继电保护设计

学号:

《电力系统继电保护》

课 程 设 计

（ 级本科）

题 目： 电力变压器整定计算 学 院：专 业： 电气工程及其自动化

作者姓名：指导教师：完成日期：月

电力系统继电保护课程设计任务书

前言

电网继电保护和安全自动装置是电力系统的重要组成部分，对保证电力系统的正常运行，防止事故发生或扩大起了重要作用。应根据审定的电力系统设计（二次部分）原则或审定的系统接线及要求进行电网继电保护和安全自动装置设计。设计应满足《继电保护和安全自动装置技术规程（SDJ6-83）》、《110~220kV电网继电保护与安全自动装置运行条例》等有关专业技术规程的要求。

继电保护是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。许多实例表明，继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。因此，加强继电保护的设计和整定计算，是保证电网安全稳定运行的重要工作。实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。其中短路电流的计算和电气设备的选择是本设计的重点。通过此次线路保护的设计可以巩固我们本学期所学的《电力系统继电保护》这一课程的理论知识，能提高我们提出问题、思考问题、解决问题的能力。电力系统和继电保护技术的不断发展和安全稳定运行，给国民经济和社会发展带来了巨大动力和效益。但是，电力系统一旦发生自然或人为故障，如果不能及时有效控制，就会失去稳定运行，使电网瓦解，并造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。

电网继电保护和安全自动装置应符合可靠性、安全性、灵敏性、速动性的要求。要结合具体条件和要求，从装置的选型、配置、整定、实验等方面采取综合措施，突出重点，统筹兼顾，妥善处理，以达到保证电网安全经济运行的目的。

目 录

前言 ................................................................................................................................................................ 1

1 设计内容及要求 ......................................................................................................................................... 3

1.1 设计基本资料 .................................................................................................................................. 3

1.2 电气主接线图 .................................................................................................................................. 3

1.3 继电保护的任务 .............................................................................................................................. 3

2 继电保护理论知识 ..................................................................................................................................... 4

2.1 继电保护概述 .................................................................................................................................. 4

2.2 基本原理和保护装置的组成 .......................................................................................................... 4

2.3 对继电保护装置的要求 .................................................................................................................. 4

3 电力变压器继电保护设计 ......................................................................................................................... 5

3.1 故障分析.......................................................................................................................................... 5

3.2 本设计继电保护装置原理概述 ...................................................................................................... 6

3.2.1 变压器瓦斯保护 ..................................................................................................................... 6

3.2.2 平行双回线路横联方向差动保护 ......................................................................................... 6

3.2.3 纵差动保护 ............................................................................................................................. 6

3.2.4 复合电压启动的过电流保护 ................................................................................................. 7

3.2.5 变压器中性点直接接地零序电流保护 ................................................................................. 7

4 短路电流计算和继电保护设计整定 ......................................................................................................... 8

4.1 短路电流.......................................................................................................................................... 8

4.1.1 画出短路等值电路 ................................................................................................................. 8

4.1.2短路电流计算 .......................................................................................................................... 9

4.1.3 保护装置的配置 ................................................................................................................... 10

4.2 各保护装置的整定计算 ................................................................................................................ 10

4.2.1 纵差保护的整定计算 ........................................................................................................... 10

4.2.2 110kv侧复合电压启动过电流保护整定计算 .................................................................. 13

4.2.3 38.5kv侧方向过电流保护 ................................................................................................. 13

4.2.4 110kv零序过电流保护 ...................................................................................................... 14

4.2.5 变压器气体保护整定 ........................................................................................................... 14

5 总结 .......................................................................................................................................................... 15

参考文献....................................................................................................................................................... 16

附录 保护配置原理接线图 ....................................................................................................................... 17

1 设计内容及要求

1.1 设计基本资料

已知两台变压器均为三绕组、油浸式、强迫风冷、分级绝缘，其参数： SN=31.5 MVA，电压：110±4×2.5%/38.5±2×2.5% /11 kV，接线：YN/y/d11,Ydy(Y0/y/Δ11-12)。短路电压：UHM(%)=10. 5，UHL(%)=17，UML(%)=6。两台变压器同时运行，110kV侧的中性点只有一台接地；若只有一台运行，则运行变压器中性点必须接地，其余参数如图所示。试对图中两台变压器进行继电保护的设置及整定。(110母线短路容量：Sk.max=800MVA，Sk.min=400MVA,Kss=1.5)

1.2 电气主接线图

图2.1 电气主接线图

1.3 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 继电保护理论知识

2.1 继电保护概述

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，使之免遭损害，所以沿称继电保护。

2.2 基本原理和保护装置的组成

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：

(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。

除此以外，还可根据在被保护元件内部和外部短路时，被保护元件两端电流相位或功率方向的差别，分别构成差动保护、高频保护等。同理，由于序分量保护灵敏度高，也得到广泛应用。新出现的反映故障分量、突变量以及自适应原理的保护也在应用中。

