继电保护专业课程设计.doc

1 引言
中华人民共和国作为世界上最大规模电力强国，近年来大力发展能源互联网和智能电网，电力管理水平和服务水平不断得到提高，电力发展战略规划管理、生产运营管理、电力市场营销管理以及电力公司信息管理水平、优质服务水平等普遍得到提高。进一步扩大了对外开放，积极实行国际化战略。
本论文重要环绕35kV变电站保护整定计算展开分析和讨论，应用了电力系统基本常识并重要进行了需要系数法计算负荷、电力网接线方案选取原则、短路电流计算、变压器和线路继电保护配备以及无功功率补偿等。同步详细简介了主设备差动保护整定算法，电气主接线设计、做出短路点等效电路图，对设备保护进行了相应选取与校验。通过比较各个接线方式优缺陷，拟定变电站主接线方式。

2 设计目及内容
2.1 设计目
通过本课程设计，巩固和加深在《电力系统基本》、《电力系统分析》和《电力系统继电保护与自动化装置》课程中所学理论知识，基本掌握电力系统继电保护设计普通办法，提高电气设计设计能力，为此后从事生产和科研工作打下一定基本。
2.2 设计内容
规定依照所给条件拟定变电所整定继电保护设计方案，最后按规定写出设计阐明书，绘出设计图样。
设计根据：
2.2.1设计基本资料
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=0.4Ω/km。

图1 35KV系统原理接线图
10KV母线负荷状况，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
0.85
1
架空线
8
胶木厂
1100
0.85
1
架空线
7
印染厂
1400
0.85
2
架空线
13
配电所
1500
0.85
2
架空线
15
炼铁厂
1300
0.85
2
架空线
10
35KV变电所主接线图，如图2所示
SⅡ SI
~
~

L3 L4 DL1 L1 L2

B1 B 2

DL6 DL7
备用
炼
铁
厂
配
电
所
印染厂
胶木厂
织布厂
DL8

图2 35KV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，具备带负荷调压分接头，可进行有载调压。其中Uk %=7.5。
2.2.2 运营方式
运营方式：以SI、SⅡ全投入运营，线路L1~L4全投。DL1合闸运营为最大运营方式；以SⅡ停运，线路L3、L4停运，DL1断开运营为最小运营方式。
已知变电所10KV出线保护最长动作时间为1.5s。
3变电所继电保护和自动装置规划
3.1 系统分析及继电保护规定
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。为保证安全供电和电能质量，继电保护应满足四项基本规定，即选取性、速动性、敏捷性和可靠性。

（1）选取性：继电保护装置应在也许最社区间将故障某些从系统中切除，以保证最大限度地向无端障某些继续供电。 
（2）迅速性：继电保护装置应能以也许最短时限将故障某些或异常工况从系统中切除或消除。 
（3）敏捷性：表达继电保护装置反映故障能力。普通以敏捷系数k表达。敏捷系数有两种表达方式,即反映故障参量上升保护敏捷系数，k=保护区内金属性短路时故障参量最小计算值/保护动作参量;反映故障参量下降保护敏捷系数,k=保护动作参量/保护区内金属性短路时故障参量最大计算值。 
（4）可靠性：继电保护装置应在该动作时可靠地动作，即不应发生拒动作现象。
3.2本系统故障分析
3.2.1 本设计中电力系统具备非直接接地架空线路及中性点不接地电力变压器等重要设备。就线路来讲，故障普通为单相接地、两相接地和三相接地，其中单相接地最为常用。

3.2.2 电力变压器故障，分为外部故障和内部故障两类。
·变压器外部故障常用是高低压套管及引线故障，它也许引起变压器出线端相间短路或引出线碰接外壳。
·变压器内部故障有相间短路、绕组匝间短路和绝缘损坏。

