10kV输电线路电流电压保护设计

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1、辽宁匚业 大学 电力系统继电保护课程设计（论文）题目l0kV输电线路电流电压保护设计院（系）： 专业班级:电气工程学院电气104学 号:100303115学生姓名:指导教师：起止时间:2013年12月30日至201签字1月10日课程设计（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100303115 学生姓名李洋专业班级 电气104班课程设计（论lkV输电线路电流电压保护设计文）题目系统接线图如图:系统接线图课frr 设 计（ 论 文 ） 彳壬 务课程设计的内容及技术参数参见下表设计技术参数E0=10.5/3kV,XG1 =180,XG2 =140,Xg3 =140,L1二

2、L2=60km,L3=50km,LB-C=30km,LC-D=30km,LDE=20km 线路阻抗 04 0/km,KrL =1 2, Kr =KrJP=1-确定保护3 4在最大、最小运行方式下的 等值电抗。 15，最大负荷 电流 IBCLmax=30A,ICD.Lmax=20A,IDE Lmax=10A, 电动机自启动系数Kss=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。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。 采用MATLAB !立系统模型进行仿真分 析。,电流 继 电器返回系数Kre=085

3、。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。工作量续表第一天：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。进度讣划第六天：绘制保护原理图。第七、八天：MATLA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。抬导教师评馆及成绩平时：论文质量：答辩:总成绩:指导教师签字:注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩 20%以百分制计算针对电力系统的输电线路进行了继电保护设计，采用了电流电压

4、保护方法，首先确定了在最大运行方式和最小运行方式下的等值阻抗。并对其进行了相间短路的最 大、最小短路 电流的计算。进行了保护 1、2、3 的电流速断保护定值的计算，同时也 计算了各自的最小保护范 围。然后，对保护 2、3 进行限时电流速断保护的定值计算， 并校验各保护的灵敏度。接着，进行了 保护 1、2、3 的过电流保护定值计算，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。同时绘制电磁式三段式电流保护原理电路图， 并详细的分 析其动作过程。最后 对整个电流电压继电保护系统采用MATLAB!立系统模型，并对其仿真所得的结 果与 运算法所

5、得结果进行分析和比较。关键词：电流电压保护；三段式电流保护；灵敏度；最大运行方式;第1章绪论1.1电流电压保护概述 1.1.1电流电压保护概况1.1.2电流电压保护的性能特点1.2本文主要内容第2章 输电线路电流保护整定计算21电流I段整定计算2. 1. 1计算保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗 2.L2 C母线、D母线、E母线相间短路的短路最大、最小电流计算213保护1、2、3电流速断保护定值的整定及各自的最小保护范围2.2电流n段整定计算及其灵敏度校验 2.3电流m段整定计算及其灵敏度校验 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 3.2电磁式电流三段式保护

6、展开图第4章MATLAB建模及仿真分析104.1系统仿真模型的建立1042仿真结果与分析1114第5章课程设计总结13参考文献第 1 章绪论1.1 电流电压保护概述1.1.1 电流电压保护概况随着社会的日益发展，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非常重大的影响。 电 力系统由各种元件组成。由于自然环境、制造质量、运行维护水平等诸方面的原因， 电力系统的各 种元件在运行中不能一直达到稳定正常的运行状态。 因此，需要有专门 的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的专门技术之一就是继电保 护。电力系统几 点保护的基

7、本作用是，在全系范围内，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警报灯措施， 以求最大限度地维持 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。1.1.2 电流电压保护的性能特点一个继电保护装置的好坏，主要是从它的选择性、灵敏度、动作速度和可靠性等 方面衡量的。1.选择性尽可能小范围的切除故障部分，可以尽可能大的范围保证无故障部分尽快的恢复 供电并且，电 流电压保护在单电源辐射网中一般有很好的选择性。2. 电流电压保护的动作速度电流电压保护可以尽可能快的切除故障， 一方面可以提高系统稳定性，另一方面 对系统的破 坏比较小，并且有时候动作

