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1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學 電力系統(tǒng)繼電保護課程設計（論文） 題目： 輸電線路電流電壓保護設計（4） 院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： （簽字） 起止時間：2012.12.31—2013.01.11 本科生課程設計（論文） 課程設計（論文）任務及評語 院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣工程及其自動化 學 號 學生姓

2、名 專業(yè)班級 課程設計（論文）題目 輸電線路電流電壓保護設計（4） 課程設計（論文）任務 B A G1 1 2 3 L3 L2 L1 E D C G2 G3 9 8 7 6 5 4 系統(tǒng)接線圖 系統(tǒng)接線圖如圖： 課程設計的內容及技術參數(shù)參見下表 設計技術參數(shù) 工作量 L1=L2=60km,L3=40km, LB-C=40km,LC-D=50km, LD-E=30km,線路阻抗0.4/km, ,, 最大負荷電流IB-C.Lmax=300A, IC-D.Lmax=260A,

3、 ID-E.Lmax=140A, 電動機自啟動系數(shù)Kss=1.5，電流繼電器返回系數(shù)Kre=0.85。 最大運行方式：三臺發(fā)電機及線路L1、L2、L3同時投入運行；最小運行方式：G2、L2退出運行。 1.確定保護3在最大、最小運行方式下的等值電抗。 2.進行C母線、D母線、E母線相間短路的最大、最小短路電流的計算。 3.整定保護1、2、3的電流速斷保護定值，并計算各自的最小保護范圍。 4.整定保護2、3的限時電流速斷保護定值，并校驗靈敏度。 5.整定保護1、2、3的過電流保護定值，假定母線E過電流保護動作時限為0.5s，確定保護1、2、3過電流保護的動作時限，校驗保護1作近后備，

4、保護2、3作遠后備的靈敏度。 6．繪制三段式電流保護原理接線圖。并分析動作過程。 7、采用MATLAB建立系統(tǒng)模型進行仿真分析。 16 續(xù)表 進度計劃 第一天：收集資料，確定設計方案。 第二天：等值電抗計算、短路電流計算。 第三天：電流I段整定計算及靈敏度校驗。 第四天：電流II段整定計算及靈敏度校驗。 第五天：電流III段整定計算及靈敏度校驗。 第六天：繪制保護原理圖。 第七、八天：MATLAB建模仿真分析。 第九天：撰寫說明書。 第十天：課設總結，迎接答辯。 指導教師評語及成績

5、 平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日 注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算 摘 要 電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行對國民經(jīng)濟以及人民生活乃至社會穩(wěn)定都有著極為重大的影響。本文嚴格按照任務書的要求，首先根據(jù)所需保護線路的特點，確定出保護3在最大、最小運行方式下以及保護3在最小運行方式下G2退

6、出運行，L2退出運行時的等值電抗。進行C母線、D母線、E母線相間短路的最大、最小短路電流的計算，根據(jù)以上電流值整定保護1、2、3的電流速斷保護定值，保護3的限時電流速斷保護定值，確定各自的最小保護范圍并進行校驗。最后在一種假設的情況下對系統(tǒng)的保護情況進行實際的計算。完成電流保護原理圖后對電路的動作進行相應的分析。論文最后利用MATLAB進行模擬仿真。 關鍵詞：電流整定值；最大最小運行；MATLAB仿真 目 錄 第1章 緒 論 1 第2章 輸電線路電流保護整定計算. 2 2.1保護3在最大、最小運行方式下的等值阻抗……………………………….2 2.2保護3在最小運行方式下G

7、2退出運行，L2退出運行等值電路…………..2 2.3進行C母線、D母線、E母線相間短路的最大、最小短路電流的計算…..3 2.4整定保護1、2、3的電流速斷保護定值，并計算各自的最小保護范圍….4 2.5整定保護2、3的限時電流速斷保護定值，并校驗靈敏度………………..4 2.6整定保護1、2、3的過電流保護定值……………………………………….5 第3章 電流保護原理圖的繪制與動作過程分析 7 3.1電流三段式保護原理圖……………………………………………………….7 3.2電流三段式原理展開圖……………………………………………………….8 第4章MATLAB建模仿真分析 10

