继电保护课设

1 设计题目及要求 2 2 故障特征量计算 2 2.1 计算原理 2 2.1.1 电流保护 2 2.1.2 距离保护 3 2.1.3 纵差保护 2.1.4 标幺值计算 2.2整定计算及其结果 3 QF14相间短路保护配置 3.1 设计思路描述 4 所配置保护的展开图及说明 5 结论与心得 参考文献

4 4

5 6 7 7 9 10

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1 设计题目及要求

此次设计是对保护14进行分析，针对35kV大容量变压器的相关继电保护整定计算进行分析，并提出在35kV 变压器侧的后备保护的方法，实现线路故障时动作的选择性，提高变电站的供电可靠性。

该供电系统电压等级为35kV。系统中A、C、F三个电厂，双端主干线路(D到G)，辐射电网及负荷组成。35kV地区为严重雷害区，瞬时性故障很多。变压器B1~B4为供电区段重要负荷，各区段都有自备柴油机保安电源，F厂母线处负荷为重要工业。D、E、G处母线负荷及其他负荷均为一般负荷。

运行方式如下：

最大方式：C系统Sd，max=254.2MW；F厂2台发电机2台变压器运行；A厂2台发电机2台变压器运行。

最小方式：C系统Sd，min=245MW；F厂1台发电机1台变压器运行；A厂1台发电机1台变压器运行。

系统图中线路处夺标的kVA负荷为线路最大负荷。负荷自启动系数为1.5，线路电抗为0.4Ω/kM，线路阻抗角为62°（此角度选取方向继电器使用）。

要求：① 下列开关，已确定过电流保护的延时。9#0.5”，11#0.5”，14#0.5”，15#0.5”。② SB=100MVA，35kV电压等级UB=35kV，10kV电压等级UB=10kV，阻抗图和短路电流均使用标幺值计算，去小数点后3位有效位。二相短路近似为三相短路电流的0.866倍。可靠系数和灵敏系数去书本要求范围之下限。

2 故障特征量计算

2.1 计算原理

2．1.1 电流保护

电流保护原理：短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。包括I段(电流速断保护)、II(电流延时速断保护，作为下一段的近后备保护)、III(电流延时速断保护，作为后面线路的远后备保护)。

由于继电保护设备的测量元件不能非常准确的区分本段线路末端与下段线路始端，为了使继电保护具有更好的选择性，所以要在该段整定电流略大约线路末端发生短路时的短路电流，以达到选择性的要求，因此I段保护不能保护线路全长。为了保护本段线路I段保护尚未保护的部分，同时也为了确保在下段电流

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速断保护失效时继电保护装置还可以保护线路，设置II段保护。II段保护的整定电流应大于下一段线路的I段保护整定电流，同时应设置相应的延时。III段保护是为了更进一步确保系统继电保护的可靠性，在保护整定中有一定的时限(如图1)。

A2B1CD

图 1 电流保护示意图

I段(电流速断保护): I1set。1>Ik。C。max=Eφ/(Zs。min+ZB-C) (1)

I1set。1=Krel1Ik。C.max (2) I1set。2= Krel1Ik。B.max (3)

保护的最小范围计算公式： I1set=Ik。L。min=0.866 Eφ/(Zs。max+z1Lmin) (4) II(电流延时速断保护): IⅡset。2= KrelⅡI1set。1 (5) 动作时限为：t2=t11+△t (6)

Ⅱ

灵敏系数为：Ksen=Ik。B。min/IⅡset。2 (7) 为了保证在线路末端短路时，保护装置一定能动作，要求：Ksen≥1.3～1.5。

III(电流延时速断保护): IⅢset= KⅢrelKssIL.max/Kre (8) 式中可靠系数KⅢrel=1.15～1.25，Kss自启动系数，数值大于1，Kre电流继电器的返回系数，一般采用0.85～0.95。

灵敏度校验时，当过电流保护作为本线路的主保护时，应采用最小方式下本线路末端两相短路时的电流进行校验，要求Ksen≥1.3～1.5；当作为临线路的后备保护时，应采用最小方式下本线路末端两相短路时的电流进行校验，此时Ksen≥1.2。 2.1.2 距离保护

利用短路时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离而工作的保护。

Lset.1k3M1Lk3QFLk1Lk2Imk1k22QFNUm

图 2 距离保护原理示意图

Zm=Um⁄Im (9) Zm=Zk=z1Lk=(r1+jx1)Lk (10)

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Zset=z1Lset (11)

Zm为测量阻抗，Zk短路点与保护安装处的线路阻抗，Zset为整定阻抗。 2.1.3 纵联保护

纵联保护：为了达到有选择、快速地切除全线路任一点短路的目的，将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧的电气量同时比较、联合工作，即将两侧发生纵向的联系。

UmMk1ImInUnN

InUnNk2

（a）

UmMIm（b）

双电源线路区内、外故障示意图

纵差保护的基本原理：|IM+IN|≥Iset 2.1.4标幺值计算

①线路阻抗的计算： Zi=z1li Xl∗=x×li×U②发电厂：变压器阻抗的计算：

XG∗

2

XG(%)UNSBXG(%)SB=××2=× 100SNUB100SN2XK(%)UNSBXK(%)SB=××2=× 100SNUB100SN

SB

av.n

(12)

