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：输电线路距离保护设计

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 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（论输电线路距离保护设计（5） 文）题目 系统接线图如图： E 5 tOP80.5s8 B 系统接线图 A 1 302 3 38kC 4 62D t7 OP71s6 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 线路每公里阻抗为Z1=0.45/km,线路阻抗角为φL=63°,AB、BC线路最大负荷电流为380A,负荷功率因数为 I0.8, cosφL=0.9,Krel工作量 1．计算保护1距离保护第Ⅰ段的整定值和灵敏度。 2. 计算保护1距离保护第Ⅱ段的整定值和灵敏度。 3. 计算保护1距离保护第Ⅲ段的整Krel0.8Krel0.35。电源电势为定值和灵敏度。 4．分析系统在最小运行方式下振荡E=115kV, ZsAmax=10Ω, 时，保护1各段距离保护的动作情况。 ZsAmin=7Ω,ZsBmax=305．当距保护1出口20km处发生带过Ω,ZsBmin=15Ω。归算至115kV的渡电阻Rarc=12Ω的相间短路时，保各变压器阻抗为82.8Ω,容量ST护1的三段式距离保护将作何反应为15MV.A。其余参数如图所示。 （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。

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续表 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。 进度计划 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

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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，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：三段式距离保护；系统振荡；MATLAB仿真；

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目 录

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

1.1继电保护概况 ............................................................................................................. 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保护1距离保护第Ⅰ段整定计算 ............................................................................... 2 2.2保护1距离保护第Ⅱ段整定计算 ............................................................................... 2 2.3保护1距离保护第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 2.4.1系统在最小运行方式下发生振荡 .................................. 4 2.4.2 系统发生带过渡阻抗的相间短路 ................................. 6 第3章 线路距离保护原理图 ............................................................................................... 8 3.1距离保护原理图 ......................................................................................................... 8 3.2距离保护原理说明 ..................................................................................................... 8 第4章MATLAB建模仿真分析 ........................................................................................... 10 4.1距离保护MATLAB建模 ............................................................................................ 10 4.2距离保护仿真波形及分析 ........................................................................................ 11 第5章 课程设计总结 ......................................................................................................... 14 参考文献 ............................................................................................................................. 15

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第1章 绪论

1.1继电保护概况

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大的影响。电力系统由各种电气元件组成，由于自然环境、制造质量、运行维护水平等诸方面的原因，电力系统中的各种元件在运行中不可能一直保持正常状态。根据断路通常伴随着电流显著增大的特征，首先出现了电流超过预定值即动作的过电流保护，最早出现的过电流保护是熔断器，其特点是集保护装置与断电装置于一体，因而简单可靠，但也有诸多缺点，动作精度差，配合难度大，断流能力有限，恢复供电麻烦。随着电力系统的发展，对继电保护的性能要求不断提高，于是出现了作用于断路器的过电流继电器。

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。

1.2本文研究内容

本文主要研究针对于简单的电力系统，分析其距离三段式保护的原理及动作过程。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，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。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，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。

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第2章输电线路距离保护整定计算

2.1保护1距离保护第Ⅰ段整定计算

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:

Zset1KrelZAB0.80.453010.863 Zset3KrelZBC0.80.453813.6863 Zset4KrelZCD0.80.456222.3263

断路器1、3、4QF处距离保护第Ⅰ段的动作时间和灵敏度分别为：

top1top3top40 Ksen1Ksen3Ksen480%

2.2保护1距离保护第Ⅱ段整定计算

1QF处保护的相邻元件为BC线和并联运行的变压器T。当1QF处距离保护第Ⅱ段与BC线段第Ⅰ段配合时，有

ⅡZⅡset1Krel(ZABKbminZset3)

KbminIBCIABIBZZABI70.45301B1sAmin11.68 IABIABIABZsBmax30ZsAmaxZAB100.453012.57

ZsBmin15Kbmax1故ZⅡset10.80.45301.6813.686329.1963

和变压器配合时，因为ST6.3MVA,按《技术规程》2.3.3.2条，应装纵差保护，故变压器第Ⅰ段保护范围应至低压母线E上，

ⅡⅡ'ZⅡset1KrelZABKrelKminZT63

2

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0.80.45300.81.6841.46366.4463

'Ⅱ'0.8，ZT试中，Krel1ZT(考虑两台变压器并列运行)，Kbmin1.68 2选ZⅡset128.8674为整定值。距离保护第Ⅱ段的动作时间为： tⅡop10.5s 第Ⅱ段保护的灵敏度为： KⅡsenZⅡ29.19set12.161.5 ZAB0.4530满足灵敏度要求。

