工厂供电课程设计-35kV变电站继电保护设计.doc

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2015 年 11 月 8 日 课 程 工厂供电课程设计 题 目 35kV 变电站继电保护设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气 12-3 班 学生姓名 王 学生学号 12 指导教师 东北石油大学课程设计任务书 课程 工厂供电课程设计 题目 35kV 变电站继电保护设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 王 学号 1 主要内容：主要内容： 为满足电网对继电保护提出的可靠性、选择性、灵敏性、速动性的要求，充分发 挥继电保护装置的效能，必须合理的选择保护的定值，以保持各保护之间的相互配合 关系。做好电网继电保护定值的整定计算工作是保证电力系统安全运行的必要条件。 详细地讲述如何分析选定 35kV 电网的继电保护（相间短路和接地短路保护），以及变 压器相间短路主保护和后备保护，并通过整定计算和校验分析是否满足规程和规范的 要求。 参考资料：参考资料： 1 丁伟广域继电保护系统研究综述J电力系统保护与控制， 2012 2 刘介才工厂供电设计指导M北京：机械工业出版社，2008 3 唐伟微机继电保护的电磁兼容问题分析J. 科技传播，2010 4 陈珩电力系统稳态分析M北京：中国电力出版社，2007. 5 李光琦电力系统稳态分析M北京：中国电力出版社，2007. 6 韩笑.电力系统继电保护M.机械工业出版社，2011.8 完成期限 2015.11.22015.11.8 指导教师 白丽丽 付光杰 专业负责人 2015 年 10 月 30 日 目 录 1 设计要求.1 2 变电所继电保护和自动装置规划.1 2.1 系统分析及继电保护要求.1 2.2 本系统故障分析.1 2.3 变电所的自动装置.2 2.4 本设计继电保护装置原理概述.2 3 电流计算.4 3.1 系统等效电路图.4 3.2 基准参数选定.4 3.3 电流计算.4 4 主变继电保护整定计算及继电器选择.6 4.1 计算 IE及电流互感器变比.6 4.2 瓦斯保护.6 4.3 确定基本侧动作电流.7 4.4 确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流.7 4.5 确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流.9 4.6 初步确定短路线圈的抽头.10 4.7 保护装置灵敏度校验.10 5 过电流继电器的整定及继电器选择.10 6 过负荷保护.10 7 冷却风扇自起动.11 8 结论.11 参考文献.12 工厂供电课程设计（报告） 1 1 设计要求 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。 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 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。 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。 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。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。 工厂供电课程设计（报告） 2 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。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。 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：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）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） 。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） 2.3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。 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（DL1）及 10KV 母联断路器 （DL8）处装设备用电源自动投入装置（BZT） 。 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。 2.4 本设计继电保护装置原理概述 工厂供电课程设计（报告） 3 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，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： (1)靠整定值躲过不平衡电流； (2)采用比例制动差动保护； (3)采用二次谐波制动； (4)采用间歇角原理； (5)采用速饱和变流器。 工厂供电课程设计（报告） 4 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 电流计算 3.1系统等效电路图 系统等效电路图如图3.1所示 12 B QF1 K2Xs CA K3 WL2 WL1 K1 35KV 图3-1系统等效电路图 3.2基准参数选定 每条线路的断路器上均装有三段式电流保护。已知电源最大、最小等效阻抗 为 Xs,max=9 ，Xs,min=6 线路阻抗 XAB=10 XBC=24。 线路 WL2 过电流保护时限为 2.5S，线路 WL1 最大负荷电流为 150A，电流 互感器变比为 300/5。 3.3电流计算 计算 k2 点、k3 点最大、最小运行方式下三相短路电流。