35KV线路继电保护与自动装置设计

1、35KV线路继电保护与自动装置设计1 .概述1.1 继电保护的基本概念对被保护对象实现继电保护，包括软件和硬件两部分内容：（1）确定被保护对象在正常运行状态和拟进行保护的异常或故障状态下，有哪些物理量发生了可供进行状态判别的量、质或量与质的重要变化，这些用来进行状态判别的物理量，称为故障量或起动量；（2）将反映故障量的一个或多个元件按规定的逻辑结构进行编排，实现状态判别，发出警告信号或断路器跳闸命令的硬件设备。1.2 继电保护的意义和作用电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源。电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。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

2、的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态。故障中最常见，危害最大的是各种型式的短路。为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制。这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一，所以说，继电保护对于电力系统的运行与维护有着重大的意义和重要的作用。1.3 继电保护的基本要求动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即选择性、速

3、动性、灵敏性和可靠性。1.3.1 选择性继电保护选择性是指在对系统影响可能最小的处所，实现断路器的控制操作，以终止故障或系统事故的发展。例如：对于电力元件的继电保护，当电力元件故障时，要求最靠近的故障点的断路器动作断开系统供电电源；而对于振荡解列装置，则要求当电力系统失去同步运行稳定性时，在解列后两侧系统可以各自安全的同步运行的地点动作于断路器，将系统一分为二，以终止振荡，等等。电力元件继电保护的选择性，除了决定于继电保护装置本身的性能外，还要求满足：由电源算起，愈靠近故障点的故障，启动值愈小，动作时间愈短，并在上下级之间有适当的裕度。要具有后备保护的作用，如果最靠近故障点的断路器拒动，能由相

4、邻的电源恻继电保护动作将故障断开。1.3.2 速动性是指快速地切除故障，以提高电力系统并列运行稳定，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及小故障元件的损坏程度。因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作，切除故障。继电保护快速动作可以减轻故障元件的损坏程度，提高线路故障后自动重合闸的成功率，并特别有利于故障后的电力系统同步运行的稳定性。快速切除线路与母线的短路故障，是提高电力系统暂态稳定的重要手段。1.3.3 灵敏性继电保护灵敏性是指继电保护对设计规定要求动作的故障及异常状态能够可靠地动作的能力。故障时通入装置的故障量和给定的装置动作值之比，称为继电保护的灵敏系数。它是考核继电保护灵敏性

5、的具体指标。在一般的继电保护设计与运行规程中，对它都有具体的规定要求。继电保护愈灵敏，愈能可靠地反应要求动作的故障或异常状态；但同时，也愈易于在非要求动作的其他的情况下产生误动作，因而与选择性有矛盾，需要协调处理。1.3.4 可靠性是指在保护装置规定的保护范围内发生了它应该反应的故障时，保护装置应可靠地动作（即不拒动）。而在不属于该保护动作的其它任何情况下，则不应该动作（即不误动）。可靠性取决于保护装置本身的设计、制造、安装、运行维护等因素。一般来说，保护装置的组成元件质量越好、接线越简单、回路中继电器的触点和接插件数越少，保护装置就越可靠。同时，保护装置的恰当的配置与选用、正确地安装与调试、

6、良好的运行维护。对于提高保护的可靠性也具有重要的作用。保护的误动和拒动都会给电力系统造成严重的危害，在保护方案的构成中，防止保护误动与防止其拒动的措施常常是互相矛盾的。由于电力系统的结构和负荷性质不同，误动和拒动的危害程度有所不同，因而提高保护装置的可靠性的着重点在很多情况下也应有所不同。例如，系统有充足的旋转备用容量、各元件之间联系十分紧密的情况下，由于某一元件的保护装置误动而给系统造成的影响较小；但保护装置的拒动给系统在成的危害却可能很大。此时，应着重强调提高不误动的可靠性。又如对于大容量发电机保护，应考虑同时提高不拒动的可靠性和不误动的可靠性。2常用的继电保护2.1 电流保护：电流速断保

