1、中北大學信息商務(wù)學院繼電保護課程設(shè)計說明書1 引言 繼電保護（Protective Relay,Power System Protection）是研究電力系統(tǒng)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(fā)展過程中曾主要用有觸點的繼電器來保護電力系統(tǒng)及其元件（發(fā)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(wù)是：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)，自動將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。 繼電保護是保障電力設(shè)備安全和防止及限制電力系統(tǒng)長時間大面積停電的

2、最基本、最重要、最有效的技術(shù)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(shè)計和整定計算，是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要工作。實現(xiàn)繼電保護功能的設(shè)備稱為繼電保護裝置。本次設(shè)計的任務(wù)主要包括了六大部分，分別為運行方式的選擇、電網(wǎng)各個元件參數(shù)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(shè)備的選擇是本設(shè)計的重點。通過分析，找到符合電網(wǎng)要求的繼電保護方案。 電力系統(tǒng)和繼電保護技術(shù)的不斷發(fā)展和安全穩(wěn)定運行，給國民經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來了巨大動力和

3、效益。但是，電力系統(tǒng)一旦發(fā)生自然或人為故障，如果不能及時有效控制，就會失去穩(wěn)定運行，使電網(wǎng)瓦解，并造成大面積停電，給社會帶來災(zāi)難性的后果。因此電網(wǎng)繼電保護和安全自動裝置應(yīng)符合可靠性、安全性、靈敏性、速動性的要求。要結(jié)合具體條件和要求，本設(shè)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(tǒng)籌兼顧，妥善處理，以達到保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的目的。 繼電保護是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的。20世紀初隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，繼電器開始廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的保護，這時期是繼電保護技術(shù)發(fā)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(fā)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(guān)理論知識2.1 繼電保護的概述 研究電力系統(tǒng)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(fā)展過程中曾主要用有觸點的繼電器來保護電力系統(tǒng)及其元件（發(fā)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(wù) 當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)，自動將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)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(qū)分“正常”與“不正常”運行狀態(tài)、被保護元件的“外部故障”與“內(nèi)部故障”，以實現(xiàn)繼電保護的功能。因此，通過檢測各種狀態(tài)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(jù)反映的物理量的不同，保護裝置可以構(gòu)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(tǒng)發(fā)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(xiàn)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(fā)生故障時這些基本參數(shù)與正常運行時的差別，就可以構(gòu)成各種不同原理的繼電保護裝置。 電力系統(tǒng)發(fā)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(shè)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(fā)生相間短路和接地短路故障時，系統(tǒng)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(shù)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(fā)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(zhuǎn)變?yōu)榫€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(xiàn)相序分量，如兩相及單相接地短路時，出現(xiàn)負序電流和負序電壓分量；單相接地時，出現(xiàn)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(xiàn)的。 利用短路故障時電氣量的變化，便可構(gòu)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(yīng)溫度、壓力、流量等非電氣量變化的可以構(gòu)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(wù)，必須在技術(shù)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(yīng)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(tǒng)中的設(shè)備或線路發(fā)生短路時，其繼電保護僅將故障的設(shè)備或線路從電力系統(tǒng)中切除，當故障設(shè)備或線路的保護或斷路器拒動時，應(yīng)由相鄰設(shè)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(yīng)能盡快地切除故障，以減少設(shè)備及用戶在大電流、低電壓運行的時間，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性。 一般必須快速切除的故障有： 1)使發(fā)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(fā)電機、變壓器和電動機內(nèi)部故障。 3) 中、低壓線路導(dǎo)

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(tǒng)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(yīng)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(yīng)按照選擇性的條件，帶延時地發(fā)出信號。 （3）靈敏性 靈敏性是指電氣設(shè)備或線路在被保護范圍內(nèi)發(fā)生短路故障或不正常運行情況時，保護裝置的反應(yīng)能力。保護裝置的靈敏性是用靈敏系數(shù)來衡量。 能滿足靈敏性要求的繼電保護，在規(guī)定的范圍內(nèi)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(yīng)動作，即要求不但在系統(tǒng)最大運行方式下三相短路時能可靠動作，而且在系統(tǒng)最小運行方式下經(jīng)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(tǒng)最大運行方式：被保護線路末端短路時，系統(tǒng)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(tǒng)最小運行方式：在同樣短路故障情況下，系統(tǒng)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(fā)生誤動。 信賴性：要求繼電保護在規(guī)定的保護范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)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(tǒng)帶來嚴重危害。 即使對于相同的電力元件，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，保護不誤動和不拒動對系統(tǒng)的影響也會發(fā)生變化。 以上四個基本要求是設(shè)計、配置和維護繼電保護的依據(jù)，又是分析評價繼電保護的基礎(chǔ)。這四個基本要求之間是相互聯(lián)系的，但往往又存在著矛盾。因此，在實際工作中，要根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和用戶的性質(zhì)，辯證地進行統(tǒng)一。繼電保護相當于一種在線的開環(huán)的自動控制裝置，根據(jù)控制過程信號性質(zhì)的不同，可以分模擬型(它又分為機電型和靜態(tài)型)和數(shù)字型兩大類。對于常規(guī)的模擬繼電保護裝置，一般包括測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分。測量部分從被保護對象輸入有關(guān)信號，再與給定的整定

12、值比較，以判斷是否發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)；邏輯部分依據(jù)測量部分輸出量的性質(zhì)、出現(xiàn)的順序或其組合，進行邏輯判斷，以確定保護是否應(yīng)該動作；執(zhí)行部分依據(jù)前面環(huán)節(jié)判斷得出的結(jié)果子以執(zhí)行：跳閘或發(fā)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(huán)節(jié)和執(zhí)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(jù)比較的結(jié)果，給出“是”“非”性質(zhì)的一組邏輯信號，從而判斷保護裝置是否應(yīng)該啟動。（2）邏輯部分：邏輯部分使保護裝置按一定的邏輯關(guān)系判定故障的類型和范圍，最后確定是應(yīng)該使斷路器跳閘、發(fā)出信號或是否動作及是否延時

