35KV变电站继电保护课程设计

1、广西大学行健文理学院课程设计题目：35kV 电网的继电保护设计学院专业班级姓名学号指导老师：设计时间： 2015年 12月28日-2016 年 1月 8日摘要电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源之一，电力系统的安全稳定 运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。电力系统继电保护是反映电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态而动作 于断路器跳闸或发生信号的一种自动装置。电力系统继电保护的基本作用是：全系统 范围内，按指定分区实时地检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔 离或告警信号等措施，以求最大限度地维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障人 身的安全、防

2、止或减轻设备的损坏。随着电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新 的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断 地注入了新的活力。随着电力系统的迅速发展。大量机组、超高压输变变电的投入运行，对继电保护 不断提出新的更高要求。继电保护是电力系统的重要组成部分，被称为电力系统的安 全屏障，同时又是电力系统事故扩大的根源，做好继电保护工作是保证电力系统安全 运行的必不可少的重要手段，电力系统事故具有连锁反应、速度快、涉及面广、影响 大的特点，往往会给国民经济和人民生活造成社会性的灾难。本次毕业设计的题目是 35kv线路继电保护的设计。 主要任务是为保证电网的安全 运行,

3、需要对电网配置完善的继电保护装置 . 根据该电网的结构、 电压等级、线路长度、 运行方式以及负荷性质的要求，给 35KV的输电线路设计合适的继电保护。关键词：35kv 继电保护 整定计算 故障分析 短路电流计算1. 概述：1.1 设计依据 :1电力工程设计手册（ 2、3 册）2继电保护和自动装置设计规程3电力系统继电保护设计原理4继电保护原理与设计手册5电力系统继电保护与安全自动装置整定计算6电力系统故障分析1.2 设计规模：本设计为 35KV降压变电所。主变容量为 31500KVA，电压等级为 35KV。1.3 设计原始资料：变电站的接线图如图 1 所示；1. C1 系统： X1= 0.05

4、/0.1 ； X2=X1； X1 是以 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= 0.1/0.12 ； X2=X1 ； X1 是以 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 231.5MVA； 35 42.5%/11kV ；Uk%=7.5%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 25MVA； XL-2 最大负荷 20MVA；XL-3 最大负荷 10MVA；XL-

5、4 最大负荷15MVA；XL-5 最大负荷 10MVA；XL-6 最大负荷 10MVA。 XL-1 与XL-6 为双回线。图 1 35KV 系统原理接线图1.4 10KV 母线负荷情况，见下表：负荷名称最大负荷 （MVA）功率因数回路数线路长度 （km）XL-1250.8523XL-2200.8512XL-3100.8511.5XL-4150.8511XL-5100.8512XL-6100.8523A 站：有两台双卷变压器 容量为 231.5MVA ； 35 42.5%/11kV ； Uk%=7.5%运行方式：以 C1、C2全投入运行，线路 12 全投。运行为最大运行方式 以 C1停运，仅考虑

6、 C2 单独运行的结果为最小运行方式。已知变电站 10KV出线保护最长动作时间为 1.5s 。2 变电所继电保护和自动装置规划：2.1 系统分析及继电保护要求：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。2.1.1 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。2.2 本系统故障分析： 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。电力变压器的故障，分为外部故障和内部故障两类

7、。 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。 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。2.3 10KV 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：单回出线保护：适用于 XL-2,XL-3,XL-4,XL5 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。双回路出线保护：适用于 XL-1,XL-6 出线。采用平行双回线路横联方 向差动保护

8、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。2.4 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：2.4.1 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） 。2.4.2 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） 。2.4.3 异常运行保护和必要的辅助保护： 温度保护（以检测变压器

9、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） 。2.5 变电所的自动装置 : 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。频率是电能质量的基本

10、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。2.6 本设计继电保护装置原理概述：10KV 线路电流速断保护： 是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

11、星形接线方式，本 设计选用无时限电流速断保护。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。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

12、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。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

13、动作，接点闭合，这时作用于跳闸并发 信，称为重瓦斯保护。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

14、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。3 短路电流计算：3.1 系统等效电路图 ：如图 3 所示C1C20.3435KVd10.23810KVd23) 变压器： X5=X6=(Uk%/100)SB/S=7.5/100 100/31.5=0.2384） 10KV 侧线路：XL1=l 1X2SB/VB2=0.083100/10.5 2/2=0.109XL2=l 1X2SB/V B2 =0.08 2100/10.5 2=0.14522XL3= l 1X2

15、SB/VB2 =0.081.5 100/10.5 2=0.10922XL4=l 1X2SB/VB2=0.081100/10.5 2 =0.0722XL5=l 1X2SB/VB2=0.082100/10.5 2=0.145XL6= l 1X2SB/VB2 = 0.08 3100/10.5 2/2=0.1094 短路电流计算：图 4.3 最大运行方式图1）最大运行方式：其中： X1=Xc1+Xl1 0.34X12=X1*X2 / （X1 +X1 ）0.2X= XX8= X2+X40.4812+X10.438故知 35KV母线上短路电流： 10KV母线上短路电流 : I 折算到 35KV侧 :I对于

16、 d3 点以 XL6计算II d1max= I B1/X9=1.56/0.2=7.8(KA)d2max= I B2/X10=5.5/0.438=12.56(KA) d21max=I B1/X 10=1.56/0.438=3.56(KA) d3max=5.5/(0.238+0.109)=10.5(KA)2） 最小运行方式下 : 系统化简如图 4.4 所示C22因 C1停运, 所以仅考虑 C2单独运行的结果；X11=X8+X5=0.738所以 35KV母线上短路电流： I d1min=I B1/X 8=1.56/0.5=3.12(kA)所以 10KV母线上短路电流： I d2min=I B2/X