7、护只能保护线路的一部分，限时电流速断保护只能保护线路全长，但不能作为下一段线路的后备保护，因此必须采用定时限过电流保护作为本线路和相邻下一线路的后备保护。实际上，供配电线路并不一定都要装设三段式电流保护。比如，处于电网未端附近的保护装置，当定时限过电流保护的时限不大于0.5时，而且没有防止导线烧损及保护配合上的要求的情况下，就可以装设电流速断保护和限时电流速断保护，而将过电流保护作为主保护。三段式电流保护的主要优点是简单、可靠，并且一般情况下都能较快切除故障。缺点是它的灵敏度受保护方式和短路类型的影响，此外在单侧电源网络中才有选择性。故一般适用于35KV以下的电网保护中。2.2 距离保护：主要

8、优点：能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求；阻抗继电器是同时反应电压的降低和电流的增大而动作的，因此距离保护较电流保护有较高的灵敏度。其中I段距离保护基本不受运行方式的影响，而R、田段受系统运行变化的影响也较电流保护要小一些，保护区域比较稳定。主要缺点：不能实现全线瞬动。对双侧电源线路，将有全线的30%40%的第n段时限跳闸，这对稳定有较高要求的超高压远距离输电系统来说是不能接受的。阻抗继电器本身较长复杂，还增设了振荡闭锁装置，电压断线闭锁装置，因此距离保护装置调试比较麻烦，可靠性也相对低些距离保护的接线图如图2-1示。2.3 纵联保护的优缺点：线路纵联保护是当线路发生故障时，使两侧开关

9、同时快速跳闸的一种保护装置，是线路的主保护。它以线路两侧判别量的特定关系作为判据，即两侧均将判别量借助通道传送到对侧，然后，两侧分别按照对侧与本侧判别量之间的关系来判别区内故障或区外故障。因此，判别量和通道是纵联保护装置的主要组成部分。(1)方向比较式众联保护是比较线路两端各自看到的故障方向，以判断是线路内部故障还是外部故障。如果以被保护线路内部故障时看到的故障方向为正方向，则当被保护线路外部故障时，总有一侧看到的是反方向。其特点是：a）要求正向判别启动元件对于线路末端故障有足够的灵敏度；b）必须采用双频制收发信机。（2）电流相位差动高频保护是比较被保护线路两侧工频电流相位的高频保护。当两侧故

10、障电流相位相同时保护被闭锁，两侧电流相位相反时保护动作跳闸。具特点是：a）能反应全相状态下的各种对称和不对称故障，装置比较简单；b）不反应系统振荡。在非全相运行状态下和单相重合闸过程中保护能继续运行；c）不受电压回路断线的影响；d）当通道或收发信机停用时，整个保护要退出运行，因此需要配备单独的后备保护。（3）高频闭锁距离保护是以线路上装有方向性的距离保护装置作为基本保护，增加相应的发信与收信设备，通过通道构成纵联距离保护。其特点是：a）能足够灵敏和快速地反应各种对称与不对称故障；b）仍保持后备保护的功能；c）电压二次回路断线时保护将会误动，需采取断线闭锁措施，使保护退出运行。4.变压器继电保护

11、的优缺点优点：结构简单，动作迅速，灵敏度高，能反应变压器SBK-750VA带铁壳油箱内各种相问短路和匝间短路的匝数很少时，故障回路的电流虽很大，可能造成严重过热，但引出线外部相电流的变化可能很小，各种反应电流量的保护都难以动作，瓦斯保护对于切除这类故障有其特殊的优越性。缺点：不能反应变压器油箱外部的故障，如套管及引出线故障。因此，变压器不能用它作为唯一的主保护。3保护整定值计算根据题设的要求：(1) .某35KV终端变电站具有多路进出线的双母线，装有ZPJH装置，已知第I线路出现AB和第II线路出现AB的有关网络参数如下：线路II赛路130kllI图4-135KV网路图(2) .系统容量：最大

