某35KV变电站继电保护初步设计.docx

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某35KV变电站继电保护初步设计

1.1课程设计任目的及意义

1.2课程设计题目及要求

2、原始资料分析

2.1变电所继电保护设计规程

2.2.1主保护配置

2.2.2后备保护配置

2.3保护方式确定

3、3短路电流及残压计算

3.1等效电路的建立

3.2保护短路点的选取

3.3短路电流的计算

3.3.1最大方式短路电流（或残压）计算

3.3.2最小方式短路电流（或残压）计算

4护的配合及整定计算

4.1主保护的整定计算

4.1.1动作值（如动作电流）

4.1.2动作时间

4.1.3灵敏度校验

4.2后备保护的整定计算

4.2.1动作值（如动作电流）

4.2.2动作时间

4.2.3灵敏度校验

5二次展开原理图的绘制

5.1保护测量电路

5.2保护跳闸电路

6保护的评价（结论）

7、总结

第一章、课程设计原始资料

1.1课程设计任目地及意义

一、课程设计目的

本课程设计是学生在学完《电力系统继电保护原理》课程之后、进行的一个综合性的教学实践环节。

通过本课程设计一方面使学生获得综合运用学过的知识进行电力变电所、牵引变电所各主要元件的保护设计及整定和保护设备的选型的基本能力，另一方面能巩固与扩大学生的电气综合设计知识，为毕业设计做准备，为后续课程的学习及今后从事科学研究、工程技术工作打下较坚实的基础。

通过本课程设计，学生能运用电气基础课程中的基本理论和实践知识，正确地解决电力变电所、牵引变电所的主要元件保护设计等问题。

通过对电力变电所或牵引变电所的某一主要设备的保护设计的计算、整定及保护的具体接线训练，可以提高学生继电保护的设计能力，学会使用相关的手册及图册资料：

1．掌握继电保护保护方案的确定原则，整定计算的一般步骤，了解系统运行方式的确定，保护整定系数的分析与应用，前后级整定配合的基本原则；

 2．掌握保护、控制、测量、信号回路阅读和设计基本方法。

学习相关保护设备的选择和一般的维护。

二、课程设计题目及要求

1、题目：

某35KV变电站继电保护初步设计

一、设计基本资料

1.C1系统：

X1=0.05/0.1；X2=X1；X1以100MVA，37KV为基准的标幺值，分子为最大方式，分母为最小方式的阻抗标幺值。

2.C2系统：

X1=0.1/0.13；X2=X1；X1以100MVA，37KV为基准的标幺值，分子为最大方式，分母为最小方式的阻抗标幺值。

3.A站：

有两台双卷变压器容量为2×31.5MVA35±4×2.5%/11kv；Uk%=8%

4.35KV线路X1=0.4Ω/km；10KV电缆线路R=0.45Ω/km，X=0.08Ω/km

5.XL-1最大负荷15MVA；XL-2最大负荷10MVA；XL-3最大负荷8MVA；XL-4最大负荷10MVA；XL-5最大负荷10MVA；XL-6最大负荷15MVA。

其中一类负荷45%；二类负荷25%；三类负荷30%。

XL-1与XL-6为双回线。

图235kV电力系统接线图

二、课程设计内容：

1.系统运行方式制定；

2.短路电流计算；

选基值、计算各元件标幺值、作序网络图、计算继电保护自动装置的整定、计算所需要的电气参数、作短路电流计算结果表。

3.继电保护自动装置配置及整定计算：

①根据继电保护及自动装置设计技术规程结合本站一次设备配置相应的继电保护及自动装置。

作出继电保护及自动装置配置图。

③根据继电保护整定计算原则对线路和变压器配置的继电保护进行整定计算

学生要按照课程设计指导书的要求，

根据题目所给原始参数进行设计。

本课程设计的基本步骤是：

1、能根据提供网络以及已知条件，按照部颁继电保护和自动装置整定计算的规范进行设计。

2、通过学习应熟悉电力系统继电保护设计与配置的一般规定；

3、正确理解继电保护整定计算的基本任务；

4、掌握整定计算的步骤；熟悉主保护、后备保护和辅助保护在电力系统中的应用；

5、对继电保护基本要求之间，能分别地进行综合考虑；

6、掌握整定计算对系统运行方式的选择以及短路类型、短路点的确定；

7、掌握整定系数的分析与应用；掌握整定计算配合的原则。

第二章、原始资料分析

2.1变电所继电保护设计规程

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。

3.235KV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50～60％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。

3～4公里及以下的短线路宜采用纵联导引线保护作主保护，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。

