220kV变电站继电保护毕业设计.docx
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220kV变电站继电保护毕业设计
220kV变电站继电保护毕业设计
：
发电厂及电力系统
：
谭棡译
：
200701041932
：
电气0719
：
杨娟
毕业设计课题任务书
（2007----2010学年）
系部名称：
电力工程系
课题名称220kV学生姓名谭棡译专业发电厂及电力系统学号32指导教师杨娟任务书下达时间2009年11月23日课题概述：
（包括设计或论文的课题，设计型课题的原始资料及主要参数要求或论文型课
题的论点、论据、逻辑性要求等）
题目：
220kV
原始资料
由于某地区电力系统的发展和负荷增长，拟建一个220kV变电所，向该地区110kV和10kV线路供电。
拟建变电所的主接线运行方式为：
220KV侧采用双母线接线方式；110KV侧采用双母线接线方式；10KV侧采用单母线分段接线方式。
拟建变电所的主变压器接线组别为：
YN0/yn0/d11的三绕组降压变压器两台。
其主变
压器220KV、110KV侧的中性点均采用经间隙接地和直接接地方式，实际运行只一台直
接接地。
1.拟建变电所联网情况如下图所示
2.地区自然条件
年最高气温：
40?
；年最低气温：
-2?
；年平均气温：
16?
3.出线方向
220kV：
向东；110kV：
向西；10kV：
向东南
4.负荷资料
（1）220kV线路5回，预留1回备用；
（2）110kV线路8回，备用2回，情况如下表1所示
表1110kV线路负荷情况：
名称最大负荷（MW）功率因数回路数线路（架空）
石化厂320.9250km
炼油厂360.9230km
甲县变250.9160km
上述乙县变280.9190km
丙县变150.91110km各负
丁县变260.85185km荷间的同时系数为0.9。
（3）10kV线路12回线路，负荷情况如表2所示:
表210kV线路负荷情况：
名称最大负荷（MW）功率因数回路数线路（架空）
氮肥厂40.8515km
机械厂40.8513km
纺织厂30.8518km
化工厂30.8516km
造纸厂2.50.8514km
水厂60.8527km
建材厂30.8515.5km
Ａ变40.9110km
Ｂ变40.914km
Ｃ变40.916km
Ｄ变30.914km上述各负荷间的同时系数为0.85。
（4）110kV线路负荷和10kV线路负荷同时系数0.9。
（5）所用电负荷统计如下表3
表3所用电负荷统计：
名称容量（kw）台数备注
主变风扇0.1566连续经常
主充电机161连续不经常
浮充电机151连续经常
蓄电池进风1.51连续不经常
蓄电池排风21连续经常
锅炉房水泵21连续经常
空压机20连续经常
载波室2短时不经常
220kV配电装置电源18短时不经常
110kV配电装置电源18短时不经常
220kV断路器冬天加热4连续
110kV断路器冬天加热4连续
室外配电装置照明15连续
室内照明8连续
要求阅读或检索的参考资料及文献：
[1]电力系统继电保护及自动装置，中国电力出版社，2006，李火元主编。
[2]电气运行，中国电力出版社，2009，杨娟主编。
[3]电气设备，中国水利水电出版社，2006。
[3]电力系统稳态分析（第二版）[M]，中国电力出版社，1995，陈衍。
[4]电气工程CAD，中国水利水电出版，2005，刘增良、刘国亭。
[5]国家电网公司输变电工程典型设计[M]，国家电网公司，2005，刘振亚主编。
[6]35~110KV小型无人值班[M]，变电站标准工程图集，中国水利水电出版，2002，李仕凤、段传。
设计成果要求：
1.设计说明书一份：
说明书应包括设计的全部结果及优缺点分析、结论等。
2.设计分析计算书一份：
分析计算书应给出设计中的全部分析计算过程和结果。
3.论文正文内容的字数20000—30000字。
4.应交电子文稿及用长沙电力职院专用论文纸张打印的打印稿。
进
起止日期要求完成的内容及质量度
及1.确定主变压器的保护；要2.确定母线保护；求3.确定220KV线路保护；
4.确定110KV线路保护；
5.确定10KV线路保护。
6.质量要求：
（1）设计说明书：
设计思想，设计观点明确；设计
12周、17、18、20周
步骤清楚；文字简洁通顺；技术用语表述准确；叙述
逻辑性和系统性强；
（2）设计分析计算书：
设计方案分析比较，叙述论
