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继电保护电流电压保护

辽宁工业大学

电力系统继电保护课程设计（论文）

题目：

输电线路电流电压保护设计（5）

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

电气092

学号：

学生姓名：

金

指导教师：

（签字）

起止时间：

2012.12.-2013.1.11

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

电气092

课程设计题目

输电线路电流电压保护设计（5）

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

L1=L2=50km,L3=40km,

LB-C=30km,LC-D=50km,

LD-E=30km,线路阻抗0.4

/km,

最大负荷电流IB-C.Lmax=400A,

IC-D.Lmax=360A,

ID-E.Lmax=240A,

电动机自启动系数Kss=1.5，电流继电器返回系数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。

1.确定保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗。

2.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。

3.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。

4.整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度。

5.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。

6．绘制三段式电流保护原理接线图。

并分析动作过程。

7、采用MATLAB建立系统模型进行仿真分析。

续表

进度计划

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。

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

摘要

本任务书研究的是不带方向判别的相间短路电流电压保护。

该线路相间短路电流电压保护又称为三段式电流电压保护。

电流电压保护在单电源辐射网中一般有很好的选择性和灵敏度。

而且电流电压保护的电路构成、整定计算及调试维护都较简单，因此，它是最可靠的一种保护。

但是，三段式电流电压保护在多电源或单电源环网灯复杂网络中无法保证其选择性，另外在系统运行方式变化很大、线路很短和线路长而负荷重等情况下，其灵敏度可能不满足要求，甚至出现保护范围为零的情况。

因此主要用于35kV及以下单电源辐射网络作为线路保护，也可以作为电动机和小型变压器等元件的保护。

关键词：

电流电压保护；三段式；选择性；灵敏度

第1章绪论

1.1电流电压保护概述

1.1.1电流电压保护概况

电力系统中线路的电流电压保护包括：

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。

他们分别是用于双电源网络、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。

线路相间短路电流电压是根据输、配电线上发生相间短路时线路电流增加而母线电压下降的特征而设计的一种保护，主要用于35kA及以下的小接地电流系统中。

电流电压保护中有一种是以反应电流增大而动作的电流测量元件为基础构成的电流保护，另一种是以反应电流增大而动作的电流测量元件和反应电压下降而动作的电压测量元件为基础构成的电流电压保护。

为了实现保护之间的配合和保护的选择性，在这些保护中一般需要增加延时元件等逻辑元件才能形成一个完整的保护方案。

电流保护及电流电压保护的原理很简单，它们的关键在于如何选择保护的整定值，以及如何设计保护中各个元件间的逻辑关系。

1.1.2电流电压保护的性能分析

1）电流电压保护的选择性电流电压保护在单电源辐射网中一般有很好的选择性。

电流（电压）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，缺一不可。

但在多电源或单电源环网等复杂网络中这种保护可能无法保证其选择性。

2）电流电压保护的动作速度电流电压保护第Ⅰ段和第Ⅱ段共同作为线路的主保护，能满足《技术规程》关于35kV及以下网络主保护的速动性要求。

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。

3）电流电压保护的灵敏度电流电压保护的灵敏度因系统运行方式的变化而变化。

一般情况下能满足灵敏度要求。

但在系统运行方式变化很大、线路很短和线路长而负荷重等情况下，其灵敏度可能不容易满足要求，甚至出现保护范围为零的情况。

这也是电流保护的主要缺点。

4）电流电压保护的可靠性电流电压保护的电路构成、整定计算及调试维护都较简单，因此，它是最可靠的一种保护。

电流电压保护因为选择性、灵敏度和动作速度等方面都存在不足，故主要用于35kV及以下单电源辐射网络作为线路保护，也可电动机和小型变压器等元件的保护。

1.2本文主要内容

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或无时限电流电压联锁速断保护；第二，带时限电流速断保护或带时限电流电压联锁速断保护：

第三，定时限过电流保护或低电压启动过电流保护。

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。

这第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章输电线路电流保护整定计算

2.1电流Ι段整定计算

2.1.1保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗

（1）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2.1所示。

图2.1最大运行方式等值阻抗图

（2）最小运行方式：

在最大运行方式基础上G2、L2退出运行，等效电路图如图2.2.

