35kV输电线路电流电压保护设计(2)概述

辽 宁 工 业 大 学

电力系统继电保护课程设计（论文）

题目： 35kV输电线路电流电压保护设计（2）

院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名：

指导教师： （签字） 起止时间：

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课程设计（论文）任务及评语

院（系）： 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35kV输电线路电流电压保护设计（2） 文）题目 系统接线图如图： G5 L 4 系统接线图 G7 L6 3 C 2 D 1 E GA 9 L8 B 课程设计（论文）任务 课程设计的内容及技术参数参见下表 设计技术参数 E37/3kV,XG125, XG215,XG310, L1=L2=60km,L3=40km, LB-C=30km,LC-D=30km, LD-E=20km,线路阻抗0.4/km, IKrel1.2,KrelKrel1.15, 最大负荷电流IB-C.Lmax=110A, IC-D.Lmax=70A, ID-E.Lmax=35A, 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。 工作量 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。 I

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续表 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。 进度计划

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。 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 指导教师评语及成绩 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算。

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摘要

电力系统在运行中，可能发生各种故障和异常运行状态。故障和异常运行状态都可能在电力系统中引起事故。较其他电气元件，输电线路是电力系统中最容易发生故障的一环。故障一旦发生，必须迅速而有选择性的切除故障区段，使非故障区段正常供电，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。实现这些功能的就要靠继电保护装置。随着微机技术的发展及现代社会对供电可靠性的提高，微机保护装置正日益普遍的用于电力系统中。

1.无论传统继电保护还是现代微机保护，其基本任务都是：

（1）当电力系统被保护元件发生故障时，保护装置应能自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。

（2）当电力系统被保护元件出现异常运行状态，能根据运行维护的条件，而动作于发出信号，减负荷或跳闸。 可见，继电保护对保证系统安全、稳定和经济运行，阻止故障的扩大和事故的发生，发挥着极其重要的作用。因此，合理配置继电保护装置，提高整定和校核工作的快速性和准确性，以满足现代电力系统安全稳定运行的要求，理应得到我们的重视。

2.对电力系统继电保护的基本要求： 动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。

（1）选择性

继电保护动作的选择性是指保护动作装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。

（2）速动性

快速的切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。因此，在故障发生时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。

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（3）灵敏性

继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障或者不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部故障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻都能敏锐感觉，正确反应。

（4）可靠性

保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不该动作的情况下，则不应该误动作。

本文主要对35KV输电线路方向电流保护进行分析与设计，对电气元件在最大运行方式和最小运行方式下的电流进行整定计算后，进行分析，判断是否需要安装方向元件，并在绘制方向电流保护原理图后进行仿真，最后达到安全稳定的保护电力系统运行的要求。

关键词：继电保护；电流电压保护；电力系统；保护元件

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目 录

第1章 绪论 ............................................................ 1

1.1输电线路电流保护概述 ............................................. 1 1.2本文设计内容 ..................................................... 1 第2章 输电线路电流保护整定计算 ........................................ 2

2.1 电流Ι段整定计算 ................................................ 2

2.1.1 动作电流的整定 ............................................. 2 2.1.2 灵敏度校验 ................................................. 3 2.1.3 动作时间的整定 ............................................. 3 2.2 电流Ⅱ段整定计算 ................................................ 4 2.3电流Ⅲ段整定计算 ................................................. 4 第3章 电流保护原理图的绘制与动作过程分析 .............................. 6

3.1电流三段式保护原理接线图 ......................................... 6 3.2 电流三段式原理展开图 ............................................ 7 第4章 MATLAB建模仿真分析 .............................................. 8 第5章 课程设计总结 ................................................... 10 参考文献 .............................................................. 11

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第1章 绪论

1.1输电线路电流保护概述

电力系统的输、配电线路因各种设备原因、自然原因、人工操作不当等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。而且，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。对于35KV及以上的电力设备和线路故障，应有主保护和后备保护；对于电压等级在220KV及以上的线路，应该考虑或者必须装设双重化的主保护，对于整个线路的故障，应该无延时控制其断路器跳闸。 线路的相间短路、接地短路保护主要有电流电压保护，方向电流电压保护，接地零序电流电压保护，距离保护和纵联保护等。而其中电流电压保护主要包括带方向判别和不带方向判别的相间短路电流电压保护、带方向判别和不带方向判别的接地短路电流电压保护。他们分别用于双电源网络、单电源环形网络及单电源辐射网络的线路上切除相间或接地短路故障。

1.2 本文设计内容

方向电流保护用于双电源网络和单电源环形网络时，在构成、整定、相互配合等问题上还有以下特点：在保护构成中增加功率方向测量原件，并与电流测量元件共同判别是否在保护线路的正方向上发生故障。 本次设计主要对保护段的Ι段动作电流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定、方向电流Ⅱ段的整定计算和方向电流Ⅲ段动作时间整定计算，绘制方向电流保护原理图，并对动作过程进行分析。以及运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算等。

