单侧电源网络定时限过电流保护的建模与仿真

河南科技大学

课 程 设 计 说 明 书

课程名称         继电保护课程设计          

题  目   单侧电源网络定时限过电流保护的建模与仿真           

 学    院     农业装备工程学院            

 班    级      农电131班            

 学生姓名           刘宁              

 指导教师          李树强                 

 日     期    2016年11月25日          

课程设计任务书

课程设计名称继电保护课程设计      学生姓名   刘宁    专业班级农电131

设计题目  单侧电源网络定时限过电流保护的建模与仿真

一、课程设计目的

1．掌握继电保护保护基本原理与整定计算；

2．掌握保护、控制、测量、信号回路接线与设计方法；

3．学习和掌握电力系统MATLAB／SIMULINK的基本命令和应用。

二、课程设计内容和要求

1．电力系统的仿真。必须说明系统运行方式、短路点与短路类型的确定原则或依据。

2．保护方式的选择及短路电流的整定计算。尝试设置不同的短路参数并整定计算短路电流大小。

3．绘制继电保护的接线方式及仿真输出。要求绘制继电器的接线图及某一元件保护原理展开图。

4．对保护的评价。要求从可靠性、选择性、速动性和灵敏性四个方面来评价所采用保护的质量。

5．编写设计说明书。不少于2000字的说明书。

三、课程设计任务

已知：电力系统的接线图如图1所示，电源电压为35KV，系统最大和最小等效阻抗分别为，；线路阻抗为,；流过保护1、2、3的最大负荷电流分别为400、500、550A，，，。试仿真保护4的过电流保护。

图1电力系统

1．了解电力系统并绘制电力系统仿真模型；

2．绘制过电流电流保护的原理接线图及展开图并说明；

3．设置短路点并计算参数；

4.绘制继电保护的仿真模型；

5．计算短路电流；

6．给出仿真结果并分析；

要求：

1．绘制电力系统仿真图；

2．绘制过电流电流保护的原理接线图及展开图；

3．设置至少三种短路点并计算参数及短路电流；

4．绘制仿真结果并分析；

四、时间进度安排

1．明确任务和文献查找：1天   2．Matlab/Simulink熟悉与运用：2天

3．仿真模型建立：2天         4．仿真参数设置及仿真结果分析：2天

5．编写说明书：2天           6．准备答辩及答辩：1天

五、主要参考文献

1.家佩. 电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京：中国电力出版社，2006

2.张保会，尹项根.电力系统继电保护（第二版）.中国电力出版社，2010

3.于群，曹娜. MATLAB_Simulink电力系统建模与仿真（第一版）. 机械工业出版社，2011

4.于群，曹娜.电力系统继电保护原理及仿真（第一版）. 机械工业出版社，2015

5．中华人民共和国国家标准化委员会. GB/T 14285-2006 继电保护和安全自动装置技术规程

指导教师签字：                           2016年11月25日

摘要

定时限过电流保护，也叫电流III段保护。 其动作电流按躲过被保护线路的最大负荷电流整定，其动作时间一般保护阶梯原则进行整定以实现过电流保护的动作选择性，并且其动作时间和短路电流的大小无关。工作原理：反映电流增大而动作，它要求能保护本条线路的全长和下一条线路的全长，作为本条线路主保护拒动的近后备保护，其保护范围应包括下条线路或设备的末端。过电流保护在最大负荷时，保护不应该动作。动作电流：按躲开被保护线路的最大负荷电流，且在自起动电流下继电器能可靠返回进行整定。

优点：结构简单，工作可靠，对单侧电源的放射性电网能保证有选择性的动作，不仅能作为本条线路的近后备（有时作为主保护），而且可以作为下一条线路的远后备，在放射型电网中获得广泛应用，一般在35kV及以下电网中作为主保护。缺点：动作时间长，而且越靠近电源端其动作时间越大，对靠电源端的故障不能快速切除。

定时限过电流保护的要求是：应能保护被保护线路的全长，也能保护相邻线路全长及相邻元件的全部。即应能起到近后备与远后备保护的作用，一般作为主保护的后备保护。

关键字：定时限过电流保护、电流整定、动作电流、灵敏度校验

  第一章绪论

1.1继电保护基本原理

研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要使用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路、母线等）使之免遭损害，所以简称继电保护。

继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。

电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：

(1) 电流增大。 短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至超过负荷电流。

(2) 电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。

(3) 电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60°～85°，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180°+(60°～85°)。

(4) 测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。

不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量；单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。

利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。

1.2继电保护装置的基本要求

继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低。

1．选择性

选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。

2．速动性

速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

一般必须快速切除的故障有：

(1) 使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值(一般为0.7倍额定电压)。

(2) 大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。

(3) 中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。

(4) 可能危及人身安全、对通信系统造成强烈干扰的故障。

故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为0.04s～0.08s，最快的可达0.01s～0.04s，一般断路器的跳闸时间为0.06s～0.15s，最快的可达0.02s～0.06s。对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。

3．灵敏性

灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。

能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。

系统最大运行方式：被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；系统最小运行方式：在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。

