主变保护与线路保护课程设计

第一章绪论1.1继电保护概述研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策和反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以沿称继电保护。继电保护装置组成继电保护装置：就是指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。继电保护一般由三个部分组成:测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如下图所示。继电保护的基本任务图1—3继电保护装置的原理结构图1、 发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。2、 反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件而动作于信号，以便值班员及时处理，或由装置自动进行调整，或将那些继续运行就会引起损坏或发展成为事故的电气设备予以切除。3、 继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可靠性。继电保护的基本原理及分类1、继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。2、 故障后，工频电气量变化的主要特征及可以构成的保护：（1） 电流增大，构成电流保护。（2） 电压降低，构成低电压保护。（3） 电流与电压之间的相位角改变，构成功率方向保护。（4） 测量阻抗发生变化，构成距离保护。（5） 故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化，构成差动保护。（6） 不对称短路时，出现相序分量，构成零序电流保护、负序电流保护和负序功率方向保护。3、 按作用的不同继电保护又可分为主保护、后备保护和辅助保护。主保护是指被保护元件内部发生的各种短路故障时，能满足系统稳定及设备安全要求的、有选择地切除被保护设备或线路故障的保护。后备保护是指当主保护或断路器拒绝动作时，用以将故障切除的保护。后备保护可分为远后备和近后备保护两种。远后备是指主保护或断路器拒绝时，由相邻元件的保护部分实现的后备；近后备是指当主保护拒绝动作时，由本元件的另一套保护来实现的后备，当断路器拒绝动作时，由断路器失灵保护实现后备。对继电保护的基本要求1、 选择性----指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。2、 速动性----指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。3、 灵敏性----电气设备或线路在被保护范围内发生故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量，灵敏系数越大，则保护的灵敏度就越高，反之就越低。4、 可靠性----是对继电保护最根本的要求。要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。同时要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。第二章 降压变电所继电保护的规划系统分析及其继电保护要求由降压变电所的一次部分设计可知：该变电所有两路电源，正常运行一路运行一路备用。且系统要求，只有在工作电源停电时才允许备用电源供电。系统正常供电为35KV单电源供电，10KV侧采用单母线分段接线。本厂绝大部分用电设备均属于长期连续负荷，要求不间断供电。停电时间超过两分钟将造成产品报废；停电时间超过半小时，主要设备池，炉将会损坏；全厂停电将造成严重经济损失，故主要车间及辅助设施均为I类负荷。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。系统故障分析在该变电所一次部分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。2.2.1线路故障主要故障为单相短路接地、相间短路和三相短路。2.2.2电力变压器的故障：分为外部故障和内部故障两类。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。变压器的内部故障包括绕组的相间短路，接地短路，匝间短路以及铁芯的烧损等，对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因为油箱内出现故障时，所产生的电弧，将会引起绝缘物质的剧烈变化，从而有可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加以切除。