毕业设计--星元变电所继电保护设计.doc

星元变电所继电保护设计 - 1 - 第一篇 说明书 1 引 言 本设计书是根据 2007 年毕业生毕业设计任务书的要求所编写的，是为了让 毕业生适应电力系统的发展需要，使毕业生能更深刻、实际的接触电力系统的 各类相关知识。 本设计的设计课题是星元变电所继电保护设计。 继电保护是电力系统中最不可缺少的，电力系统在运行中不可避免的会出 现各种故障或不正常运行状态，这些故障或不正常运行状态若不及时正确处理， 都可能引发一系列的事故，造成电能质量降低到不能允许的程度，造成人身伤 亡及电气设备损坏等，后果之严重是不可预示的，所以必须装设继电保护装置， 尽量防止故障的发生。所以在毕业设计中，继电保护装置的选择是一个重要环 节。 本设计共分两篇。第一篇是说明书；第二篇是计算书；其中说明书包括七 部分，第一部分是引言，第二部分是运行方式分析；第三部分是继电保护概述； 第四部分是全所（厂）保护配置说明；第五部分是全所（厂）保护原理说明； 其次计算书包括两部分，第一部分是短路电流计算，主要介绍了短路电流的计 算及对线路的整定计算和灵敏度校验；第二部分是整定计算部分。 本设计书编写过程中曾遇到过各种各样的问题和困难，指导老师李晶老师 给予了宝贵的意见的精心指导，在此表示深切的谢意。 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 2 - 2 运行方式分析 2.1 运行方式分析 本次设计星元变电所继电保护设计，只有一个电源（房山电厂） ，两台变 压器（SFPS9000/220） ，主接线是双母线接线。 考虑其运行方式，原则上应尽可能使其供电系统发生事故式负荷波动时， 能起应急电源作用，能继续维持部分生产。当系统故障跳闸时，切除次要负荷， 以免发电机因过载而相继跳闸。当“解列”时发电机一种可能是处于过负荷状 态，即发电机发出功率不小于用户用电的功率，这时发电机难以维持运行。另 一种可能是发电机处于欠负荷状态，即发电机发出的功率大于用户用电功率， 过时减少热负荷发电机仍能维持正常运行。应尽量设法维持发电机正常运行， 提高发电机组运行的可靠性。 在选择保护方式及对其进行整定运行时，都必须考虑系统运行方式变化带 来的影响。所选用的保护方式，应在各种系统运行方式下都能满足选择性和灵 敏性的要求。对过量保护来说，通常都是根据系统最大运行方式确定保护的整 定值，以保证选择性，因为只要在最大运行方式下能保证选择性，在其他运行 方式也一定能保证选择性；灵敏度符合要求，在其他运行方式下，灵敏度也一 定能满足要求。对某些保护，在整定计算时，还要按正常运行方式来决定动作 值或计算灵敏度。 2.1.1 最大运行方式 根据系统最大负荷的需要，电力系统中的发电设备都投入运行（或大部分 投入运行）以及选定的接地中性点全部接地的系统运行方式称为最大运行方式。 对于继电保护来说，是短路时通过保护的短路电流最大的运行方式。 星元变电所继电保护设计 - 3 - 2.1.2 最小运行方式 根据系统最小负荷的需要，投入与之相适应的发电设备且系统中性点只有 少部分接地的运行方式称为最小运行方式。对继电保护来说，是短路时通过保 护的短路电流最小的运行方式。 2.1.3 正常运行方式 根据系统正常负荷的需要，投入与之相适应数量的发电机、变压器和线路 的运行方式称为正常运行方式。这种运行方式在一年之内的运行时间最长。对 更复杂的系统，最大、最小运行方式的判断是比较困难的，有时需要经过多次 计算才能确定。对于某些特殊运行方式，运行时间很短，对保证保护的选择性 或灵敏性有困难时，且在保护拒动或误动不会引起大面积停电的情况下，可不 予考虑。 2.1.4 单电源的运行方式 根据任务书的给定的条件，本次设计的最大运行方式是两台变压器同时运 行（容量为 290MVA） ，并且根据短路点的位置选择短路电流的路径，可得到 流过的最大电流。最小运行方式是西岭电厂单独供电给小西变电所，变电所内 只有一台变压器投入运行，根据短路点的位置选择短路电流的路径，可得到流 过短路器的最小电流（容量为 90MVA ） 。 2.1.5 双母线接线的特点 本次设计采用双母线接线，它具有两组母线：工作母线和备用母线。 每回线路都经一组断路器和两组隔离开关分别与两组母线连接，母线之间通过 母线联络断路器 CQF 连接，称为双母线接线。 由于有了两组母线，使运行的可靠性和灵活性大为提高。其特点如下： （1）检修任一母线时，通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修 一组母线而不致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电；检修任一回 路的母线隔离开关时，只需断开此隔离开关所属的一条电路和与此隔离开关相 连的该组母线，其他电路均可通过另一组母线继续运行，不会停止对用户连续 供电。但其操作步骤必须正确。例如，检修工作母线，可将全部电源和线路倒 换到备用母线上。操作步骤是：先合上母联断路器两侧的隔离开关，再合母联 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 4 - 断路器 CQF，向备用母线充电，此时，两组母线等电位，为保证不中断供电， 按先通后断原则进行操作，即先接通备用母线上的隔离开关，再断开工作母线 上的隔离开关，完成母线转换后，再断开母联断路器 CQF 及其两侧的隔离开关， 即可对母线进行检修。 （2）检修任一组母线隔离开关时，只需断开此隔离开关所属的一条电路和 与此隔离开关相连的该组母线，其它电路均可通过另一组母线继续运行。 （3）运行调度灵活，通过倒闸操作可以形成不同运行方式。例如：当母联 断路器闭合，两组母线同时运行，进出线分别接在两组母线上，即相当单母线 分段运行；当母联断路器断开，一组母线运行，另一组母线备用，全部进出线 接于运行母线上，即相当于单母线运行。 （4）检修任一断路器，只需短时停电。此时将母联断路器代替欲检修的断 路器。 2.1.6 双母线接线的缺点 双母线接线的主要缺点是：在倒母线的操作过程中，隔离开关作为操作电 器容易发生误操作；检修任一回路的断路器或母线故障时，仍将短时停电；另 外，增加了母线隔离开关的数目和有色金属消耗量，并且使配电装置结构复杂， 所以经济性能差。 为了消除上述某些缺点可以采取如下措施： （1） 正常运行时，采用单母线分段的运行方式，以减少母线故障短时停 电的范围。 （2） 为防止误操作，要求运行人员熟悉操作规程，另外在隔离开关与断 路器之间装设特殊的闭锁装置，以保证正确的操作顺序。 （3） 采用双母线分段，进一步减少母线故障影响范围。但起经济性将更 差。 为了不停电检修出线断路器，可以采用双母线带旁路母线的接线。 星元变电所继电保护设计 - 5 - 3 3 继电保护概述继电保护概述 3.1 继电保护概述 3.1.1 继电保护的作用： 由于电气设备内部绝缘的老化、损坏或工作人员的误操作、雷击、外力 破坏等原因，可能使运行中的电力系统发生故障和不正常运行情况。常见的故 障是各种形式的短路，如三相短路、两相短路、两相对地短路、中性点直接接 地系统中的一相对地短路、电气设备绕组层间和匝间短路等。各种短路均会产 生很大的短路电流，同时使电力系统的电压水平下降，从而引发如下严重后果。 （1） 短路电流产生的电弧将短路点的电气设备烧坏； （2） 短路电流通过非故障设备，由于发热和电动力的作用，很可能 使非故障元件损坏或缩短其使用寿命； （3） 电力系统电压水平下降，影响用电单位的生产，出现次品及废 品，甚至烧毁电动机； （4） 电力系统电压下降，可能破坏电力系统的稳定，使系统振荡而 导致崩溃。 电力系统中各种设备之间都有电或磁的联系，当某一设备发生故障，在很 短的时间之内就会影响到整个系统的其他部分。因此，一旦电力系统出现故障， 必须尽快将其切除，恢复正常运行，减少对用电单位的影响；而当出现不正常 运行情况时要及时处理，以免引起故障。 继电保护装置是一种能反应电力系统电气设备发生故障或不正常状态而 作用于开关跳闸或发出信号的自动装置。为了保证对用电单位的连续供电，故 障切除以后，应尽快地使电气设备再次投入运行或由其他电源和设备替代工作。 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 6 - 因此，电力系统中除了安装继电保护以外，还需装设各种自动装置，如自动重 合闸、备用电源自动投入装置以及自动低周波减载装置等。 3.1.2 继电保护的基本原理： 电力系统发生故障时，会引起电流的增加和电压的降压以及电流与电压 间相位的变化，因此电力系统中所应用的各种继电保护，大多数是利用故障时 物理量与正常时物理量的差别来构成。继电保护原理的结构方框图，如图所示。 由三大部分组成，分别为：测量部分：用来测量被保护设备输入的有关信号， 并和已给定的整定值进行比较判断是否应该启动；逻辑部分：根据测量部分输 出量的大小或性质及其组合或输出性质，使保护按照一 定的逻辑程序工作，并将信号传输给执行部分：执行部分：根据逻辑部分传输 的信号，最后去完成保护装置所负担的任务，给出跳闸或信号脉冲。 故障参数跳闸或 信号脉冲 整定值 3.1.3 对继电保护的基本要求： 根据继电保护在电力系统中所担负的任务，继电保护装置必须满足以下四 个基本要求，即选择性、快速性、灵敏性和可靠性。一般情况下，作用于断路 器跳闸的继电保护装置，应当同时满足这四个要求，而反应不正常工作状态并 作用于信号的继电保护装置，则某一部分的要求（如快速性） ，可以降低一些。 (1)选择性 电力系统发生故障时，继电保护装置应该有选择性地切除故障部分，使非 故障部分继续运行，以尽量缩小停电范围。这种性能称为继电保护装置的选择 性。即继电保护装置能正确的断开离故障点最近的故障点。 (2)速动性 速动性就是指保护快速切除故障的性能，当系统发生故障时，快速地切除 故障，可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少对用户在低电压下的工作时 间，减少故障元件的损坏程度，避免故障进一步扩大。 故障切除的时间等于继电保护装置动作时间与断路器跳闸时间之和。 即： t= QFoper tt 测量 部分 逻辑 部分 执行 部分 星元变电所继电保护设计 - 7 - 式中 t-故障切除时间； -保护动作时间； oper t -断路器跳闸时间； QF t 一般的快速保护装置的动作时间约 0.060.12s，最快的可达 0.01 0.04s。 一般的断路器的动作时间约 0.060.15s，最快的可达 0.02 0.06s。 目前油断路器的跳闸时间约 0.10.15s，空气断路器和 SF6 断路器的 跳闸时间约 0.050.06s。高压电网中快速保护装置的最小动作时间约 0.020.03s。