1、1引言電力系統(tǒng)運行要求安全可靠。但是，電力系統(tǒng)的組成元件數(shù)雖多，結(jié)構(gòu)各異，運行情況復雜，覆蓋的地域遼闊。因此，受自然條件，設(shè)備及人為因素的影響（如雷擊，倒塌，內(nèi)部過電壓或者運行人員誤操作等），電力系統(tǒng)會發(fā)生各種故障和不正常運行狀態(tài)。最常見，危害最大的故障是各種形式的短路。電力生產(chǎn)發(fā)、送、變、用的同時性，決定了它的一個過程里要性，電力系統(tǒng)要通過設(shè)計，組織，以使電力能夠可靠，經(jīng)濟的送到用戶，對供電系統(tǒng)最大的威脅就是短路故障，它給系統(tǒng)帶來了巨大的破壞作用，因此我們必須采取措施來防范它。繼電保護裝置的基本任務(wù)是：自動，迅速，有選擇性將系統(tǒng)中的切除，使故障元件損壞程度盡雖可能降低，并保證該系統(tǒng)相符故障部

2、分迅速恢復正常運行。反映電器元件的不正常運行狀態(tài)，并根據(jù)運行維護的具體條件和設(shè)備的承受能力，發(fā)出信號，減負荷或者延時跳閘。繼電保護主要利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常情況時的電氣雖（電流、電壓、功率、頻率等）的變化，構(gòu)成繼電保護動作的原理，也有其他的物理雖，如變壓器油箱內(nèi)故障時伴隨產(chǎn)生的大雖瓦斯和油流速度的增大或油壓強度的增高。大多數(shù)情況下，不管反應哪種物理雖，繼電保護裝置都包括測雖部分（和定值調(diào)整部分）、邏輯部分、執(zhí)行部分。繼電保護及自動化是研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運行的異常工況，以探討其對策的反事故自動化措施。因在其發(fā)展過程中曾主要用有觸點的繼電器來保護電力系統(tǒng)及其元件（發(fā)電機、變壓器、

3、輸電線路等），使之免遭損害，所以沿稱繼電保護?；救蝿?wù)是：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)，自動將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。2設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計依據(jù)繼電保護設(shè)計任務(wù)書。國標GB50062-92電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范。電力系統(tǒng)繼電保護中北大學設(shè)計基本資料C1系統(tǒng)：X1=0.06/0.1;X2=X1;X1以1000kVA37KV為基準的標幺值，分子為最大方式，分母為最小方式的阻抗標幺值。C2系統(tǒng)：X1=0.07/0.12;X2=X1;X1以1000kVA,37KV為基準的標

4、幺值，分子為最大方式，分母為最小方式的阻抗標幺值。A站：有兩臺雙卷變壓器容雖為2X400kVA35士4X2.5%/11kv;Uk%=6.5%4.35KV線路X1=0.4Q/km;10KV電纜線路R=0.45Q/km,X=0.08Q/km5.XL-1最大負荷150kVA;XL-2最大負荷100kVAXL-3最大負荷80kVA;XL-4最大負荷100kVA;XL-5最大負荷110kVA;XL-6最大負荷150kVA。其中一類負荷45%;二類負荷25%;三類負荷30%。XL-1與XL-6為雙回線。圖2.135kV和10kV母線斷路器是閉合的設(shè)計要求要求根據(jù)所給條件確定變電所整定繼電保護設(shè)計方案，最后

