220kV35KV变电站继电保护课程设计.docx
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220kV35KV变电站继电保护课程设计
新疆农业大学机械交通学院
《发电厂电气设备》
课程设计说明书
题目220kV/35KV变电站继电保护课程设计
专业班级：
电气工程及其自动化122班
学号：
123736211
学生姓名：
孔祥林
指导教师：
李春兰艾海提·塞买提
时间：
2015年12月
220/35KV变电所设计
概述
本变电站的电压等级为220/35kV。
变电站由2个系统供电，荷功率因数为该地区自然条件：
海拔高度为100米，土壤电阻系数Р＝2.5×104Ω.cm，土壤地下0.8米处温度20℃；该地区年最高温度40℃，年最低温度－25℃，最热月7月份其最高气温月平均34.0℃，最冷月1月份，其最低气温月平均值为－17℃；年雷暴日数为250天。
本设计主要通过分析上述资料，以及通最大持续工作电流及短路以及变压器的额定工作电流计算，对变电站进行了设备选型和主接线选择，进而完成了变电站一次部分设计。
0.8，总容量为100MVA,一类负荷0.3，二类负荷0.7。
1.电气主接线的设计
1.1主接线的设计原则和要求
变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。
变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分。
主接线的确定，对电力系统的安全、稳定、灵活、经济运行及变电站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方法的拟定将会产生直接的影响。
电气主接线的设计是发电厂或变电所电气设计的主体，它与电力系统、电厂动能参数、待建变电所基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性要求有密切的关系，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式有较大的影响。
因此，主接线设计必须结合电力系统和发电厂或变电所的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理它们之间的关系，经过技术、经济比较，合理选择方案。
2主要电气器件选择汇总表
表2-1器件选择汇总表
器件
型号
数量
变压器
SEPZ7-90000/220
4
母线（高压侧）
截面积：
2
50
4（
）矩形铝母线
2
母线（低压侧）
截面积：
2020（
）双槽型铜母线
2
断路器（低压侧）
S2-35IV/2000
9
断路器（低压母线）
SN10-35/3150
13
隔离开关（高压侧）
GW7-220/1200
32
隔离开关（低压侧）
GV12-35/4000
18
电流互感器（高压侧）
LCW-220
18
电流互感器（低压侧）
LCW-35
4
绝缘子
ZS-220
3
3短路电流的计算
3.1短路电流
短路是指相与相之间通过电弧或其它较小阻抗的一种非正常连接，在中性点直接接地系统中或三相四线系统中，还指单相和多相接地。
产生短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏。
3.1.1短路电流计算的目的
（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需要进行必要的短路电流计算。
（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠的工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
例如：
计算某一时刻的短路电流有效值；计算短路后较长时间短路电流有效值，用于校验设备的热稳定；计算短路电流冲击值，用于校验设备的动稳定。
（3）在需按短路条件设计屋外高压配电装置时，校验软导线的相间和相对地的安全距离。
（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。
（5）按地装置的设计，也需用短路电流。
3.2各回路最大持续工作电流
各回路最大持续工作电流根据公式
（3-1）
式中
——所统计各电压侧负荷容量
——各电压等级额定电压
——最大持续工作电流
（3-2）
基准电压：
基准容量：
低压侧（35kV）:
（3-5）
高压侧（220kV）:
（3-4）
3.3短路电流计算点的确定
短路是电力系统中最常见的且很严重的故障。
短路故障将使系统电压降低和回路电流大大增加，它不仅会影响用户的正常供电，而且会破坏电力系统的稳定性，并损坏电气设备。
因此，在发电厂变电站以及整个电力系统的设计和运行中，都必须对短路电流进行计算。
短路电流计算的目的是为了选择导体和电器，并进行有关的校验。
按三相短路进行短路电流计算，可能发生最大短路电流的短路电流计算点有2个。
如图所示。
图3-1短路点K1，K2，
图3-2短路点的等值电路图
每公里线路的电阻为：
（3-5）
每公里电力线路的电抗,在工程计算中对于高压架空电力线路一般可近似取.