所以切除故障的最小时间可达 0.070.09s，对不同电压等 级和不同结构的电力网络，切除故障的最小时间有不同要求。一般对 220 330KV 的电力网络为 0.040.1s，对 110KV 的电力网络为 0.10.7s，对 配电网络为 0.51.0s。目前生产的继电保护装置，一般都可满足电力网络 对快速切除故障的要求。 对动作于信号的保护装置，如过负荷保护，不要求速动行。 (3)灵敏性 即在规定的保护范围内发生故障和不正常运行状态时，继电保护装置的反 应能力。继电保护的灵敏性以灵敏系数来衡量。 a.对于反应故障时参数量增加的保护装置 灵敏系数= 保护区末端金属性短路时故障参数量最小计算值 保护装置动作参数的整定值 例如：过电流保护的灵敏系数为 .min . K sen K act I k I 式中 保护区末端金属性短路时的最小短路电流二次值； .minK I 保护装置的二次动作电流。 .K act I b.对于反应故障时参数量降低的保护装置 灵敏系数= 保护装置动作参数的整定值 保护区末端金属性短路时故障参数量最小计算值 例如：低电压保护的灵敏系数为 . .max K act sen resd U K U 式中 保护装置动作电压的二次值； .K act U 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 8 - 保护区末端短路时，在保护安装处母线上的最大残余电 .maxresd U 压二次值。 对不同作用的保护装置和被保护设备，所要求的灵敏系数是不同的，在 继电保护和自动装置设计规程中都有规定。 一般的过电流保护装置，要求灵敏系数为 1.52。 (4)可靠性： 保护装置的可靠性是指在其保护范围内、外发生故障时，该动作时应可靠 动作，不该动作时应可靠不动作。保护装置工作的可靠性是非常重要的，因为 不可靠的保护装置轻则误发警告信号，重则将扩大事故或直接造成事故。 保护装置不能可靠工作的主要原因是安装调试质量不高、运行维护不当、 继电器质量差及设计不合理等。为了提高保护工作的可靠性，必须注意以下几 个方面： 保护装置应该采取质量高、动作可靠的继电器元件和器件； 保护装置的接线应尽可能地简化，尽量减少继电器及串联接点； 提高保护装置的安装和调试质量，并加强经常性的维护管理。 保护装置的选择性、灵敏性、快速性、可靠性这四大基本要求是相互联系 而有时又互相矛盾的。在具体考虑保护的四大基本要求时，必须从全局着眼。 一般来说，在可靠性的前提下，首先要满足选择性，非选择性动作是绝对不允 许的。但是为了保证选择性，有时可能使故障的时间延长从而要影响到整个系 统的安全稳定，这时就必须保证快速性而暂时牺牲部分选择性，因为此时快速 性是照顾全局的措施。应该指出，这暂时牺牲选择性的部分，尽量用自动重合 闸或备用电源自动投入或其他措施予以补救。 一套保护装置，在满足选择性的前提下，应有较高的灵敏度。然而有时为 了保证选择性，往往需要适当地降低一些灵敏度。例如，有些保护在计算其动 作值时，为了保证选择性，就需要考虑保护装置间灵敏度的配合，这往往要适 当增加其动作值而降低其灵敏度。总之，要处理好这四大要求之间的关系，必 须根据实际情况合理地确定保护方案及正确地选择保护动作值。 3.2 常用继电器 (1)继电器的作用： 继电保护装置由若干继电器组成，继电器是一种能自动动作的电器，只 要施加一个物理量或当施加的物理量达到一定数值时，它就动作，这种动作特 性称为继电特性。 继电器一般由三个主要部分组成：感受元件，比较元件和执行元件。 (2)继电器的分类： a.按动作和构成原理分：电磁型、感应型、整流型、热力型等。 b.按反应物理量的性质分：电流、电压、功率方向、阻抗等。 星元变电所继电保护设计 - 9 - 这些继电器又隶属于反应电气量上升和反映电气量下降两大类。还有反应 非电器量参数而动作的一类继电器，如瓦斯继电器，温度继电器等。 (3)继电器的型号： 我国继电器型号的编制是以汉语拼音字母表示的，由动作原理代号，主 要功能代号，设计序号及主要规格代号所组成，其表示形式如下 ： 动作值 主要规格代号 设计序号 主要功能代号 工作原理代号 (4)与继电器有关的概念 1)动作电流：使电流继电器动合触点闭合的最小电流值，称为电流继电 器的动作电流，用 Ikact 表示。 2)返回电流：使电流继电器动合触点打开最大电流值，称为电流继电器 的返回电流，用 Ikre 表示。 3)返回系数：返回电流与动作电流的比值，即 oper res res I I K 返回系数是继电器的重要质量指标之一，对于反应参数增加的继电器， 返回系数总是小于一，反应参数减少的继电器，返回系数总是大于一。 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 10 - 4 全所（厂）保护配置说明 4.1 电力变压器保护配置的方案 电力变压器在电力系统中的地位非常重要，它的故障对供电可靠性和系统 的正常运行带来严重后果。由于绝大部分安装在户外，受自然条件的影响较大， 同时受到连接负荷的影响和电力系统短路故障的威胁，变压器在运行中有可能 出现各种类型的故障和不正常运行状态。因此，必须根据变压器容量和重要程 度装设性能良好、动作可靠的保护。 变压器的故障分为内部故障和外部故障。内故障指的是变压器油箱内绕组 之间发生相间短路、一相绕组中发生的匝间短路、绕组与铁芯或引出线与外壳 发生的单项接地短路。