12、运行方式160MVA,最小运行方式为100MVA(3) .线路ABi上最大输送功率为9MW,cos0.85,自启动系数kss=1.5(4) .变压器BII所装差动保护白动作时限为1s,并假设它换算至平均额定电压37KV母线两侧的电抗Xii=28Q因为考虑到题目已经条件和图形，线路II的参数没给，无法计算，变压器Bi的参数也不齐全，所以整定计算也是有困难，所以就对线路ABiC段进行整定计算和设计。3.1 方案讨论根据图示的系统，每段线路都最多只有一个断路器,或者是没有。考虑到纵联保护是安装于线路两侧的保护装置对两侧的电气量同时比较、联合工作，最后起切断的一种保护，必须在线路的两端同时安装保护装置

13、及信号的收发装置的，如图4-1示纵联保护结构框图。因此，在题给的系统中，无法采用该继电保护方式。所以考虑过电流保护和距离保护。图4-2纵联保护结构框图3.1.1过电流保护的整定计算根据题目已知条件，先计算电源的最大运行方式下的阻抗和最小运行方式下的阻抗。根据公式:V'3UI(式4-1)(式42)取系统平均电压U=37KV可得最大运行方式阻抗:Zsminu2Smax3721608.56(KA)(式4-3)最小运行方式阻抗:ZsmaxU2Smin37210013.69(KA)(式4-4)接着算线路I点的最大短路电流和最小短路电流:（取单位线路阻抗为0.4/Km)最大短路电流:IBmaxU、

14、3373最小短路电流:IBmax电流I段整定值计算:验证:3U3Lmin(2IsetABZsminAB0.48.56300.41.04(KA)(式4-5)373ZsmaxAB0.4IsetABKrelIBmaxZsmax)0.4(13.69300.40.83(KA)(式4-6)1.21.041.248(KA)(式4-7)LminLAB些100%9.4%15%303721.248所以不符合。13.69)0.42.83(Km)(式4-8)经过计算，电流保护II段整定计算后，也是不符合要求的。由此可知，这个系统采用过电流保护不太恰当，电流I段和电流II段保护构成的电流主保护不能有效，可靠的保护线路，

15、保护范围太小，在此不适用。3.1.2距离保护的整定计算根据题目已知条件，计算距离保护的整定。(1)距离I整定阻抗Zset.ABK同Zab。.80.4309.6()(式4-9)动过时间t30s(第一段实际动作时间为保护装置固有的动作时间)。(2)距离II整定阻抗线路BC的I段整定Zset.BcKreiZBc0.80.44012.8()(式4-10)整定阻抗：Zset.ABKrelZabZset.BC。加0，3012.818.6()(式4-11)灵敏度校验按本线路末端短路求灵敏度系数为：KsenZeAB-18.6-1.55>1.25(式4-12)Zab0.430满足要求动作时间：(由于BC段

16、距离一段保护的时间认为tBC0,t默认为0.5s)t3tBCt0.5s(式4-13)(3)距离in整定阻抗：按躲开最小负荷阻抗整定，先计算最大B点负荷电流，P9.ILmax-r-T0.17(KA)(式4-14)、3Ucos()、3370.85（式4-15）UL.min0.937ZL.min.113.09（）,30.17IL.max按照公式：Zset.ABKrelZL.min（式4-16）KssKre取Krel0.8,Kre=1.15,Kss=1.5,于是ieiessZset.ABKrelZL.min0.8113.09KKssre1.51.1552.45（）（式4-16）灵敏度校验作为本线路近后

17、备保护灵敏度系数校验:sen.1Zset.ABZAB52.450.4304.37>1.5（式4-16）才两足要求作为下段线路远后备保护灵敏度系数校验:Ksen.27Zset.A!c,廿R>1.87>1.2（式4-16）ZabZbc0.4300.440满足要求。动作时间：（根据题目给的C处的动作时限是1.6s）田段保护的时间整定是由与之配合的相邻设备保护动作延时的基础上多出个时间级差ttABtCt1.60.52.1s（式4-16）3.2 方案讨论经过上面的方案讨论，我们可以知道，纵联差动保护显然不适合用在本题所示的电力线路中。经过进一步的参数计算，我们可以发现，虽然过电流保护简