8、 4.1 MATLAB的概述……………………………………………………………….10 4.2系統(tǒng)仿真建模設計…………………………………………………………..11 4.3 仿真結果分析………………………………………………………………..13 課程設計總結 15 參考文獻 16 第1章 緒 論 電力系統(tǒng)繼電保護是一種電力系統(tǒng)的反事故自動裝置，是整個電力系統(tǒng)設計的重要組成部分，其主要由發(fā)電機、變壓器、線路、電動機、電容器等元件組成。電力系統(tǒng)繼電保護能在全系統(tǒng)范圍內，按指定分區(qū)實時地檢測各種故障和不正常運行狀態(tài)，快速及時地采取故障隔離或告警等措施，以求最限度地維持系統(tǒng)的穩(wěn)定、保持供電的

9、連續(xù)性、保障人身的安全、防止或減輕設備的損壞。因此繼電保護裝置在技術上有四個基本要求：選擇性，速動性，靈敏性和可靠性。 線路相間短路的電流電壓保護有三種：第一，無時限電流速斷保護或無時限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護；第二，帶時限電流速斷保護或帶時限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護：第三，定時限過電流保護或低電壓啟動過電流保護。這三種相間短路電流電壓保護分別稱為相間短路電流保護第Ⅰ段、第Ⅱ段和第Ⅲ段。其中第Ⅰ段和第Ⅱ段作為線路主保護，第Ⅲ段作為本線路主保護的近后備保護和相鄰線路或元件的遠后備保護。這第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段統(tǒng)稱為線路相間短路的三段式電流電壓保護。 第Ⅰ段稱為無時限電流速斷保護，該段動作時間快但是不能保護線

10、路全長。第Ⅱ段稱為帶時限電流速斷保護，該段保護在任何情況下均能保護本線路的全長（包括線路末端），但是為了保證在相鄰的下一個線路出口處短路時保護的選擇性，必須和相鄰的無時限電流速斷保護配合。第Ⅲ段稱為定時限過電流保護，該段保護主要是作為本線路主保護的近后備保護和相鄰下一線路（或元件）的遠后備保護。 本文主要內容是研究在母線短路時，保護1、2、3的第Ⅰ段、第Ⅱ段和第Ⅲ段的整定值，并檢驗它們的靈敏度確定它們是否能夠保護線路。 第2章 輸電線路電流保護整定計算 2.1保護3在最大、最小運行方式下的等值阻抗 保護3在最大運行方式：三臺發(fā)電機及線路L1、L2、L3同時投入運行，等效電路圖如圖2

11、.1。 圖2.1 最大運行方式 根據(jù)設計參數(shù)計算得： X4=X5=60*0.4=24 X6=40*0.4=16 X7=40*0.4=16 X8=30*0.4=12 X9=20*0.4=8 2.2保護3在最小運行方式下G2退出運行，L2退出運行等值電路 保護3在最小運行方式下G2退出運行，L2退出運行等效電路圖如圖2.2. 圖2.2 最小運行方式 2.3進行C母線、D母線、E母線相間短路的最大、最小短路電流的計算 當系統(tǒng)在最小運行方式下運行時C母線短路，此處有最大的短路電流為： 當系

12、統(tǒng)在最大運行方式下運行時C母線短路,此處有最小的短路電流為： 對于D 、E母線發(fā)生相間短路的最大,最小短路電流計算,同樣的道理： 2.4整定保護1、2、3的電流速斷保護定值，并計算各自的最小保護范圍 由于電流速斷保護的動作電流應躲過本線末端的最大短路電流，故應考慮最小運行方式下的三相短路電流.故有，保護1、2、3的第Ⅰ段的動作電流為： 當最小靈敏度大于時,滿足保護設計要求,經(jīng)計算都滿足。 2.5整定保護2、3的限時電流速斷保護定值，并校驗靈敏度 由

