35kV变电站继电保护设计.pdf

1 1 引言引言电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件，设备及人为因素的影响（如雷击，倒塌，内部过电压或者运行人员误操作等），电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见，危害最大的故障是各种形式的短路。电力生产发、送、变、用的同时性，决定了它的一个过程重要性，电力系统要通过设计，组织，以使电力能够可靠，经济的送到用户，对供电系统最大的威胁就是短路故障，它给系统带来了巨大的破坏作用，因此我们必须采取措施来防范它。继电保护装置的基本任务是：自动，迅速，有选择性将系统中的切除，使故障元件损坏程度尽量可能降低，并保证该系统相符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。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。继电保护及自动化是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。基本任务是：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。2 2 设计任务及要求设计任务及要求2.12.1 设计依据设计依据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.电力系统继电保护中北大学2.22.2 设计基本资料设计基本资料1.C1 系统：X1=0.06/0.12；X2=X1；X1 以 1000kVA，37KV 为基准的标幺值，分子为最大方式，分母为最小方式的阻抗标幺值。2.C2 系统：X1=0.1/0.15；X2=X1；X1 以 1000kVA，37KV 为基准的标幺值，分子为最大方式，分母为最小方式的阻抗标幺值。3.A 站：有两台双卷变压器 容量为 2400kVA 3542.5%/11kv；Uk%=6.5%4.35KV 线路 X1=0.4/km；10KV 电缆线路 R=0.45/km，X=0.08/km5.XL-1 最大负荷 130kVA；XL-2 最大负荷 100kVA；XL-3 最大负荷 80kVA；XL-4最大负荷 100kVA；XL-5 最大负荷 110kVA；XL-6 最大负荷 150kVA。其中一类负荷 45%；二类负荷 25%；三类负荷 30%。XL-1 与 XL-6 为双回线。图 2.1 35kV 和 10kV 母线断路器是闭合的2.32.3 设计要求设计要求要求根据所给条件确定变电所整定继电保护设计方案，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。3 3 变电所继电保护和自动装置规划变电所继电保护和自动装置规划3.13.1 继电保护的四项基本原则继电保护的四项基本原则为保证安全供电和电能质量，继电保护应满足四项基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。3.23.2 本系统故障分析本系统故障分析3.2.1 系统线路主要的故障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。3.2.2 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。3.2.3 变压器的不正常情况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。3.3 10KV3.3 10KV 线路继电保护装置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：3.3.1 单回路出线保护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。3.3.2 双回路出线保护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。3.43.4 主变压器继电保护装置设置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：3.4.1 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）。3.4.2 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）。3.4.3 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）。3.53.5 变电所的自动装置变电所的自动装置3.5.1 瞬时故障的继电保护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。3.5.2 提高供电可靠性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）。3.5.3 保证系统电能质量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 0.5Hz 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。3.63.6 本设计继电保护装置原理本设计继电保护装置原理3.6.1 10KV 线路电流速断保护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。3.6.2 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。3.6.3 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。3.6.4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。3.6.5 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。