变电所整定继电保护设计方案样本.doc

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1 引言
本设计根据所给的基本资料, 作出了该区地面35kV变电所的初步设计。本设计以实际负荷为依据, 以变电所的最佳运行为基础, 按照有关规定和规范, 完成了满足该区供电要求的35kV变电所初步设计。
设计中先对负荷进行了统计与计算, 选出了所需的主变型号, 然后根据负荷性质及对供电可靠性要求拟定主接线设计, 考虑到短路对系统的严重影响, 设计中进行了短路计算。设计中还对主要高压电器设备进行了选择与计算, 如断路器、 隔离开关、 电压互感器、 电流互感器等。另外还进行了防雷保护的设计和计算, 提高了整个变电所的安全性。
1.1 变电站站址的选择原则
变电所的设计应根据工程 年发展规划进行, 做到远、 近期结合, 以近期为主, 正确处理近期建设与远期发展的关系, 适当考虑扩建的可能; 变电所的设计, 必须从全局出发, 统筹兼顾, 按照负荷性质、 用电容量、 工程特点和地区供电条件, 结合国情合理地确定设计方案; 变电所的设计, 必须坚持节约用地的原则。变电所应建在靠近负荷中心位置, 这样能够节省线材, 降低电能损耗, 提高电压质量, 这是供配电系统设计的一条重要原则。变电所的总平面布置应紧凑合理, 依据《 变电站设计规范》第 条, 变电站站址的选择, 根据下列要求综合考虑确定:
( 1) 靠近负荷中心。
( 2) 节约用地, 不占或少占耕地及经济效益高的土地。
( 3) 与乡或工矿企业规划相协调, 便于架空线和电缆线路的引入和引出。
交通运输方便。
( 4) 具有适应地形, 地貌, 地址条件。

2电气主接线的设计及变压器选择
分析任务书给定的原始资料, 根据变电所在电力系统中的地位和建设规模, 考虑变电所运行的可靠性、 灵活性、 经济性, 全面论证, 确定主接线的最佳方案。
2.1 原始资料分析
1.C1 系统: X1= 0.05/0.1; X2=X1 ; X1 以100MVA, 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= 0.06/0.12; X2=X1 ; X1 以100MVA, 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2×31.5MVA 35±4×2.5%/11kv ; Uk%=8%
4.35KV线路X1=0.4Ω/km ; 10KV电缆线路R=0.45Ω/km , X=0.08Ω/km
5.XL-1 最大负荷15MVA ; XL-2最大负荷10MVA; XL-3最大负荷8MVA ; XL-4最大负荷10MVA ; XL-5最大负荷10MVA ; XL-6最大负荷15MVA 。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。

注: 图中35kV和10kV母线断路器是闭合的。能够判断本站为重要变电站, 在进行设计时, 应该侧重于供电的可靠性和灵活性。
2.2电气主接线方案
运行方式: 以C1、 C2全投入运行, 线路全投。DL1合闸运行为最大运行方式; 以C2停运, 右边线路停运, DL1断开运行为最小运行方式。已知变电所10KV出线保护最长动作时间为1.5s。
电力系统在运行中, 可能发生各种故障和不正常运行状态, 最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路, 发生短路后经过故障点的很大的短路电流, 可能会造成故障元件损坏, 寿命缩短, 电力系统中部分地区的电压大大降低, 破坏用户工作的稳定性严重时可能造成整个系统瓦解。继电保护装置是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置, 它能够自动迅速有选择性的将故障元件从电力系统中切除, 能够反映电器元件的不正常运行状态, 并根据运行维护条件而动作于发出信号减负荷或跳闸。因此变电所继电保护和自动化装置规划意义十分重大。

3 短路电流计算
3.1 系统等效电路图
C1 C2

1 2

3 4
0.292 0.38
DL1 d1

5 6
0.254 0.254
DL6 d2

XL=3.628
D3

图3.1 系统等效电路图 ( 各阻抗计算见3.2)
3.2 阻抗计算( 均为标幺值)
基准参数选定: SB=100MVA, UB=Uav即: 35kV侧UB=37KV, 10kV侧UB=10.5KV。
C1 系统: X1= 0.05/0.1; X2=X1 ; X1 以100MVA, 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。
C2系统: X1= 0.06/0.12; X2=X1 ; X1 以100MVA, 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。
线路: 已知35KV线路X1=0.4Ω/km
L1: X3 =l1 X1SB/UB2=0.4×10×100/372=0.292
L2: X4=l2 X1SB/UB2=0.4×13×100/372=0.38
变压器: B1, B2: X5=X6=( Uk%/100) SB/S=0.08×100/31.5=0.254
3.3 短路电流计算
3.3.1最大运行方式
系统化简如图3.2(a)所示。
X7=X1+X3 =0.05+0.292=0.342
X8=X1+X4=0.1+0.38=0.48
X9=X7∥X8＝0.199
X10=X9+X5＝0.199+0.254=0.453
据此, 系统化简如图3.2(b)所示
故知35KV母线上短路电流: Id1max=IB1/X9=1.56/0.199=7.839(KA)
10KV母线上短路电流:Id2max=IB2/X10=5.5/0.453=12.141(KA)
折算到35KV侧:Id21max=IB1/X10=1.56/0.453=3.444(KA)
对于d3点以XL-6计算 Id3max=5.5/(0.453+1.224)=3.28(KA)