外部故障指的是油箱外部引出线之间发生的各种相间短 路、引出线因绝缘套管闪落或破碎通过油箱外壳发生的单项接地短路。变压器 发生故障，必将对电网或变压器带来危险，特别是发生内部故障，短路电流产 生的高温电弧不仅烧坏绕组绝缘和铁芯，而且使绝缘材料和变压器油受热分解 产生大量气体，导致变压器外壳局部变形、破坏甚至引起爆炸。因此，变压器 发生故障时，必须将其从电力系统中切除。变压器油箱外部故障包括引线及套 管处会产生各种相间短路和接地故障。 变压器不正常运行状态主要指过负荷、油箱漏油造成的油面降低以及外部 短路引起的过电流。对于大容量变压器，因其铁芯额定工作磁通密度与饱和磁 通密度比较接近，所以系统电压过高或系统频率降低时，容易过励磁。过励磁 也是变压器的一种不正常运行状态，变压器处于不正常运行状态时，应发出信 号。 为了保证电力系统安全稳定运行，并将故障或不正常运行状态的影响限制 到最小范围，按照 GB 142581993继电保护和安装自动装置技术规程的规 定，变压器应装设以下保护装置。 星元变电所继电保护设计 - 11 - 4.1.1 气体保护(瓦斯保护) 对于 0.8MVA 及以上油侵式变压器和 0.4MVA 及以上车间内油侵式变压器， 均应装设气体保护。当壳内故障产生轻微气体或油面下降时，应瞬时动作于信 号；当产生大量气体时，应动作于断开变压器各侧断路器。本设计的变压器容 量为 290MVA，因此在变压器上装设了气体保护。 带负荷调压的油侵式变压器的调压装置，亦应装设气体保护。 查继电保护和安装自动装置技术规程的规定，第 2.3.2 条。 4.1.2 纵差动保护或电流速断保护 对于变压器引出线，套管及内部的短路故障，应按下列规定，装设相应的 保护作为主保护，保护瞬时动作于断开变压器的各侧断路器。 对 6.3MVA 以下厂用工作变压器和并列运行的变压器，以及 10MVA 以下厂用 备用变压器和单独运行的变压器，当后备保护时限大于 0.5S 时，应装设电流速 断保护。 对 6.3MVA 以上厂用工作变压器和并列运行的变压器，10MVA 及以上厂用备 用变压器和单独运行的变压器，以及 2MVA 及以上用电流速断保护灵敏性不负荷 要求的变压器，应装设纵联差动保护。对于高压侧电压为 330kV 及以上的变压 器，可装设双重差动保护。 查继电保护和安装自动装置技术规程的规定，第 2.3.3 条。 4.1.3 过电流保护 对由外部相间短路引起的变压器过电流，应按下列规定，装设相应的保护 作为后备保护，保护动作后，应带时限动作于跳闸。 （1） 过电流保护宜用于降压变压器，保护的整定值，应考虑事故时可能 出现的过负荷。 （2） 复合电压起动的过电流保护，宜用于升压变压器、系统联络变压器 和过电流保护不负荷灵敏性要求的降压变压器。 （3） 负序电流和单项式低电压起动的过电流保护，可用于 63MVA 及以上 升压变压器。 （4） 当复合电压起动的过电流保护或负序电流和单相式低压起动的过电 流保护不能满足灵敏度性和选择性要求时，可采用阻抗保护。 查继电保护和安装自动装置技术规程的规定，第 2.3.5 条。 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 12 - 4.1.4 过负荷保护 0.4MVA 及以上变压器，当数台并列运行或单独运行，并作为其他负荷的电 源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。对自耦变压器和多绕组变 压器，保护应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。 过负荷保护应能反映变压器各绕组的过负荷情况。对双绕组升压变压器应 装设在发电机电压侧；对双绕组降压变压器应设在高压侧，当三侧都有电源时， 则三侧都应装过负荷保护，对于单侧电源的三绕组降压变压器，若三侧绕组容 量相同，则过负荷保护只装在电源侧；若三绕组容量不同，则在电源侧和容量 较小的一侧分别装设过负荷保护；对于双侧电源的三绕组降压变压器或联络变 压器，三侧均应装设过负荷保护。 查继电保护和安装自动装置技术规程的规定，第 2.3.11 条。 4.1.5 零序电流保护 110kV 及以上中性点直接接地的电力网中，如变压器的中性点直接运行， 对外部单相接地引起的过电流，应装设零序电流保护。用作变压器外部接地短 路时的后备保护。保护直接动作于跳闸。 查继电保护和安装自动装置技术规程的规定，第 2.3.8 条。 4.1.6 过励磁保护 高压侧电压 500KV 的变压器，对频率降低和电压升高引起的变压器工作磁 密过高，应装设过励磁保护。保护由两段组成，低定值段动作于信号，高定值 段动作于跳闸。 查继电保护和安装自动装置技术规程的规定。 4.1.7 本所采用变压器保护： 1、气体保护(瓦斯保护) 2、变压器的比率差动保护 3、过电流保护 4、过负荷保护，过负荷保护采用单项式，带时限动作于信号。 5、复合电压保护 6、变压器的温度信号装置 星元变电所继电保护设计 - 13 - 4.2 线路保护配置方案 4.2.1 线路的继电保护原理 电力系统是由发电机、变压器、输电线路以及负荷所组成的总体.因此,输 电线路的保护也至关重要的。 变电所线路中出现各种故障，根据故障的不同需 要的保护装置也不同。 在 66KV 及以下电压等级的电力系统中，采用中性点不接地、经高电阻或经 消弧线圈接地的工作方式。