继电保护课程设计-输电线路电流电压保护设计

继电保护课程设计输电线路电流电压保护设计

第1章绪论 (1)

第2章设计的原始资料 (2)

2.1题目内容 (2)

2.2课程设计的内容及技术参数参见下表 (2)

2.3 工作计划： (3)

2.4设计需要考虑的问题 (3)

2.5保护方式的选取及整定计算 (3)

第3章输电线路电流保护整定计算 (4)

3.1保护3在最大、最小运行方式下的等值阻抗 (4)

3.2保护3在最小运行方式下G2退出运行，L2退出运行等值电路 (4)

3.3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 (5)

3.4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 (6)

3.5整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度 (7)

3.6整定保护1、2、3的过电流保护定值 (8)

第4章电流保护原理图的绘制与动作过程分析 (9)

4.1电流三段式保护原理图 (9)

4.2电流三段式原理展开图 (10)

第5章MATLAB建模仿真分析 (12)

5.1 MATLAB的概述 (12)

5.2 仿真设计 (13)

5.3仿真结果 (13)

5.4结果分析 (15)

第6章课程设计总结与心得 (16)

参考文献 (16)

第1章绪论

继电保护装置是指能反应电力系统中电气元件发生的故障或不正常远行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：（1）自动、迅速、有选择地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）反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。一般情况下不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的程度经一定的延时动作于信号。目前，继电保护装置是以各电气元件作为保护对象的，其切除故障的范围是断路器之间的区段。反应整个被保护元件上的故障，并能以最短的延时有选择性地切除故障的保护称为主保护；当主保护或断路器拒绝动作时，用来切除故障的保护称为后备保护。

电力系统对动作于跳闸的继电保护装置提出了四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。这四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，在它们之间，既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。除了以上四个基本要求以外，选用保护装置时还应该考虑经济性。在保证电力系统安全运行的前提下，尽可能采用投资少、维护费用低的保护装置。

线路相间短路的电流电压保护有三种：第一，无时限电流速断保护；第二，带时限电流速断保护；第三，定时限过电流保护。这三种相间短路电流电压保护分别称为相间短路电流保护第Ⅰ段、第Ⅱ段和第Ⅲ段。其中第Ⅰ段和第Ⅱ段作为线路主保护，第Ⅲ段作为本线路主保护的近后备保护和相邻线路或元件的远后备保护。第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段统称为线路相间短路的三段式电流电压保护。

第Ⅰ段称为无时限电流速断保护，该段动作时间快但是不能保护线路全长。第Ⅱ段称为带时限电流速断保护，该段保护在任何情况下均能保护本线路的全长（包括线路末端），但是为了保证在相邻的下一个线路出口处短路时保护的选择性，必须和相邻的无时限电流速断保护配合。第Ⅲ段称为定时限过电流保护，该段保护主要是作为本线路主保护的近后备保护和相邻下一线路（或元件）的远后备保护。

本文主要内容是研究在母线短路时，保护1、2、3的第Ⅰ段、第Ⅱ段和第Ⅲ段的整定值，并检验它们的灵敏度确定它们是否能够保护线路。

第2章设计的原始资料2.1题目内容

系统接线图如图：

2.2课程设计的内容及技术参数参见下表

2.3 工作计划：

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。

2.4设计需要考虑的问题

（1）系统运行方式的考虑

除考虑发电厂发电容量的最大和最小运行方式外，还必须考虑在设备检修或故障切除的情况下，发生短路时流过保护装置的短路电流最大和最小的系统运行方式，以便计算保护的整定值和保护灵敏度。在需采用电流电压联锁速断保护时，还必须考虑系统的正常运行方式。

（2）短路点的考虑

求不同保护的整定值和灵敏度时，应注意短路点的选择。

（3）短路类型的考虑

相间短路保护的整定计算应取系统最大运行方式下三相短路电流，以作动作电流整定之用；而在系统最小运行方式下计算两相短路电流，以作计算灵敏度之用。短路的计算选用三相短路或两相短路进行计算均可，因为对保护所取的残余而言，三相短路和两相短路的残余数值相同。

2.5保护方式的选取及整定计算

采用什么保护方式，主要视其能否满足规程的要求。能满足要求时，所采用的保护就可采用；不能满足要求时，就必须采取措施使其符合要求或改用其他保护方式。

选用保护方式时，首先考虑采用最简单的保护，以便提高保护的可靠性。当采用

简单保护不能同时满足选择性、灵敏性和速动性要求时，则可采用较复杂的保护方式。 选用保护方式时，可先选择主保护，然后选择后备保护。通过整定计算，检验能否满足灵敏性和速动性的要求。当采用的保护不能很好地满足选择性或速动性的要求时，允许采用自动重合闸来校正选择性或加速保护动作。

第3章 输电线路电流保护整定计算

3.1保护3在最大、最小运行方式下的等值阻抗

保护3的最大运行方式：三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行，等效电路图如图3.1

X

X X X G1L1

CD DE ..

..