图2.2最小运行方式等值阻抗图

2.1.2C母线、D母线、E母线相间短路的短路电流

C母线最大短路电流：

C母线最小短路电流：

D母线最大短路电流：

D母线最小短路电流：

E母线最大短路电流：

E母线最小短路电流:

2.1.3整定计算1、2、3的电流速断保护定值

无时限电流速断保护依靠动作电流值来保证其选择性，被保护线路外部短路时流过该保护的电流总小于其动作值，不能动作；而只有在内部短路时流过该保护的电流有可能大于其动作值，使保护动作。

且无时限电流速断保护的作用是保证在任何情况下只切除本线路上的故障。

保护1：

保护2：

保护3：

无时限电流保护不能保护线路全长，应采用最不利情况下保护的保护范围来校验保护的灵敏度，一般要求保护的最小的线路长度不小于线路长度的15%。

保护1保护的最小范围：

保护2保护的最小范围：

保护3保护的最小范围：

因为

所以灵敏度不合格。

2.2电流Ⅱ段整定计算

由于无时限电流速断保护只能保护线路的一部分，而该线路剩下的短路故障由能保护本线路全长的带时限电流速断保护（电流保护第Ⅱ段）来可靠切除。

带时限电流速断保护与无时限电流速断保护的配合能以尽可能快的速度，可靠并有选择性的切除本线路上任一处，包括被保护线路末端的相间短路故障。

保护2的Ⅱ段应与相邻线路的Ⅰ段配合

即：

灵敏度：

所以不合格

保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅰ段配合

即：

灵敏度：

所以不合格

保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅱ段配合

即：

灵敏度：

所以不合格

2.3电流Ⅲ段整定计算

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。

保护1的Ⅲ段：

保护2的Ⅲ段：

保护3的Ⅲ段：

保护1作近后备的灵敏度：

所以合格

保护2作远后备的灵敏度：

所以合格

保护3作远后备的灵敏度：

所以合格

假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，即：

保护1的Ⅲ动作时间：

保护2的Ⅲ动作时间：

保护3的Ⅲ动作时间：

第3章电流保护原理图的绘制与动作过程分析

3.1电流三段式保护原理图

图3.1三段式电流保护原理接线图

图3.1给出的是三段式电流电压保护的原理接线图，其中1KA、2KA、KM和1KS构成第Ⅰ段无时限电流速断保护；3KA、4KA、1KT和2KS构成第Ⅱ段带时限电流速断保护；5KA、6KA、7KA（采用两相三继电器式接线）、2KT和3KS构成第Ⅲ段定时限过电流保护。

由于三段式电流保护各段的动作电流和动作时限整定均不相同，必须分别使用不同的电流继电器和时间继电器，而信号继电器1KS、2KS和3KS则分别用以发出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护动作的信号。

电流继电器7KA接于A,C两相电流之和上，是为了在Y,d接线的变压器后发生两相短路时提高过电流保护的灵敏性。

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。

3.2电流三段式保护展开图

图3.2交流回路展开图

图3.3直流回路展开图

图3.4信号回路展开图

三段式电流保护展开图继电保护的展开图接线图二次回路的供电方式来划分，即将二次回路分为交流回路、直流回路、信号回路及保护回路等几个主要部分。

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。

KA1KA2KA3KA4KA5KA6KA7TAaTacACNKA1KA2KA3KA4KA5KA6KA7KT1KMKT2KT2KMKT1KS2KS3KS1QF1LT控制小母线熔断器Ⅰ段电流Ⅱ段电流Ⅲ段电流跳闸回路+wc-wcFU（a）交流电流回路（b）直流电流回路KS1KS2KS3（c）起动信号+WS。

第4章MATLAB建模仿真分析

4.1电流Ⅰ段Ⅱ段保护模拟动作

由图4.1可以看出线路在0.05s发生故障，产生一个较大的短路，之后经过一个很小的延迟0.001，断路器1跳闸。

电流Ⅰ段成功按时动作。

图4.1电流Ⅰ段仿真波形图

由图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，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。

图4.2电流Ⅱ段仿真波形图

4.2电流Ⅲ段的保护模拟动作

由图4.3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。

4.3仿真结果分析对于电流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。

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各段保护的动作情况。

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。

图4.3电流Ⅲ段仿真波形图

第5章课程设计总结

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，缺一不可。

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。

1.对于Ⅰ段，母线短路时，保护1、2都不起作用，只有保护3起到了保护作用。

2.对于Ⅱ段，保护3的Ⅱ段与相邻的保护Ⅰ段配合无法满足灵敏度的要求，因此保护3的Ⅱ段必须与相邻的Ⅱ段配合。

而保护2的Ⅱ段与相邻的保护Ⅰ段配合就已满足灵敏度的要求。

3.对于第Ⅲ段，保护1、2、3都达到了灵敏度的要求。

但在系统运行方式变化很大、线路很短和线路长而负荷重等情况下，其灵敏度可能不容易满足要求，甚至出现保护范围为零的情况。

这也是电流保护的主要缺点。

电流电压保护因为选择性、灵敏度和动作速度等方面都存在不足，故主要用于35kV及以下单电源辐射网络作为线路保护，也可电动机和小型变压器等元件的保护。

参考文献

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[10]李丽娇齐云秋编著《电力系统保护》中国电力出版社2005.7