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1 概述

继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流、电压、功率、频率等)的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。大多数情况下，不管反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分(和定值调整部分)、逻辑部分、执行部分。

继电保护及自动化是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。基本任务是：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。

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2 变电站继电保护配置

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

2.1 系统分析及继电保护要求：

线。

2.1.1 继电保护的四项基本条件：

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 2.2.1系统线路主要的故障：

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。 2.2.2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。 2.2.3变压器的不正常情况：

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。

2.3 35KV线路继电保护设置：

根据线路故障类型，使用3段式电流保护

2.4 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。

2.5 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： 2.5.1主保护：

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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）。 2.5.2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）。 。

2.6 本设计继电保护装置原理概述 2.6.1 10KV线路电流速断保护：

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 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。 2.6.3 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。 2.6.4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

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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。

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3 短路电流计算

3.1 系统等效电路图： 如图3.1所示

C1 C2

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=0.12

C2系统：最大方式X2=0.1 最小方式X2=0.15 2) 线路：L1：X3=l1X1SB/VB=0.4×12×100/37=0.351 L2：X4=l3 X1SB/VB2=0.4×15×100/372=0.438

3) 变压器： X5=X6=（Uk%/100）SB/S=0.08/100×100/31.5=0.003 3.4短路电流计算： 1）最大运行方式：

其中： X7=X1+X3∥X4＝0.297 X8= X2+X4＝0.48

2

2

X9=X7∥X8＝0.183 X10=X9+X5＝0.186

据此，系统化简如图4.4.1和4.4.2所示

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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：

XL6=0.371

图3.3最大运行方式图

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)

Id2lmin = IB1/X11=1.56/0.483=3.23(kA)

折算到35KV侧：

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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

图3.4 最小运行图

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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250~300cm2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0.6~1.5 cm整定本，本设计采用0.9 cm。瓦斯继电器选用FJ3-80型 。

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

2

2

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 Idz1≥KKIbp

(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。

ΔU—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。

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Δfza—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×(1×1×0.1+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= 1.3×103.9=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 代入数据得

Idz1=1.3×103.9=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= 3 ×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。

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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=12×40/3 =277.1A

4.2.4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 WphjsⅡ =Wcdz/Ie2JI-Wcdz

=6×(4.55/4.50-1)=0.06(匝)

故，取平衡线圈实际匝数WphzⅡ=0 工作线圈计算匝数WgzⅡ= WphzⅡ+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Δfza

Δfza= (WphjsⅡ- WphzⅡ)/( WphjsⅡ+ 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Klm﹥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 Klm=0.866KjxIdlmin/Idzl

=0.866×1×0.817/0.2771=2.55>2

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=1.2×103.9/0.85=146.7(A)

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继电器的动作电流 Idzj=Idz/nl=146.7/(40/ 3 )=6.35(A) 电流继电器的选择：DL-21C/10

2） 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

=0.866×1×0.841/0.1467=4.96>1.2 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=1.05×103.9/0.85=128.4(A)

IdzJ= Idz/nl=128.4×3 /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=0.7×103.9=72.74(A)

IdzJ=Idz/nl=72.74/(40/ 3 )=3.15(A)

即，当继电器电流达到3.15A时，冷却风扇自起动。

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在本次课程设计中，巩固和加深在《电力系统基础》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，在这次课程设计中，发现有时对基础知识的认识不是很清楚，不能很快对这个课程设计的各种数据认识清楚。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。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。

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参 考 文 献

[1] 贺家李，宋从矩等.电力系统继电保护原理.第三版.北京：中国电力出版社,1994 [2] 刘介才.工厂供电设计指导.第二版.北京：机械工业出版社，2008.4 [3] 文温步瀛. 电力工程基础. 北京：中国电力出版社，2006 [4] 陈珩．电力系统稳态分析.第三版. 北京：中国电力出版社，2007 [5] 李光琦．电力系统稳态分析.第三版．北京：中国电力出版社，2007

[6] 辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学.第二版.武汉：华中科技大学出版社，2005.8