35kV變電站繼電保護設計

1引言

電力系統(tǒng)運行要求平安牢靠。但是，電力系統(tǒng)的組成元件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)各異，

運行狀況困難，覆蓋的地域?qū)掗?。因此，受自然條件，設備與人為因素的影響（如

雷擊，倒塌，內(nèi)部過電壓或者運行人員誤操作等），電力系統(tǒng)會發(fā)生各種故障和小

正常運行狀態(tài)。最常見，危害最大的故障是各種形式的短路。

電力生產(chǎn)發(fā)、送、變、用的同時性，確定了它的一個過程重要性，電力系統(tǒng)

要通過設計，組織，以使電力能夠牢靠，經(jīng)濟的送到用戶，對供電系統(tǒng)最大的威

逼就是短路故障，它給系統(tǒng)帶來了巨大的破壞作用，因此我們必需實行措施來防

范它。

繼電愛護裝置的基本任務是：自動，快速，有選擇性將系統(tǒng)中的切除，使故

障元件損壞程度盡量可能降低，并保證該系統(tǒng)相符故障部分快速復原正常運行。

反映電器元件的不正常運行狀態(tài)，并依據(jù)運行維護的詳細條件和設備的承受實力,

發(fā)出信號，減負荷或者延時跳閘。

繼電愛護主要利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異樣狀況時的電氣量（電流、

電壓、功率、頻率等）的改變，構(gòu)成繼電愛護動作的原理，也有其他的物理量，如

變壓器油箱內(nèi)故障時伴隨產(chǎn)生的大量瓦斯和油流速度的增大或油壓強度的增高。

大多數(shù)狀況下，不管反應哪種物理量，繼電愛護裝置都包括測量部分（和定值調(diào)整

部分）、邏輯部分、執(zhí)行部分。

繼電愛護與自動化是探討電力系統(tǒng)故障和危與平安運行的異樣工況，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愛護電力

系統(tǒng)與其元件（發(fā)電機、變壓器、輸電線路等），使之免遭損害，所以沿稱繼電愛

護?；救蝿帐牵寒旊娏ο到y(tǒng)發(fā)生故障或異樣工況時，在可能實現(xiàn)的最短時間和

最小區(qū)域內(nèi)，自動將故障設備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消退異樣工

況根源，以減輕或避開設備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。

2設計任務與要求

2.1設計依據(jù)

