最新继电保护课程设计一组终稿

课程名称：继电保护原理与运行

设计题目：牵引变电所继电保护设计 院 系： 电气工程系 专 业： 电化专 年 级： 2009级 姓 名： 指导教师： 陈丽华

西南交大峨眉校区

2012年4月9日

西南交通大学课程设计 继电保护设计任务书

一、设计目的

通过该设计，初步掌握变电站继电保护的设计步骤和方法，熟悉有关规程和设计手册的使用方法以及继电保护标准图的绘制等。 二、设计的主要内容

1、 牵引变电所继电保护方案的讨论。 2、 短路计算。 3、 整定计算。 4、 绘制标准图。 5、 讨论说明。 6、 整理成册。 三、原始资料

1、供电方式：复线单边

2、电气主接线： 110KV侧—双T接线

27.5KV侧—单母线分段

3、变电所参数 项目 系统阻抗 最小运行方式 容量（KVA） 牵引变 LH变比（Y/Δ） 名称 最大负荷电流（A） 馈线长度（KM） 牵引馈线 单位阻抗（Ω/KM） LH变比 母线最低工作电压（KV）

II

电源类别 最大运行方式 主电源 0.215 0.427 2×15000 60/120 左 590 22 0.7875 120 24 备用电源 0.205 0.389 右 605 16.9 西南交通大学课程设计

4、分区亭参数

馈线 最大负荷电流（A） LH变比 母线最低工作电压（KV） 四、设计步骤

1、 熟悉原始资料，并确定电气主接线图。（第1周） 2、 变电所继电保护方案讨论及初选。（第1周）

3、 根据继电保护的需要选择短路点，并进行短路计算。（第2周）

4、 进行保护的整定计算，确定最后的保护方案并进行保护装置的选型。（第3周） 5、 标准图绘制。（第4、5周） 6、 分析说明。（第4、5周） 7、 整理成册。（第6周） 五、课程设计论文包含的内容 1、 设计任务书 2、 目录 3、 方案讨论说明 4、 短路计算 5、 整定计算 6、 设备选型

7、 选取数个短路点，分析保护动作情况。

8、 附图：（1）主变保护原理图（2）馈线保护原理图（3）时限配合图 9、 参考资料 10、后记

左 300 80 19 右 300 80 19

III

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目录

第一章 方案讨论说明 ............................................... 1 1.1 继电保护设计原理 .............................................. 1 1.2 继电保护的分类 ................................................ 1 1.3 保护装置的配合 ................................................ 1 1.4 保护的后备问题 ................................................ 1 1.5进线保护 ...................................................... 2 1.6变压器保护 .................................................... 2 1.7 牵引馈线保护 .................................................. 3 1．8 分区亭保护 ................................................... 4 第二章 短路计算 ................................................... 4 2.1 主变短路计算 .................................................. 4 2.2 馈线短路计算 .................................................. 6 2.3 分区亭短路计算 ................................................ 7 第三章：整定计算 .................................................. 7 3.1 瓦斯保护 ...................................................... 7 3.2 差动保护 ...................................................... 8 3.3 低压起动过电流保护 ........................................... 10 3.4 过负荷保护 ................................................... 10 3.5接地保护 ..................................................... 10 3.6牵引网馈线保护 ............................................... 11 3.7 分区亭保护 ................................................... 11 第四章 设备选型 .................................................. 13 4.1变压器保护装置选型及其参数 ................................... 13 4.2馈线及分区亭保护装置选型 ..................................... 13 第五章 选取数个短路点分析保护动作情况 ............................ 15 参考资料 ......................................................... 16 后记 ............................................................. 17

IV

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第一章 方案讨论说明

1.1 继电保护设计原理

在保护的设计中，对保护装置的基本要求是选择性、速动性、灵敏性和可靠性。为了保证电力系统安全和稳定运行的目的，必须要正确认识和处理好保护这四项基本要求之间既矛盾又相统一的辩证关系，不能片面强调某一方面的要求，更不能使某一方面达不到要求。为此，可以根据严格的选择性、需要的速动性、足够的灵敏性和必要的可靠性四个方面来进行更好的把握。

