220kV输电线路距离保护设计.pdf
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辽辽宁宁工工业业大大学学电力系统继电保护电力系统继电保护课程设计(论文)课程设计(论文)题目:
题目:
220kV220kV输电线路距离保护设计(输电线路距离保护设计(33)院(系院(系):
电气工程学院电气工程学院专业班级:
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学生姓名:
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指导教师:
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(签字)起止时间:
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本科生课程设计(论文)I课程设计(论文)任务及评语课程设计(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学号学生姓名专业班级课程设计(论文)题目220kV输电线路距离保护设计(3)课程设计论文任务系统接线图如图:
课程设计的内容及技术参数参见下表设计技术参数工作量线路每公里阻抗为Z1=0.42/km,线路阻抗角为L=69,AB、BC线路最大负荷电流为830A,负荷功率因数为cosL=0.9,8.0=IrelK,8.0=relK35.0=relK。
电源电势为E=230kV,ZsAmax=11,ZsAmin=8,ZsBmax=30,ZsBmin=14。
归算至230kV的各变压器阻抗为164,容量ST为30MVA。
其余参数如图所示。
1计算保护1距离保护第段的整定值和灵敏度。
2.计算保护1距离保护第段的整定值和灵敏度。
3.计算保护1距离保护第段的整定值和灵敏度。
4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。
5当距保护1出口20km处发生带过渡电阻Rarc=12的相间短路时,保护1的三段式距离保护将作何反应(设B母线上电源开路)?
6绘制三段式距离保护的原理框图。
并分析动作过程。
7.采用MATLAB建立系统模型进行仿真分析。
stOP5.08=stOP17=8E656238km2174330DCBA系统接线图本科生课程设计(论文)II续表进度计划第一天:
收集资料,确定设计方案。
第二天:
距离I段整定计算及灵敏度校验。
第三天:
距离II段整定计算及灵敏度校验。
第四天:
距离III段整定计算及灵敏度校验。
第五天:
系统振荡和短路过渡电阻影响分析。
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。
指导教师评语及成绩平时:
论文质量:
答辩:
总成绩:
指导教师签字:
年月日注:
成绩:
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算本科生课程设计(论文)III摘要线路的电流电压保护构成简单,可靠性好,用于中、低压电网一般能满足对保护性能的要求。
但是由于其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。
距离保护是一种反映物理量,测量阻抗下降而动作的保护,可构成三段式距离保护即本设计所采用的保护方式。
本文首先对系统中保护1的各段整定值和灵敏度进行计算,然后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。
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:
距离保护;整定计算;仿真;故障点本科生课程设计(论文)IV目录第1章绪论.1第2章输电线路距离保护整定计算.22.1距离段整定计算.22.2距离段整定计算.22.3距离段整定计算.32.4系统振荡和短路过渡电阻影响分析.42.4.1系统震荡特性.42.4.2短路过渡电阻影响分析.7第3章距离保护原理图的绘制与动作过程分析.103.1保护1各段距离保护的动作过程.103.2三段式距离保护的原理框图.103.3距离保护原理说明.11第4章MATLAB建模仿真分析.134.1距离保护MATLAB建模.134.2距离保护仿真波形及分析.14第5章课程设计总结.16参考文献.17本科生课程设计(论文)1第1章绪论20世纪初,继电器开始广泛应用于电力系统的保护。
1901年出现了感应型过电流继电器。
1908年提出了比较被保护元件两端电流的电流差动保护原理。
1910年方向性电流保护原理得到应用。
1920年输电线路距离保护装置诞生。
