1、35kv变电站多功能继电器保护设计 35kv变电站多功能继电器保护设计摘要：电力系统的保护是在电力系统中是十分重要的，在对电力系统进行保护的这些装置中，最重要的一部分就是继电保护。可以这么说，继电保护在电力系统发生故障的时候可以将损失降低到特别小，甚至为零。因此本文就以35kV变电站进行继电保护设计。在本论文中，首先说明了为什么要进行继电保护，其次继电保护有哪些重要的意义。在进行完上述的分析之后，对相关的技术的发展历程进行了详细的叙述和分析。同时对所要进行继电保护设计的35kV的变电站进行了相关研究，研究如何对其进行继电保护设计。随后就是对短路电流进行计算，对继电保护进行设计进行了详细的概述。
2、包括相关的技术的选择，定值计算和整定计算。最后设计了35kV变电站继电保护综合自动化系统的结构以及防雷保护。本文所设计的继电保护装置具有相当高的实用价值和十分重要的意义。关键词：35kV, 变电站，继电保护，整定计算 第1章 绪 论1.1研究背景和意义我国现在已经逐步的迈入到了新的社会和时代，而其中作为新时代的一部分-电力系统也逐渐的不断升级。如今，人们对电能的使用越发依赖，可靠的供电是我们日常生活的最基本要求。北美电力可靠性委员会对北美地区近17年来的电力系统事故进行统计分析显示，75%以上的电力系统事故都与继电保护装置的非正常动作有关。所以一个良好的继电保护装置对于电力系统来说是十分的重要
3、的，如果没有把继电保护装置设计好，那么我国的经济就会遭受不可避免的损失。除此之外，还有可能造成一定的人员伤亡，因此设计对继电保护装置进行研究十分的重要1.2 国内外发展现状电力系统的正在日新月异的发展，继电保护作为其中最重要的一部分，因此相关的技术也越来越多。并且在当今时代，继电保护技术融合了目前出现的很多新的技术，比如电力电子技术以及相关的通信技术。根据继电保护采用的技术不同，大致上可以分为下面几个阶段。首先，我们在开始建设国家的电力系统以后，就对相关的继电保护技术进行引进，在那个时候我国的基础设施还十分的落后，继电保护元器件均采用的国外的设备，相关的制造技术也是由外国的专家进行指点才可以制
4、造出来。但是随着时间的推进，我国认识到了继电保护技术的重要性，也相继培育了一批相关的技术人员。这个时候我国逐渐开始自主制造相关的继电保护装置，并且从一开始的设计到最后的制造都可以自主进行，虽然当时的技术有一些落后，但是制造出来的继电保护装置十分的可靠。正是当时人们的努力专研为以后我国继电保护技术打下了基础。随后随着电力电子技术的发展，晶体管逐渐的被应用到继电保护中，由于在之前打下的基础，这个时候我国可以自行研制相关的晶体管继电保护装置。再之后，由于集成电路技术的飞速的发展，也带动了继电保护技术的发展，至此继电保护装置中开始用了微机保护，一直到现在仍然在采用微机保护继电保护技术。而到了目前来说，
5、电力系统的规模越来越庞大，并且不仅如此人们对与电力系统的要求也越来越高。人们在传统的继电保护技术中不断地 融入了新的技术。其中最主要的技术有下面两点：第一点目前微机继电保护技术所使用的相关处理器的性能已经得到了飞速的发展，处理的能力和速度也大大的提。并且相比于以前还具备了相关的通信能力，各个保护装置之间还可以进行一定的通信，可以实时进行一部分的保护，而不影响其他设备。第二点就是目前应用了最先进的人工智能技术，人工智能技术顾名思义就是把继电保护技术进行了智能化的发展。其中一个十分重要的体现就是可以提前的通过相关信号的检测就把故障进行判断出来，提前实现了继电保护，这样就大大避免了故障的发生。1.3