3.2.3 变压器不正常运营过负荷、由于外部短路引起过电流、油温上升及不容许油面下降。

3.3 10KV线路继电保护装置
依照线路故障类型，按不同出线回路数，设立相应继电保护装置如下：

3.3.1 单回出线保护：合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。

3.3.2 双回路出线保护：合用于印染厂、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后备保护。
3.4 主变压器继电保护装置设立
变压器为变电所核心设备，依照其故障和不正常运营状况，从反映各种不同故障可靠、迅速、敏捷及提高系统安全性出发，设立相应主保护、异常运营保护和必要辅助保护如下：
3.4.1 主保护：瓦斯保护（以防御变压器内部故障和油面减少）、纵联差动保护（以防御变压器绕组、套管和引出线相间短路）。

3.4.2 后备保护：过电流保护（以反映变压器外部相间故障）、过负荷保护（反映由于过负荷而引起过电流）。

3.4.3 异常运营保护和必要辅助保护：温度保护（以检测变压器油温，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70%来启动冷却风机，防止变压器油温过高）。
3.5 变电所自动装置

3.5.1 针对架空线路故障多系雷击、鸟害、树枝或其他飞行物等引起瞬时性短路，其特点是当线路断路器跳闸而电压消失后，随着电弧熄灭，短路即自行消除。若运营人员试行强送，随可以恢复供电，但速度较慢，顾客大多设备（电动机）已停运，这样就干扰破坏了设备正常工作，因而本设计在10KV各出线上设立三相自动重叠闸装置（CHZ），即当线路断路器因事故跳闸后，立虽然线路断路器自动再次重叠闸，以减少因线路瞬时性短路故障停电所导致损失。

3.5.2 针对变电所负荷性质，缩短备用电源切换时间，提高供电不间断性，保证人身设备安全等，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 频率是电能质量基本指标之一,正常状况下,系统频率应保持在50Hz，运营频率和它额定值见容许差值限制在0.5Hz内，频率减少会导致用电公司机械生长率下降，产品质量减少，更为严重是给电力系统工作带来危害，而有功功率缺额会导致频率减少，因而，为保证系统频率恒定和重要顾客生产稳定，本设计10KV出线设立自动频率减负荷装置（ZPJH），按顾客负荷重要性顺序切除。
3.6 本设计继电保护装置原理概述
3.6.1 10KV线路电流速断保护：是依照短路时通过保护装置电流来选取动作电流，以动作电流大小来控制保护装置保护范畴；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:是运用短路时电流比正常运营时大特性来鉴别线路发生了短路故障，其动作选取性由过电流保护装置动作具备恰当延时来保证，有定期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，采用二相二继电器不完全星形接线方式，选用定期限过电流保护，作为电流速断保护后备保护，来切除电流速断保护范畴以外故障，其保护范畴为本线路所有和下段线路一某些。

3.6.3 平行双回线路横联方向差动保护：是通过比较两线路电流相位和数值相似与否鉴别发生故障;由电流起动元件、功率方向元件和出口执行元件构成，电流起动元件用以判断线路与否发生故障，功率方向元件用以判断哪回线路发生故障，双回线路运营时能保证有选取动作。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：是运用安装在变压器油箱与油枕间瓦斯继电器来鉴别变压器内部故障；当变压器内部发生故障时，电弧使油及绝缘物分解产气愤体。故障轻微时，油箱内气体缓慢产生，气体上升汇集在继电器里，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，油箱内产生大量气体，在该气体作用下形成强烈油流，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，在正常运营和外部短路时，二次电流在臂中环流，使差动保护在正常运营和外部短路时不动作，由电流互感器流入继电器电流应大小相等，相位相反，使得流过继电器电流为零；在变压器内部发生相间短路时，从电流互感器流入继电器电流大小不等，相位相似，使继电器内有电流流过。但事实上由于变压器励磁涌流、接线方式及电流互感器误差等因素影响，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，办法有：
·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BCH-2型带有速饱和变流器继电器，以提高保护装置励磁涌流能力。
4 短路电流计算
4.1 系统等效电路图（以标幺值记）