变压器的不正常运行过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及不允许油面下降。10KV线路的继电保护装置相间短路保护对于不带电抗器的单侧电源线路，应装设电流速断保护和过电流保护。（根据《电力工程电气设备手册》[1]1991年能源部西北电力设计院编P707）其中电流速断保护为主保护。单相接地短路保护在一次部分设计中，10KV母线上安装的电压互感器上有一个线圈是测量零序电压，在单相接地电流能满足保护的选择性和灵敏性时，应装设动作于信号的单相接地保护。主变压器继电保护装置为反映油箱内部各种短路故障和油面降低，对于0.8MVA及以上的油浸式电力变压器和户内0.4MVA以上变压器应装设气体保护。（根据《继电保护原理》⑵ 2004年第三版刘学军主编中国电力出版社P256）在一次部分设计中，选择的变压器容量为5MVA。所以变压器的主保护要装设瓦斯保护。对于10MVA以下变压器且过电流时限大于0.5s时，应该装设电流速断保护；对于2MVA以上变压器，当电流速断保护的灵敏度系数不满足要求是，则宜于装设纵联差动保护。（根据《继电保护原理》[3]2004年第三版刘学军主编中国电力出版社P256）这里我们选择电流速断保护。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：主保护：瓦斯保护（以防御变压器内部故障和油面降低）、电流速断保护（以防御变压器绕组、套管和引出线的相间短路）。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）。异常运行保护和必要的辅助保护：温度保护（以检测变压器的油温，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）。本设计的继电保护原理10kV线路电流速断保护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星形接线方式，采用无时限电流速断保护。10kV线路过电流保护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。变压器瓦斯保护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。变压器电流速断保护电流速断保护装设在变压器的电源侧，由瞬动的电流继电器构成。电源测为中性点不直接接地系统，电流速断保护为两相式。采用两相不完全星型接线。它与瓦斯保护互相配合，可以保护变压器内部和电源测套管及引出线上全部故障。2.5.5变压器的相间短路保护的后备保护本设计变压器相间短路保护的后备保护采用过电流保护。它作为保护变压器负荷侧母线短路引起的变压器过电流，这是主保护。同时作为变压器差动保护和馈线保护的后备保护。对于变压器的差动保护来说，是近后备保护；对于馈线保护来说，是远后备。它安装在电源侧2.5.6变压器的过负荷保护在经常有人值班的情况下，过负荷保护通常作用于信号。变压器的过负荷电流，在大多数的情况下都是三相对称的，因此过负荷保护只需要接入一相电流各侧负荷保护均经同一时间继电器延时发出信号。在双绕组降压变压器上，过负荷保护装与高压侧。第三章 短路电流的计算在电力系统中运行的电气设备，在其运行中都必须考虑到发生的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各种形式的短路，短路是电力系统的严重故障。所谓短路是指一切不属于正常运行的相与相之间或相与地之间发生通路的情况。短路电流的原因发生短路的主要原因是由于电力系统的绝缘被破坏。在大多数情况下，绝缘的破坏多数是由于未及时发现和未及时消除设备中的缺陷，以及设计、安装和运行维护不当所致。短路的类型三相系统中短路的基本类型有：三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。除了上述各种短路以外，变压器或电机还可能发生一相绕组相匝间或层间短路等。根据运行经验统计，最常见的事单相接地短路，约占故障总数的60%，两相短路约占15%，两相接地短路约占20%，三相短路约占5%。三相短路虽少，但不能不考虑，因为毕竟有发生的可能，并且对系统运行有着十分不利的影响。单相短路虽然机会多短路电流也大，但可以人为的减小单相短路电流数值，是单相短路电流最大可能值不超过三相短路电流的最大值。3.3短路电流的计算进行短路电流计算时，首先应收集相关的资料，如电力系统接线图、运行方式和各元件的技术参数等。然后绘制计算电路图。然后再根据对短路点做出等值电路图，利用网络变化规则，将其逐步简化，求出短路回路总电抗。最后根据总电抗即可求出短路电流值。以下分别讨论计算电路图、等值电路图和短路总电抗的确定。

