继电器二次回路设计

随着我国建设的蓬勃发展，供电领域涌进了许多新技术、新设备，国家也相应制定了一系列的技术和设计规范。变电所技术经过十多年的发展，已逐步趋向自动化、数字化、智能化。

本设计主要研究二次部分，包括对运行方式的分析，对电流互感器、电压互感器额定电压的选取方式进行了介绍。另外还有短路计算和电力变压器保护的整定计算，在完成理论的同时，增加了几幅等值图，以便更好的理解和计算。

关键词： 运行方式 短路计算  整定计算

第一章   互感器额定电压的选取方式

选择电流和电压互感器应满足继电保护自动装置和测量仪表的要求

（一）电流互感器：

      1.电流互感器的二次额定电流有1A和5A两种，强电系统用5A；

      2.当电流互感器用于测量时，其一次额定电流尽量选择得比回路中正常工作电流大1/3左右；

      3.35kv及以上配电装置一般采用油侵瓷箱式绝缘结构的式电流互感器，常用LCC7系列；

      4.电力变压器中性点电流互感器的一次额定电流应大于变压器允许的不平衡电流的选择，一般情况下，可按照变压器额定电流的1/3进行选择；

      5.关于准确度

        用于电度计量的电流互感器，准确度不应低于0.5级，用于电流电压测量的准确度不应低于1级，非重要回路可使用3级；

        用于继电保护的电流互感器，应用D或B级；

（二）电压互感器

      1.35kv—110kv配电装置一般采用油浸绝缘结构电磁式电压互感器；

      2.电压互感器的额定电压按如下选取：

        (1) 单相：a当接于一次线电压上时，一次电压为系统额定电压Vx，二次电压为100v；

                  b 当接于一次相电压上时，一次电压为Vx/，二次电压为  100/V。

        (2)三相：一次电压为系统额定电压Vx，二次电压为100V，第三绕组电压为 100V/3V。

     3.关于准确度：

      用于电度计量，准确度不应低于0.5级；用于电压测量不应低于1级；用于继电保护时不应低于3级。

（三）本系统中100KV线路的所有电压互感器均采用同一变比

      单相：均接于一次线电压上：变比　nY＝110×103/100=1100

      三相：其变比为110000/100/100/3

第二章  继电保护的整定原则

2.1  系统运行方式确定原则

计算短路电流时，运行方式的确定非常重要，因为它关系到所选的保护是否经济合理、简单可靠，以及是否能满足灵敏度要求等一系列问题。

保护的运行方式是以通过保护装置的短路电流的大小来区分的。

1根据系统最大负荷的需要，电力系统中的发电设备都投入运行（或大部分投入运行）以及选定的接地中性点全部接地的系统运行方式称为最大运行方式。对继电保护来说，是短路时通过保护的短路电流最大的运行方式。

2根据系统最小负荷，投入与之相适应的发电设备且系统中性点只有少部分接地的运行方式称为最小运行方式。对继电保护来说，是短路时通过保护的短路电流最小的运行方式。

对过量保护来说，通常都是根据系统最大运行方式来确定保护的整定值，以保证选择性，因为只要在最大运行方式下能保证选择性，在其他运行方式下也一定能保证选择性；灵敏度的校验应根据最小运行方式来进行，因为只要在最小运行方式下，灵敏度符合要求，在其他运行方式下，灵敏度也一定,灵敏度也一定能满足要求。

对某些保护（例如电流电压连锁速断保护和电流速断保护），在整定计算时，还要按正常运行方式来决定动作值或计算灵敏度。根据系统正常负荷的需要，投入与之相适应数量的发电机、变压器和线路的运行方式称为正常运行方式。

确定最大运行方式和最小运行方式的结果为表

表2-2 最大运行方式和最小运行方式统计表[3]

距离保护的基本概念

    对一个被保护元件，在其一端装设的保护，如能测量出故障点至保护安装处的距离并于保护范围对应的距离比较，即可判断出故障点位置从而决定其行为。这种方式显然不受运行方式和接线的影响，这样构成的保护就是距离保护。显然，它是适应新的情况的保护。