在满足以上基本要求的前提下，我们应当选用简单的保护方式，不仅能使调整试验简单，而且能提高工作可靠性。只有在简单保护不能满足要求时，才考虑选用较复杂的保护装置。此外，为了更好的满足保护的基本要求，对各处保护装置需要采用适当的配合及必要的后备。

1.2 继电保护的分类

1.2.1 按照反应物理量的不同分：

电流保护，电压保护、距离保护、差动保护、功率方向保护等 1.2.2 按照被保护对象不同分：

发电厂、变电所电气设备的继电保护，输电线路的继电保护 1.2.3 按照作用的不同分： 主保护、后备保护、辅助保护 1.2.4 按动作的原理不同分：

电磁型、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型等

1.3 保护装置的配合

各保护装置的相互配合以证供电系统安全运行。在各种运行下，各原件的保护装置之间在灵敏度和动作时限上应得到配合。所谓灵敏度配合就是保护范围的配合，既在各种可能出现的运行方式下，装在原件本侧的带时限动作的保护装置的保护范围，应小于安装在相邻原件上与其配合的保护装置的动作范围。在灵敏度的配合之下发生故障时，离故障点最近的保护装置的灵敏度最高，距离越远的装置灵敏度越低。动作时限的配合指的是：本元件的保护装置的动作时限应大于与它相配合的相邻元件的动作时限。这样当发生故障时，故障所在线路的保护装置的动作时间最短，保证快速灵敏的动作保护。从灵敏度和动作时限两方面综合考虑才能保证保护装置动作的选择性，片面考虑任何一方都不行。

1.4 保护的后备问题

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继电保护中，有主保护、后备保护和辅助保护三种保护。

1.4.1 主保护是指：被保护元件内部发生的各种短路故障时，能满足系统稳定及设备安全要求的、有选择地切除被保护设备或线路故障的保护。

1.4.2 后备保护是指：主保护或短路器拒绝动作时，用以将故障切除的保护，后备保护可以分为远后备和近后备保护两种。

1、远后备保护是指：主保护或断路器拒动时，相邻元件的保护部分实现的后备 2、近后备保护是指：当主保护拒绝动作时，由本元件的另一套保护来实现的后备，当断路器拒绝动作时，由断路器失灵保护实现后备。

1.4.3 辅助保护是指：为了补充主保护和后备保护的不足而增设的简单保护。

1.5进线保护

牵引变电所高压侧接线形式主要有双T接线、桥形接线、单母线接线、双母线接线四种，本设计中采用双T接线，双T 接线一般采用两回进线，两台主变压器采用两套断路器，110KV侧无系统功率穿越。两回进线，一主一备，进线上不设专门的保护装置，进线上的故障由110KV线路供电的保护来切除。

有以下注意事项:

1、为了防止110KV侧的线路单相接地时，在中性点不接地的变压器高压侧产生反馈过电压，必须在110KV线路电源侧的断路器切断前，将变压器低压侧的断路器切除，故采用零序保护。

2、当110KV侧发生相间短路时，也应将变压器断路器切断，为此增设方向电流保护或者低压保护作为线路相间短路保护。

3、当110KV侧发生故障时，功率方向为变压器低压侧流向高压侧，于是功率方向继电器将动作切除故障。

1.6变压器保护

变压器分为故障和不正常工作两种情况。而变压器故障分为：油箱内部故障和油箱外部故障两种。

1.6.1 油箱内部故障

油箱内部故障指发生在变压器油箱内部包括高压侧和低压侧绕组的相间短路、匝间短路、中性点直接接地系统侧绕组的单相接地短路。

1.6.2 外部故障

变压器外部故障指变压器绕组引出线盒套管上发生的相间短路和接地短路（直接接地系统侧），油箱内部发生相间短路的情况比较少。

本次设计选择的是2×15000KVA容量的Y\\△型变压器。保护可选择Y\\△接地三相变

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压器的保护有瓦斯保护、电流速断或电流差动保护、过电流保护、过负荷保护、温度信号保护、零序电流保护等，前四种保护为主要保护。

