功率方向电流保护设计

本科生课程设计（论文）

目

录

第

1

章

绪论.1

1.1

输电线路电流保护概述.1

1.2

本文主要内容.1

第

2

章

输电线路方向电流保护整定计算.3

2.1

方向电流

Ι

段整定计算3

2.1.1

保护

4、5

的

Ι

段动作电流的整定

.3

2.1.2

灵敏度校验

.4

2.1.3

动作时间的整定

.4

2.2

保护

5、7、9

方向电流Ⅱ段整定计算.4

2.3

方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装.5

第

3

章

方向电流保护原理图的绘制与动作过程分析.7

3.1

保护原理图.7

3.2

动作过程分析.8

第

4

章

MATLAB

建模仿真分析9

4.1

MATLAB

系统仿真图

9

4.2

仿真种波形.9

第

5

章

课程设计总结12

第

6

章

参考文献13

0

第

1

章

绪论

1.1

输电线路电流保护概述

电力系统的输、配线路因各种原因可能

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.

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

3KV

及以上的电力设备和线路的短路故障，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，

应无延时控制其短路器跳闸。线路的相间短路、接地短路保护有：电流电压保护，

方向电流电压保护，接地零序流电压保护，距离保护和纵联保护等。

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。

1.2

本文主要内容

在每个断路器的电流保护中增加一个功率方向测量元件（当他和电流测量元件

均动作后才启动逻辑元件）

，并规定当短路功率从母线流向线路（为正）时该功率元

件动作，而从线路流向母线（为负）时不动作。那么对电流保护段来说，因为反方

向短路时功率方向测量元件不动作，其整定值就只需躲过正方向线路末端短路电流

最大值，而不必躲过反方向短路的最大短路电流，因而提高了灵敏度。这种增加了

功率方向测量元件的电流保护即为方向电流保护。在双电源网络或其他复杂网络中，

可以采用带方向的三段式电流保护，以满足保护的各种性能要求。

三段式方向电流保护的特点，三段式电流保护在作用原理、征订计算原则等方

面与无方向三段式保护基本相同。但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。方

向电流保护第Ⅰ段，即无时限方向电流速度保护的动作电流整定可以不必躲过反方

向外部最大短路电流；第段电流保护动作电流还应考虑躲过反向不对称短路时，流

过非故障相的电流，这样可防止在反方向发生不对称故障时非故障线功率方向测量

本科生课程设计（论文）

1

元件误动作而造成的保护误动作；在环网和双电源网中，功率方向可能相同的电流

保护第段的动作电流之间和动作时间之间应相互配合，以保证保护的选择性。

本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件

参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电

保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。其中短

路电流的计算和电气设备的选择是本设计的重点。

2

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

2.1.1

保护

4、5

的

Ι

段动作电流的整定

图

2.1

系统接线图

各段线路的阻抗为：

==60*0.4=24Ω

=40*0.4=16Ω

=40*0.4=16Ω

1LX2LX3LXBCX

=30*0.4=12Ω

=20*0.4=8Ω

CDXDEX

系统接线图如图

2.1

所示，由电流速断保护的动作电流应躲过本线末端的最大

短路电流，可计算

保护

4

=

1.357A

X)X(XⅠ

)XX(

E

L3L2G21L1G

)3(

maxKAI

???

?

??

???

1624)(15Ⅰ

)2415(

3115

=1.2*1.5457=1.85A

IkI

)3(

maxKA

Ⅰ

rel

Ⅰ

op4?

保护

5

A

X

E

G

KBI

14

.

2

1615

3115

XL3

3

)3(

max

?

?

?

?

?

?

A48

.

2

07

.

22

.

1*I

kI

)3(

maxKB

Ⅰ

rel

Ⅰ

op5

???

B

A

G

1

1

23

L3

L2

L1

ED

C

G

2

G

3

98

76

54

本科生课程设计（论文）

3

因为

所以在

4QF

加方向元件

II

(3)

maxKB

Ⅰ

4OP

?

2.1.2

灵敏度校验

校验，应按电流、电压元件中保护范围小的元件确定，整定值满足可靠系

sen

KⅠ

数的要求。

（2-

min

41

min

4

4

31

3

sen

lx

l

K

lx

l

??

?

??

Ⅰ

1）

保护

4

的灵敏度校验

=8.05Ω－＝

I

OP

min1

4

2I

3

S

E

lx

maxs

X

3

1153

0

2

2.05

?

?

－2

＝

===30Ω

4

OP

X

321

LLL

XXX＋28

2816＋

===36.37%15%满足灵敏度要求所以合格

?

sen

K

4

min1

OP

X

lx10.91

30

保护

5

的灵敏度校验

（2-

min

51

min

5

5

31

3

sen

lx

l

K

lx

l

??

?

??

Ⅰ

2）

=7.09Ω＝－＝

maxmin1

5

2

3

x

OP

S

X

I

E

lx

3

1153

16

2

2.49

?

?

－

16Ω＝＝

35

LOP

XX

==44.31%15%,?

sen

K

7.09

16

满足灵敏度要求所以合格

2.1.3

动作时间的整定

因为无时限电流速断保护不必外加延时元件即可保证保护的选择性，也就是说

电流保护第

I

段的人为延时，所以电流保护第

I

段的动作时间为

0。即

t=t=0

?

4op

?

