毕业论文-10kv线路相间电流保护改进方法及实现方案设计

湖南大学毕业设计 第II相交。可知，交点之前是装置的保护范围，即使在最大运行方式下，电流速断保护也无法对线路全长进行保护。因此，可以用保护范围的大小来衡量电流速断保护的灵敏性（也就是对保护范围内故障的动作能力），一般表示为线路全长的百分数。此保护的主要优点是简洁可靠，动作迅速，因此得到了广泛的应用。它的缺点也很明显，线路的全长不可能都保护到，随着系统运行方式的变化的保护范围也会随之变化。3.3限时电流速断保护因为电流速断保护范围明显受限的缺点，有必要起用一段新保护，对本线路上一段保护范围以外进行故障切除，同时作为速断保护的后备保护。这就是这一段保护的作用。对这个新的保护的要求，首先是在任何情况下对线路全长正确保护。灵敏性和动作时限达到最小是对这段保护的要求。本段线路的电路速断保护他的保护范围必须要大于本线路全长，才能完成对本线路完整的保护，此时当相邻下一条线路出口端发生短路路时，它就会启动，在这种情况下，出于满足动作的选择性考虑，我们就要使保护在一定时限后动作，而延伸范围对时限大小起影响。此段保护一般定为比下一条线路的速断保护延迟一个时间阶段动作，此时间阶段以表示。现以图3-2的保护2为例，来说明限时电流速断保护的整定方法。设保护1装有电流速断，其起动电流按(3-3)式计算后为，交点M前段就是保护l电速断保护的动作范围，当在此点发生短路时，按照上述分析线路2的限时电流速断动作范围应当小于线路1电流速断的动作范围。单侧电源供电时，它的启动电流整定为（3-5）图3-2限时电流速断动作特性的分析在上式中能否选取两个电流相等？选取等号的情况表示保护范围重合，但这只能在理想情况下实现，实践情况下不能发生中，1和2安装地点不同，使用的电设备也不同，特性不一致，出现误差时，保护1的一段保护动作范围可能反而会小于保护2的二段动作范围，即会出现线路2的限时速断保护动作而线路1的速断保护却不能动作。因而保护2失去了选择性。这种情况不能发生，所以整定时不能取等号，而必须使，引入可靠系数，则得（3-6）对于，考虑到短路电流中的非周期分量已经衰减，一般情况取为1.1~1.2。有上述可得，限时速断的动作时限，应选择得比下一条线路速断保护的动作时限高出一个时间阶段，即=+（3-7）从尽快切除故障的观点来看，越小越好，但是为了保证两个保护之间动作的选择其值又不能选择得太小。现以线路置BC上发生故障时，保护2与保护l的配合关系为说明确定的原则如下：（1）应包括故障线路断路器QF的跳闸时间(即从操作电流送入跳闸线圈Y的瞬间算起，直到电弧熄灭的瞬间为止)，因为在这一段时间里，故障并末消除，因此保护2在故障电流的作用下仍处于起动状态。（2）应包括故障线路保护1中时间继电器的实际动作时间比整定值要大才能动作。(当保护1为速断保护时，保护装置中不用时间继电器，即可以不考虑这一项的影响)。（3）应包括保护2中时间继电器可能比预定的时间提早动作闭合它的触点。（4）如果保护2中的测量元件(电流继电器)在外部故障切除后，由于惯性的影响而不能立即返回时，则中还应包括测量元件延迟返回惯性时间。（5）考虑一定的裕度，再增加一个裕度时间，就得到和之间的关系为（3-8）或（3-9）对于通常采用的断路器和间接作用的二次式继电器而言，的数值位于0.35~0.6s之间，通常多取为0.5s。保护灵敏系数的含义是（3-10）（3-11）确保短路发生在线路末端时，保护装置一定能够动作，对限时电流速断保护应要求。3.4过电流保护正常运行时，过电流保护一般不启动，，而在电力系统故障时，由于电流的增大它会动作，一般它能同时保护本线路和相邻线路的全长，有后备保护的作用。图3-3选择过电流保护动作电流和动作时间的网络图在故障切除之后电压恢复阶段，电动机会有自起动的一段过程。引入一个自起动系数，，自起动时最大电流；表示正常运行时最大负荷电流。由于自启动电流的存在，保护4和5要立即返回。返回电流大于。引入可靠系数段，则有（3-12）电流继电器是实现装置的启动和返回，引入继电器的返回系数，则起动电流即为（3-13）式中——可靠系数，一般情况为1.25~1.5；——自起动系数，数值大于l；——电流继电器的返回系数，一般采用0.85保护装置起动电流与成负相关，它越大，灵敏性就越差，这是不利的。这就要求继电器的启动电流高。如图3-4所示，各装置的起动电流的整定要躲开各自被保护元件上的最大负荷电流。