8、时间长达好几秒，因而一般情况下只能作为线 路的后备保护。3. 电流电压保护的灵敏度 在电力系统中，一般都可以满足要求，但是对于较长的线路，其灵敏度可能不容 易满足要求， 这也是电流保护的主要缺点。4. 电流电压保护的可靠性拥有该动时不拒动，不该动时不误动的特点，电流电压保护的连线方便，整定计 算及调试维护 都较简单。并且通常可适用于 35KV 以下的线路保护。1.2 本文主要内容首先确定了在最大运行方式和最小运行方式下的等值阻抗。 路的最 并对其进行了相间短 : 大、最小短路电流的计算。其中相间电流电压保护包括 电流速断保护，该 第I段称为无时限段称 段动作时间快但是不能保护线路全长。第 n

9、断保护，该段保护在任何情况 为带时限电流速 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 m 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。所以，对整个系统进行了保护 的电流速断保护定值的计 1、2、3 算，同时也计算了各自的最小保护范围。然后，对保护2、3 进行限时电流速断保护的定值计算， 并校验各保护的灵敏度。接着，进行了保护 1、 2、3 的过电流保护定值计算，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

10、 2、3 作远后备的灵敏度。并对其动作方式进行详细的分析。第 2 章 输电线路电流保护整定计算2.1电流I段整定计算2. 1. 1计算保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗(1)最大运行方式：三台发电机及线路 如 LI、L2、L3同时投入运行，等值阻抗 图2.1所示。XG2XLXG3XL3XB-CXC-DXD-E图2.1最大运行方式等值阻抗X G1 = 180XL1 =60咒0.4 =240XG2 =140X BC= 30X0.4 =120X 2 = 60 X 0.4 = 240X =30天0.4 =120XcD =300.4 =120XG3 =140X3 =50X0.4 = 200 LX =

11、20X0.4=80 DEL3 )= 12.5X3min =(XG1/XG2 +XL1/XL2 (X G3G2、L2退出运行,(2)最小运行方式：根据要求，在最大运行方式基础上让 等值 阻抗如图2.2.XG3XL3XB-CXC-DXD-E图2.2最小运行方式等值阻抗其中： X3max = (G1 +XL1 y/(XG3 +XL3)=18.80212 C母线、D母线、E母线相间短路的短路最大、最小电流计算C母线最大短路电流:Ei 1 xBCx 3minC母线最小短路电流:El2 x3ma xBCD母线最大短路电流:=X3min +XBC+x 125 + cDF.166k 直12 + 12D母线最小

12、短路电流:73KD kin2 X3max+XBC+XCD曲188 + 12 + 1201E母线最大短路电:X +X3min BCXcD105/73-125+12 + 12+8 OMKA XDEE母线最小短路电流:213 保护 1、2、电流速断保护定值的整定及各自的最小保护范围无时限电流速断保护依靠动作电流值来保证其选择性， 被保护线路外部短路时流 过该保护的电流总小于其动作值，不能动作；而只有在内部短路时流过该保护的电流 有可能大于其动作值，使保护动作。且无时限电流速断保护的作用是保证在任何情况 下只切除本线路上的故障。保护1：1 =Kl =12KE)max014=0168K保护2:=K2保护

13、3:匚!3=12x0166=0199KA公1 lKc)max=1017 = 0204K；VKD)maxKc)max=无时限电流保护不能保护线路全长，应采用最不利情况下保护的保护范围、来校验保护的灵敏度，一般要求保护的最小的线路长度不小于线路长度的15%保护1保护的最小范围:x 1|1 min存(X+X+X )=-11.55Ci3max +XBC+ CD保护2保护的最小范围:X2l2min保护3保护的最小范围:X3l3min2 Iop113 E=(X3max +XBC )= 4.4102 I op2二丰早=6.940X3max2 I op3因为:Ksin=XX5%Ksin=X2j15%X CDK

14、 sen=豊15%不符合应有的灵敏度，所以均不合格。2.2电流段整定计算及其灵敏度校验由于无时限电流速断保护只能保护线路的一部分，而该线路剩下的短路故障由能保护本线路全长的带时限电流速断保护（电流保护第n段）来可靠切除。带时限电流速断保护与无时限电流速断保护的配合能以尽可能快的速度，可靠并有选择性的切除 本线路上任 处，包括被保护线路末端的相间短路故障。保护2的n段应与相邻线路的I段配合即：l =K /K=1. 15X0.168/1 =0. 193KAOp2 reU1 bmin2灵敏度： 丛=醫=般=0.57皿所以不合格05保护3的n段与相邻线路的I段配合即：I =K 1 /K =1. 15X

