继电保护课程设计输电线路电流电压保护设计

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1、继电保护课程设计第1章绪论 0第2章设计的原始资料 12.1题目内容 12.2课程设计的内容及技术参数参见下表 12.3工作计划： 22.4设计需要考虑的问题 22.5保护方式的选取及整定计算 2第3章 输电线路电流保护整定计算 33.1保护3在最大、最小运行方式下的等值阻抗 33.2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333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 43.4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 43 . 5整定保护2 、 3的限时电流速断保护定值,并校验灵敏度 53.6整定保护1、2、3的过电流保护定值 6第4

2、章 电流保护原理图的绘制与动作过程分析 74.1电流三段式保护原理图 74.2电流三段式原理展开图 8第5章MATLAB建模仿真分析 1151 MATLAB的概述115.2仿真设计 125 3仿真结果 1254结果分析 14第6章课程设计总结与心得 15参考文献 15第 1 章绪论继电保护装置是指能反应电力系统中电气元件发生的故障或不正常远行状态， 并动作于断路器跳 闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：（1）自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除， 使故障元件免于继续遭到破坏，保证其 他无故障部分迅速 恢复正常运行。（2）反应电气元件的不正常运行状态，并根据运 行维护的条件，而

3、动作于发出信号、 减负荷或跳闸。一般情况下不要求保护迅速动作， 而是根据对电力系统及其元件的程度经一定的延时动 作于信号。 目前，继电保护装置 是以各电气元件作为保护对象的，其切除故障的范围是断路器之间的区段。 反应整个 被保护兀件上的故 障，并能以最短的延时有选择性地切除故障的保护称为主保护； 当 主保护或断路器拒绝动作时，用来切除故障的保护称为后备保护。电力系统对动作于跳闸的继电保护装置提出了四个基本要求， 即选择性、速动性、 灵敏性和可靠性。这四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，在它们之间，既 有矛盾的一面，又 有在一定条件下统一的一面。 除了以上四个基本要求以外，选用保 护装置时

4、还应该考虑经济性。在保证 电力系统安全运行的前提下，尽可能采用投资少、 维护费用低的保护装置。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；第二，带 时限电流速断保 护；第三，定时限过电流保护。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I段、第U 段和第川段。其中第 I 段和第 U 段作为线路主保护， 第川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。第 I、 u、 川段统称为线路相间短路的三段式电流电压保护。第I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U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

5、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。第川段称为定时限 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I段、第U段和第川段的整定值，并检验它们的灵敏度确定它们是否能够保护线路。第2章设计的原始资料2-1题目内容系统接线图如图:设计技术参数工作量E =115/ 3kV,XG.=15GiXG2 =20Xg3L 仁 L2=50km丄3=40km, LB-C=30km,LC-D=50km,LD-E=30km 线路阻抗 0.4/k

6、m,K； iT2,心二 K V= 1.15,;eireV最大负荷电流IB-CLmax=400A,IC-D 丄 max=360A,ID-E 丄 max=240A, 电动机自启动系数Kss=15,电流 继电器返回系数Kre=0.85。最大运行方式：三台发电机及线路设计技术参数工作量确定保护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

7、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，L1、L2、L3同时投入运行；最小运行 方式：G2 L2退出运行。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、米用MATLA建立系统模型进行仿真分 析。2.3 工作计划:第一天：收集资料，确定设计方案。算。第三天：电流 I 段整定计算及灵敏度校验 度校验。第五天：电流第七、八天：III 段整定计算及灵敏度校验MATLAB!模仿真分析。第二天：等值电抗计算、短路电流计 第四天：电流 II 段整定计算及灵敏 第六天：绘制保护原理图。第九天：撰写说明书。第十天：课设总结，迎接答辩。

8、2.4 设计需要考虑的问题(1) 系统运行方式的考虑 除考虑发电厂发电容量的最大和最小运行方式外，还必须考虑在设备检修或故 障切除的情况 下，发生短路时流过保护装置的短路电流最大和最小的系统运行方式， 以便计算保护的整定值和保 护灵敏度。 在需采用电流电压联锁速断保护时，还必须考 虑系统的正常运行方式。(2) 短路点的考虑 求不同保护的整定值和灵敏度时，应注意短路点的选择。(3) 短路类型的考虑 相间短路保护的整定计算应取系统最大运行方式下三相短路电流，以作动作电 流整定之用； 而在系统最小运行方式下计算两相短路电流， 以作计算灵敏度之用。短 路的计算选用三相短路或两相短路进行计算均可， 因为

