继电保护课程设计--牵引变电所继电保护设计.doc

西南交通大学峨眉校区课程设计 课程名称：继电保护原理与运行 设计题目：牵引变电所继电保护设计 院 系： 电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 姓 名： 指导教师： 西南交通大学峨眉校区 2012年 4月1日课 程 设 计 任 务 书专 业 铁道电气化 姓 名 学 号 开题日期：2009年 2月 23日 完成日期：2009 年 4 月10 日题 目 牵引变电所继电保护设计 一、设计的目的 通过该设计，初步掌握变电所继电保护的设计步骤和方法，熟悉有关规程和设计手册的使用方法以及继电保护标准图的绘制等。 二、设计的内容及要求 （1）牵引变电所继电保护方案的讨论 （2）短路计算 （3）整定计算 （4）绘制标准图 （5）讨论说明 （6）整理成册 三、指导教师评语 四、成 绩 指导教师 陈丽华 (签章) 2009 年 4 月 10 日继电保护设计任务书（第2组）一、 设计目的通过该设计，初步掌握变电站继电保护的设计步骤和方法，熟悉有关规程和设计手册的使用方法以及继电保护标准图的绘制等。二、 设计的主要内容1、 牵引变电所继电保护方案的讨论。2、 短路计算。3、 整定计算。4、 绘制标准图。5、 讨论说明。6、 整理成册。三、 原始资料1、供电方式：复线单边2、电气主接线： 110KV侧双T接线27.5KV侧单母线分段3、变电所参数项目电源类别主电源备用电源系统阻抗最大运行方式0.4940.361最小运行方式0.5270.517牵引变容量（KVA）215000LH变比（Y/）30/120牵引馈线名称左右最大负荷电流（A）447530馈线长度（KM）16.1323.67单位阻抗（/KM）0.7875LH变比120母线最低工作电压（KV）254、分区亭参数馈线左右最大负荷电流（A）240240LH变比8080母线最低工作电压（KV）2020四、 设计步骤1、 熟悉原始资料，并确定电气主接线图。（第1周）2、 变电所继电保护方案讨论及初选。（第1周）3、 根据继电保护的需要选择短路点，并进行短路计算。（第2周）4、 进行保护的整定计算，确定最后的保护方案并进行保护装置的选型。（第3周）5、 标准图绘制。（第4、5周）6、 分析说明。（第4、5周）7、 整理成册。（第6周）五、课程设计论文包含的内容1、 设计任务书2、 目录3、 方案讨论说明4、 短路计算5、 整定计算6、 设备选型7、 选取数个短路点，分析保护动作情况。8、 附图：（1）主变保护原理图（2）馈线保护原理图（3）时限配合图9、 参考资料10、后记目录第一章 方案讨论说明51.1继电保护原理51.2继电保护装置的分类51.3保护装置的配合61.4保护的后备问题61.5进线保护71.6变压器保护71.7牵引网馈线保护91.8分区亭保护9第二章 短路计算112.1主变短路计算112.2馈线短路计算122.3分区亭短路计算13第三章 整定计算143.1瓦斯保护143.2差动保护153.3低压起动的过电流保护173.4过负荷保护183.5接地保护183.6牵引网馈线保护183.7分区亭保护20第四章 设备选型214.1变压器保护装置选型及其参数214.2馈线及分区亭保护装置选型22第五章 选取数个短路点,分析保护动作情况23附 图25参考资料32后 记33第一章 方案讨论说明1.1继电保护原理当电力系统发生故障或出现不正常运行状态时，系统的电气参量会有很大的变化。继电保护就是通过测量这些参量的变化来反映故障并构成对电力系统的保护。例如：反应电流增大的电流保护；反应电压降低的电压保护；反应电流增大及电压降低的阻抗保护等等。在保护的设计中，对保护装置的基本要求是选择性、速动性、灵敏性和可靠性。为保证电力系统安全和稳定运行的目的，必须要正确认识和处理好保护这四项基本要求之间既矛盾又相统一的辨证关系，不能片面强调某一方面的要求，更不能使某一方面达不到要求。为此，可以根据以下原则来进行更好地把握：严格的选择性、需要的速动性、足够的灵敏性和必要的可靠性。