线路电抗标么值：
（3-6）
变压器电抗标么值：
（3-7）
220KV系统归算至至变电所220KV母线总电抗标么值
，所以此降压变电站，计算电抗标幺值
3.3.1当K1点出现短路时
图3-3等值电路
时间常数：
Ta=0.05s，冲击系数：
。
则：
系统的转移电抗为：
（3-9）
d1点短路电流有名值：
（3-10）
d1点短路冲击电流:
（3-11）
d1点短路冲击电流的有效值：
（3-12）
d1点处的短路容量：
（3-13）
3.3.2当K2点出现短路时
图3-5等值电路
系统的转移电抗为:
（3-19）
d2点次暂态电流（短路电流有名值）：
（3-20）
d2点短路冲击电流:
（3-21）
d2点短路冲击电流的有效值:
（3-22）
d2点处的短路容量：
（3-23）
表3-2短路点计算结果：
短路点
短路电流有名值（KA）
冲击电流（KA）
冲击电流的有效（KA）
短路容量（MVA）
K1
7.0299
17.8952
10.61515
450.517
K2
1.6401996
4.1753
2.4767
653.409
4电保护分类及要求
继电保护的分类：
（1）按被保护的对象分类：
输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；
（2）按保护原理分类：
电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；
（3）按保护所反应故障类型分类：
相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；
（4）按继电保护装置的实现技术分类：
机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；
（5）按保护所起的作用分类：
主保护、后备保护、辅助保护等；
主保护：
满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护；
后备保护：
主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。
又分为远后备保护和近后备保护两种；
（1）远后备保护：
当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护；
（2）近后备保护：
当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护；
（3）辅助保护：
为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。
继电保护的基本要求：
继电保护技术上一般应满足可靠性、选择性、速动性、灵敏性四个基本要求。
（1）可靠性
（2）选择性
（3）速动性
（4）灵敏性
5电力继电器继电保护
5.1电力变压器故障及不正常运行状态
电力变压器是电力系统中非常重要的电力设备之一，它的安全运行对于保证电力系统的正常运行和对供电的可靠性，以及电能质量起着决定性的作用，同时大容量电力变压器的造价也是十分昂贵。
针对电力变压器可能发生的故障和不正常的运行状态进行分析，然后重点研究应装设的继电保护装置，以及保护装置的整定计算。
变压器的内部故障可分为油箱内故障和油箱外故障两类，油箱内故障主要包括绕组的相间短路、匝间短路、接地短路及经铁芯烧毁等。
变压器油箱内的故障十分危险，由于变压器内充满了变压器油，故障时的短路电流使变压器油急剧的分解气化，可能产生大量的可燃性气体（瓦斯），很容易引起油箱爆炸。
油箱外故障主要是套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。
电力变压器不正常和运行状态主要有外部相间短路、接地短路引起的相间过电流和零序过电流，负荷超过其额定容量引起的过负荷、油箱漏油引起的油面降低，以及过电压、过砺磁等。
5.2电力变压器继电保护的配置原则
针对电力变压器的故障类型及不正常运行状态，应对变压器装设相应的继电保护装置，其任务就是反映上述故障或异常运行状态，并通过断路器切除故障变压器，或发出信号告知运行人员采取措施消除异常运行状态。
同时，变压器保护还应能作相邻电气元件的后备保护。
故根据DL400—1991《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，电力变压器应装设如下保护。
（1）瓦斯保护
（2）纵联差动保护或电流速断保护
（3）过电流保护
（4）零序电流保护
（5）过负荷保护
（6）过励磁保护
（7）其他保护
6选用变压器继电保护装置类型
（1）变压器的差动保护
（2）变压器的瓦斯保护
（3）变压器的电流保护
（4）变压器的过负荷保护
（5）变压器的温度保护
7选用的母线继电保护装置类型
（1）过电流保护
（2）过负荷保护
8各保护装置的整定计算
8.1变压器纵差保护整定计算及其校验
8.1.1差动继电器的选型
所选用的差动继电器的型号为BCH-2E型，其中：
（1）可靠系数
五倍动作电流时的可靠系数不小于1.35；
二倍动作电流时的可靠系数不小于1.2。