表1.6-1 变压器保护统览表

保护方式 瓦斯保护 差动保护 保护范围 内部故障 整定条件 0.5—1.0m\\s流速时动作 检验条件 内部故障及差动一般按躲过27.5KV母线最大按27.5KV范围内的套管故短路电流时产生的不平衡电侧母线最障 流整定（IDZ=KK×IBP-D）。如果小两相短路电流校由IDZ=KK×IF-D或IDZ=KK×IE验,需满所得值较大者，则选该值 足km>=2 低压起动过电流内部及外部故障电流元件按躲过变压器额定按27.5KV保护 的后备保护 电流整定，参照IDZ=KKIE\\Kfh，侧母线最小两相短电压元件按UDZ=UZX\\KfhKK来整路电流校定。 过负荷保护 接地保护 过负荷时给信号 验，要求Im>=1.25 按变压器额定电流整定IDZ= KKIE/Kfh 用于变压器中性躲过额定电流，按按110KV点接地线上，用作IDZ=70%·KK·IE/Kfh计算。 内部及引线接地故障保护

侧最小单相接地电流校验，要求Km>=2 1.7 牵引馈线保护

本设计为复线单边供电方式，故牵引网馈线保护有两种方案：

1.7.1 方案一

第一段用电流速断为主保护，按照躲过分区亭最大短路电流整定，第二段为距离保护，作为分区亭保护的远后备保护和本段线路的近后备保护。

1.7.2 方案二

若最小运行方式下，电流速断的保护范围小于馈线长度的1\\5,则都采用距离保

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护作为第一和第二段保护。 注意事项：

1、母线附近短路时，会发生“相继动作”现象，为此第一段和第二段动作时限上满足：t2=t1+2△t，或者采用三段保护以保证选择性

2、计算短路后继电器的测量阻抗时要考虑两回路的互感 3、在分区亭后面短路时考虑到所测得的过度电阻将要增大一倍

1．8 分区亭保护

为了保证馈线上的任何一点发生短路时分区亭都要跳闸，因此分区亭上要选择两段距离保护，且要和相邻馈线保护装置相配合，保证各处都能安全工作。

第二章 短路计算

2.1 主变短路计算

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Xs*d1Xb*d2Xk*

图2-1 主变短路网络图

设基准容量Sj=100MVA ，由已知条件：Ud%=10.5 Se=15MVA Ue=27.5KV Xxmax=0.338，Xxmin=0.189 由公式：Xb=

*

*

*

Ud%Sj10.5100==0.7

100Se10015由于110KV侧进线不设专门保护，故在图2-1中不用对高压侧母线d1点进线短路计算，只对低压母线侧d2点短路计算：Ij=

Sj3Ue=

100327.5=2.099KA

图

2-2 d2点短路的等值计算网络

如上图：该点最大三相短路时阻抗标幺值为：X*∑=0.7+0.338=1.038 该点最小三相短路时的电流有名值为：I(3)dmin=同理计算该点最大三相短路时电流有名值为：

5

Ij2009

==1935.4A *X1.039

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I(3)max=

Ij2009==2341.5A *0.70.158X12.2 馈线短路计算

E*=1X*XB*d1d2d3

图2-3 系统的单相等值计算图

选择短路点总共有三个：d1、d2、d3

此图中，d1、d2两点等同于前面所计算的27.5KV母线三相短路时的电流

d1、d2两点最大短路电流为：Idmax=2341.5A d1、d2两点最小短路电流为：Idmin=1935A

当选择d3点作为短路点时：Xxmin=0.158, Xxmax=0.338 取Sj=100MVA,Uj=27.5KV,Ij=2009A, 左边馈线阻抗标幺值：XL1=

