220kV变电站继电保护设计正文

继电保护的发展是随着电力系统和自动化技术的发展而发展的.几十年来,随着我国电力系统向高电压、大机组、现代化大电网发展,继电保护技术及其装置应用水平获得很大提高。在20世纪50年代及以前,差不多都是用电磁型的机械元件构成。随着半导体器件的发展，陆续推广了利用整流二极管构成的整流型元件和半导体分立元件组成的装置。70年代以后,利用集成电路构成的装置在电力系统继电保护中得到广泛的运用.到80年代，微型机在安全自动装置和继电保护装置中逐渐应用.

在电力系统中，由于雷击或鸟兽跨接电气设备、设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当等原因，往往发生各种事故。为了保证电力系统安全可靠地运行，电力系统中的各个设备必须装设性能完善的继电保护装置。继电保护是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时,起动逻辑控制环节，发生相应的跳闸脉冲或信号。

继电保护虽然种类很多,但是一般由测量部分、逻辑部分、执行部分三部分组成。测量部分是测量被保护元件工作状态的一个或几个物理量，并和已给的整定值进行比较，从而判断保护是否应该起动。逻辑部分是根据测量部分输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的组合、使保护装置按一定的逻辑程序工作，最后传到执行部分。执行部分是根据逻辑部分送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如发生信号，跳闸或不动作等.

继电保护的基本性能要求是选择性、速动性、灵敏性、可靠性。随着新技术、新工艺的采用，继电保护硬件设备的可靠性、运行维护方便性也不断得到提高。继电保护技术将达到更高的水平.

由于编者水平和时间所限，文中疏漏和不足之处在所难免，恳请老师批评指正。

摘 要……………………………………………………………………………1

第1章  设计说明书 …………………………………………………………2

第2章  主变压器保护设计 …………………………………………………3

   2。1  主变压器保护设计   ………………………………………………3

   2。2  变压器容量选择 ……………………………………………………4

   2.3  变压器主保护 ………………………………………………………8

   2。4  过电流保护 …………………………………………………………13

   2.5  接地保护 ……………………………………………………………14

   2.6  其他保护 ……………………………………………………………16

第3章  母线保护 ……………………………………………………………19

   3。1  母线保护设计分析 …………………………………………………19

   3.2  220kV侧母线保护……………………………………………………20

   3。3  110kV侧母线保护……………………………………………………21

   3。4  10kV侧母线保护 ……………………………………………………23

   3。5  微机母线保护 ………………………………………………………23

第4章  线路保护 ……………………………………………………………25

   4。1  线路保护分析 ………………………………………………………25

   4.2  220kV线路保护………………………………………………………25

   4。3  110kV线路保护………………………………………………………28

   4。4  10kV线路保护 ………………………………………………………32

总 结 ……………………………………………………………………………37

参考文献…………………………………………………………………………38

致谢………………………………………………………………………………39

摘  要

本文的内容有设计说明书、主变压器的保护、母线保护及线路保护.设计说明书简要的说明设计的性质、内容等.主变压器的保护设计,其中主要对主变压器的主保护、后备保护及其它保护进行设计分析，并阐述其优缺点.设计中所使用的保护有：气体保护、纵差动保护、过电流保护、接地保护、过负荷保护、励磁保护、断路器失灵保护、微机保护等.

整定值的计算有110kV及10kV的短路电流计算。

【关键词】：变电站;主变压器保护;母线保护；线路保护

第一章  设计说明书

主变压器的保护设计,其中主要对主变压器的主保护、后备保护及其它保护进行设计分析，并阐述其优缺点.第二章为主变压器配置的保护有：气体保护、纵差动保护、过电流保护、接地保护、过负荷保护、励磁保护、断路器失灵保护、变压器温度保护、冷却故障保护等。第三章为母线保护,虽然母线处于变电站内，发生故障的几率相对于其他设备小，但母线发生故障时，接于母线上的所有元件都要断开,会造成大面积停电。此外枢纽变电所的高压母线故障，如果动作迟缓，将会导致电力系统的稳定性遭到破坏，从而使事故扩大，因此，为母线选择合适的保护方式是本部分的重点.为母线配置我保护有：220kV侧母线为元件固定连接的母线完全差动保护；110kV侧母线为完全电流差动保护、10kV侧母线为后备保护。为全部母线配备微机保护。第四部分为线路保护,电力线路如果继电保护配置不当，保护将不能正确动作，(误动或拒动）,从而会扩大事故停电范围，给国民经济带来严重后果，有时还会造成人身和设备安全事故，因此合理选择保护方式也是非常必要的。220kV线路为高频保护和电流平衡保护、110kV线路是以电流平衡保护为主，零序保护做后备的保护、10kV线路为接地零序电流保护。

第2章   主变压器保护设计

本设计主要针对变电站变压器保护配置进行设计分析，变压器是变电站重要设备之一。它的安全运行直接关系到变电站安全、稳定、经济运行，特别是枢纽变电站一旦因故障损坏或者导致线路停电，造成的损失将无法估计，因此必须针对变压器可能出现的故障和异常工作情况，根据其容量、数量和重要程度，装设相应动作可靠，性能良好的继电保护，防止故障的发生,其中主要对主变压器的主保护、后备保护及其它保护进行设计分析，并阐述其优缺点。

2。1 主变压器保护设计分析

一、主变压器保护设计目的

大型变压器的造价昂贵，一旦发生故障遭到损坏，其检修难度大，时间长，会造成巨大的经济损失，特别是单台容量占系统容量比例很大的情况下,发生故障后突然切除变压器，将给电力系统造成很大的扰动,因此,在考虑大型变压器继电保护的整体配置时，除了保证其安全运行外,还应最大限度地缩小故障影响范围，特别要防止保护装置误动作或拒绝动作，这样，不仅要求有性能良好的保护继电器，还要求在继电保护的整体配置上尽量完善、合理。

二、主变压器保护设计原则

变压器继电保护整体配置设计时，必须清楚其可能发生的故障及异常运行状态，针对其可能发生的故障及异常运行状态进行相应的保护配置:

（一)变压器可能发生的故障:

①油箱内部故障：绕组相间短路，接地短路匝间短路,及铁芯烧损.