5、按要求寫出設(shè)計說明書，繪出設(shè)計圖樣。1.1 3變電所繼電保護和自動裝置規(guī)劃繼電保護的四項基本原則為保證安全供電和電能質(zhì)雖，繼電保護應滿足四項基本要求，即選擇性、速靠性。1.1.1 本系統(tǒng)故障分析系統(tǒng)線路主要的故障本設(shè)計中的電力系統(tǒng)具有非直接接地的架空線路及中性點不接地的電力變壓線路來講，其主要故障為單相接地、兩相接地和三相接地。電力變壓器的故障分為外部故障和內(nèi)部故障兩類。變壓器的外部故障常見的是高低壓套管及引線故障，它可能引起變壓器出線出線碰接外殼。變壓器的內(nèi)部故障有相間短路、繞組的匝間短路和絕緣損壞。變壓器的不正常情況變壓器的不正常運行過負荷、由于外部短路引起的過電流、油溫上升及不允10KV

6、線路繼電保護裝置根據(jù)線路的故障類型，按不同的出線回路數(shù)，設(shè)置相應的繼電保護裝置如下:動性、靈敏性和可器等主要設(shè)備。就端的相間短路或引許的油面下降。單回出線保護流保護。其中電流適用于織布廠和膠木廠出線。采用兩段式電流保護，即電流速斷保護和過電速斷保護為主保護，不帶時限，0S跳閘。雙回路出線保護適用于印染廠、配電所和煉鐵廠出線。采用平行雙回線路橫聯(lián)方向差動保護加電流保護。其中橫聯(lián)方向差動保護為主保護。電流保護作為橫聯(lián)方向差動保護的后備保護。主變壓器繼電保護裝置設(shè)置變壓器為變電所的核心設(shè)備，根據(jù)其故障和不正常運行的情況，從反應各種不同故障的可靠、快速、靈敏及提高系統(tǒng)的安全性出發(fā)，設(shè)置相應的主保護、異

7、常運行保護和必要的輔助保護如下：主保護瓦斯保護（以防御變壓器內(nèi)部故障和油面降低）、縱聯(lián)差動保護（以防御變壓器繞組、套管和引出線的相間短路）。后備保護過電流保護（以反應變壓器外部相間故障）、過負荷保護（反應由于過負荷而引起的過電流）異常運行保護和必要的輔助保護溫度保護（以檢測變壓器的油溫，防止變壓器油劣化加速）和冷卻風機自啟動（用變壓器一相電流的70%來啟動冷卻風機，防止變壓器油溫過高）。變電所的自動裝置瞬時故障的繼電保護針對架空線路的故障多系雷擊、鳥害、樹枝或其它飛行物等引起的瞬時性短路，其特點是當線路斷路器跳閘而電壓消失后，隨著電弧的熄滅，短路即自行消除。若運行人員試行強送，隨可以恢復供電，

8、但速度較慢，用戶的大多設(shè)備（電動機）已停運，這樣就干擾破壞了設(shè)備的正常工作，因此本設(shè)計在10KV各出線上設(shè)置三相自動里合閘裝置（CHZ,即當線路斷路器因事故跳閘后，立即使線路斷路器自動再次里合閘，以減少因線路瞬時性短路故障停電所造成的損失。提高供電可靠性針對變電所負荷性質(zhì)，縮短備用電源的切換時間，提高供電的不間斷性，保證人身設(shè)備的安全等，本設(shè)計在35KV母聯(lián)斷路器（DL1）及10KV母聯(lián)斷路器（DL8）處裝設(shè)備用電源自動投入裝置（BZT）。保證系統(tǒng)電能質(zhì)雖頻率是電能質(zhì)雖的基本指標之一，正常情況下，系統(tǒng)的頻率應保持在50Hz，運行頻率和它的額定值見允許差值限制在0.5Hz內(nèi)，頻率降低會導致用電企

9、業(yè)的機械生長率下降，產(chǎn)品質(zhì)雖降低，更為嚴里的是給電力系統(tǒng)工作帶來危害，而有功功率的缺額會導致頻率的降低，因此，為保證系統(tǒng)頻率恒定和里要用戶的生產(chǎn)穩(wěn)定，本設(shè)計10KV出線設(shè)置自動頻率減負荷裝置（ZPJH,按用戶負荷的里要性順序切除。本設(shè)計繼電保護裝置原理10KV線路電流速斷保護根據(jù)短路時通過保護裝置的電流來選擇動作電流的，以動作電流的大小來控制保護裝置的保護范圍；有無時限電流速斷和延時電流速斷，采用二相二電流繼電器的不完全星形接線方式，本設(shè)計選用無時限電流速斷保護。10KV線路過電流保護是利用短路時的電流比正常運行時大的特征來鑒別線路發(fā)生了短路故障，其動作的選擇性由過電流保護裝置的動作具有適當?shù)?/p>