图3.2 系统简化图
3.3.2最小运行方式下
系统化简如图3.3所示。
因C1停运,因此仅考虑C2单独运行的结果
X11=X8+X5=0.51+0.254=0.764
因此35KV母线上短路电流:
Id1min=IB1/X8=1.56/0.51=3.059(kA)

因此10KV母线上短路电流:
Id2min=IB2/X11=5.5/0.764=7.2(kA)
折算到35KV侧:
Id2lmin = IB1/X11=1.56/0.764=2.042 (kA)
对于d3以XL6进行计算
Id3min=5.5/ (0.764+1.224)=2.767(kA)
折算到35KV侧:
Id3lmin = 1.56/(0.764+1.224)=0.785( kA)

图3.2 系统简化
4 主变继电保护整定计算及继电器选择
4.1 瓦斯保护
轻瓦斯保护的动作值按气体容积为250~300cm2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0.6~1.5 cm2整定本, 本设计采用0.9 cm2。
瓦斯继电器选用FJ3-80型 。
4.2纵联差动保护
选用BCH-2型差动继电器。
表4.1 Ie及电流互感器变比
名 称
各侧数据
Y( 35KV)
Δ( 10KV)
额定电流
I1e=S/ U1e=519.6A
I2E=S/ U2e=1732A
变压器接线方式
Y
Δ
CT接线方式
Δ
Y
CT计算变比
I1e/25=900/5
I2e/25=1732/5
实选CT变比nl
1000/25
/25
实际额定电流
I1e/n1=22.5A
I2e/n1=21.65A
不平衡电流Ibp
22.5-21.65=0.85A
确定基本侧
基本侧
非基本侧
4.2.1 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
Idz1≥KKIbp (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。
ΔU—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。
Δfza—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×(1×1×0.1+0.05+0.05) ×3.444=895.4( 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= 1.3×519.6=675.48(A)
3) 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流; 采用变压器的额定电流。
代入数据得 Idz1=1.3×519.6=675.48(A)
比较上述( 1) , ( 2) , ( 3) 式的动作电流, 取最大值为计算值,
即: Idz1=895.4( A)
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= ×895.4/40=38.77( A)
4.2.2 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=60/38.77=1.55(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=1( 匝)
继电器的实际动作电流 IdzjI=Awo/ WcdZ=60/1=60( A)
保护装置的实际动作电流 IdzI= IdzjINl/Kjx=60×40/=1385.64A
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 WphjsⅡ =Wcdz/Ie2JI-Wcdz =1×(4.5/4.33-1)=0.04(匝)
故, 取平衡线圈实际匝数WphzⅡ=0
工作线圈计算匝数WgzⅡ= WphzⅡ+Wcdz=1(匝)
计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差Δfza
Δfza= (WphjsⅡ- WphzⅡ)/( WphjsⅡ+ Wcdz)
=(0.04-0)/(0.04+1)=0.038
此值小于原定值0.05, 取法合适, 不需重新计算。
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。
4.2.3 保护装置灵敏度校验
差动保护灵敏度要求值Klm≮2
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
=0.866×1×3.25/0.895=3.14>2满足要求。
4.3过电流保护
4.3.1 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=1.2×519.6/0.85=733.55(A)
继电器的动作电流 Idzj=Idz/nl=733.55/(40/ )=18.34(A)
电流继电器的选择:
灵敏度按保护范围末端短路进行校验, 灵敏系数不小于
灵敏系数: Klm=0.866KjxId3lmin/Idz
=0.866×1×0.785/0.733=0.535
满足要求。

4.4 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=1.05×900/0.85=1111.76(A)
IdzJ= Idz/nl=1111.76×/40=48.14(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。
4.5 冷却风扇自起动
Idz=0.7Iel=0.7×900=630(A)
IdzJ=Idz/nl=630/(40/ )=27.28(A)
即, 当继电器电流达到27.28A时, 冷却风扇自起动。