9、对保护所取的残余而言，三相 短路和两相短路的残余数值相同。2.5 保护方式的选取及整定计算 采用什么保护方式，主要视其能否满足规程的要求。能满足要求时，所采用的保 护就可采用； 不能满足要求时，就必须采取措施使其符合要求或改用其他保护方式。选用保护方式时，首先考虑采用最简单的保护，以便提高保护的可靠性。当采用 简单保护不能同时满足选择性、灵敏性和速动性要求时，则可采用较复杂的保护方式。选用保护方式时，可先选择主保护，然后选择后备保护。通过整定计算，检验能 否满足灵敏性 和速动性的要求。当采用的保护不能很好地满足选择性或速动性的要求时，允许采用自动重合闸来 校正选择性或加速保护动作。第3章 输电

10、线路电流保护整定计算3.1保护3在最大最小运行方式下的等值阻抗保护3的最大运行方式：三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行，等效电路图如图3.1XG1X G2L2X BCX CDXdeX G3X L3图3.1 最大运行方式在授大运行方式下，短路电流最大阻抗最小如图所示，根据任务书所给参数可以计算出：XG1 =15，Xg2 =20，XG3=10 门Xli =50 0.4 =20 门，Xl2 =50 0.4 = 20 门，Xl3 = 40 0.4 =16 门Xbc =30 0.4 =12，Xcd =50 0.4 =20，XDE =30 0.4 =12 门BCCD可得：X3mJ(XG1 XG2

11、Xl1 Xl2) (Xg3Xl3)=(15 20 20/20) (10 16)=10.833.2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32X 1 xx*八 BCxxG3L3 -G1L1xxCDDE图 3.2 最小运行方式同理，最小运行方式下，短路电流最小，阻抗最大X3max =(XGXLI)(XG3 XL3)=14.92-3.3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:1 kc max 二E115/ 、 3(10.83 12) =2.9

12、KAx3min BC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:lkcmM3BCT 214KA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:l kd max maxEG1.55KAX3mi n XBC XCDl kDmxinEG1.42KAX 3 max + X BC 十 Xl ke maxEGX1.21KAX3mi n XBC XCD XDE-1.13KAX3max X BC XCD XDE3.4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kmax,故应考虑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最小运行方式下

13、的三相短路电流故有，保护1、2、3的第I段的动作电流为:I = ： K1 |(3)1 oopp21 = 佃 | kE)max relII - K1 I(3) op3 rel kC max= 1.2* 1.21 = 1.45KA 二 1.2*1.42 = 1.2*2.9 = 3.48KAx1l1min 2112IOP1XS3Xbd = 26.65 21= 5.650 maxxl22minS Xbc =33.82 13 16 =4.82S3max一 一OP 2x3l3min2| 12IOP3%=25.10-13=12.10S3 maxX2l2min 100XCD 0二倍*100% =4.17015

14、X313minX3IBC12.1_1_6_100% = 75.600 1500当最小灵敏度大于 1500时，满足保护设计要求，经计算都满足3.5 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 ：1 ?p 1 =k 右 i 0P 2 / kb mintop1 = top2* t 八 t其中 t 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等因素有关这里我们取厶t=05S，所以对于保护3的电流保护的

15、第U段的动作电流 应与相邻线路电流保护的第I段相配合,分支系数为：kbmin =1即iopK?el *1 op2/kbmi八 2-64KAcmn所以该处电流保护的第U段的灵敏度为：Ksen二比。=1.08 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。3）rel3Ki（3）op1I。p2-遅亠Kssmax 汽 02*%-Em

16、ax7303KAK reKFmaxAaSc-Dmax.reK片op3 = K翌 op3k re故保护1可以作E点的近后备保护。i * K ss reIl max 二 2.02* I11 maxB - C max0.606KA2。十配二雳”I op2故保护2可以作E点的远后备保护。K%4A3 8 3厂粧I op1故满足灵敏度的要求。4.1电流三段式保护原理图图4.1三段式电流保护原理接线图第4章电流保护原理图的绘制与动作过程分析如图所示1KA 2KA是A、C三相电流保护I段的测量元件；3KA、4KA是A、C三项电流 保护U段的测量元件；5KA、6KA 7KA 是 a c三相电流保护川段的测量元件

17、；KM 是中间继电器；ikt 2KT是电流保护段的逻辑延时元件；1KS 2KS 3KS是电流保护I、U、川段动作的报警用信号元件。在该保护的第I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

18、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执行元件；执行元件执行继电器功作输出信号 的任务。4.2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4.2、4.3、4.4所示。交 流回路图4.2交流回路展开图控制母线1KA+WS图43直流回路展开图熔断器电流I段电流H段电流皿段图4.4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

19、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4.2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KA1KA7勺线圈。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