**

**

XLSj0.787522100==2.291

27.52Uj2XLSj0.787516.9100==1.7598 2227.5Uj右边馈线阻抗标幺值：XL2=

当d3点短路时对于左边馈线： 最大短路电流：Idmax1=

IjXxminXbXL左IjXxmaxXbXL左*****=

2009=628.598A

0.2050.72.2912009=587.77A

0.4270.72.291最小短路电流：Idmin1=

=*当d3点短路时对于右边馈线： 最大短路电流：Idmax2=

IjXxminXbXL右***=

2009=753.9A

0.2050.71.7598 6

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最小短路电流：Idmin2=

IjXxmaxXbXL右***=

2009=695.93A

0.4270.71.75982.3 分区亭短路计算

X*L1X*L22.2911.7598XL===2.0254

22*

Idmax=

IjXxminXbXLIjXxmaxXbXL****=*2009=685.57A

0.2050.72.02542009=637.29A

0.4270.72.0254Idmin=

*=

表2-1 短路计算值列表

短路电流 短路点 主变电短路27.5KV侧 馈线短路 左馈线 右馈线 628.598 753.9 685.57 587.77 696.93 637.29 最大短路电流 （A） 2219.9 最小短路电流 （A） 1782 分区亭

第三章：整定计算

3.1 瓦斯保护

当变压器内部故障时（包括轻微的匝间短路和绝缘破坏引起的经电弧电阻的接地

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短路）时，由于故障点电流和电弧的作用，使得变压器油及其他绝缘材料因局部受热而分解产生气体，因此气体比较轻很容易从油箱流向油枕的上部。当故障严重时，油就会迅速膨胀并产生大量气体，此时将有大量气体夹杂着油流冲向油枕的上部，利用此特点构成保护装置的瓦斯保护，安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中。其结构简单、经济、灵敏度高、能反映变压器的故障并能够及时动作。

当变压器内部发生轻微故障时，电弧附近的油汽化，产生少量气体，继电器内部油面下降，节点接通，给出瓦斯保护延时动作的报警信号；当发生严重故障时，电流电弧附近强烈汽化压力升高，形成油流，节点接通并且动作跳闸，该动作的时限一般为0.6-1m\\s，及当油流速度达到上诉动作条件时，其动作值大于最大短路电流引起的油流速度，本设计采用的瓦斯继电器原理接线图为：

图3-1 瓦斯继电器原理接线图

3.2 差动保护

差动保护计算：

3.2.1 选择电流互感器（LH）的变比，确定基本侧。 1、计算变压器各侧的额定电流IE 110KV高压侧：Ie1=

Se3Ue1=

150003110=78.73A

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27.5KV低压侧：Ie2=

Se3Ue2=

15000327.5=314.9A

2、计算电流互感器的变比 高压侧的：nL1j=

3IE1378.73==27.27 553IE23314.9==109.08 55低压侧的：nL2j=

3、计算实际变压器各侧的电流 由计算公式:Iej=

KjxIenLs

Iej1=

178.73=1.312A 601.732314.9=4.545A

120Iej2=

4、确定基本侧

选Ie大的一侧作为基本侧，即27.5KV侧为基本侧。

3.2.2 计算动作值

Idz=Kk×Ibpd=Kk×(Ktx×10%+△U+△f)×Idmax =1.3×(0.5×0.1+0.05+0.05)×2219.9=432.88A 二次侧的动作电流：Izdj=

IdzKjxnL2=

432.881.732=6.248

1203.2.3 计算Wcd和Wph的匝数

Wcd=

6060==9.603,取Wcds=9匝 Idzj6.248则Wphj=(

Ie24.545-1)×Wcds=(-1)×9=22.18,取Wphs=22匝

1.312Ie1=

22.18-22=0.0057<0.05,满足要求

22.189则△f=

Wphj-WphsWphjWcds确定短路线圈的匝数：因是15000KVA，所以选用短路线圈插头位置为C-C’

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3.2.4 3.2.4 灵敏度校验

Klm=

Idmin,由前面的计算可知27.5KV侧母线最小短路电流为1782A Idz1782=4.12>2,满足要求 432.88则Klm=

3.3 低压起动过电流保护

3.3.1 过电流整定计算

为了保护外部短路引起的变压器过电流。应装设过电流保护。同时，可以作为变压器差动保护以及馈线保护的后备保护。本设计采用低压起动过电流保护。 对电流元件按照额定电流Ie整定 Idz=