(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。

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；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予以执行：跳闸或发信号。

2.3 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。

（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。

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。

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。

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。

3 电力变压器继电保护设计

3.1 故障分析

本设计中的电力系统具有非直接接地的架空线路及高压侧中性点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。

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。

变压器的不正常运行、过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及油面下降、产生气体等故障都有可能会让继电保护动作。

3.2 本设计继电保护装置原理概述

3.2.1 变压器瓦斯保护

变压器瓦斯保护的主要元件就是瓦斯继电器，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。

3.2.2 平行双回线路横联方向差动保护

平行双回线路横联方向差动保护是通过比较两线路的电流相位和数值相同与否鉴别发生的故障，由电流起动元件、功率方向元件和出口执行元件组成，电流起动元件用以判断线路是否发生故障，功率方向元件用以判断哪回线路发生故障，双回线路运行时能保证有选择的动作。该保护动作时间0S，由于横联保护在相继动作区内短路时，切除故障的时间将延长一倍，故加装一套三段式电流保护，作为后备保护。

3.2.3 纵差动保护

三绕组变压器差动保护的动作原理是按循环电流原理构成的。正常运行和外部短路时，三绕组变压器三侧电流向量和（折算至同一电压等级）为零。它可能是一侧流入另两侧流出，也可能由两侧流入，而从第三侧流出。所以，若将任何两侧电流相加再和第三侧电流相比较，就构成三绕组变压器的纵差动保护。

图4.2 三绕组变压器差动保护单相原理图

3.2.4 复合电压启动的过电流保护

当保护区内发生不对称故障，系统出现负序电压，负序过滤器13有电压输出使继电器7常闭触点打开，欠压继电器8失压，常闭触点闭合，接通中间继电器9，若电流继电器4、5、6任何一个动作，则启动时间继电器10，经过整定时限后，跳开两侧断路器。在对称短路情况下，电压继电器7不启动，但欠压继电器8因电压降低，常闭触点接通，保护启动。

负序电压整定值，可取额定电压的6%；电流整定值，可取大于变压器额定电流，但不必大于最大电流。

图4.3 复合电压启动的过电流保护原理图

3.2.5 变压器中性点直接接地零序电流保护

中性点直接接地零序电流保护：中性点直接接地零序电流保护一般分为两段，第一段由电流继电器、时间继电器、信号继电器及压板组成，其定值与出线的接地保护

第一段相配合，0.5s切母联断路器。第二段由电流继电器、时间继电器、信号继电器和压板等元件组成。定值与出线接地保护的最后一段相配合，以短延时切除母联断路器及主变压器高压侧断路器，长延时切除主变压器三侧断路器。

中性点间隙接地保护：当变电站的母线或线路发生接地短路，若故障元件的保护拒动，则中性点接地变压器的零序电流保护动作将母联断路器断开，此时中性点的电位将升至相电压，分级绝缘变压器的绝缘会遭到破坏，中性点间隙接地保护的任务就是在中性点电压升高至危及中性点绝缘之前，可靠地将变压器切除，以保证变压器的绝缘不受破坏。间隙接地保护包括零序电流保护和零序过电压保护，两种保护互为备

用。

大电流接地系统普遍采用分级绝缘的变压器，当变电站有两台及以上的分级绝缘的变压器并列运行时，通常只考虑一部分变压器中性点接地，而另一部分变压器的中性点则经间隙接地运行，以防止故障过程中所产生的过电压破坏变压器的绝缘。为保证接地点数目的稳定，当接地变压器退出运行时，应将经间隙接地的变压器转为接地运行。由此可见并列运行的分级绝缘的变压器同时存在接地和经间隙接地两种运行方式。为此应配置中性点直接接地零序电流保护和中性点间隙接地保护。