15、0.199/1 =0.23KA0p3 re? 0）2 bmin3灵敏度： KS1. 5）所以不合格l0.23Op3保护3的n段与相邻线路的n段配合即：二K0黑八、/Kbmii3=1.157.204/1 =0.23KA灵敏度：= 0.17 =0.74 （1.3-1.5） 所以不合格 I 0.23op32.3 电流 m 段整定计算及其灵敏度校验整定保护1、2、3的过电流保护定值, 确定 假设母线 保护1、2、3过电流保护的动作时限, 后备的灵 校验保护E过电流保护动作时限为05s, 1作近后备，保护2、3作远敏度。保护1的m段:保护2的m段:III KHHLK飞厂LDEIopmaxLCD冥10 2

16、030直 遗0885严 亦20=40remax保护3的m段:1 LBCmaxK re保护1作近后备的灵敏度:保护2作远后备的灵敏度:iKUinIop1100二扇二 4 92所以合格Ks!?=僦岛I1所以合格保护3作远后备的灵敏度:KIII 1 呦min=18112g2Iop2假定母线E过电流保护动作时限为05s,即：toPE605S9所有有:所以合格tjlll-tOPE + 叫加5+=05 =1s t!ii 叫 1+05=15s tJII it保护1的m动作时间保护2的m动作时间保护3的m动作时间第 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1KS3KSKM2KT匸e

17、 ka6KA7 KAEtK AAKA5K A图3.1 一段式电流保护原理接线图2KS三段式电流保护原理接线图如图 3.1所示，其中所包括的元件有：三相电流保护第I段的测量元件1KA 4KA 7KA三相电流保护第n段的测量元 件2KA 5KA 8KA三相电流保护第m段的测量元件3KA 6KA 9KA电流保护第n、m段的逻辑延时元件2KT 3KT 及电流保护I段接触继电器KM电流保护第I、n、m段动作的报警用信号元件1KS 2KS 3KS其中 因为三段式电流保护各段的动作电 流与动作时限的整定值都不相同，所以才去用不同规格和作用的 电流继电器和时间继 电器。并且用1KS 2KS和3KS信号继电器用

18、以发出【、n、山段发生保护动作的信 号。本次设计中采取的是三段式电流保护的完全星形接线。因此，在该保护的第I段保护范围内发生AB两相短路时，测量元件1KA 2KA 3KA 4KA 5KA 6KA都会有动 作，其中测量 元件1KA 4KA直接启动出口继电器KCC和信号元件1KS （其中并没有 延时），并使断路器QF1跳 闸，切除故障。虽然测量元件2KA 5KA启动了延时元件2KT，测量元件3KA 6KA启动了延时元件 3KT,但是此时因1KA 4KA元件没有延时直接动作，所以故障被切除，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2KT 3KT,故出口继电器KCO勺信号均会返回。所以

19、电流保护第 n、m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2KT动作以切除故障。在 有些情况下，线路并不一定都需要装三段电流保护。3.2电磁式电流三段式保护展开图电流三段式保护展开图连线比较简单，让人一目了然，其中直流回路部分如图32。它是由控制母线，电流保护I段、电流保护n段、电流保护m段、信号回路和跳闸回路几部分组成。+WC1KA4KA7KA2KA5KA8KA3KA6KA9KA2KT3KTQF1KCO1KS交流回路部分如图33所示，它是由1KA 9KA与相应的电流互感器a、b、c相连，构成相应 的a B C三相，并与中线共同组成交流回路。图33 直流回路展开图信号回路展

20、开图如图34所示，它是由1KS 2KS 3KS三个报警信号原件组成。WS1KS图3.4信号回路展开图4.1系统仿真模型的建立第 4 章 MATLABt 模及仿真分析针对本次课程设计，对其系统进行了 MATLA模型的建立。在Simulink的扩展工 具箱中找到 SimPowerSystems 或者直接在提示符下键入 powerlib 打开电力系统模 块库，选择建模所需要的 模块。使用三相同步发电机，励磁系统和水轮机调速器来组 成发电机组。其可用模块的可选为默认 值。三相变压器选择双绕组三相变压器， 将变 比设置为高压侧额定电压为 10/73 KV 采用分布参数输电线路模型模拟的高压线。首先用模块

