電力系統(tǒng)故障、電流速斷保護(hù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱電力系統(tǒng)故障電流速斷保護(hù)班級學(xué)號姓名2021年7月13日

一、實(shí)驗(yàn)背景電力系統(tǒng)的所有一次設(shè)備在運(yùn)行過程中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作、設(shè)計(jì)缺陷等原因會發(fā)生如短路、斷線等故障。最常見同時也是最危險(xiǎn)的故障是發(fā)生各種類型的短路。在發(fā)生短路時可能產(chǎn)生以下后果：（1）通過短路點(diǎn)的很大短路電流和所燃起的電弧，使故障元件損壞。（2）短路電流通過非故障元件，由于發(fā)熱和電動力的作用，會使其的損壞或縮短其使用壽命。（3）電力系統(tǒng)中部分地區(qū)的電壓大大降低，使大量的電力用戶的正常工作遭到破壞或產(chǎn)生廢品。（4）破壞電力系統(tǒng)中各發(fā)電廠之間并列運(yùn)行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)瓦解。各種類型的短路包括三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相接地短路。不同類型短路發(fā)生的概率不一樣，不同類型短路電流大小也不同，一般為額定電流的幾倍到幾十倍。大量的現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在高壓電網(wǎng)中，單相接地故障發(fā)生概率最大。為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的功能和質(zhì)量，在設(shè)計(jì)、分析和研究時必須保證系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個超高壓、大容量和跨區(qū)域的巨大的聯(lián)合系統(tǒng)，電力系統(tǒng)事故具有突發(fā)性強(qiáng)、維持時間短、復(fù)雜程度高、破壞力大的特點(diǎn)，因而使得事后對故障原因分析、查找變得尤其困難。由于在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)和研究比較困難，因此借助各種電力系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究已成為有效途徑之一。當(dāng)線路發(fā)生短路時，重要特征之一是線路中的電流急劇增大，當(dāng)電流流過某一預(yù)定值時，反應(yīng)于電流升高而動作的保護(hù)裝置叫過電流保護(hù)。電流保護(hù)分為：電流速斷保護(hù)、限時電流速斷保護(hù)和定時限過電流保護(hù)，稱為電流三段式保護(hù)。當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)中任意點(diǎn)發(fā)生三相和兩相短路時，流過短路點(diǎn)與電源間線路中的短路電流包括短路工頻周期分量、暫態(tài)高頻分量和衰減直流分量。其短路工頻周期分量近似計(jì)算為：。MATLAB是一種適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)域分析設(shè)計(jì)與復(fù)雜計(jì)算的科學(xué)計(jì)算軟件，由美國Mathworks公司于1984年正式推出，1988年推出3.X(DOS)版本，1992年推出4.X(Windows)版本；1997年推出5.1(Windows)版本，2000年下半年，Mathworks公司推出了MATLAB6.0版本。隨著版本升級，內(nèi)容不斷的擴(kuò)充，功能更加強(qiáng)大。MATLAB在電力系統(tǒng)建模和仿真的應(yīng)用主要由電力系統(tǒng)仿真模塊來完成。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）電力系統(tǒng)故障：1.對電力系統(tǒng)中各種短路現(xiàn)象的認(rèn)識2.