在满足基本要求的前提下，应选用最简单的保护方式，这不仅能使调整实验简单，而且能提高工作可靠性，只有在简单保护不能满足要求时，才考虑选用较复杂的保护装置。此外，为更好的满足保护的基本要求，对各处保护装置需要采用适当的配合及必要的后备。1.2继电保护装置的分类根据保护装置反应物理量的不同分为：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护和瓦斯保护等。根据被保护对象的不同分为：发电机保护、输电线保护、母线保护、变压器保护、电动机保护等。电气化铁道牵引供电系统中，主要有110kv输电线保护、变压器保护、牵引网保护及补偿电容保护等。根据保护装置的组成元件不同分为：电磁型、半导体型、数字型及微机保护装置等。根据保护装置的作用不同可分为：主保护、后备保护，以及为了改善保护装置的某种性能而专门设置的辅助保护装置等。1.3保护装置的配合保护装置的相互配合是保证供电系统安全运行的重要因素。在各种运行下，各元件的保护装置之间在灵敏度和动作时间上限应得到配合。所谓灵敏度配合就是保护范围的配合，既在各种可能出现的运行方式下，装在元件本侧的带时限动作的保护装置的保护范围，应小于装载在相邻元件上同它相配合的保护装置的动作范围。实现灵敏度配合后，供电系统任意一点发生故障时，离故障点最近的保护装置的灵敏度最高，离的越远的装置灵敏度越低。而动作时限配合，指元件本侧保护装置的动作时限大于与它相配合的相邻元件的动作时限，这样，当发生故障时，故障所在线路的保护装置的动作时限最短。为了保证保护装置动作的选择性必须满足灵敏度和动作时限相互配合的要求。只满足某一方面都可能导致保护装置的非选择性动作。1.4保护的后备问题在继电保护中，有主保护和后备保护及辅助保护。在被保护元件整个保护范围里发生故障时，能以最短的时限动作切除故障的元件叫主保护，当本元件的主保护及相邻元件的保护或熔断器拒动时，能保证带一定延时切除故障的保护叫后备保护，为克服方向保护的死区，或加速切除故障的保护叫辅助保护。后备保护分两种：远后备保护，即用相邻元件的保护作本元件的后备保护。有的主保护按其动作原理不能反应被保护元件的外部故障，则应另加简单的后备保护，为本元件和相临元件的后备保护。但其缺点就是动作时间很长，这是由于它必须与相临元件配合的原因，另外其灵敏性不高的情况下，都是由相临元件主保护完成动作。近后备保护，即本元件加设专门的后备保护。其缺点就是保护及操作回路很复杂，使供电系统保护动作时间普遍加长。1.5进线保护目前牵引变电所高压侧接线有双T接线、桥形接线、单母线接线及双母线接线四种接线方式。其中双T接线方式一般多采用两回进线，任一电源线路故障，则由输电线路两侧继电保护动作，使两端断路器跳闸而断开。为了防止110KV线路单相接地时，在中性点不接地的变压器高压侧产生反馈过电压，必须在110KV线路电源侧的断路器切断前，将变压器低压侧断路器切除，为此可采用零序保护。此外，当110KV发生相间短路时，也应将变压器的断路器切断，为此应增设方向电流保护或低电压保护，作为线路相间短路保护。当110KV故障时，功率方向为由变压器低压侧流向高压侧，于是功率方向继电器将保护启动，切断故障。由于本次设计进线选择是双T接线方式，故在此仅对T接方式进线保护作以上说明，另外两种接线方式此略。1.6变压器保护变压器存在空载合闸、正常运行、短路故障和不正常工作四种情况。空载合闸将产生较大的冲击性励磁电流，励磁电流含有大量的二次谐波电流分量和衰减性直流分量。短路故障又分为内部和外部故障两种，其中内部故障指相间短路、单相匝间短路、层间短路、单相接地短路及铁心烧损等；变压器外部故障指套管、引出线短路、烧损等。不正常工作状态主要包括变压器过负荷运行、油温过高、油面过低，这些将导致变压器线圈与铁芯的过热，加速绝缘老化。牵引变压器保护装置的设置必须满足以下要求：当变压器正常运行和空载合闸以及外部故障被切除时，保护装置不应动作。当变压器发生短路故障时，保护装置应可靠而迅速地动作。当变压器出现不正常运行状态时，保护装置应能给出相应的信号。