1变电所继电保护和自动装置规划

1.1系统分析及继电保护要求：

本设计35/10KV系统为双电源35KV单母线分段接线，10KV侧单母线分段接线，所接负荷多为化工型，属一二类负荷居多。

1.1.1为保证安全供电和电能质量，继电保护应满足四项基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。

1.2本系统故障分析：

1.2.1本设计中的电力系统具有非直接接地的架空线路及中性点不接地的电力变压器等主要设备。

就线路来讲，其主要故障为单相接地、两相接地和三相接地。

1.2.2电力变压器的故障，分为外部故障和内部故障两类。

•变压器的外部故障常见的是高低压套管及引线故障，它可能引起变压器出线端的相间短路或引出线碰接外壳。

•变压器的内部故障有相间短路、绕组的匝间短路和绝缘损坏。

1.2.3变压器的不正常运行过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及不允许的油面下降。

1.310kv线路继电保护装置：

根据线路的故障类型，按不同的出线回路数，设置相应的继电保护装置如下：

2.3.1单回出线保护：

适用于织布厂和胶木厂出线。

采用两段式电流保护，即电流速断保护和过电流保护。

其中电流速断保护为主保护，不带时限，0S跳闸。

2.3.2双回路出线保护：

适用于印染厂、配电所和炼铁厂出线。

采用平行双回线路横联方向差动保护加电流保护。

其中横联方向差动保护为主保护。

电流保护作为横联方向差动保护的后备保护。

1.4主变压器继电保护装置设置：

变压器为变电所的核心设备，根据其故障和不正常运行的情况，从反应各种不同故障的可靠、快速、灵敏及提高系统的安全性出发，设置相应的主保护、异常运行保护和必要的辅助保护如下：

1.4.1主保护：

瓦斯保护（以防御变压器内部故障和油面降低）、纵联差动保护（以防御变压器绕组、套管和引出线的相间短路）。

1.4.2后备保护：

过电流保护（以反应变压器外部相间故障）、过负荷保护（反应由于过负荷而引起的过电流）。

1.4.3异常运行保护和必要的辅助保护：

温度保护（以检测变压器的油温，防止变压器油劣化加速）和冷却风机自启动（用变压器一相电流的70%来启动冷却风机，防止变压器油温过高）。

1.5变电所的自动装置：

1.5.1针对架空线路的故障多系雷击、鸟害、树枝或其它飞行物等引起的瞬时性短路，其特点是当线路断路器跳闸而电压消失后，随着电弧的熄灭，短路即自行消除。

若运行人员试行强送，随可以恢复供电，但速度较慢，用户的大多设备（电动机）已停运，这样就干扰破坏了设备的正常工作，因此本设计在10KV各出线上设置三相自动重合闸装置（CHZ），即当线路断路器因事故跳闸后，立即使线路断路器自动再次重合闸，以减少因线路瞬时性短路故障停电所造成的损失。

1.5.2针对变电所负荷性质，缩短备用电源的切换时间，提高供电的不间断性，保证人身设备的安全等，本设计在35KV母联断路器（DL1）及10KV母联断路器（DL8）处装设备用电源自动投入装置（BZT）。

1.5.3频率是电能质量的基本指标之一,正常情况下,系统的频率应保持在50Hz，运行频率和它的额定值见允许差值限制在0.5Hz内，频率降低会导致用电企业的机械生长率下降，产品质量降低，更为严重的是给电力系统工作带来危害，而有功功率的缺额会导致频率的降低，因此，为保证系统频率恒定和重要用户的生产稳定，本设计10KV出线设置自动频率减负荷装置（ZPJH），按用户负荷的重要性顺序切除。

1.6本设计继电保护装置原理概述：

1.6.110KV线路电流速断保护：

根据短路时通过保护装置的电流来选择动作电流的，以动作电流的大小来控制保护装置的保护范围；有无时限电流速断和延时电流速断，采用二相二电流继电器的不完全星形接线方式，本设计选用无时限电流速断保护。

1.6.210KV线路过电流保护:

利用短路时的电流比正常运行时大的特征来鉴别线路发生了短路故障，其动作的选择性由过电流保护装置的动作具有适当的延时来保证，有定时限过电流保护和反时限过电流保护；本设计与电流速断保护装置共用两组电流互感器，采用二相二继电器的不完全星形接线方式，选用定时限过电流保护，作为电流速断保护的后备保护，来切除电流速断保护范围以外的故障，其保护范围为本线路全部和下段线路的一部分。

1.6.3平行双回线路横联方向差动保护：

通过比较两线路的电流相位和数值相同与否鉴别发生的故障;由电流起动元件、功率方向元件和出口执行元件组成，电流起动元件用以判断线路是否发生故障，功率方向元件用以判断哪回线路发生故障，双回线路运行时能保证有选择的动作。