②油箱外部故障:主要是套管及引出线上发生相间短路和接地短路

（二）变压器的不正常工作状态：

①由外部短路引起过电流

②由于电动机自启动及尖峰负荷等原因引起的过电流

③由于油箱漏油造成油面降低

④由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁

三、主变压器保护配置

变压器的保护可以分为短路保护和异常运行保护两类。短路保护用以反应被保护范围内发生的各种类型的短路故障,作用于断路器跳闸。为了防止保护装置或者断路器拒动，又有主保护和后备保护之分。异常运行保护用以反应各种可能给机组造成危害的异常工况，此保护作用于发信号,这类保护一般只装设一套专用继电器，不设后备保护。

根据《继电保护和安全自动装置技术规程》规定变压器一般应装设下列继电保护装置：

（一）反应变压器油箱内部故障和油面降低的气体保护（容量在800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器，均应装设气体保护)。

（二)反应变压器绕组、引出线的相间短路，中性点直接接地侧绕组、引出线和套管的接地短路,以及绕组匝间短路的电流速断保护或纵联差动保护。（容量在10000kVA及以上或6300kVA以上并列运行变压器应装设纵联差动保护,以代替电流速断保护)。

(三)反应外部相间短路的过电流保护、复合电压启动的过电流保护、负序电流保护和阻抗保护

（四）反应中性点接地的电力网中，外部单相接地短路的零序电流保护。

(五）变压器其他保护，如过负荷、过励磁、变压器高压侧断路器失灵保护、温度保护、冷却器故障保护等。

2.2变压器容量选择

一、主变压器容量选择原则

（一）主变压器容量一般按变电站建成后5～10年的规划负荷选择，并应考虑变压器正常工作和事故时过负荷能力。

（二)根据变电站所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。对于有重要负荷的变电站；应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内应保证对一、二级负荷的供电。

二、变压器容量选择整定计算

变压器保护装置应根据变压器容量、数量配置相应保护，由原始资料分析该变电站主变压器为两台三绕组降压变压器，主要向110kV线路负荷、10kV线路负荷、站用电负荷供电，据《220kV～500kv变电所所用电设计技术规程》规定，220kv所用电宜从主变压器低压侧分别引接两台容量相同，可互为备用，分列运行的所用工作变压器，只有一台主变压器时，其中一台所用变压器宜从所外电源引线，本设计中主变压器为两台三绕组降压变压器,变电所所用电宜从主变压器低压侧分别引入，因此所用电可当作10kV线路负荷来处理,110kV、10kV线路负荷情况如下表：

110kV线路最大无功功率：

其中，

由于110kV线路各负荷间同时系数为0.9， 110kV负荷的最大输出复功率：

10kV线路负荷最大有功功率：

10kV线路负荷最大无功功率

上叙10kV等效负荷间同时系数取为0.85，其中,，变电站旋转设备的功率因数取，非旋转设备功率因数取.

10kV负荷的最大输出复功率：

已知110kV、10kV线路负荷同时系数为0。9，主变压器总输出复功率：

主变压器的总最大视在功率：

根据规定，对装有两台主变压器的变电所应能在一台主变停运时，另一台容量在及过负荷力允许时间内，仍能够保证一类及二类负荷连续供电，变压器总容量一般有：

其中为变电所最大负荷，这样可以保证对70%负荷的供电,考虑到变压器40%的事故过负荷能力，则可以保证对98％负荷供电。

考虑将来的负荷可能会超出本来预算，为了有所发展的余地，选择的主变压器的容量为150MVA。

2.3变压器主保护

一、气体保护

(一)气体保护定义

油浸式变压器是利用变压器油作为绝缘盒冷却介质，当变压器内部发生短路故障时，故障点局部产生高温，使油温升高体积膨胀，甚至沸腾，油内溶解的空气就会被排出，变成气泡上升;故障点产生电弧,使变压器油及其他绝缘材料分解，产生气体（含气体成分）,从油箱向油枕流动,反应这种气流与油流动作得的保护称为气体保护。本次设计中每一台变压器额定容量为150MVA。根据规程规定须装设气体保护.

（二）气体保护原理

气体保护原理接线图2—1:

图2—1

气体保护的测量继电器为气体继电器，气体继电器安装在油箱与油枕之间的连接管道中，这样油箱内的气体都要通过瓦斯继电器，为了便于气体的排放，安装时需要有一定的倾斜度,变压器顶盖与水平间应有1%～1.5%的坡度，连接管道应有2％～4％的坡度.

气体继电器油三种形式，即浮筒式、挡板式即开口杯与挡板构成的复合式。运行经验表明，浮筒式气体继电器存在着一些严重的缺点,如防震性差，且浮筒的密封性能不良使浮筒失去浮力,使水银触点闭合造成误动作等。而用挡板代替下浮筒的挡板式气体继电器，仍保留上浮筒且克服了浮筒渗油的缺点,运行比较稳定，可靠性相对提高,但当变压器油面严重下降时，动作速度不快，因此目前通常采用开口杯与挡板构成的复合式气体继电器（）,该继电器用磁力干簧触点代替水银触点。

正常运行时，继电器内上开口杯内充满了油.在轴一侧的开口杯，同时受到杯内油的重力即油对开口杯浮力的作用.在轴另一侧的平衡锤，有重锤的重力及油对重锤的浮力。这些力平衡的结果，由于开口杯侧产生的力矩小于平衡锤的力矩,开口杯处于上升位置。和开口杯固定在一起的永久磁铁位于干簧接点的上方，干簧接点可靠断开。

变压器内部发生轻微故障时，产生的气体在继电器上部，迫使油面下降.开口杯在气体中的重量加上杯内油的重量所产生的力矩,超过平衡锤的力矩，使开口杯随着油面降低而下沉。当永久磁铁靠近干簧接点时，接点闭合，延时发出“轻瓦斯动作”信号。

变压器内部发生严重故障时,产生大量气体，强烈油流冲击挡板,当油流速度达到整定值时，挡板被冲击到一定位置，永久磁铁靠近干簧接点，接点闭合后发出重瓦斯跳闸脉冲，经信号继电器KS启动出口中间继电器KOM,跳开变压器两侧断路器.

