西南交大继电保护二次课程设计B相馈线.docx
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西南交大继电保护二次课程设计B相馈线
课程设计任务书
学生姓名
##
学生学号
2010###4
学生专业
电气工程及其自动化
学生班级
##级电气#班
发题日期
2012年10月29日
完成日期
2012年12月21日
课程名称
二次系统课程设计
指导教师
熊列彬
设计题目
电力系统继电保护课程设计
课程设计（实训）主要目的：
加深学生对电力系统继电保护课程基础知识和基本理论的理解和掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，使之在继电保护配置、整定计算分析、变电所二次系统与一次系统之间的接口设计等方面得到进一步训练，同时提高学生运用标准和规范、查阅设计手册与资料的动手能力，促进学生养成严谨求实的科学态度。
课程设计（实训）任务要求：
（包括原始数据、技术参数、设计条件、设计要求等）
一、基础数据
1．YN,d11牵引变压器参数
变量名称
变量值
变量名称
变量值
最小运行方式变压器一次侧三相短路电流（A）
1775.89
过电流保护可靠系数
1.2
最小运行方式变压器二次侧三相短路电流（A）
1429.25
低电压保护可靠系数
1.2
最小运行方式牵引网末端短路电流（A）
919.08
过电流保护返回系数
0.95
最小运行方式27.5KV母线电压（kV）
24
低电压保护返回系数
1.05
牵引变压器容量（MVA）
20
牵引变压器过负荷系数
1.5
牵引变压器一次侧额定电流（A）
104.98
牵引变压器一次侧母线电压（kV）
110
牵引变压器二次侧额定电流（A）
422.11
变压器中性点CT变比
32
牵引变压器一次侧CT接线系数
1.732
过负荷保护可靠系数
1.45
牵引变压器二次侧CT接线系数
1
二次谐波闭锁条件
0.18
牵引变压器一次侧CT变比
40
重瓦斯保护（M/S）
0.6~1
牵引变压器二次侧CT变比
160
主变过热（℃）
75
牵引变压器一次侧PT变比
1100
主变通风启动信号（℃）
55
牵引变压器二次侧PT变比
275
主变通风停止信号（℃）
45
差流速断保护可靠系数
1.2
牵引变压器变比
4
20MVA牵引变压器涌流倍数
5
2.并联电容补偿装置参数
变量名称
变量值
变量名称
变量值
最小运行方式变压器二次侧两相短路电流（A）
1429.25
电容器组涌流倍数
5
A相并联电容器组容量（kVar）（4并4串连接）
1600
过电压保护返回系数
0.95
B相并联电容器组容量（kVar）（4并4串连接）
1600
电流速断保护可靠系数
1.3
变压器二次侧母线额定电压（kV）
27.5
过电流保护可靠系数
1.05
变压器二次侧母线最高电压（kV）
31.5
谐波过电流保护可靠系数
1.2
变压器二次侧母线PT变比
275
差流保护可靠系数
1.3
电容器组PT变比
275
电压保护可靠系数
1.2
A相电容器组CT变比
10
电流保护返回系数
0.95
B相电容器组CT变比
10
差电压保护返回系数
0.95
A相电容器组额定电流（A）
38.1
电容器组同型系数
1
B相电容器组额定电流（A）
38.1
低电压保护返回系数
1.05
电容器组额定电压（kV）
42
差压保护灵敏系数
1.5
3.A相馈线参数
变量名称
变量值
变量名称
变量值
牵引网末端最大短路电流（A）
1656.321
馈线CT变比
126
最小运行方式牵引网近端15%处短路电流（A）
2295.743
牵引变压器二次侧母线PT变比
275
最小运行方式牵引网末端短路电流（A）
919.08