在这三种接地方式中，当一相发生接地故障时，故 障电流是各元件对地的电容电流，往往比负荷电流小得多，所以这种系统又叫 小接地电流系统。为了保证选择性、灵敏性及快速切除故障的要求，就必须采 用性能更加完善的保护装置距离保护。 中性点不接地电网中故障的现象是： (1) 发生接地后,全系统出现零序电压和零序电流。 (2) 非故障线路保护安装处,流过本线路的零序电容电流.容性无功功率 是由母线指向非故障线路。 (3) 故障线路保护安装处,流过的是所有非故障元件的零序电容电流之 和。而容性无功功率是由故障线路指向母线,即其功率方向与非故障线路方 向相反。 根据以上线路故障出现的现象,DL400-91 规程对线路的保护配置提出了以 下要求. (1)100KV-200KV 直接接地电力网的线路,应装设反应相间短路和接地短路 的保护. (2)110KV 线路宜采用远后备保护方式. (3)对接地短路,应按下列之一装设保护: (4)可采用接地距离保护,并辅之以阶段式或反时限零序电流保护. (5)对相间短路,应按下列规定装设保护装置: 单侧电流单回路,可装设三相电流电压保护,如不能满足要求,则装设距离保 护; 根据以上规程的要求,我为线路配置了距离保护、中性点不接地系统的接地 保护(零序电流保护)以及绝缘监视装置。 4.2.2 零序电流保护 零序电流保护是利用故障元件的零序电流大于非故障元件，从而构成有选 择性的保护。 根据需要保护可动作于信号，也可动作于跳闸。 这种保护一般使用在有条件安装零序电流互感器的电缆线路或经电缆引出 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 14 - 的架空线上。当单相接地电流较大，足以克服零序电流过滤器中的不平衡电流 影响时，保护装置可接于由三只电流互感器构成的零序电流过滤器回路中。 4.2.3 相间短路保护 （1）无时限电流速断保护 根据对继电保护速动性的要求，在简单、可靠和保证选择性的前提下，原 则上力求装设快速动作的保护。无时限电流速断保护就是这样的保护，它是反 映电流升高而不带时限动作的一种电流保护。当线路上发生三相短路时，流过 保护的短路电流为： KM MM K ZZ E Z E I )3( 式中：系统等效电源的相电动势； M E 系统等效电源到保护安装处之间的正序阻抗； M Z 保护安装处至短路点之间的正序阻抗。 K Z 无时限电流速断保护的保护范围可以用解析法求得，忽略系统各元件阻抗 的电阻分量，按下式可计算出保护的动作电流： min1max. 2 3 LM M oper XX E I 解得最小的保护范围为 ) 2 3 ( 1 max. 1 minM oper M X I E X L （2）限时电流速断保护 由于无时限电流速断保护一般不能保护线路全长，无法切除本线路无时限 电流速断保护范围以外的短路故障，为此增设第二套电流速断保护，即限时电 流速断保护。它的动作 范围应包括被保护线路的全长。为了获得动作的选择性，第二套电流速断保护 必须带时限，以便和相邻线路段电流速断保护相配合，通常所带的时限只比 瞬间电流速断保护大一个或两个时限级差t，所以称它为限时电流速断保护。 此情况下，它的保护范围不超越相邻线路段或段电流保护的保护范围。其 动作电流应为：（为可 2 . oper 1 . IKI rel oper rel K 靠电流，保护动作带有一定延时，短路电流的非周期分量已经衰减，故可靠系 数可选比 1.21.3 小一些） 。为了满足选择性要求看其是否在任何情况下 rel K 都能保护线路全长，所以要进行校验，为了保护线路全长，限时电流速断保护 必须在最小运行方式下，被保护线路末端发生短路时。通常用灵敏度系数 星元变电所继电保护设计 - 15 - 表示，即，式中在最小运行方式下被保护线路末端发生 sen K oper min. I I K k sen min. k I 两相金属性短路故障时流经保护的电流，为了保证线路末端短路故障时，保护 装置一定能够动作，规程规定灵敏度系数应大于或等于 1.31.5。 sen K （3）定时限电流速断保护 定时限电流速断保护虽能保护线路的全长，但不能做为下一线路保护的后 备。而定时限过电流保护仅能保护线路全长，还能保护相邻线路的全长，可以 起到后备保护的作用。这是因为过电流保护不是按躲过某一短路电流，而是按 躲过最大负荷电流来整定的，故它的动作电流值较低，灵敏度较高，保护范围 大。同限时电流速断保护一样，定时限过电流保护也是靠适当选取动作电流和 动作时限来获得选择性的。 定时限过电流保护动作电流的整定要考虑一下两个条件： （1）为确保过电流保护在正常运行的情况下不动作，保护装置的动作电流 应整定得大于该线路上可能出现的最大负荷电流即。 max . 1 I max . 1 IIoper （2）在外部短路故障切除后，已动作的电流继电器能可靠返回。 综合以上两个条件，引入返回系数，则保护装置的动作电流用下式来 res K 确定： max . 1 I K KK I res sslre oper 式中 可靠系数，一般取 1.151.25 rel K 电流继电器的返回系数，一般取 0.85 res K 4.2.4 无选择性绝缘监视装置 中性点不接地系统正常运行时无零电压，一旦发生单相接地故障时就会出 现零序电压。因此，可利用有无零序电压来实现无选择性的绝缘监视装置。 