图3 系统等效电路图
4.2 系统基准参数选定
SB=100MVA，UB=Uav即：35kV侧UB=37KV，10kV侧UB=10.5KV。
4.3 阻抗计算（均为标幺值）
1） 系统：X1=100/200=0.5 X2=100/250=0.4
2) 线路：L1，L2：X3=X4=l1X1SB/VB2=0.4×15×100/372=0.438
L3，L4： X5=X6=l3SB/VB2=0.4×10×100/372=0.292
3) 变压器：B1，B2：X7=X8=（Uk%/100）SB/S=0.075×100/6.3=1.19
4.4 短路电流计算
1）最大运营方式：
系统化简如图4所示。

图4

其中：
X9=X2+X3∥X4＝0.719
X10= X1+X5∥X6＝0.546
X11=X10∥X9＝0.31
X12=X11+X7＝1.5
据此，系统化简如图5所示
故知35KV母线上短路电流：
Id1max=IB1/X11=1.56/0.31=5.032(kA)
10KV母线上短路电流:
Id2max=IB2/X12=5.5/1.5=3.667(kA)
折算到35KV侧:
Id21max=IB1/X12=1.56/1.5=1.04(kA)
对于d3点以炼铁厂计算
Id3max=5.5/(1.5+3.628/2)=1.660(kA)

图5 最大运营方式下等效电路

2) 最小运营方式下:系统化简如图6所示。
因SⅡ停运,因此仅考虑SⅠ单独运营成果；
X13=X9+X7=0.719+1.19=1.909
因此35KV母线上短路电流：
Id1min=IB1/X9=1.56/0.719=2.17(kA)
因此10KV母线上短路电流：
Id2min=IB2/X13=5.5/1.909=2.88(kA)
折算到35KV侧： Id2lmin = IB1/X13=1.56/1.909=0.817 (kA)
对于d3以炼铁厂进行计算 d3min=5.5/ (1.909+3.628)=0.993(kA)
折算到35KV侧：
Id3lmin = 1.56/(1.909+3.628)=0.282(kA)

图6 最小运营方式下等效电路

5 主变继电保护整定计算及继电器选取
5.1 瓦斯保护
轻瓦斯保护动作值按气体容积为250~300整定，本设计采用280 。
重瓦斯保护动作值按导油管油流速度为0.6~1.5整定本，本设计采用0.9 。
瓦斯继电器选用FJ3-80型。
5.2 纵联差动保护装置选取
选用BCH-2型差动继电器。
5.2.1 计算Ie及电流互感器变比，列表如下
名 称
各侧数据
Y（35KV）
Δ（10KV）
额定电流
I1e=S/ U1e=103.9A
I2E=S/ U2e=346.4A
变压器接线方式
Y
Δ
CT接线方式
Δ
Y
CT计算变比
I1e/5=180/5
I2e/5=346.4/5
实选CT变比nl
200/5
400/5
实际额定电流
I1e/n1=4.50A
I2e/n1=4.33A
不平衡电流Ibp
4.50-4.33=0.17A
拟定基本侧
基本侧
非基本侧

5.2.2 拟定基本侧动作电流
1） 躲过外部故障时最大不平衡电流
Idz1≥KKIbp (1)
运用实用计算式： Idz1=KK（KfzqKtxfi+U+fza）Id2lmax
式中：KK—可靠系数，采用1.3；
Kfzq—非同期分量引起误差，采用1；
Ktx— 同型系数，CT型号相似且处在同一状况时取0.5，型号不同步取1，本设计取1。
ΔU—变压器调压时所产生相对误差，采用调压百分数一半，本设计取0.05。
Δfza—继电器整定匝书数与计算匝数不等而产生相对误差，暂无法求出，先采用中间值0.05。
代入数据得 Idz1=1.3×(1×1×0.1+0.05+0.05) ×1.04=270.4（A）
2） 躲过变压器空载投入或外部故障后电压恢复时励磁涌流
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= 1.3×103.9=135.1(A)
3) 躲过电流互改器二次回路短线时最大负荷电流
Idz1= KKTfhmax （3）
式中： KK—可靠系数，采用1.3；
Idz1—正常运营时变压器最大负荷电流；采用变压器额定电流。
代入数据得 Idz1=1.3×103.9=135.1(A)
比较上述（1），（2），（3）式动作电流，取最大值为计算值，
即： Idz1=270.4（A）
5.2.3拟定基本侧差动线圈匝数和继电器动作电流
将两侧电流互感器分别结于继电器两组平衡线圈，再接入差动线圈，使继电器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= ×270.4/40=11.71（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，获得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）
继电器实际动作电流 IdzjI=Awo/ WcdZ=60/5=12（A）
保护装置实际动作电流 IdzI= IdzjINl/Kjx=12×40/=277.1A