变压器严重漏油使油面降低时，开口杯下沉到一定位置，干簧接点闭合，同样发出“轻瓦斯动作”信号。

气体保护动作后，观察分析从继电器上部排气口收集的气体,可判断故障的性质，气体保护能反应油箱内各种故障，且动作迅速，灵敏度高，特别对于变压器绕组的匝间短路（当短路匝数很少时)，灵敏度好于其他保护，所以气体保护是大、中、小型变压器必不可少的油箱内部故障最有效地主保护.但气体保护不能够反应油箱外的引出线和套管上的如何故障。因此不能够单独作为变压器的主保护，尚须与纵差动保护或电流速断保护配合使用。

二、纵 差 动 保 护

（一）纵差动保护定义

纵差动保护是用辅助导线（或称引导线）将被保护设备两侧的电量连接起来,比较被保护设备始端与末端电流的大小及相位，在设备两侧装设电流互感器，两侧电流互感器一次回路的正极性端均置于远离设备的一侧，二次回路用电缆同极性相连，差动继电器则并联在电流互感器二次侧的环路上，在正常运行情况下，引导线中形成环流，称为纵差动保护.

（二)纵差动保护原理

根据《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定,容量在10000kVA及以上或6300kVA以上并列运行变压器应装设纵联差动保护，以代替电流速断保护。本次设计中,两台压器额定容量150MVA并列运行,它用来反应变压器绕组、套管及引出线的各种故障，且与气体保护配合作为变压器的主保护，使保护的性能更加全面和完善。

三绕组变压器差动保护原理接线图如图2—2：

图2—2

由此可见，变压器差动保护是通过比较变压器各侧电流的大小和相位而构成的保护，各侧电流互感器所包围的区域为差动保护的保护范围，保护区内故障，继电器动作于跳闸；保护区外故障时，继电器不动作，因此，在满足选择性要求的同时，不需要于相邻元件的保护在整定值上相配合，从而构成不带延时的速动保护，用来反应变压器绕组、套管及引出线的各种故障.

（三）差动回路不平衡电流

变压器差动保护在正常运行和外部故障时，理想情况下流入差动继电器的电流为零，保护装置不动作,但实际上变压器差动保护与其他设备差动保护相比，在正常和外部短路时的故障行为有很大不同，因为变压器差动回路中不平衡电流大，形成不平衡电流的因素多，所以必须采取措施躲过不平衡电流或减小不平衡电流的影响，形成不平衡电流的因素及所采取的措施:

1。变压器励磁涌流形成不平衡电流

变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中由于变压器铁芯中的磁通急剧增大，是铁芯瞬间饱和，出现数值很大的励磁电流，此电流通过变压器的一次绕组，进入差动回路形成不平衡电流,如不采取措施纵差动保护将会误动作。励磁涌流的特点如下：

1其值在初始很大，可达额定电流的5～10倍。

2还有大量非周期分量和高次谐波分量，且随时间衰减.

3其波形有间断角.

根据励磁涌流的特点可采取如下措施减小不平衡电流的影响：

1利用延时动作或提高保护动作值来躲过励磁涌流。

2利用励磁涌流中的非周期分量，采取速饱和变流器的差动继电器构成差动。

3利用励磁涌流波形中的二次谐波分量，采用二次谐波制动的差动继电器.

4利用励磁涌流中波形间断的特点，采用具有鉴别间断角差动继电器构成差动保护或对称识别原理构成的差动保护

2。变压器各侧接线组别不同引起不平衡电流

由于变压器连接组别为，由于三角形侧的电流超前于星型侧同一电流如果各侧电流互感器都按通常接线接成星型，则使变压器各侧电流互感器二次电流的数值相等,在差动回路中会出现不平衡电流,如图2-3：

图2—3

为了消除不平衡电流,可采用相位补偿法，即将变压器星型侧的电流互感器的二次侧接成星型，从而将电流互感器二次侧的电流相位校正过来。

3电流互感器的实际变比与计算变比不等引起的不平衡电流

由于电流互感器都是标准化的定型产品，所以选择电流互感器的变比于计算变比往往不相等，因此，在差动回路中会引起不平衡电流.

这种不平衡电流的影响,可采用电流补偿法来消除,将电流互感器二次电流大的那一侧,经电流变换器TAA变换后，是TAA的输出与另一侧电流互感器电流大小相等，从而消除电流互感器的实际变比与计算变比不等引起的不平衡电流.如图2—4：

图2-4

4.各侧互感器型号不同,产生不平衡电流

此不平衡电流是由于两侧电流互感器的相对误差引起的，型号相同相对误差较小，型号不同相对误差较大，它们的特性差别较大，估引起较大的不平衡电流。此不平衡电流应在保护的整定计算中予以考虑，即适当增大保护的动作电流,其具体做法是在不平衡定电流计算中引入互感器同型系数，用以平衡由于各侧互感器型号不同，产生不平衡电流的影响。

⒌变压器调压分接头改变产生的不平衡电流

带负荷调节的变压器在运行中常常需要改变分接头来条电压,这样就改变了变压器变比，原已调整平衡的差动保护又会出现新的不平衡电流，一般再用提高差动保护动作电流的方法来解决。

由于各种因素的存在，三绕组变压器差动保护不平衡电流比较大，为减小外部短路不平衡电流影响,提高保护的灵敏度,一般采用带制动特性的差动继电器构成差动保护。

2。4 过电流保护

为了反映外部短路引起的变压器过电流和作为变压器主保护的后备保护，根据变压器容量的不同和系统短路电流的不同，须装设不同的过电流保护，三绕组在外部故障时应尽量减小停电范围，因此在外部发生短路时，要求仅断开故障侧的断路器,而使另外两侧继续运行。二内部发生故障时，过电流保护应起到后备作用。为此，三绕组变压器的过电流保护按如下原则配置，单侧电源的三绕组变压器，一般只装设两套过电流保护，一套装在负荷侧,如下图所示‖侧，起整定的动作时间t2应比其他两侧的时限都小,动作后断开QF2，另一套装于电源侧(侧）,他设有两个时限t3和t1，在时限配合上要求t2图2-5

