继电保护原理课程设计报告

专    业：  电气工程及其自动化  

班    级：      电气1102       

姓    名：       ******         

学    号：      201109228       

指导教师：        闵永智        

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2014 年7月11日

1 设计原始资料

1.1具体题目

一台双绕组牵引变压器的容量为25MVA，电压比为110±2×2.5%/27.5kV，Y，d11接线；已知：27.5kV外部短路的最大电流为2400A、最小短路电流为2100A，110kV侧电流互感器变比为300/5，27.5kV侧电流互感器变比为800/5；可靠系数取K_rel=1.3。

试对牵引变压器进行相关保护的设计。

1.2要完成的内容

对变压器进行主保护和后备保护的设计、配置、整定计算和校验。

2 保护方案设计

2.1 主保护配置

为了满足电力系统稳定性方面的要求，当变压器发生故障时，要求保护装置快速切除故障。通常变压器的瓦斯保护和纵差动保护构成双重化快速保护。

变电所的主变压器和动力变压器，都是用变压器油作为绝缘和散热的。当变压器内部故障时，由于短路电流和电弧的作用，故障点附近的绝缘物和变压器油分解而产生气体，同时由于气体的上升和压力的增大会引起油流的变化。利用这个特点构成的保护，叫做瓦斯保护。瓦斯保护主要由瓦斯继电器、信号继电器、保护出口继电器等构成，瓦斯继电器装在变压器油箱和油枕的连接管上。目前，瓦斯保护使用的瓦斯继电器主要是开口杯式的，正常时，上、下开口杯都浸在油内，由于开口杯侧产生的力矩小于平衡锤产生的力矩，因此开口杯处于上升位置，磁力触点断开。当变压器内部发生轻微故障时，聚集在瓦斯继电器内上部的气体使油面下降，上开口杯侧的力矩大于平衡锤所产生的力矩，因此上开口杯绕支点顺时针偏转，带动永久磁铁使磁力触点接通，发出轻瓦斯信号。当变压器内部发生严重故障时，在邮箱内形成的油流冲击进油口挡板而带动下开口杯偏转，永久磁体随着偏转，使磁力支点接通而引起变压器各侧断路器跳闸。

变压器差动保护主要用来保护变压器内部、套管以及引出线上的相间短路，同时也可以保护单相层间短路和接地短路。电流纵差动保护不但能区分保护区内外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时的切除区内各种故障，具有明显的优点。本设计中变压器主保护主要选电流纵差动保护，该保护不需与其他保护配合，可无延时的切断内部短路，动作于变压器高低压两侧断路器跳闸。为了保证动作的选择性，差动保护动作电流应躲开外部短路时的最大不平衡电流。

2.2 后备保护配置

变压器的后备保护选择过电流保护和低电压启动的过电流保护。

低电压启动的过电流保护主要是为了保护外部短路引起的变压器过电流，同时也可以作为变压器差动保护以及馈线保护的后备保护。

变压器的不正常工作包括过负荷运行，对此配置过负荷保护。正常时，变压器不过负荷，电流小于整定值，过负荷保护不动作。当三相负荷对称时，可仅在一相装设过负荷保护。

3 整定计算

3.1 主保护的整定计算

3.1.1 差动保护动作电流计算值

表1 变压器各侧一、二次电流

(1) 躲过外部短路故障时的最大不平衡电流，整定计算式

I_set=K_relI_unb.max                                          (3.1)

式中  K_rel——可靠系数，取1.3；

      I_unb.max——外部短路故障时的最大不平衡电流。

I_unb.max=(f_za +U+0.1K_npK_st)I_k.max                                 (3.2)

式中  I_k.max——外部短路故障时的最大短路电流；

      f_za——由于电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差；

      U——由变压器分接头改变引起的相对误差，一般取调整范围的一半；

      K_np——非周期分量系数，当采取速饱和变流器时，可取为1；

K_st——电流互感器同型系数，取为1；

0.1——电流互感器容许的最大稳态相对误差。

已知f_za =0.134，U=0.05，K_np=1，K_st=1，带入公式(3.2)得

I_unb.max =(0.134+0.05+0.1×1×1)×2400

=681.6(A)

I_set =I_set=K_relI_unb.max =1.3×681.6

              =886.1(A)

(2) 躲过变压器最大励磁涌流，整定式

I_set=K_relI_N                            (3.3)

式中  ——励磁涌流的最大倍数，

I_N——变压器的额定电流。

已知K_rel=1.3,=1，I_N=525，带入公式(3.3)得

I_set =1.3×1×525

=682.5(A)

(3) 按躲过电流互感器二次回路断线计算，即

I_set=K_relI_l.max                             (3.4)