根据电力设计规程的规定，牵引变压器可设置如下保护：主保护瓦斯保护用于反应变压器油箱内部的短路故障。差动保护既能反应变压器油箱内的短路故障，也能反应变压器油箱外引出线及母线上发生的短路故障。主保护为瞬时动作，且动作后变压器各侧断路器均跳闸，变压器退出运行。后备保护过电流保护：作为变压器短路故障的后备保护，当主保护拒动时，后备保护经一定延时后动作，变压器退出运行。后备保护包括变压器110kv侧过电流保护和中性点零序过电流保护。110kv侧过电流保护实际采用低电压起动的过电流保护，以提高过电流保护的灵敏度。变压器外部短路故障的电流保护：该保护用于变压器的27.5kv侧，作为27.5kv侧母线短路故障的保护和牵引网短路故障的后备保护。辅助性保护包括变压器的过负荷保护、过热保护和轻瓦斯保护。保护动作后，只发出相应的信号。本次设计选择的是215000KVA Y/型变压器。保护可选择为Y/接地三相变压器的保护，主要有瓦斯保护、差动保护、低电压起动的过电流保护及过负荷保护等。1.7牵引网馈线保护由于本次设计为复线单边供电方式，故牵引网馈线保护有两种方案：第一段用电流速断，做主保护，按躲避分区亭最大短路电流整定，第二段为距离保护，作为分区亭保护的远后备保护和本段线路的近后备保护。若最小运行方式下，电流速断保护的范围小于馈线长度的五分之一，则一段二段都用距离保护。注意：馈线保护第二段的动作时限计算短路后继电器的测量阻抗时要考虑两回路的互感。应考虑到分区亭后短路时所测量的电弧电阻会加大一倍。1.8分区亭保护分区亭设于两个牵引变电所的中间，可使相邻的接触网供电区段(同一供电臂的上、下行或两相邻变电所的两供电臂)实现并联或单独工作。如果分区亭两侧的某一区段接触网发生短路故障，可由供电的牵引变电所馈电线断路器及分区亭断路器，在继电保护的作用下自动跳闸，将故障段接触网切除，而非故障段的接触网仍照常工作，从而使事故范围缩小一半。综上分析，可得本变电所继电保护初选方案如下：110KV进线侧的保护方案：由于110KV进线侧的接线方式为双T接线，因此不需要专门在进线侧设继电保护，其保护由电力系统的继电保护完成。电力变压器保护方案：针对变压器的内部故障，设置瓦斯保护：重瓦斯跳闸，轻瓦斯给信号。设置纵联差动保护作为变压器的主保护，反应变压器的绕组，引出线及套管上各种短路故障。采用变压器相间短路的后备保护作为变压器主保护的后备保护及相邻线路的后备保护低压起动的A相及B相过电流保护。在110KV侧装设低压起动的三相过电流保护，作为27.5KV侧的过流保护及变压器保护的后备保护。接地保护：装设于变压器中性点接地的电流互感器上，用于判断单相接地故障。交流牵引网馈线保护方案初选：采用DTK-2 成套保护装置为主保护，另设一套过电流保护装置作为后备保护的两段保护分区亭保护方案：两段距离保护第二章 短路计算2.1主变短路计算图2-1 系统等效电路图元件标幺值计算：其中 % =0.7由于 110kv侧进线不设专门保护，故对点不用进行短路计算对点短路计算：点最大三相短路电流：点最小三相短路电流点最大两相短路电流：2.2馈线短路计算图2-2 系统单相等效图选择短路点如图 元件标幺值计算：取 % 馈线长度左：16.13km；右：23.67km左馈线阻抗右馈线阻抗短路点计算：此图中的 点等同于图2-1中的点，故、点最大短路电流、点最小短路电流选择、点短路时：左馈线右馈线2.3分区亭短路计算：图2-3 分区亭短路示意图取短路点短路计算值如下表所示 短路电流短路点最大短路电流（A）最小短路电流（A）主变电短路1978.321710.68馈线短路左馈线1129.711037.06右馈线941.02875.84分区亭2070.731912.9第三章 整定计算3.1瓦斯保护变压器内部故障时，由于电流和电弧作用使附近的绝缘分解而产生气体，同时由于气体是上升会引起油流式变化，利用这个特点构成瓦斯保护，它装在变压器油箱和油枕的衔接管道上。它结构简单、经济、灵敏度高，能反映变压器油箱的一切故障及时动作。