2。5接 地 保 护

对中性点直接接地电网中的变压器。在其高压侧装设接地（零序）保护，用来反应接地故障，并作为变压器主保护的后备保护和相邻元件的接地故障的后备保护。

拟建变电所的主变压器接线组别为：YN0/yn0/d11的三绕组降压变压器两台。其主变压器220kV、110kV侧的中性点均采用经间隙接地和直接接地方式，实际运行只一台直接接地。必要时可以可相互切换为直接接地运行，因此，可以根据其接地方式来配置不同的保护。

变压器直接接地运行时,其接地保护可采用两段式零序电流保护。

变压器非直接接地运行，而是通过放电间隙接地时，不仅须装设两段式零序电流保护，还须装设零序电流保护零序电压保护.非直接接地运行变压器当发生单相接地故障（差动保护拒动），放电间隙放电，为了避免放电时间过长，还应装设专门反应间隙放电电流的零序电流保护，其任务是及时切除变压器，防止间隙长时间放电，造成中性点绝缘破坏。如果万一放电间隙拒动，变压器中性点出现工频过电压，为此还须设置零序电压保护，当放电间隙拒动时，由零序电压保护切除变压器。如图2—6：

图2—6

变压器中性点接地运行时，隔离开关QS合上,两段式零序电流保护投入工作。第段与相邻元件接地保护段配合，以t1（0.5s）延时断开高压侧分母联断路器，以延时断开变压器各侧断路器。第段与相邻元件接地保护后备段配合,以t3和t4的延时分别断开母联断路器和各侧断路器.

变压器中性点不接地运行时，隔离开关QS打开，当发生单相接地故障且失去中性点时，中性点不接地的变压器的中性点将出现工频过电压，放电间隙击穿，放电电流使零序电流元件启动，瞬时跳开变压器，见故障切除,当放电间隙拒动时，零序电压保护启动将变压器切除，其动作之应低于变压器中性点绝缘的耐压水平。

一、接地保护配置

（一）变压器直接接地运行时，其接地保护可采用两段式零序电流保护。

(二）变压器非直接接地运行，而是通过放电间隙接地时，不仅须装设两段式零序电流保护，还须装设零序电流保护零序电压保护。

非直接接地运行变压器当发生单相接地故障，放电间隙放电，为了避免放电时间过长，还应装设专门反应间隙放电电流的零序电流保护，其任务是及时切除变压器，防止间隙长时间放电，造成中性点绝缘破坏。如果万一放电间隙拒动，变压器中性点出现工频过电压，为此还须设置零序电压保护，当放电间隙拒动时,由零序电压保护切除变压器。

二、工作原理

变压器中性点接地运行时，隔离开关QS合上,两段式零序电流保护投入工作。如图2—7,第段与相邻元件接地保护段配合,以t1(0。5s)延时断开高压侧分母联断路器，以延时断开变压器各侧断路器。第段与相邻元件接地保护后备段配合，以t3和t4的延时分别断开母联断路器和各侧断路器。

图2-7

变压器中性点不接地运行时，隔离开关QS打开，当发生单相接地故障且失去中性点时，中性点不接地的变压器的中性点将出现工频过电压,放电间隙击穿，放电电流使零序电流元件启动，瞬时跳开变压器,见故障切除,当放电间隙拒动时，零序电压保护启动将变压器切除，其动作之应低于变压器中性点绝缘的耐压水平。

2。6其 他 保 护

一、过负荷保护

变压器过负荷通常只对称性过负荷,变压器的过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流，通常过负荷保护只用一个电流继电器，接于任一相电流之中（一般为B相电流),经过延时动作于信号.本次设计的变压器由高压侧向中、低压侧传送功率的降压变压器，至少要在高压侧和低压侧装设过负荷保护过负荷保护的动作电流按躲过变压器额定电流即

式中：为可靠系数，通常取1。05：为返回系数，通常取0.85.

微机保护中，过负荷保护保护通常设有3段，并且均取B相电流,一般用于发告警信号，段用于启动风扇冷却器，段用于闭锁有载调压。    

二、过励磁保护

变压器过电压时会使发生发生过励磁，使铁芯饱和，铁损增加，温度增加,造成绕组绝缘损坏、油质污染，同时变压器励磁电流激增，可以引起差动误动作.因此必须装设过励磁保护,通常装设反时限过励磁保护，过励磁倍数越大，允许的过励磁持续时间越短。

三、主变压器高压侧断路器失灵保护

电力系统中，有时会出现系统故障、继电保护动作而断路器拒绝动作的情况。这种情况下，可导致设备烧毁，扩大事故范围,甚至使系统得稳定运行遭到破坏。因此，对于较重要的设备，应装设断路器失灵保护。

断路器失灵保护有称后备接线，它是防止因断路器拒绝动而扩大事故的一项措施，断路器失灵保护的工作原理是，当线路、变压器或母线发生短路并伴随断路器失灵时。相应的继电保护动作,出口中间继电器发出断路器跳闸脉冲。由于短路故障未被切除，故障元件的继电器仍处于动作状态，此时利用装设在故障元件上的故障判别元件,来判别断路器仍处于合闸状态。如故障元件出口中间继电器触点和故障判别元件的触点同时闭合时，失灵保护被启动.在经过一个时限后失灵保护出口继电器动作,跳开与失灵的断路器相连的母线上的各个断路器，将故障切除。

保护由启动元件、时间元件、闭锁元件和出口回路组成,为了提高保护动作的可靠性，启动元件必须同时具备下列两个条件才能启动：

（1）故障元件的保护出口继电器动作后不返回

（2）在故障保护元件的保护范围内短路依然存在，即失灵判别元件启动。

为防止失灵保护误动作,在失灵保护接线中加设了闭锁元件，常用的闭锁元件由负序电压。零序电压和低电压继电器组成,通过“与”门构成断路器失灵保护的跳闸出口回路。

四、变压器温度保护

变压器运行中，总有部分损失（如铜损、铁损、介质损失等）时变压器各部分温度升高，绕组温度过高时会加速绝缘的老化，缩短使用寿命，绕组温度越高，持续时间越长，会造成绝缘老化的速度越快，使用期限越短.因此变压器必须冷却系统，保证在规定的环境温度下按额定容量运行时,使变压器温度不超过极限值.变压器温度保护在冷却系统发生个故障或其他原因引起变压器温度超过极限值时,发出告警信号（以便采取措施)，或者延时作用于跳闸.