18、单，可靠，但是由于其保护范围太小，不能满足系统的要求，所以也不适合采用。距离保护经过计算，整定值都满足要求，且能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求；再加上阻抗继电器是同时反应电压的降低和电流的增大而动作的，因此距离保护较电流保护有较高的灵敏度。其中I段距离保护基本不受运行方式的影响，而R、田段受系统运行变化的影响也较电流保护要小一些，保护区域比较稳定。综上可知，对于给定的电路系统，采用距离阶段式保护是比较可行的。I段和II段作为线路的主保护，能够满足选择性，快速性，三段作为线路的后备保护，可以满足灵敏性，可靠性。4保护装置和自动装置规划4.1 电流互感器与电压互感器的配置与选择4.1.1

19、 电流互感器保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。保护用微型电流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。保护用互感器主要要求：1、绝缘可靠，2、足够大的准确限值系数，3、足够的热稳定性和动稳定性。线路发生故障时的冲击电流产生热和电磁力，保护用电流互感器必须承受。二次绕组短路情况下，电流互感器在一秒内能承受而无损伤的一次电流有效值，称额定短时热电流。二次绕组短路情况下，电流互感器能承受而无损伤的一次电流峰值，称额定动稳定电流。保护用电流互感器分为：1、

20、过负荷保护电流互感器，2、差动保护电流互感器,3、接地保护电流互感器（零序电流互感器）。电流互感器的额定一次电压应等于或大于回路的额定一次电压，绝缘水平应满足有关标准。电流互感器的额定一次电流应根据其所属一次设备的额定电流或最大工作电流选择，并应能承受该回路的额定连续热电流、额定短时热电流及动稳定电流。同时，额定一次电流的选择，应使得在额定变流比条件下的二次电流在正常运行和短路情况下，满足该回路保护装置的整定值选择性和准确性要求或满足计量及测量准确性要求。额定一次电流的标准值为：10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、75以及它们的十进位倍数或小数。电流互感器额定二次电流有1

21、A和5A两类。对于新建发电厂和变电所，各级电压的电流互感器额定二次电流宜统一选用1A,以减轻电流互感器二次负荷，二次电缆截面可减小，节约投资。如扩建工程原有电流互感器采用5A时，额定二次电流可选用5A。一个厂站内的电流互感器额定二次电流允许同时采用1A和5A。但同一电压等级的电流互感器的额定二次电流一般采用相同电流值。所以对电流互感器选择如下：由于流过每个断路器的Igmax都一样，所以它们的型号也一样，标准电流互感器的二次额定电流为5A的。再根据前面计算得知，线路流过的最大短路电流为IBmax1.04KA,计算精确变比KlBmax1000侬208。因此查电流互感器表型号规格可知，在精55确度允

22、许的范围内，这里可以选取变比K为10000/5的。4.1.2 继电器型号查资料可知，继电器型号的选择原则有：1 一般原则，为保证继电器在正常运行、检修、短路和过电压情况下的安全，继电器应按下列条件选择： 按正常工作条件包括电压、电流、频率、机械荷载等选择 按短路条件包括短时耐受电流、峰值耐受电流、关合和开断电流等选择；按环境条件包括温度、湿度、海拔、地震等选择； 按承受过电压能力包括绝缘水平等选择； 按各类继电器的不同特点包括开关的操作性能、熔断器的保护特性配合、互感器的负荷及准确等级等选择。2再按正常工作条件选择：按工作电压选择选用的继电器，其额定电压应符合所在回路的系统标称电压，其允许最高