KkIe11.278.73==1.852A

KfhnL10.85603.3.2 灵敏度校验：

IdminIdz27.5110=4.009>1.5,满足要求 =

1.852601782Klm=

对于电压元件，按照额定电压进行整定： Udz=

27500Umin==449.3V 1.20.8560KkKfhny3.4 过负荷保护

过负荷保护变压器的不正常状态还包括变压器的过负荷运行，保护装置实际就是一套电流保护装置，整定如下： Idz=

KhIe11.0578.73==1.621A 0.8560KfhnL13.5接地保护

接地保护和中性点直接保护一样都采用零序保护，接地保护主要用来保护外部接地短路引起的过电流，从动作时间上应和母线和线路保护相配合。整定如下：

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Idz=

0.7KkIe10.71.278.73==1.296A

0.8560KfhnL13.6牵引网馈线保护

牵引馈线采用的是WKH-892型成套保护装置，并且另设一套过电流保护装置作为后备，整定如下：

由已知条件，最大负荷电流Ifmax=605A,最低工作电压为：Ufmin=24KV 电流互感器的变比为：nL=120,电压互感器的变比为：ny =275 左边馈线线路阻抗：Z1=22×0.7875=17.325 右边馈线线路阻抗：Z2=16.9×0.7875=13.31 则距离元件整定阻抗: Zdz=

24000120=16.202

nyKkKfhIfmaxcos(mj)2751.11.1605cos(6537)Ufminnl=

距离保护灵敏系数校验： 左边馈线距离保护灵敏系数Klm1=

Zdzny16.202275==2.143 17.325120Z1nLZdzny16.202275右边馈线距离保护灵敏系数Klm2===2.789

Z1nL13.31120电流元件整定电流： Idz右=1.2×

IfmaxnLIfmax605590=1.2×=6.05A，Idz左=1.2×=1.2×=5.9A

120120nLIdmin

nlIdzIdmin587.77==0.830

nlIdz1205.9Idmin695.93==0.958

nlIdz1206.05过电流保护灵敏度：Klm=

左边馈线电流保护灵敏度：Klm=

右边馈线电流保护灵敏度：Klm=

保护的动作时限为：主保护△t=0.1s,后备保护动作时限为△t=0.5s

3.7 分区亭保护

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为了保证馈线上任何一点发生短路时分区亭都要跳闸，本设计采用两段距离保护 由已知条件知：

分区亭最大负荷电流为：Ifmax左=Ifmax右=300A 最低工作电压：Umin左=Umin右=19KV 线路阻抗：Z左=17.325，Z右=13.31 流互变比：nL1=nL2=80，压互变比：ny1=ny2=

27500=275 100距离保护阻抗动作值:由公式Zdz=Zdz左= Zdz右=16.5Ω 灵敏系数由公式Klm=

UfminnLnyKkKfhIfmaxcos(mj)得：

ZdznyZnL得：

Klm左=

16.527516.5275=3.274，Klm右==4.261

17.3258013.3180

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第四章 设备选型

4.1变压器保护装置选型及其参数

1、BCH-2型差动继电器

2、变压器保护的低压继电器，选用DY-20E系列，其中选用最大整定的低压继电器。 参数表4-1：

型号 DY-26E DY-27E DY-28E DY-29E 3、过电流作用的电流计算器选用DL-10系列，参数如表4-2：

型号 DL-11 DL-12 DL-13 4、时间继电器，选用SS—48/I，参数如表4-3：

型号 SS—48/I 延时范围 0.02~9.99 电源种类 DC/AC 触点类型 整定误差 生产厂 10 2.5～10 0.8 1.2倍动作上海继电器值时≤0.15 有限公司等 最大整定值(A) 整定范围 返回系数 动作时间 生产厂 低电压 48、160、320 ≤1.25 0.5倍动作值时≤0.15 动作类型 最大整定值 返回系数 动作时间 2延时动合 ≤（10%整定阿城继电器2瞬动转换 值+3ms） 二厂 5、所有信号继电器，选用DX—19E闪光信号继电器，参数如表4-4：

额定值 DC：220、110、48V AC：220V、50Hz 动作值 动作电压≤80%额定值 返回值 闪光频率（次/min） 动作电流（mA） 生产厂 阿城继电器40～80 ≥1.5 股份有限公司 返回电压≤3%额定值 4.2馈线及分区亭保护装置选型

