1、中北大學信息商務學院繼電保護課程設計說明書1 引言 繼電保護（Protective Relay,Power System Protection）是研究電力系統故障和危及安全運行的異常工況，以探討其對策的反事故自動化措施。因在其發展過程中曾主要用有觸點的繼電器來保護電力系統及其元件（發電機、變壓器、輸電線路等），使之免遭損害，所以也稱繼電保護。基本任務是：當電力系統發生故障或異常工況時，在可能實現的最短時間和最小區域內，自動將故障設備從系統中切除，或發出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設備的損壞和對相鄰地區供電的影響。 繼電保護是保障電力設備安全和防止及限制電力系統長時間大面積停電的

2、最基本、最重要、最有效的技術手段。許多實例表明，繼電保護裝置一旦不能正確動作，就會擴大事故，釀成嚴重后果。因此，加強繼電保護的設計和整定計算，是保證電網安全穩定運行的重要工作。實現繼電保護功能的設備稱為繼電保護裝置。本次設計的任務主要包括了六大部分，分別為運行方式的選擇、電網各個元件參數及負荷電流計算、短路電流計算、繼電保護距離保護的整定計算和校驗、繼電保護零序電流保護的整定計算和校驗、對所選擇的保護裝置進行綜合評價。其中短路電流的計算和電氣設備的選擇是本設計的重點。通過分析，找到符合電網要求的繼電保護方案。 電力系統和繼電保護技術的不斷發展和安全穩定運行，給國民經濟和社會發展帶來了巨大動力和

3、效益。但是，電力系統一旦發生自然或人為故障，如果不能及時有效控制，就會失去穩定運行，使電網瓦解，并造成大面積停電，給社會帶來災難性的后果。因此電網繼電保護和安全自動裝置應符合可靠性、安全性、靈敏性、速動性的要求。要結合具體條件和要求，本設計從裝置的選型、配置、整定、實驗等方面采取綜合措施，突出重點，統籌兼顧，妥善處理，以達到保證電網安全經濟運行的目的。 繼電保護是隨著電力系統的發展而發展起來的。20世紀初隨著電力系統的發展，繼電器開始廣泛應用于電力系統的保護，這時期是繼電保護技術發展的開端。最早的繼電保護裝置是熔斷器。從20世紀50年代到90年代末，在40余年的時間里，繼電保護完成了發展的4個

4、階段，即從電磁式保護裝置到晶體管式繼電保護裝置、到集成電路繼電保護裝置、再到微機繼電保護裝置。2 繼電保護相關理論知識2.1 繼電保護的概述 研究電力系統故障和危及安全運行的異常工況，以探討其對策的反事故自動化措施。因在其發展過程中曾主要用有觸點的繼電器來保護電力系統及其元件（發電機、變壓器、輸電線路等），使之免遭損害，所以沿稱繼電保護。2.2 繼電保護的任務 當電力系統發生故障或異常工況時，在可能實現的最短時間和最小區域內，自動將故障設備從系統中切除，或發出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設備的損壞和對相鄰地區供電的影響。2.3 繼電保護基本原理 繼電保護裝置的作用是起到反事故的

5、自動裝置的作用，必須正確地區分“正常”與“不正常”運行狀態、被保護元件的“外部故障”與“內部故障”，以實現繼電保護的功能。因此，通過檢測各種狀態下被保護元件所反映的各種物理量的變化并予以鑒別。依據反映的物理量的不同，保護裝置可以構成下述各種原理的保護。2.3.1 反映電氣量的保護 電力系統發生故障時，通常伴有電流增大、電壓降低以及電流與電壓的比值(阻抗)和它們之間的相位角改變等現象。因此，在被保護元件的一端裝沒的種種變換器可以檢測、比較并鑒別出發生故障時這些基本參數與正常運行時的差別，就可以構成各種不同原理的繼電保護裝置。 電力系統發生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是： （1）電流增大：短路

6、時故障點與電源之間的電氣設備和輸電線路上的電流將由負荷電流增大至大大超過負荷電流。 （2）電壓降低：當發生相間短路和接地短路故障時，系統各點的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點，電壓越低。 （3）電流與電壓之間的相位角改變：正常運行時電流與電壓間的相位角是負荷的功率因數角，一般約為20°，三相短路時，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60°85°，而在保護反方向三相短路時，電流與電壓之間的相位角則是180°（-60°-85°)。 （4）測量阻抗發生變化：測量阻抗即測量點(保護安裝處)電壓與電流之比值，正常運行時，

