变电站继电保护设计

一、绪论（一）电力系统继电保护的作用电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路。

在发生短路时可能产生以下的后果：1.通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏；2.短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命；3.电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量；4.破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振动，甚至使整个系统瓦解；电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态。

例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（一般又称过负荷），就是一种最常见的不正常运行状态。

由于过负荷，使元件载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，就可能发展成故障。

此外，系统中出现功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及电力系统发生振荡等，都属于不正常运行状态。

故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。

事故，就是指系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。

系统事故的发生，除了由于自然条件的因素（如遭受雷击等）以外，一般者是由于设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当而引起的。

因此，只要充分发挥人的主观能动性，正确地掌握客观规律，加强对设备的维护和检修，就可能大大减少事故发生的机率，把事故消灭在发生之前。

在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。

切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有装设在每个电气元件上的保护装置才有可能满足这个要求。

这种保护装置直到目前为止，大多是由单个继电器或继电器与其附属设备的组合构成的，故称为继电保护装置。

在电力式静态保护装置和数字式保护装置出现以后，虽然继电器已被电力元件计算机所代替，但仍沿用此名称。

在电业部门常用继电保护一词泛指继电保护技术式由各种继电保护装置组成的继电保护系统。

继电保护装置一词则指各种具体的装置。

继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

它的基本任务是：1.自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行；2.反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件（例如有无经常值班人员），而动作于发出信号、减负荷或跳闸。

此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。

二、对主变、线路保护配置的要求（一）变压器保护的配置[1]变压器是电力系统普遍使用的重要电气设备。

它的安全运行直接关系到电力系统供电和稳定运行，特别是大容量变压器，一旦因故障而损坏造成的损失就更大。

因此必须针对变压器的故障和异常工作情况，根据其容量和重要程度，装设动作可靠，性能良好的继电保护装置。

一般包括：1.反映内部短路和油面降低的非电量（气体）保护，又称瓦斯保护。

2.反映变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵联差动保护，或电流速断保护。

3.作为变压器外部相间短路和内部短路的后备保护的过电流保护（或带有复合电压起动的过电流保护或负序电流保护或阻抗保护）。

4.反映中性点直接接地系统中外部接地短路的变压器零序电流保护。

5.反映大型变压器过励磁的变压器过励磁保护及过电压保护。

6.反映变压器过负荷的变压器过负荷（信号）保护。

7.反映变压器非全相运行的非全相保护。

（二）35kV及以下中性点非直接接地电网中线路保护配置[1] 35kV（包括66kV）有以下中性点非直接接地电网线路的相间短路保护必须动作于断路器跳闸，单相接地时，由于接地电流小，三相电压仍能保持平衡，对用户没有很大影响。

因此，单相接地保护一般动作于信号，但单相接地对人身和设备的安全产生危害时，就应动作于断路器跳闸。

1.相间短路的电流、电压保护根据有关规程，相间短路保护应该按下列原则配置：(1)保护的电流回路的电流互感器采用不完全星形接线，各线路保护用电流互感器均装设在A、C两相上，以保证在大多数两点接地情况下只切除一个故障接地点。

(2)采用远后备保护方式。

(3)线路上发生短路时，如厂用电或重要用户的母线电压低于50%~60%额定电压时，应快速切除故障，以保证非故障部分的电动机能继续运行。

相间短路的电流电压保护通常是三段式保护。

第Ⅰ段为无时限电流速断保护或无时限电流闭锁电压速断保护；第Ⅱ段为带时限电流速断保护或带时限电流闭锁电压速断保护；第Ⅲ段为过电流保护或低电压闭锁的过电流保护。

但根据被保护线路在电网中的地位，在能满足选择性、灵敏性和速动性的前提下，也可只装设Ⅰ、Ⅲ段，Ⅱ、Ⅲ段或只装设第Ⅲ段保护。

2.单相接地零序电流保护中性点非直接接地系统发生单相接地时，由于接地电流小，一般只在发电厂和变电所的母线上装设单相接地监视装置。

3.短线路纵差动保护3~4km及以下的短线路（包括110kV及以上电压等级），无论是采用电流电压保护还是采用距离保护，常常都不能满足选择性、灵敏性和速动性的要求。

在这种线路上经常需要采用纵差动保护以适应系统运行的需要。

发电厂厂用电源线（包括带电抗器的电源线），一般距离较短，宜装设纵联差动保护。

三、主变、线路保护的选型及装置介绍（一）主变保护的选型及装置介绍1．本变电所主变主保护采用带加强型速饱和变流器的差动继电器BCH-2型差动继电器构成变压器纵联差动保护。

