继电保护的设计.docx
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继电保护的设计
1绪论
如今，随着科学技术的飞速发展，继电保护器在35kV变电站中的应用也越来越广泛，他不仅保护着设备本身的安全，而且还保障了生产的正常进行，因此，做好继电保护的整定对于保障设备安全和生产的正常进行是十分重要的。
继电保护装置广泛应用与电力系统，农网和小型发电系统，是电网及电气设备安全可靠运行的保证。
加强继电保护管理，健全沟通桥梁，加强继电保护定值正定档案管理是提高继电保护定值整定的必要措施。
变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。
电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置，继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。
继电保护发展现状，电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断注入新的活力，因此，继电保护技术得天独厚，在40余年的时间里完成了发展的4个历史阶段。
随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术面临着进一步发展的趋势。
国内外继电保护技术发展的趋势为：
计算机化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化。
2 继电保护相关理论知识
继电保护的概述
研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。
因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以沿称继电保护。
继电保护的任务
当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。
继电保护基本原理
继电保护装置的作用是起到反事故的自动装置的作用，必须正确地区分“正常”与“不正常”运行状态、被保护元件的“外部故障”与“内部故障”，以实现继电保护
的功能，因此，通过检测各种状态下被保护元件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别。
依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护。
反映电气量的保护
电力系统发生故障时，通常伴有电流增大、电压降低以及电流与电压的比值（阻抗）和它们之间的相位角改变等现象。
因此，在被保护元件的一端装没的种种变换器可以检测、比较并鉴别出发生故障时这些基本参数与正常运行时的差别，就可以构成各种不同原理的继电保护装置。
电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：
（1）电流增大：
短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。
（2）电压降低：
当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。
（3）电流与电压之间的相位角改变：
正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60°～85°，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180°（-60°～-85°）。
（4）测量阻抗发生变化：
测量阻抗即测量点（保护安装处）电压与电流之比值，正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。
（5）不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量；单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。
这些分量在正常运行时是不出现的。
利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。
反映非电气量的保护
如反应温度、压力、流量等非电气量变化的可以构成电力变压器的瓦斯保护、温度保护等。
对继电保护装置的要求
继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。
对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低。
（1）选择性
选择性就是指当电力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或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。
（2）速动性
速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。
一般必须快速切除的故障有：
1）使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值（一般为倍额定电压）。
2）大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。
3）中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。
4）可能危及人身安全、对通信系统或铁路信号造成强烈干扰的故障。
故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为～，最快的可达～，一般断路器的跳闸时间为～，最快的可达～。
对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。
（3）灵敏性
灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。
保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。
能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。
系统最大运行方式：
被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；
系统最小运行方式：
在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。
（4）可靠性
可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。
安全性：
要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。
信赖性：
要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。
继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。
即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。
以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。
这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。
因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。
继电保护相当于一种在线的开环的自动控制装置，根据控制过程信号性质的不同，
可以分模拟型（它又分为机电型和静态型）和数字型两大类。
对于常规的模拟继电保护装置，一般包括测量部分、逻辑部分和执行部分。
测量部分从被保护对象输入有关信号，再与给定的整定值比较，以判断是否发生故障或不正常运行状态；逻辑部分依据测量部分输出量的性质、出现的顺序或其组合，进行逻辑判断，以确定保护是否应该动作；执行部分依据前面环节判断得出的结果子以执行：
跳闸或发信号。
继电保护装置的组成
一般情况而言，整套继电保护装置由测量元件、逻辑环节和执行输出三部分组成。
（1）测量比较部分：
测量比较部分是测量通过被保护的电气元件的物理参量，并与给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”“非”性质的一组逻辑信号，从而判断保护装置是否应该启动。
（2）逻辑部分：
逻辑部分使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是应该使断路器跳闸、发出信号或是否动作及是否延时等，并将对应的指令传给执行输出部分。
（3）执行输出部分：
执行输出部分根据逻辑传过来的指令，最后完成保护装置所承担的任务。
如在故障时动作于跳闸，不正常运行时发出信号，而在正常运行时不动作等。
工作回路
要完成继电保护任务，除了需要继电保护装置外，必须通过可靠的继电保护工作回路的正确工作，才能完成跳开故障元件的断路器、对系统或电力元件的不正常运行发出警报、正常运行状态不动作的任务。
继电保护工作回路一般包括：
将通过一次电力设备的电流、电压线性地传变为适合继电保护等二次设备使用的电流、电压，并使一次设备与二次设备隔离的设备，如电流、电压互感器及其与保护装置连接的电缆等；断路器跳闸线圈及与保护装置出口间的连接电缆，指示保护动作情况的信号设备；保护装置及跳闸、信号回路设备的工作电源等。
3设计概述：
设计依据:
（1）继电保护设计任务书。
（2）国标GB50062-92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》。
（3）《电力系统继电保护》（山东工业大学）。
设计规模：
本设计为35KV降压变电所。
主变容量为6300KVA，电压等级为35/10KV。