20世纪60年代末,有人提出了用小型计算机实现继电保护装置的设想,因当时小型计算机在价格、体积、性能方面的种种原因而未能投入实用。
但却由此开始了对继电保护计算计算法的大量研究,为后来微型计算机型继电保护装置的发展奠定了理论基础。
微机型保护除了具有保护功能外,还可兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录以及网络通信等铺筑功能,这对简化保护的调试、事故分析和事故后的处理等都有重大意义。
由于微机型保护装置的巨大优越性和潜力,因而受到了运行人员的广泛欢迎,可以说微机型保护代表着电力系统继电保护的未来。
输电线路距离保护是指利用阻抗元件来反应短路故障的保护装置,阻抗元件的阻抗值是接入该元件的电压与电流的比值,也就是短路点至保护安装处的阻抗值。
因线路的阻抗值与距离成正比,所以叫距离保护或阻抗保护。
系统在正常运行时,不可能总工作于最大运行方式下,因此当运行方式变小时,电流保护的保护范围将缩短,灵敏度降低;而距离保护测量的是短路点至保护安装处的距离,受系统运行方式影响较小,保护范围稳定,常用于线路保护电力系统稳定运行主要有符合要求电网结构、系统运行方式和电力系统继电保护来保证。
高压及以上等级电网中,继电装置可靠性和速动性有双重主保护来保证,其选择性和灵敏性主要由相间接地故障后被保护延时段来保证。
距离保护是以距离测量元件为基础构成保护装置,称阻抗保护。
系统正常运行时,保护装置安装处的电压为系统的额定电压,电流负载电流,发生短路故障时,电压降低、电流增大。
因此,电压和电流比,正常状态和故障状态有很大变化。
由于线路阻抗和距离成正比,保护安装处的电压与电流之比反映了保护安装处到短路点的阻抗,也反映保护安装处到短路点距离。
所以按照距离远近来确定保护动作时间,这样就能有选择地切除故障。
本次课程设计的主要是输电线路的距离保护。
计算和分析主要内容是计算保护1距离保护段、段和段整定值和灵敏度,计算灵敏度同时要注意每个保护的动作时间要精确,上述工作完成后接下来对设计提出的系统震荡和短路过渡电阻对系统的影响进行相应的计算分析,并确定距离保护的范围,并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。
本科生课程设计(论文)2第2章输电线路距离保护整定计算2.1距离段整定计算距离段动作阻抗的整定距离I段按躲开下一条线路出口处短路的原则整定其中:
8.0=IrelK计算相间距离保护第段动作阻抗断路器1、3、4QF处距离保护第段的动作时间和灵敏度分别为:
0431=opopopttt%80431=sensensenKKK确定动作时限:
t=0.5S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距离段整定计算距离II段与相邻线路距离保护I段相配合,或躲开线路末端变电所变压器低压出口侧出口处短路时的阻抗值整定。
(1)与相邻线路第段配合。
动作阻抗为:
最小分支系数:
8.0=relK助增分支:
ABIresIopZKZ=1.=6.9304.08.01.ABIresIopZKZIopbrelABIIrelIIopZKKZKZ2.min.1.+=47.215151210minminmax=+=+=sBsBABsAbZZZZK本科生课程设计(论文)3汲出系数为:
1总的分支系数为:
整定阻抗为:
灵敏度校验:
要求:
1.31.5满足要求
(2)躲开线路末端变电所变压器低压出口侧出口处短路时的阻抗值。
动作阻抗为:
最小分支系数整定阻抗为:
灵敏度校验:
要求:
1.31.5满足要求相间距离II段整定值取上述两项中较小值。
整定阻抗为:
整定时间为:
t=0.5S2.3距离段整定计算
(1)按躲过最小负荷阻抗整定动作阻抗为:
整定阻抗为:
(2)灵敏度校验近后备时:
满足要求远后备时:
max.min.39.0fhxefhIUZ=73.170335.01159.09.0max.min.IUZfhxefhssrerelfhIIIsetKKKZZmin.1.=88.782.15.12.173.170min.1.ssrerelfhIIIsetKKKZZ47.2147.2.=汲助bbinbmKKK=+=+=64.392.1547.28.0120.82.min.1.ZKKZKZIopbrelABIIrelIIopABIIopIIsenZZK1.=30.31264.391.=ABIIopIIsenZZKBbrelABIIrelIIopZKKZKZmin.1.+=min.bK=+=+=68.855.3847.28.0120.8min.1.ZKKZKZBbrelABIIrelIIopABIIopIIsenZZK1.=14.71268.851.=ABIIopIIsenZZK=+=+=64.4272.1647.28.0120.82.min.1.ZKKZKZIopbrelABIIrelIIop3.157.61288.781.=ABIIIopIIIsenZZKBCbABIIIopIIIsenZKZZKmax.1.+=本科生课程设计(论文)4作为线路BC远后备时:
