110kV输电线路电流电压保护设计(3).pdf

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：110kV110kV 输电线路电流电压保护设计（输电线路电流电压保护设计（3 3）院（系）：院（系）：新能源学院新能源学院 专业班级：专业班级：学学 号：号：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：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）：新能源学院 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110kV 输电线路电流电压保护设计（3）本科生课程设计（论文）1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,20,3/1151GXkVE,10,1032GGXXL1=L2=60km,L3=40km,LB-C=40km,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=350A,IC-D.Lmax=200A,ID-E.Lmax=150A,电动机自启动系数 Kss=1.5，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 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）2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%论文质量60%答辩20%以百分制计算本科生课程设计（论文）3摘 要电力系统的输、配线路因各种原因可能会发生相间或相地短路故障因此必须有相应的保护装置来反映这些故障并控制故障线路的断路器使其跳闸以切除故障.对各种不同电压等级的线路应该装设不同的相间短路和接地短路的保护。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；最大运行方式目 录本科生课程设计（论文）4第 1 章 绪论.41.1 继电保护基本概念.41.2 继电保护装置的构成.41.3 继电保护装置的基本要求.5第 2 章 输电线路电流保护整定计算.62.1 电流 段整定计算.62.1.1 动作电流的整定.62.1.2 灵敏度校验.72.1.3 动作时间的整定.82.2 电流段整定计算.82.3 电流段整定计算.9第 3 章 电流保护原理图的绘制与动作过程分析.113.1 电流三段式保护原理接线图.113.2 电流三段式原理展开图.12第 4 章 MATLAB 建模仿真分析.13第 5 章 课程设计总结.15参考文献.16本科生课程设计（论文）5第 1 章 绪论1.1 继电保护基本概念当今世界最重要的专门技术之一就是继电保护技术，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着极为重大的影响。它要有一个专门保障体系，其中。电力系统断电保护能在全系统范围内，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告警等措施，以求最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。电力系统继电保护设计包括发电机、变压器、线路、电动机、电容器等元件的保护方案选择，自动装置的选择及整定计算等等。电力系统非正常运行状态有：过负荷，过电压，非全相运行，振荡，次同步谐振，同步发电机短时失磁异步运行等。电力系统继电保护和安全自动装置是在电力系统发生故障和不正常运行情况时，用于快速切除故障，消除不正常状况的重要自动化技术和设备。电力系统发生故障或危及其安全运行的事件时，他们能及时发出告警信号，或直接发出跳闸命令以终止事件。1.2 继电保护装置的构成继电保护装置构成的方框图。它内测量元件、逻辑元件和执行元件所组成，测量元件将从被保护对象(输电线路或其亡电气设备)输入的信息(如电流、电压等)与预先给定的信息(称为整定值)进行比较，鉴别被保护设备有无故障或正常下作情况。并输出相应的信息。逻辑元件根据测量元件输出的信息判断保护装置是否该动作于跳闸或动作干信号、是否需要带延时跳间或延时给出信号输出相应的信息。执行元件根据逻辑入件输出的信息，送出跳问信息或报警信息予断路器的控制回路或报警信号回。本科生课程设计（论文）6 继电保护装置构成的方框图1.3 继电保护装置的基本要求1选择性电力系统发生故障时，继电保护的动作应当具有选择件，它仅将故障部分切除能继续运行尽量缩小中断供电的范围。2动作迅速电力系统发生故障后，要求继电保护装置尽快的动作切除故障部分，这样做的好处(1)系统电压恢复得快，减少对广大用户的影响。(2)电气设备损坏程度减轻。(3)防止故障扩大，对高压电网来说，快速切除故障更为必要，否则会引起电力系统振荡甚至失去稳定。(4)有利于电弧闪络处的绝缘强度恢复当电源切除后又自动重新合上(即采用白动重合闸装置)再送电时容易获得成功(即提高了自动重合闸的成功率)。3灵敏性灵敏性是指继电保护装置反应故障的能力，一般以灵敏系数的大小来衡量。4安全性和可靠性(1)选用确当的保护原理，在可能条件下尽量简化接线，减少元器件的数量和触点的数量。(2)提高保护装置所选用的器件质量和工艺水平，并有必要的抗干扰措施。(3)提高保护装置安装和调试的质量，并加强维护和管理。除了上述四个方面基本要求之外，在选用继电保护装置时，还必须注意经济性，在保证电力系统安全运行的前提下，应采用投资少、维护费用较低的保护装置。本科生课程设计（论文）7第 2 章 输电线路电流保护整定计算2.1 电流电流 段整定计算段整定计算2.1.1 动作电流的整定，244.06021LLXX164.0403LX，,164.040BCX124.030CDX84.020DEX最大运行方式等值阻抗所以，最大运行方式的等值阻抗为：11161024241020332121min3LGLLGGXXXXXXX最小运行方式等值阻抗所以，最小运行方式的等值阻抗为：16161024203311max3LGLGXXXXXC 母线最大短路电流为：A46.216113115min3maxBCskCXXEI本科生课程设计（论文）8C 母线最小短路电流为：A07.2161631152323max3minBCskCXXEI同理，D 母线最大短路电流为：A70.11216113115min3maxCDBCskDXXXEID 母线最小短路电流为：A31.112161631152323max3minCDBCskDXXXEIE 母线最大短路电流为：A41.181216113115min3maxDECDBCskEXXXXEIE 母线最小短路电流为：A11.1812161631152323max3minDECDBCskEXXXXEI保护 1，2，3 的第 I 段动作电流分别为：A69.141.12.1max1kEIrelIopIKIA04.270.12.1max2kDIrelIopIKIA95.246.22.1max3kCIrelIopIKI2.1.2 灵敏度校验98.912161669.1211523max31min1CDBCIopsXXXIExl8.3161604.2211523max32min2BCIopsXXIExl49.31695.2211523max33min3XIExlIops本科生课程设计（论文）9所以，不满足灵敏度要求。