35kv变电站课程设计

1 引言

继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流、电压、功率、频率等)的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。大多数情况下，不管反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分(和定值调整部分)、逻辑部分、执行部分。

电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件，设备及人为因素的影响（如雷击，倒塌，内部过电压或者运行人员误操作等），电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见，危害最大的故障是各种形式的短路。

电力生产发、送、变、用的同时性，决定了它的一个过程重要性，电力系统要通过设计，组织，以使电力能够可靠，经济的送到用户，对供电系统最大的威胁就是短路故障，它给系统带来了巨大的破坏作用，因此我们必须采取措施来防范它。

继电保护装置的基本任务是：自动，迅速，有选择性将系统中的切除，使故障元件损坏程度尽量可能降低，并保证该系统相符故障部分迅速恢复正常运行。反映电器元件的不正常运行状态，并根据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号，减负荷或者延时跳闸。

继电保护及自动化是研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。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件（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。基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。

2 概述

2.1 设计依据

2.1.1 35kV变电站继电保护设计任务书

2.1.2 《电力系统继电保护》（中国电力出版社）

2.2 设计规模

本设计为35KV降压变电所。主变容量400KVA，电压等级为35/10KV。

2.3 设计原始资料

2.3.1 35KV变电站主接线图

图2.1 35KV变电站主接线图

2.3.2 主要参数

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。

A 站：有两台双卷变压器容量为2×31.5MVA 35±4×2.5%/11kv ；Uk%=8%。

35KV线路X1=0.4Ω/km ；10KV电缆线路R=0.45Ω/km ，X=0.08Ω/km。

XL-1 最大负荷10MVA ；XL-2最大负荷15MVA ；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-6为双回线。

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。

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。

3.2 本系统故障分析

3.2.1 系统线路主要的故障

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。

3.2.2 电力变压器的故障

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。

变压器的内部故障有相间短路、绕组的匝间短路和绝缘损坏。

3.2.3 变压器的不正常情况

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。

3.3 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：3.3.1 单回出线保护

适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

适用于印染厂、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的后备保护。

3.4 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：

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：

3.4.1 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）。

3.4.2 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）。

3.4.3 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）。

3.5 变电所的自动装置

3.5.1 瞬时故障的继电保护

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10MV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。3.5.2 提高供电可靠性：

针对变电所负荷性质，缩短备用电源的切换时间，提高供电的不间断性，保

证人身设备的安全等，本设计在35KV母联断路器（DL

1）及10MV母联断路器（DL

8

）

处装设备用电源自动投入装置（BZT）。

3.5.3 保证系统电能质量

频率是电能质量的基本指标之一,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10MV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。

3.6 本设计继电保护装置原理概述

3.6.1 10MV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，本设计选用无时限电流速断保护。

3.6.2 10MV线路过电流保护

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。

3.6.3 平行双回线路横联方向差动保护

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。

3.6.4 变压器瓦斯保护

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

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。

4 短路电流计算

4.1 系统等效电路图

C1 C2

1 2

X1 X2

3 4

0.00292 0.00380

DL1 d1

5 6

0.1625 0.1625

DL2 d2

X L

d3

图4.1系统等效电路图（各阻抗计算见3.3）

4.2基准参数选定：

S B=1000KVA，U B=Uav即：35kV侧U B=37KV，10kV侧U B=10.5KV。

4.3阻抗计算（均为标幺值）：

1） C1系统：最大方式X

1=0.06 最小方式X

1

=0.12

C2系统：最大方式X

2=0.1 最小方式X

2

=0.15

2) 线路：L1：X

3=l

1

X

1

S

B

/V

B

2=0.4×10×1/372=0.00292

L2：X

4=l

3

X

1

S

B

/V

B

2=0.4×13×1/372=0.0038

3)变压器： X

5=X

6

=（U

k

%/100）S

B

/S=6.5/100×1/0.4=0.1625

4) 10KV侧线路：X L1=l

1X

2

S

B

/V

B

2=0.45×3×1/10.52=0.012

X L2=l1X2S B/V B2=0.45×2×1/10.52=0.0082

X L3=l1X2S B/V B2=0.45×1.5×1/10.52=0.0061

X L4=l1X2S B/V B2=0.45×1×1/10.52=0.0041

X L5=l1X2S B/V B2=0.45×2×1/10.52=0.0082

X L6=l1X2S B/V B2=0.45×3×1/10.52/2=0.006 4.4短路电流计算：

1）最大运行方式：

其中： X 7=X 1+X 3＝0.063 X 8= X 2+X 4＝0.104

X 9=X 7∥X 8＝0.039 X 10=X 9+X 5＝0.202

据此，系统化简如图4.2和4.3所示。

故知35KV 母线上短路电流：I d1max =I B1/X 9=0.0156/0.183=0.4(KA) 10KV 母线上短路电流: I d2max =I B2/X 10=0.055/0.202=0.272(KA) 折算到35KV 侧: I d21max =I B1/X 10=0.0156/0.202=0.077(KA) 对于d3点以X L6计算 I d3max =5.5/(0.202+0.006)=0.208(KA) 最大运行方式图：