10kV母线与10kV配电线路末端的短路电流差别较小，故只计算主变压器高压侧和低压侧两边的短路电流即短路点确定在主变压器的高低压两侧。Sbe-2^31500KVA图3.1短路电流计算模型图1、短路等值电路图

图3.2基本等值电路图最大运行方式的等值电路图图3.3最大运行方式的等值电路图图3.3图3.4 最小运行方式的等值电路图2、短路电流计算设基准容量为S=1000MVA, 基准电压U1=35KV,U2=10KVU%=1(U高-中％+U高-底%-U中-底％)S1 21 ~ /=2(10.5+17-6)=10.751u%=2(U高-中%+u底-中%-U高-底％)1=2(10.5+6-17)=-0.25

在最大运行方式下:基准容量为；S.基准容量为；S.=1000MVAUb=UvIK-1S—B<3IK-1S—B<3Uav1000；3x3715.6KAIK-2S_B—<3Uav1000<3x10.5=55KA电力系统的电抗标幺值S 1000MVA 0.521918MVA%S%S B100SN1075x1000=341100x31.5 •Us^=-0.25x1000=-0.08100S 100x31.5N线路X*=x*l*&=0.417x5x1000=1.464 0 U2 372av电力变压器(双线圈)S11-5000/35:X*5U%Sr=7x1000=14100SB-100xX*5Nk-1短路时:X* =0.52+3'41-0.08+1.46=3.645s(k-1) 2三相短路周期分量的有效值I*=—k-1—=''6=4.28KA

k-1X* 3.645S(K-1)三相短路次暂态电流和稳态电流I-1=I”⑶=1(3)=4.28KA三相短路冲击电流"）=®K/"（3）=V2X1.8X4.28=10.9KA三相短路容量S（3）=-^—=-1000=274.3MVAk-1 X* 3.645亳阵1）K-2点短路时：X* =0.52+3・41-0.08+1.46+14=17.645s（k-2） 2三相短路周期分量的有效值I（3）=—k-2—=———=3.12KA

k-2 X弟2）17.645三相短路次暂态电流和稳态电流I⑶=I（3）=I⑶=3.12KA

k一2 3三相短路冲击电流I（3=®KI”（3）=捉X1.8X3.12=7.94KA三相短路容量S（3）=S/X*, =1000=56.67MVAk-2 b 皿-2）17.645表3.1 最大运行方式下，三相短路，各点计算值短路点计算点I⑶(KA)kI"(3)(KA)I⑶(KA)3i3(KA)shk-1点4.284.284.2810.9k-2点3.123.123.127.94工作电源停用，备用电源时投入时查手册得（根据上述方案比较中10KV架空线选LGJ-70），查手册得（网上查资料）：X0=0.358Q/km。Xl=7x0.358=2.506Q架空线路标幺值X广Xl-U=a5。6X蚩=2登av

周期分量有效值Ik-周期分量有效值Ik-2S_B—43uav口虬=55®<3x10.5TOC\o"1-5"\h\zI（3）—k-2=55=2.42KA

k-2 X* 22.7L三相短路次暂态单流和稳态电流I（3）—I”（3）—I（3）=2.42KA

k一2 3三相短路冲击电流i⑶—J2KI"（3）=2x1.8x2.42—6.17KAch im最小运行方式下：K-1短路时：X.1）=0.52+（3.41-0.08）+1.46—5.31三相短路周期分量有效值I（3）——k-1——'6—2.94KA

k-1 X* 5.31E（k-1）三相短路次暂态电流和稳态电流/⑶=I”⑶=I（3）=2.94KA三相短路冲击电流i⑶=J2KI"（3）—巨x1.8x2.94—7.4KATOC\o"1-5"\h\zch im两相短路电流.、.：3 ,/3I⑵—二I⑶—工x2.94—2.55KA

k-1 2k-1 2三相短路的容量S⑶-旦1—1000—188.3MVAk-1X* 5.31£k-1K-2点短路时两相周期分量有效值TOC\o"1-5"\h\zI（3）=—^-2—=———=2.85KA

