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1、某kV变电站继电保护设计作者:课程设计说明书第3页共20页日期:前言在如今随着科学的发展，电力系统的能否安全稳定运行，会直接影响国民经济和社 会发展。 电力系统一旦发生自然或人为故障，如果不能及时有效控制，就会失去稳定运行，使电网瓦解，并 造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。继电保护（包括安全自动装置）是保障电力设备安全 和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。许多实例表明， 继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。因此，加强继电保护的设计和整 定计算，是保证电网安全稳定运 行的重要工作。为满足电网对继电保护提出的可靠性、选择性、灵敏性、速
2、动性的要求，充分发挥 继电保护 装置的效能，必须合理的选择保护的整定值，以保持各保护之间的相互配合关系。做好电网继电保 护定值的整定计算工作是保证电力系统安全运行的必要条件。继电保护装置的基本任务是：自动，迅速，有选择性将系统中故障部分切除，使故 障元件损 坏程度尽量可能降低，并保证该系统无故障部分迅速恢复正常运行。反映电器元件的不正常运行状 态，并根据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号，减负荷或者延时跳闸。课程设计说明书2继电保护的介绍2.1 继电保护结构原理继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量，电流、电压、图2.1继电保护原理结构方框图功率、频率等的变化，构
3、成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴 随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。大多数情况下，不管反应哪种物理量， 继电保护装置都包括测量部分和定值调整部分、逻辑部分、执行部分继电保护原理结构方框图 如下：整定值2.2 继电保护的基本组成测量比较部分：测量所要保护的电气元件上的电气参数并与标准值比较。逻辑判断部分：由以上比较结果判断系统是在正常运行状态，还是发生故障或是在 不正常运行状态。执行部分：根据判断出的运行状态去动作或不动作2.3 继电保护的基本要求在技术上必须满足选择性、速动性、灵敏性、可靠性四个基本要求。对于作用于断 路器跳闸 的继电保护，应同时满
4、足这四个基本要求，对于作用于信号以及只反应不正常 运行情况的继电保 护装置，这四个基本要求中有些要求如速动性可以降低。第1页共20页课程设计说明书选择性：所谓继电保护装置的动作选择性就是指当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和线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的设备或断路器拒绝动作时、 应由相邻的设备或线路的保护将故障切除。虽然扩大了停电范围，但控制了故障的扩大，它起着 对下一段线路的后备保护作用。速动性：快速切除故障，可以提高电力系统运行的稳定性，减轻故障设备的损坏程度，防止 故障的扩展，提高自动重合闸的成功率，减少对用电单位的影响，迅速恢复系 统的正常运行。故障
5、切除的时间等于继电保护装置动作时间与断路器跳闸时间之和，对于反应故障的继电保护，要求快速动作的主要理由和必要性在于：（1）快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性；（2）快速切除故障可以防止故障的扩大，提高自动重合闸和备用电源或设备自动 投入成 功率，因为快速切除故障，对提高故障点饿灭弧速度，缩小短路持续时间，防止出现接地故障发 展为相间故障；两相短路发展为三相短路；暂时性故障发展为永久性故障等。（3）快速切除故障可以减少发电厂厂用电及用户电压降低的时间，加速恢复正常 运行的 过程，保证厂用电及用户工作的稳定性。（4）快速切除故障可以减轻电气设备和线路的损坏程度，短路电流通过的时间愈 长，
6、则 设备损坏的程度就愈严重，甚至烧毁，特别在发电机变压器的内部短路时，是不允许带时限切除 故障的。从上述理由可知，快速切除故障，对提高电力系统运行的可靠性具有重大意义。一般快速保护的动作时间为0.08- 0.12s,一般断路器的跳闸时间为0.1 - 0.27s,因 此，一般快速保护切除故障的时间为0.18- 0.27s ;最快速保护的动作时间为0.02- 0.03s,最小的断路器跳闸时间为0.04 0.05s,所以最快速保护切除故障的时间为 0.06 0.08So灵敏性:所谓灵敏性，即在保护范围内发生故障和不正常工作情况下，继电保护装置的反应能 力，也就是在保护范围内故障时，不论短路点的位置以