20、。测量元件1KA6K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 Led 短路时，保护3的I段都不动作，U段和川段只有KA动作，KT和KS都不动作。保护2的I段 都动作，并且使断路器跳闸。U段和川段中只有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I段全不动作，U段和川段中只有KA动作，KT和KS都

21、不动 作。保护3的I段动作，U段和川段中只有KA动作，KT和KS不动作。第5章MATLAB!模仿真分析5.1 MATLAB的概述MATLAB!矩阵实验室(Matrix Laboratory )之意。除具备卓越的数值计算能力夕卜，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 勺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 MATLABA解算问题要比用C、FORTRA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、 FORTRANC+、 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

22、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勺基础是矩阵计算,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 MATLA 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勺符号 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

23、性使 MATLA 旷受用户欢迎.除内部函数 外，所有 MATLA 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。MATLA 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MATLA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

24、拓展性极强，这也是MATLA 宙亡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

25、、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。52仿真设计秸-jnAxhmlu Fit EdKTpflH. H 赳 pDQS丽-|r” u”卑tS住少 厨围底咯5.3仿真结果5.1所示:模拟电流I段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图由图可以看出线路在005s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过一个很小的延时0.001s,断路器1跳闸。电流I段成功按时动作。图5.1电流I段(2) 模拟电流U段保护动作，在电流U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

26、置 为 10“，线路 0、2 分别为 0.3 、3.5。仿真参数同 1)，执行仿真后， 仿真结果如下图 5.2 所示：图 5.2 电流 II 段由图可以看出线路在005s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055s跳闸。电流U段成功按时动作。(3) 模拟电流川段保护动作，在电流川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。仿真参数同1)，执行仿真 后，仿真结果 如下图 5.3 所示：由图可以看出线路在 0.05s

27、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10s，断路器1在105s跳闸。电流川段成功按时动作。5.4结果分析对于电流I段保护仿真，由图4.1可以出看出电流I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U段和川段都启动了，只是他们带有一个动作延 时，在还没来得及动作时，电流I段已经动作，并跳开断路器，以至线路电流减小，U段和川段都 返回而不动作。对于电流U段保护仿真，由仿真的波形图4.2可以看出，线路在005s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I段的启动值，所以电流I段不会启动，而U段和川 段会启动，在经过U段预先

28、设置的延时05s后，断路器1在055s跳闸，电流U段成功按时动作。这是因为电流川段虽然启动，但是还没来得 及动作，电流 U已经将故障切除，以致电流减小使川段返回，这也正是电流保护为什 么要有动作时限配合的原 因。对于电流川段保护仿真，在线路末端发生短路产生的短路电流较小，使得保护I段和U段都不 会启动，而川段启动，经过预先设置的延迟时间1.0S后川段动作而跳闸，切除故障。电流川段不仅作为线路主保护拒动时的近后备保护，而且作为下一级相邻线路保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，同时还作为过负荷时的过负荷保 护。第 6 章课程设计总结与心得通过一个星期的课程设计，将这个学期所学的电力系统保护与控制这

29、门课 程更好地巩固了一 遍。不仅仅是简单的计算，还有对问题的分析、设计、仿真等， 让之前学习中所忽视的具体问题得 以体现与解决。本文设计的是相间短路电流电压三段式保护。保护第I段主要靠动作电流值来区 分被保护范围内部和外部短路 而具有选择性。而电流保护第u段和第川段则应由动作电流和动作时 间二者相结 合才能保证其选择性。电流电压保护第I段和第u段共同作为线路的主保护，电 流电压保护第川段因为越接近电源，动作时间越长，有时候动作时间长达好几秒， 因而一般情况下 只能作为线路的后备保护。在本次课程设计中，最大的问题就是仿真。计算得到的结果要通过仿真设计 系统回路，逻辑 功能的实现，最终得出想要的实

30、验效果并不是非常的简单。 尤其 感谢室友的帮助，一起讨论查资 料，互相请教解决遇到的问题。让我将这门专业 课知识从课本提升到了实际操作设计中， 对我的 学习能力有了进一步的提升，也 越来越熟悉matlab这个强大的软件。希望在将来的学习工作中， 能够继续发扬 这种团结协作的精神。对于此次课程设计还有很多不足之处，希望在将来的学习中能进一步完善。 不过还是希望老 师能给一个好的分数，祝老师工作顺利，生活愉快！参考文献1 张艳霞 姜惠兰编著 电力系统保护与控制科学出版社 20102 赵晶主编Prote199高级应用人民邮电出版社，2000： 18-253 何仰赞等 编著 电力系统分析 武汉：华中理科技学出版社， 2002.34 于海生编著微型计算机控制技术清华大学出版社2003.4 梅丽凤等编著单片机原理及接口技术清华大学出版社 2009.7