图3.1 最大运行方式 在最大运行方式下，短路电流最大，阻抗最小

如图所示，根据任务书所给参数可以计算出：

Ω=151G X ，Ω=202G X ，Ω=103G X

Ω=?=204.0501L X ，Ω=?=204.0502L X ，Ω=?=164.0403L X

Ω=?=124.030BC X ，Ω=?=204.050CD X ，Ω=?=124.030DE X

可得：

Ω=++=++=83.10)1610//()20//2020//15()//()////(332121min 3L G L L G G X X X X X X X

3.2保护3在最小运行方式下G2退出运行，L2退出运行等值电路

保护3在最小运行方式下G2退出运行，L2退出运行等效电路图如图3.2.

X

X X X G1L1

CD DE

..

..

图3.2 最小运行方式

同理，最小运行方式下，短路电流最小，阻抗最大

Ω=++=92.14)//()(3311max 3L G L G X X X X X

3.3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

当系统在最小运行方式下运行时C 母线短路，此处有最大的短路电流为：

KA BC

X X E I kc 9.2)1283.10(3/115min 3max =+=+Φ

=

当系统在最大运行方式下运行时C 母线短路,此处有最小的短路电流为：

KA BC

X X E I kc 14.2)(2max 33min =+Φ

=

对于D 、E 母线发生相间短路的最大,最小短路电流计算,同样的道理：

KA CD X X BC X E I kd 55.1min 3max =++Φ=

KA CD

X X BC X E I kDmxin 42.1max 3=++Φ= KA

DE

X X CD X BC X E I ke 13.1max 3min =+++Φ

=KA DE

X X CD X BC X E I ke 21.1min 3max =+++Φ=

3.4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

由于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I k m ax ，故应考虑

最小运行方式下的三相短路电流.故有，保护1、2、3的第Ⅰ段的动作电流为：

当最小灵敏度大于0015时,满足保护设计要求,经计算都满足。

0015006.75%100*161.12001003min 33>==?l BC X l X KA kE I rel K op I 45.121.1*2.1)3(max 11

1===KA kD I rel K op I 70.142.1*2.1)3(max 112

===KA kC I rel K op I 48.39.2*2.1)3(max 113

===Ω=-=--=65.52165.26max 311

23min

11Xbd S X OP I E l x φΩ=--=--=

82.4161382.3323max 312min 22Xbc X I E l x S OP φ00150017.40%100*1282.4001002min 22>==?l X CD

l X Ω=-=-=1.121310.25max 313

23min 33S X OP I E l x φ

3.5整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度

由于无时限电流速断保护只能保护线路的一部分,而该线路的剩下部分的短路故障必须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和动作时间的整定分别为:

其中t ?为时限阶段,它与短路器的动作时间,被保护线路的保护的动作时间误差

等因素有关.这里我们取t ?=0.5S ,所以对于保护3的电流保护的第Ⅱ段的动作电流应与相邻线路电流保护的第Ⅰ段相配合, 分支系数为:k b min =1即

KA k b I op rel op 64.2min /2K ?I ?3=?=

所以该处电流保护的第Ⅱ段的灵敏度为:08.12min =I =op I I kc K sen <1.3故不满足灵

敏度的要求。

断路器3QF 处电流保护的第Ⅱ段与相邻线路电流保护的电流保护的第Ⅱ段相配

合。即有

此时的灵敏度: <1.3 不满足要求。

此时断路器3QF 处电流保护的第Ⅱ段动作时间和断路器2QF 处电流保护的第Ⅱ段

动作时间相配合：

对于保护2QF 的电流保护的第Ⅱ段与相邻线路1QF 电流保护的电流保护的第Ⅰ段

相配合。

KA k b I op rel op 14.2m in /1K ?I ?2=?= 此时的灵敏度75.02

min ==I op I ke K sen 〈1.3不满足要求。

k b I op rel op m in /

2K ?I ?1?=t

t t op t op ?=?+=21k b I op rel op min /2K ?I ?3?=KA

k b I op rel op 98.1m in /1K ?I ?2=?=75.0min ==I op I kc K sen s t t op t op 123=?+=

3.6整定保护1、2、3的过电流保护定值

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。定时限过电流保护的作用是作本线主保护的后备保护,即近后备保护,并做相邻下一线路的后备保护,即远后备保护。因此，它的保护范围要求超过相邻线路的末端。

故保护1可以作E 点的近后备保护。

故保护2可以作E 点的远后备保护。

故满足灵敏度的要求。 2.187.2404.016.1)3(2min )3(1>===I op I kE K sen KA E D I I l K re

K ss K rel I op 303.0max *02.2max )3()3(1=-=??=KA D C I I l K re K ss K rel I op 404.0max *02.2max )3()3(2=-=??=KA C B I I l K re

K ss K rel I op 606.0max *02.2max )3()3(3=-=??=3.18.3303.016.1)3(1min )3(1>===I op I kE K sen

第4章电流保护原理图的绘制与动作过程分析

4.1电流三段式保护原理图

如图所示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。每个继电器都由感受元件、比较元件和执行元件三个主要部分组成。感受元件用来测量控制量(如电压、电流等)的变化，并以某种形式传送到比较元件；比较元件将接收到

