kV输电线路电流电压保护设计

1、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：题目： 10kV10kV 输电线路电流电压保护设计输电线路电流电压保护设计院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气104104 学学 号：号： 100303115100303115 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：20132013年年1212月月3030日至日至20142014年年1 1月月1010日日本科生课程设计（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

2、及其自动化学 号100303115学生姓名李洋专业班级电气 104 班课程设计（论文）题目10kV 输电线路电流电压保护设计本科生课程设计（论文）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,18X,kV3/5 .10E1G,14X,14X3G2GL1=L2=60km,L3=50km,LB-C=30km,LC-D=30km,LD-E=20km,线路阻抗 0.4/km,2 . 1IrelKrelK15. 1relK最大负荷电流 IB-C.Lmax=30A,IC-D.Lmax=20A, ID-E.Lmax=10A,电动机自启动系数 Kss=1.5，电流继电

3、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.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。6绘制三段式电流保护原理

4、接线图。并分析动作过程。7、采用 MATLAB 建立系统模型进行仿真分析。续表BAG1123L3L2L1EDCG2G3987654系统接线图本科生课程设计（论文）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：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。 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

5、量60% 答辩20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）摘 要 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

6、程。最后对整个电流电压继电保护系统采用 MATLAB 建立系统模型，并对其仿真所得的结果与运算法所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；本科生课程设计（论文）目 录第 1 章 绪论.11.1 电流电压保护概述.11.1.1 电流电压保护概况.11.1.2 电流电压保护的性能特点.1 1.2 本文主要内容.2第 2 章 输电线路电流保护整定计算.3 2.1 电流 段整定计算 .32.1.1 计算保护 3 在最大、最小运行方式下的等值电抗.32.1.2 C 母线、D 母线、E 母线相间短路的短路最大、最小电流计算.42.1.3 保护 1、2、3 电流速断

7、保护定值的整定及各自的最小保护范围.4 2.2 电流段整定计算及其灵敏度校验.5 2.3 电流段整定计算及其灵敏度校验.6第 3 章 电流保护原理图的绘制与动作过程分析.7 3.1 电流三段式保护原理图.7 3.2 电磁式电流三段式保护展开图.8第 4 章 MATLAB 建模及仿真分析.10 4.1 系统仿真模型的建立.10 4.2 仿真结果与分析.11第 5 章 课程设计总结.13参考文献.14本科生课程设计（论文）0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

8、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.

9、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。 本科生课程设计（论文）14.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。

10、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。并对其进行了相间短路的最大、最小短路电流的计算。其中相间电流电压保护包括 ：第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 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1、2、3 的电流速断保护

11、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。并对其动作方式进行详细的分析。本科生课程设计（论文）2第 2 章 输电线路电流保护整定计算2.1 电流 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 L1、L2、L3 同时投入运行，等值阻抗如图 2.1 所示。XG 2XL 2XG 3XL 3XB-CXC-DXD -E

12、XG 1XL 1图 2.1 最大运行方式等值阻抗 18X1G14X2G14X3G 244 . 060X1L244 . 060X2L204 . 050X3L 124 . 030XBC124 . 030XCD84 . 020XDE 5 .12XX/X/XX/XX3L3G2L1L2G1Gmin3（2）最小运行方式：根据要求，在最大运行方式基础上让 G2、L2 退出运行，等值阻抗如图 2.2. XG 1XL 1XG 3XL 3XB-CXC-DXD -E图 2.2 最小运行方式等值阻抗其中： 8 .18XX/XXX3L3G1L1Gmax3本科生课程设计（论文）32.1.2 C 母线、D 母线、E 母线相

13、间短路的短路最大、最小电流计算C 母线最大短路电流： A247. 0125 .123/5 .10XXEIBCmin33maxKCC 母线最小短路电流： A17. 0128 .183/5 .1023XXE23IBCmax32minKCD 母线最大短路电流： A166. 012125 .123/5 .10XXXEICDBCmin33maxKDD 母线最小短路电流： A11. 012128 .183/5 .1023XXXE23ICDBCmax32minKDE 母线最大短路电： A14. 0812125 .123/5 .10XXXXEIDECDBCmin33maxKEE 母线最小短路电流: A10.

14、0XXXXE23IDECDBCmax32minKE2.1.3 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： A168. 014. 02 . 1IKI3maxKErel1op保护 2： A199. 0166. 02 . 1IKI3maxKDrel2op保护 3： A204. 017. 02 . 1IKI3maxKCrel3op无时

15、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、来本科生课程设计（论文）4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：55.11XXXIE23lxCDBCmax31opmin11保护 2 保护的最小范围：41. 4XXIE23lxBCmax32opmin22保护 3 保护的最小范围：94. 6XIE23lxmax33opmin33因为: %15XlxKDEmin11sen%15XlxKCDmin22sen 不符合应有的灵敏度，所以均不合格。 %15XlxKBCmin33sen2.2 电流段整定计算及其灵敏度校验由于无时限电流速

16、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一处，包括被保护线路末端的相间短路故障。保护 2 的段应与相邻线路的段配合 即：A319. 01/168. 015. 1K/IKI2minb1oprel2op 灵敏度： 所以不合格 5 . 13 . 157. 00.1930.11IIK2op2minKDsen保护 3 的段与相邻线路的段配合即：A0.231/0.19915. 1K/IKI3minb2oprel3op灵敏度： 所以不合格

