14、35kV输电线路方向电流保护设计要点

辽 宁 工 业 大 学

电力系统继电保护课程设计（论文）

题目：35kV输电线路方向电流保护设计

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气102 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字） 起止时间：

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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35kV输电线路方向电流保护设计 文）题目 系统接线图如图： G5 L 4 系统接线图 G7 L6 3 C 2 D 1 E GA 9 L8 B 课程设计（论文）任务 课程设计的内容及技术参数参见下表 设计技术参数 E37/3kV,XG110,工作量 1.等值电抗计算、短路电流计算。 2. 整定保护4、5的电流速断保护定XG210,XG310, 值，并尽可能在一端加装方向元件。 L1=L2=40km,L3=40km,LB-C=40km, 3．确定保护5、7、9限时电流速断保护的电流定值，并校验灵敏度。 LC-D=30km,LD-E=30km,线路阻抗4．确定保护4、5、6、7、8、9过电0.4/km, I流保护的时间定值，并说明何处需要KrelKrel1.2,Krel1.15, 安装方向元件。 最大负荷电流IB-C.Lmax=90A, 5．绘制方向过电流保护的原理接线IC-D.Lmax=60A, ID-E.Lmax=45A, 图。并分析动作过程。 6、采用MATLAB建立系统模型进行仿电动机自启动系数Kss=1.5，电流真分析。 继电器返回系数Kre=0.85。最大运行方式：三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行；最小运行方式：G2、L2退出运行。

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续表 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：整定保护4、5的电流速断保护定值，并尽可能在一端加装方向元件。 第四天：确定保护5、7、9限时电流速断保护的电进度计划

流定值，并校验灵敏度。 第五天：确定保护4、5、6、7、8、9过电流保护的时间定值，说明何处需安装方向元件。 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

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摘 要

电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重要的影响。电力系统由各种电气元件组成，由于自然环境、制造质量、运行维护水平等诸多方面的原因，电力系统的各种元件在运行中不可能一直保持正常状态。因此，需要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的技术之一就是继电保护技术。

本文主要对35KV输电线路方向电流保护进行分析与设计，对电气元件在最大运行方式和最小运行方式下的电流进行整定计算后，进行分析，判断是否需要安装方向元件，并在绘制方向电流保护原理图后进行仿真，最后达到安全稳定的保护电力系统运行的要求。

关键词：输电线路；方向元件；电流保护；电力系统稳定运行

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目 录

第1章 绪论 ............................................................. 4

1.1输电线路电流保护概述 ............................................. 4 1.2 本文设计内容 .................................................... 4 第2章 输电线路方向电流保护整定计算 ..................................... 5

2.1 方向电流Ι段整定计算 ............................................ 5

2.1.1 保护4、5的Ι段动作电流的整定 ............................... 6 2.1.2 灵敏度校验 ................................................. 7 2.1.3 动作时间的整定 ............................................. 7 2.2 保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算 ................................. 7 2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装 ..................... 8 第3章 方向电流保护原理图的绘制与动作过程分析 ........................... 9

3.1绘制方向保护原理图 ............................................... 9 3.2动作过程分析 ..................................................... 9 第4章 MATLAB建模仿真分析 .............................................. 10 第5章 课程设计总结 .................................................... 12 参考文献 .............................................................. 13

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第1章 绪论

1.1输电线路电流保护概述

电力系统的输、配电线路因各种设备原因、自然原因、人工操作不当等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。而且，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35KV及以上的电力设备和线路故障，应有主保护和后备保护；对于电压等级在220KV及以上的线路，应该考虑或者必须装设双重化的主保护，对于整个线路的故障，应该无延时控制其断路器跳闸。

线路的相间短路、接地短路保护主要有电流电压保护，方向电流电压保护，接地零序电流电压保护，距离保护和纵联保护等。而其中电流电压保护主要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 本文设计内容

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。

本次设计主要对保护段的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。以及运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算等。

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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