该保护动作时间0S，由于横联保护在相继动作区内短路时，切除故障的时间将延长一倍，故加装一套三段式电流保护，作为后备保护。

1.6.4变压器瓦斯保护：

利用安装在变压器油箱与油枕间的瓦斯继电器来判别变压器内部故障；当变压器内部发生故障时，电弧使油及绝缘物分解产生气体。

故障轻微时，油箱内气体缓慢的产生，气体上升聚集在继电器里，使油面下降，继电器动作，接点闭合，这时让其作用于信号，称为轻瓦斯保护；故障严重时，油箱内产生大量的气体，在该气体作用下形成强烈的油流，冲击继电器，使继电器动作，接点闭合，这时作用于跳闸并发信，称为重瓦斯保护。

1.6.5变压器纵联差动保护：

按照循环电流的原理构成。

在变压器两侧都装设电流互感器，其二次绕组按环流原则串联，差动继电器并接在回路壁中，在正常运行和外部短路时，二次电流在臂中环流，使差动保护在正常运行和外部短路时不动作，由电流互感器流入继电器的电流应大小相等，相位相反，使得流过继电器的电流为零；在变压器内部发生相间短路时，从电流互感器流入继电器的电流大小不等，相位相同，使继电器内有电流流过。

但实际上由于变压器的励磁涌流、接线方式及电流互感器误差等因素的影响，继电器中存在不平衡电流，变压器差动保护需解决这些问题，方法有：

（1）靠整定值躲过不平衡电流

（2）采用比例制动差动保护。

（3）采用二次谐波制动。

（4）采用间歇角原理。

（5）采用速饱和变流器。

本设计采用较经济的BCH-2型带有速饱和变流器的继电器，以提高保护装置的励磁涌流的能力。

4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

SB=100MVA，UB=Uav即：

35kV侧UB=37KV，10kV侧UB=10.5KV。

4.3阻抗计算

C1系统：

最大方式X1=0.05最小方式X1=0.1

C2系统：

最大方式X2=0.06最小方式X2=0.13

线路：

L1：

X3=l1X1SB/VB2=0.4×10×100/372=0.292

L2：

X4=l3X1SB/VB2=0.4×13×100/372=0.38

变压器：

X5=X6=（Uk%/100）SB/S=0.08/100×100/31.5=0.003

4.4短路电流计算

1）最大运行方式,系统化简如下图

其中：

X7=X1+X3＝0.342X8=X2+X4＝0.440

X9=X7∥X8＝0.150X10=X9+X5＝0.153

图4.2最大运行图

故知35KV母线上短路电流：

Id1max=IB1/X9=1.56/0.150=10.4kA

10KV母线上短路电流:

Id2max=IB2/X10=5.5/0.153=35.94kA

折算到35KV侧:

Id21max=IB1/X10=1.56/0.153=10.20kA

对于d3点以XL计算:

Id3max=5.5/（0.153+0.124）=19.856kA

2）最小运行方式下:

系统化简如图4.3所示。

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；X11=X8+X5=0.443

所以35KV母线上短路电流：

Id1min=IB1/X8=1.56/0.44=3.55kA

所以10KV母线上短路电流：

Id2min=IB2/X11=5.5/0.443=12.42kA

折算到35KV侧：

Id2lmin=IB1/X11=1.56/0.443=3.52kA

对于d3以XL进行计算：

Id3min=5.5/（0.443+1.243）=3.262kA

折算到35KV侧：

Id3lmin=1.56/（0.443+1.243）=0.825kA

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250~300cm2整定，本设计采用280cm2。

重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为0.6~1.5cm2整定本，本设计采用0.9cm2。

瓦斯继电器选用FJ3-80型。

5.2纵联差动保护

变压器差动保护能正确区分被保护元件的保护区内、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，如上图所示，为双绕组变压器纵联差动保护的单相原理接线图。

它是将被保护元件两侧的电流互感器一次侧，靠近被保护元件端连在一起。

然后，将差动继电器并联到两电流互感器上。

双绕组变压器实现纵联差动保护的原理接线图：

图5.1纵联差动保护的原理接线图

但是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：

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

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

，该电流为流过短路点的短路电流，使差动继电器KD可靠动作，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。