4 短路电流计算和继电保护设计整定

4.1 短路电流

用标幺值计算短路电流参数，确定短路计算点，计算短路电流值。 4.1.1 画出短路等值电路

图5.1 短路等值电路

计算各元件电抗参数，取基准容量Sd=100MVA，基准电压为Ud1=10.5kV，

Ud2=37kV，基准电流为： Id1=

100⨯1033⨯10.5

=5500A

，

Id2=

100⨯103

⨯37

=1560A

（1）计算电源系统基准电抗的标幺值

Xs.min=

SdSk.maxSd

=

100

=0.1， 1000

Xs.max=

Sk.min

=

100

=0.2 500

（2）变压器各侧阻抗标幺值

11

Uk1=(10.5+17-6)=10.75，Uk2=(10.5-17+6)=-0.25

22

Uk3

Uk1Sd10.751001

=(-10.5+17+6)=6.25，XT.H==⨯=0.3413 2100STN10031.5Uk2Sd-0.25100==⨯=-0.007937 100STN10031.5

XT.M

XT.L

Uk3Sd6.25100==⨯=0.1984 100STN10031.5

（3）线路的基准电抗标幺值

Xl1=X1l1

Sd100

=0.4⨯20⨯=7.256 22

Ud210.5Sd100

=0.4⨯15⨯=5.442 22

Ud10.52

Sd100

=0.4⨯15⨯=1.023 22

Ud337

Xl2=X2l2

Xl2=Xl4=X1l3

4.1.2短路电流计算

由主接线分析可知，变压器的主保护为一台变压器单独运行为保护的计算方式，保护时，变压器后备保护作保护线路的远后备保护时，要校验k3、k4两点的灵敏系数，因此，除需要计算k1、k2两点最大、最小运行方式短路电流外，还需计算k3、k4两点的最小短路电流。 （1）k1点短路电流计算

3)

Ik(1.max=

Id1X∑(k1).min

Id1X∑(k1).max

=

5500

=8597A

0.1+0.3413+0.1984

55005500

==7435A

0.2+0.3413+0.19840.7397

3)Ik(1.min=

=

2)Ik(1.min=

3(3)

Ik1.min=0.866⨯7435=6439A 2

（2）求k2点短路电流

)Ik(32.max=

Id2X∑(k2).min

=

15601560

==3599A

0.1+0.3413-0.00790.4334

2)Ik(1.min=

3(3)0.866⨯15601351

Ik2.min===2533A 20.2+0.3413-0.00790.5334

（3）求k3点短路电流

)

Ik(23.min=

0.866Id21560⨯0.8661560⨯0.866

===868A

X∑(k3).max0.2+0.34-0.0079+1.0231.5564

（4）求k4点短路电流

)

Ik(24.min=

0.866Id15500⨯0.8664763

===596A

X∑(k4).max0.6397+7.2566.082

（5）求K5点短路电流

)Ik(25.min=

0.866Id15500⨯0.8664763

===783A

X∑(k5).max0.6397+5.4426.082

4.1.3 保护装置的配置

表5.1 变压器保护装置的配置

4.2 各保护装置的整定计算 4.2.1 纵差保护的整定计算

（1）计算变压器差动臂中电流，由表4.2计算可知，110kV侧差动臂中的电流最大，故110kV侧为计算的基本侧。

表5.2 计 算 结 果

（2）确定制动绕组的接线方式，制动绕组接入38.5kV侧，因为，该侧的外部发生故障时，穿越变压器的短路电流很大。

（3）计算差动保护的一侧动作电流。

1）按躲过110kV外部故障的最大不平衡电流整定，即

Iset=Krel(∆fza+∆U+0.1knpkst)Ik.max=1.3(0.05+0.1+0.1⨯1⨯1)⨯785=0.325⨯785=255A

Ik.max=

Ik.max85978597

===785AKav.510.95

2）按躲过变压器励磁涌流计算，即

Iset=KrelIN=1.33⨯165=219.45A

3）按躲过电流互感器二次回路断线，即

Iop=KrelIL.max=1.3⨯165=214.5A

4）取上述各条件中最大的作为基本侧一次动作电流即Iop=255A,差动继电器基本侧动作电流为

Iop.r=

KconIopKTA.H

=

⨯255

=7.36A60

Wop=

确定差动绕组匝数（匝）：

AN60±4==8.15Iop.r7.36

取整定匝数Wop.set

作电流为：

Iop=

7.560I==7.5A，保护装置实际动=8匝，则继电器动作电流为op.r

8

⨯60=259.8A

。

5）其他各侧工作绕组和平衡绕组的匝数。 38.5kV侧的平衡绕组为（匝）

Wb(38.5)

⎛IN2(110)-In2(38.5)⎫4.75-4.1⎪Wop.set== （）⨯8=1.27 ⎪I4.1N2(38.5)⎝⎭

11kV侧的平衡绕组为（匝）

Wb(11)

⎛IN2(110)-In2(11)⎫4.75-4.12⎫⎪Wop.set=⎛= ⎪⨯8=1.22 ⎪I4.12⎝⎭N2(11)⎝⎭

取平衡绕组整定匝数：Wb(38.5)set=Wb(11)set=1匝 取工作绕组匝数:Ww(38.5)set=Ww(11)set=8+1=9匝 6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为

W-Wb(11).set1.22-1

∆m(11)=b(11)==0.024

Wb(11)-Wop.set1.22+8

∆m(38.5)=

Wb(38.5)-Wb(38.5).setWb(38.5)-Wop.set

=

1.27-1

=0.029

1.27+8

7）制动系数和制动绕组匝数计算。由于系单侧电源，故制动系数计算为

Kres=Krel(0.1KstKnp+∆U(110)+∆U(38.5)+∆m(38.5))