C1 C2

7 8 0.063

0.104

35KV

d1

5 0.1625 10KV d2

X L d3

9 35KV 0.039

d1

5

0.1625 10KV

d 2

X L

d3

图4.3最大运行方式图

图4.2 最大运行方式图

2) 最小运行方式下:系统化简如图4.4所示。

因C1停运,所以仅考虑C2单独运行的结果；X 11=X 8+X 5=0.267 所以35KV 母线上短路电流：I d1min =I B1/X 8=0.0156/0.104=0.15(kA) 所以10KV 母线上短路电流：I d2min =I B2/X 11=0.055/0.267=0.206(kA)

折算到35KV侧： I

d2lmin = I

B1

/X

11

=0.0156/0.267=0.058(kA)

对于d3以X

L6进行计算 I

d3min

=0.055/(0.267+0.006)=0.201(kA)

折算到35KV侧：I

d3lmin

= 0.0156/(0.267+0.201)=0.033(kA) C2

8

35KV 0.48 d1

5

0.003

10KV

d 2

XL6=0.371

d3

图4.4 最小运行图

5 主变继电保护整定计算及继电器选择

5.1 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FJ

3

-80型。

5.2纵联差动保护

选用BCH-2型差动继电器。

5.2.1 计算Ie及电流互感器变比

表5.1 Ie及电流互感器变比

名称

各侧数据

Y（35KV）Δ（10KV）

额定电流I

1e =S/ 3 U

1e

=103.9A I

2e

=S/ 3 U

2e

=346.4A

变压器接线方式Y Δ

CT接线方式ΔY

CT计算变比 3 I

1e

/5=180/5 I2e/5=346.4/5

实选CT变比n

l

200/5 400/5

实际额定电流 3 I

1e

/5=4.50A I2e/5=4.33A 不平衡电流Ibp 4.50-4.33=0.17A

确定基本侧基本侧非基本侧5.2.2 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≥K

K

Ibp (1)

利用实用计算式： I

dz1=K

K

（K

fzq

K

tx

fi+U+fza）Id

2lmax

式中：K

K

—可靠系数，采用1.3；

K fzq—非同期分量引起的误差，采用1；

K

tx

—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 I

dz1

=1.3×(1×1×0.1+0.05+0.05) ×8.39=218.1（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

I

dz1= K

K

Ie （2）

式中：K

K—

可靠系数，采用1.3；

Ie—变压器额定电流：

代入数据得 I

dz1

= 1.3×103.9=135.1(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= K

K

Tf

hmax

（3）

式中： K

K

—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

=1.3×103.9=135.1(A)

比较上述（1），（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值，

即：I

dz1

=218.1（A）

5.2.3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

I

dzjsI =K

JX

I

dz1

/n

l

代入数据得 I

dzjsI

= 3 ×218.1/40=9.44（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

=60/9.44=6.35(匝)

选用差动线圈与一组平衡线圈匝数之和较W

cdjsI

小而相近的数值，作为差动线圈整

定匝数W

cdZ

。

即：实际整定匝数W

cdZ

=6（匝）

继电器的实际动作电流 I dzjI =Awo/ W cdZ =60/5=12（A ） 保护装置的实际动作电流 I dzI = I dzjI N l /K jx =12×40/ 3 =277.1A

5.2.4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 Ⅱ =W cdz /I e2JI -W cdz

=6×(4.55/4.50-1)=0.06(匝)

故，取平衡线圈实际匝数W phz Ⅱ=0 工作线圈计算匝数W gz Ⅱ= W phz Ⅱ+W cdz =5(匝)

5.2.5计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差Δf za Δf za = (W phjs Ⅱ- W phz Ⅱ)/( W phjs Ⅱ+ W cdz )

=(0.06-0)/(0.06+5)=0.01

此值小于原定值0.05，取法合适，不需重新计算。 5.2.6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。 5.2.7保护装置灵敏度校验

差动保护灵敏度要求值K lm ﹥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 K lm =0.866K jx I dlmin /I dzl

=0.866×1×0.817/0.2771=2.55>2

满足要求。

5.3过电流保护

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 =K k I e1/K h

式中：K k —可靠系数，采用1.2； K h —返回系数，采用0.85；

代入数据得 I dz =1.2×103.9/0.85=146.7(A) 继电器的动作电流 Idzj=I dz /n l =146.7/(40/ 3 )=6.35(A) 电流继电器的选择：DL-21C/10

2）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：K

lm =0.866K

jx

I

d3lmin

/I

dz

=0.866×1×0.841/0.1467=4.96>1.2

满足要求。

5.4 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 =K

k

I

e1

/K

f

=1.05×103.9/0.85=128.4(A)

I

dzJ

= I

dz

/n

l

=128.4× 3 /40=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。

5.5冷却风扇自起动

I dz=0.7I el=0.7×103.9=72.74(A)

I dzJ =I

dz

/n

l

=72.74/(40/ 3 )=3.15(A)

即，当继电器电流达到3.15A时，冷却风扇自起动。

六总结

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

参考文献

[1].张保会尹项根.电力系统继电保护.第二版.北京：中国电力出版社

[2]. 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

[3]. 刘介才．工厂供电设计指导．北京：机械工业出版社

[4]. 孙力华．电力工程基础．北京：机械工业出版社

[5]. 陈珩．电力系统稳态分析．北京：中国电力出版社

[6].李光琦．电力系统暂态分析．北京：中国电力出版社