式中  I_l.max——变压器的最大负荷电流，在变压器的最大负荷电流不能确定时，可取变压器的额定电流。

已知K_rel=1.3，I_N =525，带入公式(3.4)得

I_set =1.3×525

 =682.5(A)

按上面的三个条件计算纵差护的动作电流，并选取最大者，比较可知：选躲过外部短路故障时的最大不平衡电流

I_set=886.1(A)                             (3.5)

灵敏度校验

K_sen=                              (3.7)

已知I_k.min=2100，I_set=886.1，带入公式(3.7)得

K_sen=

=2.37

K_sen>2

满足灵敏度要求。

3.2 后备保护的整定计算

3.2.1 变压器过电流保护

由于整定电流

I_set= K_ss I_L.max                        (3.8)

式中  K_re——返回系数；

      K_ss——综合负荷的自启动系数；

      I_L.max——变压器可能出现的最大负荷电流。

已知K_rel=1.2，K_re=0.85，K_ss=1.5，I_L.max=525，带入公式(3.8)得

I_set=

=1111.8(A)

灵敏度校验

K_sen=                             (3.9)

已知I_k.min=2100，I_set=1111.8，带入公式(3.9)得

K_sen =

=1.89

K_sen>1.5

满足灵敏度要求。

3.2.2 低电压启动的过电流保护

过电流保护按躲过可能出现的最大负荷电流整定，启动电流比较大，对于升压变压器或容量较大的降压变压器，灵敏度往往不能满足要求，为此可以采用低电压启动的过电流保护。

采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定

I_set= I_N                             (3.10)

已知K_rel=1.2，K_re=0.85，I_n=1753，带入公式(3.10)得

I_set =

      =741.2(A)

低电压继电器的动作电压按以下条件整定，并取最小值。

(1) 按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定

U_set=                             (3.12)

式中  ——最低工作电压，一般取0.9U_N。

已知U_L.min=24.75，K_rel=0.85，K_re=1.1，带入公式(3.12)得

U_set =

 =26.5(kv)

(2) 按躲过电动机自启动时的电压整定：

当低压继电器由变压器低压侧互感器供电时，计算式为

U_set=(0.5~0.6)U_N                                    (3.13)

当低压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为

U_set=0.7U_N                            (3.14)

对于降压变压器，负荷在低压侧，电动机自启动时高压侧电压比低压侧高了一个变压器压降(标幺值）。所以高压侧取值比较高，但仍按式(3.13)整定，原因是发电机在失磁运行时低压母线电压会比较低。

U_set=0.6×27.5

    =16.5(kV)

电流继电器灵敏度的校验方法与不带低压启动的过电流保护相同。低电压继电器的灵敏系数按下式校验

K_sen=                             (3.15)

要求K_sen≥1.25，当27.5kV侧母线处短路时保护安装处的残压等于零，显然：

K_sen=>1.25

满足要求，可见用低电压启动的过电流保护可作为后备保护。

4 继电保护设备选择

4.1 互感器的选择

在电力系统中，为了保证正常供电及保护贵重设备的安全，都有一套由继电器控制设备组成的继电保护线路。当电力系统中发生故障时，这些保护装置就会动作，切断故障的线路，如果是偶然的故障，还能够通过自动合闸装置，保证正常供电。保护使用的互感器，就是将线路上的大电流(电压)变为一定的小的电流(电压),给继电器等保护装置供电。当线路上发生短路或其它故障，使线路上电流(电压)剧增时，通过电流(电压)互感器供给继电器等保护装置的电流(电压)也剧增，使继电保护装置动作，切断故障线路。保护用电流(电压)互感器的准确级用5P和10P表示，也相当于其允许误差为5%和10%。

4.1.1 电压器互感器的选择

首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级额定容量。所以本题中电压互感器的型号为ZDZJ-3。

4.1.2 电流互感器选择原则

35KV及以上配电装置一般采用油侵瓷箱式绝缘结构的独立电流互感器，常用LCC7系列。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，可以按照变压器额定电流的1/3进行选择。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低于1级，非重要回路可采用3级，用于继电保护的电流互感器，应用D级B级，选型号为LCWD2-35型电流互感器。

4.2 继电器的选择

本设计选用BCH-2型差动继电器，作为两绕组及三绕组电力变压器，以及交流发电机的单相差动。继电器可以预防由非故障状态的不稳定的过渡电流而使保护非选择性的动作。该继电器由执行元件电磁式电流继电器DL-11及中间速饱和交流器组成。