13、于無時限電流速斷保護只能保護線路的一部分,而該線路的剩下部分的短路故障必須依靠另外一種電流保護,即帶時限的電流速斷保護。 對于此種保護的動作電流和動作時間的整定分別為: 其中為時限階段,它與短路器的動作時間,被保護線路的保護的動作時間誤差等因素有關.這里我們取=0.5S ,所以對于保護3的電流保護的第Ⅱ段的動作電流應與相鄰線路電流保護的第Ⅰ段相配合, 分支系數(shù)為:=1即 所以該處電流保護的第Ⅱ段的靈敏度為:<1.3故不滿足靈敏度的要求。 斷路器3QF處電流保護的第Ⅱ段與相鄰線路電流保護的電流保護的第Ⅱ段相配合。即有 此時的靈敏度:

14、 <1.3 不滿足要求。 此時斷路器3QF處電流保護的第Ⅱ段動作時間和斷路器2QF處電流保護的第Ⅱ段動作時間相配合： 對于保護2QF的電流保護的第Ⅱ段與相鄰線路1QF電流保護的電流保護的第Ⅰ段相配合。 此時的靈敏度〈1.3不滿足要求。 2.6整定保護1、2、3的過電流保護定值 整定保護1、2、3的過電流保護定值，假定母線E過電流保護動作時限為0.5s，確定保護1、2、3過電流保護的動作時限，校驗保護1作近后備，保護2、3作遠后備的靈敏度。定時限過電流保護的作用是作本線主保護的后備保護,即近后備保護,并做相鄰下一線路的后備保護,即遠后備保護。因此，它的保護

15、范圍要求超過相鄰線路的末端。 故保護1可以作E點的近后備保護。 故保護2可以作E點的遠后備保護。 故滿足靈敏度的要求。 第3章 電流保護原理圖的繪制與動作過程分析 3.1電流三段式保護原理圖 圖3.1 三段式電流保護原理接線圖 如圖所示1KA、2KA是A、C三相電流保護Ⅰ段的測量元件； 3KA、4KA是A、C三項電流保護Ⅱ段的測量元件； 5KA、6KA、7KA是A、C三相電流保護Ⅲ段的測量元件； KM是中間繼電器； 1KT、2KT是電流保護Ⅱ、Ⅲ段的邏輯延時元件；

16、1KS、2KS、3KS是電流保護Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段動作的報警用信號元件。 在該保護的第Ⅰ段保護范圍內發(fā)生AB兩項短路時，測量元件1、2、3、4、5、6都將動作，其中測量元件1、2直接啟動中間繼電器和信號元件，并使斷路器跳閘，切出故障。雖然測量元件3、4、5、6啟動了延時元件，但因故障切除后，故障電流已消失，所以所有測量元件和延時未到的延時元件，均將返回。電流保護的Ⅱ、Ⅲ段不會再輸出跳閘信號。同理，在線路末端短路時，只有延時元件動作以切出故障。每個繼電器都由感受元件、比較元件和執(zhí)行元件三個主要部分組成。感受元件用來測量控制量(如電壓、電流等)的變化，并以某種形式傳送到比較元件；比較元件將接收到的控制

17、量與整定值進行比較，并將比較結果的信號送到執(zhí)行元件；執(zhí)行元件執(zhí)行繼電器功作輸出信號的任務。 3.2電流三段式原理展開圖 電網(wǎng)的三段式電流保護的作用，是利用不同過電流值下，設置不同的延時動作時間來規(guī)避工作尖峰電流和使發(fā)生短路故障時，只有事故點最近的斷路器動作以減少斷電的影響范圍。 三段式電流保護原理展開圖如圖3.2、3.3、3.4所示。 圖3.2 交流回路展開圖 圖3.3 直流回路展開圖 圖3.4 信號回路展開圖 二次設備互相連接，構成對一次設備

