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35KV变电站继电保护设计:设计为35kV降压变电所


黄敏:35kV 变电站继电保护设计

1 绪
1.1 变电站继电保护的发展



变电站是电力系统的重要组成部分,它直接影响整个电力系统的安全与经济 运行,是联系发电厂和用户的中间环节,起着变换和分配电能的作用。电气主接 线是发电厂变电所的主要环节,电气主接线的拟定直接关系着全厂(所)电气设 备的选择、配电装

置的布置、继电保护和自动装置的确定,是变电站电气部分投 资大小的决定性因素。 继电保护发展现状,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,因此,继电保护技术得天独厚,在 40 余年的时间里完成了发展的 4 个历史阶段。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步,继电保 护技术面临着进一步发展的趋势。国内外继电保护技术发展的趋势为:计算机化, 网络化,保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化。 继电保护的未来发展,继电保护技术未来趋势是向计算机化,网络化,智能 化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展。微机保护技术的发展趋势: ① 高速数据处理芯片的应用 ② 微机保护的网络化 ③ 保护、控制、测量、信号、数据通信一体化 ④ 继电保护的智能化。

1.2 继电保护装置的基本要求
继电保护及自动装置属于二次部分,它对电力系统的安全稳定运行起着至关 重要的作用。 对继电保护装置的基本要求有四点:即选择性、灵敏性、速动性和可靠性。

1.3 继电保护整定
继电保护整定的基本任务就是要对各种继电保护给出整定值,而对电力系统 中的全部继电保护来说,则需要编出一个整定方案。整定方案通常可按电力系统 的电压等级或者设备来编制,并且还可按继电保护的功能划分小方案分别进行。
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例如:35kV 变电站继电保护可分为:相间短路的电压、电流保护,单相接地零序 电流保护,短线路纵联差动保护等。 整定计算一般包括动作值的整定、灵敏度的校验和动作时限的整定三部分。 并且分为: ① 无时限电流速断保护的整定。 ② 动作时限的整定。 ③ 带时限电流速断保护的整定。

1.4 本文的主要工作
在本次毕业设计中,我主要做了关于 35kV 变电站的继电保护, 充分利用自己 所学的知识,严格按照任务书的要求,围绕所要设计的主接线图的可靠性,灵活 性,经济性进行研究,包括:负荷计算、主接线的选择、短路电流计算、主变压 器继电保护的配置以及线路继电保护的计算与校验的研究等等。

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2 设计概述
2.1 设计依据
1) 继电保护设计任务书。 2) 国标 GB50062-92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》 。 3) 《电力系统继电保护》 (山东工业大学) 。

2.2 设计规模
本设计为 35kV 降压变电所。主变容量为 6300kVA,电压等级为 35/10kV。

2.3 设计原始资料
1) 35kV 供电系统图,如图 2.1 所示。 2) 系统参数:电源 I 短路容量:SIDmax=200MVA;电源Ⅱ短路容量:S Ⅱ
Dmax=250MVA;供电线路:L1=15km,L2=10km,线路阻抗:XL=0.4Ω/km。

图 2.1 35kV 系统原理接线图

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3) 变电站 10kV 侧母线负荷情况
表 2.1 10kV 母线侧负荷情况 负 荷 名 称 织布厂 胶木厂 印染厂 配电所 炼铁厂 最大负荷 (kW) 1200 1200 1200 1600 1700 功 率 因 数 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 导 线 型 号 LGJ-35 LGJ-35 LGJ-35 LGJ-35 LGJ-35 线路电抗 标幺值 0.345 0.345 0.345 0.345 0.345 回路数 1 1 1 1 1 供 电 方 式 架空线 架空线 架空线 架空线 架空线 线路长度 (km) 8 8 8 10 10

4) B1、 主变容量、 B2 型号为 6300kVA 之 SF1-6300/35 型双卷变压器, Y-Δ/11 之常规接线方式,具有带负荷调压分接头,可进行有载调压。其中 Uk %=7.5。 5) 运行方式:以 SI、SⅡ 全投入运行,线路 L1~L2 全投。QF1 合闸运行为 最大运行方式;以 SⅡ停运,线路 L2 停运,QF1 断开运行为最小运行方式。 6) 已知变电所 10kV 出线保护最长动作时间为 1.5s。

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3 主接线方案的选择与负荷计算
3.1 主接线设计要求
电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中,为满足预定的功率传 送和运行等要求而设计的、表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电 路。电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线 路等。它们的连接方式对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作 用。对一个电厂而言,电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电 厂在电力系统中的地位等,从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、 发展和扩建的可能性等方面,经综合比较后确定。它的接线方式能反映正常和事 故情况下的供送电情况。电气主接线又称电气一次接线图。 电气主接线应满足以下几点要求: 1)运行的可靠性: 可靠性是指一个元件,一个系统,在规定的时间内及一定的条件下完成预定 功能的能力,供电可靠性是电力生产和分配的首要要求,对发电厂,变电所主接 线可靠性的要求程度,与其在电力系统中的地位,作用有关,而地位作用则是由 其容量,电压等级,负荷大小以及类别等因素决定。 具体要求有:断路器检修时,不宜影响对系统的供电;断路器或母线故障时 以及母线或隔离开关检修时,尽量减少停运出线的回路数和停运时间,并保证对 一二类负荷的供电;尽量避免发电厂或变电所全部停运的可能性;对装有大型机 组的发电厂或超高压变电所应满足可靠性的特殊要求。 2)运行的灵活性:主接线系统应能灵活地适应各种工作情况,特别是当一部 分设备检修或工作情况发生变化时,能够通过倒换开关的运行方式,做到调度灵 活,不中断向用户的供电。在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。 3)运行的经济性:主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保证满足技术 条件的要求下,做到经济合理,尽量减少占地面积,节省投资。尽量做到年运行 费小,包括电能损耗。折旧费及大修费,日常小修费等维护费。其中电能损耗主 要由变压器引起,因此,要合理的选择主变压器的形式,容量,台数和避免变压 而增加电能损耗。并在可能的情况下,采取一次设计,分期投资,投产,尽快发 挥经济效益。

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3.2 变电站主接线的选择原则
1) 当满足运行要求时,应尽量少用或不用断路器,以节省投资。 2) 当变电所有两台变压器同时运行时,二次侧应采用断路器分段的单母线接 线。 3) 当供电电源只有一回线路,变电所装设单台变压器时,宜采用线路变压器 组接线。 4) 为了限制配出线短路电流,具有多台主变压器同时运行的变电所,应采用 变压器分列运行。 5) 接在线路上的避雷器,不宜装设隔离开关;但接在母线上的避雷器,可与 电压互感器合用一组隔离开关。 6) 6~10kV 固定式配电装置的出线侧,在架空线路或有反馈可能的电缆出线 回路中, 应装设线路隔离开关。 采用 6~10 kV 熔断器负荷开关固定式配电装置时, 应在电源侧装设隔离开关。 7) 由地区电网供电的变配电所电源出线处,宜装设供计费用的专用电压、电 流互感器(一般都安装计量柜) 。 8) 当低压母线为双电源,变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路 器时,在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧,宜装设刀开关或隔离触头。

3.3 接线方案选择
对于电源进线电压为 35kV 及以上的变电站, 通常是经变电站总降压变电所降 为 10kV 的高压配电电压,然后经下一级变电所,降为一般低压设备所需的电压。 总降压变电所主接线图表示变电站接受和分配电能的路径,由各种电力设备 (变压器、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等)及其连接线组成,通常用单 线表示。 主接线对变电所设备选择和布置,运行的可靠性和经济性,继电保护和控制 方式都有密切关系,是供电设计中的重要环节。 3.3.1 一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主电路图 单母分段接线:即用分段断路器或分段隔离开关将母线分成若干段。 这种主接线图兼有内外桥式接线的运行灵活性的优点,但所用高压开关设备 较多,可供一、二级负荷,适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所
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分段的单母线与不分段的相比较,提高了接线的可靠性和灵活性。两母线可 分裂运行(分段断路器断开)也可并列运行(分段断路器接通) ;重要用户可以用 双回路接于不同母线段,保证不间断供电;任一母线或母线隔离开关检修,只停 运该段,其他段可继续供电,减小了停电范围。 适用范围 : ①6~10kV 配电装置,出线回路数为 6 回及以上时; ②35~63kV 配电装置,出线回路为 4~8 回时; ③110-220kV 配电装置,出线回路为 3~4 回时。 多数情形中,分段数和电源数相同。 本次设计的 35kV 变电站出线回路侧为 4~8 回,而且多为一、二级负荷,是 连续运行,负荷变动较小,电源进线较短,主变压器不需要经常切换,另外再考 虑到今后的长远发展。采用一、二次侧单母线分段的总降压变电所主接线(即全 桥式接线) 3.3.2 一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图 这种主接线,其一次侧的高压断路器跨接在两路电源进线之间,但处在线路 断路器的外侧,靠近电源方向,因此称为外桥式结线。这种主接线的运行灵活性 也较好,供电可靠性同样较高,适用于一、二级负荷的工厂。但与内桥式结线适 用的场合有所不同。这种外桥式适用于电源线路较短而变电所负荷变动较大、适 用经济运行需经常切换的总降压变电所。当一次电源电网采用环行结线时,也宜 于采用这种结线,使环行电网的穿越功率不通过进线断路器,这对改善线路断路 器的工作及其继电保护的整定都极为有利。 3.3.3 一次侧采用内桥式接线,二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图 这种主接线,其一次侧的高压断路器跨接在两路电源线之间,犹如一座桥梁, 而处在线路断路器的内侧,靠近变压器,因此称为内桥式结线。这种接结线的运 行灵活性较好,供电可靠性较高,适用于一、二级负荷工厂。这种内桥式结线多 用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、并且变电所的变压器不 需要经常切换的总降压变电所。 3.3.4 一、二次侧均采用双母线的总降压变电所主电路图 采用双母线接线较之采用单母线接线,供电可靠性和运行灵活性大大提高, 但开关设备也大大增加,从而大大增加了初投资,所以双母线接线在工厂电力系
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统在工厂变电所中很少运用主要用与电力系统的枢纽变电所。 并且对于 35kV 的配 电装置,此接线方式的回路数多在 8 回以上或者连接电源较多,负荷较大时。