0%100min11DEIsenXxlK，不满足灵敏度要求。,0%100min22CDIsenXxlK，满足灵敏度要求。%15%8.21%1001649.3%100min33BCIsenXxlK2.1.3 动作时间的整定由上述过程可知，保护 1，2，3 的 I 段动作时间分别为：，s01IopIs02IopIs03IopI2.2 电流段整定计算对于保护 2 的电流保护 II 段动作电流应与相邻线路 DE 电流保护的 I 段配合，即，2min12bIopIIrelIIopKIKI12minbK所以，A94.1169.115.12IIopI，不满足灵敏度要求。3.168.094.131.12minIIopkDIIsenIIK所以断路器 2 处电流保护 II 段与断路器 1 处的 II 段配合，但因 1 处没有保护 II段，所以不满足要求。对于保护 3 的电流保护的 II 段的动作电流应与相邻线路 CD 电流保护的 I 段配合，即A35.2104.215.13min23bIopIIrelIIopKIKI，不满足灵敏度要求。3.188.035.207.23minIIopkCIIsenIIK所以，断路器 3 处电流保护 II 段与断路器 2 处电流保护 II 断配合，即A23.2194.115.13min23bIIopIIrelIIopKIKI本科生课程设计（论文）10，不满足灵敏度要求。3.193.023.207.23minIIopkCIIsenIIKs 13IIopI2.3 电流段整定计算整定保护 1，2，3 的过电流保护定值，假定母线 E 过电流保护动作电流时限为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。因为maxrelLressIIIIIIopIKKKI所以A304.015085.05.115.1maxrel1DEressIIIIIIopIKKKIA406.020085.05.115.1maxrel2CDressIIIIIIopIKKKIA710.035085.05.115.1maxrel3BCressIIIIIIopIKKKI因为假定母线 E 过电流保护动作的时限为 0.5s,即，所以保护s5.0eIIIopI1，2，3 整定时间分别为：s 1e1tIIIIIopIIIops5.112tIIIIIopIIIops223tIIIIIopIIIop，满足灵敏度要求。3.165.3304.011.11min1IIIopkEIIIsenIIK，满足灵敏度要求。2.173.2406.011.12min2IIIopkEIIIsenIIK，满足灵敏度要求。2.156.1710.011.13min3IIIopkEIIIsenIIK本科生课程设计（论文）11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接线图本科生课程设计（论文）12图 3.1 三段式电流保护原理接线图图中，1KA、2KA 是 A、C 三相电流保护段的测量元件；3KA、4KA 是 A、C 三项电流保护段的测量元件；5KA、6KA、7KA 是 A、C 三相电流保护段的测量元件；KM 是中间继电器；1KT、2KT 是电流保护、段的逻辑延时元件；1KS、2KS、3KS 是电流保护、段动作的报警用信号元件。在该保护的第段保护范围内发生 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。3.2 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 3.2、3.3、3.4 所示。图 3.2 交流回路展开图T AaT Ac1KA3KA5KA2KA4KA6KA7KAACN本科生课程设计（论文）13图 3.3 直流回路展开图图 3.4 信号回路展开图第 4 章 MATLAB 建模仿真分析利用 Simulink 中的 SimPowerSystems 工具箱构建设计要求中给定的电力系统系统，并在 Matlab 环境中调试成功。再建立线路三段式电流保护模块对各个部分参数进行设定。根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合模拟电流I、II、III 段保护动作分别在电流 I、II、III 段的范围内设置故障进行调试仿真。根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合模拟各段保护的动作情况。（1）模拟电流段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图 4.1 所示：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。电流段成功按时动作。+WC-W C1KA2KA3KA4KA5KA6KA7KAKM1KT2KT1KS2KS3KSKM1KT2KTQFT Q+WS1KS2KS3KS本科生课程设计（论文）14图 4.1 电流段保护仿真波形图（2）模拟电流段保护动作，在电流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 4.2 所示:图 4.2 电流段保护仿真波形图 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。电流段成功按时动作。本科生课程设计（论文）15 （3）模拟电流段保护动作，在电流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 4.3 所示:图 4.3 电流段仿真波形图 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。电流段成功按时动作。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 C、D、E 相间短路的最大、最小的短路电流进行计算，在满足要求的情况下整定保护 1、2、3 的电流速断保护定值，并通过计算确定它们各自的保护范围。保护第段主要靠动作电流值来区分被保护范围内部和外部短路，而且具有选择性。而电流保护第段和第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，缺一不可。其次，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。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 建立系统模型，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 软件中元件查找本科生课程设计（论文）16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，使其趋于稳定达到所需要的结果。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 何仰赞等 编著 电力系统分析 武汉：华中理科技学出版社，2002.33 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社 2003.44 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2007.35 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本科生课程设计（论文）17