7、及短路的类型如何，都能敏锐且正确的反 应。继电保护的灵敏性以灵敏系数Ksen来衡量。（1）对于反应故障时参数量增加的保护装置。灵敏系数=保护区末端金属性短路时故障参数的最小计算值/保护装置动作参数的整定值 女口：过电流保护的灵敏系数为K1 K. m i nsen K.a c t式中I K.min保护区末端金属性最小短路电流二次值I K.act保护装置的二次动作电流（2）对于反应故障时参数量降低的保护装置灵敏系数=保护装置动作参数的整定值/保护区末端金属性短路时故障参数的最大计算值。可靠性：继电保护装置对它所保护的范围内发生各种故障和不正常运行状态时，不 应该拒绝 动作。而在保护范围内之外发生的
8、各种故障和不正常运行状态时，不应该误动作。这种性能称为 可靠性。在实际的运行中，可靠性用动作正确率来表示。由上述可知，对继电保护装置的四个基本要求筹兼顾，相互联系且又相互制约的。2.4 继电保护的任务电力系统动行中，各种电气设备可能出现故障和不正常运行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。如过负荷、过电压、频率降低、系统振荡等。故障主要包括各种类型的短路和断线，如三相短路、两相短 路、单相接地短路、两相接地短路、发电机和电动机以及变压器绕组间的匝间短 路、单相为线、 两相断线等。当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准
9、确地给脱离故障 元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力 系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求，如保 持电力系统的暂态稳定性等。反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同，例如 有无经常值班人员，发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调 整，或将那些继 续运行会引起事故的电气设备予以切除。反应不正常工作情况的继电保 护装置允许带一定的延时 动作。第3页共20页课程设计说明书3 35KV电网保护配置概述3.1 35KV保护配置的一般设计原则电力系统继电保护设计与配置是
10、否合理直接影响电力系统的安全运行。若设计与配置不当，在出现保护不正确动作的情况时，会使得事故停电范围扩大，给国民经济带来 程度不同 的损失，还可能造成设备或人身安全事故。因此，合理地选择继电保护的配置主案正确地进行整 定计算，对保护电力系统安全运行具有十分重要的意义。选择继电保护配置方案时，应尽可能全面满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。当 存在困难时允许根据具体情况，在不影响系统安全运行的前提下适当地降低某些方面的要求。选择继电保护装置方案时，应首先考虑采用最简单的保护装置，以求可靠性较高、调试较方便和费用较省。只有当最简单的保护装置满足不了四个方面的基本要求时，才 考虑近期 电力系统
11、结构的特点、可能的发展情况、经济上的合理性和国内外已有的成熟 经验。所选定的继电保护配置方案还应能满足电力系统和各站、所运行方式变化的要求。35千伏及以上的电力系统，所有电力设备和输电线路均应装设反应于短路故障和异常运 行状况的 继电保护装置。一般情况下应包括主保护和后备保护。主保护是能满足从稳定 及安十要求出发， 有选择性地切除被保护设备或全线路故障设备或线路的保护。后备保 护可包括近后备和远后备两 种作用。主保护和后备保护都应满足电力装置的继电保护 和自动装置设计规范所规定的对短 路保护的最小灵敏系数的要求。3.2 35KV电网的继电保护配置原则3.2.1 相间短路保护保护电流回路的电流互
12、感器采用不完全星形接线，各线路保护均装在相同的A、C两相上。以保证在大多数两点接地的情况下只切除一个故障点。在线路上发生短路时，会引起厂用电或重要用户母线的电压低于5060% Ue时、应快速切除故障，以保证无故障的电动机能继续运行。在单侧电源的单回线路上，可装设不带方向元件的一段或两段式电流、电压速断保第4页共20页课程设计说明书护和定时限过电流保护。在多电源的单回线路上，可装设一段或两段式电流、电压速断保护和定时限过电流 保护。必 要时保护应加装方向元件。如果仍然不能满足选择性和灵敏性或速动性的要求，或保护装置的构 成过于复杂时、宜采用距离保护。34公里及以下的短线路宜采用纵联 导引线保护作