=1.3(1⨯0.1+0.1+0.05+0.029)=0.363 制动绕组的计算匝数:Wres=Kres 取整定匝数：Wres.set=4匝 8）校验灵敏系数

k1点最小短路电流折算到110kV基本侧为

2)Ik(16439=.min==588AKTV10.95

2)'

3Ik(1⨯588.min===135.2匝

KTA.H60

Ww0.363⨯9==3.63匝 tgα0.9

Ik1.min

(2)

对11kV侧工作安匝 AWW(11)

AW

W(38.5)

=

⨯300

⨯4+0=10.38匝 200

由继电器特性曲线查得AW(11)=135.2匝，AWres=10.38安匝时，动作安匝整定为

135.2

K==2.05>2满足要求。 AWop=66安匝，则灵敏性s.min

66

4.2.2 110kv侧复合电压启动过电流保护整定计算

（1） 电流元件的动作电流 Iset=

Iop.r=

Krel1.23

IL.max=⨯165=238.76AKre0.85

238.76

=3.98A 60

（2）按躲过电动机自启动的电压整定

当低压继电器由变压器低压侧互感器供电时，计算式为

Uset=(0.5-0.6)UN2=(0.5-0.6)⨯110KV=55KV-66KV，取60KV 当低压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为

Uset=0.7UN2=77KV

（3）按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定

低电压继电器的动作电压按（2）（3）条件整定，并取最小值,综上，取60KV （4）校验灵敏系数 Ks.min

2)

Ik(1588=.min==2.33>1.5Iop252.35

作11kV线路后备保护Ks.min

)

Ik(25964.min===2.3>1.3 满足要求。

Iop252.35

电压元件装设在11kV侧，故仅需校验作为线路的后备保护即可

Ks.min=

70⨯77000==1.64>1.3，满足要求。

15⨯0.4⨯783⨯46980

1.3⨯2

⨯165=504.7A，则0.85

需要说明，若110kV侧仅采用单独过电流保护，则Iop=灵敏系数Ks.min=

588

=1.17

护可提高保护的灵敏性。

4.2.3 38.5kv侧方向过电流保护

功率方向元件的动作方向，为自变压器指向35kV母线方向，方向元件的动作电

流为

Iop.r=

KrelKSS1.3⨯1.3

ITN=⨯473=4.7A

KreKTA0.85⨯200

)Ik(2253325332.min====2.69>1.5

Iop4.7⨯200940

Ks.min

作线路l3后备保护灵敏系数Ks.min4.2.4 110kv零序过电流保护

)

Ik(28683.min===

Iop940

由主接线图可知，该变电所为终端变电所，接地保护不需要与下级配合，故零序过电流保护的动作值按躲开最大不平衡电流，即

Iop.r=KrelKstKerr

)

Ik(3359935992.max

=1.5⨯0.5⨯0.1⨯=0.75⨯=4.498≈4.5AKTA.H6060

电压元件的动作电压为

Uop.r=(0.05-0.01)

Ks.min=

3UON

=20VKTV

=

3⨯38.5⨯103

32⨯0.5318+0.5397)⨯14.8

270

3Eph2Z1+Z0

4.5⨯60

66.68⨯103

=270=270=10.4>1.5

23.73

2Ud38.52

Xd===14.82Ω

S100d

动作时限整定：

①以0.5s跳中性点不接地运行的变压器； ②以1s跳中性点接地运行的变压器。

4.2.5 变压器气体保护整定

采用QJ—80型开口杯挡板式气体继电器，轻瓦斯按气体容量整定

重瓦斯按汽油流的流速整定：

（对导油管直径

）

5 总结

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高，体现出自己单独设计能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。此外，特别感谢赵玲霞老师在这次课程设计中对我的细心指导！

参考文献

[1]张宝会，尹项根.电力系统继电保护.北京:中国电力出版社.2009:166～192 [2]陈珩．电力系统稳态分析．北京:中国电力出版社

[3]刘介才. 工厂供电设计指导.北京:机械工业出版社.2008:93～110 [4]《电力系统继电保护整定计算》.四川大学

[5]孙丽华. 电力工程基础.北京:机械工业出版社.2010:204～218

[6]贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理．第三版．北京:中国电力出版社 [7]《电力系统继电保护和自动装置设计规范》 GB50062-922； [8]《电力工程设计手册》.二册

[9]李佑光.电力系统继电保护原理及新技术.第二版，科学出版社； [10]《电力工程设计手册 第二分册》.西北电力设计院 [11]李光琦．电力系统暂态分析．北京:中国电力出版社

[12]于永源，杨绮雯.电力系统分析.北京:中国电力出版社，2007

电力系统继电保护课程设计报告

附录 第 17 页 共 21 页

电力系统继电保护课程设计报告

电力系统继电保护课程设计成绩评定表

指导教师签字：

2014 年 12 月 25 日

第 18 页 共 21 页

学号:

《电力系统继电保护》

课 程 设 计

（ 级本科）

题 目： 电力变压器整定计算 学 院：专 业： 电气工程及其自动化

作者姓名：指导教师：完成日期：月

电力系统继电保护课程设计任务书

前言

电网继电保护和安全自动装置是电力系统的重要组成部分，对保证电力系统的正常运行，防止事故发生或扩大起了重要作用。应根据审定的电力系统设计（二次部分）原则或审定的系统接线及要求进行电网继电保护和安全自动装置设计。设计应满足《继电保护和安全自动装置技术规程（SDJ6-83）》、《110~220kV电网继电保护与安全自动装置运行条例》等有关专业技术规程的要求。

继电保护是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。许多实例表明，继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。因此，加强继电保护的设计和整定计算，是保证电网安全稳定运行的重要工作。实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。其中短路电流的计算和电气设备的选择是本设计的重点。通过此次线路保护的设计可以巩固我们本学期所学的《电力系统继电保护》这一课程的理论知识，能提高我们提出问题、思考问题、解决问题的能力。电力系统和继电保护技术的不断发展和安全稳定运行，给国民经济和社会发展带来了巨大动力和效益。但是，电力系统一旦发生自然或人为故障，如果不能及时有效控制，就会失去稳定运行，使电网瓦解，并造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。

电网继电保护和安全自动装置应符合可靠性、安全性、灵敏性、速动性的要求。要结合具体条件和要求，从装置的选型、配置、整定、实验等方面采取综合措施，突出重点，统筹兼顾，妥善处理，以达到保证电网安全经济运行的目的。

目 录

前言 ................................................................................................................................................................ 1

1 设计内容及要求 ......................................................................................................................................... 3

1.1 设计基本资料 .................................................................................................................................. 3

1.2 电气主接线图 .................................................................................................................................. 3

1.3 继电保护的任务 .............................................................................................................................. 3

2 继电保护理论知识 ..................................................................................................................................... 4

2.1 继电保护概述 .................................................................................................................................. 4

2.2 基本原理和保护装置的组成 .......................................................................................................... 4

2.3 对继电保护装置的要求 .................................................................................................................. 4

3 电力变压器继电保护设计 ......................................................................................................................... 5

3.1 故障分析.......................................................................................................................................... 5

3.2 本设计继电保护装置原理概述 ...................................................................................................... 6

3.2.1 变压器瓦斯保护 ..................................................................................................................... 6

3.2.2 平行双回线路横联方向差动保护 ......................................................................................... 6

3.2.3 纵差动保护 ............................................................................................................................. 6

3.2.4 复合电压启动的过电流保护 ................................................................................................. 7

3.2.5 变压器中性点直接接地零序电流保护 ................................................................................. 7

4 短路电流计算和继电保护设计整定 ......................................................................................................... 8

4.1 短路电流.......................................................................................................................................... 8

4.1.1 画出短路等值电路 ................................................................................................................. 8

4.1.2短路电流计算 .......................................................................................................................... 9

4.1.3 保护装置的配置 ................................................................................................................... 10

4.2 各保护装置的整定计算 ................................................................................................................ 10

4.2.1 纵差保护的整定计算 ........................................................................................................... 10

4.2.2 110kv侧复合电压启动过电流保护整定计算 .................................................................. 13

4.2.3 38.5kv侧方向过电流保护 ................................................................................................. 13

4.2.4 110kv零序过电流保护 ...................................................................................................... 14

4.2.5 变压器气体保护整定 ........................................................................................................... 14

5 总结 .......................................................................................................................................................... 15

参考文献....................................................................................................................................................... 16

附录 保护配置原理接线图 ....................................................................................................................... 17

1 设计内容及要求

1.1 设计基本资料

已知两台变压器均为三绕组、油浸式、强迫风冷、分级绝缘，其参数： SN=31.5 MVA，电压：110±4×2.5%/38.5±2×2.5% /11 kV，接线：YN/y/d11,Ydy(Y0/y/Δ11-12)。短路电压：UHM(%)=10. 5，UHL(%)=17，UML(%)=6。两台变压器同时运行，110kV侧的中性点只有一台接地；若只有一台运行，则运行变压器中性点必须接地，其余参数如图所示。试对图中两台变压器进行继电保护的设置及整定。(110母线短路容量：Sk.max=800MVA，Sk.min=400MVA,Kss=1.5)

1.2 电气主接线图

图2.1 电气主接线图

1.3 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 继电保护理论知识

2.1 继电保护概述

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，使之免遭损害，所以沿称继电保护。

2.2 基本原理和保护装置的组成

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：

(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。

除此以外，还可根据在被保护元件内部和外部短路时，被保护元件两端电流相位或功率方向的差别，分别构成差动保护、高频保护等。同理，由于序分量保护灵敏度高，也得到广泛应用。新出现的反映故障分量、突变量以及自适应原理的保护也在应用中。

