【《电网相间短路的电流电压保护问题及仿真研究》14000字】

电网相间短路的电流电压保护问题及仿真研究目录TOC\o"1-3"\h\u25867第1章绪论 269081.1研究的目的和意义 2204411.2电网继电保护研究现状 358621.3电力系统保护中的继电保护的基本技术任务和方法 450571.3.1电力系统保护中的继电保护的基本技术任务 4241491.3.2电力系统继电保护基本要求 521919第2章Simulink基础知识 6233942.1MATLAB简介 6299862.1.1MATLAB的组成与应用 674192.1.2运行界面 691102.2Simulink简介 7156192.2.1Simulink的概念 7127872.2.2Simulink的工作环境 8298672.3本章小结 1122617第3章电网相间短路的电流电压保护 11144663.1继电特性及运行方式 1126503.1.1继电器的继电特性 11169043.1.2继电器的工作原理 12181253.1.3继电器的继电特性 12232363.1.4继电保护的运行方式 1217883.2单侧电源网络中相间电流、电压保护 1374743.2.1电流速断保护 13205783.2.2限时电流速断保护 14169053.2.3定时限过电流保护 15177623.2.4电网系统三段式电流保护装置 1711793.2.5电流电压联锁速断保护 19134613.2.6反时限过电流保护 20162313.4电网相间短路的方向电流保护原理 20255053.4.1方向电流保护的作用原理 20311623.4.2功率方向元件的工作原理 22113833.4.4对方向性电流保护的评价 2520282第四章电网相间短路的电流电压保护仿真 2656814.1单侧供电网络中的相间电流保护方法的建模和仿真 26212404.1.1三段式电流保护的建模与仿真 26187664.1.2电动机自起动对过电流保护的影响仿真 34315514.2电网中的相间短路方向上的电流保护建模和仿真 38第1章绪论1.1研究的目的和意义我国的国民经济正在高速发展,对电能的消耗日渐增多,但是我国的经济发展的方向却受着电力系统的运行稳定情况所影响。电网是否能安全运行和是否有可靠的电能决定着我国各行各业的发展。国家经济和人民生活都会受到电网瓦解和发生重大事故而造成严重的后果，整个市场都会瘫痪。对此,产生了一种能够有效地保障电网及其设备安全稳定地运行的继电保护。第一，从微观角度说，继电保护就是电力系统的保护罩，是安全运行的基础。有故障时，它让故障元件不受到伤害，但不是说让受到故障的元件继续工作。第二，从宏观方面说，故障被继电保护排查时，也对人们的正常生活和经济的有序发展，贡献着自己独特的力量。也减少了由于停电所带来的生活不便等问题。但在新发展时期，继电保护同样面临着前所未有的挑战和新的发展机遇[1]。一方面，因为电子技术、计算机技术与通信技术快速发展，为继电保护技术的发展注入了新活力。而另一方面，由于大功率设备的使用、远距离以及特高压交首先，由于电子方面的技术得到新的发展和突破，也为当下继电保护的发展给予新的源泉。其次，因为社会的发展，以及大型设备、各种电网的发展，对使用的继电保护的整体要求提出了更高的标准。总体来说,继电保护发展是否优秀,关乎着电力系统的运行情况，对国家智能电网发展的战略也有着深刻影响。当我们的电路供电系统出现短路这种故障时,会产生严重的后果,会使得电流短时间内快速的变大,此时的电流大小会出现异常,其大小会比正常工作的正常值大至少几十倍甚至更大。而且短路发生的时间越长,其产生的热量也会越大,所以会对线路和整个系统造成更加严重的影响。对于一些工厂而言,当一个工厂内部的输电系统或者线路出现了短路故障。我们都知道一个线路的装置里面就会有一个保护器,当出现了故障的情况下,保护器就会先进行一些动作，它会使得保险丝经过高温熔断，从而使得线路断路，所以就导致工厂内大面积停电。如果线路设备中的保护装置未发生动作，那么就会使得线路因断路发热，从而线路设备内部聚集大量热量，严重则会使得线路设备发生更为严重的后果，列如设备的烧毁，更为严重则会发生火灾。而且随着电压在短时间内大幅度的降低，使得用电设备达不到自身的额定工作电压，导致无法正常使用。