k-2 X* 19.31S（k-2）.育\o"CurrentDocument"I（2）=」x2.85=2.47KAk-2 2三相短路次暂态电流和稳态电流Ik3i=I"（3）=1（3）=2.85KA三相短路冲击电流\o"CurrentDocument"i⑶=技KI"（3）=互x1.8x2.85=7.27KAch im三相短路容量S⑶=S/X七、=1000=51.79MVAk-2 B £（k-2）19.31表3.2 最小运行方式下，三相短路，各点计算值短路点计算点I⑶(KA)kI"(3)(KA)I⑶(KA)i3(KA)chk-1点2.942.942.947.4k-2点2.852.852.857.24新增短路点k-3计算:为了方便10KV线路保护的整定计算，这里新增一个短路点k-3。K-3在-线路上最大配变二次侧。图3.5在最大运行方式下的等值电路图图3.6图3.6在最小运行方式下的等值电路图最大配电变压器的容量为1250KVA,它的阻抗标幺值为X*X*_U%七_4.5x1000_36；3_100S：_100x1.25_ ；『_S_1000。-3=顶厂=?3而5_5面avK-3短路时：在最大运行方式下X* _0.52+3'41-0.08+1.46+14+36_53.6s(k-3) 2两相短路电流的周期分量：I⑶k-3I⑵k-3_—k-2—=55I⑶k-3I⑵k-3X.2)53.6、•:3_—x1.03_0.89KA2在最小运行方式下X*2_0.52+(3.41-0.08)+1.46+36_55.31两相短路电流的周期分量：I(3)_—k-2—_ —_0.99KA*-3 X* 55.31S(k-2)I(2)x0.99_0.86KAk-3 2K-3在最大/最小运行方式下的三相短路电流值短路点K-3I⑶(KA)k-3"2)(KA)k-3最大运行方式1.030.89最小运行方式0.990.86第四章 主变压器保护的整定计算瓦斯保护的整定轻瓦斯保护的动作值，一般保护继电器气体容积整定范围为250〜300cm2,在这里选择270cm2（根据《电力工程电气设备手册》[4]1991年能源部西北电力设计院编P604）.气体容积的整定范围是通过利用调节重锤的位置改变的。重瓦斯保护的动作的油流速度整定范围为0.6〜1.5m/s根据《电力工程电气设备手册》[5]1991年能源部西北电力设计院编P605），这里选择0.9m/s.在整定油速时均以导油管中的流速为准。瓦斯继电器选择FJ3-80型，其原理接线图如下：图6-36变压器瓦斯保护原理电路图丁一电力查庄器KG瓦斯继电器KS信号继电器KM一中间继电器QF…高压断路器YR一断路器跳俐线圈XB-连接片 2?—限流电阻电流速断保护整定计算（1）按躲过变压器负荷侧母线上K-2点短路时流过的最大短路电流计算。即1OP=KrelIK2,max；Krel-可靠系数，对DL1。型继电器，取1.3〜1.4。选择1.3Ik2,max-外部短路时流过保护的最大三相短路电流。带入数字计算得，Op=KrelXIk2max=1-3X3.12KA=4.056KA。电流数据来自第三章短路电流计算在最大运行方式下K-2短路点的发生三相短路时短路电流为3.12KA。由一次部分设计可知：在35KV侧电流互感器的变比为100/5A，10KV侧电流互感器的变比为300/5A。（2）按躲过变压器空载投入时的励磁涌流计算，通常取其动作电流IOp大于3〜5倍的变压器额定电流ITN，这里选择倍数为4。即IOP=4XITN=4X；^=1'1KAo取这两种情况下的最大动作电流值作为整定值，即电流速断继电器的整定值为4.056KA（一次侧的整定值）。由一次部分设计可知：在35kV侧电流互感器的变比为100/5A，10KV侧电流互感器的变比为300/5A。继电器动作电流值：由于其继电器是安装在电源侧，将所得的整定一次值归算到电源侧。I，=I：芸=4056:3.33=1218AOPOP10.5I=0=12^8=60.9A

0PrNta20选择电流继电器DL-25C，整定值为70AI（2） / 一一灵敏度校验：K•=k2,min/［；式中I（2）--系统在最小运行方式下，变压器； ，s,min OP k2,min电源侧引出端发生两相金属短路时，流过保护装置的最小短路电流。IOP-动作电流值。带入数据计算，将第三章短路电流计算中在最小运行方式下K-1点的两相短路电流归算到K-2点。即I（2） =2.55KAX立=8.5KA。按保护范围末端短路TOC\o"1-5"\h\zk2,min 10.5进行校验，灵敏系数不小于2。1（2） /K.=k2,min/I =冬=2.1>2。灵敏度校验满足要求。s，min /IOP 4.056定时限过电流保护整定计算保护装置的动作电流IOP按躲过变压器的最大负荷电流ITL,max整定。即IOP=*ITL,max；式中Krel-可靠系数，取1.2〜1.3。本设计选择1.2。Kre-返回系数，