（2）动作时间
三倍动作电流时，继电器的动作时间不大于35ms。
（3）功率消耗
工作绕组和一个平衡绕组全部串联接入，当在保护区内发生故障，且电流等于5A时，继电器的单相功率消耗不超过16vA。
（4）触电断开容量
220V/1A/50W
（5）介质强度
2kV/50Hz/1min
（6）绝缘电阻不小于300MΩ（在交变湿热条件下不小于4MΩ）。
8.1.2纵差动保护的整定计算
选出电流互感器变比，求出电流互感器二次额定电流，计算结果如表8-1所示
表8-1计算结果列表
参数
变压器高压侧计算数值
变压器低压侧计算数值
额定电压（kV）
一次侧额定电流（kA）
电流互感器接线方式
选用电流互感器变比
电流互感器二次额定电流（A）
220
0.7872
Y
1200/5
5.0
35
4.949
D
1000/5
5.0
从上表中可以看出
，所以选择较大者35kV侧为基本侧。
计算变压器差动保护的动作电流，并将其归算到基本侧。
确定保护装置的一次动作电流：
（1）躲过变压器的最大的励磁涌流为：
Iset=Krel×IN×Ku=1.3×4.949×1=6.434kA（8-1）
式中Krel：
可靠系数，查阅工程手册选用1.3。
（2）外部短路故障时的最大不平衡电流：
Iunb.max=（0.1Kst+△U+△fN）IK.max=（0.1×1+0.05+0.05）×4.45=0.89KA（8-2）
式中
—电流互感器同型系数，取为1；
—由变压器调压引起的误差，取为0.05；
—平衡线圈实际匝数与计算匝数不同引起的误差，取为0.05；
—外部短路流过基本侧的最大短路电流，一次小组给的电流值为4450A。
躲过外部短路故障时的最大不平衡电流为：
Iset=KrelIumb.max=1.3×0.89=1.157KA（8-3）
式中
—可靠系数，取为1.3。
躲过电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷电流
Iset=Krel×IL.max=Krel×IN1=1.3×0.7872=1.023KA（8-4）
式中
—变压器的最大负荷电流，在最大负荷电流不确定时，可取变压器的额定电流；
—可靠系数，查阅工程手册选用1.3。
综上所述，选取Iset=1.157KA
8.1.3差动保护灵敏系数的校验
纵差动保护的灵敏系数校验式
Ksen=Ik.min.r/Iset=3.854/1.157=3.33>2（8-5）
式中Ik.min.r—各种运行方式下变压器区内端部故障时，流经差动继电器的最小差动电流。
动作时限由变压器供电的线路保护装置的最大时限大一时限阶段，一般取0.5s—0.7s，这里取0.5s比较合适。
8.2变压器过电流保护的整定计算
8.2.1DL-21CE型电流继电器
DL-21CE系列电流继电器用于电机、变压器及输电线路的过负荷与短路保护线路中，作为起动元件。
（1）DL-21CE型电流继电器有一个动合触点，动作于过电流。
（2）动作值极限误差为6%，启动电流为18.3KA。
（3）动作时间
1.1倍实测动作值时不大于0.12s；2倍实测动作值时不大于0.04s。
（4）动作一致性不大于5%。
（5）环境温度引起的变差不大于5%。
（6）过载能力
电流继电器测定最大整定值和最小整定值两点，测最小整定值时，继电器线圈串联；测最大整定值时，继电器线圈并联，输入电流分别从最小和最大整定值上升到表4所列的相应试验电流，经5次试验，继电器的动合触点不应有不能工作的抖动，取出输入电流时不应有不返回现象，每次试验时间不大于5s。
附加电阻表面温度不超过150℃。
（7）绝缘电阻不小于300MΩ。
（8）介质强度为2kV/50Hz/1min。
（9）动作可靠性
a.当对线圈突然施加整定值的1.75倍激励量时，继电器的动合触点应无抖动地闭合；
b.当无外来的碰撞和振动，继电器的整定值在刻度盘的中值时，过电流继电器激励量为整定值的0.6倍时，继电器的动断触点应可靠闭合，动合触点应可靠断开。
c.在动作值或返回值下，继电器动作过程中的可动系统不应当停滞在中间位置。
8.2.2过电流保护整定原则
过电流保护，保护装置的动作电流应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流
来整定，即
Iset=KrelIl.max/Kre（8-6）
式中：
Krel—可靠系数，一般采用1.2~1.3；
Kre—返回系数，一般采用0.85；
Il.max—变压器的最大负荷电流。
可靠系数Krel的引入可按其字面意思理解就可以了，一般电流保护按一定的原则计算，再乘以一定的可靠系数防止保护在计算值边缘时误动，可靠系数大小的选取一般都是经验值，没有很严格的规定，大多都是1.2或1.3左右,计算准确可靠的就选小点，估算成分或不确定因素比较多的就选大点。
公式中引入返回系数Krs的意义在于：
可提高可靠性和灵敏度。
因为当在最大负荷时若出现瞬时故障（时间小于保护装置的动作时限），电流达到了整定值，继电器动作。
在这种情况下若考虑到了返回系数，则当瞬时故障消失后继电器会可靠返回而不至于跳闸；若不考虑返回系数，则继电器会由最大负荷电流的存在而不能反回，导致跳闸。