4 4 系统运行方式制定与短路电流计算系统运行方式制定与短路电流计算4.14.1 系统运行方式制定系统运行方式制定在选择保护方式及对其整定计算时，都必须考虑系统运行方式变化带来的影响，所选用的保护方式，应在各种系统运行方式下，都能满足选择性和灵敏性的要求。对过量保护通常都是根据系统最大运行方式来确定保护整定值，以保证选择性。灵敏性的校验应根据最小运行方式来进行，因为在最小运行方式下灵敏性满足要求，则其他运行方式下，也一定满足要求。运行方式：以 C1、C2 全投入运行，线路 L1、L2 全投,DL1 合闸运行为最大运行方式；以 C2 停运，线路 L2 停运，DL1 断开运行为最小运行方式。4.24.2短路电流计算短路电流计算4.2.1基准参数选定SB=1000KVA，UB=Uav 即：35kV 侧 UB1=37KV，10kV 侧 UB2=10.5KV。IB1=SB/3 UB1=0.0156KAIB2=SB/3 UB2=0.055KA4.2.2阻抗值计算35KV 线路L1：X3=L1X1SB/UB2=0.4101/372=0.00292L2:X4=L2X1SB/UB2=0.4131/372=0.0038变压器B1，B2：X5=X6=（UK%/100）SB/S=0.0651000/400=0.16310KV 线路XL-1=XL-6=0.4531/10.52=0.0122XL-2=XL-5=0.4521/10.52=0.00816XL-3=0.451.51/10.52=0.00612XL-4=0.4511/10.52=0.00408XL=0.00122系统等效电路如图所示C112X1X2340.002920.0038DL1d1C2560.1630.163d2DL2XL=0.00122d3图 4.1系统等效电路图4.2.3 短路电流计算1.最大运行方式系统简化图如图 4.2其中 X7=X1+X3=0.06+0.00292=0.06292 X8=X2+X4=0.1+0.0038=0.1038 X9=X7/X8=0.6062 X10=X9+X5/2=0.6062+0.163/2=0.6877图 4.2最大运行方式图故知 35KV 母线上短路电流（d1 点）Id1max=IB1/X9=0.0156/0.6062=0.0257(KA)10KV 母线上短路电流（d2 点）Id2max=IB2/X10=0.055/0.6877=0.080(KA)折算到 35KV 侧:Id21max=IB1/X10=0.0156/0.6877=0.0227(KA)对于 d3 点以 XL计算 Id3max=0.055/(0.6877+0.00122)=0.0799(KA)折算到 35KV 侧：Id3max=0.0156/(0.6877+0.00122)=0.0226(KA)2.最小运行方式系统简化图如图 4.3 所示。其中X7=X1+X3=0.12+0.00292=0.12292C17d135KV0.1229250.16310KVd 2d3XL=0.00122图 4.3最小运行方式图因 C2 停运,所以仅考虑 C1 单独运行的结果；X11=X7+X5=0.12292+0.163=0.28592所以 35KV 母线上短路电流：Id1min=IB1/X7=0.0156/0.12292=0.127(kA)所以 10KV 母线上短路电流：Id2min=IB2/X11=0.055/0.28592=0.192(kA)折算到 35KV 侧：Id2lmin=IB1/X11=0.0156/0.28592=0.0546(kA)对于 d3 以 XL 进行计算 Id3min=0.055/(0.28592+0.00122)=0.1915(kA)折算到 35KV 侧：Id3lmin=0.0156/(0.28592+0.00122)=0.0543(kA)5 5 主变继电保护整定计算及继电器选择主变继电保护整定计算及继电器选择5.15.1 瓦斯保护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 280 cm2。重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为 0.61.5 cm2整定本，本设计采用 0.9 cm2。瓦斯继电器选用 FJ3-80 型。5.25.2 纵联差动保护纵联差动保护选用 BCH-2 型差动继电器。5.2.1计算 Ie 及电流互感器变比S=1000KVA U1e=35KV U2e=10KV列表如下：表 5.1变压器纵差动保护用互感器变比选择各侧数据名称Y（35KV）额定电流变压器接线方式CT 接线方式CT 计算变比实选 CT 变比 nl实际额定电流不平衡电流 Ibp确定基本侧非基本侧I1e=S/3 U1e=16.496AY3 I1e/5=28.571/530/5=63 I1e/n1=4.76A4.81-4.76=0.05A基本侧（10KV）I2e=S/3 U2e=57.735AYI2e/5=57.735/560/5=12I2e/n1=4.81A5.2.2 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。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)0.134=34.84（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=KK Ie（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=1.328.571=37.142(A)3)躲过电流互感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流；采用变压器的额定电流。代入数据得 Idz1=1.328.571=37.142(A)比较上述（1），（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值，即 Idz1=37.142（A）5.2.3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=3 34.84/6=10.057（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=60/10.057=5.966(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=126/3=41.569A5.2.4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(4.81/4.76-1)=0.05(匝)故，取平衡线圈实际匝数 Wphz=0工作线圈计算匝数 Wgz=Wphz+Wcdz=5(匝)5.2.5计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差fzafza=(Wphjs-Wphz)/(Wphjsll+Wcdz)=(0.05-0)/(0.05+5)=0.009此值小于原定值 0.05，取法合适，不需重新计算。