17、5 . 13 . 174. 00.230.17IIK3op2minKCsen本科生课程设计（论文）5 保护 3 的段与相邻线路的段配合即：A0.231/0.20415. 1K/IKI3minb2oprel3op灵敏度： 所以不合格 )5 . 13 . 1 (0.740.230.17IIK3op2minKCsen2.3 电流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，假设母线 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。保护 1 的段：A30.201085. 05 . 115. 1IKK

18、KImaxLDEressrel1op保护 2 的段：A59.402085. 05 . 115. 1IKKKImaxLCDressrel2op保护 3 的段：A89.603085. 05 . 115. 1IKKKImaxLBCressrel3op保护 1 作近后备的灵敏度： 所以合格 3 . 192. 430.20100IIK1op2minKEsen保护 2 作远后备的灵敏度： 所以合格 2 . 146. 259.40100IIK2op2minKEsen保护 3 作远后备的灵敏度： 所以合格 2 . 181. 189.60110IIK3op2minKDsen假定母线 E 过电流保护动作时限为 0

19、.5s，即：s5 . 0tOPE所有有：保护 1 的动作时间：s 15 . 05 . 0tttOPE1保护 2 的动作时间：s5 . 15 . 01ttt12保护 3 的动作时间：sttt25 . 05 . 123本科生课程设计（论文）6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 图 3.1 三段式电流保护原理接线图 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： 三相电流保护第段的测量元件 1KA、4KA、7KA；三相电流保护第段的测量元件 2KA、5KA、8KA；三相电流保护第段的测量元件 3KA、6KA、9KA；电流保护第、段的逻辑延时元

20、件 2KT、3KT 及电流保护段接触继电器 KM；电流保护第、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 信号继电器用以发出、段发生保护动作的信号。QFTQQF11KA2KA3KA4KA5KA6KA7KA8KA9KA+信信+TaIaIbIb-+-+信信+-信信1KS2KS3KSKM1KT2KTIIIIIIIII本科生课程设计（论文）7 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，在该保护的第段保护范围内发生 AB 两相短路时，测量元

21、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 KCO 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 的信号均会返回。所以电流保护第、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

22、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3.2。它是由控制母线，电流保护段、电流保护段、电流保护段、信号回路和跳闸回路几部分组成。图 3.2 直流回路展开图1K SKCO1K A4K A7K A2K A5K A8K A2K T3K T3K A6K A9K A2K T3K T2K S3K S+W C-WCYRKCOQF1电流保护段电流保护段电流保护段控制小母线信号回路跳闸回路直流回路本科生课程设计（论文）8交流回路部分如图 3.3 所示，它是由 1KA9KA 与相应的电流互感器 a、b、c 相连,构成相应的 A、

23、B、C 三相，并与中线共同组成交流回路。图 3.3 直流回路展开图信号回路展开图如图 3.4 所示，它是由 1KS、2KS、3KS 三个报警信号原件组成。图 3.4 信号回路展开图1K A2K A3K A4K A5K A6K A7K A8K A9K AA相中线B相C相路回流交TA aTA bTA c信号1K S2K S3K SWS本科生课程设计（论文）9第 4 章 MATLAB 建模及仿真分析4.1 系统仿真模型的建立针对本次课程设计，对其系统进行了 MATLAB 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

24、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/KV。采用分布参数输电线路模型模拟的高压3线。首先用模块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，仿真模型如图 4.1 所示图 4.1 系统仿真模型电流段LOADContinuouspowerguiTransportDelay2TransportDelay1TransportDelayTimecomABCABCThree-Phase FaultTerminatorScope3Scope2Sc

25、ope1ScopeRelay2Relay1Relay2Multimeter12MultimeterNOTLogicalOperator2NOTLogicalOperator1NOTLogicalOperatorsignalmagnitudeangleFourierDivide-0.5Constant2-0.5Constant1-0.5Constantc12Breaker1AC Voltage SourceIn1Out16In1Out15In1Out14321i+-段段本科生课程设计（论文）104.2 仿真结果与分析首先我们由电流第段的仿真波形图（如图 4.2） ，我们可以得出一个结论，在时间大

26、约为 0.075s 时发生了短路，在经过延迟时间不大于 0.01s 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，、段也都有相应的动作，但是，由于线路中接有时间继电器，会经过一小段延时时间才会动作，而此时段已经动作完成，故障部分已经被切除掉，电流已经大大的减少，所以、段均会返回。由此可以证明，本文所设计的电流段保护能够成功的动作。图 4.2 电流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 0.075s 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段动作的电流值，所以段不会因此而动作，这也保证了对段保

27、护仿真的顺利进行。由于段接有时间继电器，之后经过预先设置的延时0.5s，断路器 1 在 0.575s 时，两端电压瞬间提升，由此证明了已经跳闸。同理，由于段保护已经动作，故障被排除，的延时时间还没有到，电流就大大减小了，所以段返回。这与我们预计结果是相符的，同时也证明了电流保护的时限配合，电流段也成功的按时动作。本科生课程设计（论文）11图 4.3 电流段仿真波形图由电流段的仿真波形图（如图 4.4）我们可以得出，断路器 1 在延时 1.075s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、段是比较小的，所以、是不会动作的。由我们所学的知识可以知道，因为段的启动电流较小、延时时间较、段长，所以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保护，并且还能担任过负荷时的保护。因此，电流段保护是最灵敏的，这也与我们预计的结果相符合。图 4.4 电流段仿真