10、延時來保證，有定時限過電流保護和反時限過電流保護；本設(shè)計與電流速斷保護裝置共用兩組電流互感器，采用二相二繼電器的不完全星形接線方式，選用定時限過電流保護，作為電流速斷保護的后備保護，來切除電流速斷保護范圍以外的故障，其保護范圍為本線路全部和下段線路的一部分。平行雙回線路橫聯(lián)方向差動保護是通過比較兩線路的電流相位和數(shù)值相同與否鑒別發(fā)生的故障；由電流起動元件、功率方向元件和出口執(zhí)行元件組成，電流起動元件用以判斷線路是否發(fā)生故障，功率方向元件用以判斷哪回線路發(fā)生故障，雙回線路運行時能保證有選擇的動作。該保護動作時間OS,由于橫聯(lián)保護在相繼動作區(qū)內(nèi)短路時，切除故障的時間將延長一倍，故加裝一套三段式電流

11、保護，作為后備保護。變壓器瓦斯保護是利用安裝在變壓器油箱與油枕間的瓦斯繼電器來判別變壓器內(nèi)部故障；當變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，電弧使油及絕緣物分解產(chǎn)生氣體。故障輕微時，油箱內(nèi)氣體緩慢的產(chǎn)生，氣體上升聚集在繼電器里，使油面下降，繼電器動作，接點閉合，這時讓其作用于信號，稱為輕瓦斯保護；故障嚴里時，油箱內(nèi)產(chǎn)生大雖的氣體，在該氣體作用下形成強烈的油流，沖擊繼電器，使繼電器動作，接點閉合，這時作用于跳閘并發(fā)信，稱為里瓦斯保護。變壓器縱聯(lián)差動保護是按照循環(huán)電流的原理構(gòu)成。在變壓器兩側(cè)都裝設(shè)電流互感器，其二次繞組按環(huán)流原則串聯(lián)，差動繼電器并接在回路壁中，在正常運行和外部短路時，二次電流在臂中環(huán)流，使差動保護在

12、正常運行和外部短路時不動作，由電流互感器流入繼電器的電流應大小相等，相位相反，使得流過繼電器的電流為零；在變壓器內(nèi)部發(fā)生相間短路時，從電流互感器流入繼電器的電流大小不等，相位相同，使繼電器內(nèi)有電流流過。但實際上由于變壓器的勵磁涌流、接線方式及電流互感器誤差等因素的影響，繼電器中存在不平衡電流，變壓器差動保護需解決這些問題，方法有：?靠整定值躲過不平衡電流?采用比例制動差動保護。?采用二次諧波制動。?采用間歇角原理。采用速飽和變流器。本設(shè)計采用較經(jīng)濟的BCH-2型帶有速飽和變流器的繼電器，以提高保護裝置的勵磁涌流的能力。4系統(tǒng)運彳亍方式制定與短路電流計算4.1系統(tǒng)運彳亍方式制定在選擇保護方式及對

13、其整定計算時，都必須考慮系統(tǒng)運行方式變化帶來的影響，所選用的保護方式，應在各種系統(tǒng)運行方式下，都能滿足選擇性和靈敏性的要求。對過雖保護通常都是根據(jù)系統(tǒng)最大運彳亍方式來確定保護整定值，以保證選擇性。靈敏性的校驗應根據(jù)最小運彳亍方式來進彳亍，因為在最小運行方式下靈敏性滿足要求，則其他運行方式下，也一定滿足要求。運行方式：以C1、C2全投入運行，線路L1、L2全投,DL1合閘運行為最大運行方式；以C2停運，線路L2停運，DL1斷開運行為最小運行方式。1) 短路電流計算基準參數(shù)選定Sb=1000KVAUB=Uav即：35kV側(cè)UBi=37KV10kV側(cè)Ub2=10.5KV。Ibi=Sb/,3Ubi=0