3.4 35kV 变电所主接线简图
综上所述:本次设计采用一、二次侧均为单母分段总降压变电所这种接线

图 3.1 35kV 变电所主接线图

3.5 负荷计算
3.5.1 负荷计算的内容和目的 1) 计算负荷又称需要负荷或最大负荷。 计算负荷是一个假想的持续性的负荷, 其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中, 通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。 2) 尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。 一般取启动 电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护 元件等的依据。在校验瞬动元件时,还应考虑启动电流的非周期分量。 3) 平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。常选用最 大负荷班(即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班)的平均负荷,有时
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也计算年平均负荷。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。 3.5.2 负荷计算的方法 负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式法等几种。 需要系数法公式简单,计算方便,适用于各类变、配电所和供配电干线以及 长期运行而且负载平稳的用点设备和生产车间(如锅炉引风机、水源泵站、集中 空压站)的负荷计算。但不适合用电设备台数少,各台间容量悬殊且工作制度不 同时的电力负荷计算。 二项式法将负荷分为基本部分和附加部分,后者系考虑一定数量大容量设备 的影响。适用于机修类用电设备的计算,其他各类车间和车间变电所设计亦常采 用。二项式法所得计算结果一般偏大。 利用系数法以概率论为基础,根据设备利用率并考虑设备台数以及各台间功 率差异的影响确定计算负荷与平均负荷间的偏差量(这反映在最大系数中大于1的 部分) ,从而求得最大负荷。这种计算方法更具客观性和普遍性,适用于各种类型 负荷的计算,所求得的结果更接近实际。但由于国内对利用系数缺乏切实的工作 和数据的积累,计算方法本身也较上述两种方法复杂,故尚未得到广泛采用。 在本次设计中采用需要系数法确定 3.5.3 本次设计的负荷计算

取: K Σp = 0.95 根据原始数据表可算出: ΣP30i = 6900kW ; 则

K Σq = 0.97

ΣQ30i = ΣP30i × tan acr cos 0.85=6900 × 0.62=4726.2 k var P30 = K × Σ P Σ P 30i = 0.95 × 6300 = 5985kW
Q30 = K × Σ q Σ q 30 i = 0.97 × 4726.2 = 4584.4k var

(3.1) (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) (3.6)

S30 =
I 30 =
cos ? =

( P30 2 + Q30 2 ) = 7539kVA
S30 3U N = 7539 ≈ 435.3 A 3 ×10

P30 5985 = ≈ 0.79 S30 7539
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由于规程要求 cos ? ≥0.9,而由上面计算可知 cos ? =0.79<0.9,因此需要进行 无功补偿。 电容器具有投资省,有功功率损耗小,运行维护方便,故障范围小等特点, 因此采用并联电容器进行无功补偿。 公式依据为: Qc =α × P30 × q c 式中:Qc—需要补偿的无功容量,kvar; P30——全企业的有功计算负荷,kW; α—平均负荷系数,取0.7~0.8; qc——补偿率,kvar / kW,查阅相关工程手册,可以得出qc=0.396 将相关数据代入公式3.6中得: Qc = α × P30 × qc = 0.7 × 0.396 × 5985 = 1659.042k var (3.8) (3.7)

故需要补偿容量为 1700kvar,选择两台容量 850 kvar 的电容器并列补偿运行。

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4 短路电流计算
4.1 引言
在发电厂和变电所电气设计中,短路电流计算是其中的一个重要环节。其计 算的目的的主要有以下几个方面: 1)在选择电气主接线时,为了比较各种接线方案,或确定某一接线是否需要 采用限制短路电流的措施,均需进行必要的短路电流计算。 2)在选择电气设备时,为了保证设备在正常运行和故障状况下都能安全、可 靠的工作。同时又力求节约资金,这就需要按短路情况进行全面校验。 3)在设计屋外高压配电装置时,需按短路条件校验软导线相间和相对地安全 距离。 4)在选择继电保护方式和进行整定计算,需以各种短路时的短路电流为依据。 5)接地装置的设计,也需用短路电流。 短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备,以及进行继电保护装 置的整定计算。 进行短路电流计算,首先要绘制计算电路图。在计算电路图上,将短路计算 所考虑的各元件的额定参数都表示出来,并将各元件依次编号,然后确定短路计 算点。短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电 流通过。 接着,按所选择的短路计算点绘出等效电路图,并计算电路中各主要元件的 阻抗。在等效电路图上,只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出 来,并标明其序号和阻抗值,然后将等效电路化简。一般只需采用阻抗串、并联 的方法即可将电路化简,求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。 短路电流计算的方法, 常用的有欧姆法 (有称有名单位制法) 和标幺制法 (又 称相对单位制法) 本设计采用标幺制法进行短路计算

4.2 基准参数选定
SB=100MVA,UB=Uav 即:35kV 侧 UB1=37kV,10kV 侧 UB2=10.5kV。 I B1 = SB 3U B1 = 1.56kA (4.1)

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I B2 =

SB 3U B 2

= 5.5kA

(4.2)

4.3 阻抗计算(均为标幺值)
1) 系统:
X1 = S B 100 = = 0.5 SΙ 200

(4.3) (4.4)

X2 =
2) 35kV 线路: L1: X 3 = L2: X 4 =

S B 100 = = 0.4 S 250

X l L1 S B 0.4 × 15 × 100 = = 0.438 U B2 37 2 X l L2 S B 0.4 × 10 × 100 = = 0.292 U B2 37 2
U k % S B 0.075 ×100 = = 1.19 S 6.3

(4.5) (4.6) (4.7)

3)变压器: , :X 5 = X 6 = B1 B2

4) 15kV 线路:线路阻抗(XL)分为两类: ①织布厂、胶木厂、印染厂: X L1 =0.345 × 8=2.76

(4.8) (4.9)

②炼铁厂、配电所:X L2 =0.345 × 10=3.45 系统等效电路图如图 4.1 所示

图 4.1 系统等效电路图 (各阻抗计算见 4.3)

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4.4 短路电流计算
1) 最大运行方式 系统化简如图 4.2a 所示 其中: X 7 = X 1 + X 3 = 0.938 X 8 = X 2 + X 4 = 0.692 X 9 = X 7 X 8 = 0.398 X 10 = X 9 + X 5 = 1.588 据此,系统化简如图 4.2b 所示 (4.10) (4.11) (4.12) (4.13)

a) 图 4.2 最大运行方式下,系统的等效电路图

b)

①故知 35kV 母线上短路电流(d1 点) 三相短路电流周期分量有效值

I d 1max =
其他三相短路电流

I B1 1.56 = = 3.92kA X 9 0.398

(4.14)

I ''(3) = I ∞ (3) = I k ?1(3) = 3.92kA
ish (3) = 2.55 × 3.92 = 9.996kA I sh (3) = 1.51 × 3.92 = 5.92kA
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(4.15) (4.16) (4.17)

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三相短路容量

Sk ?1(3) =

Sd X Σ ( k ?1)

=

100 = 251.3MVA 0.398

(5.18)

②10kV 母线上短路电流(d2 点)

I d 2 max =
折算到 35kV 侧

IB2 5.5 = = 3.46kA X 10 1.588

(4.19)

三相短路电流周期分量有效值

I d 21max =
其他三相短路电流

I B1 1.56 = = 0.98kA X 10 1.588

(4.20)

I ''(3) = I ∞ (3) = I k ?1(3) = 0.98kA
ish (3) = 2.55 × 0.98 = 2.499kA I sh (3) = 1.51 × 0.98 = 1.48kA

(4.21) (4.22) (4.23)

三相短路容量

Sk ?1(3) =

Sd X Σ ( k ?1)

=

100 = 62.97 MVA 1.588

(4.24)

③对于 d3 点以炼铁厂、配电所计算 此时 10kV 负荷侧的线路 X L2 =0.345 × 10=3.45 三相短路电流周期分量有效值

I d 3max =
折算到 35kV 侧

I B2 5.5 = = 1.092kA X 10 + X L 2 1.588 + 3.45

(4.25)

