毕业设计_220kv输电线路距离保护设计

辽宁工业大学

电力系统继电保护课程设计（论文）题目：220kV输电线路距离保护设计（3）

院（系）：电气工程学院

专业班级：电气1

学号：

学生姓名：

指导教师：（签字）

起止时间： 2013.12.30-2014.1.10

课程设计（论文）任务及评语

续表

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘要

对于如今现代电网环境，对输电线路的电流电压保护构成简单，对没有特殊要求的中低压电网，都能满足保护要求。但是随着对电网质量的日益提高，灵敏度受系统运行方式的影响有时保护范围很小，再者，该保护的整定计算比较麻烦，这使得其在35KV及以上的复杂网络中很难适用，为此研究了性能更好的保护原理和方案距离保护。

本文主要设计对220kV输电线路距离保护，按照躲开下一条线路出口处短路的原则计算保护1距离保护第Ⅰ段，第Ⅱ段，第Ⅲ段的整定值和灵敏度。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。并且分析在具体故障点给定后，保护1的三段式距离保护的反应。最后绘制三段式距离保护的原理框图，分析其动作过程，并采用MATLAB建立简单电力系统三段式距离保护的模型，进行仿真分析。

关键词：三段式距离保护；MATLAB仿真；系统振荡；

目录

第1章绪论 (1)

1.1继电保护概述 (1)

1.2本文研究内容 (1)

第2章输电线路距离保护整定计算 (2)

2.1 距离Ι段整定计算 (2)

2.2距离Ⅱ段整定计算 (2)

2.3距离Ⅲ段整定计算 (3)

2.4系统振荡和短路过渡电阻影响分析 (4)

第3章距离保护原理图的绘制与动作过程分析 (5)

3.1距离保护原理图 (5)

3.2距离保护原理说明 (5)

第4章 MATLAB建模仿真分析 (7)

4.1距离保护的MATLAB仿真 (7)

4.2距离保护仿真波形及分析 (8)

第5章课程设计总结 (10)

参考文献 (11)

第1章绪论

1.1继电保护概述

电力是如今社会发展所缺少的主要能源，其应用广泛，地位重要。电力系统的稳定安全以及经济性，对人民的生活乃至社会稳定都有着极大地影响。其中在输电线路上的保护尤为重要，我们一般使用作用于断路器的过电流继电器对线路进行保护，达到反应快，误差小，精度快等优点。

继电器对线路的保护是在被保护的电力系统发生故障时，应该由元件的保护装置迅速准确地给距离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度的减少对电力元件本身的损害，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求。继电器会快速准确地反映出设备不正常运行以及维护信号，以便人员及时调节，来保护我们的电力系统。整定计算是针对具体的电力系统，通过网络计算工具进行分析计算、确定配置的各种系统保护的保护方式得到保护装置的定值以满足系统的运行要求。整定计算是继电保护工作中一项非常重要的内容，正确、合理的进行整定计算才能使系统中的各种保护装置和谐的一起工作，发挥积极的作用。

1.2本文研究内容

本文主要对电力系统中，220kV输电线路距离保护进行设计。

其主要内容如下：

（1）首先对系统中保护1的各段整定值和灵敏度进行了整定计算。

（2）分析了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。

（3）分析其在具体故障点给定后，保护1的三段式距离保护的动作情况。

（4）分析其动作过程，最后采用MATLAB建立简单电力系统三段式距离保护的模型，进行仿真分析。

Ω∠=Ω??==?

I I 6976.123842.08.03BC rel set Z K Z Ω∠=Ω??==?

I I 6908.103042.08.01AB rel set Z K Z Ω∠=Ω??==?

I I 6983.206242.08.04CD rel set Z K Z 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I 段的整定方法按照躲开下一条线路出口处短路的原则整定 （1-1） 其中I rel K =0.8，通过该公式计算距离保护第Ⅰ段动作阻抗

为配合方便，先求出1、3、4QF 断路器处保护第Ⅰ段的整定值，即:

确定动作时间：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

在对Ⅱ段进行保护的整定计算时与相邻线路距离保护I 段相配合。当1QF 处距离保护第Ⅱ段与BC 线段第Ⅰ段配合时，有：

)(3min 1I

+==set b AB rel set Z K Z K Z ⅡⅡ

69.13030

42.08111max min min =?++=++=+=+==

sB AB sA AB B AB B AB AB BC b Z Z Z I I I I I I I K 68.214

30

42.01111min max max =?++=++

=sB AB sA b Z Z Z K

故()Ω?∠=Ω?∠?+??=6957.286968.1369.13042.08.01Ⅱset Z 灵敏度校验：

（1-2）

要求：≥1.3～1.5

AB

I rel I op Z K Z =1.Ω=??==08.103042.08.01.AB I res I op Z K Z AB

II

op II sen

Z Z K 1

.=

满足要求。 动作时间：t=0.5s

2.3距离Ⅲ段整定计算

因为采用方向阻抗元件，故距离保护第Ⅲ段的整定值应按以下条件整定。 （一）躲过最小负荷阻抗，即：

)

cos(9.031

max 1L set L e

rel set I U K Z ??-=

Ⅲ

Ⅲ （1-3）

由题意知：9.0cos =L ?,即?=8.25L ?，而?=69set ?