5op

2.2

保护

5、7、9

方向电流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,而该线路的剩下部分的短路故

本科生课程设计（论文）

4

障必须依靠另外一种电流保护,即带时限的电流速断保护对于此种保护的动作电流整

定为:

保护

5Ⅱ段与保护

3

配合

（2-

brel

KK

?????

?

３

ＯＰ

Ｉ＝

5

OP

I

3）

IB-C.Lmax=320A

＝Ｉ

３

?

OP

：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。

b

K

67

.

1

XX

E

XX

E

1

I

I

1

3L3G

S

1L1G

S

AB

B

bk

?

??

????

=/1.67=220.36A

brel

KK

?????

?

３

ＯＰ

Ｉ＝

5

OP

I32015

.

1

?

1796.88A＝

＋

＝

33

)2(

KB

2

3

I

LG

S

XX

E

?＝

＋1616

3115

2

3

?

==8.21.4

满足灵敏度要求

??

??

5

OP

2)

KB

I

I

（

＝

sen

K

6.3220

8.81796

与相邻保护

3Ⅱ段配合

67

.

1

XX

E

XX

E

1

I

I

1

3L3G

S

1L1G

S

AB

B

bk

?

??

????

（2-

??

??

5

OP

2)

KB

I

I

（

＝

sen

K

4）

IC-D.Lmax=200A

?

?

2

OP

I

分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流，且两电流相等。

所以：1K

4

b

?

=/==230A

??

3

OP

I

???

?

2

OPrel

IK

4

b

K1/20015

.

1

?

=/==158.38A

??

5

OP

I

???

?

3

OPrel

IK

b

K7.61/23015

.

1

?

==11.351.4

此结果满足灵敏度要求

??

??

5

OP

2)

KB

I

I

（

＝

sen

K

8.3158

8.81796

==1s

＝

??

5

OP

ttt

3

??

??

OP

ttt

2

????

?

OP

本科生课程设计（论文）

5

保护

7,9

与保护

5

相同

2.3

方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装

为保证选择性，则必须加延时元件，且应按照阶梯形原则整定，即两相邻线路

的电流Ⅲ动作时间相差一个△t。上一线路与动作时间长的下一段线路相配合；末级

不装延时元件；越靠近电源，延时越长。

s（线路末端）

，，0t1?

???

ttt

12

???

??????

t2ttt

23

?????

??????

，（无下一级，相当于末级）

5793

tttt1.5st

????????????

?????

?0sttt

8***

???

?????????

若

矛盾，所以需加方向元件。

54

54,,BCopop

Aopop

Ktt

Ktt

??

?

?

?

?

?

ⅢⅢ

ⅢⅢ

又由于：

1.5sttt

975

???

?????????

0sttt

8***

???

?????????

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。

6

第

3

章

方向电流保护原理图的绘制与动作过程分析

3.1

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

本科生课程设计（论文）

7

图

3.2

方向电流保护原理图交流回路

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。

图

3.5

方向电流保护原理图直流回路

图

3.4

方向电流保护原理图信号回

路

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，则直接经过线圈

KM，通过信

KA1

KA2

KA3

KA4

KA5

KA6

KA7

KT1

KM

KT2

KT2

KM

KT1

KS2

KS3

KS1

QF1

LT

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-wc

FU

本科生课程设计（论文）

8

号线圈

KS

发出信号，并跳闸。当Ⅰ断拒动或故障时，电流继电器经过延时继电器，

当延时时间到达时，接通信号继电器发信号，并接通跳闸线圈进行跳闸动作。

9

第

4

章

MATLAB

建模仿真分析

4.1

MATLAB

系统仿真图

由

MATLAB

软件进行输电线路方向电流保护仿真实验的仿真图形如图

4.1

所示。

图

4.1

MATLAB

建模仿真图

将

MATLAB

仿真技术应用于电力系统继电保护中输电线路方向电流保护的研

究，针对输电线路方向电流保护技术的核心内容。仿真步骤如下

1)

环节库及其输入，将给定的信号输入仿真系统；

2)

环节的联接，将各个环节的端口按框图连接起来；

3)

环节参数的设定，将参数以

MATLAB

中合法的方式表示；

4)

系统的建立，构建了继电保护系统输电线路方向电流保护的

MATLAB

仿真。

4.2

仿真种波形

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。

（1）模拟电流Ⅰ段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图

4.2

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。

本科生课程设计（论文）

10

图

4.2

电流Ⅰ段仿真波形图

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

4.3

所示:

图

4.3

电流Ⅱ段仿真波形图

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。

本科生课程设计（论文）

11

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。

将线路

1

的值设置为

15.5，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

4.4

所示:

图

4.4

电流Ⅲ段仿真波形图

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

1.0s，断路器

1

在

1.05s

跳闸。电流Ⅲ段成功按时动作。

12

第

5

章

课程设计总结

随着电力系统规模的不断扩大，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，本文对继电保护各项参数进行了计算，以及安装

了方向保护元件实现方向保护，并对其系统保护的算法进行了

MATLAB

仿真研究。

通过本次课设，对电力系统继电保护及其算法的知识有了一定的了解，且基本

完成了本课题的基本要求，但是由于知识水平的有限，对本课题的研究还存在一些

不足之处，比如在模型搭建时，考虑情况过于理想化了，如线路模型、变压器模型，

与实际情况还有一些差距。由于知识掌握程度有限，仿真模型中只实现了线路三段

式电流保护，在以后的学习过程中还应继续加入新的保护类型，使仿真模型的微机

保护功能更加完善。

13

第

6

章

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，2000：18-25

[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