1.繼電愛護設計任務書。

2.國標GB50062-92《電力裝置的繼電愛護和自動裝置設計規(guī)范》。

3.《電力系統(tǒng)繼電愛護》中北高校

2.2設計基本資料

1.C1系統(tǒng)：XI=0.06/0.12；X2=X1：XI以lOOOkVA,37KV為基準的

標幺值，分子為最大方式，分母為最小方式的阻抗標幺值。

2.C2系統(tǒng)：Xl=0.1/0.15；X2=X1；XI以lOOOkVA,37KV為基準的標

幺值，分子為最大方式，分母為最小方式的阻抗標幺值。

3.A站：有兩臺雙卷變壓器容量為2X400kVA35±4X2.5%/llkv；

Uk%=6.5%

4.35KV線路Xl=0.4Q/km；10KV電纜線路路0.45Q/km,X=0.08Q/km

5.XL-1最大負荷130kVA；XL-2最大負荷lOOkVA；X『3最大負荷80kVA；

XL-4最大負荷lOOkVA；XL-5最大負荷UOkVA；XL-6最大負荷150k"。其中

一類負荷45%：二類負荷25%：三類負荷30虬XL-1與XL-6為雙回線。

圖2.135kV和10kV母線斷路器是閉合的

2.3設計要求

要求依據(jù)所給條件確定變電所整定繼電愛護設計方案，最終按要求寫出設計

說明書，繪出設計圖樣。

3變電所繼電愛護和自動裝置規(guī)劃

3.1繼電愛護的四項基本原則

為保證平安供電和電能質(zhì)量，繼電愛護應滿意四項基本要求，即選擇性、速

動性、靈敏性和牢靠性。

3.2本系統(tǒng)故障分析

3.2.1系統(tǒng)線路主要的故障

本設計中的電力系統(tǒng)具有非干脆接地的架空線路與中性點不接地的電力變

3.4主變壓器繼電愛護裝置設置

變壓器為變電所的核心設備，依據(jù)其故障和不正常運行的狀況，從反應各種

不同故障的牢靠、快速、靈敏與提高系統(tǒng)的平安性動身，設置相應的主愛護、異

樣運行愛護和必要的協(xié)助愛護如下：

3.4.1主愛護

瓦斯愛護（以防衛(wèi)變壓器內(nèi)部故障和油面降低）、縱聯(lián)差動愛護（以防衛(wèi)變壓

器繞組、套管和引出線的相間短路）。

3.4.2后備愛護

過電流愛護（以反應變壓器外部相間故障）、過負荷愛護（反應由于過負荷而

引起的過電流）。

3.4.3異樣運行愛護和必要的協(xié)助愛護

溫度愛護（以檢測變壓器的油溫，防止變壓器油劣化加速）和冷卻風機自啟

動（用變壓器一?相電流的70%來啟動冷卻風機，防止變壓器油溫過高）c

3.5變電所的自動裝置

3.5.1瞬時故障的繼電愛護

針對架空線路的故障多系雷擊、鳥害、樹枝或其它飛行物等引起的瞬時性短

路，其特點是當線路斷路器跳閘而電壓消逝后，隨著電弧的熄滅，短路即自行消

退。若運行人員試行強送，隨可以復原供電，但速度較慢，用戶的大多設備（電

動機)己停運，這樣就干擾破壞了設備的正常工作，因此本設計在10KV各出線上

設置三相自動重合閘裝置(CHZ),即當線路斷路器因事故跳閘后，馬上使線路斷

路器自動再次重合閘，以削減因線路瞬時性短路故障停電所造成的損失。

3.5.2提高供電牢靠性

針對變電所負荷性質(zhì)，縮短備用電源的切換時間，提高供電的不間斷性，保

證人身設備的平安等，本設計在35KV母聯(lián)斷路器(DL1)與10KV母聯(lián)斷路器(DL8)

處裝設備用電源自動投入裝置(BZT)O

3.5.3保證系統(tǒng)電能質(zhì)量

頻率是電能質(zhì)量的基本指標之一,正常狀況下，系統(tǒng)的頻率應保持在50Hz,運

行頻率和它的額定值見允許差值限制在0.5Hz內(nèi)，頻率降低會導致用電企業(yè)的機

械生長率下降，產(chǎn)品質(zhì)量降低，更為嚴峻的是給電力系統(tǒng)工作帶來危害，而有功

功率的缺額會導致頻率的降低，因此，為保證系統(tǒng)頻率恒定和重要用戶的生產(chǎn)穩(wěn)

定，本設計10KV出線設置自動頻率減負荷裝置(ZPJH),按用戶負荷的重要性依

次切除。

3.6本設計繼電愛護裝置原理

3.6.110KV線路電流速斷愛護

依據(jù)短路時通過愛護裝置的電流來選擇動作電流的，以動作電流的大小來限

制愛護裝置的愛護范圍；有無時限電流速斷和延時電流速斷，采納二相二電流繼

電器的不完全星形接線方式，本設計選用無時限電流速斷愛護。

3.6.210KV線路過電流愛護

是利用短路時的電流比正常運行時大的特征來鑒別線路發(fā)生了短路故障，其

動作的選擇性由過電流愛護裝置的動作具有適當?shù)难訒r來保證，有定時限過電流

愛護和反時限過電流愛護；本設計與電流速斷愛護裝置共用兩組電流互感器，采

納二相二繼電器的不完全星形接線方式，選用定時限過電流愛護，作為電流速斷

愛護的后備愛護，來切除電流速斷愛護范圍以外的故障，其愛護范圍為本線路全

部和下段線路的一部分。

3.G.3平行雙回線路橫聯(lián)方向差動愛護

是通過比較兩線路的電流相位和數(shù)值相同與否鑒別發(fā)生的故障；由電流起動

元件、功率方向元件和出口執(zhí)行元件組成，電流起動元件用以推斷線路是否發(fā)生

故障，功率方向元件用以推斷哪回線路發(fā)生故障，雙回線路運行時能保證有選擇

的動作。該愛護動作時間OS,由于橫聯(lián)愛護在相繼動作區(qū)內(nèi)短路時，切除故障的

時間將延長一倍，故加裝一套三段式電流愛護，作為后備愛護。

3.6.4變壓器瓦斯愛護

是利用安裝在變壓器油箱與油枕間的瓦斯繼電器來判別變壓器內(nèi)部故障；當

變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，電弧使油與絕緣物分解產(chǎn)生氣體。故障稍微時，油箱內(nèi)