(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。

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；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予以执行：跳闸或发信号。

2.3 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。

（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。

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。

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。

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。

3 电力变压器继电保护设计

3.1 故障分析

本设计中的电力系统具有非直接接地的架空线路及高压侧中性点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。

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。

变压器的不正常运行、过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及油面下降、产生气体等故障都有可能会让继电保护动作。

3.2 本设计继电保护装置原理概述

3.2.1 变压器瓦斯保护

变压器瓦斯保护的主要元件就是瓦斯继电器，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。

3.2.2 平行双回线路横联方向差动保护

平行双回线路横联方向差动保护是通过比较两线路的电流相位和数值相同与否鉴别发生的故障，由电流起动元件、功率方向元件和出口执行元件组成，电流起动元件用以判断线路是否发生故障，功率方向元件用以判断哪回线路发生故障，双回线路运行时能保证有选择的动作。该保护动作时间0S，由于横联保护在相继动作区内短路时，切除故障的时间将延长一倍，故加装一套三段式电流保护，作为后备保护。

3.2.3 纵差动保护

三绕组变压器差动保护的动作原理是按循环电流原理构成的。正常运行和外部短路时，三绕组变压器三侧电流向量和（折算至同一电压等级）为零。它可能是一侧流入另两侧流出，也可能由两侧流入，而从第三侧流出。所以，若将任何两侧电流相加再和第三侧电流相比较，就构成三绕组变压器的纵差动保护。

图4.2 三绕组变压器差动保护单相原理图

3.2.4 复合电压启动的过电流保护

当保护区内发生不对称故障，系统出现负序电压，负序过滤器13有电压输出使继电器7常闭触点打开，欠压继电器8失压，常闭触点闭合，接通中间继电器9，若电流继电器4、5、6任何一个动作，则启动时间继电器10，经过整定时限后，跳开两侧断路器。在对称短路情况下，电压继电器7不启动，但欠压继电器8因电压降低，常闭触点接通，保护启动。

负序电压整定值，可取额定电压的6%；电流整定值，可取大于变压器额定电流，但不必大于最大电流。

图4.3 复合电压启动的过电流保护原理图

3.2.5 变压器中性点直接接地零序电流保护

中性点直接接地零序电流保护：中性点直接接地零序电流保护一般分为两段，第一段由电流继电器、时间继电器、信号继电器及压板组成，其定值与出线的接地保护

第一段相配合，0.5s切母联断路器。第二段由电流继电器、时间继电器、信号继电器和压板等元件组成。定值与出线接地保护的最后一段相配合，以短延时切除母联断路器及主变压器高压侧断路器，长延时切除主变压器三侧断路器。

中性点间隙接地保护：当变电站的母线或线路发生接地短路，若故障元件的保护拒动，则中性点接地变压器的零序电流保护动作将母联断路器断开，此时中性点的电位将升至相电压，分级绝缘变压器的绝缘会遭到破坏，中性点间隙接地保护的任务就是在中性点电压升高至危及中性点绝缘之前，可靠地将变压器切除，以保证变压器的绝缘不受破坏。间隙接地保护包括零序电流保护和零序过电压保护，两种保护互为备

用。

大电流接地系统普遍采用分级绝缘的变压器，当变电站有两台及以上的分级绝缘的变压器并列运行时，通常只考虑一部分变压器中性点接地，而另一部分变压器的中性点则经间隙接地运行，以防止故障过程中所产生的过电压破坏变压器的绝缘。为保证接地点数目的稳定，当接地变压器退出运行时，应将经间隙接地的变压器转为接地运行。由此可见并列运行的分级绝缘的变压器同时存在接地和经间隙接地两种运行方式。为此应配置中性点直接接地零序电流保护和中性点间隙接地保护。