掌握各種短路故障的電壓電流分布特點(diǎn)3.仿真波形分析（2）電流速斷保護(hù)：1.掌握電流速斷保護(hù)的工作原理、整定計(jì)算、保護(hù)構(gòu)成和保護(hù)特點(diǎn)。2.掌握相間短路時，電流速斷保護(hù)的動作時間。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）電力系統(tǒng)故障：各元件的參數(shù)設(shè)置如下：（1）發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)置：發(fā)電機(jī)額定電壓為13.8kV，額定容量為500MVA，額定頻率為60Hz，Yg連接，其他設(shè)定值采用默認(rèn)值。（2）三相負(fù)荷參數(shù)設(shè)置：額定容量為50MVA。（3）三相變壓器參數(shù)設(shè)置：額定頻率為50Hz，一次側(cè)電壓13.8kV，二次側(cè)電壓220kV，其他值采用默認(rèn)值。（4）三相輸電線路參數(shù)設(shè)置：線路長100kM。（5）故障模塊參數(shù)設(shè)置：短路故障是用三相故障元件來模擬，故障時間段可通過TransitionTimes來設(shè)置，設(shè)置為0.06～0.12s。其余的短路故障模型可以通過修改三相故障模塊的參數(shù)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，將在以下仿真過程中進(jìn)行設(shè)置。圖3-1三相交流電源圖3-2三相負(fù)載圖3-4測量元件圖3-4變壓器圖3-5輸電線路圖3-6三相故障模塊（2）電流速斷保護(hù)：1.仿真模型的建立圖3-7單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)搭建一個110kV系統(tǒng)。首先從SimPowersystem模塊庫中找出各模塊，模型的基本元件有：電源、斷路器、三相負(fù)載、繼電器、三相負(fù)載、繼電器，和用來仿真故障的三相故障模型，傅立葉元件、測量元件、示波器等，然后組合連接。2.主要模塊參數(shù)設(shè)置及功能：（1）三相電源模塊模擬三相電源。線電壓設(shè)置為110kV；A相的相位角設(shè)置參數(shù)為0；頻率設(shè)置參數(shù)為50Hz，內(nèi)部連接方式設(shè)置為Yg，星形連接；電源的內(nèi)部電阻設(shè)置參數(shù)為0.3Ω；電源內(nèi)部電感設(shè)置參數(shù)為0H。（2）斷路器模塊斷路器的起始狀態(tài)設(shè)置為closed，閉合狀態(tài)A、B、C開關(guān)不設(shè)置觸發(fā)，即前面不打勾；開、斷時間的外部控制需要用到，在前面打勾。（3）三相故障模塊。此模塊是一個可以通過外部或內(nèi)部信號來控制開和閉合時間的三相斷路器，可以模擬相間和接地短路狀態(tài)。通過對參數(shù)的設(shè)置，可以選擇故障類型、控制信號、開關(guān)狀態(tài)等。設(shè)置起始狀態(tài)為閉合，故障時間為0.4～0.8s。（4）傅立葉濾波模塊此模塊應(yīng)用全波傅立葉算法，用于對電流幅值以及相角進(jìn)行分析。（5）繼電器模塊繼電器模塊的功能是將傅里葉模塊所轉(zhuǎn)換的電流與利用整定計(jì)算確定的電流設(shè)定值進(jìn)行比較，如果比整定值大則輸出1，否則輸出0；然后再把這個信號利用延時模塊來對整定時間進(jìn)行設(shè)置。保護(hù)出口模塊，主要是用作保護(hù)模塊的動作行為，由非門、加法器、常數(shù)、使能子系統(tǒng)。使能子系統(tǒng)具有下列特征：當(dāng)在使能端輸入正數(shù)或零時，子系統(tǒng)會開啟；而輸入為負(fù)值時，則會關(guān)閉，輸出端的值或?yàn)槌跏贾祷驗(yàn)榍耙粻顟B(tài)的值。但保護(hù)延時模塊中的延遲模塊所輸出的值為“1”或“0”，所以不可以接到使能端上，否則會一直使得出口模塊一直保持在使能的狀態(tài)，輸出的結(jié)果為：“1”。