氣體緩慢的產(chǎn)生，氣體上升聚集在繼電器里，使油面下降，繼電器動作，接點閉

合，這時讓其作用于信號，稱為輕瓦斯愛護；故障嚴峻時，油箱內(nèi)產(chǎn)生大量的氣

體，在該氣體作用下形成劇烈的油流，沖擊繼電器，使繼電器動作，接點閉合,

這時作用于跳閘并發(fā)信，稱為重瓦斯愛護。

3.6.5變壓器縱聯(lián)差動愛護

是依據(jù)循環(huán)電流的原理構(gòu)成。在變壓器兩側(cè)都裝設電流互感器，其二次繞組

按環(huán)流原則串聯(lián)，差動繼電器并接在回路壁中，在正常運行和外部短路時，二次

電流在臂中環(huán)流，使差動愛護在正常運行和外部短路時不動作，由電流互感器流

入繼電器的電流應大小相等，相位相反，使得流過繼電器的電流為零；在變壓器

內(nèi)部發(fā)生相間短路時，從電流互感器流入繼電器的電流大小不等，相位相同，使

繼電器內(nèi)有電流流過。但事實上由于變壓器的勵磁涌流、接線方式與電流互感器

誤差等因素的影響，納電器中存在不平衡電流，變壓器差動愛護需解決這些問題,

方法有：

?靠整定值躲過不平衡電流

?采納比例制動差動愛護。

?采納二次諧波制動。

?采納間歇角原理。

?采納速飽和變流器。

本設計采納較經(jīng)濟的BCH-2型帶有速飽和變流器的繼電器，以提高愛護裝置

的勵磁涌流的實力。

4系統(tǒng)運行方式制定與短路電流計算

4.1系統(tǒng)運行方式制定

在選擇愛護方式與對其整定計算時，都必需考慮系統(tǒng)運行方式改變帶來的影

響，所選用的愛護方式，應在各種系統(tǒng)運行方式下，都能滿意選擇性和靈敏性的

要求。對過量愛護通常都是依據(jù)系統(tǒng)最大運行方式來確定愛護整定值，以保證選

擇性。靈敏性的校驗應依據(jù)最小運行方式來進行，因為在最小運行方式下靈敏性

滿意要求，則其他運行方式下，也肯定滿意要求。

運行方式：以Cl、C2全投入運行，線路LI、L2全投,DL1合閘運行為最大運

行方式；以C2停運，線路L2停運，DL1斷開運行為最小運行方式。

4.2短路電流計算

4.2.1基準參數(shù)選定

SB=1000KVA,UB=Uav即:35kVfiljUB1=37KV,lOkVUB2=10.5KVO

IBI=SB/V3UBI=O.0156KA

3二SB//UB2=0.055KA

4.2.2阻抗值計算

35KV線路

LI：X3=LXS/gO.4X10X1/372=0.00292

L2:XLLZXBB/IVR.4X13Xl/372=0.0038

變壓器

Bl,B2：X5=X6=(UK%/100)SH/S=O.065X1000/400=0.163

10KV線路

XL-l=XL-6=0.45X3X1/10.52=0.0122

XL-2=XL-5=0.45X2X1/10.52=0.00816

XL-3=0.45X1.5X1/10.5=0.00612

XL-4=0.45X1X1/10.52=0.00408

XL=0.00122

系統(tǒng)等效電路如圖所示

C1。C2。

/—2

xf77X2

上

0.002920.0吊8

DL1

/

dl/

7

11/，

0.1甲70.163

DL2

d2/

/

1

斤X,=0.00122

/

-Td3

圖4.1系統(tǒng)等效電路圖

4.2.3短路電流計算

L最大運行方式

系統(tǒng)簡化圖如圖4.2

其中X7=X11X3=0.0610.00292=0.06292

X8=X2+X4=0.1+0.0038=0.1038

X9=X7/X8=0,6062

X10=X9+X5/2=0.6062+0.163/2=0.6877

圖4.2最大運行方式圖

故知35KV母線上短路電流(dl點)

Idimax=IBi/X9=0.0156/0.6062=0.0257(KA)

10KV母線上短路電流(d2點)

Id2max=lB2/Xlo=O.055/0.6877=0.080(KA)

折算到35KV側(cè):

Id21Bax=lBi/X10=0.0156/0.6877=0.0227(KA)