对于居民日常生活，在线路的某处断路的发生，会产生一系列连锁反应，热损，线损以及无功功率的增加，从而会逐步影响更多线路设备，使得整个系统受到影响，无法正常工作。则会使元件停转。而且容易使电力系统并列运行的发电厂、发电机组等失去同步，导致电力系统的运行遭到破坏，从而引发大面积停电。1.2电网继电保护研究现状一般的电网继电保护原理很简单，主要表现为电流、距离、线路等的保护，再者就是利用合闸确保供电的安全可靠；对于母线而言有差动保护;而发电机、变压器却完全不一样，因为它的结构特点，它的保护方式也就大有区别。目前模拟量的继电保护系统在高压电网中应用，但它的各方面性能远比不上微机保护。它也逐渐的会被取代。当下，微机保护代表着电力继电保护的发展前进的趋势，它的测试、处理、计算等能力都是自已独有的。各方面性能完全高于传统的保护装置。再者，微型计算机是微机保护的动力基础，它的超人的计算能力，数据处理能力，使得继电保护的发展更上一个台阶，有了新的突破[2-4]。电力已经发展成全世界全人类都不能缺少的能源。现在我们用的绝大部分装置、设备都需要电能带动。我国的国民经济正在高速发展,对电能的消耗日渐增多,但是我国的经济发展的方向却受着电力系统的运行稳定情况所影响。电网是否能安全运行和是否有可靠的电能决定着我国各行各业的发展。国家经济和人民生活都会受到电网瓦解和发生重大事故而造成严重的后果，整个市场都会瘫痪。就是因为电力资源对国家发展，社会的稳定，人民的幸福起着重要作用，所以我们要提高电力质量。在这些环节中继电保护都是必不可少的。因为继电保护装置特别重要，所以国家和世界各国都非常重视继电保护装置的发展。我国的继电保护技术第一次繁荣发展是在1950年。这段时间我们建立了完整的研究体系。到了1970年晶体管式的继电保护体系飞速发展，我国著名葛洲坝电力系统中由原来的国外科学家研制的50OkV继电保护全部替换成了由我们自己设计的晶体管式继电保护系统，虽然这是我们起始的行为，但这是我国继电保护里的重大突破。到了1980年以后我们研究方向逐渐转成了集成保护电路，集成保护电路原理是运用集成运算放大器组成的大规模电路。最后继电保护逐渐向智能化发展，因为上世纪以来计算机发展的特别快，芯片价格越来越低，因为技术的发达一个芯片上可以集成上亿个晶体管，各种处理机也在飞速发展，片内各种硬件计算机软件跟新换代，计算机拥有着全世界广泛的使用者，各式各样的东西都能和计算机关联。因为这么多年来计算机信息技术快速进步和发展还有很多电力系统继电保护很多都是采用计算机方式正常运行,越来越多的新产品和新理论涌现出来在计算机继电保护中,尤其特别是1980年以来人工智能技术在我国电力系统的各个领域都已经得到了广泛的应用,人工神经网络、遗传算法等众多新型算法的出现提高了继电保护的发展高度,更多的科学家奔赴在研究的一线。随着全世界经济发展，计算机产业扩容，电力系统继电保护发展被推向了新高潮，我们的继电保护技术面临着更大更广阔的未知知识面，继电保护国内外的发展都是向着智能一体化而前进。作为一名大学生我们有责任将继电保护的发展担在自己肩上，为了以后能更进一步发展，让人民受益。1.3电力系统保护中的继电保护的基本技术任务和方法1.3.1电力系统保护中的继电保护的基本技术任务电气设备会随着使用时间的增加难免会出现许多的问题，比如说我们比较常见的线路设备的损坏和绝缘老化，这些都是非人为因素导致的，还有就是人工的误操作也会产生一系列的问题，还有外力破坏这种因素。其中断路故障占比最大，我们最为常见的短路故障总而言之,不管是因为何种原因产生的短路都会在线路中出现一种短路电流，短路电流的产生所带来的最为明显的影响就是整个系统内的电压整体水平的降低,带来的后果就是会产生一些严重的后果,如下:1)故障点伴随着短路电流生成的电弧,线路元器件也随其影响发生损坏。2)短路电流的热效应使短路回路中设备缩减使用寿命。3)人们的生活工作和产品质量都会受到线路急剧降低的电压所影响。4)对电力系统产生破坏，不利于稳定性。电力系统运行状态发生故障时，都会造成事故。系统事故指的是，当系统发生错误或者损坏，就会引发电气设备的破坏，使得电能不受控制，从而造成人身伤害。在我们一般生活中，我们要尽量避免电力系统出现任何状况，不管状况严重与否，都会影响我们电力系统的正常运行，进而影响整个电网，影响居民工厂等的正常生活。最后可能导致国家经济水平受限，影响较为严重。