在发电厂或变电所的母线上装设一台三相五柱式电压互感器，在其星形接 线的二次侧接入三只电压表，用以测量各相对地电压，在开口三角侧接入一只 过电压继电器，带延时动作于信号。因装置给出的信号没有选择性，运行人员 只能根据信号和三个电压表的指示情况判别故障相，而选不出故障线路。如要 查寻故障线路，还需运行人员依次短时断开各条线路，根据零序电压信号是否 消失来确定出故障线路。 4.3 母线保护配置方案 4.3.1 母线的保护 发电厂和变电所的母线，由于绝缘子和套管的污秽或闪络，运行人员的误 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 16 - 操作等，都可能引起单项接地或相间短路故障。在发生母线故障时将使停电的 范围扩大，停电的时间增长，并将破坏系统的稳定运行。因此，为了避免事故 的扩大，应装设母线保护装置，使可以有选择地和快速得切除故障的母线段。 在母线保护装置动作时，连接在母线上的所有供电元件将同时被断开，因 此要求母线保护装置在工作原理、接线和组成元件方面都有很高的可靠性，避 免在母线保护误动作或误碰时带来严重的后果。 母线故障的类型，主要是单相接地和相间短路故障。与输电线路故障相比 较，母线故障的几率虽较小，但其造成的后果却十分严重。因此，必须采取措 施来消除母线故障所造成的后果。 对发电厂和变电所的 35 千伏及以上的母线,在先列情况下应装设专用的母 线保护装置： （1）110 千伏及以上的双母线和分段单母线； （2）根据稳定运行的要求，或使发电厂或重要用户的电压底于 0.6 倍的额 定电压，必须快速切除母线故障时，在 110 千伏及以上的单母线，重要发电厂 得 35 千伏母线或高压侧为 110 千伏及以上的重要降压变电所的 35 千伏母线。 对于发电厂和大容量变电所 6-10 千伏的分段母线和并联运行的双母线在 下列情况下应装射专用的母线保护： （1）必须快速和有选择性的切除一段或一组母线上的故障，以保证发电厂 和重要负荷的运行。 （2）当线路装有电抗器，并且不允许短路器切除电抗器前的短路时。 对于 110 千伏及以上的中性点直接接地系统，母线保护装置应反映各种相 间和接地短路故障，保护装置由三相式组成。对于中性点非直接接地系统，母 线保护装置只应反应各种相间短路故障，保护装置可由两相式组成。 4.3.2 单母线保护方案单母线保护方案 （1）母线完全差动保护，和其他差动保护一样，也是按环流法的原理构成。 在母线的所有连接元件上必须装设专用的电流互感器，而且这些电流互感器的 变比和特性完全相同，并将所有电流互感器的端子也互相连接，差动继电器则 接于两连接线之间，差动电流继电器中流过的电流是所有电流互感器二次电流 的相量和。这样，在一次侧电流总和为零时，在理想的情况下，二次侧电流的 总和也为零。 （2）母线不差动保护，只需在有电源的元件上装设变比和特性完全相同的 D 级电流互感器。只在变压器上装设，且电流互感器只装设在 A、C 两相，按差 动原理连接，在差动回路中接入 1KD、2KD 差动继电器。因没将所有的连接元件 都接入差动回路，故称为不完全差动保护。正常运行时，差动继电器中流过的 是各馈电线路负荷电流之和；馈电线路上发生短路故障时，差动继电器流过的 是短路电流。 星元变电所继电保护设计 - 17 - 4.3.3 双母线保护方案 当发电厂和重要变电所的高压母线为双母线时，为了提高供电可靠性。常 采用双母线通同时运行，母线联络短路器处于投入状态。按照一定的要求，每 组母线上都固定连接约 1/2 的供电电源和输电线路。这种母线成为固定连接母 线。当任意一组母线故障时，只切除接于该母线上的元件，而另一组母线上的 连接元件则照常运行，从而缩小了停电范围，并提高了供电可靠性。因此双母 线差动保护有：能区别哪一组母线故障的选择元件；能区别区内故障和区 外故障的起动元件。 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 18 - 5 全所（厂）保护原理说明 5.1 变压器气体保护（瓦斯保护） 5.1.1 变压器气体保护（瓦斯保护）的原理及组成 当变压器油箱内发生各种短路故障时由于短路电流和短路点电弧的作用， 变压器油和绝缘材料受热分解，产生大量气体，从油箱流向油枕上部。故障愈 严重，产生气体越多，流向油枕的气流和油流速度也越快，利用这种气体来实 现的保护称气体保护。 当变压器绕组发生匝数很少的匝间短路或严重漏油时，纵差动保护不会动 作，而气体保护能动作，当绕组断线，因为通过的是穿越性电流，此时纵差动 保护不会动作，但由于断线处电弧的作用，气体保护能反映动作。因此气体保 护除能反映上述故障外，还能起到作变压器油箱内短路故障时纵差动保护后备 的作用。 气体保护的主要元件是气体继电器，它安装在油箱与油枕之间的连接管道 上，如下图所示。为保证气体顺利经气体继电器进入油枕，变压器顶盖与水平 面之间应有 1%-1.5%的坡度，联接管道应有 2%-4%的坡度。 图 5-1 气体继电器安装位置图 4 星元变电所继电保护设计 - 19 - 5.1.2 气体保护的工作原理 气体保护主要是由气体继电器组成,它安装在油箱与油枕之间的管道上。 FJ380 型复合式瓦斯继电器结合图 4.1 所示。这类继电器有较好的防震性能。 它是由挡板和开口杯复合而成的，上下方各有一个带干簧触点的开口杯。正常 时，上下开口杯都浸在油内。