35kV变电站继电保护设计

1 绪论1.1 电力系统对继电保护的基本要求研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策和反事故自动化措施。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。1.1.1 继电保护的任务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5。1.1.2继电保护装置具备的基本性能继电保护装置必须具备以下5项基本性能：安全性。在不该动作时，不发生误动作。可靠性。在该动作时，不发生拒动作。快速性。能以最短时限将故障或异常消除。选择性。在可能的最小区间切除故障，保证最大限度地向无故障部分继续供电。灵敏性。反映故障的能力，通常以灵敏系数表示。选择继电保护方案时，除设置需满足以上5 项基本性能外，还应注意其经济性。即不仅考虑保护装置的投资和运行维护费，还必须考虑因装置不完善而发生拒动或误动对国民经济和社会生活造成的损失6。1.2 微机型继电保护装置硬件的基本原理继电保护装置要求能反应电气设备的故障和不正常工作状态并自动迅速地，有选择性地动作于断路器将故障设备从系统中切除，保证无故障设备继续正常运行，将事故限制在最小范围，提高系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全连接供电。 继电保护装置的作用是起到反事故的自动装置的作用，必须正确地区分“正常”与“不正常”运行状态、被保护元件的“外部故障”与“内部故障”，以实现继电保护的功能。因此，通过检测各种状态下被保护元件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别。依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护： (1)反映电气量的保护 电力系统发生故障时，通常伴有电流增大、电压降低以及电流与电压的比值(阻抗)和它们之间的相位角改变等现象。因此，在被保护元件的一端装设的种种变换器可以检测、比较并鉴别出发生故障时这些基本参数与正常运行时的差别就可以构成各种不同原理的继电保护装置。例如: 反映电流增大构成过电流保护； 反映电压降低(或升高)构成低电压(或过电压)保护； 反映电流与电压间的相位角变化构成方向保护； 反映电压与电流的比值的变化构成距离保护。 除此以外还可根据在被保护元件内部和外部短路时，被保护元件两端电流相位或功率方向的差别，分别构成差动保护、高频保护等。 同理，由于序分量保护灵敏度高，也得到广泛应用。 新出现的反映故障分量、突变量以及自适应原理的保护也在应用中7。 (2)反映非电气量的保护 如反应温度、压力、流量等非电气量变化的可以构成电力变压器的温度、瓦斯保护保护等。 继电保护相当于一种在线的开环的自动控制装置，根据控制过程信号性质的不同，可以分模拟型(它又分为机电型和静态型)和数字型两大类。对于常规的模拟继电保护装置，一般包括测量部分、逻辑部分和执行部分。测量部分从被保护对象输入有关信号，再与给定的整定值比较，以判断是否发生故障或不正常运行状态；逻辑部分依据测量部分输出量的性质、出现的顺序或其组合，进行逻辑判断，以确定保护是否应该动作；执行部分依据前面环节判断得出的结果子以执行：跳闸或发信号。2 35KV变电站系统简介 2.1 站内主要设备简介 该站内有35KV主变四台，分别为1#主变、2#主变、3#主变，4#主变35kv配电柜24面。 2.2 35kV变电站设备布置情况说明 本站有35KV配电室三个，分别为：王化、王化、丰化，分别来自供电局35KV的三条母线；35KV主变四台，其中1#主变、2#主变在丰化35KV母线上，3#主变在王化35KV母线上，4#主变在王化35KV母线上，正常情况下运行1#主变、3#主变，检修或故障时可以投入2#主变或4#主变，其余回路均为35KV大功率整流变压器回路。2.3 35kV变电站主接线图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系统为双电源35KV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。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。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8。2.3 35KV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15：1.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。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16。2.4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：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%来启动冷却风机，防止变压器油温过高）。2.5 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35KV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）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的允许差值限制在0.5Hz内，频率降低会导致用电企业的机械生产率下降，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35KV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9。2.6 本设计继电保护装置原理概述2.6.1 35KV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。2.6.2 35KV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。2.6.3 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。2.6.4 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10。