电力系统继电保护基本任务如下:1)自动快速选择地判断出故障,从而快速将其与系统隔离开并切除,快速的反应使得故障元件不会发生损坏,也使得其他完好部分也不受其影响。2)根据运行的时间条件,继电保护会完成不同保护任务,有时它也会不要求这些装置进行快速的反应动作,从而使得这些装置一般会延时动作,可以避免保护动作多余的动作和其自身的误动作。1.3.2电力系统继电保护基本要求为了使继电保护装置能准确、及时地完成继电保护任务，一般具有以下四个特性。可靠性所谓的继电保护设备的可靠性是指当一个系统中有任何故障而停止工作时，继电保护相关元件要动作，在任何不让它动作或起动的情况下，他又不动作。如果继电器保护装置发生错误判断，针对现象执行错误指令和不执行某种指令都会产生严重的破坏，对整个电力系统都是损害。然而,可靠的执行命令和有信赖的拒绝执行两个原本都是矛盾对立的，每个电力系统都有不同的结构和负载,所以错误的指令所产生的危害也是不一样的，因此，提高继电保护必须对症下药，要有适应性。例如,该系统具有足够的旋转备用发电空余，输电线路较多,若在当电源和负载两者关系紧密时，从而减少对系统造成的损失，确保达到合理要求，继电器保护装置不发生工作。可能会损坏设备和系统的稳定。在这种情况下,提高继电保护动作的拒绝可靠性比改善不误动作的可靠性更重要。当系统中的备用旋转的发电容量小、当系统间电源与设备关系不大时，如果因为保护装置的没启动，误工作，造成的损失是巨大的，对这个系统都是破坏。因此,当继电器保护装置不发生工作时,备份保护还可以工作以清除故障。这种情况下,提高继电器保护装置不发生错误工作可靠程度比提高它不发生动作更有利。所以，提高继电保护装置必须要了解实际情况，不能胡子眉毛一把抓[7]。对接受保护设备自身品质及其运行维修水平高低影响很大。一般而言,继电器保护设备的构成元件电路越简单、质量也就越高,继电器接触点多少就会严重地影响这个设备的保护工作的安全和可靠性。另外,良好的制造工序、继电保护的可靠程度与日常维护情况也有很大关系。2)灵敏性继电器保护灵敏度指的就是在其所受保护区域之内响应继电器的故障状态或者做出正常工作响应的能力。继电器的保护,满足灵敏度应用要求的,必须有能够平息相应检测到的故障,无论继电器的短路位置、短路种类如何,都必须应在所规定的继电器保护范围内对其进行正确的响应。灵敏度系数可以测量灵敏度大小。3)选择性继电器保护装置的动作选择性就是系统根据出现故障情况，选择性切除病害，使得其余未受故障部分可以正常使用。4)速动性继电保护的快速运行意味着它能够以尽可能快的速度排除故障。[8]第2章Simulink基础知识2.1MATLAB简介MATLAB是MW公司1984年研发的高性能软件.它包括分析数值运算与分析、编程、运算矩阵,处理信号和显示图形,特别轻松的应用于数字计算,算法,图形图像处理,使用Matlab提供的工具,对数据分析和工程图纸、应用程序开发等进行系统建模和建模运行,可快速解决复杂的技术问题,进行系统动态仿真.最佳应用包括:线性、非线性最小化、约束、无限优化、方程求解、曲线绘制、二次规划等问题.此外,MATLAB公司具有较高的计算机功能,简单方便,图形表达良好,互操作性强,可扩展性强,这使得它成为最广泛使用和最有影响力的软件模拟之一。2.1.1MATLAB的组成与应用它主要构建了几个部分：MATLAB语言，开发环境，数学函数库系统等，随着它在世界范围内的广泛发展，由于它简单的程序环境和自动化平台等优势，现在被许多国家的工程师和大学生所重视，用于研究设计问题和用在工业部门特定发动机的研制和工程问题的解决上。MATLAB平时运用的领域特别多，尤其在大学阶段，有些专业会开设专门的课程学习这个软件，因为在我们日常学习中，matlab可以帮我们做出各种各样的图片，也就是绘图能力特别强，我们工作与生活中免不了绘制专业图片，它可以快速且准确的绘出所需图片，其次它的符号运算能力特别强，这也是它的特点之一，它可以实现运算，求导，极限等众多不易算出的公式计算。最后它能帮助我们建立复杂的专业模型进行模拟运行，比如在电网中可以搭建一个电网模型进行参数设置，最后运行模拟实际电网运行得出结果。帮助我们分析很多专业难题。2.1.2运行界面在接口主接口之后运行matlab接口,如图2-1所示,从接口主体结构图中我们可以清楚地看出,主接口由三个大部分共同组成,从左到左依次显示当前的目录窗口,列出当前目录的文档和一个文件夹;左下角表明了用户在使用matlab命令时所发生的历史;命令窗口的右侧,命令可以在打入一条命令行之后随便地打入一条能够正常执行的命令，执行结果将立即显示在命令行后面。