这样当k1点短路时，保护l~5在短路电流的作用下都可能起动，但要满足选择性的要求，只有保护1才能动作，切除故障，而保护2~5返回于故障切除之后。这个要求的满足需要依靠保护装置动作的时限性。图3-4单侧电源发射形网络中过电流保护保护l位于电网的最末端，电动机内部一旦发生故障，它可以瞬间给予切除，t1为保护装置固有动作时间。相对于对保护2，k1点短路时要保证动作选择性，动作时限。时间级差，此时保护2具有的动作时限为，保护2的时限确定以后，当k2点短路时，它将以的时限切除故障，此时为了保证保护3动作也要具有选择性，又必须整定。引入以后则得保护3的动作时限应为，依次类推，保护4、5的动作时限分别为。综上可以得出，处于电网终端附近的保护装置(如1和2)，其过电流保护的动作时限并不长，因此在这种情况下它就可以作为主保护兼后备保护，前面介绍的两种保护就不需要安装。对本保护灵敏系数还要采用(3-10)来校验，当本保护当做本线路保护的主保护时，应采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流进行校验，要求是；当作为相邻线路的后备保护时，校验时需用最小运行方式下相邻线路末端两相短路电流，此时要求是。此外，这多个过电流保护之间灵敏系数也要配合，针对一个故障点，保护离故障点越近，灵敏系数要求也越高。图2-6的网络中，当k1点短路时，灵敏系数要有以下关系（3-14）在后备保护之间，为了确切保证选择性，灵敏系数和动作时限互相要非常好配合。当处于更加复杂的网络保护时，这个问题要尤其注意注意。而本保护的灵敏系数不能达到要求时，其它更好的保护方式就要去考虑了。

4线路三段式电流保护仿真4.1仿真软件介绍Matlab是MathWorks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。Matlab7.0中包含有Simulink及功能强大的仿真电力系统(SimPowerSystems)模块库，它的功能非常强大，含有电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等电工科学中常用的基本元件和系统的仿真模型，建模只需点击和拖拉即可完成。利用MATLAB进行继电保护原理及装置的计算机仿真是当今高校及科研机构学习研究新型保护装置的重要手段之一。本文根据以上线路继电保护基本原理思路，利用Matlab中的Simulink模块搭建出简单的一次供电系统，在这基础上搭建线路继电保护模块，继而设置电力系统故障运行所搭建的模型，调试程序，达到保护按电流三段式原理和零序电流保护原理动作的目的，成功完成线路继电保护仿真。本设计是根据继电保护中线路三段式电流保护的原理，模拟单侧电源系统中，线路发生故障是保护的动作情况，并对其进行数字、波形仿真。这里当然涉及到了三段式电流的整定计算与各段保护之间的配合。模型搭建起来之后，我们可以在线路的不同段可分别设置故障，仿真线路保护中电流速断保护（Ⅰ段）、限时电流速断保护(Ⅱ段)和定时限过电流保护(Ⅲ段)的动作情况。所建仿真模型如图4-1所示。4.2模型模块：（只需双击模块即可实现修改参数，具体见附录）“交流电压源”模块实际为一个单相电源模块(ACVolatgeSourceblock)，通过设定该模块的参数来模拟单电源系统。断路器模块“breaker”线路模块故障模块定时器模块继电器模块电流测量模块4.3线路三段式电流保护模块子系统（Subsystem）线路三段式电流保护模型可以分为以下4个部分：1）电流保护Ⅰ段，该子系统主要功能是：当线路在Ⅰ段范围内发生故障时，保护立即启动并切除故障，它只能保护本线路的一部分。它是将经过傅立叶模块变换的电流与预先设置的继电器电流相比较，若大于预置值则输出1，反之输出0，这个信号再经过延迟模块，因电流Ⅰ段是速断保护，所以这个延迟时间很小（0.001），然后经过保护出口将最终的信号输出给断路器的外部控制端。保护出口部分主要由非门(NOT)、加法器(SUM)和常数(constant)、使能子系统模块(EnableSubsystem)构成，其主要功能是将保护模块的动作行为保持。这与单相重合闸仿真是一致的。2）电流保护Ⅱ段，该子系统主要功能是：当线路在Ⅱ段范围内发生故障时，保护经过一个动作延时启动并切除故障，它能保护本线路的全长。