13、等，并將對應(yīng)的指令傳給執(zhí)行輸出部分。 （3）執(zhí)行輸出部分：執(zhí)行輸出部分根據(jù)邏輯傳過來的指令，最后完成保護裝置所承擔的任務(wù)。如在故障時動作于跳閘，不正常運行時發(fā)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(wù)，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(tǒng)或電力元件的不正常運行發(fā)出警報、正常運行狀態(tài)不動作的任務(wù)。 繼電保護工作回路一般包括：將通過一次電力設(shè)備的電流、電壓線性地傳變?yōu)檫m合繼電保護等二次設(shè)備使用的電流、電壓，并使一次設(shè)備與二次設(shè)備隔離的設(shè)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(shè)備；保護裝置及跳閘、信號回路設(shè)備的工作電源等。3 設(shè)計內(nèi)容與要求3.1 設(shè)計基本資料35KV供電系統(tǒng)圖,如圖1所示。系統(tǒng)參數(shù)：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(tǒng)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(shù)回路數(shù)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?nèi)萘俊⑿吞枮?300kVA之SF1-6300/35型雙卷變壓器，Y-/11之常規(guī)接線方式，具有帶負荷調(diào)壓分接頭，可進行有載調(diào)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(shè)計整定4.1 初始數(shù)據(jù)35KV供電系

16、統(tǒng)圖,如圖1所示。系統(tǒng)參數(shù)：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(tǒng)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(shù)回路數(shù)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?nèi)萘俊⑿吞枮?300kVA之SF1-6300/35型雙卷變壓器，Y-/11之常規(guī)接線方式，具有帶負荷調(diào)壓分接頭，可進行有載調(diào)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(shè)計計算4.2.1系統(tǒng)等效電路圖 圖4.3 系統(tǒng)等效電路圖 4.2.2基準參數(shù)選定： SB=100MVA，UB=Uav即：35kV側(cè)UB=37KV，10kV側(cè)UB=10.5KV。4.2.3阻抗計算（

18、均為標幺值）：1） 系統(tǒng)： 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(tǒng)化簡如圖2所示。 其中： X9=X2+X3X40.719 X10= X1+X5X60.5755X11=X10X90.32 X12=X11+X71.51據(jù)此，系統(tǒng)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(cè):對于d3點以配電所計算: 圖2 圖32) 最小運行方式下:系統(tǒng)化簡如圖4所示。因S停運,所以僅考慮S單獨運行的結(jié)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(cè): 對于d3以配電所

19、進行計算:折算到35KV側(cè)： 圖44.3 短路電流計算結(jié)果 由節(jié)通過化簡，再通過公式計算所得出的短路電流計算結(jié)果，可以列出表2-1所示的短路電流計算結(jié)果。 表2-1 短路電流計算結(jié)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(shè)計采用280。重瓦斯

20、保護的動作值按導(dǎo)油管的油流速度為0.61.5整定本，本設(shè)計采用0.9。 瓦斯繼電器選用FJ3-80型。5.2 縱聯(lián)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(cè)數(shù)據(jù)Y（35KV）（10KV）額定電流變壓器接線方式Y(jié)CT接線方式Y(jié)CT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(cè)基本側(cè)非基本側(cè)5.2.2 確定基本側(cè)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(shù)，采用1.3； 非同期分量引起的誤差，采用1； 同型系數(shù)，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(shè)計取1。 Ker電流互感器10%的誤差系數(shù)。 U變壓器調(diào)壓時所產(chǎn)生的相對誤差，采用調(diào)壓百分數(shù)的一半，本設(shè)計取0.05。繼電器整定匝書數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差，暫無法求出，先采用中間值0.05。代入數(shù)據(jù)得 躲過變壓器空載投入或外部故障后電壓恢復(fù)時的勵磁涌流（2）式中：可靠系數(shù)，采用1.3； 變壓器額定電流：代入數(shù)據(jù)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(shù)，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(shù)據(jù)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(cè)差動線圈的匝數(shù)和繼電器的動作電流將兩側(cè)電流互感器分別結(jié)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(shù)和動作電流更接近于計算值；以二次回路額定電流最大側(cè)作為基本側(cè)，基本側(cè)的繼電器動作電流及線圈匝數(shù)計算如下： 基本側(cè)（35KV）繼電器動作值 代入數(shù)據(jù)得 基本側(cè)繼電器差動線圈匝數(shù) 式中：為繼電器動作安匝，應(yīng)采用實際值，本設(shè)計中采用額定值，取得60安匝。 代入數(shù)據(jù)得 選用差動線圈與一組平衡線圈匝數(shù)之和較小而相近的數(shù)值，作為差動線圈整定匝數(shù)。 即：實際整定匝數(shù) 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(cè)平衡線圈和工作線圈的匝數(shù) 平衡線圈計算匝數(shù) 故，取平衡線圈實際匝數(shù) 工作線圈計算匝數(shù)5.2.5 計算由于整定匝數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)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(jù)前面對BCH-2差動繼電器的分析，考慮到本系統(tǒng)主變壓器容量較小，勵磁涌流較大，故選用較大匝數(shù)的“C-C”抽頭，實際應(yīng)用中，還應(yīng)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(yīng)經(jīng)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(tǒng)在最小運行方式下，10KV側(cè)出口發(fā)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