图2-1MATLAB主界面2.2Simulink简介2.2.1Simulink的概念MATLAB中最为重要的一个部分就是Simulink，本着创新原则它的使用较为独立。且它支持各种系统的建模。可以实现多角度操作。。Simulink还有一个重要的特点是它支持图形用户界面（GUI）。用户模块可以通过简单的操作完成。然后用高语言或Matlab语言模拟模型，模拟如何用堆沙建造房屋，这样存在着很大的问题，而且有很多重复的操作，它的存在浪费技术手段，这显然不利于开发人员开发更具创造性的模型而不是简单模型也不是算法。Simulink给用户提供了很多模块库且可以让用户投入使用。而不是从基本操作开始启动suimlike运行后simulike会弹出如图2-2所示的模块库浏览器窗口。图2-2Simulink里的模块库2.2.2Simulink的工作环境对于熟悉Windows窗口的读者来说，Simulink模块库浏览器的界面应该很容易掌握，在这里就不做详细介绍了，接下来向读者介绍Simulink模型窗口界面。模型建立好之后开始进行各项操作，大部分的操作都是在模型窗口完成的。因此读者要熟练掌握这些操作，并且要了解其中的各个菜单和按钮的功能。“File”菜单“File”菜单中各选项的名称与功能如表2-1所示表2-1File文件菜单主要子菜单功能New创建新的Simulink窗口Open打开已经存在的Simulink模型文件Close关闭当前的Simulink工作窗口Save保存当前的模型文件，文件的路径和文件名保持不变SaveAs将当前的文件模型和源文件以一个新的文件路径名以及其他的文件名格式进行重新保存SourseControl用户登记文件编辑器将文件的相关文档名和文件路径等保存至源文件系统中ModelProperties模型属性Preferences选项Print打印模型文件PrintSetup打印设置ExitMATLAB退出MATLAB2.“Edit”菜单“Edit”菜单中各选项的名称与功能如表2-2所示表2-2“Edit”菜单主要子菜单功能CopyModeltoClipboard把模型当图片拷贝下来Explore打开一个模型的浏览器,当所有的模块都被选择后才允许使用ExploreProperties打开模块属性对话框，当有模块被选中时才可用<Blockname>Parameters打开一个模块的参数配置对话框,当所有的模块都被选择中时才投入使用CreateSubsystem创建一个子系统,当所有的模块都被选择中时才开始使用LookunderMask需要查看所有的每个子系统及其内部结构,当所有的每个子系统都被放入选择中时才可以开始测试使用SignalProperties设置信号属性，当有信号被选中时才可用EditMask编辑封装，当有子系统被选中时才可用SubsystemParameters打开一个子系统的参数配置对话框,当所有的子系统都被选择中时才投入使用MaskParameters封装好的子系统参数设置，当有被封装过的子系统选中时才可用MaskSubsystem是一个封装在子系统上,当所有的子系统都被选择时才能使用3.“View”菜单该菜单内容较多，但大部分命令都很容易理解掌握。其中“ModelBrowserOptions”、“BlockDataTipsOptions”和“PortValues”用于设置在鼠标指针移动到某一模块时有没有模块及其端口的相关提示信息，菜单的子选项用于选择在提示信息中显示哪些内容，“View”菜单中各主要选项具体的名称与功能如表2-3所示。表2-3“View”菜单主要子菜单功能BlockDataTipsOptions设置模块数据的选项LibraryBrowser打开如图2-1所示模型库浏览器PortValues设置如何通过鼠标操作来显示模块端口的当前值ModelExplorer汇总显示与该仿真文件有关的各种信息4.“Format”菜单该子子菜单主要是适用于子子菜单中的设置字体、屏幕的颜色、模块命名的显示、模块中所显示的颜色、信号和终端端口的类型及其宽度等,各项都比较容易理解掌握,各子子菜单的功能如表2-4所示。