4．可靠性

可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。

安全性：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。

信赖性：要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。

继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。

以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。

 第二章定时限过电流保护的整定计算

2.1过电流保护的作用

（1）电流速断和限时电流速断配合使得保护范围内（被保护线路）内的故障都可以快速切除，因此两者构成了被保护线路的主保护。

（2）为了保证相邻线路主保护拒动或断路器拒动时可靠切除故障（远后备），同时作为本线路故障主保护拒动时可靠切除故障（近后备），配置过电流保护。 

（3）过电流保护的主要作用是作为后备保护，提高整个保护系统的可靠性。

2.2定时限过电流保护工作原理

（1）在正常情况下各条线路上的过电流保护绝不会动作

（2）在外部故障切除后电压恢复，负荷自动启动电流作用下保护装置必须能够返回

  ：过电流保护装置的启动电流

：过电流保护装置的返回电流

：线路上出现的最大负荷电流

：外部故障切除后电压恢复时的自动启动电流

电动机的自起动电流要大于它正常工作的电流，因此，引入一个自起动系数来表示自起动时最大电流与正常运行时最大负荷电流之比，即

保护3、4和5在各自起动电流的作用下必须立即返回。为此应使保护装置的返回电流（一次值）大于。引入可靠系数，则

式中 ：可靠系数，一般采用1.15～1.25 ；

     ：自起动系数。数值大于1，应由网络具体接线和负荷性质确定；

     ：电流继电器的返回系数，一般采用0.85~0.95。

保护1-位于电网的末端，只要电动机内部故障，它就可以瞬时动作予以切除，即为保护装置本身的故固有动作时间。

保护2-为了保证点短路时动作的选择性，则应整定其动作时限  。

引入时间阶段，则保护2的动作时限为

                   （2－4）

依次类推，保护3、4、5的动作时限均应比相邻各元件保护得动作时限均高出至少一个，只有这样才能充分保证动作的选择性。

2.3按选择性的要求整定过电流保护的动作时限计算

2.3.1保护4的电流定值

流过保护4的最大负荷电流为

保护4的过电流值

时限为

保护1切除故障后，流过保护4的最大负荷电流

在考虑电机的自启动出现的最大启动电流

这个电流必须小于保护4的返回电流，否则1.5s以后保护4将误切除。相应的要求

,从而有，当返回系数低于0.535时，会造成误动。

在上图所示的网络中，对保护4而言即应满足以下要求： 

式中     ：1号（电动机）保护的动作时间

         ：2号（变压器）保护的动作时间

：3号（线路B－C）保护的动作时间

2.4过电流保护灵敏系数的校验 

过电流保护灵敏系数的校验

(1)当过电流保护作为本线路的主保护时，应采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流进行校验，要求；

(2)当作为相邻线路的后备保护时，则应采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的电流进行校验，此时要求。

(3)保护4的灵敏度

与成正比，当下降时灵敏度下降

此外，在各个过电流保护之间，还必须要求灵敏系数互相配合，即对同一故障点而言，要求越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系数。

2.5原理接线分析

如图所示，当被保护线路发生故障时，短路电流经电流互感器TA流入KA1—KA3，短路电流大于电流继电器整定值时，电流继电器启动。因三只电流继电器触点并联，所以只要一只电流继电器触点闭合，便启动时间继电器KT，按预先整定的时限，其触点闭合，并启动出口中间继电器KOM。 

KOM动作后，接通跳闸回路，使QF断路器跳闸，同时使信号继电器动作发出动作信号。由于保护的动作时限与短路电流的大小无关，是固定的，故称为定时限过电流。

第四章课程设计总结

本课程设计，主要是针对单侧电源网络定时限过电流保护进行设计。随着电力系统，对电力系统安全性、可靠性、高效性运行的要求越来越高，继电保护应运而生，本文对定时限过电流保护原理进行了说明，对继电保护各项参数进行了计算，以及对其灵敏度进行了校验。

本文首先对电力系统继电保护进行了简单的介绍，然而对电流保护做了概述和简单点的计算，然后分析了三相单侧电源网络定时限过电流保护原理图，总结得出定时限过电流保护的优点：结构简单，工作可靠，对单侧电源的放射性电网能保证有选择性的动作，不仅能作为本条线路的近后备（有时作为主保护），而且可以作为下一条线路的远后备，在放射型电网中获得广泛应用，一般在35kV及以下电网中作为主保护。缺点：动作时间长，而且越靠近电源端其动作时间越大，对靠电源端的故障不能快速切除。

通过本次课程设计使我更加深入的了解了定时限过电流保护的工作原理，更加熟悉了继电保护各项参数的计算，以及对其灵敏度的校验。最后感谢对本此课程设计的指导！

参考文献

1.家佩. 电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京：中国电力出版社，2006

2.张保会，尹项根.电力系统继电保护（第二版）.中国电力出版社，2010

3.于群，曹娜. MATLABSimulink电力系统建模与仿真（第一版）. 机械工业出版社，2011

4.于群，曹娜.电力系统继电保护原理及仿真（第一版）. 机械工业出版社，2015

5．中华人民共和国国家标准化委员会. GB/T 14285-2006 继电保护和安全自动装置技术规程