五、冷却器故障保护

当冷却器引起变压器温度超过安全期限时,并不是立即将变压器退出运行，常常允许其运行一段时间，以便处理冷却器故障，这期间变压器可以降负荷运行，使变压器温度恢复到正常水平，若在规定时间内温度不能降至正常水平,才切除变压器,。

冷却器故障保护一般监测变压器绕组的负荷电流，并与温度保护配合使用,构成两段时限保护。

当变压器冷却发生故障时,温度升高，超过限值后温度保护首先动作,发出报警的同时开放冷却器故障保护出口。这时变压器电流若超过保护Ⅰ段整定值，先按继电器固有延时动作于减负荷，使变压器负荷降低，促使变压器温度下降，若温度保护返回，则变压器维持在较低负荷下运行,一减少停运机会;若温度保护仍不能返回，即说明减负荷无效，为保证变压器的安全,变压器冷却器故障保护将亿段延时t动作于解列或程序跳闸,延时时间t值的大小通常按失去冷却系统后，变压器允许运行时间整定.

第3章 母 线 保 护

母线是电能集中和分配的主要设备,是变电站重要设备之一，与其他设备一样，母线也会存在各种故障，当母线发生故障时，有可能造成大面积的停电事故,并可能破坏系统的稳定运行。母线的故障的原因有母线绝缘子和断路器套管的闪络,装于母线的电压互感器和装在母线和断路器之间的电流互感器故障，母线隔离开关和断路器的支持绝缘子损坏，运行人员的误操作等，虽然母线结构简单,且处于变电站内,发生故障的几率相对于其他设备小，但母线发生故障时，接于母线上的所有元件都要断开，会造成大面积停电。此外枢纽变电所的高压母线故障,如果动作迟缓，将会导致电力系统的稳定性遭到破坏，从而使事故扩大，因此，母线必须选择合适的保护方式。

3。1母线保护设计分析

一、母线保护设计原则 

母线保护的方式通常分为两种：一是利用供电元件的保护兼作母线故障的保护;二是采用专门的母线保护.

在不太重要的较低电压的厂、站中可以利用供电设备（发电机、变压器、线路）保护的第及第III段来反映并切除母线故障。在DL400《继电保护和安全自动装置技术规程》中,非专门的母线保护装设原则：对于发电厂和主要变电所的3～10KV分段母线及并列运行的双母线，一般可由发电机和变压器的后备保护实现母线的保护.

利用供电元件的后备保护来切除故障母线，简单、经济。但切除故障的时间长，此外当双母线同时运行或母线为分段单母线时，上述不能够保证只切除故障母线，因此,对于重要的母线根据“规程"要求装设专用的母线保护。

二、母线保护配置 

为了确定母线的保护，必须明确其母线运行方式。根据已知变电所的主接线运行方式为：220kV侧采用双母线接线方式；110kV侧采用双母线接线方式；10kV侧采用单母线分段接线方式。为了提高供电的可靠性，常采用双母线运行（将母联断路器投入），在每组母线上固定连接（约1/2）供电和受电元件。因此220kV侧采用双母线同时投入运行方式（将母联断路器投入），而110kV侧采用一组母线投入运行方式，10kV侧采用单母线运行方式.

为满足快速性和选择性的要求，母线保护广泛采用差动保护原理构成。

3.2  220kV侧母线保护

通过分析，220kV侧采用双母线同时投入运行方式（将母联断路器投入），对于这种运行方式，为了有选择地将故障母线切除,可采用元件固定连接的母线完全差动保护.这时，当如何一组母线发生故障时，保护装置只将故障母线切除，而另一组非故障母线及其连接的所有元件可继续运行。

一、元件固定连接的双母线电流差动保护

元件固定连接的双母线电流差动保护单相原理接线如图下,保护装置的主要部分由三组差动继电器组成。第一组由电流互感器TA1、TA2、TA5和差动继电器KD1组成，用以选择第组母线上的故障;第二组由电流互感器TA3、TA4、TA6和差动继电器KD2组成，用以选择第组母线上的故障；第三组由电流互感器TA1~TA6和差动继电器KD3组成，它作为整套保护的启动元件，当任一组母线短路时，KD3都启动，给KD1、KD2加上直流电流，并跳开母联断路器QF5。

保护的动作情况分析如图3—1:

图3-1

（1）正常运行及元件固定连接方式下外部短路故障时各差动继电器KD1～KD3仅流过不平衡电流,其值小于整定值，保护不动作.

（2）元件固定连接方式下任一组母线短路时（如母线）差动保护继电器KD1～KD3流过全部的短路电流而动作，跳开母线断路器QF5和母线上所有连接元件的断路器QF1、QF2，从而将母线切除。此时,由于差动继电器KD2不动作,无故障的母线可继续运行。

（3）元件固定连接方式破坏后（如将母线上的L2切换到母线），区外短路时启动元件KD3中流过不平衡电流，故不动作,整套保护不会误动，当内部短路时,KD1、KD2、KD3、都通过短路电流，因而他们启动跳开断路器，无选择性地将两组母线全部切除。

从上面分析可知，元件固定连接的双母线电流差动保护能快速而有选择地切除故障母线，保证非故障母线继续供电,但在固定方式破坏后不能选择故障母线，了系统运行调度灵活性,这是该接线的不足之处。但对于进线较少的母线保护还是比较优越的。

3。3  110kV侧母线保护

通过分析，110kV侧采用双母线接线，单母线投入运行方式（母联断路器不投入）,对于这种运行方式，双母线经常只有一组母线投入运行，可母线完全差动保护。

一、完全电流差动保护

单母线的完全电流差动保护的原理接线如图3-2，在母线的所有连接元件上装设变比相等的电流互感器,按环流发接线。从结构上看，母线实际上就是电路的一个节点在正常运行或母线范围以外故障时，母线上所有连接元件注入母线的电流向量和等于零，流入差动继电器的电流为各电流互感器特性不同产生的不平衡电流,即

图3—2

在母线故障时,所有连接的元件都向故障点提供电路电流，而供电给负荷的连接元件中电流等于零，则流入差动继电器的电流为

式中：为流入短路点k的总电流；为电流互感器的变比.

