220kV输电线路距离保护设计(3)

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1、-辽 宁 工 业 大 学 电力系统继电保护课程设计（论文）题目：220kV 输电线路距离保护设计（3）院（系）：电气工程学院 专业班级：学 号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：-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 220kV 输电线路距离保护设计（3）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=0.42/km,线路阻抗角为L=69,AB、BC 线路最大负荷电流为 830A,负荷功率因数为 cosL=0.9,8.0IrelK,

2、8.0relK35.0relK。电源电势为E=230kV,ZsAmax=11,ZsAmin=8,ZsBmax=30,ZsBmin=14。归算至 230kV 的各变压器阻抗为 164,容量 ST为30MVA。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

3、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。stOP5.08stOP178 E 6 5 6238k2 1 7 4 3 30D C B A 系统接线图-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

4、20%论文质量60%答辩20%以百分制计算-摘 要 线路的电流电压保护构成简单、可靠性好，用于中、低压电网一般能够满足对保护性能的要求。但是，由于电流电压保护的灵敏度收系统运行方式的影响，有时保护范围很小，甚至保护范围为 0，对长距离重负荷线路，即使是定时限过电流保护也不一定满足灵敏度要求。另外，该保护的整定计算也比较麻烦等。这些使得其在 35KV及以上的复杂网络中很难适用，为此，研究出性能更好的保护原理和方案，这就是距离保护。距离保护可以应用在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择性的、较快的切除相间故障。当线路发生单相接地短路时，距离保护在有些情况下也能动作:当发生两相短路接地故

5、障，它可与零序电流保护同时动作，切除故障。因此，在电网结构复杂，运行方式多变，采用一般的电流、电压保护不能满足运行要求时，则应考虑采用距离保护装置。根据系统的接线图，确定保护 1 距离保护三段的整定值并校验各段的灵敏度，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：输电线路；距离保护；故障点；整定计算；动作阻抗；MATLAB 仿真。-目 录 第1章 绪论.4 1.1输电线路距

6、离保护概述.4 1.2本文研究内容.5 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.7 2.3距离段整定计算.8 2.4系统振荡和短路过渡电阻影响分析.8 第3章 距离保护原理图的绘制与动作过程分析.10 3.1 保护1各段距离保护的动作过程.10 3.2 三段式距离保护的原理框图.11 第4章 MATLAB建模仿真分析.12 4.1 距离保护MATLAB建模.12 第5章 课程设计总结.16 参考文献.17 -第 1 章 绪论 1.1 输电线路距离保

7、护概述 距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置主要的元件为距离（阻抗）继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值，此阻抗称为继电器的测量阻抗。当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增大，这样就保证了保护有选择地切除故障线路。距离保护时属于反映一侧电气量的保护。一套完整的距离保护装置通常由三段组成。其中第一段保护线路全长的(80%-85%)，第二段保护全长，动作时间一般为 0.5s第三段作为后备保护，其动作时间一般在 2s 以上。距离

8、保护主要反映测量阻抗值，与电流保护相比，受电力系统运行方式变化影响小，躲负荷能力强。在本线路发生短路时，距离保护的第一段的保护范围不受电力系统运行方式变化的影响。当故障点位于相邻线路上时，由于可能有助增电流或外汲电流，对距离保护的第二三段，保护的实际动作区随系统运行方式变化而有所变化。距离保护装置的启动元件也是震荡闭锁装置的启动元件，一般多采用12II元件作为距离保护的启动元件。启动元件的作用是在故障时开放距离保护各段。对一二段采用短时开放原则，对第三段长期开放直至整组复归。距离保护的测量元件一般为一二三段阻抗继电器。距离保护装置需设震荡闭锁元件和断线闭锁元件。距离保护采用的阻抗继电器的接线方

9、式一般为，对相间保护，用 0 度接线方式；对接地距离保护采用带零序电流补偿的接线方式。-1.2 本文研究内容 本次课程设计的主要是输电线路的距离保护。计算和分析主要内容是计算保护 1距离保护段、段和段整定值和灵敏度，计算灵敏度同时要注意每个保护的动作时间要精确，上述工作完成后接下来对设计提出的系统震荡和短路过渡电阻对系统的影响进行相应的计算分析，并确定距离保护的范围，并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。后用 MATLAB 仿真，验证计算的正确性。-第 2 章 输电线路距离保护整定计算 2.1 距离段整定计算 距离段动作阻抗的整定 距离 I 段按躲开下一条线路出口

10、处短路的原则整定 其中：8.0IrelK 2.1.1 距离段动作阻抗的整定 计算相间距离保护第段动作阻抗 2.1.2 灵敏度校验 断路器 1、3、4QF 处距离保护第段的动作时间和灵敏度分别为：0431opopopttt%80431sensensenKKK 2.1.3 动作时间的整定 确定动作时限：t=0S 整定阻抗角与线路阻抗角相等，保护区为被保护线路全长的 80%。ABIresIopZKZ1.1.103042.08.01.ABIresIopZKZ-2.2 距离段整定计算 距离 II 段与相邻线路距离保护 I 段相配合，或躲开线路末端变电所变压器低压出口侧出口处短路时的阻抗值整定。（1）与相