距离保护的基本特性和特点

 距离保护的基本构成

距离保护是以反映从故障点到保护安装处之间阻抗大小（距离大小）的阻抗继电器为主要元件（测量元件），动作时间具有阶梯性的相间保护装置。

距离保护的应用

距离保护可以应用在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择性的、较快的切除相间故障。在电网结构复杂，运行方式多变，采用一般的电流、电压保护不能满足运行要求时，则应考虑采用距离保护装置。

距离保护各段动作特性

距离保护一般装设三段，必要时也可采用四段。其中第一段可以保护全线路的80%~85%，其动作时间一般不大于0.03~0.1s（保护装置的固有动作时间），前者为晶体管保护的动作时间，后者为机电型保护的动作时间。第二段按阶梯性与相邻保护相配合，动作时间一般为0.5~1.5s，通常能够灵敏而较快速地切除全线路范围内的故障。由一、二段构成线路的主要保护。第三（四）段，其动作时间一般在2s以上，作为后备保护段。 

距离保护装置特点[6]

a.由于距离保护主要反映阻抗值，一般说其灵敏度较高，受电力系统运行方式变化的影响较小，运行中躲开负荷电流的能力强。

b.由于保护性能受电力系统运行方式的影响较小，因而装置运行灵活、动作可靠、性能稳定。特别是在保护定值整定计算和各级保护段相互配合上较为简单灵活，是保护电力系统相间故障的主要阶段式保护装置。

c.110~220kV线路继电保护的配置原则

在110~220kV中性点直接接地电网中，线路的相间短路保护及单相接地保护均应动作于断路器跳闸。在下列情况下，应装设全线任何部分短路时均能速动的保护：根据系统稳定要求有必要时；

线路发生三相短路，使厂用电或重要用户母线电压低于60%额定电压，且其保护不能无时限和有选择地切除短路时；

如某些线路采用全线速动保护能显著简化电力系统保护，并提高保护的选择性、灵敏性和速动性。

2.3 相间距离保护装置整定值配合的原则

保护定值配合的基本原则

距离保护定值配合的基本原则如下[7]：

a.距离保护装置具有阶梯式特性时，其相邻上、下级保护段之间应该逐级配合，即两配合段之间应在动作时间及保护范围上互相配合，距离保护也应与上、下相邻的其他保护装置在动作时间及保护范围上相配合。

b.在某些特殊情况下，为了提高保护某段的灵敏度，或为了加速某段保护切除故障的时间，采用所谓“非选择性动作，再由重合闸加以纠正”的措施。

c.采用重合闸后加速方式，达到保护配合的目的。采用重合闸后加速方式，除了加速故障切除，以减小对电力设备的破坏程度外，还可借以保证保护动作的选择性。

距离保护定值计算中所用助增系数（或分支系数）的选择及计算[8]

助增系数（或分支系数）的正确计算，直接影响到距离保护定植及保护范围的大小，也就影响了保护各段的相互配合及灵敏度。正确选择与计算助增系数，是距离保护计算配合的重要工作内容之一。

a.对于辐射状结构电网的线路保护配合时

这种系统，其助增系数与故障点之位置无关。计算时故障点可取在线路的末端，主电源侧采取大运行方式，分支电源采用小运行方式。

b.环形电力网中线路保护间助增系数的计算

这种电力网中的助增系数随故障点位置的不同而变化。在计算时，应采用开环运行的方式，以求出最小助增系数。

c.单回辐射线路与环网内线路保护相配合时应按环网闭环运行方式下，在线路末端故障时计算。

d.环网与环网外辐射线路保护间相配合时应按环网开环计算。

应该指出，上述原则无论对于辐射状电网内，还是环形电网内的双回线与单回线间的助增系数的计算都是适用的。

2.4 距离保护装置阻抗继电器的接线方式和整定阻抗

阻抗继电器的接线方式

     阻抗继电器的电流及电压回路的介入，有各种不同的接线方式，譬如：有接入相电压和相电流的；有接入相间电压和相电流之差的；有接入相间电压和相电流的等等。对于不同的接线方式，在各种类型的短路故障情况下，所测得的阻抗值是不同的。