17、11=5.5/0.738=7.45(kA) 折算到 35KV侧：I d2lmin = I B1/X11=1.56/0.738=2.11(kA)对于 d3 以 XL1进行计算I d3min=5.5/(0.438+0.109)=10.05(kA)5 线路保护整定计算5.1 35kV 线路三段式电流保护计算电流速断保护：动作电流I set1=K reld1max式中： KIrel 可靠系数，采用 1.2 ；代入数据得 I sIet1 =1.2 3.56=4.272IsIet2=KI rel I d1max=1.27.8=9.36保护范围校验IsIet=Id1min=3.12 15% 符合要求限时电流

18、速断保护 : 启动电流I sIIet2=KrIeIl I sIet1KrIeIl 可靠系数，采用 1.1 ；代入数据I sIIet2 =1.1 4.272=4.6992灵敏性校验Ksen=IBI2Imin = 3 2 7.45 =1.37 1.3I set2 4.6992定时限过电流保护 :I III启动电流I se取 d2 处短路K III K rel ssI LmaxKreKrIeIIl 可靠系数，采用 1.15 ；Kss 自启动系数，采用 1.2 ；Kre 返回系数，采用 0.85 ；ILmax =Kre I B1 =1.3 1.56=2.028III 1.15 1.2 2.028 代入

19、数据 I sIIeIt =3.29set 0.85灵敏度校验Ksen=I d3IImI in 6.5 1.98 1.2 符合I set 3.2910kv 线路保护整定计算 电流速断保护整定 基准参数 设 SB 100MVA,U B Uav 10.5KV 则B2SB3UB21003 10.55.5A1）一次侧动作电流整定计算Ik2.1.max5.5*XL*15.550.459set1.3Ik2.1.max0.1091.3 50.459 65.5962）继电器动作电流set,rKconI set 1 65.596Ki 240同理求得线路的整定数据如下表所示名称Ik 2.maxIsetI set.r

20、线路 K150.45965.5960.273线路 K237.93049.3100.205线路 K350.45965.5960.273线路 K478.571102.1430.426线路 K537.93049.3100.205线路 K650.45965.6950.2736 主变继电保护整定计算及继电器选择6.1 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 2802cm。重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为 0.61.5 cm 2整定本，本设计采用 0.9 cm 2瓦斯继电器选用 FJ3-80 型 。6.2 纵联差动保护： 选用 BCH-2型差动继电器6.2.1

21、计算 Ie 及电流互感器变比，列表如下：名称各侧数据Y（35KV）（ 10KV）额定电流I 1e=S/ 3 U1e=519.8AI 2E=S/ 3 U2e=1820.8A变压器接线方式YCT接线方式YCT计算变比3 I 1e/5=900.3/5I 2e/5=1820.8/5实选 CT变比 nl1000/52000/5实际额定电流3 I 1e/5=900.3AI 2e/n2=4.552A不平衡电流 Ibp5.5015-4.552=-0.05A确定基本侧基本侧非基本侧6.2.2 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Idz1 KKIbp(1)利用实用计算式： I dz1=KK(K

22、fzqKtxfi+U+fza )Id 2lmax 式中： KK可靠系数，采用 1.3 ；K fzq 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 5%。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 I dz1=1.3 (1 10.1+0.05+0.05) 7.8=2028(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

23、1.3 ；Ie 变压器额定电流：代入数据得 Idz1= 1.3 519.8=675.74（A）3）躲过电流互改器二次回路短线时的最大负荷电流I dz1= KKTf hmax（3）式中： KK可靠系数，采用 1.3 ；I dz1 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 I dz1=1.3 900.3=1170.39（A）比较上述（ 1），（2），（ 3）式的动作电流，取最大值为计算值， 即： Idz1=2028（A）6.2.3 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

24、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 =KJXI dzI /n l代入数据得 I dzjsI = 3 270.4/200=2.34 （A） 基本侧继电器差动线圈匝数 W cdjsI =Awo/ I dzjsI 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 W cdjsI =60/2.34=25.6（ 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=25(匝)继电

25、器的实际动作电流 I dzjI =Awo/ WcdZ=60/25=2.4 ( A)保护装置的实际动作电流 I dzI= I dzjI Nl /K jx =2.4 200/ 3 =277.1A6.2.4 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 W phjs =Wcdz /I e2JI -Wcdz=25 (4.5/4.33-1)=0.19( 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)6.2.5 计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差 f zaf za= (Wphjs - Wphz )/( W phjs + Wcdz)=

26、(0.19-0)/(0.19+5)=0.04此值小于原定值 0.05 ，取法合适，不需重新计算。6.2.6 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。6.2.7 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 K lm=0.866KjxI dlmin /I dzl=0.866 1 0.817

27、/0.2771=2.552满 足要求。6.3 过电流保护：6.3.1 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I dz =KkI e1/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=1.2 519.8/0.85=733.8(A)继电器的动作电流 Id=I dz/n l =733.8/(200/3 )=6.35(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=0.866Kjx I d3lmin /I dz=0.866 17.45/6.35=1.661.2满足要求。6.4 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。I dz=KkI e1/Kf=1.05 519.8/0.85=642.1(A)IdzJ= I dz/n l =642.1 3 /200=5.56(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。6.5 冷却风扇自起动：I dz=0.7I el =0.7