14、.0156KAIb2=Sb/3Ub2=0.055KA阻抗值計算(均為標幺值)35KV線路22L1:X3=LXiSb/Ub=0.4X10X1/37=0.00292L2:X4二L_2XS/Ub2=0.4X13X1/372=0.0038變壓器B1,B2:X5=X6=(U%/100)Sb/S=0.065X1000/400=0.16310KV線路2XL-1二XL-6=0.45X3X1/10.5=0.0122XL-2=XL-5=0.45X2X1/10.52=0.00816XL-3=0.45X1.5X1/10.52=0.00612XL-4=0.45X1X1/10.52=0.00408XL=0.00122系統(tǒng)

15、等效電路如圖所示C1C21-X1X20.002920.0038d10.1630.163DL2d2Xl=0.00122圖4.1系統(tǒng)等效電路圖4.2.3短路電流計算1.最大運行方式系統(tǒng)簡化圖如圖4.2其中X7=X1+X3=0.06+0.00292=0.06292X8=X2+X4=0.07+0.0038=0.0738X9=X7/X8=0.0340X10=X9+X5/2=0.0340+0.163/2=0.116圖4.2最大運行方式圖故知35KV母線上短路電流(di點)Idimax=|bi/x9=0.0156/0.0.0340=0.459(KA)10KV母線上短路電流(d2點)Id2max=|B2/Xi

16、0=0.055/0.116=0.474(KA)折算到35KV側(cè)：Id21max=|b1/Xio=0.0156/0.116=0.134(KA)對于d3點以Xl計算Id3max=0.055/(0.116+0.00122)=0.469(KA)折算到35KV側(cè)：Id3max=0.0156/(0.116+0.00122)=0.133(KA)2.最小運行方式系統(tǒng)簡化圖如圖4.3所示。其中X7=X1+X3=0.1+0.00292=0.10292C135KV0.1029270.16310KVzd2XL=0.00122Z_d3圖4.3最小運行方式圖因C2停運，所以僅考慮C1單獨運行的結(jié)果;X11=X7+X5=0

17、.10292+0.163=0.266所以35KV母線上短路電流：Id1min=|B1/X7=0.0156/0.10292=0.152(kA)所以10KV母線上短路電流：Id2min=IB2/Xn=0.055/0.266=0.207kA)折算到35KV側(cè)：Id2lmin=IB1/Xn=0.0156/0.266=0.0587(kA)對于d3以XL進行計算Id3min=0.055/(0.266+0.00122)=0.206kA)折算到35KV側(cè)：Id3lmin=0.0156/(0.266+0.00122)=0.0584(kA)5主變繼電保護整定計算及繼電器選擇5.1瓦斯保護輕瓦斯保護的動作值按氣體容

18、積為250?300cm整定，本設(shè)計采用280cmL里瓦斯保護的動作值按導油管的油流速度為0.6?1.5cm2整定本，本設(shè)計采用0.9cm2選用BCH-2型差動繼電器。列表如下:計算Ie及電流互感器變比S=1000KVAUie=35KVU2e=i0KV表5.1變壓器縱差動保護用互感器變比選擇名稱各側(cè)數(shù)據(jù)Y(35KV10KV額定電流I1e=S/羽U1e=16.496AI2e=S/U2e=57.735A變壓器接線方式Y(jié)CT接線方式Y(jié)CT計算變比IM5=28.571/512e/5=57.735/5實選CT變比m30/5=660/5=12實際額定電流也I1e/n1=4.76A12e/n1=4.81A不平