阻抗保护电抗可靠系数
1.2
供电臂最大负荷电流（A）
1364
阻抗保护电阻可靠系数
1.1
牵引变压器二次侧母线最低工作电压（kV）
24
电流速断保护可靠系数
1.3
供电臂长度（km）
20.163
阻抗保护电阻偏移值（欧）
1
牵引网单位阻抗电抗值（欧/千米）
0.509
阻抗保护电抗偏移值（欧）
1
阻抗保护灵敏角（°）
65
阻抗保护PT断线电流检测可靠系数
1.2
牵引负荷阻抗角（°）
36.87
牵引网单位阻抗电阻值（欧/千米）
0.23
4.B相馈线参数
变量名称
变量值
变量名称
变量值
牵引网末端最大短路电流（A）
1978.171
馈线CT变比
80
最小运行方式牵引网近端15%处短路电流（A）
2405.344
牵引变压器二次侧母线PT变比
275
最小运行方式牵引网末端短路电流（A）
1046.38
阻抗保护电抗可靠系数
1.2
供电臂最大负荷电流（A）
970
阻抗保护电阻可靠系数
1.1
牵引变压器二次侧母线最低工作电压（kV）
24
电流速断保护可靠系数
1.3
供电臂长度（KM）
12.14
阻抗保护电阻偏移值（欧）
1
牵引网单位阻抗电抗值（欧/千米）
0.509
阻抗保护电抗偏移值（欧）
1
阻抗保护灵敏角（°）
65
阻抗保护PT断线电流检测可靠系数
1.2
牵引负荷阻抗角（°）
36.87
牵引网单位阻抗电阻值（欧/千米）
0.23
说明：
馈线保护整定计算时，不计复线牵引网上下互感。
二、系统接线图
系统主接线如附图1和附图2所示。
课程设计（实训）主要任务：
1）所有学生都必须完成主变、并联电容补偿装置、馈线保护的配置方案设计；
2）所有学生都必须完成主变、并联电容补偿装置、馈线保护的整定计算；
3）学号尾数为0、1的学生必须画出主变保护的原理接线图和保护的展开图，并作相应说明；
4）学号尾数为2、3的学生必须画出A相馈线保护的原理接线图和保护的展开图，并作相应说明；
5）学号尾数为4、5的学生必须画出B相馈线保护的原理接线图和保护的展开图，并作相应说明；
6）学号尾数为6、7的学生必须画出A相并联电容补偿装置保护的原理接线图和保护的展开图，并作相应说明；
7）学号尾数为8和9的学生必须画出B相并联电容补偿装置保护的原理接线图和保护的展开图，并作相应说明；
注1：
展开图需包括电流电压回路接线图、控制回路接线图和信号回路接线图；
注2：
不要求对电流、电压互感器的负载能力进行校验，不要求画出屏面布置图、屏后接线图和端子排列；
注3：
仅要求针对一个断路器画出控制回路。
课程设计（实训）进度安排：
（共8周）
序号
内容安排
时间
1
课程设计讲解、任务布置
第9周
2
答疑，周4下午14：
00~15：
00，X2611
第10~15周
3
交报告，周4下午14：
00~15：
00，X2611
第16周
课程设计（实训）参考文献：
[1]张保会，尹项根.《电力系统继电保护》，中国电力出版社，2005年
[2]潘启敬.《牵引供电系统继电保护》，中国铁道出版社，1996年
[3]张玉诸.《发电厂及变电所的二次接线》，华北电力学院
[4]王维俭.《电气主设备继电保护原理与应用》，中国电力出版社，1996年
[5]各种继电器、继电保护产品样本
[6]各种设计施工图
指导教
师签字
系主任审核签字
注：
1、发题日期为每学期第9周周一，完成日期根据实际情况填写（一般不超过进度安排）。
2、页面不够可附加页
附图1牵引变电所主接线示意图
注：
图中仅画出了一台牵引主变压器，接在27.5kV母线的并联电容补偿装置附图2给出。
附图2并联电容补偿装置接线示意图
25TA
2TR2
2TR1
22TA1
13QF
21TA1
27．5kV（A）
21TA2
22TA2
26TA
4TR2
4TR1
24TA1
14QF