表7-4“Format”菜单主要子菜单功能FilpName翻转模块名字，当由模块被选中时才可用FilpBlock翻转模块图标，当有模块被选中时才可用RotateBlock旋转模块图标，当有模块被选中时才可用ShowDropShadow给模块添加阴影，当有模块被选中时才可用ShowPortLables显示子系统标签ResizeBlocks设置各模块的大小6.“Tools”菜单该菜单内容较多，大部分是用来打开各种编辑器或设置成对话框，用以设置与模型的仿真相关的参数。“Tools”菜单中各主要选项的功能如表2-5所示。表2-5“Tools”菜单主要子菜单功能SimulinkDebugger打开调试器Fix-PointSettings打开定点设置对话框ModelAdvisor打开模型分析器对话框，帮助用户检查和分析模型的配置LookupTableEditor查询表编辑器DataClassDesigner打开数据类设计器，帮助用户创建Simulink类的子类BusEditor打开Bus编辑器，帮助用户修改模型中Bus类型对象的属性Profiler优化M文件的工具CoverageSettings模型设置SignalandScopeManager信号和示波器管理Real-TimeWorkshop可用于将模块转换为实时可执行的C代码ExternalModeControlPanel打开外部模式控制板，用于设置外部模式的各种特性Control控制设计ParameterEstimation参数估计ReportGenerator用于打开报告生成器2.3本章小结本章介绍了MATLAB以及Simulink的基础知识，是后面继电保护仿真的基础。第3章电网相间短路的电流电压保护3.1继电特性及运行方式3.1.1继电器的继电特性图3-1继电器图示1.电流线圈2.电磁铁3.Z形钢舌片4.静触点5.动触点6.起动电流调节转杆7.标度盘8.轴承9.反作用弹簧10.轴3.1.2继电器的工作原理当有电流流过后磁通会出现在电磁铁中并且产生的力会让Z形钢舌片发生移动和偏离。由于反作用力制衡不让它偏转。所以必须得磁通产生的力大过Z受到制衡的力时它才会被拉近磁极端，我们一般把这种动作叫做继电动作。继电器的返回系数：KIopIre3.1.3继电器的继电特性在上述的原理图中如果当Ik≥Iop时继电器开始动作，但是Ik<Iop时继电器不会动作，只有当继电器的电流转变成3.1.4继电保护的运行方式怎样得出短路周期分量，依照下式：IEΨZs：阻抗值（从系统的等效直流电源至电压保护器或安装器的位置）Zk由上式可得k点发生两相短路时的电流计算公式：I3.2单侧电源网络中相间电流、电压保护3.2.1电流速断保护保护的动作原理与整定计算原理是：当线路有问题时短路电流幅值快速增大然后他能快速动作就是电流速断保护。图3-2单侧电源辐射网络短路电流曲线如图3-2：因为电流速断保护动作有选择性的要求，所以我们3的电流必须要大于k1IKrel'是可靠系数，一般取1对于保护2的三相短路电流就可以用下式得出：I所以就能得出：1）运用保护方式之一的电流速断方式不能保护系统全部的线路。2）系统故障类型以及系统运行方式影响着电流速断保护它能保护线路的多少，在实际情况中，我们一般用保护区长度的大小判断速断保护的灵敏度。保护3的最大、最小保护区lmax•3、lmII式中，z1为线路AB3.2.2限时电流速断保护保护的工作原理及整定计算图3-3限时速断电流的设计速断断电保护的设计工作电路原理与电流整定值的计算在短路保护方式中电流速断保护因为它不能将全部线路容纳，之前剩下的部分还得重新找其他方法来保护，所以就有了限时电流速断保护这种保护发发。图3-3讲清楚了限时电流速断保护的整定计算和工作原理，假如保护3处两种保护装置都安装了，因为这种保护需要把整个电网系统都覆盖，不让它产生任何问题，所以它的覆盖范围就要超出自己的部分，因为前面线路末端和后面线路首段相连。这种情况对系统来说是错误的因为如果是这样的话那后面线路接近于前面线路的地方发生短路时它还能起动。因为我们知道系统运行有按照选择性的规则，下一段线路发生故障应该让保护2动作，所以就得让保护3的保护动作延时一段时间（用时间阶段ΔT表示延长的时间）来保证选择性。它的限始电流速断保护的整定值为I式中，Krel″为可靠系数，一般取1.1～1保护3限时电流速断保护的动作时限为+Δt上式中，t2'时间是0s；限时电流速断保护灵敏系数KIk为了确保电网的线路终点出现故障情况时,该保护设备一定要能够停止动作，要求Ksen≥1.3～13.2.3定时限过电流保护1.