XT∗

22

Z∗=SBZ⁄Uav.b=SBZ⁄UB (13)

2

UK(%)UN

⁄③ 变压器阻抗实际值： XT=100S (14)

N

2.2 整定计算及其结果

故障前故障点的开路电压等于电力系统正常运行时故障点的电压，可通过潮流计算求得。在继电保护整定计算中为简化计算一般取短路前系统各节点电压的

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标么值为1.0，因此，短路前故障点的开路电压为1.0。

各线路阻抗带入公式12进行计算，计算结果如下表1；变压器B1～B4带入公式13和15进行计算，计算结果如表2；发电厂A、C、F带入公式14计算，计算结果如表3。

表1各线路的阻抗标幺制 线路标号 G—E E—D D—H 8 10 12 13

表2 各发电厂、变压器在最大和最小运行方式下阻抗的标幺值

发电厂或变压器号 B1 B2 B3 B4 A C系统 7—17 16—C H—F 阻抗（最大/最小标幺制） 1.75 2.228 5.2 3.4 0.092/0.183 0.393/0.408 0.267/0.533 0.175 0.267/0.533 阻抗（标幺制） 1.023 1.11 0.088 1.636 0.877 0.614 0.935 电流保护：根据电路简化原理，可得Xs.max∗=j1.579、Xs.min∗=j1.936。可近似认为Zs.max∗=j1.579、Zs.min∗=j1.936。

整定计算原理：

Zs.minA1B2C3Zs.maxIL.max

图4 整定计算原理图

计算整定电流Ik

Ik.max=

E⁄√3

Zs.min+ZAB

(16)

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Ik.min=

阻抗简化图如图5

Zs.max=j0.5635kVj0.877E⁄

√3√3 2Zs.max+ZAB

(17)

j2.222Zs.min=j0.315j0.614j2.36j5.2

图5 整定计算原理图

由公式16和17可得： Ik.max=1⁄j1.987；Ik.min=1⁄j6.691。

1.2⁄由公式2得I段整定电流为：I1set。设保护时限为：t11=0s。 1=1.2Ik.max=j1.987。由公式4 I1set。1 =0.866 Eφ/(Zs。max+z1Lmin) 得最小保护范围Lmin，因为在这里运用的是标幺值计算，所以可运用下列公式进行验证最小保护范围是否在全县路的15%～20%。

Ik.q.min1⁄j0.614⁄=⁄Iset1.2⁄j.1.987=2.7>2

所以线路的最小保护范围符合要求。

由公式5得Ⅱ段保护整定电流为：IⅡset。1=K1relKⅡrel I1set。1=1.44⁄j1.987，动作时限为：t=0.5s。

由公式7得灵敏度系数：Ksen=1.87>1.3。 故Ⅱ段保护也符合要求。

由公式8得Ⅲ段电流保护的整定电流为：IⅢset= KⅢrelKssIL.max/Kre =1.73⁄j2.147。 由公式7得灵敏度系数：Ksen=1.56>1.3。 故Ⅲ段电流保护也符合要求。

3 QF14相间短路保护配置

3 QF14相间短路保护配置按照GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》及《整定规程》的规定，供电区35kV主变压器后备保护整定计算的一般原则为：①高、低压侧均采用过电流保护：②过流保护定值按躲过最大负荷电流整定；③对用户变电站一台主变运行一台备用（或单台主变）的运行方式，高、低压侧过流保护均采用以较短时限跳低压侧分段，以较长时限跳变压器两侧

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开关，跳两侧开关时间与35 kV 线路过流保护动作时间采用相同。

电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护都是反应于电流的升高而动作的保护。它们之间不同的区别来至于不同的启动电流，速断是按照躲开本线路末端的最大短路电流；限时速断是按照躲开下级各相邻元件电流速断保护的最大电流来整定的；而过电流保护则是按照躲开本元件最大负荷电流来整定。由于速断不能保护线路全长，限时速断不能作为相邻元器件的后备保护，因此为了快速切除故障，一般采取电流速断、限时电流速断保护和过电流保护结合的三段式电流保护。

3.1 设计思路描述

对于该系统QF14的保护，首先考虑三段式电流保护，进行短路电流的整定及校验，如果不能满足灵敏度和保护范围的要求，则需要采用三段式距离保护进行整定及校验。如若还是不满足要求，还可以考虑两侧的电气量同时比较的纵联保护。

