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输电线路距离保护设计

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辽 宁 工 业 大 学
电力系统继电保护课程设计（论文）

题目：输电线路距离保护设计（1）

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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
输电线路距离保护设计（1）
课程设计（论文）任务

8
E
6
5
62km
38km
2
1
7
4
3
30km
D
C
B
A

系统接线图
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=0.4/km,线路阻抗角为φL=65°,AB、BC线路最大负荷电流为400A,负荷功率因数为
cosφL=0.9,,
。电源电势为E=115kV, ZsAmax=10Ω,
ZsAmin=8Ω,ZsBmax=30Ω,ZsBmin=15Ω。归算至115kV的各变压器阻抗为84.7Ω,容量ST为15MV.A。其余参数如图所示。
1．计算保护1距离保护第Ⅰ段的整定值和灵敏度。
2. 计算保护1距离保护第Ⅱ段的整定值和灵敏度。
3. 计算保护1距离保护第Ⅲ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=12Ω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。

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20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
距离保护是以距离测量元件为基础构成的保护装置，又称阻抗保护。当系统正常运行时，保护装置安装处的电压为系统的额定电压，电流为负载电流，而发生短路故障时，其电压降低、电流增大。因此，电压和电流的比值，在正常状态下和故障状态下是有很大变化的。由于线路阻抗和距离成正比，保护安装处的电压与电流之比反映了保护安装处到短路点的阻抗，也反映了保护安装处到短路点的距离。所以可按照距离的远近来确定保护装置的动作时间，这样就能有选择地切除故障。
本次课程设计主要输电线路的距离保护，根据已知系统的接线图，来确定保护1距离保护三段的整定值并校验各段的灵敏度，同时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：距离保护；故障点；整定计算；仿真

目 录
第1章 绪论 1
1.1 输电线路距离保护概述 1
1.2 本文研究内容 2
第2章 输电线路距离保护整定计算 3
2.1 距离Ι段整定计算 3
2.2 距离Ⅱ段整定计算 3
2.3 距离Ⅲ段整定计算 4
2.4 系统振荡和短路过渡电阻影响分析 5
2.4.1 系统震荡特性 5
2.4.2 短路过渡电阻影响分析 8
第3章 距离保护原理图的与动作过程分析 11
3.1 保护1各段距离保护的动作过程 11
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 13
4.1 距离保护MATLAB建模 13
4.2 距离保护仿真波形及分析 14
第5章 课程设计总结 17
第6章 参考文献 18

第1章 绪论
1.1 输电线路距离保护概述
输电线路距离保护是指利用阻抗元件来反应短路故障的保护装置，阻抗元件的阻抗值是接入该元件的电压与电流的比值，也就是短路点至保护安装处的阻抗值。因线路的阻抗值与距离成正比，所以叫距离保护或阻抗保护。系统在正常运行时，不可能总工作于最大运行方式下，因此当运行方式变小时，电流保护的保护范围将缩短，灵敏度降低；而距离保护测量的是短路点至保护安装处的距离，受系统运行方式影响较小，保护范围稳定，常用于线路保护
电力系统稳定运行主要有符合要求电网结构、系统运行方式和电力系统继电保护来保证。高压及以上等级电网中，继电装置可靠性和速动性有双重主保护来保证，其选择性和灵敏性主要由相间接地故障后被保护延时段来保证。距离保护是以距离测量元件为基础构成保护装置，称阻抗保护。系统正常运行时，保护装置安装处的电压为系统的额定电压，电流负载电流，发生短路故障时，电压降低、电流增大。因此，电压和电流比，正常状态和故障状态有很大变化。由于线路阻抗和距离成正比，保护安装处的电压与电流之比反映了保护安装处到短路点的阻抗，也反映保护安装处到短路点距离。所以按照距离远近来确定保护动作时间，这样就能有选择地切除故障。
当前微计算机硬件的更新和网络化发展在计算机控制领域。单片机与DSP芯片二者技术上的融合，主要体现在运算能力的提高及嵌入式网络通信芯片的出现和应用等方面。这些发展使硬件设计更加方便。高性价比使冗余设计成为可能，为实现灵活化、高可靠性和模块化的通用软硬件平台创造了条件。硬件技术的不断更新和微机保护设计网络化，将为距离保护的设计和发展带来一种全新的理念和创新，它会大大简化硬件设计、增强硬件的可靠性，使装置真正具有了局部或整体升级的可能。
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Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ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Ι段整定计算
距离Ι段动作阻抗的整定
距离I段按躲开下一条线路出口处短路的原则整定
其中：
计算相间距离保护第Ⅰ段动作阻抗

断路器1、3、4QF处距离保护第Ⅰ段的动作时间和灵敏度分别为：

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%。
2.2 距离Ⅱ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）与相邻线路第Ⅰ段配合。
动作阻抗为：
：最小分支系数
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：≥1.3～1.5
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：≥1.3～1.5
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
2.3 距离Ⅲ段整定计算
（1）按躲过最小负荷阻抗整定
动作阻抗为：