阻抗继电器的整定阻抗

     在进行距离保护装置的定值计算时，首先按照计算原则及要求，算出各保护段的一次整定阻抗值。计算的结果用线路的一次正序相阻抗表示。这样就可给出距离保护定值配置图，根据实际情况可以按以下这种方式给出调试用定值。

   方式为：根据所计算出的距离保护各段的一次定值，直接给出距离保护各段的“整定阻抗”。该定值为当线路三相短路时，从保护区末端至保护安装处每相线路正序阻抗的一次欧姆值。至于考虑由该一次“整定阻抗”换算至电流互感器及电压互感器二次侧的“整定阻抗”以及继电器接线系数等因素影响时的计算工作，均由实验部门根据实际情况确定。

2.5  相间距离保护的整定计算

号断路器相间距离保护的整定计算

相间距离保护第Ⅰ段的整定[9]

相间距离保护第Ⅰ段的整定值：

= 0.85×（6.28+j32）=0.85×32.610∠78.9°

= 5.34+j27.20=27.719∠78.9°（Ω）

相间距离保护第Ⅰ段的灵敏度用保护范围表示，即为被保护线路全长的85%。

相间距离保护第Ⅰ段的动作时间：

                       （S）       

相间距离保护Ⅱ段的整定

与相邻线路BC的6QF的相间距离保护第Ⅰ段相配合

       = 0.85×(1.086+j7.36) = 0.85×7.578∠76.2°

=1.535+j6.256 （Ω）

       = 1.699                      

=0.85×（6.28+j32）+0.8×1.699×（1.535+j6.256）

            =7.426+j35.703=36.467∠78.3°（Ω）  

相间距离保护第Ⅱ段的灵敏度校验：

       ==1.12＜1.5  

不满足灵敏度的要求。

   故可按躲过相邻线路BC的6QF的相间距离保护第Ⅱ段相配合：

=0.85×（1.806+j7.36）+0.8×1.156×0.85×（3.925+j20）

            =4.009+j21.978=22.341∠79.7°（Ω）

            =0.85×（6.28+j32）+0.8×1.699×（4.009+j21.978）

=10.787+j57.073=58.083∠79.3°（Ω）

相间距离保护第Ⅱ段的灵敏度校验：

==1.78＞1.5   

满足灵敏度的要求。

相间距离保护第Ⅱ段的动作时间为：

        =0.5（S）  

相间距离保护Ⅲ段的整定

躲过被保护线路的最小负荷阻抗：

     最小负荷阻抗计算： 

     当采用方向阻抗元件时，整定阻抗为：

式中：    —— 可靠系数，取1.3

              ——  返回系数，取1.1

              —— 负荷自启动系数，取1.3

              —— 最大灵敏角，取

                ——线路负荷阻抗角，取

与相邻线路BC的6QF的相间距离保护第Ⅱ段相配合：

=0.85×32.610∠78.9°+0.8×1.699×29.982∠78.9°

            =68.470∠78.9°（Ω）(4-12)

        取其中最小者： =68.470∠78.9°（Ω）(4-13)

相间距离保护第Ⅲ段灵敏度校验：

        当作近后备时

==2.10＞1.5             

满足灵敏度的要求。

当作远后备时

=2.176

          ==1.40＞1.2(4-14)

满足灵敏度要求。

相间距离保护第Ⅲ段动作时间为：

3（S） 

第三章  继电保护方式选择与整定计算

3.1  电力网零序继电保护方式选择

零序电流保护的特点

中性点直接接地系统中发生接地短路，将产生很大的零序电流分量，利用零序电流分量构成保护，可做为一种主要的接地短路保护。因为它不反映三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。另一方面，零序电流保护仍有电流保护的某些弱点，即它受电力系统运行方式变化的影响较大，灵敏度将因此降低；特别是在短距离的线路上以及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。

