继电保护课程设计49998专业教学

1 引言 中国作为世界上最大规模的电力强国，近年来大力发展能源互联网和智能电网，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。进一步扩大了对外开放，积极实施国际化战略。本论文主要围绕35kV变电站保护的整定计算展开分析和讨论，应用了电力系统基本常识并主要进行了需要系数法计算负荷、电力网接线方案的选择原则、短路电流的计算、变压器和线路的继电保护配置以及无功功率补偿等。同时详细介绍了主设备差动保护的整定算法，电气主接线的设计、做出短路点的等效电路图，对设备保护进行了相应的选择与校验。通过比较各个接线方式的优缺点，确定变电站的主接线方式。2 设计目的及内容2.1 设计目的通过本课程设计，巩固和加深在电力系统基础、电力系统分析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，基本掌握电力系统继电保护设计的一般方法，提高电气设计的设计能力，为今后从事生产和科研工作打下一定的基础。2.2 设计内容 要求根据所给条件确定变电所整定继电保护设计方案，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。设计依据：2.2.1设计基本资料35KV供电系统图,如图1所示。系统参数：电源I短路容量：SIDmax=200MVA；电源短路容量：SDmax=250MVA；供电线路：L1=L2=15km，L3=L4=10km，线路阻抗：XL=0.4/km。图1 35KV系统原理接线图10KV母线负荷情况，见下表：负荷名称最大负荷（Kw）功率因数回路数供电方式线路长度（km）织布厂12000.851架空线8胶木厂11000.851架空线7印染厂14000.852架空线13配电所15000.852架空线15炼铁厂13000.852架空线1035KV变电所主接线图，如图2所示 S SI L3 L4 DL1 L1 L2 B1 B 2 DL6 DL7备用炼铁厂配电所印染厂胶木厂织布厂DL8 图2 35KV变电所主接线图B1、B2主变容量、型号为6300kVA之SF1-6300/35型双卷变压器，Y-/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。2.2.2 运行方式 运行方式：以SI、S全投入运行，线路L1L4全投。DL1合闸运行为最大运行方式；以S停运，线路L3、L4停运，DL1断开运行为最小运行方式。已知变电所10KV出线保护最长动作时间为1.5s。3变电所继电保护和自动装置规划3.1 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。（1）选择性：继电保护装置应在可能的最小区间将故障部分从系统中切除，以保证最大限度地向无故障部分继续供电。（2）快速性：继电保护装置应能以可能的最短时限将故障部分或异常工况从系统中切除或消除。（3）灵敏性：表示继电保护装置反映故障的能力。通常以灵敏系数k表示。灵敏系数有两种表达方式,即反映故障参量上升的保护灵敏系数，k=保护区内金属性短路时故障参量的最小计算值/保护的动作参量;反映故障参量下降的保护灵敏系数,k=保护的动作参量/保护区内金属性短路时故障参量的最大计算值。（4）可靠性：继电保护装置应在该动作时可靠地动作，即不应发生拒动作现象。3.2本系统故障分析3.2.1 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，故障一般为单相接地、两相接地和三相接地，其中单相接地最为常见。3.2.2 电力变压器的故障，分为外部故障和内部故障两类。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。3.2.3 变压器的不正常运行过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及不允许的油面下降。3.3 10KV线路继电保护装置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：3.3.1 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。3.3.2 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。3.4 主变压器继电保护装置设置 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：3.4.1 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）。3.4.2 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）。3.4.3 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%来启动冷却风机，防止变压器油温过高）。3.5 变电所的自动装置3.5.1 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。3.5.2 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）。3.5.3 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。3.6 本设计继电保护装置原理概述3.6.1 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。3.6.2 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。3.6.3 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。3.6.4 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。3.6.5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：靠整定值躲过不平衡电流采用比例制动差动保护。采用二次谐波制动。采用间歇角原理。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。4 短路电流的计算4.1 系统的等效电路图（以标幺值记） 图3 系统等效电路图4.2 系统基准参数选定SB=100MVA，UB=Uav即：35kV侧UB=37KV，10kV侧UB=10.5KV。