继电保护的设计

中北大学信息商务学院电力系统继电保护课程设计第1页共18页1绪论如今，随着科学技术的飞速发展，继电保护器在35kV变电站中的应用也越来越广泛，他不仅保护着设备本身的安全，而且还保障了生产的正常进行，因此，做好继电保护的整定对于保障设备安全和生产的正常进行是十分重要的。继电保护装置广泛应用与电力系统，农网和小型发电系统，是电网及电气设备安全可靠运行的保证。加强继电保护管理，健全沟通桥梁，加强继电保护定值正定档案管理是提高继电保护定值整定的必要措施。变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置，继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。继电保护发展现状，电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断注入新的活力，因此，继电保护技术得天独厚，在40余年的时间里完成了发展的4个历史阶段。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术面临着进一步发展的趋势。国内外继电保护技术发展的趋势为：计算机化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化。中北大学信息商务学院电力系统继电保护课程设计第2页共18页2继电保护相关理论知识2.1继电保护的概述研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。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。2.2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。2.3继电保护基本原理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。2.3.1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没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。电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：（1）电流增大：短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。（2）电压降低：当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。（3）电流与电压之间的相位角改变：正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60°～85°，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180°（-60°～-85°)。中北大学信息商务学院电力系统继电保护课程设计第3页共18页（4）测量阻抗发生变化：测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值，正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。（5）不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量；单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。2.3.2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瓦斯保护、温度保护等。2.4对继电保护装置的要求继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低。（1）选择性选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。（2）速动性速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。一般必须快速切除的故障有：1)使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值(一般为0.7倍额定电压)。2)大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。3)中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。4)可能危及人身安全、对通信系统或铁路信号造成强烈干扰的故障。故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为0.04s～中北大学信息商务学院电力系统继电保护课程设计第4页共18页0.08s，最快的可达0.01s～0.04s，一般断路器的跳闸时间为0.06s～0.15s，最快的可达0.02s～0.06s。对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。（3）灵敏性灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。系统最大运行方式：被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；系统最小运行方式：在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。（4）可靠性可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。安全性：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。信赖性：要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。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；中北大学信息商务学院电力系统继电保护课程设计第5页共18页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。2.5继电保护装置的组成一般情况而言，整套继电保护装置由测量元件、逻辑环节和执行输出三部分组成。(1）测量比较部分：测量比较部分是测量通过被保护的电气元件的物理参量，并与给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”“非”性质的一组逻辑信号，从而判断保护装置是否应该启动。（2）逻辑部分：逻辑部分使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是应该使断路器跳闸、发出信号或是否动作及是否延时等，并将对应的指令传给执行输出部分。（3）执行输出部分：执行输出部分根据逻辑传过来的指令，最后完成保护装置所承担的任务。如在故障时动作于跳闸，不正常运行时发出信号，而在正常运行时不动作等。2.6工作回路要完成继电保护任务，除了需要继电保护装置外，必须通过可靠的继电保护工作回路的正确工作，才能完成跳开故障元件的断路器、对系统或电力元件的不正常运行发出警报、正常运行状态不动作的任务。继电保护工作回路一般包括：将通过一次电力设备的电流、电压线性地传变为适合继电保护等二次设备使用的电流、电压，并使一次设备与二次设备隔离的设备，如电流、电压互感器及其与保护装置连接的电缆等；断路器跳闸线圈及与保护装置出口间的连接电缆，指示保护动作情况的信号设备；保护装置及跳闸、信号回路设备的工作电源等。中北大学信息商务学院电力系统继电保护课程设计第6页共18页3设计概述：3.1设计依据:（1）继电保护设计任务书。（2）国标GB50062-92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》。（3）《电力系统继电保护》（山东工业大学）。3.2设计规模：本设计为35KV降压变电所。主变容量为6300KVA，电压等级为35/10KV。3.3设计原始资料：3.3.135KV供电系统图,如图1所示。3.3.2系统参数：电源I短路容量：SIDmax=200MVA；电源Ⅱ短路容量：SⅡDmax=250MVA；供电线路：L1=L2=15km，L3=L4=10km，线路阻抗：XL=0.4Ω/km。图135KV系统原理接线图中北大学信息商务学院电力系统继电保护课程设计第7页共18页3.3.335KV变电所主接线图，如图2所示SⅡSIL3L4DL1L1L2B1B2DL6DL7DL8织胶印配炼备布木染电铁用厂厂厂所厂图235KV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-Δ/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。运行方式：以SI、SⅡ全投入运行，线路L1~L4全投。DL1合闸运行为最大运行方式；以SⅡ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。3.3.410KV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10炼铁厂17000.852架空线10~~中北大学信息商务学院电力系统继电保护课程设计第8页共18页4变电所继电保护和自动装置规划：4.1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。4.2本系统故障分析：(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，其主要故障为单相接地、两相接地和三相接地。(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)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。4.310KV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：(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。4.4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（