7、測量阻抗為負荷阻抗；金屬性短路時，測量阻抗轉變為線路阻抗，故障后測量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。 （5）不對稱短路時，出現相序分量，如兩相及單相接地短路時，出現負序電流和負序電壓分量；單相接地時，出現負序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運行時是不出現的。 利用短路故障時電氣量的變化，便可構成各種原理的繼電保護。2.3.2 反映非電氣量的保護 如反應溫度、壓力、流量等非電氣量變化的可以構成電力變壓器的瓦斯保護、溫度保護等。2.4 對繼電保護裝置的要求 繼電保護裝置為了完成它的任務，必須在技術上滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個基本要求。對于作用于繼電器跳閘的繼電保護，應同時滿足四個基本要

8、求，而對于作用于信號以及只反映不正常的運行情況的繼電保護裝置，這四個基本要求中有些要求可以降低。 （1）選擇性 選擇性就是指當電力系統中的設備或線路發生短路時，其繼電保護僅將故障的設備或線路從電力系統中切除，當故障設備或線路的保護或斷路器拒動時，應由相鄰設備或線路的保護將故障切除。 （2）速動性 速動性是指繼電保護裝置應能盡快地切除故障，以減少設備及用戶在大電流、低電壓運行的時間，降低設備的損壞程度，提高系統并列運行的穩定性。 一般必須快速切除的故障有： 1)使發電廠或重要用戶的母線電壓低于有效值(一般為0.7倍額定電壓)。 2) 大容量的發電機、變壓器和電動機內部故障。 3) 中、低壓線路導

9、線截面過小，為避免過熱不允許延時切除的故障。 4) 可能危及人身安全、對通信系統或鐵路信號造成強烈干擾的故障。 故障切除時間包括保護裝置和斷路器動作時間，一般快速保護的動作時間為0.04s0.08s，最快的可達0.01s0.04s，一般斷路器的跳閘時間為0.06s0.15s，最快的可達0.02s0.06s。 對于反應不正常運行情況的繼電保護裝置，一般不要求快速動作，而應按照選擇性的條件，帶延時地發出信號。 （3）靈敏性 靈敏性是指電氣設備或線路在被保護范圍內發生短路故障或不正常運行情況時，保護裝置的反應能力。保護裝置的靈敏性是用靈敏系數來衡量。 能滿足靈敏性要求的繼電保護，在規定的范圍內故障時

10、，不論短路點的位置和短路的類型如何，以及短路點是否有過渡電阻，都能正確反應動作，即要求不但在系統最大運行方式下三相短路時能可靠動作，而且在系統最小運行方式下經過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時也能可靠動作。 系統最大運行方式：被保護線路末端短路時，系統等效阻抗最小，通過保護裝置的短路電流為最大運行方式； 系統最小運行方式：在同樣短路故障情況下，系統等效阻抗為最大，通過保護裝置的短路電流為最小的運行方式。 （4）可靠性 可靠性包括安全性和信賴性，是對繼電保護最根本的要求。 安全性：要求繼電保護在不需要它動作時可靠不動作，即不發生誤動。 信賴性：要求繼電保護在規定的保護范圍內發生了應該動作的故障

11、時可靠動作，即不拒動。 繼電保護的誤動作和拒動作都會給電力系統帶來嚴重危害。 即使對于相同的電力元件，隨著電網的發展，保護不誤動和不拒動對系統的影響也會發生變化。 以上四個基本要求是設計、配置和維護繼電保護的依據，又是分析評價繼電保護的基礎。這四個基本要求之間是相互聯系的，但往往又存在著矛盾。因此，在實際工作中，要根據電網的結構和用戶的性質，辯證地進行統一。繼電保護相當于一種在線的開環的自動控制裝置，根據控制過程信號性質的不同，可以分模擬型(它又分為機電型和靜態型)和數字型兩大類。對于常規的模擬繼電保護裝置，一般包括測量部分、邏輯部分和執行部分。測量部分從被保護對象輸入有關信號，再與給定的整定

12、值比較，以判斷是否發生故障或不正常運行狀態；邏輯部分依據測量部分輸出量的性質、出現的順序或其組合，進行邏輯判斷，以確定保護是否應該動作；執行部分依據前面環節判斷得出的結果子以執行：跳閘或發信號。2.5 繼電保護裝置的組成 一般情況而言，整套繼電保護裝置由測量元件、邏輯環節和執行輸出三部分組成 。 （1）測量比較部分：測量比較部分是測量通過被保護的電氣元件的物理參量，并與給定的值進行比較，根據比較的結果，給出“是”“非”性質的一組邏輯信號，從而判斷保護裝置是否應該啟動。（2）邏輯部分：邏輯部分使保護裝置按一定的邏輯關系判定故障的類型和范圍，最后確定是應該使斷路器跳閘、發出信號或是否動作及是否延時

