1、某35kV变电站继电保护设计概述1 前言在如今随着科学的发展，电力系统的能否安全稳定运行，会直接影响国民经济和社会发展。电力系统一旦发生自然或人为故障，如果不能及时有效控制，就会失去稳定运行，使电网瓦解，并造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。继电保护（包括安全自动装置）是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。许多实例表明，继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。因此，加强继电保护的设计和整定计算，是保证电网安全稳定运行的重要工作。为满足电网对继电保护提出的可靠性、选择性、灵敏性、速动性的要求，充分发挥继电保护装置的效能，必
2、须合理的选择保护的定值，以保持各保护之间的相互配合关系。做好电网继电保护定值的整定计算工作是保证电力系统安全运行的必要条件。继电保护装置的基本任务是：自动，迅速，有选择性将系统中故障部分切除，使故障元件损坏程度尽量可能降低，并保证该系统无故障部分迅速恢复正常运行。反映电器元件的不正常运行状态，并根据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号，减负荷或者延时跳闸。2继电保护的介绍2.1继电保护结构原理继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量,电流、电压、功率、频率等的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强
3、度的增高。大多数情况下，不管反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分和定值调整部分、逻辑部分、执行部分。继电保护原理结构方框图如下：图2.1继电保护原理结构方框图图2.2跳闸或信号原理示意图2.2继电保护的基本组成测量比较部分：测量所要保护的电气元件上的电气参数并与标准值比较。逻辑判断部分：由以上比较结果判断系统是在正常运行状态，还是发生故障或是在不正常运行状态。执行部分：根据判断出的运行状态去动作或不动作。2.3继电保护的基本要求在技术上必须满足选择性、速动性、灵敏性、可靠性四个基本要求。对于作用于断路器跳闸的继电保护，应同时满足这四个基本要求，对于作用于信号以及只反应不正常运行情况的继电
4、保护装置，这四个基本要求中有些要求如速动性可以降低。 选择性:所谓继电保护装置的动作选择性就是指当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和线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的设备或断路器拒绝动作时，应由相邻的设备或线路的保护将故障切除。虽然扩大了停电范围，但控制了故障的扩大，它起着对下一段线路的后备保护作用。速动性:快速切除故障，可以提高电力系统运行的稳定性，减轻故障设备的损坏程度，防止故障的扩展，提高自动重合闸的成功率，减少对用电单位的影响，迅速恢复系统的正常运行。故障切除的时间等于继电保护装置动作时间与断路器跳闸时间之和，对于反应故障的继电保护，要求快速动作的主要理由和
5、必要性在于：（1）快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性；（2）快速切除故障可以防止故障的扩大，提高自动重合闸和备用电源或设备自动投入成功率，因为快速切除故障，对提高故障点饿灭弧速度，缩小短路持续时间，防止出现接地故障发展为相间故障；两相短路发展为三相短路；暂时性故障发展为永久性故障等。（3）快速切除故障可以减少发电厂厂用电及用户电压降低的时间，加速恢复正常运行的过程，保证厂用电及用户工作的稳定性。（4）快速切除故障可以减轻电气设备和线路的损坏程度，短路电流通过的时间愈长，则设备损坏的程度就愈严重，甚至烧毁，特别在发电机变压器的内部短路时，是不允许带时限切除故障的。从上述理由可知，快速切
6、除故障，对提高电力系统运行的可靠性具有重大意义。一般快速保护的动作时间为0.080.12s，一般断路器的跳闸时间为0.10.27s，因此，一般快速保护切除故障的时间为0.180.27s；最快速保护的动作时间为0.020.03s，最小的断路器跳闸时间为0.040.05s，所以最快速保护切除故障的时间为0.060.08s。灵敏性:所谓灵敏性，即在保护范围内发生故障和不正常工作情况下，继电保护装置的反应能力，也就是在保护范围内故障时，不论短路点的位置以及短路的类型如何，都能敏锐且正确的反应。继电保护的灵敏性以灵敏系数来衡量。（1）对于反应故障时参数量增加的保护装置。灵敏系数=保护区末端金属性短路时故
7、障参数的最小计算值保护装置动作参数的整定值如：过电流保护的灵敏系数为 式中 保护区末端金属性最小短路电流二次值保护装置的二次动作电流（2）对于反应故障时参数量降低的保护装置灵敏系数=保护装置动作参数的整定值保护区末端金属性短路时故障参数的最大计算值。可靠性:继电保护装置对它所保护的范围内发生各种故障和不正常运行状态时，不应该拒绝动作。而在保护范围内之外发生的各种故障和不正常运行状态时，不应该误动作。这种性能称为可靠性。在实际的运行中，可靠性用动作正确率来表示。由上述可知，对继电保护装置的四个基本要求筹兼顾，相互联系且又相互制约的。2.4继电保护的任务电力系统动行中,各种电气设备可能出现故障和不