过电流保护动作电流的整定原则这个保护能覆盖全部线路，我们最初的想法是如果系统在正常运行，我们就不让这个保护有任何反应，就让他保持原有状态就行了，所以我们在设置这个保护时要让驱动它有反应的工作电流大于所有流经它的电流IL在我们真实场景里我们不能只考虑怎么让它动作，还得考虑其它重要的因素，就比如说当这个系统里全部故障都消失了的时候，那些已经发生了保护的保护装置能不能取消动作恢复原有状态。图3-4中，k1点故障发生后产生了短路电流，短路电流要流过这一整条线路，所有这条线路上所有的保护都能被它带动着工作。但是根据理论知识来讲我们不能允许他们都动作，只能让3自己动作，其他的所有保护恢复初始状态。图3-4用于确定动作过电流和保护动作的电流及保护动作的时间但是在日常生活中其它保护中也会有其它电流流过，因为这个系统里有其它负载在工作，还有一个最重要的原因就是电机自启动会产生一个相当大的电流：用公式表示：I要让Ire大于IMs•maxI4起动电流是I本式中Kre是KK过电流保护动作时限的整定如图3-5所示，假设系统中所有器件都安装过流保护装置，如果k1点短路在短路电流的作用下，保护1、2、3、4都可能动作，但是运用选择性的规局应该只有保护1切除故障，保护2～4在故障没有了之后必须立即返回。系统中保护2的动作t2t2=t1+仿照上边，t3、tt3=t2+t4=t3+图3-5根据阶梯式原理整定过电流保护运行动作的时限在图3-8中，保护1的动作时限还有根据下式得出:t1=t2+t1=t3+t1=t4+即t13.2.4电网系统三段式电流保护装置1.电网系统三段式电流保护的构成因为电流速断保护不能完全保护电网系统，因此输电线路最多见的就是三段式电流保护。图3-5，保护1选择瞬时动作的过电流就可以了。保护2，要经过0.5s的过流保护。保护3要和保护2配合所以它的动作时限应定为1～1.2s。三段式电流保护装置的原理接线及展开图图3-6a三段式电流保护的原理接线图3-6b三段式电流保护的展开图3.2.5电流电压联锁速断保护图3-7电流电压联锁速断保护的原理接线如下图所示，保护1处电流、电压的一次动作值为IU动作值Iact•1和Uact•1，以及相应的线路长度K式中，K是可靠系数，通常取1.3。图3-8电流电压速断保护原理整定3.2.6反时限过电流保护除了之前的保护还有保护就是反时限过电流保护。它的动作特性如图3-9所示。IEC推荐的反时限特性有三种:IECA(一般反时限)t=式中，t为反限时动作时间;ITIECB(非常反时限)t=IECC(极度反时限)t=3.4电网相间短路的方向电流保护原理3.4.1方向电流保护的作用原理下面是一个双侧电源网络的概念图。在上面的图片里所有线路两侧都配有电源,因此为了防止去除那些产生故障的线路,所以就必须要在线路两侧各自安装一个断路器和一个保护单元。假如k1点出现短路时,只应该由保护3和保护4跳闸,以此方式切除线路bc,此时在母线b、c上的两个负荷依旧能够分别从电源g1、g2得到一个点供电;同理,当k2短路时,只需要由保护1与另一个保护2进行跳闸,以此方式切除电缆线路ab。由此可见,该系统的供电可靠度有很大幅度地增强。然而在这种情况下的电网中,一般的电流保护方式并没有完全满足任何一种选择性的要求。在保护2和保护3上再加功率方向闭锁元件之后，可以解决电流保护的选择性问题。例如下图中,1~6都是对于方向性过电流的保护,其规定动作方向如图3-9中箭头所示。在图中所有都是相同的方向和保护之间的时限相互配合还是依据阶梯式的原则进行整定,两组相同的方向和保护之间不需要求具备相互配合的关系。图3-9双侧电源方向性过电流保护的时限特性具有电流方向性过载和电流短路保护性和单相电路原则的开关接线电路结构如下表图3-10所示。图3-10具有一个方向性过载和电流补偿保护的符合单相供电原则的连接线3.4.2功率方向元件的工作原理1.对功率方向元件的基本要求在这如图3-11所示的短路系统中,设置一条参考母线内部电压流向u为一条参考线的相量,要求一条母线内部短路降压电流的一个正方向值也就是一条母线内部短路电压流向的计算方式。