2.6.5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臂中，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11。3 短路电流计算3.1 系统等效电路图： 如图3.1所示 C1 C2 1 2 X1 X2 3 4 0.292 0.38 DL1 d15 6 0.003 0.003 DL2 d2 XL6=0.371 d3 图3.1系统等效电路图 （各阻抗计算见3.3）3.2基准参数选定： SB=1000KVA，UB=Uav即：35kV侧UB=37KV，10kV侧UB=10.5KV。3.3阻抗计算（均为标幺值）：1） C1系统：最大方式X1=0.06 最小方式X1=0.12C2系统：最大方式X2=0.1 最小方式X2=0.152) 线路：L1：X3=l1X1SB/VB2=0.412100/372=0.351 L2：X4=l3 X1SB/VB2=0.415100/372=0.4383) 变压器： X5=X6=（Uk%/100）SB/S=0.08/100100/31.5=0.003 3.4短路电流计算： 1）最大运行方式： 第 1 页 共 17 页其中： X7=X1+X3X40.297 X8= X2+X40.48X9=X7X80.183 X10=X9+X50.186据此，系统化简如图4.4.1和4.4.2所示故知35KV母线上短路电流：Id1max=IB1/X9=1.56/0.183=8.525(KA) 10KV母线上短路电流: Id2max=IB2/X10=5.5/0.186=29.6(KA)折算到35KV侧: Id21max=IB1/X10=1.56/1.86=8.39(KA)对于d3点以XL6计算 Id3max=5.5/(0.186+1.371)=3.532(KA)最大运行方式图： C1 C2 7 8 0.297 0.48 35KVd1 5 0.00310KV d2XL6=0.371d3 10 35KV 0.183d1 5 0.003 10KVd 2XL6=0.371 d3图3.3最大运行方式图 V图3.2 最大运行方式图2) 最小运行方式下:系统化简如图3.4所示。因C1停运,所以仅考虑C2单独运行的结果；X11=X8+X5=0.483所以35KV母线上短路电流：Id1min=IB1/X8=1.56/0.48=3.25(kA) 所以10KV母线上短路电流：Id2min=IB2/X11=5.5/0.483=11.387(kA)折算到35KV侧： Id2lmin = IB1/X11=1.56/0.483=3.23(kA)对于d3以XL6进行计算 Id3min=5.5/ (0.483+1.371)=2.967(kA)折算到35KV侧： Id3lmin = 1.56/(0.483+1.371)=0.841(kA) C2 8 35KV 0.48d1 5 0.003 10KVd 2XL6=0.371 d3图3.4 最小运行图4 主变继电保护整定计算及继电器选择4.1 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12。4.2 纵联差动保护：选用BCH-2型差动继电器。4.2.1 计算Ie及电流互感器变比，列表如下数据表4.1所示：表4.1 Ie及电流互感器变比名 称各侧数据Y（35KV）（10KV）额定电流I1e=S/ U1e=103.9AI2E=S/ U2e=363.7A变压器接线方式YCT接线方式YCT计算变比I1e/5=180/5=36I2e/5=363.7/5=72.74实选CT变比nl200/5=40400/5=80实际额定电流I1e/n1=4.50AI2e/n1=4.55A不平衡电流Ibp4.55-4.50=0.05A确定基本侧基本侧非基本侧4.2.2 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) 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 （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=218.1（A）4.2.3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=KJXIdz1/nl代入数据得 IdzjsI= 218.1/40=9.44（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=60/9.44=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/=277.1A4.2.4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 =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)4.2.5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) =(0.06-0)/(0.06+5)=0.01 此值小于原定值0.05，取法合适，不需重新计算。4.2.6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。4.2.7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。4.3过电流保护： 4.3.1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 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/102） 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。 4.4 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)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。4.5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。5 总结在电力系统在生产过程中，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13。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14。 1