4 短路电流计算和继电保护设计整定

4.1 短路电流

用标幺值计算短路电流参数，确定短路计算点，计算短路电流值。 4.1.1 画出短路等值电路

图5.1 短路等值电路

计算各元件电抗参数，取基准容量Sd=100MVA，基准电压为Ud1=10.5kV，

Ud2=37kV，基准电流为： Id1=

100⨯1033⨯10.5

=5500A

，

Id2=

100⨯103

⨯37

=1560A

（1）计算电源系统基准电抗的标幺值

Xs.min=

SdSk.maxSd

=

100

=0.1， 1000

Xs.max=

Sk.min

=

100

=0.2 500

（2）变压器各侧阻抗标幺值

11

Uk1=(10.5+17-6)=10.75，Uk2=(10.5-17+6)=-0.25

22

Uk3

Uk1Sd10.751001

=(-10.5+17+6)=6.25，XT.H==⨯=0.3413 2100STN10031.5Uk2Sd-0.25100==⨯=-0.007937 100STN10031.5

XT.M

XT.L

Uk3Sd6.25100==⨯=0.1984 100STN10031.5

（3）线路的基准电抗标幺值

Xl1=X1l1

Sd100

=0.4⨯20⨯=7.256 22

Ud210.5Sd100

=0.4⨯15⨯=5.442 22

Ud10.52

Sd100

=0.4⨯15⨯=1.023 22

Ud337

Xl2=X2l2

Xl2=Xl4=X1l3

4.1.2短路电流计算

由主接线分析可知，变压器的主保护为一台变压器单独运行为保护的计算方式，保护时，变压器后备保护作保护线路的远后备保护时，要校验k3、k4两点的灵敏系数，因此，除需要计算k1、k2两点最大、最小运行方式短路电流外，还需计算k3、k4两点的最小短路电流。 （1）k1点短路电流计算

3)

Ik(1.max=

Id1X∑(k1).min

Id1X∑(k1).max

=

5500

=8597A

0.1+0.3413+0.1984

55005500

==7435A

0.2+0.3413+0.19840.7397

3)Ik(1.min=

=

2)Ik(1.min=

3(3)

Ik1.min=0.866⨯7435=6439A 2

（2）求k2点短路电流

)Ik(32.max=

Id2X∑(k2).min

=

15601560

==3599A

0.1+0.3413-0.00790.4334

2)Ik(1.min=

3(3)0.866⨯15601351

Ik2.min===2533A 20.2+0.3413-0.00790.5334

（3）求k3点短路电流

)

Ik(23.min=

0.866Id21560⨯0.8661560⨯0.866

===868A

X∑(k3).max0.2+0.34-0.0079+1.0231.5564

（4）求k4点短路电流

)

Ik(24.min=

0.866Id15500⨯0.8664763

===596A

X∑(k4).max0.6397+7.2566.082

（5）求K5点短路电流

)Ik(25.min=

0.866Id15500⨯0.8664763

===783A

X∑(k5).max0.6397+5.4426.082

4.1.3 保护装置的配置

表5.1 变压器保护装置的配置

4.2 各保护装置的整定计算 4.2.1 纵差保护的整定计算

（1）计算变压器差动臂中电流，由表4.2计算可知，110kV侧差动臂中的电流最大，故110kV侧为计算的基本侧。

表5.2 计 算 结 果

（2）确定制动绕组的接线方式，制动绕组接入38.5kV侧，因为，该侧的外部发生故障时，穿越变压器的短路电流很大。

（3）计算差动保护的一侧动作电流。

1）按躲过110kV外部故障的最大不平衡电流整定，即

Iset=Krel(∆fza+∆U+0.1knpkst)Ik.max=1.3(0.05+0.1+0.1⨯1⨯1)⨯785=0.325⨯785=255A

Ik.max=

Ik.max85978597

===785AKav.510.95

2）按躲过变压器励磁涌流计算，即

Iset=KrelIN=1.33⨯165=219.45A

3）按躲过电流互感器二次回路断线，即

Iop=KrelIL.max=1.3⨯165=214.5A

4）取上述各条件中最大的作为基本侧一次动作电流即Iop=255A,差动继电器基本侧动作电流为

Iop.r=

KconIopKTA.H

=

⨯255

=7.36A60

Wop=

确定差动绕组匝数（匝）：

AN60±4==8.15Iop.r7.36

取整定匝数Wop.set

作电流为：

Iop=

7.560I==7.5A，保护装置实际动=8匝，则继电器动作电流为op.r

8

⨯60=259.8A

。

5）其他各侧工作绕组和平衡绕组的匝数。 38.5kV侧的平衡绕组为（匝）

Wb(38.5)

⎛IN2(110)-In2(38.5)⎫4.75-4.1⎪Wop.set== （）⨯8=1.27 ⎪I4.1N2(38.5)⎝⎭

11kV侧的平衡绕组为（匝）

Wb(11)

⎛IN2(110)-In2(11)⎫4.75-4.12⎫⎪Wop.set=⎛= ⎪⨯8=1.22 ⎪I4.12⎝⎭N2(11)⎝⎭

取平衡绕组整定匝数：Wb(38.5)set=Wb(11)set=1匝 取工作绕组匝数:Ww(38.5)set=Ww(11)set=8+1=9匝 6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为

W-Wb(11).set1.22-1

∆m(11)=b(11)==0.024

Wb(11)-Wop.set1.22+8

∆m(38.5)=

Wb(38.5)-Wb(38.5).setWb(38.5)-Wop.set

=

1.27-1

=0.029

1.27+8

7）制动系数和制动绕组匝数计算。由于系单侧电源，故制动系数计算为

Kres=Krel(0.1KstKnp+∆U(110)+∆U(38.5)+∆m(38.5))