假設(shè)的輸出結(jié)果為“0”，那么在經(jīng)過非門在于-0.5相加，則可以使得使能端輸出為“1”，保護(hù)出口模塊輸出為“0”。圖3-8仿真模型圖3-9子系統(tǒng)仿真模型圖3-10三相電壓源圖3-11斷路器圖3-12三相負(fù)載圖3-13故障模塊圖3-13傅里葉模塊圖3-14繼電器圖3-15延時模塊圖3-16邏輯非模塊整定計(jì)算過程：，，線路阻抗為，，，。對于保護(hù)2：電流速斷保護(hù)：動作時間t1=0s最小保護(hù)范圍為：即2處的電流速斷保護(hù)在最小運(yùn)行方式下有保護(hù)區(qū)。限時電流速斷保護(hù)：動作時間t2=0.5s線路末端（即B處）最小運(yùn)行方式下發(fā)生兩相短路時的電流為：保護(hù)2處的靈敏系數(shù)滿足的要求定時限過電流保護(hù)：此時經(jīng)校驗(yàn)滿足靈敏性要求，可作為本段的后備保護(hù)。四、實(shí)驗(yàn)步驟及分析（包括模型建立、仿真分析、不同故障波形及分析等內(nèi)容）實(shí)驗(yàn)一：電力系統(tǒng)故障電力系統(tǒng)中，大多數(shù)故障都是由于輸電線路短路引起的，在發(fā)生短路故障的情況下，電力系統(tǒng)從一種狀態(tài)劇烈變化到另一種狀態(tài)，產(chǎn)生復(fù)雜的暫態(tài)過程。因此建立的故障仿真模型如圖4-1所示。圖4-1仿真模型1.正常運(yùn)行時三相電壓、電流波形圖4-2Va波形圖4-3Vb波形圖4-4Vc波形圖4-5Iabc波形分析：電力系統(tǒng)未發(fā)生短路故障時，此時電壓和電流均為正弦變化，三相交流電源的三相電壓和電流之間相位不同，但是幅值相同。2.單相接地故障（A相接地）：圖4-6Va波形圖4-7Vb波形圖4-8Vc波形圖4-9Iabc波形分析：因?yàn)榇巳嘞到y(tǒng)為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。當(dāng)A相發(fā)生接地故障時其相電壓降為0,同時因?yàn)橄到y(tǒng)有了除中性點(diǎn)以外的另一個A點(diǎn)接地點(diǎn)便構(gòu)成了回路，故A相電流升高，而因?yàn)橄到y(tǒng)中性點(diǎn)的鉗位作用，B、C兩相非故障相電壓沒有發(fā)生變化。當(dāng)故障消失后，即0.12s后三相短路故障發(fā)生器打開，此時A相電壓、電流又恢復(fù)正常。3.兩相短路接地故障(AB兩相接地故障)圖4-10Va波形圖4-11Vb波形圖4-12Vc波形圖4-13Iabcb波形4.兩相短路故障圖4-14Va波形圖4-15Vb波形圖4-16Vc波形圖4-17Iabc波形5.三相短路接地故障分析圖4-18Va波形圖4-19Vb波形圖4-20Vc波形圖4-21Iabc波形（2）電流速斷保護(hù)圖4-22AB兩相接地短路圖4-23三相接地短路圖4-24單相接地故障分析：模擬電流I段：因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍為54%，而線路長度與線路電阻成正比，所以將電阻1，電阻2的值分別設(shè)定為15Ω，23Ω，將三相故障模塊設(shè)在電流I段的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明線路在0.5s發(fā)生了故障，有一個相對較大的單路電流產(chǎn)生，之后經(jīng)過0.001s的延時，斷路器跳閘，因?yàn)镮段的整定電流高于II,III段，又由于延時時間不同，顯示電流速度保護(hù)在1s動作，定時限過電流保護(hù)在2s動作。模擬電流II段：因?yàn)橄迺r速斷保護(hù)是保護(hù)線路全長部分或部分下一回線路，將三相故障模塊在B點(diǎn)后，將電阻1,2的值分別設(shè)置為15Ω，23Ω。此時B點(diǎn)后故障在限時速斷保護(hù)的范圍內(nèi)。因?yàn)殡娏鱅I段整定值高于III段而低于I段，故I段不動作，II段，III段動作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明線路在1s發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個較大的短路電流，斷路器