当变压器内部发生轻微的故障，电弧附近的油汽化，但产生的气体少，继电器内部油面下降，接点接通，给出瓦斯保护延时动作报警信号；当发生严重故障时，电流电弧附近强烈汽化压力升高，形成油流，接点接通并作用挑闸，此动作时限一般为0.61ms，即当油流速度达到上述时动作，其动作值大于最大短路电流引起的油流速度。本次采用开口瓦斯继电器。图2-3开口瓦斯继电器原理接线图3.2差动保护选用BCH-2差动继电器。整定计算与灵敏校验：计算变压器各侧的额定电流 计算变压器各侧实际电流值I，其中（LH为Y接）或(LH为接)牵引变电所LH变比为（）30/120110KV侧为接， 27.5KV侧为接， 所以基本侧为110KV侧计算动作值27.5KV侧的最大短路电流归算至110KV侧：按躲整定： =1.3（0.50.1+0.05+0.05）494.58 =96.44A按躲LH二次回路断线：按躲中较大周期分量：所以取二次侧动作电流为：计算和的匝数取则 取则 ，所以满足要求。确定短路线圈匝数：因容量是15000KVA，所以选用短路线圈插头位置33。（5）灵敏度效验 得27.5KV母线最小两相短路电流为，归算至110KV侧则：归算后流入继电器的电流为：，满足要求3.3低压起动的过电流保护为了保护外部短路引起的变压器过电流，应装设过电流保护。同时，它为可以作为变压器差动保护以及馈线保护的后备保护。本次采用低压起动的过电流保护。电流元件，按额定电流整定；灵敏度效验：1.5，满足灵敏度要求电压元件，已按额定电压进行整定：保护的动作时限为=1s3.4过负荷保护变压器的不正常状态还包括变压器的过负荷运行，保护装置实际就是一套电流保护装置。整定如下：保护动作时限=9s3.5接地保护接地保护和中性点直接保护一样都是采用零序保护，接地保护主要用来保护外部接地短路引起的过电流，从动作时间上应于母线和线路保护相配合。整定如下：保护动作时限=3.5s3.6牵引网馈线保护牵引网馈线保采用DTK-2 成套保护装置，并且另设一套过电流保护装置作为后备。其整定计算如下：最大负荷电流：左；右最低工作电压线路阻抗：左 右LH变比=120；YH变比=275距离保护阻抗动作值：则左馈线右馈线距离保护灵敏系数：则左馈线则右馈线电流元件整定电流：则左馈线则右馈线过流保护灵敏系数：则左馈线则右馈线3.7分区亭保护为保证馈线上任何一点发生短路时分区亭都要跳闸则用两段距离保护分区亭参数如下表所示：馈线左右最大负荷电流（A）240240LH变比8080母线最低工作电压（KV）2020最大负荷电流：左 右最低工作电压线路阻抗：左 右LH变比；YH变比（1）距离保护阻抗动作值：则左馈线右馈线（2）距离保护灵敏系数：则左馈线则右馈线电流元件整定电流则左馈线右馈线过流保护灵敏系数：则左馈线则右馈线动作时限：主保护=0.1s；后备保护=0.5s第四章 设备选型4.1变压器保护装置选型及其参数BCH-2型差动继电器。变压器保护的低压继电器，选用DY20E系列，其中选用最大整定值为160的低压继电器。表4-1参数型号动作类型最大整定值返回系数动作时间DY-26E低电压48、160、3201.250.5倍动作值时0.15DY-27EDY-28EDY-29E过电流作用的电流继电器，选用DL10系列，参数如表4-2：表4-2型号最大整定值(A)整定范围返回系数动作时间生产厂DL-11102.5100.81.2倍动作值时0.15上海继电器有限公司等DL-12DL-13时间继电器，选用SS48/I，参数如表4-3：表4-3型号延时范围电源种类触点类型整定误差生产厂SS48/I0.029.99DC/AC2延时动合2瞬动转换（10%整定值+3ms）阿城继电器二厂所有信号继电器，选用DX19E闪光信号继电器，参数如表4-4：表4-4额定值动作值返回值闪光频率（次/min）动作电流（mA）生产厂DC：220、110、48VAC：220V、50Hz动作电压80%额定值返回电压3%额定值40801.5阿城继电器股份有限公司4.2馈线及分区亭保护装置选型DTK2成套保护装置将其插件组合为两段距离保护。