13、等，并將對應的指令傳給執行輸出部分。 （3）執行輸出部分：執行輸出部分根據邏輯傳過來的指令，最后完成保護裝置所承擔的任務。如在故障時動作于跳閘，不正常運行時發出信號，而在正常運行時不動作等。 2.6 工作回路 要完成繼電保護任務，除了需要繼電保護裝置外，必須通過可靠的繼電保護工作回路的正確工作，才能完成跳開故障元件的斷路器、對系統或電力元件的不正常運行發出警報、正常運行狀態不動作的任務。 繼電保護工作回路一般包括：將通過一次電力設備的電流、電壓線性地傳變為適合繼電保護等二次設備使用的電流、電壓，并使一次設備與二次設備隔離的設備，如電流、電壓互感器及其與保護裝置連接的電纜等；斷路器跳閘線圈及與保

14、護裝置出口間的連接電纜，指示保護動作情況的信號設備；保護裝置及跳閘、信號回路設備的工作電源等。3 設計內容與要求3.1 設計基本資料35KV供電系統圖,如圖1所示。系統參數：電源I短路容量：SIDmax=150MVA；電源短路容量：SDmax=250MVA；供電線路：L1=L2=13km，L3=L4=10km，線路阻抗：XL=0.4/km。 圖3.1 35KV系統原理接線圖10KV母線負荷情況，見下表：表3.1 10KV 母線負荷情況負荷名稱最大負荷（Kw）功率因數回路數供電方式線路長度（km）織布廠9000.851架空線8印染廠6000.852架空線13配電所11000.852架空線12煉鐵

15、廠10000.852架空線103.2 35KV變電所主接線圖 圖3.2 35KV變電所主接線圖S SI L2 L1DL1L3L4B2B1DL8煉鋼廠配電所備用印染廠織布廠DL7DL6B1、B2主變容量、型號為6300kVA之SF1-6300/35型雙卷變壓器，Y-/11之常規接線方式，具有帶負荷調壓分接頭，可進行有載調壓。其中Uk %=7.5。運行方式：以SI、S全投入運行，線路L1L4全投。DL1合閘運行為最大運行方式；以S停運，線路L3、L4停運，DL1斷開運行為最小運行方式。已知變電所10KV出線保護最長動作時間為1.5s。4 短路電流計算和繼電保護設計整定4.1 初始數據35KV供電系

16、統圖,如圖1所示。系統參數：電源I短路容量：SIDmax=150MVA；電源短路容量：SDmax=250MVA；供電線路：L1=L2=13km，L3=L4=10km，線路阻抗：XL=0.4/km。圖4.1 35KV系統原理接線圖10KV母線負荷情況，見下表：表4.1 10KV母線負荷情況負荷名稱最大負荷（Kw）功率因數回路數供電方式線路長度（km）織布廠9000.851架空線8印染廠6000.852架空線13配電所11000.852架空線12煉鐵廠10000.852架空線1035KV變電所主接線圖，如圖4.2所示 S SI L2 L1DL1L3L4B2B1DL8煉鋼廠配電所備用印染廠織布廠DL

17、7DL6圖4.2 35KV變電所主接線圖B1、B2主變容量、型號為6300kVA之SF1-6300/35型雙卷變壓器，Y-/11之常規接線方式，具有帶負荷調壓分接頭，可進行有載調壓。其中Uk %=7.5。 運行方式：以SI、S全投入運行，線路L1L4全投。DL1合閘運行為最大運行方式；以S停運，線路L3、L4停運，DL1斷開運行為最小運行方式。已知變電所10KV出線保護最長動作時間為1.5s。42 設計計算4.2.1系統等效電路圖 圖4.3 系統等效電路圖 4.2.2基準參數選定： SB=100MVA，UB=Uav即：35kV側UB=37KV，10kV側UB=10.5KV。4.2.3阻抗計算（