其动作原理与电流保护Ⅰ段基本相同，只是延迟时间不一样，当满足灵敏度的情况下Ⅱ段的延迟时间是0.5s，当灵敏度不满足要求时，它的动作时间应与下一保护的Ⅱ段相配合，延迟时间就等于下一保护的Ⅱ段延迟时间加上0.5s。3）电流保护Ⅲ段，该子系统主要功能是：当线路在Ⅲ段范围内发生故障时，保护经过一个动作延时启动并切除故障，它不仅能保护本线路的全长，而且能保护下级相邻线路的全长。其动作原理与电流保护Ⅰ段基本相同，也只是延迟时间设置不一样。当满足灵敏度的情况下，它的动作时间应与下一保护的Ⅲ段相配合，所以延迟时间等于下一级保护的Ⅲ段延迟时间加上0.5s。若灵敏度不满足要求，则应当考虑电流电压连锁保护或是距离保护。4）保护总出口部分，该部分的功能就是将1）、2）、3）部分的输出信号相与，就是当Ⅰ段输出为1，Ⅱ段输出为0，Ⅲ段输出也为0时，经过一个乘法模块，总输出就为0，将断路器跳开。同理，当故障发生在Ⅱ段或是Ⅲ段范围内时，保护也是按这个原理动作的。4.4设置故障与仿真结果根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合，我们可以在线路的不同段设置故障，模拟各段保护的动作情况。模拟电流Ⅰ段保护动作，在电流Ⅰ段的范围内设置故障，将线路1的值设置为5，线路0、2分别为0.3、3.5。设置仿真参数如下图4-1所示图4.1三段式电流保护仿真参数设置图执行仿真后，仿真结果如下图4-2所示：图4-2电流Ⅰ段仿真波形图2图4-2电流Ⅰ段仿真波形图2由图可以看出线路在0.05s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。2）模拟电流Ⅱ段保护动作，在电流Ⅱ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4-3所示:图4-3电流Ⅱ段仿真波形图2图4-3电流Ⅱ段仿真波形图2由图可以看出线路在0.05s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0.55s跳闸。电流Ⅱ段成功按时动作。3）模拟电流Ⅲ段保护动作，在电流Ⅲ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4-4所示:图4-4电流Ⅲ段仿真波形图1图4-4电流Ⅲ段仿真波形图2由图可以看出线路在0.05s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1.0s，断路器1在1.05s跳闸。电流Ⅲ段成功按时动作。4.5仿真结果分析对于电流Ⅰ段保护仿真，由图4-10可以看出线路在0.05s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。但是这个故障必须设置在电流速断的保护范围内。这期间其实电流Ⅱ段和Ⅲ段都启动了，只是它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，并跳开短路器，以致线路电流减小，Ⅱ段和Ⅲ段都返回而不动作。如果将线路1的值再设置的大点，也就是远离保护Ⅰ段范围的末端，则保护Ⅰ段不会动作，而是限时电流速断保护（Ⅱ段）动作。通过仿真波形我们可以看出仿真是合乎保护动作原理的，仿真成功。对于电流Ⅱ段保护仿真，由仿真的波形图4-2可以看到，线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，但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，而电流Ⅱ段和Ⅲ段会启动，在经过Ⅱ段预先设置的延时0.5s后，断路器1在0.55s跳闸，电流Ⅱ段成功按时动作。这是因为电流三段虽然启动，但是还没来得及动作，电流Ⅱ段已经将故障切除，以致电流减小使Ⅲ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Ⅲ段保护仿真，由仿真的波形图4-3可以看到，在0.05s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1.0s，断路器1在1.05s跳闸，电流Ⅲ段成功按时动作。这是因为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Ⅱ段都不会启动，而Ⅲ段启动，经过预先设置的延迟时间1.0s后，Ⅲ段动作而跳闸，切除故障。