的控制量与整定值进行比较，并将比较结果的信号送到执行元件；执行元件执行继电器功作输出信号的任务。

4.2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4.2、4.3、4.4所示。

图4.2 交流回路展开图

图4.3 直流回路展开图

TAa TAc 1KA 3KA 5KA 2KA 4KA 6KA 7KA A 相C 相N 相交流回路

+WC -WC 1KA 2KA

3KA 4KA

5KA

6KA

7KA KM 1KT 2KT 1KS 2KS 3KS KM 1KT

2KT QF T Q 控制母线熔断器

电流Ⅰ段电流Ⅱ段电流Ⅲ段跳闸回路直流

回路

图4.4 信号回路展开图

二次设备互相连接，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气回路称

为二次回路。按电源性质分为交流电流回路（由电流互感器（TA ）二次侧供电给测量仪表及继电器的电流线圈等所有电流元件的全部回路）和交流电压回路---由电压互感器（TV ）二次侧及三相五柱电压互感器开口三角经升压变压器转换为220V 供电给测量仪表及继电器等所有电压线圈以及信号电源等。

如图4.2所示，它由交流回路、信号回路及纸篓控制回路三部分构成。交流回路

由电流互感器TAa 、TAc 的二次绕组构成不完全星形联结，二次绕组姐电流继电器KA1~KA7的线圈。信号回路由直流屏引出主流操作电源+WS 供电。直流控制回路由直流操作电源+WC 、-WC 供电。当Lbc 短路时，保护1、2全不动作，保护3动作。测量元件1KA~6KA 都将动作，其中1KA 、2KA 经KM 无时限动作直接启动信号元件1KS ，并使断路器跳闸，切除故障。虽然测量元件3KA 、4KA 启动了延时元件1KT ，测量元件5KA 、6KA 启动了延时元件2KT ，但是故障切除后，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返回。因此，电流Ⅱ、Ⅲ段不会再输出跳闸信号。同理，当Lcd 短路时，保护3的Ⅰ段都不动作，Ⅱ段和Ⅲ段只有KA 动作，KT 和KS 都不动作。保护2 的Ⅰ段都动作，并且使断路器跳闸。Ⅱ段和Ⅲ段中只有KA 动作，KT 和KS 也都不动作，而保护3全部动作。当Lde 短路时，保护1、2中Ⅰ段全不动作，Ⅱ段和Ⅲ段中只有KA 动作，KT 和KS 都不动作。保护3的Ⅰ段动作，Ⅱ段和Ⅲ段中只有KA 动作，KT 和KS 不动作。

+WS 信号1KS 2KS 3KS

第5章MATLAB建模仿真分析

5.1 MATLAB的概述

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多.在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、c++ 、JAVA的支持，可以直接调用。用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用，非常的方便。MATLAB的基础是矩阵计算,但是由于他的开放性，并且mathwork也吸收了像maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。

当前流行的MATLAB 6.5/7.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)，工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包、控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。

MATLAB一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，他们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设

计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。

5.2 仿真设计

5.3仿真结果

（1）模拟电流Ⅰ段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图5.1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5.1 电流I段

（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10Ω，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5.2所示:

图5.2 电流II段

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15.5Ω，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5.3所示:

图5.3 电流III段

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。

5.4结果分析

对于电流Ⅰ段保护仿真，由图4.1可以出看出电流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之内。这期间其实电流Ⅱ段和Ⅲ段都启动了，只是他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，并跳开断路器，以至线路电流减小，Ⅱ段和Ⅲ段都返回而不动作。

对于电流Ⅱ段保护仿真，由仿真的波形图4.2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，但是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Ⅲ段虽然启动，但是还没来得及动作，电流Ⅱ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，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。电流Ⅲ段不仅作为线路主保护拒动时的近后备保护，而且作为下一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。

第6章课程设计总结与心得

通过一个星期的课程设计，将这个学期所学的电力系统保护与控制这门课程更好地巩固了一遍。不仅仅是简单的计算，还有对问题的分析、设计、仿真等，让之前学习中所忽视的具体问题得以体现与解决。本文设计的是相间短路电流电压三段式保护。保护第Ⅰ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具有选择性。而电流保护第Ⅱ段和第Ⅲ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。电流电压保护第Ⅰ段和第Ⅱ段共同作为线路的主保护，电流电压保护第Ⅲ段因为越接近电源，动作时间越长，有时候动作时间长达好几秒，因而一般情况下只能作为线路的后备保护。

在本次课程设计中，最大的问题就是仿真。计算得到的结果要通过仿真设计系统回路，逻辑功能的实现，最终得出想要的实验效果并不是非常的简单。尤其感谢室友的帮助，一起讨论查资料，互相请教解决遇到的问题。让我将这门专业课知识从课本提升到了实际操作设计中，对我的学习能力有了进一步的提升，也越来越熟悉matlab这个强大的软件。希望在将来的学习工作中，能够继续发扬这种团结协作的精神。

对于此次课程设计还有很多不足之处，希望在将来的学习中能进一步完善。不过还是希望老师能给一个好的分数，祝老师工作顺利，生活愉快！

参考文献

[1] 张艳霞姜惠兰编著《电力系统保护与控制》科学出版社2010

[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] 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