡和短路过渡电阻影响分析 .8 2.4.1 求系统在最小运行方式下振荡时 1QF 处保护的动作行为 .8 2.4.2 离断路器 1QF 处保护安装处发生带过渡电阻的相间短路时保护的动作 行为 .9 第 3 章 距离保护原理图的绘制与动作过程分析 .11 3.1 距离保护的组成 .11 3.2 距离保护原理图的绘制 .11 3.3 距离保护原理图过程分析 .12 第 4 章 MATLAB 建模仿真分析.13 4.1 距离保护 MATLAB 建模 .13 4.2 距离保护仿真波形及分析 .14 4.3 对距离保护的评价 .16 第 5 章 课程设计总结 .17 本科生课程设计（论文） 4 参考文献 .18 本科生课程设计（论文） 5 第 1 章 绪论 1.1 输电线路距离保护概述 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、人们生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。 继电保护技术是随 着电力系统的发展和科学技术的进步而不断发展起来的。继电保护技术是一个完整 的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、 继电保护运行于维护等技术构成。电力系统继电保护的基本作用是，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 和告警等措施，以求最大限度得维持系统的稳定、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。 距离保护是反应保护安装处至故障点的距离，并根据距离的远近而确定动作时 限的一种保护装置。 测量保护安装处至故障点的距离，实际上是测量保护安装处至 故障点之间的阻抗大小，故有时又称之为阻抗保护。 距离保护也有一个保护范围， 短路发生在这一范围内，保护动作，否则不动作，这个保护范围通常只用给定阻抗 的大小来实现的。距离保护能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求；阻抗 继电器是同时反应电压的降低和电流的增大而动作的，因此距离保护较电流保护有 较高的灵敏度。其中段距离保护基本不受运行方式的影响，而、段受系统运 行方式的影响也较电流保护要小一些，保护区域比较稳定。在一般情况下，距离保 护的段只能保护本线路全长的 80-85%，第段的保护范围为本线路的全长并延伸 至下一线路的一部分，但要不超过下一线路的无时限保护。段保护一般是作为相 邻线路的后备保护，所以其启动电流最小，它的保护范围是本线路的全长并延伸至 相邻的下一线路。 距离保护作为相间保护的主保护广泛的应用于电力系统中，但是距离保护是有 利弊的。所以距离保护必须借助其他保护的共同作用才能保护电力系统的各部分。 1.2 本文研究内容 本次课程设计的主要针对方向是输电线路的距离保护。研究内容分为计算和分析 两个部分。计算部分的主要内容是计算保护 1 距离保护第、段的整定值、 灵敏度和动作时间，并对设计提出的系统振荡和短路过渡电阻对系统的影响进行相 应的计算分析，确定距离保护的范围，有分析系统在最小运行方式下振荡时，距离 本科生课程设计（论文） 6 保护的各段动作情况。最后用 MATLAB 进行仿真，来验证计算的正确性。 本科生课程设计（论文） 7 第 2 章 输电线路距离保护整定计算 2.1 距离 段整定计算 2.1.1 距离 段动作阻抗的整定 距离保护第段保护本应保护本线路全长，即保护范围为全长的 100%，然而实 际上却是不可能的，因为当线路出口处短路时，保护 2 第段不应动作，为此，其 动作阻抗的整定值必须躲开这一点短路时所测量到的阻抗,即，考虑到 AB Z ABset ZZ 1 阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，需引入可靠系数， （一般取 0.8-0.85） 。 rel K 为配合方便，先求出 1、3、4QF 断路器处保护第段的整定值。 7456.103044 . 0 8 . 0 1ABrelset ZKZ 74376.133844 . 0 8 . 0 3BCrelset ZKZ 7482.216244 . 0 8 . 0 4CDrelset ZKZ 2.1.2 灵敏度校验 距离保护第段的灵敏度用保护范围表示。 = = = 80% 1sen K 3sen K 4sen K 2.1.3 动作时间的整定 距离保护的第段是瞬时动作的，是保护本身的固有动作时间。 0 431 opopop ttt 2.2 距离段整定计算 距离保护第段整定值的选择是类似于限时电流速断的，即应使其不超过下一 条线路距离保护第段的保护范围，同时带有一个的时限，以保证选择性。t 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 线第段配合时，有 ）（ 3min1setbABrelset ZKZKZ 本科生课程设计（论文） 8 68 . 1 31 3044. 08 111 max min min sB ABsA AB B AB BAB AB BC b Z ZZ I I I II I I K 87 . 2 14 3044 . 0 13 11 min max max sB ABsA b Z ZZ K 故 7445.3374)376.1368 . 1 3045 . 0 (93 . 0 1 set Z 和变压器配合时，因为,按技术规程规定，应装纵差保护，故变AMVST3 . 