18、進行監(jiān)測、控制、調節(jié)和保護的電氣回路稱為二次回路。按電源性質分為交流電流回路（由電流互感器（TA）二次側供電給測量儀表及繼電器的電流線圈等所有電流元件的全部回路）和交流電壓回路---由電壓互感器（TV）二次側及三相五柱電壓互感器開口三角經(jīng)升壓變壓器轉換為220V供電給測量儀表及繼電器等所有電壓線圈以及信號電源等。 如圖3.2所示，它由交流回路、信號回路及紙簍控制回路三部分構成。交流回路由電流互感器TAa、TAc的二次繞組構成不完全星形聯(lián)結，二次繞組姐電流繼電器KA1~KA7的線圈。信號回路由直流屏引出主流操作電源+WS供電。直流控制回路由直流操作電源+WC、-WC供電。當Lbc短路時，保護1

19、、2全不動作，保護3動作。測量元件1KA~6KA都將動作，其中1KA、2KA經(jīng)KM無時限動作直接啟動信號元件1KS，并使斷路器跳閘，切除故障。雖然測量元件3KA、4KA啟動了延時元件1KT，測量元件5KA、6KA啟動了延時元件2KT，但是故障切除后，故障電流已消失，所以所有測量元件和延時未到的延時元件均返回。因此，電流Ⅱ、Ⅲ段不會再輸出跳閘信號。同理，當Lcd短路時，保護3的Ⅰ段都不動作，Ⅱ段和Ⅲ段只有KA動作，KT和KS都不動作。保護2 的Ⅰ段都動作，并且使斷路器跳閘。Ⅱ段和Ⅲ段中只有KA動作，KT和KS也都不動作，而保護3全部動作。當Lde短路時，保護1、2中Ⅰ段全不動作，Ⅱ段和Ⅲ段中只有

20、KA動作，KT和KS都不動作。保護3的Ⅰ段動作，Ⅱ段和Ⅲ段中只有KA動作，KT和KS不動作。 第4章MATLAB建模仿真分析 4.1 MATLAB的概述 MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）之意。除具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB來解算問題要比用C、FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多.在新的版本中也加入了對C、FORTRAN、c++ 、JAVA的支持，可以直接調用。用戶也可以將自己編寫

21、的實用程序導入到MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用，非常的方便。MATLAB的基礎是矩陣計算,但是由于他的開放性，并且mathwork也吸收了像maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。 當前流行的MATLAB 6.5/7.0包括擁有數(shù)百個內部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox)，工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真,文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包、控制工具包、信號處理工具包、通信工具包等都屬

22、于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎.除內部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構造新的專用工具包。 MATLAB一個高級的距陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結構、輸入和輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序(M文件)后再一起運行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C＋＋語言基礎上的，因此語法特征與C＋＋語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓

23、展性極強，這也是MATLAB能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因。 MATLAB對許多專門的領域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，他們都是由特定領域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學研究和工程應用的諸多領域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設計、LMI控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊

24、、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 4.2系統(tǒng)仿真建模設計 根據(jù)線路三段式保護的原理以及各段保護之間的配合模擬各段保護的動作情況。 （1）模擬電流Ⅰ段保護動作執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖所示： 圖4.1電流保護Ⅰ段仿真波形圖 由圖4.1可以看出線路在0.05s發(fā)生故障，產(chǎn)生一個較大的短路，之后經(jīng)過一個很小的延遲0.001，斷路器1跳閘。電流Ⅰ段成功按時動作。 2）模擬電流Ⅱ段保護動作，在電流Ⅱ段的范圍內設置故障，由于本設計是模擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可

25、以直接改變線路1的值來模擬線路不同段的故障。將線路1的值設置為10，線路0、2分別為0.3、3.5仿真結果如下圖所示： 圖4.2 電流保護II段仿真波形圖 由圖4.2可以看出線路在0.05s發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個較大的短路電流，之后經(jīng)過預先設置的延時0.5s，斷路器1在0.55s跳閘。電流Ⅱ段成功按時動作。 3）模擬電流Ⅲ段保護動作，在電流Ⅲ段的范圍內設置故障，由于本設計是模擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路1的值來模擬線路不同段的故障。將線路1的值設置為15.5，線路