设计原始资料：
35KV供电系统图,如图1所示。
系统参数：
电源I短路容量：
SIDmax=200MVA；电源Ⅱ短路容量：
SⅡDmax=250MVA；供电线路：
L1=L2=15km，L3=L4=10km，线路阻抗：
XL=Ω/km。
图135KV系统原理接线图
35KV变电所主接线图，如图2所示
SⅡSI
L3L4DL1L1L2
B1B2
DL6DL7
DL8
织胶印配炼备
布木染电铁用
厂厂厂所厂
图235KV变电所主接线图
B1、B2主变容量、型号为6300kVA之SF1-6300/35型双卷变压器，Y-Δ/11之常规接线方式，具有带负荷调压分接头，可进行有载调压。
其中Uk%=。
运行方式：
以SI、SⅡ全投入运行，线路L1~L4全投。
DL1合闸运行为最大运行方式；以SⅡ停运，线路L3、L4停运，DL1断开运行为最小运行方式。
已知变电所10KV出线保护最长动作时间为。
10KV母线负荷情况，见下表：
负荷名称
最大负荷
（Kw）
功率因数
回路数
供电方式
线路长度
（km）
织布厂
1200
1
架空线
8
胶木厂
1100
1
架空线
7
印染厂
1400
2
架空线
13
配电所
1500
2
架空线
10
炼铁厂
1700
2
架空线
10
4变电所继电保护和自动装置规划：
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。
本系统故障分析：
（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。
（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。
（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。
10KV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：
（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）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。
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）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）。
（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）。
（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）。
变电所的自动装置:
（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。
（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）。
（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。
本设计继电保护装置原理概述：
（1）10KV线路电流速断保护：
是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。
（2）10KV线路过电流保护:
是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。
（3）平行双回线路横联方向差动保护：
是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。
（4）变压器瓦斯保护：
是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。
（5）变压器纵联差动保护：
是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：
·靠整定值躲过不平衡电流
·采用比例制动差动保护。
·采用二次谐波制动。
·采用间歇角原理。
·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。
5短路电流计算
系统等效电路图：
如图4所示
SⅡSⅠ
12
5634
DL1d1
78
DL6d2
XL=
D3
图4系统等效电路图（各阻抗计算见）
基准参数选定：
SB=100MVA，UB=Av即：
35kV侧UB=37KV，10kV侧UB=。
IB1=SB/√3UB1=
IB2=SB/√3UB2=
阻抗计算（均为标幺值）：
1）系统：
X1=100/200=X2=100/250=
2）线路：
L1，L2：
X3=X4=l1X1SB/VB2=×15×100/372=
L3，L4：
X5=X6=l3SB/VB2=×10×100/372=
3）变压器：
B1，B2：
X7=X8=（Uk%/100）SB/S=×100/=
短路电流计算：
1）最大运行方式：
2）系统化简如图4所示。
3）其中：
X9=X2+X3∥X4＝X10=X1+X5∥X6＝
X11=X10∥X9＝X12=X11+X7＝
据此，系统化简如图5所示
故知35KV母线上短路电流：
Id1max=IB1/X11==（KA）
10KV母线上短路电流:
Id2max=IB2/X12==（KA）
折算到35KV侧:
Id21max=IB1/X12==（KA）
对于d3点以炼铁厂计算：
Id3max=+=（KA）
2）最小运行方式下:
系统化简如图6所示。
因SⅡ停运,所以仅考虑SⅠ单独运行的结果；
X13=X9+X7=+=
所以35KV母线上短路电流：
Id1min=IB1/X9==（kA）所以10KV母线上短路电流：
Id2min=IB2/X13==（kA）
折算到35KV侧：
Id2lmin=IB1/X13==（kA）
对于d3以炼铁厂进行计算Id3min=+=（kA）
折算到35KV侧：
Id3lmin=+=（kA）
6.主变继电保护整定计算及继电器选择
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~cm2整定本，本设计采用cm2。
瓦斯继电器选用FJ3-80型。
纵联差动保护：
选用BCH-2型差动继电器。
计算Ie及电流互感器变比，列表如下：
确定基本侧动作电流：
1）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；
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，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。
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。
代入数据得Idz1=×（1×1×++×=（A）
2）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；
Ie—变压器额定电流：
代入数据得Idz1=×=（A）
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；
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=×=（A）
比较上述
（1），
（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值，
即：
Idz1=（A）
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=KJXIdzI/nl
代入数据得IdzjsI=
×40=（A）
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/=（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=12（A）
保护装置的实际动作电流IdzI=IdzjINl/Kjx=12×40/
=
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×=（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）
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）=/+5）=
此值小于原定值，取法合适，不需重新计算。
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。
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=Idzl=×1×=>2
满足要求。
过电流保护：
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
Idz=KkIe1/Kh
式中：
Kk—可靠系数，采用；
Kh—返回系数，采用；
代入数据得Idz=×=（A）
继电器的动作电流Idzj=Idz/nl=（40/
）=（A）
电流继电器的选择：
DL-21C/10
2）灵敏度按保护范围末端短路进行校验，灵敏系数不小于。
灵敏系数：
Klm=Idz=×1×=>
满足要求。
过负荷保护：
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=×=（A）
IdzJ=Idz/nl=×
/40=（A）
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。
冷却风扇自起动：
Idz==×=（A）
IdzJ=Idz/nl=（40/
）=（A）
即，当继电器电流达到时，冷却风扇自起动。
7.课程设计总结
通过本次课程设计对继电保护和电力系统自动化的课程有了进一步的了解和掌握，通
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