35KV变电站继电保护课程设计

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

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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,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= 0.05/0.1； 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2×31.5MVA ； 35±4×2.5%/11kV ；Uk%=7.5%

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25MVA；XL-2最大负荷20MVA；XL-3最大负荷10MVA；XL-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-1250.8523

XL-2200.8512

XL-3100.851 1.5

XL-4150.8511

XL-5100.8512

XL-6100.8523

A 站：有两台双卷变压器容量为2×31.5MVA ； 35±4×2.5%/11kV ；Uk%=7.5%

运行方式：以C1、C2全投入运行，线路1~2全投。运行为最大运行方式以C1停运，仅考虑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。

·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

C1 C2

图3 系统等效电路图（各阻抗计算见3.3）3.2基准参数选定：

基准参数选定

S B =100MVA，U

B

=Uav即：35kV侧U

B

=37KV，10kV侧U

B

=10.5KV。

I

B1=U

S

B

B

3=100/ 3 ×37=1.56KA

I B2=U

S

B

B

3=100/ 3 ×10.5=5.5KA

阻抗计算（均为标幺值）

1） C1系统：最大方式X

1=0.05 最小方式X

1

=0.1

C2系统：最大方式X

2=0.1 最小方式X

2

=0.12

2) 线路：L1：X

3=l

1

X

1

S

B

/V

B

2=0.4×10×100/372=0.29

L2：X

4=l

3

X

1

S

B

/V

B

2=0.4×13×100/372=0.38

3) 变压器： X 5=X 6=（U k %/100）S B /S=7.5/100×100/31.5=0.238 4) 10KV 侧线路： X L1= l 1X 2S B /V B 2 =0.08×3×100/10.52/2=0.109

X L2= l 1X 2S B /V B 2 = 0.08×2×100/10.52

=0.145

X L3

= l 1X 2S B /V B 2 =0.08×1.5×100/10.52

=0.109

X L4

= l 1X 2S B /V B 2 =0.08×1×100/10.52

=0.07 X L5= l 1X 2S B /V B 2

=0.08×2×100/10.52

=0.145

X L6

= l 1X 2S B /V B 2 = 0.08×3×100/10.52

/2=0.109

4 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： X 1=X c1+X l1＝0.34 X 8= X 2+X 4＝0.48

X 12=X 1*X 2 /（X 1 +X 1 ）＝0.2 X= X 12+X 1＝0.438

故知35KV 母线上短路电流：I d1max =I B1/X 9=1.56/0.2=7.8(KA) 10KV 母线上短路电流: I d2max =I B2/X 10=5.5/0.438=12.56(KA) 折算到35KV 侧: I d21max =I B1/X 10=1.56/0.438=3.56(KA) 对于d3点以X L6计算 I 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。

C2

0.5

35KV d1

0.238 10KV

d 2

XL1=0.109

d3

因C1停运,所以仅考虑C2单独运行的结果；X 11=X 8+X 5=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 11=5.5/0.738=7.45(kA)

折算到35KV 侧：

I d2lmin = I B1/X 11=1.56/0.738=2.11(kA)

对于d3以X L1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

set I 1=m ax 1d I

rel I K

式中：rel I K —可靠系数，采用1.2；

代入数据得 I

set I 1=1.2×3.56=4.272

I

set I 2=rel

I

K m ax 1d I =1.2×7.8=9.36

保护范围校验 I

set I =m in 1d I =3.12 >15% 符合要求

限时电流速断保护:

启动电流 II set I 2=II rel K I set I 1 II rel K —可靠系数，采用1.1； 代入数据 II set I 2=1.1×4.272=4.6992

灵敏性校验 sen K =II

set B I I 2

min 2=6992.445.723?=1.37 >1.3 取d2处短路 定时限过电流保护: 启动电流

max

L re

ss III

rel III

set

I K K K I

= III

rel K —可靠系数，采用1.15；

ss K —自启动系数，采用1.2； re K —返回系数，采用0.85；

max L I =re K 1B I =1.3×1.56=2.028

代入数据 III set I =

29.385

.0028

.22.115.1=??

灵敏度校验 sen K =98.129

.35

.6min 3==III

set d I I >1.2 符合

10kv 线路保护整定计算

电流速断保护整定 基准参数

设KV U U MVA S av B B 5.10,100===则

A U S I

B B B 5.55

.103100

322=?==

（1）线路L1

1）一次侧动作电流整定计算 459.50109.05

.55.5*1

max .1.2===

L k X I 596.65459.503.13.1max .1.2=?=≥I

k set I I

2)继电器动作电流

273.0240

596.651,=?==I

i set con r

set K I K I

同理求得线路的整定数据如下表所示

6 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250~300cm 2整定，本设计采用280 cm 2。

重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为0.6~1.5 cm 2整定本，本设计采用0.9 cm 2。

瓦斯继电器选用FJ 3-80型 。

6.2纵联差动保护：选用BCH-2型差动继电器。 6.2.1 计算Ie 及电流互感器变比，列表如下：

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≥K K Ibp (1)

利用实用计算式： I dz1=K K（K fzq K tx fi+U+fza）Id2lmax

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5%。

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) ×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

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= 1.3×519.8=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= 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=1.3×900.3=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： I dz1=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 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=25（匝）

继电器的实际动作电流 I dzjI=Awo/ W cdZ=60/25=2.4（A）

保护装置的实际动作电流 I dzI= I dzjI N l/K jx=2.4×200/ 3 =277.1A 6.2.4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 phjsⅡ=W cdz/I e2JI-W cdz

=25×(4.5/4.33-1)=0.19(匝)

故，取平衡线圈实际匝数W phzⅡ=0

工作线圈计算匝数W gzⅡ= W phzⅡ+W cdz=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Δf za

Δf za= (W phjsⅡ- W phzⅡ)/( W phjsⅡ+ W cdz)

=(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。

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=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=1.2×519.8/0.85=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/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

=0.866×1×7.45/6.35=1.66>1.2

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=K k I e1/K f=1.05×519.8/0.85=642.1(A)

I dzJ= 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：