5 容量计算及主变压器选择
5.1 按年负荷增长率6％计算, 考虑8年。
5.2 双变压器并联运行, 按每台变压器承担70％负荷计算。
5.3 35kv负荷是 KVA, 10kv负荷是 KVA, 总负荷是 KVA。
5.4 变压器容量
5.4.1负荷预测
35kv负荷: 10000KVA×( 1＋6％) 8 ＝15036.30KVA;
10kv负荷: 3600 KVA×( 1＋6％) 8 ＝5413.07 KVA, 共计20449.77KVA。
5.4.2变压器有功和无功损耗计算 因为所占比重较小, 而本站考虑的容量裕度比较大, 因此不计算。
5.4.3站用变选型 因为设计任务书已经给出用电容量为160KVA, 因此直接选择即可, 从主接线方案分析, 站用变接于35KV母线更可靠, 因此选型为SL7－160/35。
5.5变压器选择确定: 主变压器 承担负荷 容量选择 确定型号 1#B 20449.77×0.5×0.7＝7157.42KVA 8000KVA SZL7-8000/110 2#B 同1＃B 3#B 5413.07×0.5×0.7＝1894.57KVA KVA SL7－ /35 4#B 同3＃B站用变 160KVA 160KVA SL7－160/35 5. 变压器技术数据 型号 额定容量( KVA) 额定电压(kv) 损耗( KW) 阻抗电压( ％) 空载电流( ％) 连接组别 高压 低压 空载 负载 SZL7－8000/110 8000 110 38.5 15 50 10.5 1.4 Yn,d11 SL7- /35 35 10 3.4 19.8 6.5 1.4 Y,d11 SL7-160/35 160 35 0.4 0.47 3.15 6.5 2.5 Y,yno

6 继电保护配置及整定计算
一、 根据《继电保护配置和安全自动装置技术规程》进行保护配置。
6.1 变压器继电保护 纵差保护, 瓦斯保护, 电流速断保护, 复合过流保护( 后备保护) 序号 保护配置 保护功能及动作原理 出口方式 继电器型号
6.1.1 纵差保护 变压器内部故障保护, 例如断线, 层间、 匝间短路等变压器两侧电流不平衡起动保护。 断开变压器两侧开关。 BCH－2
6.2.2 瓦斯保护 变压器内部短路, 剧烈发热产生气体起动保护。 轻瓦斯发信号, 重瓦斯断开变压器两侧开关。
6.1.3 过电流保护 事故状态下可能出线的过负荷电流 动作于信号
6.1.4 电流速断保护 相间短路 断开线路断路器
6.2 35KV线路, 10KV线路继电保护: 电流速断保护, 过电流保护, 单相接地保护 序号 保护配置 保护功能 出口方式 继电器型号
6.2.1 电流速断保护 相间短路 断开线路断路器
6.2.2 过电流保护 相间短路, 过负荷 延时断开线路断路器
6.2.3 母线单相接地保护 绝缘监察 信号

7 保护原理说明
变配电站继电保护是根据变配电站运行过程中发生故障时出现的电流增加、 电压升高或降低、 频率降低、 出现瓦斯、 温度升高等现象超过继电保护的整定值( 给定值) 或超限值后, 在整定时间内, 有选择的发出跳闸命令或报警信号。
根据电流值来进行选择性跳闸的为反时限, 电流值越大, 跳闸越快。根据时间来进行选择性跳闸的称为定时限保护, 定时限在故障电流超过整定值后, 经过时间定值给定的时间后才出现跳闸命令。瓦斯与温度等为非电量保护。
可靠系数为一个经验数据, 计算继电器保护动作值时, 要将计算结果再乘以可靠系数, 以保证继电保护动作的准确与可靠, 其范围为1.3~1.5。
发生故障时的最小值与保护的动作值之比为继电保护的灵敏系数, 一般为1.2~2, 应根据设计规范要进行选择。

8 总结
根据任务书的基本要求, 查阅教科书及大量的规程、 规范和相关资料, 经过2星期的艰苦努力, 终于完成了设计任务, 并形成了设计成果。 现在回过头看看, 其间有酸甜苦辣, 也有喜怒哀乐, 特别是理论基础不过硬, 更是困难重重。在这次变电所继电保护课程设计中, 我的收益颇丰, 不但复习了以前学过的知识并有所提高, 而且对电力系统设计有了初步了解, 对我们所学专业有了具体的认识。尽管设计并不是十分完善, 与实际相差还是比较大, 例如在设计过程中没有考虑到经济效益问题, 选址以及环境等因素, 可是我们掌握了其基本思路, 基本方法, 设计步骤, 至少能够加强我们的分析和解决问题的能力。以前在上课的时候, 老师经常强调在分析短路计算短路电流时应该画出系统简化图, 可是我开始总觉得这样做没必要, 很浪费时间。可是, 这次课程设计完全改变了我以前的那种错误的认识, 以前我接触的那些计算都是很基础的, 可是在课程设计中碰到的那些分析计算比较复杂, 画出系统等效图是很有必要的。因为经过系统等效图, 在做设计的过程中, 我们每一步要做什么, 每一步要完成什么计算都有一个很清楚的思路, 而且也有利于查错。

参考文献
1. 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 
2. 刘介才．工厂供电设计指导．北京: 机械工业出版社
3. 刘笙．电气工程基础．北京: 科学出版社