23TA1
27．5kV（B）
23TA2
24TA2
摘要
在本次课程设计中，按照题目的要求分别对主变压器、并联电容补偿装置、馈线三部分依据保护配置原则，设置了相应的保护方案并计算出了整定值。
最后绘制了B相馈线的保护原理接线图和展开图。
首先对于主变压器的保护，采用纵联差动保护和瓦斯保护为主保护，以电气量和非电气量分别来检测变压器可能存在的故障。
考虑到存在相间短路和接地短路的故障情况，从而设置低电压启动过流保护和零序过流保护为后备保护。
其次对于并联电容补偿装置，我运用了继电保护课程中所学的知识，设置电流速断保护、电流差动保护、电压差动保护为主保护，而用过电流保护、过电压保护、谐波过电流保护、低电压保护作为后备保护。
然后在A、B馈线的保护设定中，参考母线保护的整定原则和输电线路的整定原则后，利用电流速断保护和距离保护作为主保护，过电流保护为后备保护的方式来保护馈线。
同时考虑到线路上的瞬时故障较多，可以采用重合闸前加速保护与继电保护配合的方式，从而提高供电的可靠性。
最后，按照题目要求，绘制出了B相馈线的保护原理图和展开图，包括电流保护和距离保护两部分。
并且对信号回路和控制回路作了相应说明。
关键词：
电流保护距离保护纵联差动保护保护原理图
正文
1.主变压器保护的配置方案设计
变压器的主保护通常采用差动保护和瓦斯保护。
其后备保护装设相间短路和接地短路保护。
由系统主接线附图1和相应的基础数据，可知变压器的容量和结构。
从而根据具体情况设计出主变压器的保护配置方案。
主保护采用纵联差动保护；相间短路的后备保护有以下几种：
过电流保护、低电压启动保护、复合电压启动保护的过电流保护。
但由于第一种和第三种方法的灵敏度难以满足要求，故采用低电压启动保护。
接地短路保护的后备保护采用单台变压器的零序电流保护。
对于变压器内部的某些轻微故障，灵敏性可能不能满足要求，因此变压器通常还装设有反应油箱内部油、气、温度等特征的非电量保护。
根据题目中给出的基础数据，可以配置瓦斯保护。
其他保护采用过负荷保护。
综合以上观点有：
（1）主保护：
纵联差动保护；
（2）后备保护：
三相低电压过电流保护、单相低电压过电流保护作为相间短路的后备保护，零序过电流保护作为接地短路的后备保护；
（3）非电量保护：
瓦斯保护；
（4）其他保护：
过负荷保护；
2.主变压器保护的整定计算
2.1纵联差动保护的整定计算
电力变压器的纵差保护整定原则一般按照躲过变压器空载投入时的最大励磁浪涌电流整定（折算至变压器电流互感器二次侧电流），并需考虑接线系数。
整定计算如下：
式中：
：
纵差保护可靠系数，表中提供数据为1.2
：
变压器励磁涌流倍数，表中提供数据为5；
灵敏度校验按照最小运行方式下，电源侧发生两相短路的短路电流进行校验：
故灵敏度满足要求。
其中：
：
最小运行方式下，电源侧发生两相金属性短路的短路电流；
2.2相间短路的后备保护——三相低电压过电流保护（110kV）
（1）动作电流的整定：
采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动机启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定，即
式中：
：
过电流保护可靠系数，表中给出数据为1.2；
：
过电流保护返回系数，表中给出数据为0.95；
：
变压器一次侧额定电流，表中给出数据为104.98A；
灵敏度检验按照最小运行方式下变压器高压侧发生两相短路的短路电流进行：
其中：
：
最小运行方式下，高压侧发生两相短路的短路电流；
（2）动作电压的整定：
按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定，计算如下：