4.3 阻抗计算（均为标幺值）1） 系统：X1=100/200=0.5 X2=100/250=0.42) 线路：L1，L2：X3=X4=l1X1SB/VB2=0.415100/372=0.438 L3，L4： X5=X6=l3SB/VB2=0.410100/372=0.2923) 变压器：B1，B2：X7=X8=（Uk%/100）SB/S=0.075100/6.3=1.19 4.4 短路电流的计算1）最大运行方式：系统化简如图4所示。图4其中： X9=X2+X3X40.719 X10= X1+X5X60.546X11=X10X90.31X12=X11+X71.5据此，系统化简如图5所示故知35KV母线上短路电流：Id1max=IB1/X11=1.56/0.31=5.032(kA) 10KV母线上短路电流:Id2max=IB2/X12=5.5/1.5=3.667(kA)折算到35KV侧:Id21max=IB1/X12=1.56/1.5=1.04(kA)对于d3点以炼铁厂计算 Id3max=5.5/(1.5+3.628/2)=1.660(kA)图5 最大运行方式下的等效电路2) 最小运行方式下:系统化简如图6所示。因S停运,所以仅考虑S单独运行的结果；X13=X9+X7=0.719+1.19=1.909所以35KV母线上短路电流：Id1min=IB1/X9=1.56/0.719=2.17(kA) 所以10KV母线上短路电流：Id2min=IB2/X13=5.5/1.909=2.88(kA)折算到35KV侧： Id2lmin = IB1/X13=1.56/1.909=0.817(kA) 对于d3以炼铁厂进行计算d3min=5.5/ (1.909+3.628)=0.993(kA)折算到35KV侧：Id3lmin = 1.56/(1.909+3.628)=0.282(kA)图6 最小运行方式下的等效电路5 主变继电保护整定计算及继电器选择5.1 瓦斯保护 轻瓦斯保护的动作值按气体容积为250300整定，本设计采用280 。重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为0.61.5整定本，本设计采用0.9 。瓦斯继电器选用FJ3-80型。5.2 纵联差动保护装置的选择选用BCH-2型差动继电器。5.2.1 计算Ie及电流互感器变比，列表如下名 称各侧数据Y（35KV）（10KV）额定电流I1e=S/ U1e=103.9AI2E=S/ U2e=346.4A变压器接线方式YCT接线方式YCT计算变比I1e/5=180/5I2e/5=346.4/5实选CT变比nl200/5400/5实际额定电流I1e/n1=4.50AI2e/n1=4.33A不平衡电流Ibp4.50-4.33=0.17A确定基本侧基本侧非基本侧5.2.2 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 Idz1KKIbp (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) 1.04=270.4（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 （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 （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（1），（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值， 即： Idz1=270.4（A）5.2.3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=KJXIdzI/nl代入数据得 IdzjsI= 270.4/40=11.71（A）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=60/11.71=5.12(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=5（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/=277.1A5.2.4 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 Wphjs=Wcdz/Ie2JI-Wcdz =5(4.5/4.33-1)=0.19(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)5.2.5 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) =(0.19-0)/(0.19+5)=0.04 此值小于原定值0.05，取法合适，不需重新计算。5.2.6 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。5.2.7 保护装置灵敏度校验差动保护灵敏度要求值2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 =0.866/ =0.86610.817/0.2771=2.552满足要求。5.3 过电流保护的整定过电流继电器的整定及继电器选择：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) 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 =0.86610.282/0.1467=1.661.2满足要求。 5.4 过负荷保护的整定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)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。5.5 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)即，当继电器电流达到3.15A时，冷却风扇自起动。参 考 文 献1 张宝会.尹项根.电力系统继电保护.北京.中国电力出版社 2 陈 珩电力系统稳态分析北京.中国电力出版社 3 刘介才. 工厂供电设计指导.北京.机械工业出版社 4 李光琦电力系统暂态分析北京：中国电力出版社 5 孙丽华. 电力工程基础.北京.机械工业出版社 6 贺家李.宋从矩电力系统继电保护原理第三版北京.中国电力出版社致 谢通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘收获成功，收获喜悦，得到社会及他人对你的认可!15辅导工具b