证有说服力；设计计算结果及变电站继电保护装置选
择正确。
7.设计须经指导老师审核合格。
审核（系主任）批准（教务处）
指导
教师
意见
指导教师签名：
2010年月日
评阅
教师
意见
评阅教师签名：
2010年月日
答辩
成绩
答辩组长签名：
2010年月日
总评
成绩
指导教师签名：
2010年月日
随着经济的发展，电能已经成为各方面建设及人们生活中不可缺少的能源，电
能的使用已遍及各行各业，电力系统电能质量逐渐成为人们关注的焦点，如何保证
电力系统安全稳定运行成为重要研究对象，变电站作为电力系统中不可缺少的重要
环节，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用，是电能传输与控制的枢纽，
其安全、稳定运行尤为重要。
继电保护装置作为变电站重要二次设备，对一次系统
的运行状况进行监视，迅速反应异常和事故，然后作用于断路器，进行保护控制。
继电保护装置是一种有继电器和其他辅助元件构成的安全装置，它能够反映电
气元件的故障；和不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发信号，是电力系统安
全、稳定运行的可靠保证。
当电力系统出现故障时发出跳闸信号将故障设备切除，
保证无故障部分继续运行；当电力系统出现不正常运行状态时继电保护发出信号以
便运行人员及时对不正常工作状态进行处理，防止不正常运行工作状态发展成为故
障而造成事故。
本设计成品是本人经过为期一个月的时间，以及阅读参考了很多参考文献而设
计出来的成品，该设计研究的对象主要是针对220kV变电站继电保护装置，其中包
括主变压器的保护确定以及母线保护、220KV线路保护、110KV线路保护、10KV线路保护的确定。
本设计成品共分为四章，第一章是设计说明书，主要是对该成品的设计要求，
条件以及设计的相关理念进行阐述说明；第二章是主变压器保护设计，母线保护是
第三章的主要内容，第四章则是线路保护。
基本上能满足220kV变电站继电保护设计的要求，以及能保证电力系统安全稳定运行的基本要求。
在设计成品的某些部分
的过程中其他组员提出了不少的宝贵意见，在此深表谢意。
限于时间及编者水平，内容遗漏及不妥之处难免，务请读者予以批评指正。
谭棡译
2010年1月
2
2
22.1主变压器保护设计分析........................32.2变压器容量选择..............................22.3变压器主保护................................62.4过电流保护.................................102.5接地保护...................................102.6变压器其他保护.............................10
23.1母线保护设计分析............................23.222OkV侧母线保护.............................33.311OkV侧母线保护.............................63.41OkV侧母线保护.............................103.5母线微机保护...............................10
114.1线路保护设计分析............................114.2220kV线路保护...............................134.3110kV线路保护...............................174.410kV线路保护................................18
中国的电力工业作为国家最重要的能源工业，一直处于优先发展的地位，电力
企业的发展也是令人瞩目的。
电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，
也使得继电保护得以飞速的发展。
在现代化的高压、大容量的电力系统中，继电保护更起着极为重要的作用。
继
电保护装置的可靠运行涉及到装置的配置设计、制造安装、整定计算、运行维护等
诸多方面。
其中选择合理的保护方式和正确地进行整定计算对保证电力系统继电保
护装置的可靠运行具有十分重要的作用。
保护装置的配置与使用正确与否，直接关系到系统的安全运行及对用户供电的