三相短路电流周期分量有效值

I d 3max =
其他三相短路电流

I B2 1.56 = = 0.310kA X 10 + X L 1.588 + 3.45

(4.26)

I ''(3) = I ∞ (3) = I k ?1(3) = 0.310kA
ish (3) = 2.55 × 0.310 = 0.790kA

(4.27) (4.28)

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I sh (3) = 1.51× 0.310 = 0.468kA

(4.29)

三相短路容量

Sk ?1(3) =

Sd X Σ ( k ?1)

=

100 = 19.85MVA 5.038

(4.30)

④对于 d3 点以织布厂、胶木厂、印染厂计算 此时 10kV 负荷侧的线路: X L1 =0.345 × 8=2.76 三相短路电流周期分量有效值

I d 3max =
折算到 35kV 侧

I B2 5.5 = = 1.265kA X 10 + X L 2 1.588 + 2.76

(4.31)

三相短路电流周期分量有效值

I d 3max =
其他三相短路电流

I B2 1.56 = = 0.359kA X 10 + X L 1.588 + 2.76

(4.32)

I ''(3) = I ∞ (3) = I k ?1(3) = 0.359kA
ish (3) = 2.55 × 0.359 = 0.915kA I sh (3) = 1.51× 0.359 = 0.542kA

(4.33) (4.34) (4.35)

三相短路容量

Sk ?1(3) =
2) 最小运行方式下 系统化简如图 4.3 所示

Sd X Σ ( k ?1)

=

100 = 23.0 MVA 4.348

(4.36)

图 4.3 最小运行方式下,系统的等效电路图
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因 SⅡ停运,所以仅考虑 SⅠ单独运行的结果 X 11 = X 7 + X 5 = 0.938 + 1.19 = 2.128 ①所以 35kV 母线上短路电流(d1 点) 三相短路电流周期分量有效值
I d 1min = I B1 1.56 = = 1.66kA X 7 0.938

(4.37)

(4.38)

其他三相短路电流

I ''(3) = I ∞ (3) = I k ?1(3) = 1.66kA
ish (3) = 2.55 × 1.66 = 4.233kA I sh (3) = 1.51 × 1.66 = 2.507 kA

(4.39) (4.40) (4.41)

三相短路容量

Sk ?1(3) =

Sd X Σ ( k ?1)

=

100 = 106.6MVA 0.938

(4.42)

②所以 10kV 母线上短路电流(d2 点)

I d 2 min =
折算到 35kV 侧: 三相短路电流周期分量有效值

I B2 5.5 = = 2.58kA X 11 2.128

(4.43)

I d 21min =
其他三相短路电流

I B1 1.56 = = 0.733kA X 11 2.128

(4.44)

I ''(3) = I ∞ (3) = I k ?1(3) = 0.733kA
ish (3) = 2.55 × 0.733 = 1.869kA I sh (3) = 1.51 × 0.733 = 1.107 kA

(4.45) (4.46) (4.47)

三相短路容量

Sk ?1(3) =

Sd X Σ ( k ?1)

=

100 = 46.99MVA 2.128

(4.48)

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③对于 d3 点以炼铁厂、配电所计算 此时 10kV 负荷侧的线路 X L2 =0.345 × 10=3.45

I d 3min =
折算到 35kV 侧

I B2 5.5 = = 0.986kA X 11 + X L 2.128 + 3.45

(4.49)

三相短路电流周期分量有效值

I d 31min =
其他三相短路电流

I B1 1.56 = = 0.280kA X 11 + X L 2.128 + 3.45

(4.50)

I ''(3) = I ∞ (3) = I k ?1(3) = 0.280kA
ish (3) = 2.55 × 0.280 = 0.714kA I sh (3) = 1.51× 0.280 = 0.423kA

(4.51) (4.52) (4.53)

三相短路容量

Sk ?1(3) =

Sd X Σ ( k ?1)

=

100 = 17.93MVA 5.578

(4.54)

④对于 d3 点以织布厂、胶木厂、印染厂计算 此时 10kV 负荷侧的线路: X L1 =0.345 × 8=2.76

I d 3min =
折算到 35kV 侧

I B2 5.5 = = 1.125kA X 11 + X L 2.128 + 2.76

(4.55)

三相短路电流周期分量有效值

I d 31min =
其他三相短路电流

I B1 1.56 = = 0.319kA X 11 + X L 2.128 + 2.76

(4.56)

I ''(3) = I ∞ (3) = I k ?1(3) = 0.319kA
ish (3) = 2.55 × 0.319 = 0.813kA I sh (3) = 1.51× 0.319 = 0.482kA

(4.57) (4.58) (4.59)

三相短路容量

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Sk ?1(3) =

Sd X Σ ( k ?1)

=

100 = 20.46 MVA 4.888

(4.60)

4.5 短路电流计算结果
表 4.5.1 最小运行方式 三相短路电流(kA) 三相短路容量 (MVA) IK d-1 点 d-2 点 d-3 点
( 3)

I

( 3)

I

( 3)



ish

( 3)

Ish

( 3)

Sk

( 3)

1.66 0.733 0.280 0.319

1.66 0.733 0.280 0.319

1.66 0.733 0.280 0.319

4.233 1.869 0.714 0.813

2.507 1.107 0.423 0.482

106.6 46.99 17.93 20.46

表 4.5.2 最大运行方式 三相短路电流(kA) 三相短路容量 (MVA) IK d-1 点 d-2 点 d-3 点
( 3)

I

( 3)

I

( 3)



ish

( 3)

Ish

( 3)

Sk

( 3)

3.92 0.98 0.310 0.359

3.92 0.98 0.310 0.359

3.92 0.98 0.310 0.359

9.996 2.499 0.714 0.915

5.92 1.48 0.423 0.542

251.3 62.97 17.93 23.0

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5 变电所继电保护及故障分析
5.1 本系统故障分析
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,所接负荷属一二类负荷居多。 1) 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。 2) 电力变压器的故障,分为外部故障和内部故障两类。 ① 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。 ② 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) 变压器的不正常运行过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及油 位过低。

5.2 线路继电保护装置
根据线路的故障类型,设置相应的继电保护装置如下: 1) 10kV 负荷侧单回出线保护,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。 2) 35kV 线路的保护,采用三段式电流保护,即电流速断保护、带时限电流保 护与过电流保护。其中电流速断保护为主保护,不带时限,0s 跳闸。

5.3 主变压器继电保护装置
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: 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) 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) 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
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机,防止变压器油温过高) 。

5.4 本设计继电保护原理概述
1) 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。 2) 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) 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。 4) 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。 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。
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6 主变继电保护整定计算及继电器选择
6.1 概述
按 GB50062—92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定:对电力 变压器的下列故障及异常运行方式,应装设相应的保护装置: ①绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路; ②绕组的匝间短路; ③外部相间短路引过的过电流; ④中性点直接接地电力网中外部接地短路引起的过电流及中性点过电压; ⑤过负荷; ⑥油面降低; ⑦变压器温度升高或油箱压力升高或冷却系统故障。 对于高压侧为 35kV 及以上的总降压变电所主变压器来说, 也应装设过电流保 护、电流速断保护和瓦斯保护;在有可能过负荷时,也需装设过负荷保护。但是 如果单台运行的变压器容量在 10000kV·A 及以上和并列运行的变压器每台容量在 6300kV·A 及以上时,则要求装设纵联差动保护来取代电流速断保护。 在本设计中,根据要求需装设过电流保护、电流速断保护、过负荷保护和瓦 斯保护。 ①主保护和后备保护: 35kV 供电系统中的电气设备和线路应装设短路故障保护。短路故障保护应有 主保护、后备保护,必要时可增设辅助保护。 当在系统中的同一地点或不同地点装有两套保护时,其中有一套动作比较快, 而另一套动作比较慢,动作比较快的就称为主保护;而动作比较慢的就称为后备 保护。即:为满足系统稳定和设备的要求,能以最快速度有选择地切除被保护设 备和线路故障的保护,就称为主保护;当主保护或断路器拒动时,用以切除故障 的保护,就称为后备保护。 后备保护不应理解为次要保护,它同样是重要的。后备保护不仅可以起到当 主保护应该动作而未动作时的后备,还可以起到当主保护虽已动作但最终未能达 到切除故障部分的作用。除此之外,它还有另外的意义。为了使快速动作的主保 护实现选择性,从而就造成了主保护不能保护线路的全长,而只能保护线路的一部 分。也就是说,出现了保护的死区。这一死区就必须利用后备保护来弥补不可。 ②近后备和远后备:
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当主保护或断路器拒动时, 由相临设备或线路的保护来实现的后备称为远后备 保护;由本级电气设备或线路的另一套保护实现后备的保护,就叫近后备保护; ③辅助保护: 为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简 单保护,称为辅助保护。

6.2 瓦斯保护
作用:用来反映变压器内部故障和油面降低,它反应于油箱内部故障所产生 的气体或油箱漏油而动作,其中重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧断路器, 轻瓦斯保护动作于信号。 轻瓦斯保护的动作于信号的轻瓦斯部分,通常按产生气体的容积整定:对于 容量为 10MVA 以上的变压器,整定容积为 250~300cm2 。 瓦斯保护动作于跳闸的重瓦斯部分,通常按气体继电器的油流速度整定。 (油 流速度与变压器的容量、接气体继电器导管的直径、变压器冷却方式、气体继电 器形式有关)。 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 0.6~1.5cm2 整定,本设计采用 0.9 cm2。 瓦斯继电器选用 FJ3-80 型 。 瓦斯保护的接线原理图如下:

图 6.1 瓦斯保护的接线原理图

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6.3 差动保护:(主保护)
作用:用来反映变压器绕组和引出线上的相间短路、中性点直接接地系统中 系统侧绕组和引出线的单相接地短路以及绕组匝间短路、容量在 10000kVA 及以 上的变压器应装设纵差动保护。 变压器差动保护动作电流应满足以下三个条件 1) 应躲过变压器差动保护区外出现的最大短路不平衡电流 2) 应躲过变压器的励磁涌流 3) 在电流互感器二次回路端线且变压器处于最大负荷时,差动保护不应动作 结合设计要求和实际条件只对其做纵差动保护的整定,所选继电器型号为 BCH—2 型差动继电器。 计算变压器各侧的一次及二次电流值(在额定容量下)并选择电流互感器的 变比,可按下表计算。 由于 35 kV 侧二次电流大,因此以 35kV 侧为基本侧。 6.3.1 计算 Ie 及电流互感器变比,列表如下(表 6.1): S =6300kVA U1e = 35kV U2e=10 kV

表 6.1 变压器纵差动保护用互感器变比选择 各侧数据 名 称 高压(H) 额定电压 Y(35kV) 低压(L) Δ(10kV)

变压器各侧额定电流

I1e =

S = 103.9A 3U1e
Y Δ

I 2e =

S = 346.4A 3U 2e
Δ Y 346.4A

变压器接线方式 CT 接线方式 选择 CT 一次电流 的计算值 CT 计算变比

103.9 × 3=180A
3I1e 180 = 5 5

I 2e 346.4 = 5 5

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实选 CT 变比 nl CT 二次回路额定电流 不平衡电流 Ibp 平衡系数 确定基本侧

200 5

400 5

103.9 × 1.732=180A

I 2e ' =

I 2e I 2e = =4.33A n2 5

4.50 - 4.33=0.17A
1 基本侧

4.50 =1.04 4.33
非基本侧

由上表可以看出,35kV 侧电流互感器的二次回路额定电流大于 10kVA 侧。因 此 35kV 为基本侧。 6.3.2 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
I dz1 ≥ K k I bp

(6.1)

利用实用计算式:
I dz1 = K k ( K fzq K tx f i + ?U + ?f za ) × I d 2l max

(6.2)

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。 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。 f I —电流互感器的最大相对误差,取 0.1。 代入数据得: I dz1 = 1.3 × (1× 1× 0.1 + 0.05 + 0.05 ) × 0.98 = 254.8 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 I e 式中:Kk—可靠系数,采用 1.3;
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(6.3) (6.4)

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Ie—变压器额定电流: 代入数据得: I dz1 = 1.3 × 103.9 = 135.1A 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 T fh max

(6.5)

(6.6)

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: I dz1 = 1.3 × 103.9 = 135.1A 比较上述(6.3) (6.5) (6.7)式的动作电流,取最大值为计算值, 即: I dz1 = 254.8 A 6.3.3 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接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 nl

(6.7)

(6.8)

代入数据得:
I dzjsI = 3 × 254.8 = 11.03 A 40

(6.9)

基本侧继电器差动线圈匝数 A WcdjsI = wo I dzjsI
60 安匝。

(6.10)

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 代入数据得
WcdjsI = 60 = 5.44 (匝) 11.03

(6.11)

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。 W 即: 实际整定匝数 (匝) cdZ = 5
- 25 -

(6.12)

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其中差动线圈实用匝数 Wc.sυ = 4 匝, 平衡线圈 I 实用匝数 WI.ph. sυ= 1 匝。 继电器的实际动作电流
I dzjI = Awo 60 = = 12 A WcdZ 5

(6.13)

保护装置的实际动作电流 I dzjI N l I dzI = K jx

=

1240 3

= 277.1A

(6.14)

6.3.4 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 Π = Wcdz 4.5 - Wcdz = 5 × -1 = 4.2 (匝) I e 2 JI 4.33

(6.15) (6.16)

故,取平衡线圈实际匝数 W phjs Π = 5 工作线圈计算匝数
WgzΠ = W phjs Π + Wcdz = 10 (匝)

(6.17)

6.3.5 计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差Δfza
W phjs Π - W phz Π W phjs Π + Wcdz 4.2 - 5 = - 0.087 4.2 + 5

?f za =

=

(6.18)

由于 ?f za 小于原定值 0.05,取法合适,不需重新计算。
6.3.6 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。
6.3.7 保护装置灵敏度校验

差动保护灵敏度要求值 K l m ≥ 2
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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 = 0.866 × K jx I dl min I dzl = 0.866 × 1× 0.733 = 2.29 > 2 0.2771 满足要求。 (6.19)

6.4 过电流保护: (后备保护)
6.4.1 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 Kh

(6.20)

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
I dz = 1.2 × 103.9 = 146.7 A 0.85

(6.21)

继电器的动作电流

I dzj =

Id z 146.7 = = 6.35 A 40 nl 3

(6.22)

电流继电器的选择:DL-21C/10,电流整定值为 7A。
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: 织布厂、胶木厂、印染厂
K lm = 0.866 × K jx I d 3l min I dz 0.866 × K jx I d 3l min I dz = 0.866 × 1× 0.280 = 1.65 > 1.2 0.1467 0.866 × 1× 0.319 = 1.88 > 1.2 0.1467

(6.23)

炼铁厂、配电所:
K lm = =

(6.23)

故灵敏度满足要求。

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6.5 过负荷保护: 后备保护) 过负荷保护: 后备保护) (后备保护 ( 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 1.05 × 103.9 = = 128.4 A Kf 0.85
I dz 128.4 × 3 = = 5.56 A nl 40

(6.24)

I dzJ =

(6.25)

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。 6.6 冷却风扇自起动: 冷却风扇自起动:
I dz = 0.7 × I el = 0.7 ×103.9 = 72.74 A I dzJ = I dz 72.74 = = 3.15 A 40 nl 3

(6.26) (6.27)

即:当继电器电流达到 3.15A 时,冷却风扇自起动。

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7 线路保护整定计算
7.1 概述
根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范 GB50062-92》可知: 3~63kV 中性点非直接接地电力网中线路的保护 7.1.1 对 3~63kV 线路的下列故障或异常运行,应装设相应的保护装置: 1) 相间短路; 2) 单相接地; 3) 过负荷。 7.1.2 对 3~10kV 线路装设相间短路保护装置,应符合下列要求: 1) 由电流继电器构成的保护装置,应接于两相电流互感器上,同一网络的所 有线路均应装在相同的两相上; 2) 后备保护应采用远后备方式; 3) 当线路短路使发电厂厂用母线或重要用户母线电压低于额定电压的 60% 时,以及线 路导线截面过小,不允许带时限切除短路时,应快速切除故障; 4) 电流保护的时限不大于 0.5~0.7s 时,且没有第三款所列的情况,或没有 配合上 的要求时,可不装设瞬动的电流速断保护。 7.1.3 在 3~10kV 线路装设的相间短路保护装置,应符合下列规定: 1) 对单侧电源线路可装设两段过电流保护:第一段为不带时限的电流速断保 护;为带时限的过电流保护。可采用定时限或反时限特性的继电器。对单侧电源 带电抗器的线路, 当其断路器不能切断电抗器前的短路时,不应装设电流速断保 护,此时,应由母线保护或其 它保护切除电抗器前的故障。保护装置仅在线路的 电源侧装设。 2) 对双侧电源线路,可装设带方向或不带方向的电流速断和过电流保护。对 1~2km 双侧电源的短线路,当采用上述保护不能满足选择性、灵敏性或速动性的 要求时,可采用带辅 助导线的纵差保护作为主保护,并装设带方向或不带方向的
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电流保护作后备保护。对并列运行的平行线路宜装设横联差动保护作为主保护, 并应以接于两回线电流之和的电流保护,作为两回线同时运行的后备保护及一回 线断开后的主保护及后备保护。 7.1.4 对 35~63kV 线路,可按下列要求装设相间短路保护装置: 1) 对单侧电源线路可采用一段或两段电流速断或电流闭锁电压速断作主保 护,并应以带时限过电流保护作后备保护。当线路发生短路,使发电厂厂用母线 电压或重要用户母线电压 低于额定电压的 60%时,应能快速切除故障。 2) 对双侧电源线路可装设带方向或不带方向的电流电压保护。当采用电流电 压保护不能 满足选择性、灵敏性和速动性要求时。可采用距离保护装置。双侧电 源或环形网络中,不超 过 3~4km 的短线路,当采用电流电压保护不能满足要求 时,可采用带辅助导线的纵差保护作主保护,并应以带方向或不带方向的电流电 压保护作后备保护。 3) 并列运行的平行线路,可装设横联差动保护作主保护,并应以接于两回线 电流之和阶段式保护或距离保护作为两回线同时运行的后备保护及一回线断开后 的主保护及后备保护。