5.2.6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。5.2.7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=0.86610.1521000/41.469=3.172满足要求。5.35.3过电流继电器的整定及继电器选择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=1.216.496/0.85=23.288(A)继电器的动作电流 Idzj=3 Idz/n1=3 23.288/6=6.723(A)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，灵敏系数不小于 1.2。灵敏系数：Klm=0.866KjxId3lmin/Idz=0.866158.4/23.288=2.171.2满足要求。5.45.4 过负荷保护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=1.0516.496/0.85=17.321(A)IdzJ=3 Idz/nl=17.321 3/6=5.00(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。5.55.5冷却风扇自起动：冷却风扇自起动：Idz=0.7Iel=0.716.496=11.547(A)IdzJ=3 Idz/nl=3 11.547/6=3.33(A)即，当继电器电流达到 3.33A 时，冷却风扇自起动。6 6 线路保护整定计算线路保护整定计算6.1 35KV6.1 35KV 线路的三段式整定计算线路的三段式整定计算6.1.1 第一段电流速断保护I1)Iset应躲过 d2 点的最大短路电流整定：IISET=KRELId2max=1.30.134=0.174KA其中：IISET保护装置的动作电流，又叫一次动作电流KREL可靠系数，一般取 1.2-1.3II 2）继电器的的动作电流为：Iset.k=KCOIset/n1=10.174/12=14.5A其中：KCO接线系数，选其为 1考虑到系统发展时仍能适应，选用 DL-11/50 型互感器，其动作电流整定范围为 12.5-50A，故动作电流整定值为 15A第一段的灵敏性通常用保护范围的大小来衡量，根据本设计的数据按线路首端（d1点）短路时的最小短路电流校验灵敏系数。Ksen=(3/2)Id1minI/Iset=0.671.5不满足要求，因此必须进一步延伸电流速断保护的范围，使之与下一段线路的限时速断相配合，这样其动作时限就应该选择比下一条线路的限时电流保护高一个t，所以动作时限整定为：t2=t1+2t=1.0s故应装设带时限速断保护。6.1.2 第二段带限时电流速断保护1）保护的动作电流为：IISET=KrelId3max=1.30.133=0.173KA2)计算 10KV 电缆第二段的动作电流IIIset=KIIset=1.10.173=0.190KA3)在线路首端(d2)短路时，第二段的灵敏系数为Ksen=(3/2)Id2min/IIIset=0.611.5不满足要求6.1.3过电流保护IIIIset=KrelKSSIL.max/Kre=4.66AIL.max=S/3 U1e=6.6A其中：IL.max最大负荷电流。Krel可靠系数，一般为 1.15-1.25 取为 1.2。Kss自启动系数，取为 1.5。Kre返回系数，一般为 0.85-0.95。取为 0.85IIIIII继电器的的动作电流为：Iset.k=KCOIset/n1=1.40A考虑到系统发展时仍能适应，选用 DL-11/6 型互感器，其动作电流整定范围为 1.5-6A，故动作电流整定值 2A过电流保护应分别按本线路末端（d2 点）及下一条线路末端（d3 点）短路时的最小短路电流校验灵敏系数作为本线路后备保护时的灵敏系数为：Ksen=(3/2)Id2min/IsetIII=0.84保护的动作时限t3应与t2配合，即t3=t2+t=1.5s6.26.210KV10KV 线路保护整定计算线路保护整定计算电流速断保护的整定，对于线路 XL-1 到 XL-3:多配变低压侧母线最大三相短路电流，其I动作电流Iset为：IIset=1.3Id2max=0.616AIIIIII继电器的的动作电流为：Iset.k=KCOIset/n1=1.40A7 7 总结总结在这次课程设计中，发现有时对基础知识的认识不是很清楚，不能很快对这个课程设计的各种数据弄清楚。在电力系统在生产过程中，有可能发生各类故障和各种不正常情况。其中故障一般可分为两类：横向不对称故障和纵向不对称故障。横向不对称故障包括两相短路、单相接地短路、两相接地短路三种，纵向对称故障包括单相断相和两相断相，又称非全相运行。电网在发生故障后会造成很严重的后果。学好继电保护知识，积极发挥我们在工作中的主动性，尽量避免各种故障。通过这次课程设计进一步理解了继电保护的工作原理，使我学会了将实际应用与所学的课本知识相结合，不仅了解了并学会相关计算，通过这次生疏有趣的课程设计，我觉得自己动手能力有了很大的提高；自信心也增强了。在课程设计中自己动脑子解决遇到的问题，书本上的知识有了用武之地，这巩固和深化了自己的只是结构。在此次课程设计过程中，要感谢老师和同学对自己的帮助，使我能够圆满完成此次课程设计！参考文献参考文献1 张保会 尹项根.电力系统继电保护.第二版.北京：中国电力出版社2 贺家李 宋从矩电力系统继电保护原理第三版北京：中国电力出版社3 刘介才工厂供电设计指导北京：机械工业出版社4 孙力华电力工程基础北京：机械工业出版社5 陈珩电力系统稳态分析北京：中国电力出版社6李光琦电力系统暂态分析北京：中国电力出版社