K2 点： =1.335KA )3( 2MAXK I ABSMIN XX E & 106 3 37 KA XX E I ABSMAX MINK 124 . 1 109 3 37 & )3( 2 工厂供电课程设计（报告） 5 K3 点：KA XXX E I BCABSMIN MINK 534. 0 24106 3 37 & )3( 3 KA XXX E I BCABSMAX MINK 496 . 0 24109 3 37 & )3( 3 线路 WL1 的断路器 1QF 外电流保护第 I 段整定计算，即无限时电流速断保护的 整定计算。 保护装置一次动作电流的计算 I OP I 1 AI K K I I OP TA ton I rOP 9 . 281736 5 300 1 11 第 I 段电流保护动作时限。st I 0 1 线路 WL1 带时限电流速断（第 II 段）保护整定计算。 考虑高断路器 1QF 处电流保护第 II 段动作电流和相邻线路 WL2 的电流保护第 I 段相配合，首先要计算线路 WL2 电流保护第 I 段动作电流。 KAIKI K I rel I OP 694 . 0 534 . 0 3 . 1 max32 线路 WL1 电流保护第 II 段动作电流 II OP I 2为 KAIKI I OP II rel II OP 7646941 . 1 22 继电器动作电流 AI K K I II OP TA con Ii rOP 7 . 12764 5 300 1 11 动作时限应与 WL2 电流保护第 I 段配合， tIII tt 21 ，即s t 5 . 0，0 2 I t， st II 5 . 0 1 。可选用 DL-11/50 型时间继电器，其时限整定范围为 0.11.3s,本保护 整定为 0.5s。 线路 WL1 电流保护（第 III 段）整定计算。 定时限过电流保护一次测动作电流 III OP I 1的计算，根据式子 max1L re III rel III OP I K K I （3- 工厂供电课程设计（报告） 6 1） ；可靠系数，取 2 . 1 III rel K；返回系数，取 85 . 0 re K。自启动系数，取 3 . 1 SS K AI III OP 3 .275150 85 . 0 2 . 1 1 继电动作电流为 AI K K I III OP TA con III rOP 59 . 4 5 300 3 . 275 11 选用 DL11/50 型电流继电器，其动作电流整定范围为 2.510A。 动作时限 应与线路 WL2 过电流保护动作时限相配合，stt tIIIIII 5 . 05 . 2 21 。选用 DL 112 型时间继电器，时限整定范围为 2.550s。本保护动作时限为 3s。 。2 . 156 . 1 3 . 275 497866 . 0 2 3 1 )3( min3 1 )2( min3 min III OP K III OP K III s I I I I K合格。 4 主变继电保护整定计算及继电器选择 4.1计算Ie及电流互感器变比 表 4-1 Ie 及电流互感器变比 各侧数据 名 称 Y（35KV）（10KV） 额定电流 I1e=S/ U1e=103.9A 3 I2E=S/ U2e=363.7A 3 变压器接线方式Y CT 接线方式Y CT 计算变比 I1e/5=180/5=36 3 I2e/5=363.7/5=72.74 实选 CT 变比 nl200/5=40400/5=80 实际额定电流 I1e/n1=4.50A 3 I2e/n1=4.55A 工厂供电课程设计（报告） 7 不平衡电流 Ibp4.55-4.50=0.05A 确定基本侧基本侧非基本侧 4.2 瓦斯保护 轻瓦斯保护的动作值按气体容积为 250300cm2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 0.61.5 cm2整定本，本设计采用 0.9 cm2。瓦斯继电器选用 FJ3-80 型。纵联差动保护选用 BCH-2 型差动继电器。 4.3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 Idz1KKIbp (4-1) 利用实用计算式： Idz1=KK（KfzqKtxfi+U+fza）Id2lmax 式中：KK可靠系数，采用 1.3； Kfzq非同期分量引起的误差，采用 1； Ktx 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。 U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。 fza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 Idz1=1.3(110.1+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 Idz1= KK Ie （4- 2） 式中：KK可靠系数，采用 1.3； Ie变压器额定电流： 代入数据得 Idz1= 1.3103.9=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 Idz1= KKTfhmax （4- 工厂供电课程设计（报告） 8 3） 式中： KK可靠系数，采用 1.3； Idz1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 Idz1=1.3103.9=135.1(A) 比较上述（4-1） ， （4-2） ， （4-3）式的动作电流，取最大值为计算值， 即： Idz1=218.1（A） 4.4 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 IdzjsI=KJXIdz1/nl 代入数据得 IdzjsI= 218.1/40=9.44（A） 3 基本侧继电器差动线圈匝数 WcdjsI=Awo/ IdzjsI 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 WcdjsI=60/9.44=6.35(匝) 选用差动线圈与一组平衡线圈匝数之和较 WcdjsI小而相近的数值，作为差动 线圈整定匝数 WcdZ。 