6 压器第 段保护范围应至低压母线 E 上。 ）（ min 1TbrelABrenset ZKKZKZ 其中， 93 . 0 rel K TT ZZ 2 1 故 7480.7674 3 . 4168 . 1 93 . 0 3044 . 0 93 . 0 1 ）（ set Z 选 为整定值，7445.33 1 set Z 距离保护第段的动作时间与相邻线路段保护配合，则 stop5 . 0 1 距离保护第段应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考 虑到各种误差因素，距离保护第段的灵敏度为 5 . 153 . 2 3044 . 0 45.33 1 AB set sen Z Z K 满足灵敏度的要求。 2.3 距离段整定计算 对距离保护第段整定值的考虑是与过电流保护相似的，其动作阻抗要按躲过 本线路的最大事故负荷电流对应的最小阻抗整定，并与相邻线路相间距离保护第 段配合，而动作时限应使其比距离段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出 一个。t 因为采用方向阻抗元件，故距离保护第段的整定值应按以下条件整定。 第一，躲过最小负荷阻抗，即 )cos( 9 . 0 3 1 max 1 LsetL erel set I UK Z 即,而93. 0cos L 22 L 74 set 本科生课程设计（论文） 9 故 7484.82 )2274cos(41 . 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，按与相邻线距离保护第段配合，即 ， 3min 1setbrelABrelset ZKKZKZ8 . 0 relrel KK 1, min4 min3 bsetbBCrelset KZKZKZ）（ 7484.35)82.213844 . 0 (93 . 0 3 set Z 7473.587484.3568 . 1 3044 . 0 8 . 0 1 ）（ set Z 应取 为相间距离保护第段的整定值。7473.58 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 式中，-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 第段距离保护的动作时间为 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 . 145 . 4 3044 . 0 73.58 1 AB set sen Z Z K 当作为远后备时， 96 . 0 3844 . 0 87 . 2 3044 . 0 73.58 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，更不满足灵敏度要求，故应考虑取 为整定值，这时灵敏度得到提高，为 1.35，接近满足要求。7484.82 1 set Z 本科生课程设计（论文） 10 2.4 系统振荡和短路过渡电阻影响分析 2.4.1 求系统在最小运行方式下振荡时 1QF 处保护的动作行为 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 Z180 测量阻抗为： 74 6 . 1574 2 . 57) 2 . 57 13 2 1 ( 2 .57 2 .57 13 313044. 013 13 2 1 min maxmax maxmax max min m sBABsA sBABsA sA m Z ZZZZ ZZZ Z m ZmZ 11min 1min setsetm setm ZZZ ZZ 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段和第段 m Z 测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 震荡对保护影响 令对应时间为，为第段测量原件误动作时间，对应时间为， 1 1 1 t 2 2 2 t 为第段测量原件误动作时间。对阻抗保护第段而言，当,虽第段测量元 21 ttop 件动作，但保护将不误动；当时，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，第段保护将会误动作，跳闸，故障被切除，故第 21 ttop Zset Zset Zset 1 2 1 2 A R jX 本科生课程设计（论文） 11 段保护的阻抗元件应反悔不会误动；通常，因时，第段保护动作时间可躲 11op tt 过震荡的影响，也不可能误动。从以上的分析计算可知，系统震荡可能是距离保护 第段发生误动作。因此，在距离保护装置中必须增加震荡闭锁原件。 2.4.2 离断路器 1QF 处保护安装处发生带过渡电阻的相间短路时保护的 动作行为 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： 38.3073.16)46 . 8 43.14( )1246 . 8 43 . 2 ()1274sin8 . 874cos8 . 8()127444 . 0 20( j jjZm 、段的动作阻抗分别为：方向第38.30 38.3022.2438.30)38.3074cos(45.33 38.3071 . 