对于方向保护1,当正反反方向k和k1点之间发生直流短路时,故障过程中的直流短路稳压电流对角相量大致滞后于保护母线的短路电压相角0°<<90°,相量方程图显示如下图右表所示,当一个受到短路保护的电源逆变器在电源反馈正方向k和k2点之间发生了直流短路时,电源2供给一个通过方向保护1的直流短路稳压电流,此时短路电压相量滞后于保护母线的相角将可能会大致是180°+(为从保护母线至方向k2点之间的保护线路提供电压阻抗角)它的值为180°<180°+<270°,相量图如图所示。设==,所以当在上述两种情况下短路时和的相位温度之间的相差为180°。图3-11功率方向元件工作原理分析继电保护中对功率方向元件的基本要求如下:要求系统具有很清楚的的方向性,系统的正方向上当发生了各种事故它都能快速地可靠进行动作,但是当相对于逆方向发生故障时就无法进行这些动作。正方向故障时有足够的灵敏度。2.功率方向元件(一种功率方向的继电器)在工况下的动作性质按照在机械和电工技术中用来测量a相功率的概念,在a相的各个功率方向上元件都加入了电压Ur(如UA)和电流Ir(如IA)，正方向短路的情况φ当指向相反的功率方向时会发生功率短路,，如图3-11c所示时，为φ式中，符号arg表示相量UAIkA如果取φk=60°,可画出相量关系如图3-12三相短路φk=60如果电路发生了正或负方向的漏电故障,要使所有的功率继电器均能可靠地正常进行正确动作,功率在正方向上的继电元件组在进行正确动作时的角度控制范围通常应采取±90°。如图3-13a所示。它的动作方程式可以用下列表示：90φ当选取φsen=φk=60°时，如图3-13a所示。用φrφ中的公式可以简单地写成U减少和消除致命死区可以选择这种特性及其接线功率导致的方向元件。图3-13功率方向元件的动作特性3.4.3双侧供电系统在网络中采用了电流保护调节整定时间的技术特点在对双侧直流电源输入网络中电路进行电流整定电源线路的输出电流电压保护同时应该还需要特别注意一些几个方面。1.瞬时电流速断保护双侧电源线路以及线路短路电流随距离l变化的曲线如图3-14所示。图中，电源E1与E2的容量不同，曲线①为由电源E1供给的电流Ik•E1，曲线但是有个问题就是，如果在保护区外kl点短路的话，右侧电源会产生短路电流并且流过两端，但是按照选择性的要求保护1、2都不能动作。与它相似在k2点短路时也是上述的情况，就是两端保护都不能动作。所以想要达到这一要求必须让两个保护动作的电流是相同的。当Ik2•maxc=在保护2处安装方向元件的话，公式是：I如图3-14中虚线所示，其保护范围较前增加了很多。图3-14双侧电源线路以及线路短路电流随距离l变化的曲线2.过电流保护对于电流的保护,大多数都很难从电流的完全整定值来避免,它主要取决于动作持续时限。以3.4.1图中保护4、5为例，如果我们设置它两的动作时间一样，那它两都必须要加装方向元件，不然可能会导致两个保护都动作。但是假如4的动作电流大于5加Δt之和的话4就可以不用方向元件。3.4.4对方向性电流保护的评价通过上述各种情况分析，在多源的网络接线中我们得加装方向性保护才能满足电网系统网络中所有保护装置他们动作的选择性[9]。这种保护的产生大大提高了电网的运行安全质量，因为用之前旧的保护方法无法满足我们全部的要求，一旦电网过于复杂，之前的保护方法就不能使用了，这样的话就会大大限制我们的发展。但是方向性保护这个方法也是有缺点的，因为增加元件我们组合电网搭建电网的成本就会变高，我们要花更多的钱去搭建这个线路保护，还有就是如果元件加的多了电网就复杂了，不利于电网发展和我们的操作，所有我们要在实际情况中根据实际情况来确定用不用加方向性电流保护。第四章电网相间短路的电流电压保护仿真4.1单侧供电网络中的相间电流保护方法的建模和仿真4.1.1三段式电流保护的建模与仿真1.电力系统的仿真模型对于采用如图和下图中所示的一种新型电力系统,电源线路输出的负载电压电流幅值一般设定为35kv，线路应具有较高的负载阻抗XAB=10Ω，XBc=24Ω;系统最大等效阻抗Xs⋅max=9Ω，系统图4-1电力系统接线根据题目给的信息,我们用Matlab里的Simulink搭建它的模型图，搭建好的模型如图4-2所示。电源模型我们选择simulink模型块里的“Three-PhaseSource”并将它放在编辑框里，电源模型参数设置如图4-3所示。图4-2电力系统的Simulink仿真模型图4-3simulink里电源模型的参数设置为了方便我们分析结果，我们将线路模型分成两个来建模。我们做的这个仿真忽略了线路的电阻，只在参数设置里设置电感(由题目信息可以计算出1Ω线路的电感为0.00318H)。