26、0、2分別為0.3、3.5仿真結果如下圖4.3所示： 圖4.3 電流保護Ⅲ段仿真波形圖 由圖4.3看出線路在0.05s發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個較大的短路電流，之后經(jīng)過預先設置的延時1.0s，斷路器1在1.05s跳閘。電流Ⅲ段成功按時動作。 4.3 仿真結果分析 對于電流Ⅰ段保護仿真，由圖4.1可以出看出電流Ⅰ段成功按時動作。但是這個故障必須設置在電流速斷的保護范圍之內。這期間其實電流Ⅱ段和Ⅲ段都啟動了，只是他們帶有一個動作延時，在還沒來得及動作時，電流Ⅰ段已經(jīng)動作，并跳開斷路器，以至線路電流減小，Ⅱ段和Ⅲ段都返回而不動作。 對于電流Ⅱ段

27、保護仿真，由仿真的波形圖4.2可以看出，線路在0.05s發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個較大的短路電流，但是這個電流值小于電流Ⅰ段的啟動值，所以電流Ⅰ段不會啟動，而Ⅱ段和Ⅲ段會啟動，在經(jīng)過Ⅱ段預先設置的延時0.5s后，斷路器1在0.55s跳閘，電流Ⅱ段成功按時動作。這是因為電流Ⅲ段雖然啟動，但是還沒來得及動作，電流Ⅱ已經(jīng)將故障切除，以致電流減小使Ⅲ段返回，這也正是電流保護為什么要有動作時限配合的原因。 對于電流Ⅲ段保護仿真，在線路末端發(fā)生短路產(chǎn)生的短路電流較小，使得保護Ⅰ段和Ⅱ段都不會啟動，而Ⅲ段啟動，經(jīng)過預先設置的延遲時間1.0s后Ⅲ段動作而跳閘，切除故障。電流Ⅲ段不僅作為線路主保護拒動時的近后備保護

28、，而且作為下一級相鄰線路保護拒動和斷路器拒動時的遠后備保護，同時還作為過負荷時的過負荷保護。 課程設計總結 電力系統(tǒng)是有許多復雜的一次設備和二次回路的保護、控制、調節(jié)、信號等輔助設備組成的一個有機整體，是基于理論電工電機學和電力系統(tǒng)等基礎理論的一門綜合性學科。本文設計的是相間短路電流電壓三段式保護。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，對電力系統(tǒng)安全性、可靠性、高效性運行的要求越來越高，繼電保護應運而生，本文對繼電保護各項參數(shù)進行了計算，以及安裝了方向保護元件實現(xiàn)方向保護，并對其系統(tǒng)保護的算法進行了MATLAB仿真研究。 本文章首先是對電力系統(tǒng)繼電保護進行了簡單的介紹，然后對電流電壓保護做了概述

29、和簡單的計算，然后給出了三段式電流保護的原理圖，最后對系統(tǒng)進行MATLAB仿真，等處的結果與計算結果相比較。 參考文獻 [1] 陳堂等編著 《配電系統(tǒng)及其自動化技術》 中國電力出版社2004.8 [2] 趙晶 主編《Prote199高級應用》．人民郵電出版社，2000：18-25 [3] 何仰贊等 編著 《電力系統(tǒng)分析》 武漢：華中理科技學出版社，2002.3 [4] 于海生 編著 《微型計算機控制技術》 清華大學出版社2003.4 [5] 王士政主編 《電網(wǎng)調度自動化與配網(wǎng)自動化技術》中國水利水電出版社2007.3 [6] 梅麗鳳等編著《單片機原理及接口技術》清華大學出版社2009.7 [7] 許建安 編著 《電力系統(tǒng)微機繼電保護》中國水利水電出版社2003.6 [8] 尹項根 曾克娥編著 《電力系統(tǒng)繼電保護原理與應用》 華中科技大學出版社 2001.5 [9] 吳必信 編著 《電力系統(tǒng)繼電保護》 中國電力出版社 2000.10 [10] 李麗嬌 齊云秋 編著 《電力系統(tǒng)保護》 中國電力出版社 2005.7