差动保护动作后，将故障母线的所有连接元件断开，切除故障。

二、完全电流差动保护整定计算

差动继电器的动作电流按以下原则整定：

(1)躲过外部故障时流入差动回路的最大不平衡电流，即

式中，－可靠系数，取1。3。

（2）由于母线差动保护电流回路中连接元件较多,接线复杂，因此，电流互感器二次回路断线的几率比较大，为了防止在正常运行情况下，任一电流互感器二次回路断线时引起保护误动作，启动电流应大于任一连接元件中最大的负荷电流,即

灵敏度按下式计算

式中－母线短路时最小短路电流。

3.4  10kV侧母线保护

通过分析，10kV侧采用单母线运行方式对于这种运行方式,根据DL400《继电保护和安全自动装置技术规程》中，非专门的母线保护装设原则：对于发电厂和主要变电所的3~10kV分段母线及并列运行的双母线，一般可由变压器的后备保护实现母线的保护.

对重要3~10kV分段母线，宜采用后备保护，保护仅接入有电源支路的电流。保护由两段组成：其第一段采用无时限或带时限的电流速断保护，当灵敏系数不符合要求时，可采用电流闭锁电压速断保护；第二段采用过电流保护，当灵敏系数不符合要求时，可将一部分负荷较大的配电线路接入差动回路，以降低保护的起动电流。

3。5  微机母线保护

拟建变电所的主接线运行方式为：220KV侧采用双母线接线方式； 110KV侧采用双母线接线方式；10KV侧采用单母线分段接线方式.

RCS—915AB 型微机母线保护装置，适用于各种电压等级的单母线、单母分段、双母线等各种主接线方式，母线上允许所接的线路与元件数最多为21 个（包括母联）,并可满足有母联兼旁路运行方式主接线系统的要求.

  结合要设计的变电所的主接线运行方式和RCS-915AB 型微机母线保护装置的适用范围，该变电所的母线保护采用RCS-915AB 型微机母线保护装置.

一、RCS-915AB 型微机母线保护装置简介

保护配置：RCS—915AB 型微机母线保护装置设有母线差动保护、母联充电保护、母联死区保护、

母联失灵保护、母联过流保护、母联非全相保护以及断路器失灵保护等功能.

二、性能特征

1.允许TA 变比不同，TA 调整系数可以整定

2.高灵敏比率差动保护

3.新型的自适应阻抗加权抗TA 饱和判据

4。完善的事件报文处理

5。友好的全中文人机界面

6.灵活的后台通讯方式，配有RS-485 和光纤通讯接口（可选)

7。支持电力行业标准DL/T667—1999（IEC60870-5—103 标准）的通讯规约

8.与COMTRADE 兼容的故障录波

第4章  线 路 保 护

电力线路承担着电能输送、分配作用，其安全稳定运行影响整个变电站,必须对输配电线路配置完善的继电保护，如果继电保护配置不当，保护将不能正确动作,（误动或拒动)，从而会扩大事故停电范围，给国民经济带来严重后果,有时还会造成人身和设备安全事故，因此合理选择保护方式，对保证变电站的安全运行有非常重要的意义。

4.1线 路 保 护 分 析

一、线路保护原则

输配电线路的继电保护的配置要根据其接地形式、电压等级、线路长度、运行方式、以及负荷性质、可能的故障形式等要求来确定。

选择输电线路的保护方式及设计保护装置,必须根据线路的电气特征进行。比如中性点直接接地的高压网最显著的特点是单相接地时较大的零序电流，因此要求快速切除故障，以减少对设备及通信线路的影响，又比如，由于短路、操作或负载突变，可能引起系统震荡，产生电气量的对称脉动变化，因此要求装设振荡闭锁装置，以区别短路和单纯的振荡,或者使保护装置不反应或躲过振荡的影响等问题，但在10~35kV中性点非直接接地电网中则不必考虑。在110～220kV中性点直接接地电网输电线路中，应针对接地故障和相间短路装设相应的保护装置。

二、线路保护整定计算

不同线路所配置的保护装置不同,由于保护配置不同，整定计算各部一样,设计中取110kV的一条线路距离保护与10kV的一条线路电流保护为例进行计算。

4.2 220kV线 路 保 护

由于220kV输电线路，其电压等级高,短路电流非常大，为保证系统的稳定性，要求瞬时切除被保护线路每一点的故障,其线路又长，因此通常采用高频保护作为相间短路和接地短路的主保护,而以距离保护作为后备保护。对于平行线路，通常采用电流平衡保护作为，其灵敏度比横差动保护高,而以距离保护(带延时）作为后备保护。

(一）高频保护

线路纵联差动保护能瞬时切除被保护线路全长任一点的短路故障，但是由于它不需敷设与线路相同长度的辅助导线，一般只能用在短线上。为快速切除高压输电先例上任一点的短路故障，将线路两端的电气量转化为高频信号，让后利用高频通道，将此信号送至对端进行比较,决定保护是否动作,这种保护称为高频保护。因为它不反应被保护输电线路范围以为的故障，在定值选择上也无需与下一条线路相配合，故可不带延时。

目前广泛采用的高频保护有：高频闭锁方向保护，高频闭锁距离保护，高频闭锁零序电流保护及电流相位差动高频保护。高频闭锁方向保护是比较被保护线路两端的短路功率方向。高频闭锁距离及高频闭锁零序电流保护分别是由距离保护，零序电流保护与高频收发信机结合而构成的保护，也是属于比较方向的高频保护.电流相位差动高频保护是比较被保护线路两端工频电流相位，简称为相差高频保护。

阶段式电流与系统运行方式有很大关系，系统运行方式的变化越来越大，电流保护无法满足灵敏度的要求。距离保护受系统运行方式的影响小,因此在高压，超高压电网中广泛采用距离保护.