110～220kV中性点直接接地电网中线路零序继电保护的配置原则

对于单回线路接地短路，可装设带方向性或不带方向性的多段式零序电流保护，在终端线路，保护段数可适当减少。对环网或电网中某些短线路，宜采用多段式接地距离保护，有利于提高保护的选择性及缩短切除故障时间。

接地短路计算的运行方式选择

计算零序电流大小和分布的运行方式选择，是零序电流保护整定计算的第一步。选择运行方式就是考虑零序电流保护所能适应的发电机、变压器以及线路变化大小的问题。总的原则是，不论发电厂或是变电所，首先是按变压器设备的绝缘要求来确定中性点是否接地；其次是以保持对该母线的零序电抗在运行中变化最小为出发点来考虑。当变压器台数较多时，也可采取几台变压器组合的方法，使零序电抗变化最小。

 最大分支系数的运行方式和短路点位置的选择[6]

1 辐射形电网中线路保护的分之系数与短路的位置无关。

2 环状电网中线路的分支系数随短路点的移远而逐渐减小 。但实际上整定需要最大分支系数，故还是选择开环运行方式。    

3 环外线路对环内线路的分支系数也与短路点有关，随着短路点的移远，分支系数逐渐增大，可以增加到很大很大，但具体整定并不是选一个最大值，而应按实际整定配合点的分支系数计算。

3.2  电力网零序继电保护的整定计算

号断路器零序电流保护的整定计算

QF零序电流保护Ⅰ段的整定[11]

a.按躲开本线路末端接地短路的最大零序电流整定，即：

=1.3×1.484=1.929（kA）

b.灵敏度的校验：保护15%处短路时流过保护的最小零序电流值应大于整定值即最小保护范围要求不小于本保护线长度的15%

5.226 （KA）＞1.929（kA）

满足灵敏度要求。

c.整定的动作延时为0 S。

1QF零序电流保护Ⅱ段的整定

a.整定值：与相邻下一线路BC的零序第Ⅰ段配合：

=（kA）

b.灵敏度的校验：按被保护线路末端接地故障时流过保护的最小3倍零序电流

3I0，min来校验，即

==1.34＞1.3(5-3)

满足灵敏度要求。

c.动作时间：1.0 S

1QF零序电流保护Ⅲ段的整定[12]

a.躲过下一级线路末端短路时可能出现的最大不平衡电流Iunb，max，即

Iunb，max==1.1×0.5×0.1×3.054=0.154(kA) 

式中：

— 非周期分量系数，取1.1；

— 电流互感器的同型系数，取0.5；

 — 电流互感器的10%误差，取0.1；

  — 本级线路末端三相短路的最大短路电流。

1.2×0.154=0.185(kA) 

b.与相邻下一线路BC的零序第Ⅱ段配合：

(kA) 

       取最大值： 

c.灵敏度校验：

当作近后备保护时：

==3.17＞1.5 

满足灵敏度要求。

当作远后备保护时[4]：

==1.48＞1.2 

满足灵敏度要求。

d.动作时间：1.5S

1QF零序电流保护Ⅳ段的整定

与相邻下一线路BC的零序第Ⅲ段配合：

零序电流保护整定配合的其他问题

1各段保护的整定时间均应按整定配合原则增加时间级差。

2当分支系数随短路点的移远而变大时，例如有零序互感的平行线路，保护的整定配合应按相配合保护段的保护范围末端进行计算，一般可用图解法整定。

3与相邻双回线路的零序保护配合整定。当双回线路装设了横联差动保护时，为提高灵敏度，可按与横联差动保护配合整定，即按双回线路全线为快速保护范围考虑，但时间整定要考虑横联差动保护相继动作的延时；如考虑双回线运行中将横联差动保护停用的情况时，可相应提出将双回线路运行临时改为单回线路运行的措施。

4变压器励磁涌流衰减过程是很长的，为避免小定值的零序电流保护发生误动作，需要在电流数值和整定时间上加以考虑。经验证明，零序电流保护的最小整定值应不小于0.5倍变压器额定电流，动作时间应不小于3s。