18、均為標幺值）：1） 系統： 2) 線路：L1，L2： L3，L4： 變壓器：B1，B2： 4.2.4 短路電流計算：1）最大運行方式：系統化簡如圖2所示。 其中： X9=X2+X3X40.719 X10= X1+X5X60.5755X11=X10X90.32 X12=X11+X71.51據此，系統化簡如圖3所示。 故知35KV母線上短路電流： 10KV母線上短路電流: 折算到35KV側:對于d3點以配電所計算: 圖2 圖32) 最小運行方式下:系統化簡如圖4所示。因S停運,所以僅考慮S單獨運行的結果；所以35KV母線上短路電流：所以10KV母線上短路電流： 折算到35KV側: 對于d3以配電所

19、進行計算:折算到35KV側： 圖44.3 短路電流計算結果 由節通過化簡，再通過公式計算所得出的短路電流計算結果，可以列出表2-1所示的短路電流計算結果。 表2-1 短路電流計算結果運行方式最大運行方式最小運行方式短路點編號d1maxd2maxd3maxd1mind2mind3min基準電壓（KV）3710.510.53710.5 10.5基準電流（KA）1.565.55.51.565.55.5短路電流有名值(KA)4.8753.6421.072.170.8170.2825 主變繼電保護整定計算及繼電器選擇5.1瓦斯保護：輕瓦斯保護的動作值按氣體容積為250300整定，本設計采用280。重瓦斯

20、保護的動作值按導油管的油流速度為0.61.5整定本，本設計采用0.9。 瓦斯繼電器選用FJ3-80型。5.2 縱聯差動保護：選用BCH-2型差動繼電器。5.2.1 計算Ie及電流互感器變比，列表如下：名 稱各側數據Y（35KV）（10KV）額定電流變壓器接線方式YCT接線方式YCT計算變比實選CT變比nl200/5400/5實際額定電流不平衡電流Ibp4.50-4.33=0.17A確定基本側基本側非基本側5.2.2 確定基本側動作電流：1）躲過外部故障時的最大不平衡電流 （1）利用實用計算式： 式中：Krel可靠系數，采用1.3； 非同期分量引起的誤差，采用1； 同型系數，CT型號相同且處于同

21、一情況時取0.5，型號不同時取1，本設計取1。 Ker電流互感器10%的誤差系數。 U變壓器調壓時所產生的相對誤差，采用調壓百分數的一半，本設計取0.05。繼電器整定匝書數與計算匝數不等而產生的相對誤差，暫無法求出，先采用中間值0.05。代入數據得 躲過變壓器空載投入或外部故障后電壓恢復時的勵磁涌流（2）式中：可靠系數，采用1.3； 變壓器額定電流：代入數據得 3）躲過電流互改器二次回路短線時的最大負荷電流 （3）式中： 可靠系數，采用1.3； 正常運行時變壓器的最大負荷電流；采用變壓器的額定電流。 代入數據得 比較上述（1），（2），（3）式的動作電流，取最大值為計算值， 即： 5.2.3

22、確定基本側差動線圈的匝數和繼電器的動作電流將兩側電流互感器分別結于繼電器的兩組平衡線圈，再接入差動線圈，使繼電器的實用匝數和動作電流更接近于計算值；以二次回路額定電流最大側作為基本側，基本側的繼電器動作電流及線圈匝數計算如下： 基本側（35KV）繼電器動作值 代入數據得 基本側繼電器差動線圈匝數 式中：為繼電器動作安匝，應采用實際值，本設計中采用額定值，取得60安匝。 代入數據得 選用差動線圈與一組平衡線圈匝數之和較小而相近的數值，作為差動線圈整定匝數。 即：實際整定匝數 繼電器的實際動作電流 保護裝置的實際動作電流 5.2.4 確定非基本側平衡線圈和工作線圈的匝數 平衡線圈計算匝數 故，取平衡線圈實際匝數 工作線圈計算匝數5.2.5 計算由于整定匝數與計算匝數不等而產生的相對誤差 此值小于原定值0.05，取法合適，不需重新計算。5.2.6 初步確定短路線圈的抽頭 根據前面對BCH-2差動繼電器的分析，考慮到本系統主變壓器容量較小，勵磁涌流較大，故選用較大匝數的“C-C”抽頭，實際應用中，還應考慮繼電器所接的電流互感器的型號、性能等，抽頭是否合適，應經過變壓器空載投入試驗最后確定。5.2.7 保護裝置靈敏度校驗差動保護靈敏度要求值本系統在最小運行方式下，10KV側出口發生兩相短路時，保護裝置的靈敏度最低。本裝置靈敏度 滿足要求。5.3