5.2.4 拟定非基本侧平衡线圈和工作线圈匝数
平衡线圈计算匝数 WphjsⅡ =Wcdz/Ie2JI-Wcdz =5×(4.5/4.33-1)=0.19(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)
5.2.5 计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生相对误差Δfza
Δfza= (WphjsⅡ- WphzⅡ)/( WphjsⅡ+ Wcdz)
=(0.19-0)/(0.19+5)=0.04
此值不大于原定值0.05，取法适当，不需重新计算。
5.2.6 初步拟定短路线圈抽头
依照前面对BCH-2差动继电器分析，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“C-C”抽头，实际应用中，还应考虑继电器所接电流互感器型号、性能等，抽头与否适当，应通过变压器空载投入实验最后拟定。
5.2.7 保护装置敏捷度校验
差动保护敏捷度规定值≮2
本系统在最小运营方式下，10KV侧出口发生两相短路时，保护装置敏捷度最低。
本装置敏捷度 =0.866/
=0.866×1×0.817/0.2771=2.55>2 满足规定。
5.3 过电流保护整定
过电流继电器整定及继电器选取：
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=1.2×103.9/0.85=146.7(A)
继电器动作电流 Idzj=Idz/nl=146.7/(40/ )=6.35(A)
电流继电器选取：DL-21C/10
敏捷度按保护范畴末端短路进行校验，敏捷系数不不大于1.2。
敏捷系数：Klm=0.866KjxId3lmin/Idz
=0.866×1×0.282/0.1467=1.66>1.2

满足规定。
5.4 过负荷保护整定
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=1.05×103.9/0.85=128.4(A)
IdzJ= Idz/nl=128.4×/40=5.56(A)

延时时限取10s，以躲过电动机自起动。
当过负荷保护起动后，在达届时限后仍未返回，则动作ZDJH装置。
5.5 冷却电扇自起动
Idz=0.7Iel=0.7×103.9=72.74(A)
IdzJ=Idz/nl=72.74/(40/ )=3.15(A)

即，当继电器电流达到3.15A时，冷却电扇自起动。

参 考 文 献
[1] 张宝会.尹项根.电力系统继电保护.北京.中华人民共和国电力出版社
[2] 陈 珩．电力系统稳态分析．北京.中华人民共和国电力出版社
[3] 刘介才. 工厂供电设计指引.北京.机械工业出版社
[4] 李光琦．电力系统暂态分析．北京：中华人民共和国电力出版社
[5] 孙丽华. 电力工程基本.北京.机械工业出版社
[6] 贺家李.宋从矩．电力系统继电保护原理．第三版．北京.中华人民共和国电力出版社

致 谢
通过本次课程设计，使我更加夯实掌握了关于高频电子线路方面知识，在设计过程中虽然遇到了某些问题，但通过一次又一次思考，一遍又一遍检查终于找出了因素所在，也暴露出了前期我在这方面知识欠缺和经验局限性。实践出真知，通过亲自动手制作，使咱们掌握知识不再是纸上谈兵。
在课程设计过程中，咱们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最后检测调试环节，自身就是在践行“过而能改，善莫大焉”知行观。这次课程设计终于顺利完毕了，在设计中遇到了诸多问题，最后在教师指引下，终于游逆而解。在此后社会发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才干成功做成想做事，才干在此后道路上劈荆斩棘收获成功，收获喜悦，得到社会及她人对你承认!