其中：
：
变压器母线最低工作电压，表中给出数据为24kV；
：
低电压保护可靠系数，表中给出数据位1.2；
：
低电压保护返回系数，表中给出数据为1.05；
题目中未给出变压器灵敏度校验点发生三相金属性短路时，保护安装处的最大残压。
此处不能对动作电压进行灵敏度校验。
2.3相间短路的后备保护——单相低电压过电流保护（27.5kV）
单相低电压过电流保护的整定与三相低电压过电流保护基本相同。
只是动作时限应该与馈线的电流保护相配合。
（1）动作电流的整定：
式中：
：
过电流保护可靠系数，表中给出数据为1.2；
：
过电流保护返回系数，表中给出数据为0.95；
：
变压器二次侧额定电流，表中给出数据为422.11A；
灵敏度检验按照最小运行方式下变压器低压侧发生两相短路的短路电流进行：
其中：
：
最小运行方式下，低压侧发生两相短路的短路电流；
灵敏度满足要求。
（2）动作电压的整定
此处电压的整定与三相低电压过电流保护相同，即
2.4接地短路的后备保护——零序过电流保护
由于负荷为单相负荷，线路不设零序保护，110kV侧中性点接地时设置。
变压器零序电流保护动作电流按70%的额定电流整定：
式中：
：
过电流保护可靠系数，表中给出数据为1.2；
：
过电流保护返回系数，表中给出数据为0.95；
2.5非电量保护——重瓦斯保护整定计算
电力变压器通常是利用变压器油作为绝缘和冷却物质。
当变压器油箱内部故障时，在故障电流和电弧的作用下，电压器油和其他绝缘材料会因受热而分解，产生大量气体，气体排出的多少与排出的速度，与变压器故障的严重程度有关，可以利用这种气体来实现变压器的瓦斯保护。
规程规定对于容量为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，应装设瓦斯保护。
从基础数据表中，可以读出重瓦斯保护为0.6到1M/S，可以设置其值为：
2.6其他保护——过负荷保护的整定计算
变压器若过负荷运行，会使其绕组、硅钢片过热，绝缘老化，缩短设备使用寿命。
因此应尽量避免过负荷运行。
变压器在实际运行时，一旦出现过负荷，保护装置延时告警，提醒运行值班人员及时采取措施，调整运行方式或压限负荷。
整定计算公式为：
式中：
：
过负荷保护可靠系数，表中提供数据为1.45；
其动作时限较长，一般取120s于是有：
3.并联电容补偿装置的配置方案
（1）主保护：
电流速断保护、电流差动保护、电压差动保护；
（2）后备保护：
过电流保护、过电压保护、谐波过电流保护、低电压保护；
4.并联电容补偿装置整定计算
4.1主保护——电流速断保护
该保护用于断路器到电容器连接端的短路故障。
动作电流由躲开电容器投入时产生的最大涌流整定，A、B相的整定计算如下：
式中：
：
电流速断保护可靠系数，表中给出数据为1.3；
：
为电容器组涌流倍数，表中数据为5；
：
为A相电容器组额定电流；
：
为B相电容器组额定电流；
灵敏度校验按最小运行方式下变压器二次侧发生两相短路的短路电流进行灵敏度校验。
A、B两相电容器补偿装置保护灵敏度：
动作时间按躲过并补装置的最大合闸涌流整定，A、B两相均取为：
4.2主保护——电流差动保护
电流差动保护用于电容器装置接地故障的主保护。
其动作电流按照投入电容器组产生的涌流可能造成的不平衡电流整定。
A、B相整定如下：
式中：
:
差流保护可靠系数，表中数据为1.3；
:
同型系数，顶流互与底流互同型时取0.5，不同型取1，此处取1。
:
流互最大允许误差，取0.1；
：
电容器投入时涌流有效值
：
并补装置电容器容抗；
：
并补装置电抗器感抗；
灵敏度校验：
对于并联电容补偿支路来说，最小短路电流同额定电流，可以用流过并联电容补偿支路的额定电流来进行灵敏度校验。
灵敏度均满足要求。