该线路模块的参数可以在图4-4里选择。图4-5所示为母线参数配合。图4-6为负载输出的参数配置。图4-4输电线路AB的参数设置图4-5母线A的参数设置图4-6负荷的参数设置2.继电保护的仿真模型图4-7里的模型代表着三相电流获取模块，在这个模块里之所以把元件值设成0.707主要是想让它把电流幅值变成有效值便于仿真。图4-7三相电流获取模块图4-8是已经做好的三段式电流保护中电流Ⅱ段的仿真模型。然后第二步的操作是把图4-8做好的东西当成一个子系统封装成图4-9a所示的样子,封装后参数设置是4-9b。b)图4-9封装后的电流Ⅱ段的仿真模型及参数设置其它两段的模型建立可以仿照这个模型，上边的模型把动作时间和整定值改一下就可以做成其它两段的模型。做好的成品的模型如图4-10所示。图4-10三段式电流保护的仿真模型3．电流保护整定值的计算1)系统线路三相短路电流是IIII2)线路保护3上电流I段的整定值是I由Iact•3'所以3里边电流I段它可以保护的最小范围为α=合格。3)保护3电流Ⅱ段的整定值I动作时限t3″=tK合格。4)保护3电流Ⅲ段整定值I动作时限t3=t近后备灵敏度K合格。远后备灵敏度K合格。计算完成后将各段电流保护的整定值输入到图4-8模型里。4.仿真结果及分析1）由于模拟开关测试电路中距离开关母线电路a端只有2处的开关电路板在发生三相电源短路(t=0.2s)时,故障诊断参数设置方式如下图图4-11所示。图4-11故障模块的参数设置运行之后我们可以知道保护3地方流过的电流大概是2.8KA,它的值比电流1段整定值大所以电流保护1段发生了故障。a)b)图4-122)模拟测试AB线路末端发生两相短路（t=0.2s）。运行后我们可以知道保护3流过的电流大概是2.8KA比电流2段的整定值大很多，所以保护2段范围里发生了故障，继电器延时0.5S后消除了故障。4.1.2电动机自起动对过电流保护的影响仿真1.电力系统的仿真模型首先我们给出了图形4-14,根据电源参数设定的电源额定负荷电压分别为6.3kv，Zs=(0.00529+j0.04396)Ω，lab=10km、lbc=7km,母线c上的最高负荷电压为1mw,母线b上所有异步直流电动机的平均额定功率分别为1000kw,功率因数设定为1,平均额定功率因数设定为0.8。保护2中它的过电流保护动作时间是图4-14电力系统接线首先我们根据题目已知信息建立模型，如图4-15所示。图4-15电力系统的simulike仿真模型系统线路AB参数设置在图4-16所示里图4-16输电线路AB的参数设置上述模型中系统异步电动机的参数设置如图4-17所示。图4-17异步电动机的参数设置2.过电流保护的整定计算通过上述给出的信息我们可以知道流过保护1的最大负荷电流为I假设我们不考虑电动机的自起动过程，则IIIre为返回电流Iact为动作电流保护1过电流保护的动作时间为t1=t3。仿真结果与分析在我做的仿真中，我设置BC末端在0.6S时发生故障，B的断路器在0.9S时断开。然后运行这个仿真模型，在图4-19里显示电压、电动机的转速和保护1处电流。图4-18断路器的参数设置从结果图里得出发生三相短路后B的电压下降很多，电动机转速下降到0.86.在0.9S后，由于故障被消除，B的电压又到了正常值，电动机也恢复了额定转速。图4-19故障时母线B处电压、电动机的转速及保护1处电流4.2电网中的相间短路方向上的电流保护建模和仿真4.2.1功率方向元件的建模与仿真1.电力系统的仿真模型下图中，EM=115∠100kV，EN=105∠00kV,Zs•M=Zs•N=0.226∠73.13°Ω;线路mn=50km，采用LGJ-240/40型架空线路，单位正序阻抗:z1=0.451∠图4-20双侧电源电力系统由于题目给出的参数得出模型如图4-21所示。图4-21电力系统的simulike仿真模型因为我们需要正确地设置一个故障发生地点,我们把线路mn分成两段,在我们的仿真模型中,linel=30km、line2=20km,线路mn(linel)的主要参数设定方式如下图图4-22所示。图4-22线路MN(Linel)的参数设置功率方向元件的仿真模型图4-20中,保护1处的功率方向元件仿真模型如图4-23所示。如果Ψk=73.1°，则α=900-Ψk=16.9°,所以可以得出一个功率方向的元件