满足要求。
作为变压器远后备时:
满足要求。
动作时间:
2.5S1.51t371=+=+=OPOPtt2.4系统振荡和短路过渡电阻影响分析2.4.1系统震荡特性系统振荡时,系统中各发电机电势间的相角差随时间作周期性变化,从而使系统中各点电压,线路电流以及距离保护的测量阻抗也将发生周期性变化,可能导致距离保护的误动作。
但通常系统振荡若干周期后,多数情况下能自行恢复同步,若此时保护误动,势必造成不良后果,因而使不允许的。
(1)对系统振荡电压,电流的变化规律几点假设:
.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ME.和NE.电势相等,相角差为)3600(=+=+=BCbABIIIopIIIsenZKZZK2.156.15.3811288.78max.1.=+=+=BbABIIIopIIIsenZKZZK本科生课程设计(论文)5图2.2相角振荡电流的有效值随变化(包络线)图2.3变化电压:
MMMZIEU.=NNNZIEU.+=图2.3电压与角变化图系统中总有一点的电压为最低,其值为由0向NMEE.相量所做的垂线的长本科生课程设计(论文)6度,该点则称为振荡中心,以z表示。
当NMEE.=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(即2Z处)。
当=180时,0.=ZU,I最大,相当于在线路z点发生三相短路。
振荡周期:
电压的一个最大值到下一个最大值所经历的时间,一般发生在0.252.5s的范围内。
(2)系统振荡时测量阻抗时测量阻抗的变化规律。
M侧:
MjMMMMMmJZeZZIEIZIEIUZ=1.因为2121jctgej=所以22)2()21(2.ctgZjZZZjctgZZMMmJ=图2.4阻抗变化图=0,=2ctg,=.2)2(ZjZZZMJ=180,02=ctg,MJZZZ=2本科生课程设计(论文)7=360,=2ctg,+=.2)2(ZjZZZMJ可见,当变化,JZ幅值变化,阻抗角亦变化。
系统振荡时时距离保护的影响:
图2.6当测量阻抗进入特性圆内,阻抗继电器就要误动。
全阻抗继电器误动的相角14,方向阻抗继电器误动的相角23。
Tt.360141=Tt.360232=因为T0.252.5之间,所以Stbh5.1就可躲振荡的影响。
(3)当NMEE.=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(即2Z处)。
则=1.182ZZJ2.4.2短路过渡电阻影响分析过渡电阻的性质:
)2()3(,dd电弧电阻)1()1,1(,dd电弧电阻,杆塔电阻,大地电阻本科生课程设计(论文)8图2.7fdgddddddgdJJJZZRIIZIZIRIIUZ+=+=+=.其中fZ为附加阻抗,jgddfeRIIZ=,为dI.超前.dI的角度。
讨论:
.0.=dI,单侧电源网络gfddRZII=,.纯电阻性,JZ增大。
.0.dI.双侧电源网络受电侧0,fZ电阻电感性,fZ电抗部分增大。
送电侧=所以相间距离保护I段不动作。
2、相间距离保护II段:
由于IIopJZZ1.8.20=所以相间距离保护II段动作。
3、相间距离保护II段:
本科生课程设计(论文)9由于IIIopJZZ1.8.20=所以相间距离保护I段不动作。
2、相间距离保护II段:
由于IIopJZZ1.1.18=t=0.5S1.5S所以相间距离保护II段动作。
3、相间距离保护II段:
由于IIIopJZZ1.1.181.5S所以相间距离保护III段不动作。
3.2三段式距离保护的原理框图线路距离保护与电流电压保护类同,亦可构成三段式距离保护,其中距离保护第、段为线路的主保护,距离保护第段为本线主保护的近后备保护和相邻元件的远后备保护,相间距离保护构成可用图3-1所示的框图来说明。
本科生课程设计(论文)11图3.1原理图3.3距离保护原理说明图中,Z、Z、Z分别是距离保护第、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setZ进行比较;当setmZZ时,测量元件有输出,反之,无输出。
2KT和3KT分别是距离保护第、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、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段的测量元件Z兼做启动元件;第二,保护中第、的测量元件Z、Z整本科生课程设计(论文)12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Z、Z和Z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。