动作时限取为：
4.3主保护——电压差动保护
差动保护是一种灵敏度高、保护范围大、不受合闸涌流、高次谐波及电压波动影响的保护方式。
它能检出电容器的内部故障并限制事故扩大。
动作电压的确定电容器组故障后由熔丝切除的电容器台数为K，此时故障电容器组端电压可能上升到1.1倍的额定电压。
整定值计算如下：
将数值代入计算有：
可以得到：
，取整数部分，得
；
式中：
：
并联电容器数为4；
：
串联电容器数为4；
：
补偿度，一般取0.12-0.13；
：
母线最高电压，表中给出为31.5Kv；
：
电容器额定电压21Kv；
计算差压：
计算定值：
式中：
：
差压保护灵敏系数，取1.5；
动作时限一般取0.1s到0.2s，这里整定为：
4.4后备保护——过电流保护
用于电容器组内部故障，作为电流速断保护的后备保护。
由于电容器组电容有10%的偏差，使负荷增大，电容器允许1.3倍的额定电流长期运行，合闸不涌动。
故A、B两相电容器动作值整定为：
式中：
：
过电流保护可靠系数，表中给出数据为1.05；
：
电流保护返回系数，表中给出数据为0.95；
灵敏度校验按照最小运行方式下变压器二次侧发生两相短路的短路电流进行灵敏度校验：
灵敏度满足要求。
动作时限为躲过并补装置的最大合闸电流，因此取：
4.5后备保护——过电压保护
过电压保护用于保护电容器过电压、馈线母线的过电压，受电容器设备谐波过负荷和电动机机车组的允许过电压方面的限制。
此处馈线母线的额定电压大于电容器的额定电压，故需要用馈线的母线电压来计算整定值。
过电压保护的动作电压一般按额定电压的110%到130%整定：
动作时限按躲过牵引网可能发生的瞬时过电压整定，通常取1到2秒，这里整定为：
4.6后备保护——谐波过电流保护
谐波会使损耗功率变大导致发热，谐波过流保护分别由各并补分支的谐波过流保护构成当任一并补分支满足谐波过流保护出口动作条件时，装置驱动断路器跳闸。
按等效三次谐波电流为额定电流的1.5倍连续运行2分钟整定。
A、B两相电容器高次谐波过电流保护动作电流整定为：
其中：
：
谐波过电流保护可靠系数，表中给出为1.2；
：
电容器允许谐波电流值，
；
动作时限定值取为：
4.7后备保护——低电压保护
按并联补偿装置“最后投入，最先开放”的原则而设计。
设置低电压保护的目的是：
（1）防止在无负荷时电容器和变压器同时投入；
（2）在电源恢复时，仅电容器不在投入状态。
动作电压的整定一般按额定电压的50%-60%计算，如下：
动作时限按大于牵引母线上所接馈线短路保护的最长动作时延，取0.5-1s。
5.馈线保护的配置
A、B相馈线采以下相同的配置方案：
（1）主保护：
电流速断保护、距离保护
段
（2）后备保护：
过电流保护
（3）其他:
重合闸与继电器的配合
6.馈线保护的整定计算
6.1A相馈线保护整定计算
6.1.1主保护——电流速断保护的整定计算
电流速断保护为系统发生近金属性短路时保护装置快速出口而设，作为辅助保护以消除距离保护的保护死区，其动作电流按照躲开被保护范围末端的最大短路电流来整定：
式中：
：
电流速断保护可靠系数，表中给出值为1.3；
：
牵引网末端最大短路电流；
灵敏度校验是随着运行方式和故障类型变化的，最小保护范围为在系统最小运行方式下两相短路时出现。
一般情况，应按这种运行方式和故障类型来校验，要求大于线路全长的15%～20%。
保护范围的计算公式为：
由表中给出的数据有：
分别代入
（1）式，可以得到如下结果：
满足灵敏度要求。
保护动作时限应该大于机车保护动作时限（0.06到0.8s），故电流速断动作时限整定为：
6.1.2主保护——距离保护的整定计算
距离保护是利用短路发生时电压、电流同时变化的特性，测量电压与电流的比值。