5双回线路的零序电流保护，因线路长度太短或零序互感影响严重而灵敏度很差时，可考虑不同运行方式采用不同整定值的办法加以改善，即在同一保护段下采用两个或更多的整定值，分别对应两个或更多的运行方式的变化。当然，这样处理不仅需要对运行调度部门提出规定，也给现场的运行调试增加了工作量。

3.3  零序电流保护的评价及使用范围

    接地电流系统中，采用零序电流保护和零序方向电流保护与采用三相完全星形接线的电流保护和方向电流保护来防御接地短路相比较，前者具有较突出的优点：

灵敏度高

延时小

在保护安装处正向出口短路时，零序功率方向元件没有电压死区，而相间短路保护功率方向元件有电压死区。

当系统发生如振荡、短时过负荷等不正常运行情况时，零序电流保护不误

动作。

在电网变压器中性点接地的数目和位置不变的条件下，当系统运行方式变化时，零序电流变化较小，因此，零序电流速断保护的保护范围长而稳定。

采用了零序电流保护后，相间短路的电流保护就可以采用两相星形接线方式，并可和零序电流保护合用一组电流互感器，又能满足技术要求，而且接线也简单。

应该指出，在110kV及以上电压系统中，单相接地短路故障约占全部故障的80%~90%，而其它类型的故障，也往往是由单相接地发展起来的。所以，采用专门的零序电流保护就有其更重要的意义。

总  结 

继电器在线监测己经越来越为人们所重视，在线监测的手段也有了长足的发展。而且变压器的故障诊断也是一项涉及到多方面知识的非常复杂的工作，目前的在线故障诊断系统在故障时的整体故障定位功能还不完善，本文的工作只是一个初步的尝试。要想提高诊断的准确度，取得更为详尽的故障信息，还要许多方面的工作需要完善。

致  谢

  首先要感谢指导老师这些日子以来的悉心指导和谆谆教诲，她为本人解决了许多在设计中出现的问题，给予在工作上的关心和精神上的鼓励。值此论文完成之际，向尊敬的老师表示衷心的感谢和最崇高的敬意。

    感谢段友莲老师对本人学业上的教授，教会了本人研究设计的方法。感谢班导师施静谱老师在这两年本科生活中给予的照顾和关心。感谢室友这两年里给予学习上和生活上的关心和帮助，并共同拥有了一段愉快而美好的时光。

    感谢家人对本人多年来的养育之恩，他们无私奉献、鼓励和支持，才使本人顺利完成学业！本人所有成绩的取得，离不开本人的父亲张忠林先生的严厉要求，他的教育、爱护、鼓励给了本人巨大的精神动力，也成为本人日后踏入社会的有力支柱。

三年的大学生涯，本人收获的不仅是学业，更重要的是懂得了要如何做人。感谢多年来本人生活中的所有人，使本人得以成长，更加成熟。本科学业的完成是一个新的起点，本人会勇往直前地走下去。

参考文献

[1]吕继绍.电力系统继电保护设计原理.第一版.北京:水利电力出版社,1992.125-149.

[2]崔家佩,孟庆炎,陈永芳,熊炳耀.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.第一版.北京：中国电力出版社,1997.353-359.

[3]刘学军.继电保护原理.第一版.北京：中国电力出版社2004.118-286.

[4] 李文山,张海生.CSC-103A/103B数字式超高压线路保护装置说明书.第一版.北京:北京四方继电保护有限公司,2005.1-62.

[5]李雪明，吴运龙，陈一秀.PSL-603（G）数字式线路保护装置技术说明书.第一版. 南京:国电南京自动化有限公司,2004.1-83.

[6]陈大鹏，李明富，刘明山.电力系统继电保护实用技术问答.第一版.北京:中国电力出版社,2001.42-233.

[7] 李光琦.电力系统暂态分析.第一版.北京:中国电力出版社,2002.11-43.

[8]黄纯华.发电厂电气部分课程设计参考资料.第一版.北京:中国电力出版社,1987.67-203.