首先要进行动作电流的整定，如图2.1和图2.2所示分别为系统最大运行状态和最小运行状态下的等效电路图：

XG11XG22XG33 XL14XL25XL36

图2.1 系统最大运行方式等效电路图

Xbc7Xcd8Xde9

XG11XG32

XL13XL34 Xbc5Xcd6Xde7图2.2系统最小运行方式

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由条件可知：

XG1XG2XG310 XL1XL2XL316

XBC16,XCD12,XDE12

所以最大运行方式的等值阻抗为：

X3min(XG1||XG2XL1||XL2)||(XG3XL3)8.7

最小运行方式下的等值阻抗为：

X3max(XG1XL1)||(XG3XL3)13

则C母线的最大短路电流为： IkcmaxEX3minXBC0.86KA

同理D母线的最大短路电流为： IkdmaxEX3minXBCXCD0.58KA

E母线的最大短路电流为： IkemaxEX3minXBCXCDXDE0.43KA

于是可以求出保护1、2、3的第一段动作电流分别为：

1Iop1KrelIkcmax0.516KA 1IopK2relIkdmax0.696KA 1Iop3KrelIkemax1.032KA

2.1.1 保护4、5的Ι段动作电流的整定

在线路A点的三相短路时的最大短路电流为：

IkamaxE0.737KA

(XG1XL1)||(XG2XL2)XL3所以保护4的Ι段动作电流为：

3IopKI4relkamax0.884KA

同理，在线路B点的三相短路时的最大短路电流为：

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IkbmaxE0.822KA

XG3XL3保护5的Ι段动作电流为：

3Iop5KrelIkbmax0.986KA

2.1.2 灵敏度校验

灵敏度可以反映出继电保护装置对于其保护范围内发生故障或者不正常运行状态的反应能力，所以对各个保护进行灵敏度校验就很有必要，如下所示：

Xl4min3EsX3max7.7 2Iop43EsX3max8.9 2Iop5Xl5min所以保护4的灵敏度为：

K1senXl4min100%48%15% Xl3所以保护4满足灵敏度要求。

同理保护5的灵敏度为：

K1senXl5min100%55%15% Xl3所以保护5也满足灵敏度要求。

2.1.3 动作时间的整定

无时限电流速断保护不必外加延时元件，即电流保护的第段动作时间为：

top4top50

2.2 保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算

当电流段的保护灵敏度达不到要求时就不能使用，此时可以采用另一种保护方式，即带时限的电流速断保护，所以以保护5为例对其方向电流Ⅱ段进行整定计算。

已知kb5min1

IB10.92KAIop31.032KA IAB7

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分支系数=流过故障线电流与流过保护线电流的比值。 所以kb5min1IB0.92KA IAB所以保护5的动作电流为：

Iop5KrelIop3kb5min1.29KA

对其进行校验：

Ksen2Ikbmin4.211.3 Iop5所以满足灵敏度要求。

2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装

方向电流Ⅲ段动作电流的整定计算应遵循阶梯型原则：

t10s

t2t1t0.5s t3t2t1.0s

t6t7t9t3t1.5s

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。

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第3章 方向电流保护原理图的绘制与动作过程分析

3.1绘制方向保护原理图

根据系统接线图，绘制出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，而整套保护中每相均有启动元件，可以增加保护的可靠性。

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第4章 MATLAB建模仿真分析

利用Simulink中的SimPowerSystems工具箱构建设计要求中给定的电力系统系统，并在Matlab环境中调试成功。再建立线路三段式电流保护模块对各个部分参数进行设定。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电流I、II段保护动作分别在电流I、II段的范围内设置故障进行调试仿真。

（1）模拟电流Ⅰ段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图4.1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4.1 电流Ⅰ段保护仿真图形

（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10，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4.2所示:

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图4.2 电流Ⅱ段保护仿真图形

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。

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第5章 课程设计总结

随着电力应用的不断发展，电力系统继电保护对电力系统运行的稳定性、安全性、可靠性起到了非常重要的作用，因为在电力系统发生故障时，为了防止电力系统事故的扩大，保证非故障部分仍能可以可靠的供电，以及维持电力系统运行的稳定性，要求电力系统继电保护装置能在几十毫秒内准确迅速的识别并切除故障。所以，电力系统继电保护已经成为电力工业的一个必不可少的组成部分。

本课设主要是针对输电线路方向电流保护进行设计，本文首先对电力系统继电保护进行简单的介绍，然后分别在最大运行方式和最小运行方式下对等值电抗进行计算，并且计算出各个保护的动作电流，进行灵敏度校验，进而绘制出方向保护的原理图，最后对系统进行模拟仿真并分析了结果。

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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，2000：6

[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] 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 [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

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