该比值反应故障点到保护安装处的距离，如果短路点距离小于整定值则保护动作。
为保护线路全长，采用两段距离保护，阻抗继电器采用方向圆特性,保护灵敏角设置为65o。
距离保护I段的整定
距离
段阻抗动作值的整定按照能保护线路全长的85%进行整定：
其中
：
供电臂长度；
：
牵引网单位阻抗；
：
线路阻抗角即阻抗保护灵敏角；
考虑到与机车断路器跳闸时间配合，保护动作时限选为：
距离保护II段的整定
阻抗动作值按能保护相邻线路全长进行整定：
式中:
：
阻抗保护电抗可靠系数，表中提供数据为1.2；
考虑到与距离I段动作时限相配合，取距离
段保护动作时限：
6.1.3后备保护——过电流保护整定计算
过电流保护可作为下级线路主保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，同时作为本线路主保护拒动时的近后备保护，其定值通常按照躲开最大负荷电流来整定。
其中
：
过电流保护可靠系数，表中给定值为1.2；
：
最大负荷电流；
灵敏度校验：
其中
：
最小运行方式牵引网末端短路电流；
可见灵敏度不满足要求；
考虑到与距离保护
段相配合，设定过电流保护动作时限：
按照牵引供电的特点，装置一次自动重合闸，时限设定为2s。
6.2B相馈线保护整定计算
前面已经对A相馈线保护进行了整定计算，因为A、B相的保护设定原理都一样。
于是以下主要针对B相整定的计算过程进行阐述。
6.2.1主保护——电流速断保护的整定计算
整定值为：
式中：
：
电流速断保护可靠系数，表中给出值为1.3；
：
牵引网末端最大短路电流；
灵敏度分析有：
代入公式可得：
于是灵敏度不满足要求。
电流保护速断动作时间的设定为：
6.2.2主保护——距离保护的整定计算
距离保护I段的整定
距离
段阻抗动作值的整定按照能保护线路全长的85%进行整定：
保护动作时限选为：
距离保护II段的整定
阻抗动作值按能保护相邻线路全长进行整定：
式中:
：
阻抗保护电抗可靠系数，表中提供数据为1.2；
考虑到与距离
段动作时限相配合，取距离
段保护动作时限：
6.2.3后备保护——过电流保护整定计算
整定值计算：
灵敏度校验：
可见灵敏度不满足要求；
过电流保护动作时限：
6.3重合闸的设定
在电力系统的故障中，大多数是输电线路的故障。
运行经验表明，架空线路故障大都是“瞬时性”的。
此时如果把断开的线路断路器再合上，就能够恢复正常的供电。
因此在电力系统中广泛采用了当断路器跳闸以后能够自动地将断路器重新合闸的自动重合闸装置。
为了能尽量利用重合闸所提供的条件以加速切出故障，继电保护与之配合时，一般采用重合闸前加速和重合闸后加速。
根据题目中所给出的条件，馈线母线电压为27.5KV，所以采用重合闸前加速保护。
整定时间设置为：
7.B相馈线保护原理的接线图和展开图
综合上一章中对馈线保护的配置，我们可以将其划分为两类。
一、电流保护。
二、距离保护。
其中电流保护设置了电流速断保护和过电流保护，而距离保护则设置了阻抗距离保护I、II段。
以下是其馈线保护的原理框图和接线图。
7.1保护原理框图
图7.1.1电流速断保护原理框图
其中I1为从二次回路测量得到的数值，当
时速断保护经过延时
动作跳闸。
图7.1.2过电流保护原理框图
其中I1、I2、I3、I5分别为基波、二次、三次、五次谐波分量；
Kh为谐波抑制加权系数；
为谐波闭锁的条件。
图7.1.3阻抗Ⅰ距离段保护原理框图
其中
为谐波闭锁的条件；
图7.1.4阻抗Ⅱ段距离保护原理框图
其中
为谐波闭锁的条件；
7.2保护接线图
图7.2.1B相馈线保护接线图
其中1L1、1L2、1L3、1L4、1Y9、1Y10分别对应到附录
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