8、正常运行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。如过负荷、过电压、频率降低、系统振荡等。故障主要包括各种类型的短路和断线，如三相短路、两相短路、单相接地短路、两相接地短路、发电机和电动机以及变压器绕组间的匝间短路、单相为线、两相断线等。当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求,如保持电力系统的暂态稳定性等。反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常
9、工作情况和设备运行维护条件的不同,例如有无经常值班人员,发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。3 35KV电网保护配置概述3.1 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
10、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
11、，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。3.2 35KV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5060Ue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
12、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。34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
13、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。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
14、阻抗计算C1系统：最大方式X1=0.05 最小方式X1=0.1C2系统：最大方式X2=0.06最小方式X2=0.13线路：L1：X3=l1X1SB/VB2=0.410100/372=0.292L2：X4=l3 X1SB/VB2=0.413100/372=0.38变压器： X5=X6=（Uk%/100）SB/S=0.08/100100/31.5=0.0034.4短路电流计算1）最大运行方式,系统化简如下图其中： X7=X1+X30.342 X8= X2+X40.440X9=X7X80.150 X10=X9+X50.153图4.2最大运行图故知35KV母线上短路电流：Id1max=IB1/X9=1
15、.56/0.150=10.4kA10KV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)=19.856kA2) 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=5.5/0.44
16、3=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
17、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250300cm2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0.61.5cm2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
18、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
19、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5.1 Ie及电流互感器变比名 称各侧数据Y（35KV）（10KV）额定电流I1e=S/ U1e=103.9AI2E=S/ U2e=363.7A变压器接线方
20、式YCT接线方式YCT计算变比I1e/5=180/5=36I2e/5=363.7/5=72.74实选CT变比nl200/5=40400/5=80实际额定电流I1e/n1=4.50AI2e/n1=4.55A不平衡电流Ibp4.55-4.50=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1） 躲过外部故障时的最大不平衡电流 Idz1KKIbp (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
21、。 U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。fza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(110.1+0.05+0.05) 10.4=270.4A2） 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= 1.3103.9=135.1A3) 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
22、流；采用变压器的额定电流。 代入数据得 Idz1=1.3103.9=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=270.4A5.2.4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：A
