输电线路方向电流保护设计

辽宁工业大学电力系统继电保护课程设计（论文）题目：输电线路方向电流保护设计（5）

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指导教师：（签字）起止时间：2012.12.31—2013.01.11

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

续表

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，方向保护是利用电压和电流的乘积判明电流流向（相位）的继电保护。以判明短路故障位于保护装置处的正向或反向。

本设计题目为输电线路方向电流保护设计，经过保护4、5的Ι段动作电流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定、保护5、7、9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。

利用MATLAB软件建立系统仿真模型，根据给定参数对电气元件设定，对仿真结果分析，符合设计要求。

关键词：电力系统；电流保护；方向保护；方向元件

目录

第1章绪论 (5)

1.1 输电线路电流保护概述 (5)

1.2 本文主要内容 (5)

第2章输电线路方向电流保护整定计算 (7)

2.1 方向电流Ι段整定计算 (7)

2.1.1 保护4、5的Ι段动作电流的整定 (7)

2.1.2 灵敏度校验 (7)

2.1.3 动作时间的整定 (8)

2.2 保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算 (8)

2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装 (9)

第3章方向电流保护原理图的绘制与动作过程分析 (11)

3.1 保护原理图 (11)

3.2 动作过程分析 (11)

第4章MATLAB建模仿真分析 (13)

第5章课程设计总结 (16)

参考文献 (17)

第1章绪论

1.1输电线路电流保护概述

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。对于3KV及以上的电力设备和线路的短路故障，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，应无延时控制其短路器跳闸。线路的相间短路、接地短路保护有：电流电压保护，方向电流电压保护，接地零序流电压保护，距离保护和纵联保护等。

电力系统中线路的电流电压保护包括：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。他们分别是用于双电源网络、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本文主要内容

通过对保护段的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。

在对电流保护段来说，因为反方向短路时功率方向测量元件不动作，其整定值就只需躲过正方向线路末端短路电流最大值，而不必躲过反方向短路的最大短路电流，因而提高了灵敏度。这种增加了功率方向测量元件的电流保护即为方向电流保护。在双电源网络或其他复杂网络中，可以采用带方向的三段式电流保护，以满足保护的各种性能要求。

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。方向电流保护第Ⅰ段，即无时限方向电流速度保护的动作电流整定可以不必躲过反方向外部最大短路电流；第段电流保护动作电流还应考虑躲过反向不对称短路时，流过非故障相的电流，这样可防止在反方向发生不对称故障时非故障线功率方向测量元件误动作而造成的保护误动作；在环网和双电源网中，功率方向可能相同的电流保护第段的动作电流之间和动作时间之间应相互配合，以保证保护的选择性。

本次设计包含了运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。

第2章 输电线路方向电流保护整定计算

2.1 方向电流Ι段整定计算

2.1.1 保护4、5的Ι段动作电流的整定

根据任务书中的系统接线图计算各段线路的阻抗。

1L X =2L X =60*0.4=24Ω 3L X =50*0.4=20Ω BC X =40*0.4=16Ω CD X =50*0.4=20Ω DE X =20*0.4=8Ω

由电流速断保护的动作电流应躲过本线末端的最大短路电流，可计算： 保护4

X )X (X ∥ )(L3L2G211)3(max +++=

L G KA X X E I ?= =+++

2024)(12∥ )2420(3

115 1.668kA

)

3(max 4KA I rel I OP I K I ?==1.2?1.668=2.002kA

保护5

kA X E I G KB 075.220

123115 X L33)

3(max =+=+=

?

kA I K I KB I rel I OP 49.2075.22.1)3(max 5=?=?= 因为 )3(max 4KB I OP I I <，所以在4QF 加方向元件。

2.1.2 灵敏度校验

I sen K 校验，应按电流、电压元件中保护范围小的元件确定，整定值满足可靠系数

的要求。

3

14

min 134min 4l x l x l l K I sen ==

保护4的灵敏度校验：

－＝

I

OP

min 14

2I 3S E l x m ax s X =002.223

/1153??-20=8.72Ω

31l x ==+=3214//L L L OP X X X X 24//24+20=32Ω

I sen K =

4

min 1OP X l x =3272

.8?100%=27.25%>15% 满足灵敏度要求，所以合格。 保护5的灵敏度校验：

315

min 135min 5l x l x l l K I

sen ==

＝

－＝

max min 15

23x OP S

X I E l

x 16=7.09Ω 31l x =＝＝35L OP X X 20Ω

I

sen K =

315min 1l x l x =

20

09

.7?100%=35.45%>15% 满足灵敏度要求，所以合格。

2.1.3 动作时间的整定

因为无时限电流速断保护不必外加延时元件即可保证保护的选择性，所以电流保护第I 段的动作时间为0，即t I 4op =t I 5op =0。

2.2 保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算

无时限电流速断保护在任何情况下只能切除本线路上的故障，外部短路故障应依靠另外一种电流保护,即带时限的电流速断保护对于此种保护的动作电流整定为。

保护5Ⅱ段与保护3配合

I I 5op I =b OP rel K K /I I I ３Ｉ ＝Ｉ３

I OP IB-C.Lmax=360A b K :分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 b K =1+