故Ω?∠=Ω?-????=

6964.73)

8.2569cos(4.09

.035.03

115

1Ⅲ

set Z

按与相邻距离保护第Ⅲ段动作时间配合，第Ⅲ段距离保护的动作时间为：

s t op 5.21=Ⅲ

（二）与相邻线距离保护第Ⅱ段配合，即：

ⅡⅢ3min '1set b rel AB rel set Z K K Z K Z +=，8.0'==rel rel K K ()

ⅠⅡⅡ4'min 3set b BC rel set Z K Z K Z +=，1'm in =b K

()Ω?∠=Ω+??6951.3404.263845.08.03Ⅱset Z

()

ⅡⅢ3min 18.0set b AB set Z K Z Z +?=

()()Ω

?∠=Ω

?∠+?=Ω

?∠?+??=694.57693.585.138.06951.3469.13045.08.0 应取Ω?∠=694.571Ⅲ

set Z 为相间距离保护第Ⅲ段的整定值。

按与相邻距离保护第Ⅱ段配合，第Ⅲ段距离保护的动作时间为：

t t t op op ?+≥Ⅱ

Ⅲ31

试中，Ⅱ3op t ——相邻线路重合后不经振荡闭锁的距离保护第Ⅱ段的动作时间。

26

.26

.1257.281

.===AB II op II sen Z Z K

取第Ⅲ段的动作时间为：

s t op 5.21=Ⅲ

进行距离保护第Ⅲ段的灵敏度校验： 当作为近后备时，

5.125.430

45.04.571>=?==AB set sen

Z Z K Ⅲ

当作为远后备时，

97.045

.03868.23045.04.57max 1

=??+?=+=BC b AB

set sen Z K Z Z K Ⅲ

2.4系统振荡和短路过渡电阻影响分析

全相振荡时，系统三相对称，故可只取一相分析；两侧电源电势M E .和N E .

电势相等，相角差为)3600(??<<δδ系统中各元件阻抗角均相等，以d ?表示不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发生短路。当N M E E .

.

= 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。则系统在

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：

在系统最小运行方式下，其值与该段阻抗相比，小于该段阻抗。所以相间距离I 不动作。

2.相间距离保护II 段：

在系统最小运行方式下，其值与该段阻抗相比，大于该段阻抗，且动作时间小于其时间。所以相间距离保护II 段动作。 3.相间距离保护II 段：

在系统最小运行方式下，其值与该段阻抗相比，小于该段阻抗，且动作时间大于其时间。所以相间距离保护III 段不动作。

Ω==∑1.182

Z

Z J

第3章 距离保护原理图的绘制与动作过程分析

3.1距离保护原理图

线路距离保护可以分为3段式保护其中距离保护第Ⅰ、Ⅱ段为线路的主保护，距离保护第Ⅲ段为本线主保护的近后备保护，其原理图如下：

图3.1 三段式距离保护构成的单相原理框图

3.2距离保护原理说明

图中，ⅠZ 、ⅡZ 、ⅢZ 分别是距离保护第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的测量元件，叫阻抗元件或阻抗继电器，用于测量故障点至保护安装处的距离，并与整定值set Z 进行比较；当

set m Z Z <时，测量元件有输出，反之，无输出。2KT 和3KT 分别是距离保护第Ⅱ、Ⅲ

段的延时元件，它作为时序逻辑判断元件。延时元件2KT 用于判别故障是否在距离保护第Ⅰ段保护范围外的被保护线路内，故障点在该保护范围内时，延时元件2KT 输出跳闸信号；否则2KT 不输出跳闸信号；延时元件3KT 则用于判别是否本线路发生了故

障而主保护拒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拒动，若出现上述拒动情况，则延时元件3KT 会有输出，使本线断路器跳闸。元件1是电流或阻抗测量元件，作为整套距离保护的启动元件，判断是否发生故障，发生故障时有输出；元件2和3分别是振荡闭锁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10闭锁保护，可防止保护误动作。1KS 、2KS 、3KS 为距离第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护的信号元件，当相应段的保护动作时，相应段的信号元件动作输出保护动作的报警信号。

在上述原理框图中，有三点值得说明：第一，整套保护也可用距离保护中第Ⅲ段的测量元件ⅢZ 兼做启动元件；第二，保护中第Ⅰ、Ⅱ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来实现；第三，若测量元件ⅠZ 、ⅡZ 和ⅢZ 无方向性，则需加方向判断元件。

从图3.1中可见，三段式距离保护与三段式电流保护的差别主要表现在一下三个方面：第一，测量元件是阻抗元件，而不是电流元件；第二，增加了两个闭锁元件；整套保护中每相均有启动元件，可以增强保护的可靠性。

第4章 MATLAB建模仿真分析

4.1距离保护的MATLAB仿真

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 MA TLAB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

通过这次的课程设计，我认识到了在如今电力系统中对线路的保护尤为重要。而对于多种多样的对线路的保护来说，距离保护作用突出。因此本文研究了性能更好的保护原理和方案。文中通过对保护1的各段保护整定值进行了计算与灵敏度校验，以及确定各段保护的动作时间。并针对系统可能出现的振荡和短路过渡电阻的影响进行了分析。在保护1的各段整定值和灵敏度计算完成后，我们还绘制了三段式距离保护的原理图，然后对保护1的各段动作过程进行了理论推断。最后利用MATLAB建立系统模型进行了仿真分析。通过这些设计研究，更深入的了解到线路保护的原理，应用以及重要性，对其的了解是我本学期课设所得到的最重要的知识以及对以后工作在电力行业所应获得的必不可少的知识。