19、衡電流Ibp4.81-4.76=0.05A確定基本側(cè)非基本側(cè)基本側(cè)5.2.2確定基本側(cè)動作電流躲過外部故障時的最大不平衡電流Idzl>Kdbp利用實用計算式：Idz1=K<(KzqKxfi+u+fza)Id2響式中：甩一可靠系數(shù)，采用1.3;Kfzq一非同期分H引起的誤差，米用1；Kx一同型系數(shù)，CT型號相同且處于同一情況時取0.5，型號不同時取1,本設(shè)計取1。U一變壓器調(diào)壓時所產(chǎn)生的相對誤差，采用調(diào)壓百分數(shù)的一半，本設(shè)計取0.05。fza一繼電器整定匝書數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差，暫無法求出，先采用中間值0.05。代入數(shù)據(jù)得Idzi=1.3X(1X1X0.1+0.05+0.

20、05)X0.134=34.84(A)(2)躲過變壓器空載投入或外部故障后電壓恢復時的勵磁涌流Idz1=KKIe式中：&一可靠系數(shù)，采用1.3;Ie一變壓器額定電流：代入數(shù)據(jù)得Idz1=1.3X28.571=37.142(A)躲過電流互感器二次回路短線時的最大負荷電流(3)Idz1=KKTfhmax式中：Kk一可靠系數(shù)，采用1.3;Idz1一正常運行時變壓器的最大負荷電流；采用變壓器的額定電流。代入數(shù)據(jù)得Idz1=1.3X28.571=37.142(A)比較上述(1),(2),(3)式的動作電流，取最大值為計算值，即Idz1=37.142(A)確定基本側(cè)差動線圈的匝數(shù)和繼電器的動作電流電

21、器的實用匝數(shù)將兩側(cè)電流互感器分別結(jié)于繼電器的兩組平衡線圈，再接入差動線圈，使繼和動作電流更接近于計算值；以二次回路額定電流最大側(cè)作為基第13頁本側(cè)，基本側(cè)的繼電器動作電流及線圈匝數(shù)計算如下基本側(cè)(35KV)繼電器動作值Idzjs=心國川i代入數(shù)據(jù)得Idzjsi=3X34.84/6=10.057(A)基本側(cè)繼電器差動線圈匝數(shù)AWcdjsI=AWO/Idzjsi式中：Awo為繼電器動作安匝，應米用實際值，本設(shè)計中米用額定值，取得60安匝。代入數(shù)據(jù)得Wcdjsi=60/10.057=5.966(匝)選用差動線圈與一組平衡線圈匝數(shù)之和較Wfoi小而相近的數(shù)值，作為差動線圈整定匝數(shù)Wzo即:實際整定匝數(shù)

22、Wdz=5(匝)繼電器的實際動作電流Idzji=Awo/WCdz=60/5=12(A)保護裝置的實際動作電流Idzi=Idzjin/Kjx=12X6廠.3=41.569A確定非基本側(cè)平衡線圈和工作線圈的匝數(shù)平衡線圈計算匝數(shù)Wphjsn二Wdz/Ie2ji-Wk=5X(4.81/4.76-1)=0.05(匝)故，取平衡線圈實際匝數(shù)Whzn=0工作線圈計算匝數(shù)Wn=WPhzn+Wdz=5(匝)計算由于整定匝數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差fzazf二(Wphjs-WPhz)/(Wphjsll+Wdz)=(0.05-0)/(0.05+5)=0.009此值小于原定值0.05,取法合適，不需£