23、wo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=1240/=277.1A5.2.5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 Wphjs =Wcdz/Ie2JI-Wcdz =5(4.55/4.50-1)=0.05(匝)故，取平衡线圈实际匝数Wphz=0
24、工作线圈计算匝数Wgz= Wphz+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fza fza= (Wphjs- Wphz)/( Wphjs+ 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Klm2本系统在最
25、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=0.86613.55/0.2704=11.372 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1.2；Kh返回系数，采用0.85； 代入数据得 Idz=1.2103.9/0.85=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/102） 灵敏度按保护范围末端短路进行校验，灵敏系
26、数不小于1.2。灵敏系数：Klm=0.866KjxId3lmin/Idz=0.86610.825/0.1467=4.871.2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=1.05103.9/0.85=128.4A IdzJ= Idz/nl=128.4/40=5.56A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。6 输电线路的距离保护距离保护是通过测量被保护线路始端电压和线路电流的比值而动作的一种保护，这个比值
27、被称为测量阻抗Zm，用来完成这一测量任务的元件称为阻抗继电器KI。6.1 距离保护的时限特性距离保护的动作时间与保护安装点至短路点之间的距离的关系称为距离保护的时限特性。为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛采用具有三段动作范围的阶梯型时限特性。距离保护的动作时间t与保护安装处到故障点之间的距离l的关系称为距离保护的时限特性，目前获得广泛应用的是阶梯型时限特性，如图31所示。这种时限特性与三段式电流保护的时限特性相同，一般也作成三阶梯式，即有与三个动作范围相应的三个动作时限：、。图6.1 距离保护的时限特性6.2 距离保护的组成距离保护的主要由三段式距离保护装置一般由以下元件组成。（1
28、）起动元件起动元件的主要作用是在发生故障的瞬间起动整套保护，并和阻抗测量元件（ZI、Z、Z）组成与门，起动出口回路动作于跳闸，以提高保护装置动作的可靠性。起动元件可由过电流继电器、低阻抗继电器或反应于负序和零序电流的继电器构成。（2）阻抗测量元件（ZI、Z、Z）阻抗测量元件的作用是测量短路点到保护安装点之间的阻抗（亦即距离），它是距离保护中的核心元件，一般由阻抗继电器来担任。通常Z和Z采用带有方向性的方向阻抗继电器，Z采用偏移特性的阻抗继电器。（3）时间元件时间元件用以建立保护动作所必需的延时，根据测量元件的动作结果以相应的不同时间去发出跳闸脉冲，以保证保护动作的选择性。时间元件一般由时间继电
29、器担任。（4）出口执行元件保护装置在动作后由出口执行元件去跳闸并且发出保护动作信号。6.3 距离保护的逻辑 保护装置的动作情况如下；正常运行时，起动元件不动作，保护装置处于被闭锁状态；当正方向发生短路故障时，起动元件动作，如果故障位于距离I段范围内，则ZI动作，并与起动元件一起经与门瞬时作用于出口跳闸回路；如果故障位于距离段范围内，则ZI不动而Z动作，随即起动段的时间元件t，待t延时到达后，通过与门起动出口回路动作于跳闸；如果故障位于距离段范围内，则Z动作后起动t，在t的延时之内，若故障未被其他的保护动作切除，则在t延时到达后，仍然通过与门和出口回路动作于跳闸，起到后备保护作用。7总结通过本次
30、课程设计对继电保护和电力系统自动化的课程设计有了进一步的了解和掌握，通过对课本和参考书籍的翻阅，进一步提高了利用手头资料亲自完成设计的能力，学会了分析原理接线图和展开图的分析，也学会了画电气工程图，对继电保护有了更深层次的理解和掌握。在设计中必须做到明确设计目的和题目要求；细心，做到严谨、精确,反复修改,精益求精；使所学的理论知识更加透彻，从而加深对其的理解；在设计中紧扣继电保护的四要求：速动性、灵敏性、可靠性、安全性。通过课程设计，本次课程设计以学生亲自动手设计为主，通过积极查阅相关资料，科学的分析问题。因此培养了学习积极性、独立分析问题、发现问题和解决问题的能力、合作沟通的能力，也增强了老师、同学的交流沟通。 参考文献1 张保会.电力系统继电保护原理.中国电力出版社，20082 毛锦庆.电力系统继电保护实用技术问答.第二版.北京：中国电力出版社, 19993 许建安.电力系统微机继电保护.北京：中国水利水电出版社，20014 何仰赞,温增银.电力系统分析.第三版.武汉：华中科技大学出版社，20025 胡虔生,胡敏强.电机学.北京：中国电力出版社，20056 刘介才.工厂供电.第四版.北京：机械工业出版社，20047 王葵,孙莹.电力系统自动化.第二版.北京：中国电力出版社，2007