AB B

I I =1+

3

311L G S

L G S X X E X X E ++=1.42

b OP rel K I K I I I I I ３

＝5OP I =36015.1?/1.42=291.54A ＝

＋＝

3

3)2(KB 23

I L G S X X E ?2012311523＋?kA=1796.875A I I

sen

K

=I I 5

)

2(OP KB

I I =54.29175.81796=6.16>1.4 所以满足灵敏度要求。

与相邻保护3Ⅱ段配合

b K =1+

AB B I I =1+

3

311L G S

L G S X X E X X E ++=1.42

I I I I 5

OP

2)KB I I

（＝sen

K =I 2OP I IC-D.Lmax=210A 分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流，且两电流相等。 所以：4b K =1

I I 3OP I =I

I I 2OP rel I K /4b K =1/21015.1?=264.5A I I 5

OP I =I I I 3OP rel I K /b K =42.1/5.26415.1?=214.21A I I

I I 5

OP

2)

KB I I （＝sen

K =21.21475

.81796=8.38>1.4此结果满足灵敏度要求。 ＝I I

5

OP t t t 3?+I I OP =t t t 2?+?+I OP =1s 保护7,9与保护5相同。

2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装

为保证选择性，则必须加延时元件，且应按照阶梯形原则整定，即两相邻线路的电流Ⅲ动作时间相差一个△t 。上一线路与动作时间长的下一段线路相配合；末级不装延时元件；越靠近电源，延时越长。

0t 1=I I I s （线路末端），t t t 1

2?+=I I I

I I I ，t 2t t t 23?=?+=I I I I I I 5793t t t t 1.5s t III III III III ===+?=，0s t t t 864===I I I

I I I I I I （无下一级，相当于末级）

若BC K :Ⅲ5op t >Ⅲ4op t ，AB K :Ⅲ5op t <Ⅲ4op t 矛盾，则Ⅲ需加方向元件。 因为 1.5s t t t 975

===I I I I I I I I I >0s t t t 864===I I I

I I I I I I

为简化保护接线和提高保护的可靠性，电流保护每相的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段可共用一个方向元件。电流保护第Ⅲ段的动作时间较小者而可能失去选择性时加方向元件，动作时间相同者可能失去选择性时均加方向元件。所以,保护4,6,8加方向元件。

第3章方向电流保护原理图的绘制

3.1保护原理图

根据系统接线图，绘制方向电流保护原理图，如图3.1所示。

图3.1 方向电流保护原理图

3.2动作过程分析

电流继电器和功率继电器才用按相启动方式，当两者都满足时线路才能接通。当系统发生短路时，有本线路所在保护的Ⅰ段切故障。当Ⅰ断拒动或故障时，电流继电器经过延时继电器，延时元件则用于判别是否本线路发生了故障而主保护据动和判别是否相邻元件发生了故障而相邻元件保护或断路器据动，若出现上述举动情况，则延时元件会有输出，使本线断路器跳闸。振荡元件和电压互感器二次断线闭锁元件，分别在系统振荡和电压互感器二次断线时有输出，经非门闭锁保护，可防止保护误动作。发生故障时相应段的保护动作，信号元件动作输出保护动作的报警信号。

整套保护也可用距离保护中第Ⅲ段的测量元件Ⅲ

Z兼做启动元件，保护中第Ⅰ、Ⅱ段的测量元件ⅠZ、ⅡZ整定值可由一个阻抗元件用接点进行切换实现，若测量元件Ⅰ

Z无方向性，则需加方向判别元件。整套保护中每相均有启动元件，可Z和Ⅲ

Z、Ⅱ

以增加保护的可靠性。

第4章MATLAB仿真分析

按系统接线图在MATLAB软件中建立仿真模型，根据给定的参数对各电气元件设定，系统在MATLAB软件中的仿真图如图4.1所示。将给定的信号输入仿真系统，将各个环节的端口按框图连接起来，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。

图4.1 MATLAB建模仿真图

正常运行状态时线路电压电流波形如图4.2所示。

图4.2 电压波形

线路发生相间两相短路故障时的故障相电流波形如图4.3所示。线路两相短路故障时的电流波形图反映了系统发生两短路故障故障相的电流变化情况。仿真结果表明，所建立的保护模型具有实时性和正确性，符合计算结论。

图4.3 故障相电流波形

第5章课程设计总结

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。

本次设计题目为输电线路方向电流保护设计，通过对保护段的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。根据系统接线图建立MATLAB系统仿真模型，按给定参数对电气设备的参数进行设定，对仿真结果分析，本次设计符合要求。

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] 赵晶主编《Prote199高级应用》．人民邮电出版社，2000：18-25

[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] 于海生编著《微型计算机控制技术》清华大学出版社2003.4

[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] 黄家裕等编著《电力系统数字仿真》水利电力出版社，1995.5

[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