13、主保护，以 带方向或不带方向元件的电流保护作后备保护。为简化环形网络的保护，可采用故障时先将网络自动解列，故障切除后再自动复原 的办法来 提高保护的灵敏度。对平行线路，一般宜装设横差动电流方向保护或电流平衡保护作主保护。以 接两回线电流和的两段式电流保护或距离保护作为双回线运行时的后 备保护以及单回线运行时的 主保护和后备保护。3.2.2 单相接地保护对电缆线路或经电缆引出的架空线路，宜装设由零序电流互感器构成的带方向或不带方向 元件的零序电流保护。对架空线路，宜装设由零序电流滤过器构成的带方向或不 带方向元件的零 序电流保护。在线路的回路数不多，或零序电流大小，零序电流保护的灵敏度达不到要求
14、时，可 利用在母线上装设的反应于零序电压的绝缘监视装置兼作线路的单相接地保护。3.2.3 过负荷保护经常出现过负荷的电缆线路或电缆与架空的混合线路应装设过负荷保护。保护宜带时限动作于信号，必要时也可动作于跳闸。第5页共20页课程设计说明154短路计算4.1 系统等效图如图4.1所示图4.1系统等效图4.2 基准参数选定 本设计中选 Sb=1000MVA UB=Uav,那么 35kv 侧山 1=37 血，10kv 侧 UB2=10.5kvo4.3 阻抗计算C1系统：最大方式Xi=0.06最小方式Xi=0.12C2系统：最大方式X2=O.1最小方式X2=O.15线路：L1: %=1 iXSb/Vb
15、=0.4 X 10X 1000/372=2.9222L2: X4=|3XiSb/Vb=0.4 X 13X 1000/37 =3.8变压器：X5=X6= (d%/100) Sb/S=0.065/100 X 1000/31.5=0.0214.4 短路电流计算1)最大运行方式，系统化简如下图其中：X7=X+X3= 2.98 X 8= X2+X- 3.9K=X=1.69CloC2o72.9881935KVdl10KV0.0214d2-0.126图4.2最大运行图故知 35KV 母线上短路电流：I dima=l Bi/X9=1.56/1.69=0.923kA10KV 母线上短路电流：I d2ma=lB2
16、/Xio=5.5/1.711 =3.214kA折算到35KV侧： Id21ma= |Bi/Xio=1.56/1.711 =0.912kA对于 d3 点以 X_计算:ld3ma=5.5/(1.711+0.126)=2.994kA2)最小运行方式下：系统化简如图4.3所示。第7页共20页课程设计说明书图4.3最小运行图因C1停运,所以仅考虑C2单独运行的结果；Xii=%+%=3.921所以35KV母线上短路电流：Idimel B/X8=L56/3.9=0.4kA所以10KV母线上短路电流：I d2mm=lBXii=5.5/3.921=1.4kA 折算到 35KV侧:l = I b/XW.56/3.
17、921 =0.39kA对于 d3 以 Xl进行计算：Id3mm=5.5/(3.921+1.37)=1.039kA折算到 35KV 侧：I d3imin= 1.56/(3.921+1.37)=0.295kA第9页共20页5主变继电保护整定计算5.1 瓦斯保护变压器瓦斯保护是用来反应变压器内部的故障，当变压器油箱内部发生故障，油分 解产生气 体或当变压器油面降低时，瓦斯保护应动作。油浸式变压器是利用变压器油作为绝缘和冷却介质的，当变压器油箱内部发生故 障，由于短 路电流所产生的电弧使变压器的绝缘材料和变压器油分解而产生大量气体。这些大量气体形成气 流并与油流混合冲向油枕的上部。故障愈严重，产生的气
18、体越多，油流速度越快。利用这种气体 来实现的保护，称为瓦斯保护。轻瓦斯保护的动作值按气体容积为250300cm整定，本设计采用280cmL重瓦斯保护的 动作值按导油管的油流速度为0.61.5cm2整定本，本设计采用0.9cm2。瓦斯继电器选用FJ80 型。5.2 纵联差动保护变压器差动保护能正确区分被保护兀件的保护区内、外故障，并能瞬时切除保护区内的短路 故障。变压器的纵联差动保护用来反应变压器绕组、套管及引出线上的各种短 路故障，是变压器 的主保护。应用输电线路纵联差动保护原理，可以实现变压器的纵联差动保护，对于变压器纵联 差动保护，比较两侧有关电气量更容易实现，所以变压器的纵联差动保护得到
19、了广泛的应用。5.2.1 变压器纵联差动保护的原理变压器纵联差动保护通常采用环流法接线，如下图所示，为双绕组变压器纵联差动保护的原理接 线图。课程设计说明书TA1TABorYR2DF2图5.1纵联差动保护的原埋接线图要实现变压器的纵联差动保护，就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比。此时变压器两侧电流互感器的二次侧电流正常运行和外部短路时，流过差动继电器的电流为:Ikd =。差动继电器KD不动作。当变压器内部发生相间短路时，在差动回路中由于2改变了方向或等于零（无电源侧），这时流过差动继电器的电流为Ld rL + h,该电流为流过短路点的短路电流，使差动继电器KD可靠动