對于d3點以XL計算

Id3max=0.055/(0.6877+0.00122)=0.0799(KA)

折算到35KV側(cè)：—=0.0156/(0.6877+0.00122)=0.0226(KA)

2.最小運行方式

系統(tǒng)簡化圖如圖4.3所示。

其中

X7=X1+X3=O.12+0.00292=0.12292

C1O

I7

一/

35KV70.12292/dl

/5

~7--------

0.163

10KV/

7d2

XL=0.C0122

d3

圖4.3最小運行方式圖

因C2停運,所以僅考慮C1單獨運行的結(jié)果；

Xll=X7+X5=0.12292+0.163=0.28592

所以35KV母線上短路電流：

Idimin=lBi/X7=0.0156/0.12292=0.127(kA)

所以10KV母線上短路電流：

Id2min=lB2/Xn=0.055/0.28592=0.192(kA)

折算到35KV側(cè)：

Id2Inin=IBI/XH=0.0156/0.28592=0.0546(kA)

對于d3以XL進行計算Id3min=0.055/(0.28592+0.00122)=0.1915(kA)

折算到35KV側(cè)：IdJlmin=0.0156/(0.2859240.00122)=0.0543(kA)

5主變繼電愛護整定計算與繼電器選擇

5.1瓦斯愛護

輕瓦斯愛護的動作值按氣體容積為250~300加2整定，本設計采納280cm%

重瓦斯愛護的動作值按導油管的油流速度為0.61.5cm?整定本，本設計采納o.9

cm%瓦斯繼電器選用FJ：廠80型。

5.2縱聯(lián)差動愛護

選用BCH-2型差動繼電器。

5.2.1計算Ie與電流互感器變比

S=1000KVAUlc=35KVU2c=10KV列表如下:

表5.1變壓器縱差動愛護用互感器變比選擇

各側(cè)數(shù)據(jù)

名稱

Y(35KV)A(10KV)

額定電流Ile=S/木Ule=16.496AI2e=S/木U2e=57.735A

變壓器接線方式Y(jié)A

CT接線方式AY

CT計算變比小Ile/5=28.571/5I2e/5=57.735/5

實選CT變比nl30/5=660/5=12

實際額定電流小Ile/nl=4.76AI2e/nl=4.81A

不平衡電流Ibp4.81-4.76=0.05A

確定基本側(cè)非基本側(cè)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

Idzl^KxIbp(1)

利用好用計算式：利二及(UKtxfi+U+fza)Id21nax

式中：k—牢靠系數(shù)，采納1.3；

Kg一非同期重量引起的誤差，采納1；

Ktx一同型系數(shù)，CT型號相同且處于同一狀況時取0.5,型號不同時取1,

本設計取1。

△U—變壓器調(diào)壓時所產(chǎn)生的相對誤差，采納調(diào)壓百分數(shù)的一半，本設計取

0.05o

Afza一繼電器整定匝書數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差，暫無法求出,

先采納中間值0.05o

代入數(shù)據(jù)得Idzi=l.3X(1X1X0.1+0.05+0.05)X0.134=34.84(A)

2)躲過變壓器空載投入或外部故障后電壓復原時的勵磁涌流

I*KKIe(2)

式中：K.牢靠系數(shù)，采納1.3；

Ie—變壓器額定電流：

代入數(shù)據(jù)得L產(chǎn)1.3X28.571=37.142(A)

3)躲過電流互感器二次回路短線時的最大負荷電流

Idzl=KKTfhmax(3)

式中：KK一牢靠系數(shù)，采納L3；

I初一正常運行時變壓器的最大負荷電流；采納變壓器的額定電流。

代入數(shù)據(jù)得h產(chǎn)1.3X28.571=37.142(A)

比較上述(1),(2),(3)式的動作電流，取最大值為計算值，

即1dz產(chǎn)37.142(A)

5.2.3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

電器的好用匝數(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

木側(cè)，基本側(cè)的繼電器動作電流與線圈匝數(shù)計算如下：

基本側(cè)(35KV)繼電器動作值—KjJ也i/m

代入數(shù)據(jù)得上加產(chǎn)X34.84/6=10.057(A)

基本側(cè)繼電器差動線圈匝數(shù)WcdjsI=Awo/Id2jsI

式中：Awo為繼電器動作安匝，應采納實際值，本設計中采納額定值，取得

60安匝。

代入數(shù)據(jù)得WcdjsI=60/10.057=5.966(匝)