7.2 线路保护的原理:
1) 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。 2) 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) 35kV 线路相间短路的电流保护 35kV 线路继电保护的主体。电流保护多采 用三段式,即由电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护组成。电流速断 保护(也称为Ⅰ段)动作时间短,速动性好,但其动作电流较大,某些情况下不 能保护线路全长;限时电流速断保护(也称为Ⅱ段)有较短的动作时限,而且能 保护线路全长,却不能作为相邻线路的后备保护;定时限过电流保护(也称为Ⅲ
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黄敏:35kV 变电站继电保护设计

段)的动作电流较前两段小,保护范围大,既能保护本线路全长又能作为相邻线 路的后备保护。 4) 6~10kV 线路的电流保护由电流速断 (Ⅰ段) 与过电流保护 (Ⅲ段) 构成, 而 35kV 线路电流保护增加了限时电流速断保护。因为也被称为三段式电流保护。

7.3 35kV 线路三段式电流保护整定计算
7.3.1 第一段 无时限电流速断保护

1) I'act.1 应躲过 d2 点的最大短路电流整定。
I 'act .1 = K
rel

× I sc.d 2.max = 1.25 × 980 = 1225 A

(7.1)

其中: Iact 保护装置的动作电流,又叫做一次动作电流 Krel——可靠系数,一般取 1.25~1. 5 2) 继电器的动作电流为: I ` act . k = K CO × I `act .1 Ki = 1× 1225 = 15.3 A 400 5 (7.2)

其中:Kco——接线系数,本设计中取 1 Ki——电流互感器 TA 的变流比 考虑到系统发展时仍能适应,选用 DL-11/50 型电流继电器,其动作电流 的整定范围为 12.5~50A,故动作电流整定值为 16A。 3) 第一段的灵敏性通常用保护范围的大小来衡量,根据本设计的数据,按线 路首端(d1 点)短路时的最小短路电流校验灵敏系数。

K

sen

I = sc'.d 1min I act .1

=

3 × 1660 2 = 1.17 < 1.5 1225

(7.3)

其中:Ksen——灵敏系数 不满足要求,因此必须进一步延伸电流速短的保护范围,使之与下一条线路 的限时电流速断相配合,这样其动作时限就应该选择得比下一条线路限时速断的 时限再高一个 ?t 所以动作时限整定为:

t2 = t1 +2 ?t =1.0 s
故应装设带时限电流速断保护。

(7.4)

4) 由于其动作时间为 0s,为防止其在线路上管型避雷器放电时误动,电流速 断保护的动作时间带有 0.06~0.08 秒的延时。
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南京工程学院电力工程学院毕业设计(论文)

7.3.2 第二段

带时限电流速断保护

1) 保护的动作电流为:
I 'act .2 = K I "act .2 = K
rel

× I sc.d 3.max = 1.25 × 310 = 387.5 A × I ' act .2 = 1.1× 387.5 = 426.25 A

(7.5) (7.6)

2) 计算 10kV 电缆第二段的动作电流
rel

3) 在线路首端(d2 点)短路时,第二段的灵敏系数为:

K

sen

I = sc".d 2 min I act .1

=

3 × 733 2 = 1.52 > 1.5 426.25

(7.7)

灵敏系数满足要求。 4) 继电器的动作电流为: I " act . k = K CO × I "act .1 Ki = 1× 411.13 = 5.33 A 400 5 (7.8)

考虑到系统发展时仍能适应,选用 DL-11/20 型电流继电器,其动作电流的整 定范围为 5~20A,故动作电流整定值为 6A。 5) 保护的动作时限 t2 应与 t1 配合,即:

t2 = t1 +2 ?t =1.0 s
选用 DS-111 型时间继电器,其时间调整范围为 0.1~1.3 s 7.3.3 第三段 过电流保护

(7.9)

1) 过电流保护的动作电流为:
I act " = K rel i K ast i I L i max Kr

(7.10)

其中: Il.max——最大的负荷电流。 K rel ——可靠系数,取 1.2
K r ——返回系数,取 0.85 K ast ——考虑电动机自起动使电流增大的自起动系数,取 1.5 I L i max = I 2 e =

S 6300 = = 103.9 A 3U 2 e 3 × 35
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(7.11)

黄敏:35kV 变电站继电保护设计

(线路负荷电流取电流互感器额定一次侧电流)
I d 2.max = 54987 = 3460 A X s.min + X L + X B

(7.12)

2) 继电器的动作电流为:

I

"'

act . k

=

K CO × I "' act .1 Ki

=

1× 220.02 = 5.5 A 200 5

(7.13)

考虑到系统发展时仍能适应,选用 DL-11/20 型电流继电器,其动作电流的整 定范围为 5~20A,故动作电流整定值为 6A。
3) 过电流保护应分别按本线路末端(d2 点)及下一线路末端(d3 点)短路时

的最小短路电流校验灵敏系数。 作为本线路后备保护时的灵敏系数为:

K

sen

I . = scΠd 2 min I act .1

=

3 × 733 2 = 2.89 > 1.5 220.02

(7.14)

灵敏系数满足要求。 4) 保护的动作时限 t3 应与 t 2 配合,即:
t3 = t2 + ?t = 1.0 + 0.5 = 1.5s

(7.15)

选用 DS-112 型时间继电器,其时间调整范围为 0.25~3.5s

7.4 10kV 线路保护整定计算
7.4.1 电流速断保护的整定

① 织布厂、胶木厂、印染厂:
1) 躲配变低压侧母线最大三相短路电流, 具体做法是选择一个最大容量配变,
I 如有多个最大容量配变则选择距出线断路器最近者。其动作电流 I op 整定为:

I I op ≥1.3× I d 2. max

(7.16) (7.17) (7.18)

I d 2.max =

5498 5498 = = 1741A X s.max + X L1 0.398 + 2.76

I I op ≥ 1.3 × I d 2.max = 1.3 ×1741 = 2263 A

式中:

I d 2. max ——配变低压侧母线故障时本线路最大三相短路电流;
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南京工程学院电力工程学院毕业设计(论文)

Xs.min——10kV 母线等值系统最大运行方式阻抗标么值; XL1——织布厂、胶木厂、印染厂线路正序阻抗标么值; 其中:1.3 为可靠系数,5498 为按 100MVA 为基准容量计算而得的 10kV 侧 基准电流;所有阻抗的标么值都 100MVA 为基准容量而获得。 继电器的动作电流为:
I
act . k

=

K CO × I 1op Ki

=

1× 2263 = 28.3 A 400 5

(7.19)

考虑到系统发展时仍能适应,选用 DL-11/50 型电流继电器,其动作电流的整 定范围为 12.5~50A,故动作电流整定值为 30A。
2)保证系统最大运行方式下开关出口三相短路时灵敏度不小于 1
I I op ≤ ' I d .max 1

(7.20) (7.21) (7.22)

' I d .max =

5498 = 13814 A 0.398

' I d .max 13814 = = 6.1 > 1 I 2263 I op

式中

满足灵敏度的要求。 ' I d . max ——系统最大运行方式下开关出口三相短路时的电流;
Xs.min——10kV 母线等值系统最大运行方式阻抗标么值。

其中:1 为灵敏度,5498 为 10kV 侧基准电流。
3) 由于其动作时间为 0s,为防止其在线路上管型避雷器放电时误动,电流速

断保护的动作时间带有 0.06~0.08 秒的延时。 ② 炼铁厂、配电所:
1) 躲配变低压侧母线最大三相短路电流, 具体做法是选择一个最大容量配变,
I 如有多个最大容量配变则选择距出线断路器最近者。其动作电流 I op 整定为:

I I op ≥1.3× I d 2. max

(7.23) (7.24) (7.25)

I d 2.max =

5498 5498 = = 1428.8 A X s.max + X L 2 0.398 + 3.45

I I op ≥ 1.3 × I d 2.max = 1.3 ×1428.8 = 1857.4 A

式中:

I d 2. max ——配变低压侧母线故障时本线路最大三相短路电流;
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黄敏:35kV 变电站继电保护设计

Xs.min——10kV 母线等值系统最大运行方式阻抗标么值; XL2——炼铁厂、配电所线路正序阻抗标么值; 其中:1.3 为可靠系数,5498 为按 100MVA 为基准容量计算而得的 10kV 侧基 准电流;所有阻抗的标么值都 100MVA 为基准容量而获得。 继电器的动作电流为:
I
act . k

=

K CO × I 1op Ki

=

1× 1857.4 = 23.2 A 400 5

(7.26)

考虑到系统发展时仍能适应,选用 DL-11/50 型电流继电器,其动作电流的整 定范围为 12.5~50A,故动作电流整定值为 30A。
2)保证系统最大运行方式下开关出口三相短路时灵敏度不小于 1
I I op ≤ ' I d .max 1

(7.27) (7.28) (7.29)