11、邻线路第段配合。动作阻抗为：最小分支系数 8.0relK 助增分支：汲出系数为：1 总的分支系数为：整定阻抗为：灵敏度校验：要求：1.31.5 满足要求（2）躲开线路末端变电所变压器低压出口侧出口处短路时的阻抗值。动作阻抗为：最小分支系数 整定阻抗为：灵敏度校验：要求：1.31.5 满足要求 相间距离 II 段整定值取上述两项中较小值。整定阻抗为：整定时间为：t=0.5S 51.2151.2.汲助bbinbmKKKIopbrelABIIrelIIopZKKZKZ2.min.1.min.bK51.214141.1011minminmaxsBsBABsAbZZZZK 6.382.1551.28.0

12、1.100.82.min.1.ZKKZKZIopbrelABIIrelIIopABIIopIIsenZZK1.82.31.106.381.ABIIopIIsenZZKBbrelABIIrelIIopZKKZKZmin.1.min.bK 38.855.3851.28.01.100.8min.1.ZKKZKZBbrelABIIrelIIopABIIopIIsenZZK1.45.81.1038.851.ABIIopIIsenZZK 6.382.1551.28.01.100.82.min.1.ZKKZKZIopbrelABIIrelIIop-2.3 距离段整定计算（1）按躲过最小负荷阻抗整定 动作阻抗

13、为：整定阻抗为：（2）灵敏度校验 近后备时：满足要求 远后备时：作为线路BC远后备时：满足要求。作为变压器远后备时：满足要求。动作时间：2.5S1.51t371OPOPtt 2.4 系统振荡和短路过渡电阻影响分析 过渡电阻的性质：)2()3(,dd 电弧电阻 )1()1,1(,dd 电弧电阻，杆塔电阻，大地电阻 max.min.39.0fhxefhIUZ47.341335.02309.09.0max.min.IUZfhxefhssrerelfhIIIsetKKKZZmin.1.02.5422.15.135.047.341min.1.ssrerelfhIIIsetKKKZZ3.17.531.10

14、02.5421.ABIIIopIIIsenZZKBCbABIIIopIIIsenZKZZKmax.1.2.14.212.1511.1002.542max.1.BCbABIIIopIIIsenZKZZK2.104.145.3811.1002.542max.1.BbABIIIopIIIsenZKZZK-fdgddddddgdJJJZZRIIZIZIRIIUZ.其中fZ为附加阻抗，jgddfeRIIZ，为dI.超前.dI的角度。讨论：.0.dI,单侧电源网络 gfddRZII,.纯电阻性，JZ 增大。.0.dI.双侧电源网络 受电侧0,fZ电阻电感性，fZ电抗部分增大。送电侧0,fZ电阻电容性，fZ

15、电抗部分减小。依设计要求，当距保护 1 出口 20km 处发生带过渡电阻 Rarc=12的相间短路时，观察保护 1 的三段式距离保护将作出的反应（设 B 母线上电源开路）。则可将系统视作单侧电源网络 8.20128.8fdJZZZ 1、相间距离保护I 段：由于IopJZZ1.8.20 所以相间距离保护I 段不动作。2、相间距离保护II 段：由于IIopJZZ1.8.20 所以相间距离保护II 段动作。3、相间距离保护II 段：由于IIIopJZZ1.8.20 所以相间距离保护III 段动作。-第 3 章 距离保护原理图的绘制与动作过程分析 3.1 保护 1 各段距离保护的动作过程 系统在最小运

16、行方式下振荡时，保护 1 各段距离保护的动作情况如下：1、相间距离保护 I 段：由于IopJZZ1.1.18 所以相间距离保护I 段不动作。2、相间距离保护II 段：由于IIopJZZ1.1.18 t=0.5S1.5S 所以相间距离保护III 段不动作。距离保护采用不同接线方式时，接入的电压和电流关系 阻抗元件 接线方式 1M 2M 3M mU mI mU mI mU mI 相间距离保护的0接线 ABU BAII BCU CBII CAU ACII 接地距离保护接线 AU AI03IK BU BI03IK CU CI03IK -3.2 三段式距离保护的原理框图 三段式距离保护的原理框图如图 3

17、.1。图 3.1 三段式距离保护的原理框图 QDJZIZIIZIIItIItIII出口跳闸1&-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

18、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

19、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

20、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

21、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，

22、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 -第 5 章 课程设计总结 本文要求设计输电线路的距离保护。距离保护克服了电流电压保护受系统运行方式影响大的缺点，具有较好的保护性能。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告警等措施，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。可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动地识别

23、和排除干扰，防止干扰而造成误动作，具有自诊断能力，能够自动检测出计算机本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高，能满足中高压线路的保护要求，所以常常被运用在 35KV 及更高电压等级的输电线路上。距离保护时属于反映一侧电气量的保护。一套完整的距离保护装置通常由三段组成。其中第一段保护线路全长的(80%-85%)，第二段保护全长，动作时间一般为 0.5s第三段作为后备保护，其动作时间一般在 2s 以上。距离保护主要反映测量阻抗值，与电流保护相比，受电力系统运行方式变化影响小，躲负荷能力强。在本线路发生短路时，距离保护的第一段的保护范围不受电力系统运行方式变化的影响。当故障

24、点位于相邻线路上时，由于可能有助增电流或外汲电流，对距离保护的第二三段，保护的实际动作区随系统运行方式变化而有所变化。-参考文献 1 陈堂等编著 配电系统及其自动化技术 中国电力出版社 2004.8 2 赵晶 主编Prote199 高级应用 人民邮电出版社，2000：18-25 3 何仰赞等 编著 电力系统分析 武汉：华中科技大学出版社，2002.3 4 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社 2003.4 5 王士政 主编 电网调度自动化与配网自动化技术中国水利水电出版社 2007.3 6 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 7 许建安 编著 电力系统微机继电保护中国水利水电出版社 2003.6