8.2.3过电流保护整定的动作时限器
动作时限由变压器供电的线路保护装置的最大时限大一时限阶段，取0.5s—0.7s，这里取0.5s（当过电流保护的动作时限大于0.5s时，增设电流速断保护）。
8.2.4保护装置的灵敏校验
（8-7）
式中Imin—最小运行方式下，在灵敏度校验发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流。
在被保护变压器受电侧母线上短路时，要求Ksen=1.5-2.0；在后备保护范围末端短路时，要求
保护装置的动作时限应与下一级过电流保护配合，要比下一级保护中最大动作时限大一个时限级差Δt。
8.2.5过电流保护整定计算
保护的启动电流按照躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即
（8-8）
考虑切除一台变压器后产生的过负荷，各台变压器容量相同时计算式
（8-9）
又因为
（8-10）
对于高压侧的过电流保护：
（8-11）
（8-12）
应选
220kV最小运行方式下，在灵敏度校验发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流为1kA
（8-13）
故满足要求
所以对于低压侧的过电流保护：
（8-14）
（8-15）
应选Iset=1.2kA
35kV最小运行方式下，在灵敏度校验发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流为1.47kA
（8-16）
故选用的保护装置满足要求
8.3过负荷保护
（8-17）
In——变压器额定一次电流
Ki——电流互感器变比
过负荷保护动作时间的整定计算公式
Top=10-15s
过负荷保护无需检验
8.4变压器一次侧零序过电流保护的整定计算
8.4.2DS-26E型时间继电器
DS-20系列时间继电器作为辅助元件用于各种保护盒和动控制线路中，使被控制元件的动作可得到调节的延时。
（1）时间整定范围1.2-5s，额定电压220V。
（2）触点形式
一副瞬时转换触点、一副滑动动合触点和一副终止动合主触点。
（3）动作值和返回值
在基准条件下，继电器的可靠动作电压，对于DS-26E不大于85%额定电压。
继电器的可靠返回电压不小于5%额定电压。
（4）整定误差
在基准条件下，继电器延时主触点整定误差±1.05。
（5）温度变化对性能的影响
环境温度为标称范围极限值时，继电器应可靠动作，且应满足以下要求:
a.任一延时整定点的变差，对于前两点刻度整定值，应不超过最大延时整定值的±5%（可换算成绝对值），其余各点刻度整定值，应不超过最大延时整定值的±10%（可换算成绝对值）；b.此时继电器的动作电压，直流继电器不大于80%额定电压，交流继电器不大于95%额定电压；c.继电器的延时一致性不大于上表规定值的1.5倍。
（6）功率消耗
在额定电压下，继电器的功率消耗为35VA。
（7）绝缘电阻不小于300MΩ。
（8）介质强度
2kV/50Hz/1min
（9）冲击电压为5kV.
（10）触点断开容量
DC250V/1A/50W
AC250V/1A/250VA
（11）继电器延时主触点长期允许接通电流为5A，瞬时触点长期接通电流为5A。
8.4.2零序电流的整定计算
（1）零序电流保护的一次动作电流的整定计算
（8-18）
（8-19）
（8-20）
其中：
I0.OP—主变压器零序过电流保护动作电流
I0.op.max—零序过电流保护相关段最大一次动作电流（一般为额定电流）
Krel—可靠系数，一般取1.15-1.2
K0.bra.max—系统最小运行方式时主变压器零序电流的最大分支系数
nTAO—主变压器零序电流互感器TA0的变比，其值为240
（2）零序过电流保护灵敏系数校验
`
（8-21）
其中
—线路出口单相接地时保护安装处零序电流最小值
K0.sen—其值应大于等于2
（3）动作时间的整定值:
（8-22）
其中：
t0.op.max—出线配合相关段零序过电流保护最长动作时间0.5S
—动作时间级差，微机保护取0.3-0.4s
故保护装置满足整定要求
9防雷保护
雷电所引起的大电压将会对电气设备和变电所的建筑物产生严重危害，因此，在变电所和高压输电线路中必须采取有效措施，以保证电气设备安全。
10心得体会
经过3周的课程设计，使我受益匪浅，将以前所学的知识理论和时间结合起来，通过团队合作，同完成了这次的课程设计。
在课程设计中，遇到了很多的问题，但是通过向老师询问，对变电站的设计规范，设计要求，对变压器继电保护的配置及个保护原理图和整定计算有了深刻的了解，认识了各种配电设备及其独有的功能，更重要的是提高了，自己实际动手能力和独立思考的能力。
同时更是体会到了理论与实践相结合的重要新，不仅仅只是要会书本上的知识，更是要知道书本上的知识，如何应用在实践中。
这次的课程设计使我得到了一次用专业知识、专业技能来分析解决问题的机会。
同时感谢老师的指导和同学们的帮助。
参考文献：
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