' I d .max =

5498 = 13814 A 0.398

' I d .max 13814 = = 7.44 > 1 I 1857.4 I op

式中

满足灵敏度的要求。 ' I d . max ——系统最大运行方式下开关出口三相短路时的电流;
Xs.min——10kV 母线等值系统最大运行方式阻抗标么值。

其中:1 为灵敏度,5498 为 10kV 侧基准电流。
3)由于其动作时间为 0s,为防止其在线路上管型避雷器放电时误动,电流速

断保护的动作时间带有 0.06~0.08 秒的延时。
7.4.2 过电流保护的整定

① 织布厂、胶木厂、印染厂
1) 过电流保护又称为电流保护 III 段,其整定原则为躲过最大的负荷电流,
III 其动作电流 I op 为:

III I op ≥

1.25 × I l .max 0.85

(7.30) (7.31)

I l .max =

Pmax 1200 = = 69.3 A 3U N 3 ×10
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南京工程学院电力工程学院毕业设计(论文)
III I op ≥

1.25 × I l .max 1.25 × 69.3 = = 101.9 A 0.85 0.85

(7.32)

式中

Il.max——最大的负荷电流。

其中:1.25 为可靠系数;0.85 为返回系数
2) 保护的动作时限 t2 应与 t1 配合,过电流保护的动作时间通常设为 0.5s,即:
t2 = t1 + ?t = 0.5 s

(7.33)

考虑到变电所 10kV 出线保护最长动作时间为 1.5s,故选用 DS-111 型时间继 电器,其时间调整范围为 0.1~1.5 s。 ② 炼铁厂、配电所
1) 过电流保护又称为电流保护 III 段,其整定原则为躲过最大的负荷电流,
III 其动作电流 I op 为:

III I op ≥

1.25 × I l .max 0.85

(7.34) (7.35) (7.36)

I l .max =
III I op ≥

Pmax 1700 = = 98.1A 3U N 3 ×10

1.25 × I l .max 1.25 × 98.1 = = 144.3 A 0.85 0.85

式中

Il.max——最大的负荷电流。

其中:1.25 为可靠系数;0.85 为返回系数
2) 保护的动作时限 t2 应与 t1 配合,过电流保护的动作时间通常设为 0.5s,即:
t2 = t1 + ?t = 0.5 s

(7.37)

考虑到变电所 10kV 出线保护最长动作时间为 1.5s,故选用 DS-111 型时间继 电器,其时间调整范围为 0.1~1.5 s。

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黄敏:35kV 变电站继电保护设计

8 结



在毕业设计三个月的时间里,我不仅将大学里学习的专业知识全部温习了一 遍,而且还深入的学习了很多新的继电保护知识,做出了一些相应的成果,并在 这过程中我学到了很有有效的学习方法和思考方法。可以说,收获还是挺大的。 在设计开始,我们首先要将以前学过的专业知识系统的复习一遍,尤其是涉 及到一些没有学过的继电保护知识,当时感觉很难,但当我利用了一个星期编看 完了从图书馆里面借回来的相关书籍,做了许多相关的例题后,才发现由于继电保 护自身所具有的特点,使得它比较容易入门,而且各种例题也使我增强了做好的 信心。 当对继电保护知识有了一定的了解后,指导老师景展及时给我们作了指导, 使我们对毕业设计的任务及着手点有了明确的认识,自己的头脑中也形成了此次 毕业设计课题的一个大概框架。但是,因为自己对继电保护的认识还不够全面, 所以在计算和分析的过程是走了许多弯路,画一次接线图就大面积改了三四次才 成功。这次毕业设计由于资料不够,所以我们多人一组共享资源,这无意是对我 们的相互协作能力的考验,在遇到一个人不能解决的问题时,我们共同商量,找 到解决的方法。 在同学们的帮助下, 我们在规定的时间之内初步完成了此次设计的任务。 当 然这次的设计还有一些上述不足之处,需要我不断的去学习,去改进。此次毕业 设计过程中所取得的经验和所吸取的教训,将会对我以后的工作与学习有很大的 帮助,会让我终生受用。 在这个设计中,我主要做了关于 35kV 变电站的相关保护,从负荷计算到主接线 的选择;从短路电流计算到导线电缆的选择、校验;从主变压器继电保护的配置 到线路继电保护的计算、校验。从《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》 中,我比较系统的了解了保护配置的原则。当然在保护配置方面,我自己认为还 是存在许多的不足之处,如:在保护配置方面,为了保证基本要求,应该加装自 动装置;对于线路方面的保护配置,我认为还应该进一步的细化;对于电缆的选 择,我认为还是有点模糊,有些东西还是理解不太深刻。 最后,我要感谢此次我们毕业设计的指导老师景展,她每次都很及时的在我 们设计进入一个新阶段时,及时的给我们做一些必要的指导,并给我们提供了宽 松的环境,使得我们在时间上有很大的灵活性。同时,也感谢在此次毕业设计中 给予我帮助的所有人。

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南京工程学院电力工程学院毕业设计(论文)

谢 辞
我的毕业论文是在导师景展老师的悉心指导下完成的。我在完成论文期间得 到了景老师的精心指导和热情帮助,为我们提供了良好的学习环境和不可多得的 锻炼机会。特别是景老师渊博的学识、实事求是的工作作风和对待问题精益求精 的学术态度使我受益非浅,使我逐渐培养起严谨细心的学习作风。景老师细心、 全面的审阅了全文,并提出了许多宝贵意见,对提高论文的水平和研究方向上的 把握起到了重要的作用。至此论文完成之际,特别向导师表示我最诚挚的谢意! 也感谢在论文完成过程中帮助过我的老师和同学,同时向评阅论文和参加答辩的 各位专家表示衷心的感谢!

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黄敏:35kV 变电站继电保护设计

参考文献
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 王梅义.高压电网继电保护运行技术[S].北京:电力工业出版社,1981 熊为群.陶然.继电保护自动装置及二次接线(第二版). 中国电力出版 杨奇逊.微型机继电保护基础[S].北京:水利电力出版社.1988 吴斌.刘沛.陈德树.继电保护中的人工智能及其应用[S].电力系统自动 化.1995(4) 韩笑.电气工程专业毕业设计指南——继电保护分册[S].北京:中国水利水 电出版社,2003 崔家佩.孟庆炎.熊炳耀.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算[S].北 京:水利水电出版社.2002 年. 许建安.连晶晶.继电保护技术[S].北京:中国水利水电出版社.2004. 李火元.电力系统继电保护与自动装置(第二版) [S].北京:中国电力出版 尹项根.曾克娥.电力系统继电保护原理与应用(上册) [S].武汉.华中科技 大学出版社,2001 [10] 贺家李.宋从矩.电力系统继电保护原理[S].北京:水利电力出版社.1985 [11] 何仰赞.温增银.电力系统分析(上) [S].华中理工大学出版社.1996 年 7 月 [12] 西安交通大学.李光琦.电力系统暂态分析(第二版) [S].北京:中国电力出 版社.1995 年 5 月. [13] 芮静康.现代工业与民用供配电设计手册[S].中国水利水电出版社.2004. 178~221.222~321 [14] [15] [16] [17] 江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术[S].中国电力出版 中国航空工业规划设计研究院等.现代工业与民用供配电设计手册 (第二版) [S].水利电力出版社.1994 江苏省电力设计院.35~110kV 无人值班变电所典型方案设计[S].中国电 力出版社.2002 国家标准 GB50062-92: 电力装置的继电保护和自动装置设计规范 [S].北京: 中国计划出版社,1992 社.2006

社.2000

社.2006

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南京工程学院电力工程学院毕业设计(论文)

附录 1:外文资料翻译 A1.1 Substation and Power System Protection
With the development of undertaking of the electric wire netting , the pattern of national network has already taken shape basically. Scientific and technological level raise, electric environmental protection can strengthen, make scientific and technological competence and advanced international standards, Chinese of power industry close day by day. Electric management level and service level are being improved constantly, strategic planning management of electric power development, production operate manage , electric market administration and electric information management level , high-quality service level ,etc. general to raise enterprise. The purpose of a substation is to transform the characteristics of the electrical energy supplied to some form suitable for use, as for example, a conversion from alternation current to direct current for the use of city railway service, or a change from one voltage to another, or one frequency to another. Their functions include: Tap.─TO be economical, transmission of larger amounts of power over long distances must be done at voltages above 110,000 volts. Substations for supplying small amounts of power from such high-voltage lines are not satisfactory from the standpoint of operation and are also uneconomical. It is, therefore, common practice to install a few substations at advantageous points along the high-tension lines and step down the high-transmission voltage to a lower secondary-transmission voltage from which numerous small loads may be supplied. Distribution.─Any substation that is used to transform electrical energy to a potential that is low enough for general distribution and utilization is a distributing substation. Such a substation will generally receive its energy over a few comparatively high-tension lines and distribute it over a large number of low-voltage lines. Industrial.─When fairly large blocks of power are required by industrial plants, it often becomes necessary and advisable to install an individual substation to supply such a load directly from the main high-voltage line or secondary line of lower voltage. Its simplest form would comprise only switching equipment, there being no voltage transformation. In most cases a voltage transformation is probably needed; hence transformer equipment is included. Sectionalizing.─In very long high-voltage large capacity lines, particularly when several circuits are run in parallel, it is often necessary to split the lines into sections, in order that proper protection to the line and service can be obtained. Such a substation is , therefore, helpful in sectionalizing damaged sections of a line, providing continuity of service. Such a substation will generally comprise only switching equipment. In long lines it may also serve to supply power-factor-correcting equipment. Transmission-line Supply.─It is becoming more and more common to install the high-tension equipment of a power plant outdoors, the installation becoming nothing more than a step-up substation receiving its power at generator voltage, then stepping up its voltage and finally sending it out over high-voltage transmission lines. Such a - 40 -