21、建立一个正常运行的电力系统，本文以单相接地短路故障为例，仿真1Teminator6系统仿真模型TransportDelay2图 4.1AC voltage SourceLogicalOperatorLogicalOpera toriIn1aCut1INOTLogicalOperator模型如图4.1 所示4.2 仿真结果与分析首先我们由电流第I段的仿真波形图（如图4.2 ），我们可以得出一个结论，在 时间大约为 0. 075s时发生了短路，在经过延迟时间不大于001s的时间断路器1发生了跳闸，断路器两端存在线路电压。其实，n、m段也都有相应的动作，但是，由于线路中接有时 间继电器，会经过一小段

22、延时时间才会动作，而此时I段已经动作完 成，故障部分已经被切除掉， 电流已经大大的减少，所以n、m段均会返回。由此可 以证明，本文所设计的电流I段保护能够成功 的动作。4O O -4E晰埜备1170002000i-UO OS0.4O.Q 0,01 2图42电流1段仿真波形图根据故障必须在保护范围内的要求和电流第二段仿真波形图（如图4.3 ）我们可以得出，输电线路在75s发生了故障，随后发生短路产生短路电流，但是这个电 流的最大值小 于让I段动作的电流值，所以I段不会因此而动作，这也保证了对n段保护仿真的顺利进行。由于n段接有时间继电器，之后经过预先设置的延时0. 5s，断路器1在0. 575s

23、时，两端电压瞬间提升，由此证明了已经跳闸。同理，由于n段保护已经动 作，故障被排除，m的延时时间还没有到，电流就大大减小了，所以m段 返回。这与我们预计结果电流 n 段也是相符的，同时也证明了电流保护的时限配合成功的按时动作。由电流m段的仿真波形图（如图4.4 ）我们可以得出，断路器1在延时1075s后，俩段电 压瞬加增大，断路器跳闸，切除故障。由于线路末端短路的电流值相比I、n段是比较小的，所以 i、n是不会动作的。由我们所学的知识可以知道，因为m段的启动电流较小、延时时间较I、n段 长，所以m段也可以作为线路主保护拒动情况 的近后备保护，还可以作为下一级线路保护和断路器 拒绝动作时的远后备

24、保护，并且还能担任过负荷时的保护。因此，电流m段保护是最灵敏的，这也与我们预计的结果 相符合。0.2O40 OS600Q-5 Utt0U 图4.4电流川段仿真波形图三相故E乏A故监inX lO第 5 章课程设计总结本文设计的是输电线路电流电压保护的设计。所以，在开始部分首先计算并确定了系统在保护3最大、最小运行方式下的等值阻抗，其次 对母线 的最大、最小的短路电流进行计算，在满足要求的 情况下整定保护 断保护定值，并通过计算确定它们各自的 保护范围。c、D E相间短路1、2、3的电流速保护第I段主要靠动作电流值来 而电 流保护第n段和第m段则应缺一不区分被保护范围内部和外部短路，而且具有选择性

25、。由动作 可。其次，进行了保护电流和动作时间二者相结合才能保证其选择性，1、2、3的过电流保护定值计算，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。通过查阅资料绘制电磁式三段式电流 保护原理电路图，并详细 的分析其动作过程。最后对整个电流电压继电保护系统采用MATLAB!立系统模型，并仿真出结果。在本次课程设计中，遇到了诸多问题，如计算量较大，MATLAB软件中元件查找不到，仿真出的波形震荡大使得误差变大， 绘制三段式电流保护原理展开图时的连线 问题等。通过对系统的三段式电流保护整定计算来完成整定。将系统进行多次仿真， 并调节参数，使其趋于稳

26、 定达到所需要的结果。仿真结果得出后，与我们预想的结果是相符合的，故本设计是满足要求的。参考文献1 贺家李.电力系统继电保护原理.天津大学出版社，2010.8 尹硕根.电力系统继电保护原理与应用（上）.华中科技大学出版社，2001.42 刘学军.继电保护原理.中国电力出版社，2007.3刘卫国.MATLAB程序设计与应用（第2版）.高等教育出版社，200823 吴大正MATLAB及在电子信息课程中的应用电子工业出版社，200614 李梅兰电力系统分析中国电力出版社，20102 何仰赞电力系统分析（上）华中科技大学出版社，20029 于海生微型计算机控制技术清华大学出版社，2003106 邱关源电路高等教育出版社，2006 310曾克娥电力系统继电保护原理与应用（下）武华中科技大学出版社，200143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05s,确定保护1、2、3过电流保护的