图4—1

以图4-1为例分析距离保护的基本原理。设在图的Ⅰ好断路器上装有距离保护，正常运行的保护安装处的测量阻抗值Zm为

Zm=Um/Im=Z1Lk+Zld

式中 Um-———-测量电压

     Im—--—-——测量电流

     Z1--—-——-单位长度的阻抗值

     L-——-——--—线路长度

     Zld———-——负荷阻抗

Zm=Um/Im=Z1Lk

式中Lk —---—--故障点到保护安装处的距离

   比较两式可知，故障时的测量阻抗明显变小，且故障时Zm大小与故障点到保护安装处间的距离Lk成正比，即只要测出故障点到保护安装处阻抗的大小也就等于测出了故障点到保护安装处的距离，所以，距离保护实质上是反应阻抗降低而动作的阻抗保护。

（二）电流平衡保护

横差保护作为在电源侧时灵敏度往往不能满足要求；电流测量元件反应的是两线路电流的差值(及不平衡电流）。根据这一特点可采用电流平衡.电流平衡保护是平行线路横联方向差动保护的另一种形式,它的工作原理是比较平衡两回路中电流幅值的大小.电流平衡保护的基本工作原理：

图4-2

原理如图4—2，图中KAB是一个双动作的点平衡继电器,当平行线路正常运行或外部故障时，通过KAB两线圈N1，N2的电流幅值相等，“天平“ 处在平衡状态，保护不动作。当线路L1故障时（如K1点故障），这I1＞I2,KAB的右侧触点闭合，跳开QF1切除L1的故障，保护不动作。当线路L2故障时，KAB的左侧触点闭合跳开QF2切除L2的故障。

4。3 110kV线 路 保 护

由于110kV线路,其电压较高，供电距离又长，短路电流较大，为保证供电可靠，性,因此通常以距离保护作为主保护，而以零序电流保护（带延时）作为后备保护。对于双回路供电方式，通常采用电流平衡保护作为主保护,以零序电流保护(带延时）作为后备保护。

距离保护整定计算

（一）导线的选择

架空线路通常选择LGJ型导线，最小截面积通常按下面条件即可

（1） 按机械强度的要求导线最小允许截面

架空线路架设在大气中,导线要经常受各种外界不利条件的影响,要求导线必须具备足够的机械强度，为此，对于跨越铁塔、通航河流、公路、通信线路以及居民区的线路，规定其截面积不得小于35mm²

(2） 按发热条件的要求导线最小允许的截面积

110kV炼油厂回路，最大负荷为36MW,，单侧电源两条回路，线路（架空）均为30KM。线路需输送电流

  由有关资料查得，LGJ—50导线在平均环境温度为25°C时的长期允许电流为220(A）;而LGJ-70导线在平均环境温度为25°C时的长期允许电流为275（A）。由于该地区的年最高气温为40；年最低气温为—2°C；年平均气温为所以导线安全电流数值还得乘以一个电流修正系数1.05，LGJ—50允许电流为231A;而LGJ-70导线在平均环境温度为25°C时的长期允许电流为2A。因此可以选择LGJ-50导线。

（3) 根据经济电流密度要求导线最小允许的截面积

为了保证供电可靠性，在一条线路停电时另一条线路要能够保证其正常运行，因此,每一条线路必须按最大负荷选择导线。线路需输送电流209.95A，导线的经济截面，根据资料对于钢芯铝线年最大利用小时数在5000以上经济电流密度J值为0.9，因此导线的经济截面

因此必须选择LGJ-240导线才能够满足要求.

LGJ-240的单位电阻0。132、架空线路电抗通常取为0.4/km

阻抗为

（二）相间距离保护第段整定计算

(1）  动作阻抗 。相间距离保护第Ⅰ段的整定值主要是要躲过本线路的末端相间故障，第Ⅰ段的整定值为：

式中：——线路相间距离保护第Ⅰ段的整定值；

      ——相间距离保护第Ⅰ段的可靠系数，取0。85；

      —-被保护线路AB的正序阻抗.

   (2）相间距离保护第Ⅰ段的动作时间为:

(3）相间距离保护第Ⅰ段的灵敏度用范围表示，即为被保护线路全长的80％∽85%        (三) 相间距离保护段整定计算

（1）  与相邻变压器纵差保护配合

                        （6-3）

式中，      =0.7

 —相邻变压器的正序阻抗；

-相邻变压器另侧母线，如D母线短路时流过变压器的短路电流与被保护线电流之比的最小值。

取所有与相邻元件相间短路保护配合计算值中的最小值为整定值。

（2）  相间距离保护第Ⅱ段的动作时间为：

           =0。5s

(3）  相间距离保护第Ⅱ段的灵敏度校验：

                         （6—4)

（4）  当不满足灵敏度要求时可与相邻线相间距离保护第Ⅱ段配合。这时有：        

                (6-5）

式中,  =0。8∽0。85 

        —相邻线路相间距离保护第Ⅱ段的整定值。

这时，相间距离保护第Ⅱ的动作时间为：

         =+△t

式中， -相邻线路相间距离保护第Ⅱ段的动作时间.

（四） 相间距离保护段整定计算

(1） 动作阻抗。阻抗继电器采用0°接线方式 ，躲过被保护线路的最小负荷阻抗采用方向阻抗继电器

式中,  —— 相间距离保护第Ⅲ段可靠系数，取1.2

   — 返回系数，取1.15；

   —电网的额定相电压110/;

-最大负荷电流;0。20995A

   。

—负荷阻抗角，约260。

  （2） 相间距离保护第Ⅲ段动作时间为:

        △t

  （3） 相间距离保护第Ⅲ段灵敏度校验：

        当作近后备时

        当作远后备时

式中,-—分支系数最大值.

距离保护的原理与220kV中距离保护一样。电流保护通常采用两段式电流保护，即限时速断保护、定时限过电流保护，由于要求限时速断保护必须保护本线路的全长，因此它的保护范围就必须要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路时,它就要启动，在这种情况下，为了保证动作的选择性,就必须使保护的动作带有一定的时限,此时限的大小与其延伸的范围有关.为了使这一时限尽量缩短，照例都是首先考虑使它的保护范围不超出下一条线路的速断保护的范围，而动作时限则比下一条线路的速断保护高出一个时间阶段,此时间阶段以表示。

定时限过电流保护,过电流保护通常是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来进行整定的一种保护装置。它在正常运行时不应该启动，而在电网发生故障时，则能反应于电流的增大而动作,在一般情况下，它不仅能够保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用.