继电器具有短路绕组，它构成差动继电器的一些主要技术性能，速饱和变流器的所有绕组都是制成带有抽头的，这样就可以对继电器的参数进行阶梯性调整。当用BCH-2型继电器来保护电力变压器时，平衡绕组的圈数根据这样的条件来选择，既当发生穿越短路时，所有绕组的匝数应相等。当用继电器保护两绕组变压器时动作电流可以在更细致的范围内进行调整，因为这时可以利用两个平衡绕组。变流器和执行原件放在一个外壳内，为了便于对执行原件单独的校验调整和实验变流器特性时的须要，执行原件的线圈与变流器的二次绕组，平衡绕组与工作绕组是通过连接板相互连接的，因而可以调整试验时接通或断开相应的电路。

5 原理图

5.1 保护测量电路

差动保护测量电路如图1所示

图 5.1 差动保护测量电路原理图

5.2 低电压启动的过电流保护电路

低电压启动的过电流保护原理接线图如图2所示。

图 5.2 低电压启动的过电流保护原理接线图

5 保护评价及结论

一旦变压器内部出现故障时，差动保护与瓦斯保护能否正确反映出来，这与它们的设计原理是密切相关的。主变压气差动保护是按循环电流原理设计制造的，而瓦斯保护是根据变压器的内部故障时会产生或分解气体，针对这一特点设计制造的。

两种保护由于基本原理不一样，因而在作用和保护范围上也有所不同。他们的区别为：差动保护是变压器的主保护，瓦斯保护为变压器内部故障时的主保护。另一个区别是差动保护可装在变压器、发电机、分段母线线路上，而瓦斯保护为变压器独有的保护。

差动保护的优点是能够迅速有选择切除保护范围的故障。其缺点是对变压器内部不严重的匝间短路反映不够灵敏。

参 考 文 献

[1] 张保会.尹项根主编.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005.

[2] 贺家李.李永丽主编.电力系统继电保护原理(第四版)[M].北京:中国电力出版社,2010.

[3] 杨奇逊.黄少锋主编.微型机继电保护基础(第三版)[M].北京:中国电力出版社,2007.

[4] 谭秀炳主编.铁路电力与牵引供电系统继电保护(第二版).成都:西南交通大学出版社,2011.

第二篇：继电保护原理课程设计报告

继电保护原理课程设计报告

专    业： 电气工程及其自动化 

班    级：     1       

姓    名：             

学    号：            

指导教师：          

兰州交通大学自动化与电气工程学院

20##年7月18日

1设计资料

1.1题目

如下图所示网络，系统参数为：,,，，，，，，线路阻抗，，，，，，,，试对线路中保护3和保护9进行三段电流保护设计。

图1 题目的线路图

1.2要完成的内容

电流保护是对于反应于短路电流幅值增大而动作的保护。本设计要完成的内容是对电流保护的原理和计算原则的简述，并对线路各参数进行分析及对保护3和保护9进行电流保护的具体整定计算。

2问题分析及方案设计

根据规程要求110kV线路保护包括完整的三段相间距离保护、三段接地距离保护、三段零序方向过流保护和低频率保护，并配有三相一次重合闸功能、过负荷告警功能，跳合闸操作回路。

在本题中涉及的是三段过流保护。其中，I段、II段可方向闭锁，保证了保护的选择性。各段电流及时间定值可独立整定，方向元件采用正序电压极化，方向元件和电流元件接成按相启动方式。

(1)系统运行方式的考虑

除考虑发电厂发电容量的最大和最小运行方式外，还必须考虑在设备检修或故障切除的情况下，发生短路时流过保护装置的短路电流最大和最小的系统运行方式，以便计算保护的整定值和保护灵敏度。在需采用电流电压联锁速断保护时，还必须考虑系统的正常运行方式。

(2)短路点的选取

求不同保护的整定值和灵敏度时，应注意短路点的选择。若要绘制短路电流、电压与距离的关系曲线，每一条线路上的短路点至少要取三点，即线路的始端、中点和末端三点。

(3)短路类型的选取

相间短路保护的整定计算应取系统最大运行方式下三相短路电流，以作动作电流整定之用，而在系统最小运行方式下计算两相短路电流，以作计算灵敏度之用。

3保护配置及短路电流计算

选用保护方式时，首先考虑采用最简单的保护，以便提高保护的可靠性。当采用简单保护不能同时满足选择性、灵敏性和速动性要求时，则可采用较复杂的保护方式。

选用保护方式时，可先选择主保护，然后选择后备保护。通过整定计算，检验能否满足灵敏性和速动性的要求。

当采用的保护不能很好地满足选择性或速动性的要求时，允许采用自动重合闸来校正选择性或加速保护动作。

当灵敏度不能满足要求时，在满足速动性的前下，可考虑利用保护的相继动作，以提高保护的灵敏性。

在用动作电流、电压或动作时间能保证选择性时，不要采用方向元件以简化保护。后备保护的动作电流必须配合，要保证较靠近电源的上一元件保护的动作电流大于下一元件保护的动作电流，且有一定的裕度。