2．本变电所主变的相间短路后备保护采用过电流保护和复合电压起动的过电流保护。

3．本变电所主变的电源侧采用过负荷保护。

4．本变电所主变非电量保护采用瓦斯保护和温度、压力保护。

（二）线路保护的选型及装置介绍1．本变电所线路的主保护采用瞬时电流速断保护。

瞬时电流速断保护动作特性分析图和瞬时电流速断保护原理接线图分别如图1、2所示。

2．本变电所线路的后备保护采用定时限过电流保护。

定时限过电流保护单相原理接线图和定时限过电流保护工作原理图分别如图3、4所示。

图3-1 瞬时电流速断保护动作特性分析图图3-2 瞬时电流速断保护原理接线图图3-3 定时限过电流保护单相原理接线图图3-4 定时限过电流保护工作原理图四、主变和线路主保护、后备保护的整定计算原则（一）主变整定计算原则[2][3][4][5][6]1.差动速断保护的定值整定为了加速切除变压器严重的内部故障，常常增设差动速断保护，其动作电流按照避越励磁涌流来整定。

即按躲过变压器空载合闸最大励磁涌流来整定，一般取6~8倍的一次侧额定电流。

max ..e rel op K I K I = 式（1） 式中 max .e I ——变压器实际的最大励磁涌流（二次值）；rel K ——可靠系统，可取为1.15~1.30。

2.比率制动式纵差保护的整定原则(1)按平均电压（变压器额定电压及变压器最大额定容量）计算各侧二次额定电流，完成主变电流互感器参数、额定电流、平衡系数的计算。

1)一次侧额定电流N NN U S I 31=式中 N S ——变压器额定容量。

由设计任务书知为40MV A ； N U ——变压器各侧额定电压；2)选择电流互感器变比为5Njx TACal I K n =式中 jx K ——为电流互感器接线系数。

当三角形接线时，3=jx K ；当为星形接线时，1=jx K 。

选择标准变比TACal TA n n ≥3)二次侧额定电流12jx N N TA K I I n =式中 jx K ——为电流互感器接线系数。

当三角形接线时，3=jx K ；当为星形接线时，1=jx K 。

(2)计算各侧外部短路时的短路电流值按短路电流计算方法进行各侧短路电流值的计算(3)计算差动保护的动作电流按下述条件计算差动保护的动作电流，并选取最大者。

1)按躲过变压器空投时和外部故障切除后电压恢复时变压器产生的励磁涌流计算，即eb k dz I K I ≥ 式（2）式中 dz I ——保护动作电流；eb I ——变压器额定电流（折算至基本侧）；k K ——可靠系数，取1.3。

2)按躲过外部短路时的最大不平衡电流计算，即bp k dz I K I ≥式中 bp I ——不平衡电流；k K ——可靠系数，取1.3。

对于三绕组变压器两侧均有电源时)(bp bp bpk bp k dz I I I K I K I '''+''+'=≥ 式（3） 其中 max .d i tx fzq bpI f K K I =' max ).(max ).(ββααd d bpI U I U I ∆+∆=''max ,max ,d Ⅱzd Ⅱd Ⅰzd ⅠbpI f I f I ∆+∆=''' 式中 bpI '——由于电流互感器误差引起的不平衡电流； bpI ''——由变压器分接头改变引起的不平衡电流； bpI '''——由于在平衡线圈实用值不能完全平衡引起的不平衡电流； i f ——电流互感器最大相对误差，取0.1;tx K ——电流互感器同型系数。

同型号时，tx K =0.5;不同型号时，tx K =1；βαU U ∆∆,——在变压器两侧（α，及β侧）因有调压分接头引起的相对误差，一般可取调整范围之半；m ax .d I ——最大外部短路电流；)()(,βαd d I I ——在所计算的外部短路时，流过调压侧相应电流互感器的短路电流周期分量值；max ,max ,,d Ⅱd ⅠI I ——在所计算的外部短路时，流过所计算的Ⅰ、Ⅱ侧相应电流互感器的短路电流；zd Ⅱzd Ⅰf f ∆∆,——继电器整定匝数与计算匝数不等所引起的相对误差。

相对误差计算公式为sy cd js ph syph js ph W W W W f ....+-=∆式中 js ph W .——平衡线圈计算匝数；sy ph W .——平衡线圈实用匝数；sy cd W .——差动线圈实用匝数。

因为在开始计算动作电流时，ⅡⅠf f ∆∆,是未知的，故可先采用中间值（0.05，最大值为0.09），并取m ax ,d ⅠⅠI f ∆及max ,d ⅡⅡI f ∆两项均为正值进行计算。

当三绕组变压器仅一侧有电源时，式（3）中的各短路电流为同一值m ax .d I 。

若外部短路电流不流过某一侧，则式中相应项为零。