即：实际整定匝数 WcdZ=6（匝） 继电器的实际动作电流 IdzjI=Awo/ WcdZ=60/5=12（A） 保护装置的实际动作电流 IdzI= IdzjINl/Kjx=1240/=277.1A 躲过外部故障时 3 的最大不平衡电流 Idz1KKIbp (4-4) 利用实用计算式： Idz1=KK（KfzqKtxfi+U+fza）Id2lmax 式中：KK可靠系数，采用 1.3； Kfzq非同期分量引起的误差，采用 1； Ktx 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。 工厂供电课程设计（报告） 9 U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。 fza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 Idz1=1.3(110.1+0.05+0.05) 8.39=218.1（A） 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 Idz1= KK Ie （4- 5） 式中：KK可靠系数，采用 1.3； Ie变压器额定电流： 代入数据得 Idz1= 1.3103.9=135.1(A) 躲过电流互改器二次回路短线时的最大负荷电流 Idz1= KKTfhmax （4- 6） 式中：KK可靠系数，采用 1.3； Idz1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 Idz1=1.3103.9=135.1(A) 比较上述（4-4） ， （4-5） ， （4-6）式的动作电流，取最大值为计算值， 即： Idz1=218.1（A） 4.5 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 IdzjsI=KJXIdz1/nl 代入数据得 IdzjsI= 218.1/40=9.44（A） 3 基本侧继电器差动线圈匝数 WcdjsI=Awo/ IdzjsI 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 WcdjsI=60/9.44=6.35(匝) 工厂供电课程设计（报告） 10 选用差动线圈与一组平衡线圈匝数之和较 WcdjsI小而相近的数值，作为差动 线圈整定匝数 WcdZ。 即：实际整定匝数 WcdZ=6（匝） 继电器的实际动作电流 IdzjI=Awo/ WcdZ=60/5=12（A） 保护装置的实际动作电流 IdzI= IdzjINl/Kjx=1240/=277.1A 3 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 Wphjs=Wcdz/Ie2JI-Wcdz =6(4.55/4.50-1)=0.06(匝) 故，取平衡线圈实际匝数 Wphz=0 工作线圈计算匝数 Wgz= Wphz+Wcdz=5(匝) 计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差 fza fza= (Wphjs- Wphz)/( Wphjs+ Wcdz) =(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。 4.6 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。 4.7 保护装置灵敏度校验 差动保护灵敏度要求值 Klm2 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 Klm=0.866KjxIdlmin/Idzl =0.86610.817/0.2771=2.552满足要求。 5 过电流继电器的整定及继电器选择 工厂供电课程设计（报告） 11 保护动作电流按躲过变压器额定电流来整定 Idz=KkIe1/Kh 式中：Kk可靠系数，采用 1.2； Kh返回系数，采用 0.85； 代入数据得 Idz=1.2103.9/0.85=146.7(A) 继电器的动作电流 Idzj=Idz/nl=146.7/(40/ )=6.35(A) 3 电流继电器的选择：DL-21C/10 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：Klm=0.866KjxId3lmin/Idz =0.86610.841/0.1467=4.961.2 满足要求。 6 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。 Idz=KkIe1/Kf=1.05103.9/0.85=128.4(A) IdzJ= Idz/nl=128.4/40=5.56(A) 3 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。 7 冷却风扇自起动 Idz=0.7Iel=0.7103.9=72.74(A) IdzJ=Idz/nl=72.74/(40/ )=3.15(A) 3 即，当继电器电流达到 3.15A 时，冷却风扇自起动。 8 结论 在本次课程设计中，巩固和加深在电力系统基础和电力系统继电保护 与自动化装置课程中所学的理论知识，在这次课程设计中，发现有时对基础知 识的认识不是很清楚，不能很快对这个课程设计的各种数据认识清楚。在电力系 工厂供电课程设计（报告） 12 统在生产过程中，有可能发生各类故障和各种不正常情况。其中故障一般可分为 两类：横向不对称故障和纵向不对称故障。横向不对称故障包括两相短路、单相 接地短路、两相接地短路三种，纵向对称故障包括单相断相和两相断相，又称非 全相运行。电网在发生故障后会造成很严重的后果。学好继电保护知识，积极发 挥我们在工作中的主动性，尽量避免各种故障。 工厂供电课程设计（报告） 13 参考文献 1 丁伟.广域继电保护系统研究综述J电力系统保护与控制， 2012 2 刘介才.工厂供电设计指导.第二版.北京：机械工业出版社，2008 3 唐伟.微机继电保护的电磁兼容问题分析J . 科技传播，2010 4 陈珩.电力系统稳态分析.第三版M.北京：中国电力出版社，2007. 5 李光