本科生课程设计(论文)13第4章MATLAB建模仿真分析4444.1.1.1.1距离保护MATLAB建模目前电子计算机已广泛应用于电力系统的分析计算。
MATLAB是一种交互式、面向对象的程序设计语言,广泛应用于工业界与学术界,主要用于矩阵运算,同时在数值分析、自动控制模拟、数字信号处理、动态分析、绘图等方面也具有强大的功能,其程序设计语言结构完整,且具有优良的移植性,它的基本数据元素是不需要定义的数组。
它可以高效率地解决工业计算问题,特别是关于矩阵和矢量的计算。
MATLAB设计中,原始数据的填写格式是很关键的一个环节,它与程序使用的方便性和灵活性有着直接的关系。
原始数据输入格式的设计,主要应从使用的角度出发,原则是简单明了,便于修改。
作为强大的计算平台,MATLAB集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一身,它几乎可以满足所有的计算要求。
另外,MATLAB还针对许功能强大的模块集或工具箱,如电力系统仿真工具箱等。
一般说来,用户可以直接使用工具箱足学习、应用和评估不同的模型而不需要自己编写代码。
当今社会高性能、低成本以及生产和更新换代周期短已经成为现代企业对产品设计的最基本要求,模块化、模型化以及动态仿真是产品设计者对设计工具的最基本要求,而MATLAB中的Simulink就是可以完全满足要求的几个工具软件之一。
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-PhauseFault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。
本科生课程设计(论文)14图4.1仿真原理图4444.2.2.2.2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,。
改变本科生课程设计(论文)15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图4.4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。
本科生课程设计(论文)16第5章课程设计总结本次课程设计的任务是设计输电线路的距离保护,线路的电流电压保护构成简单,可靠性好,用于中、低压电网一般能满足对保护性能的要求。
但是由于其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,为此本文研究了性能更好的保护原理和方案:
距离保护。
文中对保护1的各段保护整定值进行了计算与灵敏度校验,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,然后对保护1的各段动作过程进行了理论推断。
在保护1的各段整定值和灵敏度计算完成后,还对各段保护的动作时间进行了精确计算,这是很重要的一个环节,因为各段保护的动作选择性主要由这两个数据来进行判断。
然后对设计提出的系统震荡和短路过渡电阻对系统的影响进行相应的计算分析,并确定距离保护的范围,并分析系统在最小运行方式下振荡时,保护1的各段距离保护的动作情况。
在进行计算的时候由于对分支系数bK的概念理解不够清楚,导致后续计算数据出现偏差,最后通过与他人的数据进行比较分析,找出错误所在,最终得到合理的数据方案。
本科生课程设计(论文)17参考文献1陈堂等编著配电系统及其自动化技术中国电力出版社2004.82赵晶主编Prote199高级应用人民邮电出版社,2000:
18-253何仰赞等编著电力系统分析武汉:
华中理科技学出版社,2002.34于海生编著微型计算机控制技术清华大学出版社2003.45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2007.36梅丽凤等编著单片机原理及接口技术清华大学出版社2009.77许建安编著电力系统微机继电保护中国水利水电出版社2003.68马永翔.电力系统继电保护.重庆大学出版社.20049贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理.中国电力出版社.200410张举.微型机继电保护原理.中国电力出版社.200411许正亚.输电线路新型距离保护.中国水利水电出版社.2002
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