7 38.30)38.3074cos(56.10 1 1 op op Z Z 38.3052.4238.30)38.3074cos(73.58 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 此时由于短路点过渡电阻的影响，如图 3.2 所示，却落在距离保护第段和第 m Z 段的动作特性圆内，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（如 四边形阻抗元件）等。 Zset 1 Zset 1 Zset 1 A R jX 64 2 . 14 R 1op Z 1op Z 1op Z m Z 本科生课程设计（论文） 12 图 2.2 过渡电阻对保护的影响 本科生课程设计（论文） 13 第 3 章 距离保护原理图的绘制与动作过程分析 3.1 距离保护的组成 （1）测量部分，用于对短路点的距离测量和判别短路故障的方向。 （2）启动部分，用来判别系统是否处于故障状态。当短路故障发生时，瞬时启动保 护装置。有点距离保护装置的启动部分兼起后备保护的作用。 （3）振荡闭锁部分，用来防止系统振荡时距离保护误动作。 （4）二次电压回路断线失压闭锁部分，当电压互感器（TV）二次回路断线失压时， 它可防止由于阻抗继电器动作而引起的保护误动作。但当 TV 断线时保护可以选择投 /退“TV 断线相过流保护” 。 （5）逻辑部分，用来实现保护装置应有的性能和建立各段保护的时限。 （6）出口部分，包括跳闸出口和信号出口，在保护动作时接通跳闸回路并发出相应 的信号。 3.2 距离保护原理图的绘制 线路距离保护可构成三段式距离保护，其中距离保护第、段作为线路的主保 护，距离保护第段为本线住保护的近后备保护和相邻元件的远后备保护。由此可 以得到如图 3.1 所示的距离保护的原理框图。图中距离保护第、段的测量 元件，叫阻抗元件或阻抗继电器，KT 为延时特性元件，用于三段式保护的选择性， KS 为信号元件，用于对相应的故障发出相应的信号。这些元件综合构成输电线路三 段式距离保护装置。 本科生课程设计（论文） 14 图 3.1 三段式距离保护原理图 3.3 距离保护原理图过程分析 根据图 3.1 所示，图中阻抗测量值与整定值进行比较，当时，测量 set Z setm ZZ 元件有输出，反之，无输出。2KT 和 3KT 分别是距离保护第、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 保护据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据动，若出现上 述举动情况，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，经非门闭锁保护，可防止保护误动作。 1KS、2KS、3KS 为距离保护第、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。在上述远离框图中，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； Z 第二，保护中第、段的测量元件、整定值可由一个阻抗元件用接点进行 Z Z 切换实现；第三，若测量元件、和无方向性，则需加方向判别元件。通过 Z Z Z 对三段式距离保护的动作过程的分析。我们可以得到三段式距离保护和三段式电流 保护的差别为：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；第三，整套保护中每相均有启动元件，可以增加保护的可靠性。 1 4 5 6 10 2 3 1 & & & Z Z Z KT2 KT3 t t 7 8 9 1 & & & KS1 KS2 KS3 跳闸 0 0 本科生课程设计（论文） 15 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） 16 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 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 本科生课程设计（论文） 17 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相间故障和 接地故障，实现了本线路保护和后一级级线路的后备保护。仿真结果表明，所建立 的保护模型具有实时性和正确性，符合上文的计算结论。 图 4.5 线路两相接地故障时的电压波形图 本科生课程设计（论文） 18 4.3 对距离保护的评价 （1）在多电源网络甚至复杂电网中距离保护能较好地满足动作的选择性要求； （2）距离保护第段为可瞬时动作切除第段保护区内故障的保护。在双电源网络 中，若线路两侧的第段保护有重叠保护区，则线路两侧均能无延时动作切除重叠 区内的故障，而对单电源辐射网中线路第段保护区后的故障和对双电源线路两侧 第段保护非重叠区的故障不能无延时动作切除，故在 220kV 及以上电压等级的网 络中因保护往往不能满足电力系统稳定要求而不能作为主保护。 （3）距离保护比电流电压保护的灵敏度好，且基本上不受系统运行方式的影响，保 护区相对比较稳定。 （4）距离保护中阻抗元件的接线比较复杂，加之须增加有关的闭锁装置，使距离保 护装置更加复杂，因此，距离保护的可靠性相对电流电压保护的要低。 本科生课程设计（论文） 19 第 5 章 课程设计总结 本次课程设计主要是计算距离保护、段的整定值，校验灵敏度，并确 定各段动作时间。又分析了系统在最小运行方式下振荡时，及当距保护 1 出口