2.3保护1距离保护第Ⅲ段整定计算

因为采用方向阻抗元件，故距离保护第Ⅲ段的整定值应按一下条件整定。 第一，躲过最小负荷阻抗，即：

1ⅢZset13

ILmaxcos(setL)ⅢKrel0.9Ue由题意知：cosL0.9,即L25.8，而set63

115Ⅲ故Zset1365.3663

0.4cos(6325.8)0.350.9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：

Ⅲtop12.5s

第二，与相邻线距离保护第Ⅱ段配合，即：

Ⅲ'Ⅱ'Zset1KrelZABKrelKbminZset3，KrelKrel0.8

Ⅱ'Ⅰ'ZⅡset3KrelZBCKbminZset4，Kbmin1

ZⅡset30.80.453822.3231.5463

ⅢⅡZset10.8ZABKbminZset3



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0.80.45301.6831.5463 0.813.5536353.263Ⅲ应取Zset153.263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：

ⅢⅡtop1top3t

试中，tⅡop3——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。 取第Ⅲ段的动作时间为：

Ⅲtop12.5s

进行距离保护第Ⅲ段的灵敏度校验： 当作为近后备时，

KsenⅢZset53.213.941.5 ZAB0.4530当作为远后备时，

KsenZABⅢZset53.210.94

KbmaxZBC0.45302.57380.45可见，作为近后备保护时，可满足灵敏度要求，作为BC线远后备保护时，却不满足灵敏度要求，作为变压器的远后备保护时，更不满足灵敏度的要求，故应考虑取

ⅢZset165.3663为整定值，这时灵敏度得到提高，为1.21，接近满足要求。

2.4系统振荡和短路过渡电阻影响分析

2.4.1系统在最小运行方式下发生振荡

求系统在最小运行方式下振荡时最小测量阻抗Zmmin。180时保护安装处的测量阻抗为：

1ZmminmZ

2

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mZsAmax1313

ZsAmaxZABZsBmax100.45303053.5ZZsAmaxZABZsBmax

113Zmmin53.56313.7574

253.5可得：ZmminZset1 Ⅲ而ZmminZⅡset1Zset1

可见，在最小运行方式下系统振荡时Zm的轨迹线穿过阻抗保护第Ⅱ和第Ⅲ段测量元件的动作特性圆，如图2.1所示，距离保护第Ⅱ、Ⅲ段的阻抗元件将误动。

图 2.1 振荡对保护的影响

令1'1对应时间为t1，为第Ⅲ测量元件误动作时间，2'2对应的时间为t2，为第Ⅱ段测量元件误动作时间。对阻抗保护第Ⅱ段而言，当tⅡop1t2时，虽第Ⅱ段测量元件动作，但保护将不误动，tⅡop1t2时，测量元件和保护均误动，对第Ⅲ段而言，测量元件误动，当tⅡop1t2时，第Ⅱ段保护会发生误动作，跳闸，故障被切除，故第Ⅲ段保护的阻抗元件应返回不会误动；通常，因tⅡop1t1时，第Ⅲ段保护动作时间可

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躲过振荡影响，也不可能误动。从以上分析计算知，系统振荡可能使距离保护第Ⅱ段发生误动作。因此，在距离保护装置中必须增加振荡闭锁元件。

2.4.2 系统发生带过渡阻抗的相间短路

当离断路器1QF保护安装处20KM处发生带过渡电阻Rarc12的相间短路时，1QF处保护的测量阻抗为：

Zm200.4563129cos63j9sin6312 3.8j8.161215.8j8.16 17.7827.31

27.31方向第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的动作阻抗分别为：

ZⅠop110.8cos6327.3127.318.5527.31 ZⅡop129.62cos6327.3127.3123.4427.31

ⅢZop154.2cos6327.3127.3142.8927.31

ⅡⅢ故有：ZⅠop1ZmZop1Zop1

由上述可见，故障点应在断路器1QF处相间距离保护的第Ⅰ段保护范围内，而此时哟与短路点过渡阻抗的影响，Zm如图2-2所示，却落在距离保护第Ⅱ段和第Ⅲ段的动作特性圆内。

图2.2 短路过渡电阻对保护影响

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ⅡⅢⅠⅡⅢ其中A=ZⅠset1、B=Zset1、C=Zset1、D=ZOP1、E=ZOP1、F=ZOP1。

故这时距离保护第Ⅰ段将拒动，而距离保护第Ⅱ段动作，降低了保护的速动性。因此，距离保护中必须有防止过渡电阻影响的措施。例如在距离第Ⅱ段保护中增加瞬时测量元件或采用承受过渡电阻能力强的阻抗测量元件等。

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第3章 线路距离保护原理图

3.1距离保护原理图

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。

Ⅰ Z 1 4 7 & 2KT 5 & 8 t Ⅱ ZⅡ 3 2 & 6 & 9 1KS 1 跳闸 2KS 3KT tⅢZⅢ & & 3KS 1 10

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，ZⅠ、ZⅡ、ZⅢ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Zset进行比较；当

ZmZset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

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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ZⅢ兼做启动元件；第二，保护中第Ⅰ、Ⅱ的测量元件ZⅠ、ZⅡ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ZⅠ、ZⅡ和ZⅢ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。

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第4章MATLAB建模仿真分析

4.1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-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

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图如图4.1所示。

图4.1 输电线路距离保护的仿真电路图

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

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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

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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

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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Kb 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。

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参考文献

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[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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