其时间及信号继电器型号和参数同上，全阻抗继电器型号和参数如下：功率方向继电器的参数和技术数据表4-5：表4-5型号额定电压（V）额定电流（A）最大灵敏角（）动作时间（ms）LG1110057030（4）阻抗继电器的参数和技术数据表4-6：表4-6型号额定电压（V）额定电流（A）最大灵敏角（）动作时间（ms）LG2110056530（5）中间继电器参数和技术数据表4-7：表4-7型号额定电压（V）动作电压返回电压动作时间（S）触点长期允许电流（A）触点断开容量DZ61110、22075%额定电压5%额定电压0.035DC：50WAC：500VA第5章 选取数个短路点,分析保护动作情况分析：1处发生短路时，如果在变压器差动保护的范围内就由差动保护将DL1跳闸，如果不在差动保护的范围内则根据保护时限由过电流或过负荷保护将DL1跳闸；2处发生短路时，由低压起动的过电流或过负荷保护将DL1跳闸；3处发生短路时，如果是上行馈线保护范围内发生的短路，正常情况下由上行馈线保护的段动作将DL2跳闸；如果保护段拒动，则其保护段、分区亭保护以及下行馈线保护段起动延时跳闸，但由于分区亭动作时限小于其它两者（防止“相继动作”），所以分区亭保护先动作而将DL4跳闸。如果是分区亭保护范围内发生的短路，则由其保护动作将DL4跳闸，如果分区亭保护拒动，则由上行馈线保护段和下行馈线保护段根据时限将各自的DL2、DL3跳闸。4处发生的短路分析同3处。附图一 电气主接线图附图二 主变差动保护原理接线图I-I CDJ-1I-I CDJ-2I-I CDJ-3ZJXJDLRT+附图三 主变压器保护原理接线图1U U I 1CDJ2CDJ3CDJ1XJ1LP2LP3LPQP2XJ3XJ4XJ1SJ2SJWSJ1BCJ2BCJ6RWSJ7XJYZJ4LP5LP1YJ2YJ1LJ2LJ3LJ8LJ4LJ5LJ1SJ2SJ3SJ1BCT6LP1SJ1R2SJ2R3R3SJ差动保护保护出口继电器低压起动过电流接地保护重瓦斯轻瓦斯低压起动过电流保护接地保护过负荷保护至110KV分闸回路附图四 主变压器保护原理接线图2附图五 主变保护原理接线图3I27.5KVA相电流保护至27.5KVA相分闸回路6LJYZJ4SJ4SJ4R4SJ5XJ7LP8LP2BCJI27.5KVB相电流保护至27.5KVB相分闸回路9LP10LP2BCJ6XJ5SJ7LJYZJ5SJ5SJ5R附图六 27.5KV馈线回路接线图3LH1432EUHEUH1YM21YM27FU8FUA611C611附图七 27.5KV馈线回路中DTK-2保护装置原理接线图+KMRDWKWKYDRYDFWJa17PFWJSJFTJFTJFTJFTJRFT/24K18DLDL20HCFQHWJRHWJFTJLJZJlph5560RCDFWJbcdeRFDCZHSANZJLJDZHZHJRZHJZHJSJCYSfglLJ1LJZJ1ZJSJ1SJ1LJ1ZJ1SJLDZDHDRLDRZDRHD1LJ1ZJ1SJR1LJR1ZJR1SJlgfedcb1413FAFHFH参考资料1电力系统分析 简克良 主编 西南交通大学出版社2继电保护及自动装置 王永康 主编 中国铁道出版社后记通过这次牵引变电所继电保护设计，我更进一步了解了继电保护设计中应注意的一些原则以及选择电牵引供电系统保护方式的问题,熟悉了短路计算、保护的选择及其整定，以及短路故障发生时保护装置的动作情况分析。这次设计，使我对上学期所学习的继电保护的知识进行了一次系统的总结和复习，并且在本次设计中对以前不足的知识进行了再一次的巩固和学习。通过这次牵引供变电继电保护课程设计，我对继电保护对于电力系统的正常运行的重要性有了更全面的，更深入的理解和体会。在设计过程中,通过相关的参考书目，我接触到了更多课本上未曾深入研究和探讨的问题，并且接触了新的保护装置，了解了新的设计方法，为今后的工作和深入学习奠定了一定的基础。因为这次设计是在实习单位做的，得到了单位胡继刚总工的细心指导，在此表示感谢。同时，深深地感谢陈丽华老师的关心与关怀，以及在校期间对我的极大帮助！第34页