黄敏:35kV 变电站继电保护设计 substation is nothing more than an outdoor distributing substation turned around, the voltage being stepped up instead of stepped down. Power-factor Correction.─The voltage at the end of long lines tends to increase as the load supplied is decreased, while on the other hand it tends to decrease as the load is increased. Owing to the inductance and capacity effects, this variation in voltage is accompanied by a wide variation in power factor of a line, it is necessary to use synchronous condensers at the end of the line. To supply such a machine the transmission-line voltage must be stepped down, hence a power-factor-correcting substation will include switching equipment, transformers, and all equipment necessary for the operation of synchronous condensers. Railway.─Substations supplying railways may be generally classified under two heads, namely, as alternating current and as direct current. In the cases of alternating-current substations the problem is generally one of voltage transformation and of supplying single-phase power to the trains. It is, however, possible to supply single-phase to three-phase inside the locomotive by the use of a phase converter. In the case of direct-current railways, the substations are generally supplied whit three-phase power and converted to direct current by means of rotary converters, motor-generator sets, or rectifiers. Direct current for Light and Power.─There are still a few sections in some of out large cities, which are supplied with direct-current three-wire systems. Such a supply is invariably obtained from synchronous converters. There are also certain types of motor loads in industrial plants, which require direct current. Because many cities have experience rapid growth, their substations have often reached the limits of their capacity. As a result, downtown distribution systems are often overworked and many need a major, overhaul, overhaul, or expansion. However, space is scarce. Downtown business owners do not want “ugly” new substation marring the area’s appearance, but nor do businesses and residents grid the prospect of grid disturbances. One example of a system capable of integrating equipment monitoring with substation automation is the GE Harris integrated Substation Control System (ISCS). The system can integrate data from both substation system and equipment online monitoring devices into a common data base. The data can then be processed by an expert system into information on the status and health of monitored equipment using self-diagnostic programs. This information is then sent to a CMMS for automatic generation and tracking of maintenance work orders leads directly to the significant efficiencies found with condition-based maintenance programs. ABB Power and its industry partners have combined to develop the ABB Power System software. The system contains a diagnostic and maintenance system that reports necessary maintenance before failure. It allows utilities and industrial customers to easily expand from a single computer to a full system, without re-engineering.

the directional protection basis
Early attempts to improve power-service reliability to loads remote from generation led to the dual-line concept. Of course, it is possible to build two lines to a load, and switch the load to whichever line remains energized after a disturbance. But better service continuity will be available if both lines normally feed the load and only the faulted line is tripped when disturbances occur. Fig.14-1 shows a single-generator, two-line, single-load system with breakers - 41 -

南京工程学院电力工程学院毕业设计(论文) properly arranged to supply the load when one line is faulted. For the arrangement to be effective it is necessary to have the proper relay application. Otherwise, the expensive power equipment will not be able to perform as planned. Consider the application of instantaneous and/or time delay relays on the four breakers. Obviously the type of the relay cannot coordinate for all line faults. For example, a fault on the line terminals of breaker D. D tripping should be faster than B, however, the condition reverses and B should be faster than D. It is evident that the relay protection engineer must find some characteristic other than time delay if relay coordination is to be achieved. The magnitude of the fault current through breakers B and D is the same, regardless of the location of the fault on the line terminal of breaker B or D. Therefore relay coordination must be based on characteristics other than a time delay that starts from the time of the fault. Observe that the direction of current flowing through either breaker B or D is a function of which line the fault is on. Thus for a fault on the line between A and B, the current flows out of the load bus through breaker B toward the fault. At breaker D the current flows toward the load bus through breaker D. In this case breaker B should trip, but breaker D should not trip. This can be accomplished by installing directional relays on breakers B and D that are connected in such a way that they will trip only when current flows through them in a direction away from the load bus. Relay coordination for the system shown in Fig.14-1 can now be achieved by their - salvations of directional over current time delay relays on breakers B and D. Breakers A and C can have no directional over current time delay relays. They may also now have instantaneous relays applied. The relays would be set as follows: The directional relays could be set with no intentional time delay. They will have inherent time delay. The time delay over current relays on breakers A and C would have current settings that would permit them to supply backup protection for faults on the load bus and for load equipment faults. The instantaneous elements on breakers A and C would have current settings that would not permit them to detect faults on the load bus. Thus the lines between the generator and the load would have high-speed protection over a considerable portion of their length. It should be observed that faults on the line terminals of breakers A and C can collapse the generator voltage. The instantaneous relays on breakers A and C cannot clear the circuit instantaneously, because it takes time for power equipment to operate. During this period there will be little or no current flow through breakers B and D. Therefore, B or D cannot operate for this fault condition until the appropriate breaker at the generating station has operated. This is known as sequential tripping. Usually, it is acceptable under such conditions. Direction of current flow on an a. c. system is determined by comparing the current vector with some other reference vector, such as a voltage vector. In the system of Fig. 14-1 the reference voltage vector would be derived from the voltages on the load bus. Direction of current or power flow cannot be determined instantaneously on a. c. systems whose lines and equipment contain reactance. This is apparent from the fact that when voltage exists, the lagging current can be plus or minus or zero, depending on the instant sampled in the voltage cycle. Accordingly, the vector quantities must be sampled over a time period. The time period for reasonably accurate sampling may be from one-half to one cycle. Work is proceeding on shorter sampling periods where predicting circuits are added to the relay to attempt to establish what the vectors will be at some future time. The process is complex, because it must make - 42 -

黄敏:35kV 变电站继电保护设计 predictions during the time when electrical transients exist on the system. Usually, the shorter the time allowed for determining direction, the less reliable will be the determination.

differential protection
Much of the apparatus used on a power system has small physical dimensions when compared to the length of general transmission-line circuits. Therefore, the communications between the apparatus terminals may be made very economically and very reliably by the use of direct wire circuit connections. This permits the application of a simple and usually very effective type of differential protection. In concept, the current entering the apparatus is simply compared against the current leaving the apparatus. If there is difference between the two currents, the apparatus is tripped. If there is no difference in the currents, the apparatus is normal and no tripping occurs. Such schemes can usually be made rather sensitive to internal faults and very insensitive to external faults. Therefore, relay coordination is inherent in the differential relay scheme. The simplest application of differential relaying is shown in Fig. 14-4. Here one simple power conductor is protected by a differential relay. The relay itself usually consists of three coils, one of which is the coil that detects the difference current and initiates circuit tripping. It is called the operating coil and is designated by an O in the figure. The other two coils are restraint coils and are designated by R in the figure. The restraint coils serve a practical purpose. They prevent operation for small differences in the two current transformers that can never be exactly identical, as a result of manufacturing and other differences. Otherwise, the restraint coils serve no theoretical purpose. Fig. 14-4 shows the condition of current flow for an external fault during which the relay should not trip. The current I1 enter and leaves the power circuit without change. The current transformers are assumed to have a 1 : 1 ratio for simplicity, and their secondary windings are connected to circulate the I1 currents through the restraint coils of the differential relay only. If current left or entered the power circuit between the two current transformers (an internal fault), then the currents in the transformers would be different, and the difference current would flow through the operating coil of the relay.

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南京工程学院电力工程学院毕业设计(论文)