=1.3(1⨯0.1+0.1+0.05+0.029)=0.363 制动绕组的计算匝数:Wres=Kres 取整定匝数：Wres.set=4匝 8）校验灵敏系数

k1点最小短路电流折算到110kV基本侧为

2)Ik(16439=.min==588AKTV10.95

2)'

3Ik(1⨯588.min===135.2匝

KTA.H60

Ww0.363⨯9==3.63匝 tgα0.9

Ik1.min

(2)

对11kV侧工作安匝 AWW(11)

AW

W(38.5)

=

⨯300

⨯4+0=10.38匝 200

由继电器特性曲线查得AW(11)=135.2匝，AWres=10.38安匝时，动作安匝整定为

135.2

K==2.05>2满足要求。 AWop=66安匝，则灵敏性s.min

66

4.2.2 110kv侧复合电压启动过电流保护整定计算

（1） 电流元件的动作电流 Iset=

Iop.r=

Krel1.23

IL.max=⨯165=238.76AKre0.85

238.76

=3.98A 60

（2）按躲过电动机自启动的电压整定

当低压继电器由变压器低压侧互感器供电时，计算式为

Uset=(0.5-0.6)UN2=(0.5-0.6)⨯110KV=55KV-66KV，取60KV 当低压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为

Uset=0.7UN2=77KV

（3）按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定

低电压继电器的动作电压按（2）（3）条件整定，并取最小值,综上，取60KV （4）校验灵敏系数 Ks.min

2)

Ik(1588=.min==2.33>1.5Iop252.35

作11kV线路后备保护Ks.min

)

Ik(25964.min===2.3>1.3 满足要求。

Iop252.35

电压元件装设在11kV侧，故仅需校验作为线路的后备保护即可

Ks.min=

70⨯77000==1.64>1.3，满足要求。

15⨯0.4⨯783⨯46980

1.3⨯2

⨯165=504.7A，则0.85

需要说明，若110kV侧仅采用单独过电流保护，则Iop=灵敏系数Ks.min=

588

=1.17

护可提高保护的灵敏性。

4.2.3 38.5kv侧方向过电流保护

功率方向元件的动作方向，为自变压器指向35kV母线方向，方向元件的动作电

流为

Iop.r=

KrelKSS1.3⨯1.3

ITN=⨯473=4.7A

KreKTA0.85⨯200

)Ik(2253325332.min====2.69>1.5

Iop4.7⨯200940

Ks.min

作线路l3后备保护灵敏系数Ks.min4.2.4 110kv零序过电流保护

)

Ik(28683.min===

Iop940

由主接线图可知，该变电所为终端变电所，接地保护不需要与下级配合，故零序过电流保护的动作值按躲开最大不平衡电流，即

Iop.r=KrelKstKerr

)

Ik(3359935992.max

=1.5⨯0.5⨯0.1⨯=0.75⨯=4.498≈4.5AKTA.H6060

电压元件的动作电压为

Uop.r=(0.05-0.01)

Ks.min=

3UON

=20VKTV

=

3⨯38.5⨯103

32⨯0.5318+0.5397)⨯14.8

270

3Eph2Z1+Z0

4.5⨯60

66.68⨯103

=270=270=10.4>1.5

23.73

2Ud38.52

Xd===14.82Ω

S100d

动作时限整定：

①以0.5s跳中性点不接地运行的变压器； ②以1s跳中性点接地运行的变压器。

4.2.5 变压器气体保护整定

采用QJ—80型开口杯挡板式气体继电器，轻瓦斯按气体容量整定

重瓦斯按汽油流的流速整定：

（对导油管直径

）

5 总结

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高，体现出自己单独设计能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。此外，特别感谢赵玲霞老师在这次课程设计中对我的细心指导！

参考文献

[1]张宝会，尹项根.电力系统继电保护.北京:中国电力出版社.2009:166～192 [2]陈珩．电力系统稳态分析．北京:中国电力出版社

[3]刘介才. 工厂供电设计指导.北京:机械工业出版社.2008:93～110 [4]《电力系统继电保护整定计算》.四川大学

[5]孙丽华. 电力工程基础.北京:机械工业出版社.2010:204～218

[6]贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理．第三版．北京:中国电力出版社 [7]《电力系统继电保护和自动装置设计规范》 GB50062-922； [8]《电力工程设计手册》.二册

[9]李佑光.电力系统继电保护原理及新技术.第二版，科学出版社； [10]《电力工程设计手册 第二分册》.西北电力设计院 [11]李光琦．电力系统暂态分析．北京:中国电力出版社

[12]于永源，杨绮雯.电力系统分析.北京:中国电力出版社，2007

电力系统继电保护课程设计报告

附录 第 17 页 共 21 页

电力系统继电保护课程设计报告

电力系统继电保护课程设计成绩评定表

指导教师签字：

2014 年 12 月 25 日

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