20、作，并动作于变压器两侧断路器跳闸。由此可知，变压器纵联差动保护的保护范围是构成变压器差动保护的两侧电流互感器之间的 范围。在保护范围之外发生故障时，保护不动作，一侧不需要与保护区外相邻 元件的保护在整定和整定时限上相互配合，所以在区内故障时，可瞬时动作。522变压器差动保护的计算确定基本侧变压器容量Sn -31.5MVA变压器额定电压（H侧）U n.h =35kV第11页共20课程设计说明书第21页共20页变压器额定电压（L侧）Un.l=1 OkV变压器各侧额定电流的计算：Sn 31.5高压侧1 n.h= =0.52 KAy3U n.h *3 汉 35Sn 31.5低压侧In 厂一 n 二=1
21、.817KAV3Un.l 如 10电流互感器的计算变比：电流互感器的接线方式高压侧为,低压侧为丫。高压侧低压侧电流互感器的变比标准化高压侧低压侧电流互感器二次连接臂电流高压侧Nah = Mh V3 = 520V3 = 9007 =180.1K1Nta.laNta.hNta.l51nlN5551817 “a,363.451000 CCC200 52000 “C4005Ini.h 二二弓畀 4.50ANta.h 200低压侧h 。占J勺817 =4加Nta.l 400其中Keon为接线系数。电流互感器为接线时取-3 ;电流互感器为丫接线时取1基本侧的确定In2.ltn2,h =4.54 -4.50
22、 = 0.04故选取低压侧为基本侧数据如下表所示：数据名称各侧数据35kV 侧10kV 侧变压器额定电流(kA)0.5201.817变压器连接方式Y电流互感器接线方式Y电流互感器的计算变比Nta H = -Na，3 =900.7 =180.155K.I NL 1817Ntal= =363.455电流互感器的变比标 准化“1000 CCCNtah =2。5“2000 cNta.l=4005电流互感器二次连接臂电流I N2,H =人。1N,H =4.50A TA.HK II N2 L =_8n ML =4.54ANta.l确定基本侧非基本侧基本侧表5-1变压器差动保护计算结果523确定基本侧动作电
23、流1)躲过外部故障时的最大不平衡电流set 二 Krel1 unb.max Kre ill fza U 0.1 P KjkI式中Krel可靠系数，本设计取1.3;fza 由于电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差，本设计取 0.05 ； U由变压器分接头改变引起的相对误差，一般可取调整范围的一半，本设计取0.05 ；0.1电流互感器容许的最大稳态误差；Kst 电流互感器同型系数，接线方式相同时取0.5,不同时取1,本设计取1 ；KnP 非周期分量系数，取1.52,当采用速饱和变流器时，由于非周期分量会使其饱和，抑制不平衡输出，可取为1,本设计取1。借一一折算到10KV侧三相短路电流；
24、代入数据计算得Iset = K |可 lunb.max =1 .3 汉（0.05 十 005 十 0. 1 灯汉 1）汉 11810=3070.6A取这三个计算值中最大者为差动保护基本侧的一次动作电流，根据以上计算结果可以确定 I set=3070.6A2）差动继电器基本侧动作电流3070 6 1 “6765A set.r400确定差动继电器各绕组的匝数. AN6八= 7.8161Wset I setJ 7.6765式中AN 继电器动作额定安匝 实际取为8匝，即W$et = wb1. set wd .set T = 8式中Wbiset平衡线圈实用匝数Wdset 基本侧差动线圈实用匝数确定非基本
25、侧平衡线圈匝数Wb。=吟&-Wd set 二 4V54送 7 =1.071 N2,H4.50实际取为WbO.setJ匝。由电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差为Lf 二 -=0.00867 : : : 0.05 Wb%Wd.set 1.07 + 7所以不必重新计算动作电流。5.2.4保护装置灵敏度校验差动保护灵敏度要求值Km 2本系统在最小运行方式下，10KV侧出口发生两相短路时，保护装置的灵敏度最低 已知负荷侧两 相短路时最小短路电流为：1 w=7.617KA反应到电源侧继电器的电流为：Ik.r =230.82 A电源侧继电器动作电流为：,AN 60 t1 r.set7, ;Wd