23、工作电压Umax不应小于所在回路的最高运行电压Uy,即Umax>Uy按工作电流选择继电器的额定电流In不应小于该回路在各种可能运行方式下的持续工作电流lg,即In>Ig3 .按短路稳定条件选择继电器短路稳定性校验的一般要求短路电流的热效应短路稳定性校验4 .按环境条件选择高压电器选择电器的环境温度选择电器的环境湿度高海拔对继电器的影响地震对继电器的影响5 .继电器的绝缘水平6 .按各类继电器的不同特点选择 额定短路开断电流的选择 额定短路关合电流的选择额定操作顺序的选择额定失步开断电流的选择额定异相接地故障电流、发展性故障电流及关于开断电流的选择 额定近区故障开断电流的选择 额定线

24、路充电开断电流、额定电缆充电开断电流、额定电容器组开断电流、额定电容器组关合涌流、额定感应电动机开断电流、额定空载变压器开断电流、额定电抗器开断电流等的选择。标准中对上述各项开断电流和关合电流未作规定，但使用中应按制造厂给出的试验数据选用。根据这些原则，选用型号为LW2-Z-、a4.6a.0.20.20.4F8的线路断路器控制开关。4.1.3电压互感器电压互感器的作用是：把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的电磁结构关系与电流互感器相比正好相反

25、。电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路的阻抗决定。当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。可以说,电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器。简单的说就是检测元件”。电压互感器一般按以下原则配置。(1)对于主接线为单母线、单母线分段、双母线等，在母线上安装三相式电压互感器；当其出线上有电源，需要重合闸鉴同期或无压，需要同期并列时，应在线路侧安装单相或两相电压互感器。(2)对于32主接线，常常在线路或变压器侧安装三相电压互感器，而在母线上安装单相互感器以供同期并联和重合闸鉴无压、鉴同期使用。(3)内桥接线的电压互感

26、器可以安装在线路侧，也可以安装在母线上，一般不同时安装。安装地点的不同对保护功能有所影响。(4)对220kV及以下的电压等级，电压互感器一般有两个次级，一组接为星形，一组接为开口三角形。在500kV系统中，为了继电保护的完全双重化，一般选用三个次级的电压互感器，其中两组接为星形，一组接为开口三角形。(5)当计量回路有特殊需要时，可增加专供计量的电压互感器次级或安装计量专用的电压互感器组。(6)在小接地电流系统，需要检查线路电压或同期时，应在线路侧装设两相式电压互感器或装一台电压互感器接线间电压。在大接地电流系统中，线路有检查线路电压或同期要求时，应首先选用电压抽取装置。通过电流互感器或结合电容

27、器抽取电压，尽量不装设单独的电压互感器。500kV线路一般都装设三只电容式线路电压互感器，作为保护、测量和载波通信公用。根据上述原则对电压互感器进行选择。1、一次电压：1.5kV110kV2、二次电压：100V、100/V3V、100/3V3、电压范围：5%170%4、额定电压CO®=0.814.2自动重合闸4.2.1 自动重合闸概述自动重合闸广泛应用于架空线输电和架空线供电线路上的有效反事故措施(电缆输、供电不能采用)。即当线路出现故障，继电保护使断路器跳闸后，自动重合闸装置经短时间问隔后使断路器重新合上。大多数情况下，线路故障（如雷击、风害等）是暂时性的，断路器跳闸后线路的绝缘性

28、能（绝缘子和空气间隙）能得到恢复，再次重合能成功，这就提高了电力系统供电的可靠性。少数情况属永久性故障，自动重合闸装置动作后靠继电保护动作再跳开，查明原因，予以排除再送电。一般情况下，线路故障跳闸后重合闸越快，效果越好。由于输电线路上发生的故障绝大多数是暂态性故障。因此，在线路被断开以后再进行一次重合闸，就有可能提高供电的可靠性。当然，重新合上断路器的工作可由运行人员手动操作进行。但因停电时间过长，用户的电动机多数可能停转，效果就不显著。为此,在电力系统中广泛地采用自动重合闸装置，当断路器跳闸以后，它能够自动地将断路器合闸。在线路上装设自动重合闸装置以后，由于它不能判别是暂时性故障还是永久性故