取0.85。根据一次部分设计的主接线方案可知，变电所只有一台主变。所以变压器最大负荷电流按考虑负荷中电动机自启动时的最大电流，艮PiTL,max=kssitn；式中KSS-自启动系数，其值与负荷性质及用户与电源间的电气距离有关，对于110KV降压变电所的6〜10KV侧，KSS=1.5〜2.5；35KV侧KSS=1.5〜2（根据《继电保护原理》[3] 2004年第三版刘学军主编中国电力出版社P280）。这里KSS=1.5。艮口I=Ji=^relXKXI=uX1.5X5000=174.6A（均为一次值）OPKreTL，maxKreSSTN0.85 "3X35IOPrIIOPrIOPNTA174.6—=5.04A60"3选择电流继电器DL-24C,电流整定值设为6AI（2） / 一一灵敏度校验：k=k2，min/1；式中i（?.-系统在最小运行方式下，灵敏度s,mm /aop k2,min校点发生两相金属短路时，流过保护装置的最小两相短路电流。近后备保护，取变压器低压母线作为校验点，要求Ks,mln=1.5〜2；作为远后护，取相邻线路末端为校验点，要求Ks,mln=1.2或>1.2。按过电流保护作为近后备范进行校验，灵敏系数不小于1.2。由此可知I£）.k2,mln=2.47KA（数据来自第三章短路电流的计算）。归算到高压侧得：I#）'.=k2,mln2470X105=741A即35t（2） —一 K.=k2,min=^41=4.2>1.2，灵敏度满足要求。s,min IOP 174.6变压器的过负荷保护整定计算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。它的动作电流将=尚%；式中Krel=1105；Kre=眼5。【TN=卷=皿牌I =^relI =105X82.5=102A（一次值）OPKreTN0.85延时时限t=10s,以躲过电动机的自启动。她不需要灵敏度的校验。选择时间继电器DS-25,时间整定为10s。第五章 10KV侧线路保护的整定计算5.1电流速断保护的整定由于10kV线路一般为保护的最末级，或最末级用户变电所保护的上一级保护。所以，在整定计算中，定值计算偏重灵敏性，对有用户变电所的线路，选择性靠重合闸来保证。5.1.1 瞬时电流速断（电流I段）整定计算其动作电流在最大运行方式下按躲按躲过线路上配电变压器二次侧最大短路电流整定。叮OP=KrelIK3,max；式中Krel—可靠系数，考虑到短路电流计算与继电器整定误差以及一次短路电流中的非周期分量对保护的影响，当采用DL-10型电磁型电流继电器时取1.2〜1.3,当采用GL-10型感应型电流继电器时取1.5〜1.6。这里选择1.3.IK3,max—最大运行方式下，最大配变二次侧发生三相短路时，一次侧暂态短路电流周期分量有效值，即I售〃=1.03陪IOP=KrelIK2,max=1.3X1.03KA=1.34KA继电器动作电流值：T=Io^=!^=22.3AOPrNta60TA选择电流继电器DL-25C,电流整定值设为25A（2）灵敏度校验：K=Lmin.式中I（2） -系统在最小运行方式下，本线路发生： ，七，s,minIop k2,min两相金属短路时，流过保护装置的最小两相短路电流。I（2）.=2.47KA。k2,mint（2）K.=k2,min=2470=1.85>1.5 灵敏度满足要求。s，min Iop 1340动作时限为0s。因此10KV线路保护只需要装设无时限电流（电流I段）速断保护。线路过电流（后备）保护整定计算Km*K其动作电流按躲过线路上最大的负何电流来整定计算。即/III= s^op1KreXILmax，式中K?：］一可靠系数，一般取1.15〜1.25.这里取1.25进行计算。Kre-返回系数，取0.85。KSS-自启动系数，其值与负荷性质及用户与电源间的电气距离有关，对于110KV降压变电所的6〜10KV侧，KSS=1.5〜2.5；35KVSS侧KSS=1.5〜