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第2章 输电线路电流保护整定计算

2.1 电流Ι段整定计算

2.1.1 动作电流的整定

XL1XL2600.424，XL3400.416

XBC300.412，XCD300.412, XDE200.48

所以，最大运行方式的等值阻抗为：

X3minXG1XG2XL1XL2XG1XG225152424251514

最小运行方式的等值阻抗为：

X3maxXG1XL1XG3XL32524101617

C母线最大短路电流为：

IkCmaxEs3730.82

X3minXBC1412Es333730.64 2X3maxXBC21712C母线最小短路电流为：

IkCmin同理，D母线最大短路电流为：

Es373IkDmax0.56

X3minXBCXCD141212D母线最小短路电流为：

IkDminEs333730.45 2X3maxXBCXCD2171212E母线最大短路电流为：

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IkEmaxEs3730.46

X3minXBCXCDXDE1412128E母线最小短路电流为：

IkEminEs333730.38 2X3maxXBCXCDXDE21712128保护1，2，3的第I段动作电流分别为：

IIIop1KrelIkEmax1.20.460.552 IIIopK2relIkDmax1.20.560.672 IIIopK3relIkCmax1.20.820.984

2.1.2 灵敏度校验

xl1minxl2minxl3min所以，K3Es37XXX1612126.49 3maxBCCDI20.5522Iop13Es37XX16120.470 3maxBCI20.6722Iop23Es37X162.800 3maxI20.9842Iop3I1senxl1min100%0，不满足灵敏度要求。 XDEK2IsenKI3senxl2min100%0,，不满足灵敏度要求。 XCDxl3min2.800100%100%23.3%15%，满足灵敏度要求。 XBC122.1.3 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：

IIIIop10s，Iop20s，Iop30s

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2.2 电流Ⅱ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

IIIIIIopKI2relop1Kbmin2，Kbmin21

所以，Iop2IIKsenII1.150.55210.63

IkDmin0.450.711.3，不满足灵敏度要求。 II0.63Iop2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

IIIIIIopKI3relop2Kbmin31.150.67210.77 IIKsenIkCmin0.640.831.3，不满足灵敏度要求。 II0.77Iop3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

IIIIIIIopKI3relop2Kbmin31.150.6310.72 IIKsenIkCmin0.640.891.3，不满足灵敏度要求。 II0.72Iop3IIIop31s

2.3电流Ⅲ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IopIIIIIIKrelKssILmax

Kre 4

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IIIK1.151.5IIIrelKssII3571.029 所以op1DEmaxKre0.85IIIIIop2IIIKrelKss1.151.5ICDmax70142.059

Kre0.85IIIKrelKss1.151.5IBCmax110223.235

Kre0.85IIIop3因为假定母线E过电流保护动作的时限为0.5s,即Iope0.5s，所以保护1，2，3整定时间分别为：

IIIIIIIopIs 1opet1IIIIIIIopI2op1t1.5s IIIIIIIopI3op2t2s

IIIKIIIsen1IkEmin0.38III0.005351.3，不满足灵敏度要求。

71.029Iop1IkEmin0.380.002671.2，不满足灵敏度要求。 III142.059Iop2IIIKsen2K

IIIsen3IkEmin0.38III0.001701.2，不满足灵敏度要求。

223.235Iop3

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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

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Ⅰ段的测量元件； 3KA、4KA是A、C三项电流保护Ⅱ段的测量元件； 5KA、6KA、7KA是A、C三相电流保护Ⅲ段的测量元件； KM是中间继电器；

1KT、2KT是电流保护Ⅱ、Ⅲ段的逻辑延时元件；

1KS、2KS、3KS是电流保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段动作的报警用信号元件。

在该保护的第Ⅰ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Ⅱ、Ⅲ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。

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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。

7KATAc2KA4KA6KAC相TAa1KA3KA5KAA相交流回路

图3.2 交流回路展开图

N相

+WC-WC控制母线直熔断器KM

1KA2KA1KT3KA4KA2KT5KA6KA7KA1KSKM2KS1KT3KS2KTQFTQ电流Ⅰ段流电流Ⅱ段回电流Ⅲ段跳路闸回路图3.3 直流回路展开图

+WS1KS

图3.4 信号回路展开图

信号2KS3KS 7

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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Ⅰ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Ⅰ段成功按时动作。

图4.1 电流Ⅰ段保护仿真波形图

（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4.2所示:

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图4.2 电流Ⅱ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4.3所示:

图4.3电流Ⅲ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Ⅲ段成功按时动作。

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第5章 课程设计总结

随着电力应用的不断发展，电力系统继电保护对电力系统运行的稳定性、安全性、可靠性起到了非常重要的作用，因为在电力系统发生故障时，为了防止电力系统事故的扩大，保证非故障部分仍能可以可靠的供电，以及维持电力系统运行的稳定性，要求电力系统继电保护装置能在几十毫秒内准确迅速的识别并切除故障。所以，电力系统继电保护已经成为电力工业的一个必不可少的组成部分。

本课设主要是针对输电线路电流电压保护进行设计。随着电力系统规模的不断扩大，对电力系统安全性、可靠性、高效性运行的要求越来越高，继电保护应运而生，本文对继电保护各项参数进行了计算，以及安装了方向保护元件实现方向保护，并对其系统保护的算法进行了MATLAB仿真研究。

本文首先对电力系统继电保护进行简单的介绍，然后分别在最大运行方式和最小运行方式下对等值电抗进行计算，并且计算出各个保护的动作电流，进行灵敏度校验，进而绘制出方向保护的原理图，最后对系统进行模拟仿真并分析了结果。

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参考文献

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[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

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