6、研究内容及结构安排本文为某一35kV变电站设计了一套继电保护系统，包括了继电保护装置的选择以及相关的整定计算。论文的结构安排如下：第一章介绍了继电保护的研究背景和意义，然后介绍了我国继电保护技术的发展历程。第二章对所要进行继电保护设计的变电站进行了简介，分析了其电力系统一次接线图以及对继电保护技术的相关原理和要求进行了阐述。第三章中主要进行了35kV变电站短路电流计算。第四章为35kV变电站进行相关的继电保护装置进行选择。第五章对继电保护进行定值计算和整定计算。第六章设计了35kV变电站继电保护综合自动化系统的结构以及防雷保护。第七章总结了所进行和完成的工作。第2章 35kV变电站简介及继电保
7、护概述2.1变电站简介本文以某一变电站为研究目标，在该35kV变电站内一共有4台主变压器。本文所研究的35kV 变电站一共有三个配电室，分别为：1号、2号、3号，供电来自三条不同的母线。 一次系统接线图如下图 2-1、2-2、2-3所示。图 2-1 1号配电室图 2-2 2号配电室图 2-3 3号配电室2.2继电保护的设计内容、原理与要求在实际电网运行时，要实现电力系统的继电保护任务，其保护装置要预先甄别系统的不同工作状态，根据电力系统在正常、非正常和故障状态下电气量的差别，进行区分，并做出响应。根据保护装置测量电气量的不同，可以构成不同的继电保护装置。例如，反映流过被保护元件的电流增大而动作
8、的过电流保护装置；利用系统短路时会出现电压降低的现象，可以构成低电压保护装置；利用电力线路短路故障时，出现电压降低电流增大的现象，进而其测量阻抗变小，可以构成距离保护装置等等。在实际应用中，由于电压级别不同，电力线路布线方式不同，及被保护设备不同等原因，可能采用阶段式保护或多种保护共同作用去实现系统整体的保护。良好的继电保护装置是电网及电力系统设备可靠运行的前提，它必须满足下列四个性质：(1)可靠性：最基本要求，要求保护装置遇到故障时“不拒动、不误动”；(2)选择性：故障发生时，故障所在处的保护装置优先动作切除故障，且相邻元件处的保护装置起到后备保护作用；(3)速动性：故障出现后，应尽可能的快
9、速切除故障，降低故障对电气设备的损害，提高系统运行的稳定性；(4)灵敏性：能够正确、灵敏的反映各种类型的电力系统故障。继电保护装置的这四个性质是评估和探究保护装置性能的基础，继电保护装置设计、运行的大部分工作也都是围绕这四个方面进行的。同样的继电保护设备在不同的位置安装运行或在同一位置安装不同的继保设备，所产生的效果都不一样。这四个性质如何搭配使用，才能实现保护效果最好，仍充分体现着继电保护工作的科学性与技术性。此外，当保护涉及到电网与发电厂双方或者不同的电网之间的接口整定值问题时，因受到电网运行方式，继电保护装置和电气设备的性能限制等原因，在不能同时满足速动性、选择性和灵敏性的要求时，必有所
10、取舍。此时，一般按照“局部服从整体、低压服从高压、技术与经济合理”的运行规则进行选择。第3章 短路电流计算3.1 短路电流计算概述在进行变电站设计的时候，必须要考虑到发生故障的时候，应该采取什么样的措施。一般对于变电站来说，在所有的故障中最为经常发生以及危害最大的一个故障就是短路故障。他不仅会破坏变电站本身的设备，还会破坏用户本身的设备，从而严重的影响整个的系统的运行。通常来说短路指的是线路的相与相之间或者某一相与大地之间发生了互相链接的情况。对于三相系统来说，短路的种类非常的多，有三相短路、两相短路等等。对于本变电站来说，在进行设计的时候主要考虑的是三相短路，因此在计算短路电流的时候，主要是