可靠性，还与电网的经济指标、运行调度、设计调试等多方面的工作有密切联系。
在确定继电保护满足选择性、快速性、灵敏性、可靠性的基础上作出合理的整定方
案。
本文立足220kV变电站和继电保护装置，着眼于220kV变电站电力系统的安全稳定运行和其设计的经济性，遵循了提出的问题、分析了问题以及依据国情并借鉴
其他继电保护装置设计解决问题的基本思路，对该220kV变电站继电保护的现状、成因和解决办法进行了深入的分析和探讨，力图做到系统故障能准确迅速安全的切
除，确保供电的稳定性，标本兼治。
母线保护；线路保护，主变压器保护；变压器容量；原理接线图；
为确保220kV变电站安全稳定的运行，即便是遇到事故故障也能迅速准确的切
断事故故障，使其不扰乱电力系统的供电可靠的正常秩序，我们这组对该变电站设
计了一系列的继电保护装置。
本成品共分为四大章，第一章为设计说明书，这是对该设计成品的一种阐述说
明；第二章主要讲的是主变压器保护设计，其中包括主变压器保护设计分析、主变
压器容量的选择、变压器的主保护和后备保护以及其他保护等；第三章则分为220kV
母线保护、10kV母线保护、10kV母线保护等节叙述的，第四章则是线路部分，内
容同样包括了220kV侧线路保护、10kV侧线路保护、10kV侧线路保护等节
该文书是发电厂及电力系统专业的大中专毕业生综合运用基础知识、专业知识
和实践运行经验，将调查研究、设计、计算等资料进行分析整理、归纳总结后形成
的说明性文件。
它是毕业没计的文字表达形式，也是毕业生必须要完成的基本训练
的最后一个教学环节。
它通常由毕业生在教师的指导下进行，是考核学生运用科学
的思维和方法进行工程设计能力的基本依据。
本设计主要针对变电站变压器保护配置进行设计分析，变压器是变电站重要设备之
一。
它的安全运行直接关系到变电站安全、稳定、经济运行，特别是枢纽变电站一旦因
故障损坏或者导致线路停电，造成的损失将无法估计，因此必须针对变压器可能出现的
故障和异常工作情况，根据其容量、数量和重要程度，装设相应动作可靠，性能良好的
继电保护，防止故障的发生，其中主要对主变压器的主保护、后备保护及其它保护进行
设计分析，并阐述其优缺点。
主变压器保护设计目的
大型变压器的造价昂贵，一旦发生故障遭到损坏，其检修难度大，时间长，会造成
巨大的经济损失，特别是单台容量占系统容量比例很大的情况下，发生故障后突然切除
变压器，将给电力系统造成很大的扰动，因此，在考虑大型变压器继电保护的整体配置
时，除了保证其安全运行外，还应最大限度地缩小故障影响范围，特别要防止保护装置
误动作或拒绝动作，这样，不仅要求有性能良好的保护继电器，还要求在继电保护的整
体配置上尽量完善、合理。
、主变压器保护设计原则
变压器继电保护整体配置设计时，必须清楚其可能发生的故障及异常运行状态，针
对其可能发生的故障及异常运行状态进行相应的保护配置：
（一）变压器可能发生的故障：
?
油箱内部故障：
绕组相间短路，接地短路匝间短路，及铁芯烧损。
?
油箱外部故障：
主要是套管及引出线上发生相间短路和接地短路
（二）变压器的不正常工作状态：
?
由外部短路引起过电流
?
由于电动机自启动及尖峰负荷等原因引起的过电流
?
由于油箱漏油造成油面降低
?
由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁
主变压器保护配置
变压器的保护可以分为短路保护和异常运行保护两类。
短路保护用以反应被保护范
围内发生的各种类型的短路故障，作用于断路器跳闸。
为了防止保护装置或者断路器拒
动，又有主保护和后备保护之分。
异常运行保护用以反应各种可能给机组造成危害的异
常工况，此保护作用于发信号，这类保护一般只装设一套专用继电器，不设后备保护。
根据《继电保护和安全自动装置技术规程》规定变压器一般应装设下列继电保护装
置：
（一）、反应变压器油箱内部故障和油面降低的气体保护（容量在800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器，均应装设气体保护）。
（二）、反应变压器绕组、引出线的相间短路，中性点直接接地侧绕组、引出线和套
管的接地短路，以及绕组匝间短路的电流速断保护或纵联差动保护。
（容量在10000kVA及以上或6300kVA以上并列运行变压器应装设纵联差动保护，以代替电流速断保护）。
（三）、反应外部相间短路的过电流保护、复合电压启动的过电流保护、负序电流保
护和阻抗保护