5.2.2计算Ie及电流互感器变比

数据如下表所示：

表5.1Ie及电流互感器变比

名称

各侧数据

Y（35KV）

Δ（10KV）

额定电流

I1e=S/

U1e=103.9A

I2E=S/

U2e=363.7A

变压器接线方式

Y

Δ

CT接线方式

Δ

Y

CT计算变比

I1e/5=180/5=36

I2e/5=363.7/5=72.74

实选CT变比nl

200/5=40

400/5=80

实际额定电流

I1e/n1=4.50A

I2e/n1=4.55A

不平衡电流Ibp

4.55-4.50=0.05A

确定基本侧

基本侧

非基本侧

5.2.3确定基本侧动作电流

躲过外部故障时的最大不平衡电流

Idz1≥KKIbp

（1）

利用实用计算式：

Idz1=KK（KfzqKtxfi+U+fza）Id2lmax

式中：

KK—可靠系数，采用1.3；

Kfzq—非同期分量引起的误差，采用1；

Ktx—同型系数，CT型号相同且处于同一情况时取0.5，型号不同时取1，本设计取1。

ΔU—变压器调压时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，本设计取0.05。

Δfza—继电器整定匝书数与计算匝数不等而产生的相对误差，暂无法求出，先采用中间值0.05。

代入数据得Idz1=1.3×（1×1×0.1+0.05+0.05）×10.4=270.4A

躲过变压器空载投入或外部故障后电压恢复时的励磁涌流

Idz1=KKIe

（2）

式中：

KK—可靠系数，采用1.3；

Ie—变压器额定电流：

代入数据得Idz1=1.3×103.9=135.1A

3）躲过电流互改器二次回路短线时的最大负荷电流

Idz1=KKTfhmax（3）

式中：

KK—可靠系数，采用1.3；

Idz1—正常运行时变压器的最大负荷电流；采用变压器的额定电流。

代入数据得Idz1=1.3×103.9=135.1A

比较上述

（1），

（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值，

即：

Idz1=270.4A

5.2.4确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流

将两侧电流互感器分别结于继电器的两组平衡线圈，再接入差动线圈，使继电器的实用匝数和动作电流更接近于计算值；以二次回路额定电流最大侧作为基本侧，基本侧的继电器动作电流及线圈匝数计算如下：

基本侧（35KV）继电器动作值

IdzjsI=KJXIdz1/nl

代入数据得IdzjsI=

×270.4/40=11.71A

基本侧继电器差动线圈匝数WcdjsI=Awo/IdzjsI

式中：

Awo为继电器动作安匝，应采用实际值，本设计中采用额定值，取得60安匝。

代入数据得WcdjsI=60/11.71=5.12（匝）

选用差动线圈与一组平衡线圈匝数之和较WcdjsI小而相近的数值，作为差动线圈整定匝数WcdZ。

即：

实际整定匝数WcdZ=5（匝）

继电器的实际动作电流IdzjI=Awo/WcdZ=60/5=12A

保护装置的实际动作电流IdzI=IdzjINl/Kjx=12×40/

=277.1A

5.2.5确定非基本侧平衡线圈和工作线圈的匝数

平衡线圈计算匝数WphjsⅡ=Wcdz/Ie2JI-Wcdz=5×（4.55/4.50-1）=0.05（匝）

故，取平衡线圈实际匝数WphzⅡ=0

工作线圈计算匝数WgzⅡ=WphzⅡ+Wcdz=5（匝）

5.2.6计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差Δfza

Δfza=（WphjsⅡ-WphzⅡ）/（WphjsⅡ+Wcdz）

=（0.05-0）/（0.05+5）=0.01

此值小于原定值0.05，取法合适，不需重新计算。

5.2.7初步确定短路线圈的抽头

根据前面对BCH-2差动继电器的分析，考虑到本系统主变压器容量较小，励磁涌流较大，故选用较大匝数的“C-C”抽头，实际应用中，还应考虑继电器所接的电流互感器的型号、性能等，抽头是否合适，应经过变压器空载投入试验最后确定。

5.2.8保护装置灵敏度校验

差动保护灵敏度要求值Klm﹥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。

本装置灵敏度Klm=0.866KjxIdlmin/Idzl=0.866×1×3.55/0.2704=11.37>2满足要求。

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

保护动作电流按躲过变压器额定电流来整定

Idz=KkIe1/Kh

式中：

Kk—可靠系数，采用1.2；

Kh—返回系数，采用0.85；

代入数据得Idz=1.2×103.9/0.85=146.7A

继电器的动作电流Idzj=Idz/nl=146.7/（40/

）=6.35A

电流继电器的选择：

DL-21C/10

灵敏度按保护范围末端短路进行校验，灵敏系数不小于1.2。

灵敏系数：

Klm=0.866KjxId3lmin/Idz=0.866×1×0.825/0.1467=4.87>1.2

满足要求。

5.4过负荷保护

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

其动作电流按躲过变压器额定电流来整定。

动作带延时作用于信号。

Idz=KkIe1/Kf=1.05×103.9/0.85=128.4A

IdzJ=Idz/