为了保证在正常运行情况下过电流保护绝不动作，显然保护装置的启动电流必须整定得大于该线路上可能出现的最大负荷电流。然而,在实际上确定保护装置的启动电流时，还必须考虑在外部故障切除后,保护装置是否能够返回的问题.如图4-3所示的的网络接线中，

图4—3

当点短路时，短路电流将通过保护5、4、3而流向短路点,这些保护都要启动，但是按照选择性的要求应由保护3动作切除故障，然后保护4和5由于电流已经减小而立即返回原位。

4.4 10kV线 路 保 护

10kV系统为中性点非直接接地系统时，当发生三相短路、相间短路时由于短路电流大,保护必须动作跳开相应的断路器。发生单相接地故障时:接地相得电压为零,中性点点位上升为相电势，非接地相得电压上升为相电压，系统的线电压仍然保持对称，没有短路电流,系统可带接地点继续运行,当发生单相接地故障时保护只需发信号。

相间短路保护一般采用瞬时电流速断（Ⅰ段)、定时限过电流（III段）及三相一次重合闸构成。特殊线路结构或特殊负荷线路保护,不能满足要求时，可考虑增加其它保护，如保护Ⅱ段、电流电压速断、电压闭锁过电流、电压闭锁方向过电流等.现针对一般保护配置进行分析.

当发生系统单相接地时，接地故障相对地电压为零，该相电容电流也为零，由于三相对地电压以及电容电流的对称性遭到破坏，因将出现零序电压和零序电流。如图4-4所示，

图4—4

L3线路上发生A相接地时，从图中的分析可得出如下的结论：

⑴接地相对地电压降为零，其他两相对地电压升高为线电压，中性点发生位移,中性点电压等于正常运行时的相电压，整个系统出现了零序电压，其大小等于正常运行时的相电压。

⑵接地相电容电流为零，其他两相电容电流随该两相对地电压升高而增大到正常值的倍,因而线路上产生零序电流。非故障线路的零序电流为本线路两非故障相的电容电流的相量和，其相位超前零序电压90°,方向由母线流向线路；故障线路始端的零序电流等于系统全部非故障线路对地电容电流之和,其相位滞后零序电压，其方向为由线路流向母线。

根据以上的特点，对要求设计的10kV线路可选择接地零序电流保护。

零序电流保护.当发生单相接地时，故障线路的零序电流是所有非故障元件的零序电流之和，当出线较多时，故障线路零序电流比非故障线路零序电流大，利用这个特点可以构成有选择性的零序电流保护。

保护装置通过零序电流互感器取得零序电流，电流继电器用来反映零序电流的大小并动作于信号。采用零序电流继电器不平衡电流大小，电流继电器的整定值可以不考虑此不平衡电流的影响，从而提高保护的灵敏系数。

发生单相接地时，故障线路的零序电流大,保护动作发信号;非故障线路的零序电流较小,保护不动作。因此,零序电流保护是有选择性的。

10 kV线路一般为多级保护的最末级，或最末级用户变电站保护的上一级保护。所以,在整定计算中,定值计算偏重灵敏性，对有用户变电站的线路，选择性靠重合闸来纠正。分为两种类型进行整定计算。

放射状类型:按躲过本线路末端（主要考虑主干线)最大三相短路电流整定。时限整定为0 s（保护装置只有固有动作时间无人为延时）。  

专线类型：按躲过线路上配电变压器低压侧出口最大三相短路电流整定。时限整定为0 s（保护装置只有固有动作时间无人为延时）。

10kV侧水厂线路短路电流的计算

选线：

  架空送电线路的导线截面，通常按经济电流密度选择。

  按经济条件选择导线截面，应权衡两个方面。为降低线路的电能损耗，导线截面越大越有利。为节省投资及有色金属消耗量,导线截面越小越有利。综合考虑这些因素定出符合有关规定的导线截面,称为经济截面。对应于经济截面的电流密度称为经济电流密度。

  经济电流密度与导线的投资、年运费、计算电价、还本年限、投资等诸因素有关,经济电流密度由国家制定。

在此，由于水厂是由变电站的2回路供电，且水厂的负荷是6WM，所以，每条线路上所带的负荷为3WM。

现在已知功率因素，电压等级为10kV的线路，所以可以得到线路需送出的电流：A。

然后估算其年最大负荷利用小时数，当 时,钢芯铝绞线的经济电流密度。

计算导线的经济界面：。

故可以选择LGJ-240型的钢芯铝绞线.综上，根据以上三个条件必须选择LGJ—240导线才能够满足要求。LGJ-240的单位电阻0.132、架空线路电抗通常取为0。4/km，单位阻抗为

（一)瞬时电流速断保护

（1） 动作电流,该保护为瞬时段，按躲本线路末端最大故障电流整定

动作电流整定值

式中

—-动作电流整定值

—-可靠系数，采用电磁型电流继电器取1。2；

——线路末端发生故障时最大短路电流。

(2） 第Ⅰ段的动作时间为：

　(四)定时限过电流保护

 （1) 按躲过单回线最大负荷电流整定

式中：Ｋrel　——可靠系数，取1。2；

　　　Ｋre　-—返回系数，取0。85；

Ｋast-—电动机自启动系数取2.2；

IL.max —-回线最大负荷电流        

（2）定时限过电流保护动作时间为：

        △t

           =1。5s

总 结

本设计方案是根据有关的运行及整定条例进行的，力求达到继电保护装置的可靠性、选择性、速动性、灵敏性等“四性”的要求,确保技术指标。既要注意经济性，同时也要考虑到电网的发展.

众所周知，继电保护的整定计算对系统的安全稳定运行和对重要用户的可靠连续供电等方面有着重要的作用和意义.对于保护工作者来说，更需要把理论与实际结合起来，不仅要考虑到整个装置的经济性，更要考虑到对于系统的稳定性和可靠性.

通过这次设计，我感到收获很大，尤其是在计算过程中,短路电流的计算等,都给继电保护的结果计算产生很大的影响。这需要我把学到的专业知识融会贯穿起来，同时，又要考虑到实际可能的运行方式相结合起来进行计算设计.由于水平有限，本设计中难免还存在不足的地方，敬请各位老师给予指导并请批评指正。

参考文献 

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