输电线路方向电流保护设计

本科生课程设计（论文） 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：输电线路方向电流保护设计（题目：输电线路方向电流保护设计（5 5） 院（系）：院（系）： 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： 2012.12.312012.12.312013.01.112013.01.11 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 输电线路方向电流保护设计（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 ,20,3/115 1 G XkVE ,12,12 32 GG XX L1=L2=60km,L3=50km,LB-C=40km, LC-D=50km,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=360A, IC-D.Lmax=210A, ID- E.Lmax=110A, 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.等值电抗计算、短路电流计算。 2. 整定保护 4、5 的电流速断保护 定值，并尽可能在一端加装方向元 件。 3确定保护 5、7、9 限时电流速断 保护的电流定值，并校验灵敏度。 4确定保护 4、5、6、7、8、9 过 电流保护的时间定值，并说明何处 需要安装方向元件。 5绘制方向过电流保护的原理接线 图。并分析动作过程。 6、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） 1 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：整定保护 4、5 的电流速断保护定值，并 尽可能在一端加装方向元件。 第四天：确定保护 5、7、9 限时电流速断保护的 电流定值，并校验灵敏度。 第五天：确定保护 4、5、6、7、8、9 过电流保护 的时间定值，说明何处需安装方向元件。 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 电力系统的输、配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，方向保护是利用电压和电流的乘积判明电流流 向（相位）的继电保护。以判明短路故障位于保护装置处的正向或反向。 本设计题目为输电线路方向电流保护设计，经过 保护 4、5 的 段动作电 流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定 、保护 5、7、9 方向电流段的整 定计算和方向电流段动作时间整定计算 ，绘制方向电流保护原理图 ，并对动 作过程进行分析。 利用 MATLAB 软件建立系统仿真模型，根据给定参数对电气元件设定，对仿 真结果分析，符合设计要求。 关键词：电力系统；电流保护；方向保护；方向元件 本科生课程设计（论文） 3 目 录 第 1 章 绪论 .4 1.1 输电线路电流保护概述.4 1.2 本文主要内容.4 第 2 章 输电线路方向电流保护整定计算 .6 2.1 方向电流 段整定计算.6 2.1.1 保护 4、5 的 段动作电流的整定 .6 2.1.2 灵敏度校验 .7 2.1.3 动作时间的整定 .7 2.2 保护 5、7、9 方向电流段整定计算.8 2.3 方向电流段动作时间整定计算及方向元件的安装 .9 第 3 章 方向电流保护原理图的绘制与动作过程分析 .10 3.1 保护原理图.10 3.2 动作过程分析.12 第 4 章 MATLAB 建模仿真分析.13 第 5 章 课程设计总结 .16 参考文献 .17 本科生课程设计（论文） 4 第 1 章 绪论 1.1 输电线路电流保护概述 电力系统的输、配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. 对各种不同电压等级的线路应该装设不同的相间短路和接地短路的保护。对于 3KV 及以上的电力设备和线路的短路故障，应有主保护和后备保护，对于电压等级在 220KV 及以上的线路，应考虑或者必须装设双重化的主保护，对于整个线路的故障， 应无延时控制其短路器跳闸。线路的相间短路、接地短路保护有：电流电压保护， 方向电流电压保护，接地零序流电压保护，距离保护和纵联保护等。 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。 1.2 本文主要内容 通过对保护段的 段动作电流的整定 、灵敏度的校验、动作时间的整定 、 方向电流段的整定计算和方向电流段动作时间整定计算 ，绘制方向电流保 护原理图，并对动作过程进行分析。 在对电流保护段来说，因为反方向短路时功率方向测量元件不动作，其整定值 就只需躲过正方向线路末端短路电流最大值，而不必躲过反方向短路的最大短路电 流，因而提高了灵敏度。这种增加了功率方向测量元件的电流保护即为方向电流保 护。在双电源网络或其他复杂网络中，可以采用带方向的三段式电流保护，以满足 保护的各种性能要求。 方向电流保护用于双电源网络和单电源环形网络时，在构成、整定、相互配合 等问题上还有以下特点：在保护构成中增加功率方向测量原件，并与电流测量元件 共同判别是否在保护线路的正方向上发生故障。方向电流保护第段，即无时限方 向电流速度保护的动作电流整定可以不必躲过反方向外部最大短路电流；第段电流 保护动作电流还应考虑躲过反向不对称短路时，流过非故障相的电流，这样可防止 在反方向发生不对称故障时非故障线功率方向测量元件误动作而造成的保护误动作； 在环网和双电源网中，功率方向可能相同的电流保护第段的动作电流之间和动作时 本科生课程设计（论文） 5 间之间应相互配合，以保证保护的选择性。 本次设计包含了运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电 流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算 和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。 本科生课程设计（论文） 6 第 2 章 输电线路方向电流保护整定计算 2.1 方向电流 段整定计算 2.1.1 保护 4、5 的 段动作电流的整定 根据任务书中的系统接线图计算各段线路的阻抗。 =60*0.4=24 =50*0.4=20 =40*0.4=16 1LX2LX3LXBCX =50*0.4=20 =20*0.4=8 CDXDEX 由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，可计算： 保护 4 = 1.668kA X)X(X )( L3L2G211 )3( max LG KA XX E I 2024)(12 )2420( 3115 =1.2 1.668=2.002kA )3( max4KA I rel I OP IKI 保护 5 kA X E I G KB 075 . 2 2012 3115 XL3 3 )3( max kAIKI KB I rel I OP 49 . 2 075 . 2 2 . 1 )3( max5 因为 ，所以在 4QF 加方向元件。 )3( max4KB I OP II 2.1.2 灵敏度校验 校验，应按电流、电压元件中保护范围小的元件确定，整定值满足可靠系 I sen K 数的要求。 31 4min1 3 4min 4 lx lx l l K I sen 保护 4 的灵敏度校验： =-20=8.72 I OP min1 4 2I 3 S E lx maxs X 002. 22 3/1153 本科生课程设计（论文） 7 =2424+20=32 31l x 3214 / LLLOP XXXX/ =100%=27.25%15% sen K 4 min1 OP X lx 32 72 . 8 满足灵敏度要求，所以合格。 保护 5 的灵敏度校验： 31 5min1 3 5min 5 lx lx l l K I sen =7.09 maxmin1 5 2 3 x OP S X I E lx 3 1153 16 2 2.49 =20 31l x 35 LOP XX =100%=35.45%15% sen K 31 5min1 lx lx 20 09 . 7 满足灵敏度要求，所以合格。 2.1.3 动作时间的整定 因为无时限电流速断保护不必外加延时元件即可保证保护的选择性，所以电流 保护第 I 段的动作时间为 0，即 t=t=0。 4op 5op 2.2 保护 5、7、9 方向电流段整定计算 无时限电流速断保护在任何情况下只能切除本线路上的故障，外部短路故障应 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整定为。 保护 5段与保护 3 配合 = 5 op I bOPrel KK/ IB-C.Lmax=360A OP :分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 b K =1+=1+=1.42 b K AB B I I 3311LG S LG S XX E XX E =/1.42=291.54A bOPrel KIK 5 OP I36015 . 1 本科生课程设计（论文） 8 kA=1796.875A 33 )2( KB 2 3 I LG S XX E 2012 3115 2 3 =6.161.4 所以满足灵敏度要求。 sen K 5 )2( OP KB I I 54.291 75.81796 与相邻保护 3段配合 =1+=1+=1.42 b K AB B I I 3311LG S LG S XX E XX E 5 OP 2) KB I I （ sen K IC-D.Lmax=210A 2 OP I 分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流，且两电流相等。 所以：=1 4b K =/=264.5A 3 OP I 2 OPrelI K 4b K1/21015. 1 =/=214.21A 5 OP I 3 OPrelI K b K42 . 1 /5 .26415 . 1 =8.381.4 此结果满足灵敏度要求。 5 OP 2) KB I I （ sen K 21.214 75.81796 =1s 5 OP ttt 3 OP ttt 2 OP 保护 7,9 与保护 5 相同。 2.3 方向电流段动作时间整定计算及方向元件的安装 为保证选择性，则必须加延时元件，且应按照阶梯形原则整定，即两相邻线路 的电流动作时间相差一个t。上一线路与动作时间长的下一段线路相配合；末级 不装延时元件；越靠近电源，延时越长。 s（线路末端） ，0t1 ttt 12 t2ttt 23 ，（无下一级，相当于末级） 5793 tttt1.5st 0sttt 864 若:，: 1.5sttt 975 0sttt 864 为简化保护接线和提高保护的可靠性，电流保护每相的第、段可共用 一个方向元件。电流保护第段的动作时间较小者而可能失去选择性时加方向元件， 本科生课程设计（论文） 9 动作时间相同者可能失去选择性时均加方向元件。所以,保护 4,6,8 加方向元件。 本科生课程设计（论文） 10 第 3 章 方向电流保护原理图的绘制 3.1 保护原理图 根据系统接线图，绘制方向电流保护原理图，如图 3.1 所示。 图 3.1 方向电流保护原理图 3.2 动作过程分析 电流继电器和功率继电器才用按相启动方式，当两者都满足时线路才能接通。 当系统发生短路时，有本线路所在保护的段切故障。当断拒动或故障时，电流 继电器经过延时继电器，延时元件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，则延时元件会有输出，使本线断路器跳闸。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。发生故障时相应段的保护动作，信号元件动作输出保护动作的报警 信号。 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，保护中第 Z 、段的测量元件、整定值可由一个阻抗元件用接点进行切换实现，若测 Z Z 量元件、和无方向性，则需加方向判别元件。整套保护中每相均有启动元 Z Z Z 件，可以增加保护的可靠性。 本科生课程设计（论文） 11 本科生课程设计（论文） 12 第 4 章 MATLAB 仿真分析 按系统接线图在 MATLAB 软件中建立仿真模型，根据给定的参数对各电气元 件设定，系统在 MATLAB 软件中的仿真图如图 4.1 所示。将给定的信号输入仿真 系统，将各个环节的端口按框图连接起来，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。 图 4.1 MATLAB 建模仿真图 正常运行状态时线路电压电流波形如图 4.2 所示。 图 4.2 电压波形 本科生课程设计（论文） 13 线路发生相间两相短路故障时的故障相电流波形如图 4.3 所示。线路两相短路 故障时的电流波形图反映了系统发生两短路故障故障相的电流变化情况。仿真结果