（四）、反应中性点接地的电力网中，外部单相接地短路的零序电流保护。
（五）、变压器其他保护，如过负荷、过励磁、变压器高压侧断路器失灵保护、温度
保护、冷却器故障保护等。
2.2
、主变压器容量选择原则
（一）、主变压器容量一般按变电站建成后5~10年的规划负荷选择，并应考虑变压
器正常工作和事故时过负荷能力。
（二）、根据变电站所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。
对于有重
要负荷的变电站；应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的
允许时间内应保证对一、二级负荷的供电。
、变压器容量选择整定计算
变压器保护装置应根据变压器容量、数量配置相应保护，由原始资料分析该变电站
主变压器为两台三绕组降压变压器，主要向110kV线路负荷、10kV线路负荷、站用电负荷供电，据《220kV～500kv变电所所用电设计技术规程》规定，220kv所用电宜从主变压器低压侧分别引接两台容量相同，可互为备用，分列运行的所用工作变压器，只有一
台主变压器时，其中一台所用变压器宜从所外电源引线，本设计中主变压器为两台三绕
组降压变压器，变电所所用电宜从主变压器低压侧分别引入，因此所用电可当作10kV
线路负荷来处理，110kV、10kV线路负荷情况如下表：
110kV线路负荷
名称最大负荷（MW）功率因数Cos,
石化厂320.9
炼油厂360.9
甲县变250.9
乙县变280.9
丙县变150.9
丁县变260.85
蓄电池进风1.50.85
蓄电池排风20.85
锅炉房水泵20.85
空压机200.85
载波室21
220kV配电装置电源181
110kV配电装置电源181
220kV断路器冬天加热41
110kV断路器冬天加热41
室外配电装置照明151
1室内照明8
10KV等效负荷
名称最大负荷（KW）功率因数Cos,
氮肥厂40000.85
机械厂40000.85
纺织厂30000.85
化工厂30000.85
造纸厂25000.85
水厂60000.85
建材厂30000.85
Ａ变40000.9
Ｂ变40000.9
Ｃ变40000.9
Ｄ变30000.9
主变风扇0.15×660.85
主充电机160.85
浮充电机150.85
110kV线路最大有功功率：
P,（32+36+25+28+15+26）×103
1,162000KW110kV线路最大无功功率：
Sin,Q,P，1Cos,SinSin,,3312,（32+36+25+28+15）×10，26×10
CosCos,,12,82004.444KVar
其中,Cos,,0.9Cos,,0.8512
由于110kV线路各负荷间同时系数为0.9,110kV负荷的最大输出复功率：
~
S,0.9，（162000，j82004.444）
1,145800，j7380410kV线路负荷最大有功功率
P,（4，4，3，3，2.5，6，3，4，4，4，3）×10，0.15，66
3，16，15，1.5，2，2，20，2，18，18，4，4，15，8
2,40500，135.4
Sin,40635.4KW,Q,P，
2Cos,10kV线路负荷最大无功功率SinSin,,3312,（4，4，4，3）×10，（4，4，3，3，2.5，6，3）×10
CosCos,,12Sin,2，（0.15，66，16，15，1.5，2，2，20），
Cos,2SinSin,,12,15000，25566.4，
CosCos,,12,23117.835KVar
cos,,0.9上叙10kV等效负荷间同时系数取为0.85，其中,，变电站旋Cos,,0.8512转设备的功率因数取，非旋转设备功率因数取。
Cos,,0.85Cos,,110kV负荷的最大输出复功率：
~
S,0.85，（40635.4，j23117.835）2,34540.09，j19650.16
已知110kV、10kV线路负荷同时系数为0.9，主变压器总输出复功率：
~~~
S,0.9，（S，S）
12,0.9，（145800，j73804，34540.09，j19650.16）
162306.081，j84108.744主变压器的总最大视在功率：
22S,162306.081，84108.744max,182804.66KVA
根据规定，对装有两台主变压器的变电所应能在一台主变停运时，另一台容量在及
过负荷力允许时间内，仍能够保证?
类及?