本文译自《电力英语阅读》

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黄敏:35kV 变电站继电保护设计

A1.2 变电站与电力系统继电保护
随着电力电网事业的发展,全国联网的格局已基本形成。科技水平得到提高,电力环境保护得以加强, 使中国电力工业的科技水平与世界先进水平日渐接近。电力管理水平和服务水平不断得到提高,电力发展的 战略规划管理、生产运行管理、电力市场营销管理以及电力企业信息管理水平、优质服务水平等普遍得到提 高。 变电站的目的是改变电能特性以满足使用要求。例如,从交流转换为直流为城市铁路供电,或者从一个电 压等级转换为另一十电 S 等级,或者从一个频率转换为另一个频率。变电站的功能包括: 分支——为了经济性,大容量电力的远距离传输必须在 110kV 以上的电压下进行。从运行的角度来看,从 这样的高压线直接引出向小容量负荷供电的变电站是不能令人满意的,也是不经济的。因此,一个常规办法 是:沿着高压线路在适合的地点设置一些变电站,将高传输电压降到一个较低的二级传输电压,从这个电压 向小容量负荷供电。 配电——任何用于将电能变换为可以直接配电和利用的较低压等级的电能的变电站都是配电变电站。 这样 的变电站一般将从 A 条电压相对高的线路接受电能,并向大量较低电压线路配送电能。 工业——当工厂需要大量电能时,设置一个自己的单独的变电站是有必要的也是明智的,这个变电站直接 从主高压线路或较低电压的二级输电线路取得电能。其最简单的形式没有电压的转换,只由开关设备组成。 但是,在大多数情况下需要一个电压转换,因此工业变电站应该包括变压器设备。 分段——在很多高压大容量的长线路中,尤其是几条线路并联运行时,经常需要将线路分段,目的是为了 使线路获得适当的保护和维护。这样的变电站有助于隔寓线路中的故障段,保证连续供电。这种变电站通常 只由开关设备组成。在长线路中,还可以提供功率因数调整设备。 输电线路的电源——在发电厂的户外设置高压设备已经变得越来越昔遍,安装的装置只不过是一个升压电 站,它以发电机电压接受电能,然后将电压升高,并最终通过高压输电线路将电能送出。这种变电站只不过 是将户外配电变电站反过来,电压是被升高而不是降低。 功率因数调整——随着供电负荷的减小,长线路末端的电压趋向于升高,而随着供电负荷的增大,线路 末端的电压趋向于降低。由于电感和电容的影响,这个电压的变化将伴随着线路功率因数而变化,因此有必 要在线路末端设置同步调相机。为了向同步调相机供电,就必须将高压输电线路的电压降低,因此,一个功 率因数调整变电站将包括开关设备、变压器和所有运行同步调相机所需要的设备。 铁路——一般地,向铁路供电的变电站分为两类,即交流类和直流类。如果是交流变电站,其问题一般是 一个电压转换和向铁路机车负荷单相供电的问题。然而,也有可能在机车内通过相位变换锚由单相电源向三 相负荷供电。如果是直流铁路,这种变电站一般由三相电源供电,并通过旋转变流器、电动机——发电机组 或者整流器等将交流变换为直流。 照明和动力用直流——现在,仍然有一些在大城市以外的地区采用直流三线系统供电,这种电源总是从 同步换流器获得。另外,工厂中还有某些类型的电动机负荷要求采用直流电源,这些一般都是由旋转换流器 - 45 -

南京工程学院电力工程学院毕业设计(论文) 供电。对于电解工业,低压直流电源绝对是必须的,因此也需要使用电动机——发电机组或旋转变记器。 由于城市不断发展,许多城市变电站已经达到其负荷极限,所以市区配电系统经常是超负荷运行,许多 配电站急需升级、检修或扩建,问题是空间不足。市中心的业主不希望外观“丑陋”的新变电站影响当地的 景观,商家和居民也不想将来被星罗棋布的电网所干扰。 变电站自动化的新趋势是状态维修。ABB 公司与联邦爱迪生公司合作开发了一套贯穿整个系统的规划,一 旦联邦爱迪生公司的配电系统发生故障,可使电能流向发生改变。联邦爱迪生公司的项目总裁迈克·罗维说: “对这几个变电站的发行包括肥现有的辐射状的馈电系统改成环形母线系统,以增加系统的稳定性。 ” GE 哈里其变电站综合控制系统(ISCS)就是一个将设备监测与变电站自动化相结合的系统。该项系统能 够将来自变电站系统和设备在线监控装置的数据进行综合,并输入数据库,然后由一个专家系统利用自我诊 断程序进行分析,得出有关被监测设备的运行善的信息。该信息被发送到电脑维修管理系统,自动发出并传 送维修工作指令。由于维修指令的发送得到了改善,极大地提高了基于状态进行维修程序的效率。ABB 电力 公司及其企业合作伙伴联合开发了 ABB 电力系统软件。该系统包括一套诊断维修系统,能够在出现故障前提 交必要的维修报告。有了这一套系统,电力公司和用电单位不须经过重新改造,只需一台电脑,就能轻而易 举地拥有一套完整的系统。

方向保护基础
早期,对于远离发电站的用户,为改善其供电的可靠性提出了双回线供电的设想。当然。也可以架设不 同的两回线给用户供电。在系统发生故障后,把用户切换至任一条正常的线路。但更好的连续供电方式是正 常以两回线同时供电。当发生故障时,只断开故障线。 (图 14-1) 所示为一个单电源、单负载、双回输电线 系统。对该系统配置合适的断路器后,当一回线发生故障时,仍可对负载供电。为使这种供电方式更为有效, 还需配置合适的继电保护系统,否则,昂贵的电力设备不能发挥其预期的作用。可以考虑在四个断路器上装 设瞬时和延时起动继电器。显然,这种类型的继电器无法对所有线路故障进行协调配合。例如,故障点在靠 近断路器 D 的线路端,D 跳闸应比 B 快,反之,B 应比 D 快。显然,如果要想使继电器配合协调,继电保护 工程师必须寻求除了延时以外的其他途径。 无论故障点靠近断路器 B 或 D 的哪一端,流过断路器 B 和 D 的故障电流大小是相同的。因此继电保护 的配合必须以此为基础,而不是放在从故障开始启动的延时上。我们观察通过断路器 B 或 D 的电流方向是随 故障点发生在哪一条线路上变化的。对于 A 和 B 之间的线路上的故障,通过断路器 B 的电流方向为从负荷母 线向故障点。对于断路器 D,电流通过断路器流向负载母线。在这种情况下,断路器 B 应跳闸,D 不应该跳 闸。要达到这个目的,我们可以在断路器 B 和 D 上装设方向继电器,该方向继电器的联接应该保证只有当通 过它们的电流方向为离开负载母线时才起动。 对于图 14-1 所示的系统,在断路器 B 和 D 装设了方向过流延时继电器后,继电器的配合才能实现。断路 器 A 和 C 装设无方向的过流延时继电器及瞬时动作的电流继电器。各个继电器整定配合如下:方向继电器不 能设置延时,他们只有本身固有的动作时间。A 和 C 的延时过流继电器通过电流的整定使它们在负载母线故 障时不动作。于是快速保护可以保护发电机和负载之间线路长度的大部分。从图中我们还可以看到,在断路 器 A 或 C 的线路侧发生的故障使发电机电压崩溃,在断路器 A 和 C 上的瞬时继电器不能真正瞬时切除故障, 因为电力设备动作需要时间,在这个期间内,流过断路器 B 和 D 的电流很小甚至为 0,因此在这种故障状态 - 46 -

黄敏:35kV 变电站继电保护设计 下,只有等到发电厂有关的断路器动作后,断路器 B 和 D 才动作。这就是我们所说的顺序跳闸,通常在上述 情况下这样做是允许的。 在一个交流电路中,通过电流矢量与其他参考矢量(例如电压矢量)的比较,可以确定电流的方向。图 14-1 所示系统的参考矢量可以负载母线电压矢量推导出。由于在该交流系统中,线路和设备含有电抗,电流 和功率的瞬时方向不能确定,这是显而易见的,因为当有电压时,相位落后的电流取样的瞬时值取决于它在 电压周期中的瞬间,可能为正,也可能为负或为零。因此,电压、电流、电流矢量必须在一个时间间隔内采 样。为了较为准确的采样,时间间隔可从一个半周期到一个周期。目前正在进行更短时间的采样的研究工作。 这个研究工作是给继电器加上一个预测电路,试图以此确定未来时间内矢量的情况。由于要在电力系统电磁 暂态过程中预测,这项工作比较复杂。通常用于判断方向的时间越短,所做判断的可靠性越差。

差动保护
用于电力系统的大多数电气设备与一般输电线路的长度相比,实际尺寸都比较小,因此用导线直接连接 就可以使设备两端之间的联络变得非常经济和可靠,保护配置就可以采用简单而又非常有效的差动保护。从 概念上讲,流入设备的电流可以很简单地与流出的电流进行比较。如果在流入、流出电流之间有差异,设备 就被断开,如无差异,设备正常运行,这种保护原理可以设计为对于设备内部故障相当灵敏,对于外部故障 则非常不敏感。因此采用差动原理的保护本身具有继电保护的选择性。 差动保护最简单的应用见图 14-4,图中一段简单的电力线路就是采用差动继电器保护的。该继电器通常 由三个线圈组成,其一检测差动电流并起动跳闸回路,我们称之为工作线圈,在图中用符号 O 表示。另外两 个线圈是制动线圈,在图中用符号 R 表示。在实际中,由于制造和其他一些原因,两侧电流互感器的特性不 可能完全一致,存在一些差异,制动线圈能防止由此产生的误动,而在理论上,制动线圈是不起作用的。图 14-4 给出了在外部故障时,继电器不动作跳闸情况下的电流流向。电流 I1 进入电力回路后,在离开回路时并 未改变,为了简单起见,设电流互感器的变比为 1:1,两侧电流互感器的二次绕组连接后,使 I1 仅通过差动 继电器的制动线圈循环流动。如果在两个电流互感器之间,电流同时离开或者进入电力回(内部故障) ,两个 电流互感器中的电流将不同,差电流将通过继电器的工作线圈。 图 14-4 中的电力回路被简化了,只用了一根导体表示,它也可以用发电机、变压器或者其他电气设备绕 - 47 -

南京工程学院电力工程学院毕业设计(论文) 组替代。值得注意的是采用差动原理的保护不能检测绕组的匝间短路,例如由电抗器线圈组成的电力回路中 的匝间短路。通常,差动继电器保护三相设备,理论上讲,三相差动保护的连接仍相对简单,但实际要复杂 些。在以上讨论的简单差动继电器原理的保护基础上实际还有很多改进。

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