由于开口杯及附件在油内的策略所产生的力矩平 衡锤 4 产生的力矩小，因此，开口杯处于上升位置，干簧触点 3 断开。当发生 轻微故障时，分解出少量气体，此气体上升并聚集在瓦斯继电器上部，使瓦斯 继电器中油面下降，上开口杯露出油面。此时，开口杯及附件在空气中的重力 加上杯中油的重量，所产生的力矩大于在油中平衡锤所产生的力矩，因此，开 口杯顺时针方向转动，带动磁铁靠近，使上方的干簧触点闭合，发出轻瓦斯动 作信号。当发生严重故障时，产生大量气体，在气流和油流的冲击下，挡板带 动下开口杯转动，使下干簧触点闭合，发出跳闸脉冲。当严重漏油时，油面极 度下降，与上开口杯动作原理相同，也可使下开口杯动作于跳闸。 图 5-2 变压器瓦斯保护结构图 5.1.3 瓦斯保护原理电路 工作原理：1 是瓦斯继电器；2 是信号继电器；3 是出口继电器；4 是联片。 当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生，瓦斯继电器的上触点闭合，作 用于至延时信号；发生严重故障时，重瓦斯冲出，瓦斯继电器的下触点闭合， 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 20 - 经信号继电器，发出报警信号，同时通过联片使出口继电器动作使断路器跳闸。 瓦斯继电器的下触点闭合，也可以利用切换片 XB 切换位置，只给出报警信号。 （如图 5-3 所示） 他 他 他 他 他 + 1 23 4 R + + C K J - LP 他 他 他 他 他 他 他 他 他 Rf 他 他 图 5-3 变压器瓦斯保护原理图 为了消除复合式瓦斯继电器的下触点在发生重瓦斯时可能有跳动（接触不 稳定）现象，出口继电器有自保持触点。只要瓦斯继电器的下触点一闭合，CKJ 就动作并自保持。当断路器跳闸后，断路器的辅助触点断开自保持回路，使 CKJ 恢复起始位置。 5.1.4 瓦斯保护的原理接线图 上面的触点表示“轻瓦斯保护”，动作后经延的发出报警信号。下面的触 点表示“重瓦斯保护”，动作后起动变压器保护的总出口继电器，使断路器跳 闸。 信 号 信 号 信 号 由其它保护来） 星元变电所继电保护设计 - 21 - 图 5-4 瓦斯保护原理接线图 5.1.5 变压器瓦斯保护的范围 变压器瓦斯保护的范围 瓦斯保护的范围是变压器内部多相短路；匝间 短 路，匝间与铁心或外皮短路；铁心故障（发热烧损） ；油面下降或漏油；分接开 关接触不良或导线焊接不良。 5.1.6 瓦斯保护评价 瓦斯保护的优点是不仅能反映变压器油箱内部的各种故障，而且还能反映 差动保护所不能反映的不严重的匝间短路和铁心故障。此外，当变压器内部进 入空气时也有所反映。因此，是灵敏度高、结构简单、动作迅速的一种保护。 其缺点是不能反映变压器外部故障（套管和引出线） ，因此瓦斯保护不能作为变 压器各种故障的唯一保护。瓦斯保护抵抗外界干扰的性能较差，例如剧烈的震 动就容易误动作。如果在安装瓦斯继电器时未能很好地解决防油问题或瓦斯继 电器不能很好地防水，就有可能漏油腐蚀电缆绝缘或继电器进水而造成误动作。 5.2 变压器纵联差动保护 5.2.1 变压器纵差保护原理 变压器纵差保护单相原理接线图如 18 所示：在变压器纵动保护外部保护 时一次侧流入的电流等于流出变压器的电流所以不平衡电流很小。差动继电器 不动作。当 D2点短路时此时流过差动回路的电流为 I1+I2。此时电流大于差动继 电器动作电流，继电器动作跳闸。在实现变压器差动保护时，应考虑变压器高、 低压两侧电流的大小和相位，一般讲它们都不同。故在实现变压器差动保护时， 应首先考虑对两侧电流进行相位补偿，在进行数值补偿，都能保证正常运行和 外部短路时继电器中的电流等于零(理想)。此外，在实现差动保护时,还应考虑 两个特点,一个是变压器励磁涌流,另一个是变压器差动保护的不平衡保护。 按环流法接线变压器纵差是利用比较变压器的高压侧和低压侧的电流和幅 值和相位的原理构成的。它主要是由接于差动回路的三个差动继电器组成。为 了扩大纵差保护范围,电流互感器应尽量靠近断路器。本设计的变压器容量为 90MVA，因此采用的是 BCH2 型差动继电器。它主要是用于两绕组或三绕组电 力变压器以及变流发电机的单相差动保护线路中作为主保护，继电器能预防在 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 22 - 非故障状态时出现的暂太电流的作用。BCH2 型差动继电器由两部分组成： DL11E 型电流继电器和中间速饱和变流器。 I-I 1LH 2LH D2 D1 * * I1 I 1 I2 I 2 他 5-5他 他 他 他 他 他 他 他 他 他 他 他 当变压器正常运行或是外部短路时，注入差动继电器的电流为不平衡电流。 由于预先选择好两侧电流互感器的变比和接线方式，故该不平衡电流值很小， 注入电流继电器内的电流(为两侧电流互感器二次侧电流之差)，保护不动作。 当保护区内发生故障时，只要不平衡电流大于继电器的起动电流，则继电器动 作，瞬时使变压器的两侧断路器 19DL 和 20DL 跳闸。 5.2.2 纵差动保护的接线 当侧 K2 点发生短路故障时，保护经 t2时限跳开 2QF，使 I、两侧继续 运行。如果变压器内部发生短路故障而主保护拒动，则经 t1时限跳开三侧断路 器，使变压器退出运行。通过对纵差保护以上问题的分析，根据现场实际连接 中关于纵差绕组 TA 二次侧形接线的具体接法，也依照纵差 TA 二次侧 Y 型接 线的不同，有两种不同的接法。 