23、新計算。初步確定短路線圈的抽頭根據(jù)前面對BCH-2差動繼電器的分析，考慮到本系統(tǒng)主變壓器容雖較小，勵磁涌流較大，故選用較大匝數(shù)的“C-C”抽頭，實際應用中，還應考慮繼電器所接的電流互感器的型號、性能等，抽頭是否合適，應經(jīng)過變壓器空載投入試驗最后確定。保護裝置靈敏度校驗差動保護靈敏度要求值Km<2,本系統(tǒng)在最小運行方式下，10KV側(cè)出口發(fā)生兩相短路時，保護裝置的靈敏度最低。本裝置靈敏度Km=0.866Kjxldimin/ldzi=0.866X1X0.152X1000/41.469=3.17>2滿足要求。5.3過電流保護過電流繼電器的整定及繼電器選擇保護動作電流按躲過變壓器額定電流來整

24、定Idz=K;leKh式中：氐一可靠系數(shù)，采用1.2;Kh一返回系數(shù)，米用0.85;代入數(shù)據(jù)得Idz=1.2X16.496/0.85=23.288(A)繼電器的動作電流Idzj=,3Idz/n1=3X23.288/6=6.723(A)電流繼電器的選擇：DL-21C/10靈敏度按保護范圍末端短路進行校驗，靈敏系數(shù)不小于1.2o靈敏系數(shù)：Klm=0.866KjxId3lmin/ldz=0.866X1X58.4/23.288=2.17>1.2滿足要求。5.4過負荷保護其動作電流按躲過變壓器額定電流來整定。動作帶延時作用于信號Idz=Kk|ei/Kf=1.05X16.496/0.85=17.32

25、1(A)Idzj=3Idz/ni=17.321X3/6=5.00(A)延時時限取10s,以躲過電動機的自起動。當過負荷保護起動后，在達到時限后仍未返回，則動作ZDJH裝置5.5冷卻風扇白起動Idz=0.7Iel=0.7X16.496=11.547(A)Idzj=3Idz/ni二3X11.547/6=3.33(A)即，當繼電器電流達到3.33A時，冷卻風扇白起動。6線路保護整定計算1) 35KV線路的三段式整定計算6.1.1第一段電流速斷保護Iset應躲過d2點的最大短路電流整定：ISET=K?ELXId2max=1.3X0.134=0.174KA其中：I'SET保護裝置的動作電流，又叫

26、一次動作電流&EL一可靠系數(shù)，一般取1.2-1.32)繼電器的的動作電流為：lset.k二KxX±/山二仆0.174/12=14.5A其中：K一接線系數(shù)，選其為1考慮到系統(tǒng)發(fā)展時仍能適應，選用DL-11/50型互感器，其動作電流整定范圍為12.5-50A，故動作電流整定值為15A第一段的靈敏性通常用保護范圍的大小來衡雖，根據(jù)本設(shè)計的數(shù)據(jù)按線路首端（di點）短路時的最小短路電流校驗靈敏系數(shù)。Ksen=（3/2）XIdimin/lSet=0.67<1.5不滿足要求，因此必須進一步延伸電流速斷保護的范圍，使之與下一段線路的限時速斷相配合，這樣其動作時限就應該選擇比下一條線路的

27、限時電流保護高一個山t,所以動作時限整定為：t2=t1+2At=1.0s故應裝設(shè)帶時限速斷保護。6.1.2第二段帶限時電流速斷保護1）保護的動作電流為：SET二KelX|d3max=1.3X0.133=0.173KA2）計算10KV電纜第二段的動作電流IHset=KXIIset=1.1X0.173=0.190KA3）在線路首端（d2）短路時，第二段的靈敏系數(shù)為Ksen=（3/2）X|d2min/|set=0.61<1.5不滿足要求6.1.3過電流保護Iset=KreiXKssXIL.max/Kre=4.66AIL.max二S/3Ue=6.6A其中：IL.max最大負荷電流。Krei可靠系數(shù)，一般為1.15-1.25取為1.2。Kss一自啟動系數(shù)，取為1.5oKre一返回系數(shù)，一般為0.85-0.95。取為0.85繼電器的的動作電流為：ls；tk二KCOXlset/ni=1.40A考慮到系統(tǒng)