26、.set +Wb 0. sAeAtl则差动保护的最小灵敏系数为：230.82Ks.min7.5故满足灵敏度要求。5.3 过电流保护5.3.1 过电流继电器的整定及继电器选择1）保护动作电流按躲过变压器额定电流来整定I dz= KI el/K h式中：氐一可靠系数，采用1.2；Kh一返回系数，采用0.85 ；代入数据得 I dz=1.2 X 363.4/0.85=513.04A继电器的动作电流 ldzj=l dz/m =513.04/400=1.28A选用DL-11/2型电流继电器，其动作电流的整定范围为为2o2）灵敏度按保护范围末端短路进行校验。以线路L1计算灵敏系数：Ksen二电底户0二口多
27、二5.026Iset 513.04满足要求。5.4 过负荷保护30.78 20.52A,故动作电流整定值过负荷保护原理接线图如下：图5.2过负荷保护的原理接线图 继电器动作电流整定计算，按躲过变压器额定电流整定选用DL-11/6型电流继电器，其动作电流的整定范围为1.5 6A,故动作电流整定 值为.芝QF、6Ao动作时限的整定，按躲过允许的短时最大负荷时间整定，一般此时间取9 15s,本设计取Krel 1.05 1817set5.61 Are 0.85 40010So延时时限取10s,以躲过电动机的自起动。当过负荷保护起动后，在达 到时限后仍未返回, 则动作ZDJH装置。6输电线路的距离保护距
28、离保护是通过测量被保护线路始端电压和线路电流的比值而动作的一种保护，这个比值被称为测量阻抗Zm,用来完成这一测量任务的元件称为阻抗继电器KI 06.1 距离保护的时限特性距离保护的动作时间与保护安装点至短路点之间的距离的关系称为距离保护的时限特性。为 了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛采用具有三段动作范围的阶梯型时限特性。 距离保护的动作时间t与保护安装处到故障点之间的距离I的关系称为距离保护的时限特性，目前获得广泛应用的是阶梯型时限特性，如图31所示。这种时限特性与三段式电流保护的时限特性相同，一般也作成三阶梯式，即有与三个动作范围相应的三个动作03Z2 1t2”it：I t3xd
29、t211 ;1保护3的I段llH保护3的H段 保护3的皿段时限：t、tt O6.2 距离保护的组成距离保护的主要由三段式距离保护装置一般由以下元件组成(1)起动元件图6.1距离保护的时限特性起动元件的主要作用是在发生故障的瞬间起动整套保护，并和阻抗测量元 件(ZL Z、Z)组成与门，起动出口回路动作于跳闸，以提高保护装置动作 的可靠性。 起动元件可由过电流继电器、低阻抗继电器或反应于负序和零序电流的继电器构成。(2)阻抗测量元件(Z、z、z)阻抗测量元件的作用是测量短路点到保护安装点之间的阻抗(亦即距离)，它是距 离保护中的核心元件，一般由阻抗继电器来担任。通常Z】和Z”采用带 有方向性的方向
30、 阻抗继电器，Z采用偏移特性的阻抗继电器。(3)时间元件时间元件用以建立保护动作所必需的延时，根据测量元件的动作结果以相应的不 同时间去发出跳闸脉冲，以保证保护动作的选择性。时间元件一般由时间继电器担任。(4)出口执行元件保护装置在动作后由出口执行元件去跳闸并且发出保护动作信号。6.3 距离保护的逻辑保护装置的动作情况如下；正常运行时，起动元件不动作，保护装置处于被闭锁状态；当正方向发生短路故障时，起动元件动作，如果故障位于距离I段范围内，则动作，并与起动元件一起经与门瞬时作用于出口跳闸回路；如果故障位于距离段范围内，则 不动而Z动作，随即起动段的时间元件t，待t”延时到达后，通过与门起 动出
31、口回路动作于跳 闸；如果故障位于距离段范围内，则Z动作后起动1,在t 的延时之内，若故障未被其他的保 护动作切除，则在t”延时到达后，仍然通过与门和出口回路动作于跳闸，起到后备保护作用。第23页共20页课程设计说明书7总结通过本次课程设计对继电保护的知识内容有了进一步的了解和掌握，通过对课本和参考书籍的翻阅，进一步提高了自己独立思考和利用资料亲自完成设计的能力，学会了对原理接 线图和展开图的分析，也进一步学会了画电气工程图，对继电保护有了更深层 次的理解和掌握。 在设计中必须做到明确设计目的和题目要求；细心，严谨、精确，反 复修改，精益求精；使所学的理论知识更加透彻，从而加深对其的理解；在设计中紧扣 继电保护的 四要求：速动性、灵敏性、可靠性、选择性。通过本次课程设计，使得我能 够积极查阅相关资 料，科学的分析问题，因此培养了我的学习积极性、独立分析问题的能力、发现问题和解决问题 的能力、合作沟通的能力，也增强了我与同学们的交流沟通。参考文献1张保会尹项根电力系统继电保护第二版北京：中国电力出版社2贺家李 宋从矩电力系统继电保护原理第三版北京：中国电力出版社3刘介才工厂供电设计指导北京：机械工业出版社4孙力华电力工程基础北京：机械工业出版社(5)陈玲.电力系统稳态分析.北京：中国电力出版社6李光琦.电力系统暂态分析.北京：中国电力出版社