11、按照三相短路的时候来进行计算。3.2短路计算的规定和假设3.2.1短路电流计算的规定对于变电站来说短路计算的目的不仅可以为继电保护装置的选取提供参考依据以及相关的整定的计算，还可以进行电气主接线比选，选择变电站内的电气设备，变电站中的中性点的接地等等。一般来说，在对变电站进行短路电流计算的时候有如下的规定：1）如果是为了对导体或者电气设备进行动稳定或者热稳定，再或者是开断电流而进行短路计算的时候，在对变电站容量选取的时候应该考虑到设计规划的容量，也就是说需要考虑到该电力系统的未来的负荷规划。根据相关的经验表明，一般可以考虑未来5-10左右的负荷增长情况。2）如果进行短路电流计算是为了选择相关的
12、电气设备的话，那么应该要考虑到电气系统内的电机的影响以及电气系统内的电容装置的影响。3）如果进行短路电流计算是为了选择相关的电气设备的话，该电气系统内的回路如果没有电抗器，那么在计算的时候应该按照正常的接线方式的来对短路电流来进行计算。3.2.2 短路计算假设一般来说为了简化短路电流计算的过程以及相关的影响因素，在进行计算的时候做如下的假设：1）变电站在正常运行的时候，没有三相不平衡的线性存在。2）对于变电站来说，电动势的相位角相同。3）如果对变电站进行计算的时候，该系统的各个设备的磁路按照不饱和来进行计算，也就是如果变电站内的设备带有铁芯，那么该设备的电抗值大小和电流值的大小是没有关系的。4
13、）短路发生的时间应该为短路电流是最大的时候。5）不应该考虑变电站内的变压器的励磁电流。3.3短路电流计算过程在本设计中，短路电流计算的过程如下：（1）选取基准的参数一般在对变电站进行短路电流进行计算的时候的，需要计算各个设备的电抗，为了计算方便一般会采用标幺值来进行计算。对于本变电站来说，选取的基准值如下：基准容量：=100MVA基准电压：（kV） （2）计算各个设备的电抗标幺值对于本变电站来说各个部分的阻抗值如下：系统线路L1和L2线路：L3和L4线路：变压器（3）系统等值网络图根据变电站的一次接线图，可以绘制出变电站的等值网络图，如下图3-1所示。图3-1 系统等值网络图（4）短路电流计算
14、在进行短路电流进行计算的时候，首先要计算的是最大运行的模式下这时候的系统等值图如图3-2所示。图3-2 系统简化图所以由上面的计算可知母线上的短路电流为对于d3点来说短路电流为然后计算在最小运行方式下的短路电流，系统的简化图如图3-3所示。图3-3 系统简化图在这种情况下其中一个变压器是停止运行的时候所以，仅仅考虑到其中一台单独运行的结果：因此可以计算出来35kV上面的母线电流为：然后就可以计算出d3点的短路电流为然后可以折算到35kV侧为：第4章 35kV变电站继电保护装置选择因为对于变电站来说最重要的一个保护就是电流保护，因此首先对电流保护装置进行选择，然后再选择其他保护租装置。4.1阶段
15、式电流保护的选择阶段式电流保护又称为三段式电流保护，由三部分组成：保护段（又称瞬时电流速断保护）为主保护，保护的动作设定值最高且动作无时限，但是仅能保护本线路的一部分不能保护本线路的全部；保护段（又称为限时电流速断保护）同样为主保护，保护的动作值较高但动作有一定的时限，能保护本线路的全长；保护段（又称定时限过电流保护）为后备保护，保护的动作整定值较低，动作时限较长，但能保护本线路的全长（用作近后备保护）或相邻下级线路的全长（用作远后备保护）。本小节首先讨论单侧电源网络线路故障时的电流特性，再此基础上引出电流保护各段的原理与特性，进一步阐述其保护整定值的计算。对于所分析的电源辐射网，其线路相对复
16、杂，但其线路类型及负载类型都是相同的，区别仅仅在于线路长度及负载容量的不同，所以可以仅取其中一条支路单独研究且这样更能方便直观的观察仿真结果。对于简单的单一支路辐射型供电网络，常见的网络示意图如图4-1所示，并假设图中每条线路上都装设有继电保护装置，图中方框1与2表示的就是保护装置。图 4-1 单电源辐射网的电流曲线在正常运行时，越靠近电源侧则线路中的负荷电流越大，而出现故障时的短路电流则与故障点位置有关，故障点处的短路电流最大，越远离故障点短路电流越小。负荷电流的大小与负荷密切相关。图中折线1中所示的是各段线路流过的最大负荷电流（所有用户负荷都接入时）的幅值。需要注意的是，正常运行时的负荷电