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：
2.4 系统振荡和短路过渡电阻影响分析
2.4.1 系统震荡特性
系统振荡时，系统中各发电机电势间的相角差随时间作周期性变化，从而使系统中各点电压，线路电流以及距离保护的测量阻抗也将发生周期性变化，可能导致距离保护的误动作。但通常系统振荡若干周期后，多数情况下能自行恢复同步，若此时保护误动，势必造成不良后果，因而使不允许的。
（1）对系统振荡电压，电流的变化规律几点假设：
①.全相振荡时，系统三相对称，故可只取一相分析；
②.两侧电源电势和电势相等，相角差为；
③.系统中各元件阻抗角均相等，以表示；
④．不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发生短路。

电流：

振荡电流的有效值随变化（包络线）

电压：

系统中总有一点的电压为最低，其值为由0向相量所做的垂线的长度，该点则称为振荡中心，以z表示。
当 且系统中各元件阻抗角相等时，振荡中心的位置在全系统纵向阻抗的中点（即处）。
当时，，I最大，相当于在线路z点发生三相短路。
振荡周期：电压的一个最大值到下一个最大值所经历的时间，一般发生在0.25~2.5s的范围内。
（2）系统振荡时测量阻抗时测量阻抗的变化规律。
M侧：
因为
所以

,,
,,
,,
可见，当变化，幅值变化，阻抗角亦变化。
系统振荡时时距离保护的影响：

当测量阻抗进入特性圆内，阻抗继电器就要误动。全阻抗继电器误动的相角，方向阻抗继电器误动的相角。

因为T＝0.25～2.5之间，所以就可躲振荡的影响。
（3）当 且系统中各元件阻抗角相等时，振荡中心的位置在全系统纵向阻抗的中点（即处）。
则
2.4.2 短路过渡电阻影响分析
过渡电阻的性质：
————电弧电阻
————电弧电阻，杆塔电阻，大地电阻

其中为附加阻抗， ，α为超前的角度。
讨论：①.,单侧电源网络
纯电阻性， 增大。
②. . 双侧电源网络
受电侧α>0, 电阻电感性，电抗部分增大。
送电侧α<0, 电阻电容性，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=12Ω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

1、 相间距离保护I段：
由于
所以相间距离保护I段不动作。
2、 相间距离保护II段：
由于
所以相间距离保护II段动作。
3、 相间距离保护II段：
由于
所以相间距离保护III段动作。

第3章 距离保护原理图的与动作过程分析
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
所以相间距离保护I段不动作。
2、 相间距离保护II段：
由于
t=0.5S<1.5S
所以相间距离保护II段动作。
3、 相间距离保护II段：
由于
t=2.5S>1.5S
所以相间距离保护III段不动作。
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3.1。

图3.1 三段式距离保护的原理框图

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，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。这对电力系统的稳定性至关重要。系统在正常运行时，不可能总工作于最大运行方式下，因此当运行方式变小时，电流保护的保护范围将缩短，灵敏度降低；而距离保护测量的是短路点至保护安装处的距离，受系统运行方式影响较小，保护范围稳定因此常用于线路保护。
这次设计的主要目标是针对系统的接线图和提出的相应问题，计算出保护1距离保护Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段的整定值和灵敏度，在计算灵敏度的同时要注意的问题就是每个保护的动作时间要计算准确，这对后续的计算至关重要。灵敏度的计算同时也是很重要的一环，这能影响到计算所得的灵敏度是否满足系统的要求。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的各段距离保护的动作情况。在计算中由于对概念和动作过程了解的不够详细，计算灵敏度的时候也出现了错误，导致后续的分析出了很大的问题。时候及时的修正路数据，才避免了后面的计算错误。计算出来的数据一定要留出一定的裕量，方便实际中的断路器和其他元件电气参数的合理选取。

第6章 参考文献
[1] 贺家李等 编著 《电力系统继电保护原理》 北京：中国电力出版社，1994.8
[2] 杨新民等 编著 《电力系统微机保护培训教材》北京:中国电力出版社,2000.6
[3] 何仰赞等 编著 《电力系统分析》 武汉：华中理科技学出版社，2002.3
[4] 许正亚等 编著 《输电线路新型距离保护》北京:中国水利水电出版社,2002.8
[5] 陈桂明等 编著 《应用MATLAB建模与仿真》 科学出版社，2001.3
[6] 崔家佩等 编著 《电力系统继电保护与安全自动装置的整定计算》北京:中国电力出版社,1993.1
[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
[8] 张保会等 编著 《电力系统继电保护》 中国电力出版社，2005.5
[9] 黄家裕等 编著 《电力系统数字仿真》 水利电力出版社，1995.5
[10] 张之哲等 编著 《微型计算机距离保护的自适应对策》 中国电力出版社，1998.1
[11] 王梅义等 编著 《高压电网继电保护运行技术》 北京:电力工业出版社,1981.3
[12] 吕继绍 主编 《电力系统继电保护设计原理》 北京:水利电力出版社,1986.3