这里其实下一级线路的保护Ⅰ段也启动了，最先动作的应该是它，但为了模拟三段动作情况，我们就假设了下一级线路的Ⅰ段因失灵或其他原因而拒动，来仿真Ⅲ段动作情况。电流Ⅲ段它不仅作为本线路主保护拒动时的近后备保护，而且作为下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。通过仿真波形我们可以看出仿真是合乎保护动作原理的，电流Ⅲ段保护仿真成功。5对三段式电流保护的改进5.1整定问题“定值整定问题”原因造成继电保护装置异常动作占首位（14.8%）。定值整定问题系指对继电器整定得不合理，造成继电保护装置误动或者拒动，尤其是上下两级开关在整定值上需要配合的时候，因为动作值或动作时间整定不当，上级开关保护躲不过起动冲击电流或下级开关保护区域内的故障电流而误动。在电力系统继电保护中，很多都采用电流继电器，因为电磁型继电器本身固有的弱点，若想提高继电保护动作的选择性和可靠性，必须牺牲保护的灵敏性（放大整定值）和速动性（延时）。比较有效的解决办法就是将DL、GL系列继电器更换为微机保护，微机保护与传统的电磁型保护装置相比，在原理上有突出的优点：整定值在故障开始时或电动机启动时，能自动提高一定倍数（通过软件编程来实现），在电动机启动完毕或者故障发生一段时间后，整定值自动恢复至原来的数值，这样既躲过起动冲击电流或故障电流的影响，又使继电保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性趋向统一。5.2继电器问题“继电器问题”造成保护异常动作也占相当大的比例。继电器问题主要集中在继电器断线、接点卡住或粘住或接触不良、功率方向元件潜动、抗干扰性能差等方面问题。其主要原因是继电器校验不符合标准、安装不符合要求、投运前没有做现场通流和传动试验，还有继电器抗干扰性能差，易受外界干扰影响，造成继电器工作失常和损坏；现场屏蔽及接地方面也存在不少问题，影响继电器的正常运行。因此，继电器的合理选用是十分必要的。正确选用继电器的原则应该是：①继电器的主要技术性能，如触点负荷，动作时间参数，机械和电气寿命等，应满足整机系统的要求；②继电器的结构型式(包括安装方式)与外形尺寸应能适合使用条件的需要；③经济合理。（1）按使用环境条件选择继电器型号环境适应性是继电器可靠性指标之一,使用环境和工作条件的差异，对继电器性能有很大的影响。（2）根据输入量选定继电器的输入参数在电磁继电器的输入参数中，与用户密切相关的是线圈的工作电压(或电流)，而吸合电压(或电流)则是继电器制造厂约束继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数，它只是一个工作下限参考值。（3）根据负载情况选择继电器触点的种类与参数与被控电路直接连接的触点是继电器的接触系统。5.3保护方案的改进当线路上发生不对称故障时,三相电压电流将处于不对称运行状态;当故障切除后,三相电压,电流又将恢复对称稳态运行;故障时将产生序分量。所以,可根据检测到的序分量确定故障是否对称、系统的运行状态并决定断路器的行为。对一个多电源供电的系统,跳开两个断路器才能切除一条线路上的故障,而跳开动作是有先有后的,此间时间差一般情况下很大的,端断路器动作前会有本端故障电流的变化，我们可以借此识别故障。区内故障时可以加快速度跳开本端断路器。建立一个处理算法，用来抽取出正、负、零序分量,并正确计算出序分量有效值,比较大小,从而知晓系统状态。通过对电气量的监测，远端断路器的动作可由序分量变化判断,同时故障区外的断路器误动也防止,故障区内的断路器准确加速跳闸。判断方程如下：R1=(S0+S2)/S1，S0、S1、S2分别代表零序、正序、负序分量有效值。在本方案中,所有的继电器都被安排成两种动作模式,使用传统保护整定的固定时间动作模式和使用新原理的加速动作模式。不对称故障发生时,每一个继电器维持固定时间模式启动,这时，某个继电器相应的断路器会率先跳闸,下一个启动的继电器用序分量对系统的运行状况进行判断,如对称运行状况恢复,判定故障位于区外,此继电器返回,相应的断路器不动作;对称运行未能恢复,故障不一定位于区内,也可能位于下一条线路。为了不误动,相电流需要检测是否低于阈值(很小接近0),有的话,表示该条线路的对端断路器已经跳闸,故障发生在区内,相应的断路器应该跳闸;没