17、流幅值远小于短路电流幅值，在图3-1中也可以直接看出。图3-1中折线1代表负荷电流，曲线2和3表示的是短路电流，由图3-1可见，折线1在曲线2、3的下方，且幅值相差很大。在实际应用中，对于像电流保护这样的过量继电保护装置，一般按照最大电气量（电流保护对应于最大短路电流）进行保护的整定，按照最小电气量（最小短路电流）进行校验。对于过量保护，其整定值越大则灵敏度越低，保护的范围也越小，在实际应用时要综合考虑，选取合适的整定值。阶段式电流保护共有三段保护构成，三段保护都是反应于电流值升高而动作的，其主要区别就是保护装置动作的启动电流的幅值及动作时限不同。启动电流幅值较高的保护装置可以用较短的时限切除
18、故障，但因为其动作阈值高所以灵敏度就降低了，保护范围也因此缩短；与之对应，当保护的启动电流值较低时，保护装置较为灵敏，保护范围增大，但其动作时限也随之增加。阶段式电流保护一般都是配合使用的，仅靠单独一种保护运作无法满足整个系统的继电保护要求。在实际应用中，可以根据需要安装保护的系统的线路类型及其负载的重要性，灵活的选择其中的两种或三种保护全部使用。4.2其他保护选择在对变电站过电流继电保护选择之后，就需要对其他继电保护装置进行选择，下面分别对其进行介绍。（1）电压保护设计继电保护装置中的电压保护顾名思义就是对变电站的相关线路的电压进行保护。一般来说，电压保护一共可以分为两种保护，第一种是当电压
19、过低的时候进行的保护，另外一种是当电压过高的时候进行的保护。如果当变电站出现了上述的这两种情况时，就需要对其保护，这个时候一般采取的保护动作是跳闸。（2）线路距离保护设计继电保护装置中的线路距离保护顾名思义就是通过距离来进行保护的一种保护技术。在这里所说的距离一般是指当发生故障的时候，发生故障的位置和继电保护装置之间的距离。如果在线路上某一个地方发生故障，那么这个时候线路中的电压和电流和正常时候的不一样，然后通过检测这个时候的阻抗，即电压除以电流得到的值来进行保护。一般这种保护，如果阻抗较小，那么会快的进行保护，如果阻抗较大，那么保护速度没有那么快。（3）线路的过负荷保护设计继电保护装置中线路
20、的过负荷保护顾名思义就是当变电站的符合超过了所规定的符合的时候进行的保护。这里要和上面的过流保护区别开来，上面的过流保护一般流过的电流大小远远超过过负荷保护中流过的电流。（4）线路差动保护设计继电保护装置中线路的差动保护顾名思义就是当出现了电流差就会进行动作的保护。差动保护的原理就是利用以前上课在书上学到的电路基本原理中的基尔霍夫电流定律，即流入某一个节点的电流为零。当不为零的时候就说明出现了故障，因此差动保护一般是用于保护变电站内的电气设备的。（5）自动重合闸保护继电保护装置中自动重合闸保护顾名思义就是当变电站或者相关的线路发生了故障的时候，这个时候由于其他的保护装置已经已经产生了相关的动作
21、，但是故障已经被切除。在这个场合下就需要自动重新的合闸。一般来说三相重合闸的装设最为简单不用进行分相操作，低压线路一般适合装设三相重合闸，而分相重合闸适用于高压线路且只有高压线路才能进行分相操作。4.3本变电站保护选择根据上面对于变电站保护的概述，在本变电站设计的时候选择如下保护：（1）电流速断保护（2）差动保护（3）过电压保护（4）自动重合闸保护（5）过负荷保护（6）过电流保护第5章 35kV变电站继电保护定值整定计算5.1变压器保护整定原则及对主变保护的要求在上一章中，已经确定好了本35kV变电站所需要的继电保护装置，分别如下所说： 首先是对变电站中必不可少的保护，即瓦斯保护，差动保护和电