运用标幺制进行整定计算。在继电保护整定计算中为简化计算一般取短路前系统各节点电压的标么值为1.0，因此，短路前故障点的开路电压为1.0。

4所配置保护的展开图及说明

三段式电流保护的原理接线图和展开图如下图所示。原理接线图如图(a)所示，每个继电器的线圈和触点都画在一个图形内，图中KA表示电流继电器，KT表示时间继电器，KS表示信号继电器等。其中展开图（如图(a)、(b)所示）分别用交流回路和直流回路分开表示。图中电流速断保护和限时电流速断保护采用两相星形接线方式，而过电流保护采用在两相星形接线的中性线上再接入一个继电器，以提高Y，d11接线变压器后发生两相短路时的灵敏度。每段保护动作后，都有自己的信号继电器给出动作信号。图中YR表示断路器的跳闸线圈，触点QF1表示断路器QF的位置辅助触点，各触点的位置对应于被保护线路的正常工作状态。

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KCO≥QF1KS1KS2KS3≥≥11KT2≥1KT3KAa1KAc1KAa2KAc2KAa3KAc3KAb3TAaTAc(a)

TAaTAa1TAa2TAa3TAcTAc1TAc2TAc3交流电流回KAb3路

(b)

+wc-wc电流速KAa1KCO断保护KS1KAc1限时电KAa2KT2流速断保护KAc2KAa3KT3过电流KAc3保护KAb3KS2KT2KS3跳闸回路KT3YRKCOQF(c)

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5 结论与心得

结论：

(1) 电流速断是按照躲开本线路末端的最大短路电流；限时速断是按照躲开下级各相邻元件电流速断保护的最大电流来整定的；而过电流保护则是按照躲开本元件最大负荷电流来整定。由于速断不能保护线路全长，限时速断不能作为相邻元器件的后备保护，因此为了快速切除故障，一般采取电流速断、限时电流速断保护和过电流保护结合的三段式电流保护。

(2) 由于三段式电流保护已经符合要求，这里不再对距离保护和纵差保护进行分析。

(3) 线路继电保护应注意的问题

① 断路器控制回路应注意的问题

目前，在35kV变电所设备选型中，35kV断路器主要选用S 断路器，10kV断路器主要选用真空断路器，两种断路器都采用弹簧机构。按照南方电网运行规定，正常运行情况下不使用断路器本体防跳回路，而使用操作箱中的防跳回路。断路器本体防跳回路应在投运前彻底解除，并且断路器应有足够数量的、动作逻辑正确、接触可靠的辅助接点供保护装置和综合自动化系统使用。另外，重合闸装置要实现自动投退，在遥控和当地操作合闸后，重合闸电源应自动投入，重合闸放电回路自动断开。在遥控和当地操作跳闸后，自动退出重合闸电源，同时重合闸装置自动放电。并根据需要实现重合闸后加速和一次重合闸。在低频减负荷装置或其他系统稳定措施装置动作跳闸时，应自动闭锁重合闸。

② 无功补偿装置应注意的问题

微机综合自动化变电所最终要实现无人值班，对电容器应要求具备自动投切功能。目前35kV变电所主变通常都选用有载调压变压器，所以，应选用能实现对电容器分级自动投切以及能对主变进行调档的综合自动化装置，通过综合自动化装置结合母线电压实现对有载调压主变的档位进行升、降、停的调节及电容器开关位置的跳合，从而将电压维持在额定电压附近。

③ 接地选线功能应注意的问题

新建的35 kV 变电所多数是户外式变电所，10kV线路单相接地短路是最常见的故障，虽然小电流接地系统在单相接地时可继续运行1～2 h，但是，当系统发生单相接地后，非接地的两相对地电压将升高1.732倍，可能在绝缘薄弱处引起击穿或继续造成短路，或使电压互感器铁芯严重饱和，导致电压互感器严重过负荷而烧毁。以往所选用的10kV馈线保护装置大都具备接地选线功能，可用零序TA产生的零序电流，但是零序TA只能用于电缆出线，架空出线只能用自产的3IO，而单相接地时故障电流为线路对地电容电流，数值非常小，在故障前后

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的变化量非常微弱，此外单相接地故障状况复杂，不同系统在馈线长度、中性点接地方式等方面都有较大差异，而且系统运行方式多变，要求选线装置有较高的灵活性和适应性，因此最好选用专门的接地选线装置，其准确率就比较高，应用独立的小接地电流选线装置，将小电流系统所有出线引入装置进行判断及选线，正确判别或切除故障线路。

心得：

电力系统继电保护是我们的主要专业课之一。在开这门课时，我还感觉没学到多少东西呢就结束了，但通过此次课程设计，我对这门课有了更加深入的学习，发现很感兴趣。从选题到定稿，从理论到实践，整整两星期的日子里，可以说是苦多于甜。在设计的过程中遇到问题很多，但通过老师的指导和查阅设计手册及参考书目，最终峰回路转。虽然还存在诸多不足，但是学到了很多很多的的东西，不单学到了很多在书本上所没有学到过的知识，更加培养了我们处理难题的能力和团队合作精神，也进一步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，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，这才是以后走向社会所需要的。此次课设使我为之后的毕业设计奠定了一定的实践基础。

参考文献

[1] 于永源，杨绮雯著．电力系统分析（第三版）．北京：中国电力出版社．2007． [2] 张保会，尹相根著．电力系统继电保护.西安：西安交通大学出版社.2003.

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附图

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