正确接法一，见图 5-6：TA 二次侧形接法将 A 相 K1接 B 相 K2，B 相 K1接 C 相 K2，C 相 K1接 A 相 K2构成三角形，然后自 A、B、C、三相的 K1端各引二次线进入三个 星元变电所继电保护设计 - 23 - 纵差继电器线圈 1CJ、2CJ、3CJ，TA 二次侧 Y 形接法为 a、b、c 三相 K2短接并接地构成 星形，三相 K1端各引二次线进入三个纵差继电器线圈 1CJ、2CJ、3CJ 的正确接法。 图 5-6 纵差绕组 TA 二次侧接线 正确接法二，见图 5-7：TA 二次则形接法将 A 相 K2接 B 相 K1，B 相 K2接 C 相 K1，C 相 K2接 A 相 K1构成三角形，然后自 A、B、C 三相的 K2端各引二次线 进入三个差动继电器线圈 1CJ、2CJ、3CJ，TA 二次侧 Y 形接法为 a、b、c 三相 K2短接并接地构成星形，三相 K1端各引二次进入三个纵差继电器线圈 1CJ、2CJ、3CJ。 与图 1 不同的是图 2 中 TAY 形接法 K1为受电侧，K2为负荷侧， 而图 1 中 TAY 形接法 K2为受电侧，K1为负荷侧，差别就在这里。由此也实际形 成了图 1、图 2 两种正确接法。 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 24 - 图 5-7 纵差绕组 TA 二次侧 Y 接线 注意：由于本设计变压器为两绕组变压器，接法为 Y/D11。所以变压器 角形侧电流互感器为星形接法，变压器星形侧电流互感器为角形接法。这样做 可以补偿幅值和相位。 5.3 变压器过负荷保护 由于本次设计的变压器容量 90MVA 属于中、小型变压器。所以采用的是定 时限过负荷保护,反应变压器三相对称过负荷，变压器的过负荷原理与发电机相 似也是由电流继电器和 SJ 组成。因为是反应三相对称过负荷,所以只需在一相 中接入电流继电器动作后延时发出信号。正常运行时电流继电器不动作，当出 现过负荷电流时，故障电流大于电流继电器动作值或定值，电流继电器动作时 间继电器开始计时，到达设定时间后故障仍未消失,发出信号报警。 5.4 变压器过电流保护 变压器的过电流保护主要是装设在降压变压器的高压侧。过电流保护的测 量元件为电流继电器，延时元件时间继电器，其保护单相原理如图 5-8 所示： 当短路电流达到或超过电流继电器的动作定值时，电流继电器动作并起动时间 继电器，经给定的延时后时间继电器的动合触点闭和，出口继电器将变压器从 星元变电所继电保护设计 - 25 - 运行的设备中切除保证电网的正常运行。 他 他 It + + + + + 他 1D L 他 2D L - - 1D L 2D L 他 5-8他 他 他 他 他 他 他 他 他 他 他 他 他 他 他 当三绕组变压器外部发生短路故障时，为尽可能缩小停电范围，过电流保 护应有选择地跳开故障侧的断路器，以保证其他两侧继续运行。如果变压器内 部发生短路故障，则过电流保护应起到后备作用。所以三绕组变压器的过电流 保护应按如下原则配置。 单侧电源的三绕组变压器，过流保护宜装于电源侧及主负荷侧，例如 I 侧 及侧，侧以 t3延时跳开 3QF；I 侧有两个时限 t1和 t2,以 t2时限跳开 2QF， 以 t1时限跳开变压器各侧断路器。且动作时限满足 t3t2t1。即 t2=t3+t，t1=t2+t 的要求。 5.5 零序电流保护 电力系统中，接地故障常常是故障的主要方式，因此，大电流接地系统中 的变压器，一般要求在变压器上装设接地（零序）保护，作为相邻元件及变压 器本身主保护的后备保护。 大迹地系统发生迹地短路时，零序电流的分布的大小与系统中变压器中性 点接地的太数和位置有关。对于有两台以上的变压器的，可使部分变压器中性 点接地，以保证在各种运行方式下，变压器中性点接地的数目和位置尽量维持 不变，从而保证零序保护有稳定的保护范围和足够的灵敏度。 当接地运行时，应装设零序电流保护；当不接地运行时，为防止电网单相 接地故障点处出现间隙电弧引起过电压损坏变压器，应装设零序电压保护；零 序电流元件 3Io 用来反应放电间隙击穿的情况。当系统发生接地短路时，中性 点接地运行变压器由其零序电流保护动作于切除；若高压母线上一面，没有中 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 26 - 性点接地运行的变压器时，中性点将发生过电压，可导致发电间隙击穿，此时 中性点不接地运行变压器将由反间隙放电电流的零序电流保护瞬时动作于切除； 如果中性点过电压不足以使放电间隙击穿，则可由零序电压保护经延时 t 切除。 5.6 变压器复合电压起动电流 复合电压起动的过电流保护原理图与发电机相似。复合电压起动的过电流 保护主要装设在升压变压器的低她侧，电压起动元件是由低电压继电器 YJ 和负 序电压继电器 FYJ 组成，YJ 的线圈经过 FYJ 的常闭触点接于电压。当发生三相 短路时，短路初瞬间会出现负序电压，FYJ 动作，断开加在低压继电器 YJ 上的 电压，从而使 YJ 动作。负序电压消失后，虽然低电压继电器重新接于线电压上， 但由于三相短路电压较低，不能返回而处于动作状态。 当发生不对称短路时，故障相电流继电器动作，负序电压继电器动作，致 使 YJ 动作，起动 BZJ。相电流继电器通过 BZJ 常开触点起动时