選用差動線圈與一組平衡線圈匝數(shù)之和較此如小而相近的數(shù)值，作為差動線

圈整定而數(shù)乩由。

即：實際整定匝數(shù)此『5(匝)

繼電器的實際動作電流IdzjkAwo/Wcd=60/5=12(A)

愛護裝置的實際動作電流LkId”N/K.#12X6//=41.569A

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)Wphjsii-WCdz/Ie2ji-WCdz5X(4.81/4.76l)=0.05(匝)

故，取平衡線圈實際匝數(shù)

工作線圈計算匝數(shù)WgzlI=WphzII+Wcd=5(H)

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△fza

△fza=(Wphjs-Wphz)/(Wphjsll+Wcdz)

=(0.050)/(0.0515)=0.009

此值小于原定值0.05,取法合適，不需重新計算。

5.2.6初步確定短路途圈的抽頭

依據(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(jīng)過變壓器空載投入試驗最終

確定。

5.2.7愛護裝置靈敏度校驗

差動愛護靈敏度要求值皿42,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，愛護裝置的靈敏度最低。本裝置靈敏度

Ki=0.866KjxIdl.in/Idzl=0.866X1X0.152X1000/41.469=3.17>2滿意要求。

5.3過電流繼電器的整定與繼電器選擇

1)愛護動作電流按躲過變壓器額定電流來整定

Idz=KkIel/Kh

式中：牢靠系數(shù)，采納1.2；

Kh—返回系數(shù),采納0.85；

代入數(shù)據(jù)得Idz=1.2X16.496/0.85=23.288(A)

繼電器的動作電流［.二小L/n尸/X23.288/6=6.723(A)

電流繼電器的選擇：DL-21C/10

2)靈敏度按愛護范圍末端短路進行校驗，靈敏系數(shù)不小于1.2。

靈敏系數(shù):Klm=O.866KjxId31min/Idz=0.866X1X58.4/23.288=2.17>1.2

滿意要求。

5.4過負荷愛護

其動作電流按躲過變壓器額定電流來整定。動作帶延時作用于信號。

Id2=KkIei/Kf=l.05X16.496/0.85=17.321(A)

L/甘Mni=17.321X^3/6=5.00(A)

延時時限取10s,以躲過電動機的自起動。

當過負荷愛護起動后，在達到時限后仍未返回，則動作ZDJH裝置。

5.5冷卻風扇自起動：

Id=0.7Iel=0.7X16.496=11.547(A)

Id『4Lz/n尸/X11.547/6=3.33(A)

即，當繼電器電流達到3.33A時，冷卻風扇自起動。

6線路愛護整定計算

6.135KV線路的三段式整定計算

6.L1第一段電流速斷愛護

1)乜應躲過d2點的最大短路電流整定：

I晨T=KRELXId2*=L3X0.134=0.174KA

其中：I，一愛護裝置的動作電流，又叫一次動作電流

KREI.

2）繼電器的的動作電流為：二KcoX%/〃尸IX0.174/12=14.5A

其中：Kc。一接線系數(shù)，選其為1

考慮到系統(tǒng)發(fā)展時仍能適應，選用DL-11/50型互感器，其動作電流整定范圍為

12.5-50A,故動作電流整定值為15A

第一段的靈敏性通常用愛護范圍的大小來衡量，依據(jù)本設計的數(shù)據(jù)按線路首

端（dl點）短路時的最小短路電流校驗靈敏系數(shù)。

K一二（m/2）XIdlmin/7^=0.67<1.5

不滿意要求，因此必需進一步延長電流速斷愛護的范圍，使之與下一段線路

的限時速斷相協(xié)作，這樣其動作時限就應當選擇比下一條線路的限時電流愛護

高一個所以動作時限整定為：％F+2Af=1.0s故應裝設帶時限速斷愛

護。

6.1.2其次段帶限時電流速斷愛護

1）愛護的動作電流為：

=1.3X0.133=0.173KA

2）計算10KV電纜其次段的動作電流

n

Iset=KXl'set=1.1X0.173=0.190KA

3）在線路首端（dj短路時，其次段的靈敏系數(shù)為

Q『（木/2）義小/Inset=0.61<1.5

不滿意要求

6.1.3過電流愛護

北二K,dXKssX/L.max/Kn=A.66A

11..max=S/mUie=6.6A

其中：L..max—最大負荷