22、流速断保护。其后是和上面的保护进行相互配合的保护一共有两种分别是过流保护以及过负荷保护。5.2瓦斯保护瓦斯保护顾名思义就是对当变电站内产生了相关的气体的时候进行的保护。在为本35kV变电站进行瓦斯保护设计的时候，气体的容易值选为270。除此自外还根据所使用的变压器设备，瓦斯保护的时候的动作值是0.8，因此采用的瓦斯保护的相关的设备的型号是FJ3-90。5.3纵联差动保护本变电站的变压器数据如下表5-1所示。表5-1变压器基本数据名称Y额定电流I1e=103.9AI2e=346.4ACT接线方式YCT计算变比Y实选CT变比n1200/5400/5实际额定电流4.50A4.33A不平衡电流4.50
23、-4.33=0.17A确定基本侧基本侧非基本侧5.3.1基本侧动作电流计算 (1)变压器中故障时候的不平衡电流计算 （4-1）利用实用计算式： （4-2）在上面的公式中，KK是变压器的可靠系数，是一个经验值。Kfzq为非同期分量引起的误差，Ktx为同型系数，在这里我们可以取值为0.5，变压器调压时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，为系数 0.05。带入本变电站的实际的数据可以得到下面的数值（2）励磁电流计算 （4-3）带入本变电站的实际的数据可以得到下面的数值（3）避开最大负荷电流 （4-4）带入本变电站的实际的数据可以得到下面的数值比较上述（4-2）（4-3）（4-4）式的动作电流，取
24、最大值为计算值，即：5.3.2继电器动作电流和匝数计算在进行完上面的计算以后就需要对相关的继电器的动作电流进行计算，相关的计算公式为： (4-5)带入本变电站的实际的数据可以得到下面的数值基本侧继电器差动绕组匝数可以通过下面的公式进行计算: (4-6)在上面的公式中，Awo取60安匝，然后带入上面的数据，那就可以得到差动绕组匝数为5.12匝。在完成上面的计算以后，就可以把实际的整定匝数确定为5匝。然后就利用公式4-6就可以算出来继电器的实际动作电流为12A，然后再利用公式4-5计算出保护的实际动作电流为277.1A。5.3.3非基准位置平衡和工作绕组的匝数根据表4-1中的数据可以利用下式 （4
25、-7）计算出平衡绕组匝数为0.19，所以在实际的时候选择0匝。然后就可以判断计算出来的匝数和实际中匝数之间的误差为0.04，小于上面的的取值0.05，所以不需要重新计算。5.3.4灵敏度校验灵敏度检验是在进行对其进行保护设计的时候一个非常关键的步骤，在发生短路的时候的，35kV侧的短路电流为0.817kVA，因此通过下面的公式： （4-8）计算之后出来的灵敏度的值大于2，满足国家相关标准的要求。5.3过电流保护（1）整定动作电流 （4-7）其中，Kk是可靠系数，Kh为返回系数，经过带入数据计算后可以得到146.7A。然后就可以算出来继电器的动作电流为，所以在这里可以选择DL-21C/10继电器
26、。（2）短路校验。灵敏系数，通过上面的计算可以发现该设计满足零灵敏度的要求。5.4过负荷保护过负荷保护在变压器中的保护中也是一个十分重要的保护，那么在本设计的继电保护中经过下面的计算可以得到 （4-8）4.5冷却风扇启动 （4-9）通过上面的计算可以得到如果当电流超过了上面的值3.15之后，冷却风扇就会自动启动。第6章 继电保护自动化和防雷保护设计6.1 继电保护装置自动化功能要求目前来说人们对于继电保护装置的功能要求越来越高，不仅要求继电保护装置具有传统的继电保护功能，还要求具备一定的自动化功能。在本设计中继电保护装置还应该具有以下功能：1）具备一定的通信功能，可以实现参数的实时的远程监控。