类负荷连续供电，变压器总容量一般有：
S,0.7SNmax
S其中为变电所最大负荷，这样可以保证对70%负荷的供电，考虑到变压器40%的max
事故过负荷能力，则可以保证对98%负荷供电。
S,0.7S
max台1
127.96MVA
考虑将来的负荷可能会超出本来预算，为了有所发展的余地，选择的主变压器的容
量为150MVA。
气体保护
（一）气体保护定义
油浸式变压器是利用变压器油作为绝缘盒冷却介质，当变压器内部发生短路故障
时，故障点局部产生高温，使油温升高体积膨胀，甚至沸腾，油内溶解的空气就会被排
出，变成气泡上升；故障点产生电弧，使变压器油及其他绝缘材料分解，产生气体（含
气体成分），从油箱向油枕流动，反应这种气流与油流动作得的保护称为气体保护。
本
次设计中每一台变压器额定容量为150MVA。
根据规程规定须装设气体保护。
（二）气体保护原理
气体保护原理接线如下图1所示：
气体保护的测量继电器为气体继电器，气体继电器安装在油箱与油枕之间的连接管
道中，这样油箱内的气体都要通过瓦斯继电器，为了便于气体的排放，安装时需要有一
定的倾斜度，变压器顶盖与水平间应有1%~1.5%的坡度，连接管道应有2%~4%的坡度。
气体继电器油三种形式，即浮筒式、挡板式即开口杯与挡板构成的复合式。
运行经
验表明，浮筒式气体继电器存在着一些严重的缺点，如防震性差，且浮筒的密封性能不
良使浮筒失去浮力，使水银触点闭合造成误动作等。
而用挡板代替下浮筒的挡板式气体
继电器，仍保留上浮筒且克服了浮筒渗油的缺点，运行比较稳定，可靠性相对提高，但
当变压器油面严重下降时，动作速度不快，因此目前通常采用开口杯与挡板构成的复合
QJ,80式气体继电器（），该继电器用磁力干簧触点代替水银触点，。
1
正常运行时，继电器内上开口杯内充满了油。
在轴一侧的开口杯，同时受到杯内油
的重力即油对开口杯浮力的作用。
在轴另一侧的平衡锤，有重锤的重力及油对重锤的浮
力。
这些力平衡的结果，由于开口杯侧产生的力矩小于平衡锤的力矩，开口杯处于上升
位置。
和开口杯固定在一起的永久磁铁位于干簧接点的上方，干簧接点可靠断开。
变压器内部发生轻微故障时，产生的气体在继电器上部，迫使油面下降。
开口杯在
气体中的重量加上杯内油的重量所产生的力矩，超过平衡锤的力矩，使开口杯随着油面
降低而下沉。
当永久磁铁靠近干簧接点时，接点闭合，延时发出“轻瓦斯动作”信号。
变压器内部发生严重故障时，产生大量气体，强烈油流冲击挡板，当油流速度达到
整定值时，挡板被冲击到一定位置，永久磁铁靠近干簧接点，接点闭合后发出重瓦斯跳
闸脉冲，经信号继电器启动出口中间继电器，跳开变压器两侧断路器。
KSKOM
变压器严重漏油使油面降低时，开口杯下沉到一定位置，干簧接点闭合，同样发出
“轻瓦斯动作”信号。
气体保护动作后，观察分析从继电器上部排气口收集的气体，可判断故障的性质，
气体保护能反应油箱内各种故障，且动作迅速，灵敏度高，特别对于变压器绕组的匝间
短路（当短路匝数很少时），灵敏度好于其他保护，所以气体保护是大、中、小型变压
器必不可少的油箱内部故障最有效地主保护。
但气体保护不能够反应油箱外的引出线和
套管上的如何故障。
因此不能够单独作为变压器的主保护，尚须与纵差动保护或电流速
断保护配合使用。
纵差动保护
（一）纵差动保护定义
纵差动保护是用辅助导线（或称引导线）将被保护设备两侧的电量连接起来，比较
被保护设备始端与末端电流的大小及相位，在设备两侧装设电流互感器，两侧电流互感
器一次回路的正极性端均置于远离设备的一侧，二次回路用电缆同极性相连，差动继电
器则并联在电流互感器二次侧的环路上，在正常运行情况下，引导线中形成环流，称为
纵差动保护。
（二）纵差动保护原理
根据《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，容量在10000kVA及以上或
6300kVA以上并列运行变压器应装设纵联差动保护，以代替电流速断保护。
本次设计
中，两台压器额定容量150MVA并列运行，它用来反应变压器绕组、套管及引出线的
各种故障，且与气体保护配合作为变压器的主保护，使保护的性能更加全面和完善。
三绕组变压器差动保护原理接线如下图2所示：
由此可见，变压器差动保护是通过比较变压器各侧电流的大小和相位而构成的保护，
各侧电流互
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