29、障，因此，重合闸后就有可能成功（即恢复供电），也可能不成功。根据运行资料统计，重合闸的成功率（重合闸的成功数与总动作数之比）在60%90位问，可见其成功率是相当高的4.2.2 自动重合闸基本要求对1kV及以上的架空线和电缆与架空线的混合线路，当其上有熔断器时，就应装设自动重合闸；在用高压熔断器保护的线路上，一般采用自动重合熔断器；此外，在供电给地区负荷的电力变压器上，以及发电厂和变电所得母线上，必要时也可以装设自动重合闸。对自动重合闸的基本要求为：4.2.3 情况下，自动重合闸装置不应动作。1、由值班人员手动操作或通过遥控装置将断路器断开时。2、手动投入断路器，由于线路上存在故障，随即由保护动

30、作将其断开.因为在这种情况下，故障大多都是属于永久性的。它可能是由于检修质量不合格、隐患未能消除或者是保安地线没有拆除等原因造成的。因此，即使再重合一次也不可能成功。3、在某些不允许重合的情况下例如，断路器处于不正常状态（如气压、液压降低等）以及变压器内部故障，差动或瓦斯保护动作使断路器跳闸时，均应使闭锁装置不进行重合闸。(2)当断路器由继电保护动作或其他原因而跳闸后，重合闸都应该动作，使断路器重新合闸。(3)自动重合闸装置的动作次数应符合预先的规定。(4)自动重合闸在动作以后，一般应能自动复位，准备好下一次再动作。但对110kV及以下电压的线路，如当地有值班人员时，为简化重合闸的实现，也可以

31、采用手动复归的方式。(5)自动重合闸装置的合闸时间应能整定，并有可能在重合闸以前或重合闸以后加速继电保护的动作，以便更好地与继电保护相配合，加速故障切除。(6)双侧电源的线路上实现重合闸时，应考虑合闸时两侧电源间的同步问题，并满足所提出的要求。4.2.3自动重合闸的配置原则一般选择自动重合闸类型可按下述条件进行：1、110kV及以下电压的系统单侧电源线路一般采用三相一次重合闸装置。2、220kV、110kV及以下双电源线路用合适方式的三相重合闸能满足系统稳定和运行要求时，可采用三相自动重合闸装置。3、220kV线路采用各种方式三相自动重合闸不能满足系统稳定和运行要求时，采用综合重合闸装置。4、

32、330550kV线路，一般情况下应装设综合闸装置。5、在带有分支的线路上使用单相重合闸时，分支线侧是否采用单相重合闸，应根据有无分支电源，以及电源大小和负荷大小确定。6、双电源220kV及以上电压等级的单回路联络线，适合采用单相重合闸；主要的110kV双电源单回路联络线，采用单相重合闸对电网安全运行效果显著时，可采用单相重合闸。根据自动重合闸配置原则，本题给的系统电压等级为35KV所以一般情况采用三相一次重合闸装置。具原理图如图4-1示。图4-1三相一次重合闸原理框图4.2.4自动重合闸的时限整定现在电力系统广泛使用的重合闸都不区分故障是瞬时性的还是永久性的。对于瞬时性故障，必须等待故障点的故障消除、绝缘强度恢复后才有可能重合成功，而这个时间与湿度、风速的气候条件有关。对于永久性故障，除考虑上述时间外，还要考虑重合到永久故障后，断路器内部的油压、气压的恢复以及绝缘介质绝缘强度的恢复等，保证断路器能够再次切断短路电流。按照以上原则确定的最小时问，称为最小重合闸时间，实际使用的重合闸时间必须大于这个时间，根据重合闸在系统中所起的作用具体计算。对于单侧电源线路的三相重合闸，其主要作用是尽可能缩短电源中断的时间，重合闸的动作时限原则上越短越好，应按照最小重合闸时间整定。其重合闸的最小时间确定原则：(1)断路器跳闸后，负荷电动机向故障点反馈电流的时间；故障点