27、2）合闸以及脱闸功能不仅可以在本地实现，还可以在远程实现，并且这两种功能应该互相闭锁。3）实现保护定值的在上位机上可以进行显示和修改，可以记录相关的历史数据。4）应该具备一定的报警功能。6.2 变电站继电保护自动化系统结构设计根据上面对于继电保护装置的自动化要求，在本设计中选用北京继保电力公司的THR2100系统。THR2100系统目前可以用在110kV以下的变电站中。在本设计中，该综合自动化系统有两个部分的结构需要进行设计，一部分是对变电站本身的系统结构设计，一部分是变电站网络结构设计。（1）35kV变电站系统结构设计根据上面的变电站的自动化系统的要求，在本变电站中采用分层分布式的系统结构。
28、即在该变电站中的自动化系统可以在设计的时候分成两部分，其中一部分是站控部分，另外一个部分是间隔部分。在站控部分主要是包括了监控系统，通信管理系统以及辅助设备。在间隔部分的设备主要有主控室内的屏组。具体设计的该变电站的结构如下图5-1所示。图5-1 变电站自动系统结构设计图5-2 变电站网络结构设计（2）35kV变电站网络设计在本变电站中，由于是分布式设计，一共有两个部分的网络需要进行通信。因此在该变电站中在站控部分主要使用以太网来进行设备之间的互相通信，使用的协议为TCP/IP。在该变电站的间隔部分中各个保护设备之间的通信采用的是现场总线，以具备较强的抗干扰能力，在本设计中选取CAN通讯协议。
29、变电站具体的设计的结构如图5-2所示。6.3防雷保护设计在对变电站进行电气设计的时候，需要考虑到对变电站进行防雷保护方面的相关设计。一般来说，雷击主要通过两个方面来对变电站进行伤害。其中一个方面是雷电直接击打在变电所上，另外一个方面是当雷电击打在其他地方的时候，雷击产生的电流或者电波沿着线路输送给变电站，然后对变电站造成一定的损害。因此在对变电站进行防雷保护设计的时候，一般采用两种形式的防雷保护设计。其中一种是避雷针，另外一种是叫做避雷器。首先说避雷针，在我们日常生活中经常可以听到这个名称。避雷针的作用是吸引雷电，然后把吸引到的雷电通过本身的线路输送到大地中。这样就从而避免了雷电直接击打在变电
30、站上的风险。但是对变电所来说，不需要考虑避雷针的设计，避雷针一般是为了保护相关的输电线路。其次是避雷器，避雷器和避雷针的原理是不同的。避雷器本身相当于一个放电器，在使用的时候是和相关被保护的设备并联在一起的。如果当线路的电压超过了所设置的电压的时候，那么避雷器就会起作用，把电压泄放掉。在进行防雷保护设计选择避雷器形式的时候，需要考虑到主变压器的中性点保护设计。一般来说，在进行主变压器中性点保护设计的时候，需要安装相关的放电间隙保护设备，从而可以起到零序电流保护的功能。正是由于放电间隙保护的安装，在选择避雷器的时候需要选择和放电间隙进行配合的避雷器。因此在本变电站防雷保护设计选用阀型避雷器。由于
31、本变电站是35kV的母线，所以通过查找相关的避雷器选择手册，本变电站选择FZ-35型避雷器。第7章 总结继电保护在电力系统中占据了如此十分重要的位置，良好准确的继电保护设计才可以保障人民的生活用电良好供应。因此本文以某一35kV变电站为目标，对其进行相应的继电保护设计。本文首先介绍了研究目标的基本情况即35kV变电站的基本情况，包含4台主变压器，分别对三个地方进行电力供应。然后阐述了继电保护的目标就是通过相应的设计流程和原则保障电力系统的安全。其后分别对35kV变电站选择了瓦斯保护，过流保护，过负荷保护，重合闸保护等相应的继电保护装置。随后对这些这继电保护装置进行相应的选型满足保护的要求。最后设计了变电站继电保护自动化系统结构设计以及对变电站的防雷保护进行了设计。本文设计的继电保护装置可以很好的完成继电保护的作用，可以保障电力系统的安全。