3.1主保护配置

主保护是反应整个元件上的故障，并能最短时延时有选择的切除故障的保护，此处，I段电流速断保护、II段限时电流速断保护构成本设计的主保护。

3.2后备保护配置

后备保护是反应当主保护拒动时能够切除故障的保护，它作为下级主保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，同时作为本线路主保护拒动时的近后备保护。也可作为过负荷时的保护，一般采用过电流保护。本设计中，III段定时限过电流保护作为后备保护。

3.3短路电流计算

3.3.1等效电路的建立

由已知可得

                                                            (1)                             

其中，Z—线路单位长度阻抗；

  L—是线路长度。

将数据代入公式(1)得

图2 等效电路图

3.3.2短路点的选取

由电力系统分析课程知识可知，当供电网络中任意点发生三相和两相短路时，流过短路点与电源间线路中的短路电流近似计算式为

式中：    —系统等效电源的相电动势；

      —短路点至保护安装处之间的阻抗；

      —保护安装处到系统等效电源之间的阻抗；

      —短路类型系数，三相短路取1，两相短路取。

3.3.3短路电流的计算

最大方式下的最小分支系数

最大运行方式是指在相同地点发生相同类型的短路时流过保护安装处的电流最大，其对应的系统的等值阻抗最小，即

在最大方式下:

最小运行方式是指在相同地点发生相同类型的短路时流过保护安装处的短路电流最小，其对应的系统的等值阻抗最大，即

在最小方式下：

4保护配置与整定

4.1主保护的整定与计算

4.1.1动作值

保护3的I段：

保护3的II段：

保护9的I段：

保护9与保护4配合时：

保护9与保护3配合时：

4.1.2动作时间

各保护的时限为

引入时间阶段，则：

4.1.3灵敏度校验

当保护9与保护4配合时：

所以， 符合要求。

当保护9与保护3配合时：

所以，不符合要求。

4.2后备保护的整定与计算

4.2.1动作值

保护3的III段电流为：

保护9的III段电流为：

4.2.2动作时间

保护3的III段时限为：

保护9的III段时限为：

4.2.3灵敏度校验

保护3的III段灵敏度为：

保护9作为近后备时：

保护9作为远后备时：

5继电保护主要设备的选择

5.1电流互感器的选择

互感器是按比例变换电压或电电流的设备。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压(100V)或标准小电流(5A或10A，均指额定值)，以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型，其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护装置等。同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。

(1)小电流选线装置用零序电流互感器；

(2)与DD11/60型继电器配套使用的零序电流互感器；

(3)与DL11/0.2型继电器配套使用的零序电流互感器 ；

(4)精度与容量（额定负荷）的关系。

国标中规定：“在额定频率及额定负荷下，电流误差，相位差和复合误差不超过上表所列限值。”所以所选零序电流互感器的容量要与二次回路（装置及回路）阻抗匹配，才能达到上表精度，如所选容量大时零序电流互感器在使用时将出现正误差，反之则出现负误差。

5.2继电器的选择

正确选用继电器的原则应该是：

(1)继电器的主要技术性能，如触点负荷，动作时间参数，机械和电气寿命等，应满足整机系统的要求；

(2)继电器的结构型式(包括安装方式)与外形尺寸应能适合使用条件的需要；

(3)经济合理。

6总结

当保护线路上发生故障线路时，主要特征为电流增加和电压降低。主保护为电流速断保护和限时电流速断保护，后备保护为定时限过电流保护，它们都是反映电流增高而动作的保护装置，主要区别在于按照不同的原则来选择启动电流。速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，限时电流速断是按照躲开下一级相邻元件电流速断保护的动作电流整定，而定时限过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定。

7原理图绘制

(a)原理接线图

    

(b)交流回路展开图

(c)直流回路展开图

图3三段式电流保护的原理接线图

参考文献

[1] 张保会,尹项根主编.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005:92-153.

[2] 谭秀炳,铁路电力与牵引供电继电保护[M].城都:西南交通大学出版社,1993:100-134.

[3] 于永源,杨绮雯.电力系统分析（第三版）[M].北京:中国水利水电出版社,2007:13-34.

[4] 吕继绍主编,电力系统继电保护设计原理[M].北京:中国水利水电出版社,1986:72-98.

问题：

(1)假设下一段的二段灵敏度不合适，怎么与本段的三段相配合。

(2)二段理论最小保护范围。

(3)保护9怎么和保护3配合。