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4.2.1 WKH-892型保护装置简介

WKH-892型馈线保护装置是是由高性能微机处理实现的馈线保护、测量与控制装置。它适合于电气化铁路直接供电、BT供电和AT供电的牵引网馈线，可以完成馈线保护、测量、控制与故障测距功能，同时具有负荷录波、故障录波、网络通信等自动化功能。

4.2.2 装置的功能：

4.2.2.1 保护功能：

保护设有自适应三段距离保护、电流速断保护、过电流保护、自适应电流增量保护、反时限过负荷保护、接触网保护、一次自动重合闸、PT断线检测、分区所和开闭所检有压元件9种保护。 4.2.2.2 通信功能：

装置设有一个标准的RS232串口、一个标准的RS485GPS校验时接口、一个可以选的光纤LonWorks环网接口、一个可选的以太网络接口。 4.2.2.3 辅助功能：

装置还有测量、控制、遥信、交流采样通道异常告警、故障记录、硬件故障自检、定值切换等辅助功能。

4.2.3 装置的硬件结构：

装置由交流变换插件（J1）、保护CPU插件（J2）、信号插件（J3）、出口插件（J4）、接口插件（J5）和电源插件（J6）组成。硬件结构图如下：

图4-1 装置的硬件结构图

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第五章 选取数个短路点分析保护动作情况

图5-1 短路点分析图

5.1 1处发生短路

如果在变压器差动保护的范围内就由差动保护将DL1跳闸，如果不在差动保护的范围内则根据保护时限由过电流或过负荷保护将DL1跳闸；

5.2 2处发生短路时

由低压起动的过电流或过负荷保护将DL1跳闸；

5.3 处发生短路时

如果是上行馈线保护范围内发生的短路，正常情况下由上行馈线保护的Ⅰ段动作将DL2跳闸；如果保护Ⅰ段拒动，则其保护Ⅱ段、分区亭保护以及下行馈线保护Ⅱ段起动延时跳闸，但由于分区亭动作时限小于其它两者（防止“相继动作”），所以分区亭保护先动作而将DL4跳闸。

如果是分区亭保护范围内发生的短路，则由其保护动作将DL4跳闸，如果分区亭保护拒动，则由上行馈线保护Ⅱ段和下行馈线保护Ⅱ段根据时限将各自的DL2、DL3跳闸。

4处发生的短路分析同3处。

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参考资料

[1]马永翔.电力系统继电保护.中国林业出版社.2006:1-8,169-190 [2]简克良.电力系统分析.成都.西南交通大学出版社.1992:20-41 [3]李自良,陈薇.牵引变电所.中国铁道出版社

[4]钟松茂, 李火元.电力系统继电保护设计指导.中国电力出版社 [5]王国光.变电站综合自动化系统二次回路及运行维护.中国电力出版社 [6]杨晓敏.电力系统继电保护原理及应用.中国电力出版社

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西南交通大学课程设计

后记

通过本次继电保护课程设计，大家的自主动手能力都得到了提高，我本人也将平时所学的知识应用到了设计当中。通过几个过程：问题的探讨、计算过程、装置的选择、短路点分析、作图等过程，我更加了解了继电保护设计中的原则和相应保护的选择及其整定及故障过程中的保护装置动作情况分析，也使得我对上学期所学的知识进行了全面的总结、巩固和复习，也同时也加深了对继电保护这门课的理解，也对其他几门课程设计有一定的帮助。

但在本次设计过程中我遇到了一个问题，就是之前并没有学过微机保护这门课程。为此，要找的WKH-892馈线保护装置还必须借相应的资料以便查阅，也有很多地方不懂的问题，很多新的设计方法给了我很多提示，在作图中也有些问题，但大家的团结一致使问题迎刃而解。

本次设计，刚开始我确实不知该从何开始，由于大家都很松懈，也就没心思开动，但到最后，我还是自己动手开始做，虽然做出来的效果不佳，但这确是自己的劳动成果，做出来也很有成就感。

在此，感谢陈老师抽空给我们答疑，且在电话里面也不厌其烦的为我解答疑问。

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