110KV降压变电所继电保护设计.docx
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110KV降压变电所继电保护设计
摘要
本次设计根据相关资料及参考书籍，作出了110KV降压变电所继电保护设计。
本设计说明书内容大致共分为五章，包括设计资料分析、参数计算、保护装置选择、各保护的整定计算、微机保护等。
本设计以实际负荷为依据，变电所的最佳运行为基础，按照有关规定，完成了满足要求的110KV降压变电所继电保护设计。
变电所担负着从电力系统受电，经过变压，然后配电的任务。
它也是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。
为保证电能的质量以及设备的安全，在变电所中还需进行电压调整、潮流控制以及输配电线路和主要电工设备的保护。
继电保护的发展是伴随电力系统、电子技术、计算机技术、通信技术的发展而发展。
从它的构成原理方面来看，一直是随着电力系统发展而不断提出相应的新原理保护，新原理保护又在电力系统运行中不断完善，不断趋向成熟。
目前微机保护已经普遍应用，它与以往的各种类型的继电保护相比，是采用数字计算技术实现的各种保护功能。
它具有灵活性大、可靠性高、易于获得附加功能和维护调试方便等优点，因此必将越来越多的应用，有着很好的发展前途。
[关键词]110KV变电所继电保护微机保护
Abstract
Thisdesignaccordingtotherelevantmaterialsandreferencebooks,madea110kvstep-downsubstationrelayprotectiondesign.Thisdesigncontentisdividedintofivechapters,includingthedesignofdataanalysis,parametercalculationandprotectivedeviceselection,theprotectionsettingcalculationandmicrocomputerprotection,etc.Thisdesignwasbasedontheactualload,basedontheoptimaloperationofsubstation,shall,inaccordancewiththerelevantregulationsandspecification,andfinishedthemeettherequirementsof110kvstep-downsubstationrelayprotectiondesign.
Substationforthepassbytheelectricpowersystem,transformer,thenthedistributionoftasks.Itisalsointhepowersystemvoltageandcurrentofelectricalenergytransformation,concentrationanddistributionofplaces.Inordertoensurethesafetyofelectricenergyqualityandequipmentinthesubstationandvoltageregulation,currentcontrolandpowertransmissionanddistributionlinesandtheprotectionofthemainelectricalequipment.
Thedevelopmentofrelayprotectionisalongwiththeelectricpowersystem,thedevelopmentofelectronictechnology,computertechnology,communicationtechnologyanddevelopment.Initsconstitutionprincipleways,hasbeenwiththedevelopmentofpowersystemprotectionandcontinuouslyputforwardnewprinciples,newprinciplesandprotectioninpowersystemintheoperationoftheconstantlyimprove,constantlytomature.Microcomputerprotectionhasbeenwidelyusedatpresent,itiscomparedwiththepreviousallkindsofrelayprotection,istousedigitalcomputingtechnologytoachievevariousprotectionfunctions.Ithasgreatflexibility,highreliability,easytogetadditionalfeaturesandmaintenanceconvenientdebugging,sowillbemoreandmoreapplications,hasaverygooddevelopmentfuture.
[Keywords]110KVSubstationrelayprotectionmicrocomputerprotection
1引言
本次设计的目的是对110KV降压变电所进行继电保护设计，由于110KV属于高电压，可能因为自然因素或动物、人为因素造成一些故障，所以要进行必要的继电保护设计。
本次设计主要采用参数计算、整定计算和微机保护等方法进行各种短路电流计算，把涉及的每个元件参数的计算出来，然后选择适当的器件，最终完成降压变电所继电保护设计。
通过这次的设计，对于一些常见的故障，能够较好地完成对故障的切除，从而保证了供电的可靠性和电力系统的正常运行。
2设计分析
2.1设计原始资料
某变电所的电气主接线如附图所示。
两台变压器均为三绕组、油浸、强迫风冷、分级绝缘结构。
参数均为：
S=31.5MVA
电压：
110±4*2.5%/2*2.5%/11KV
接线：
YN,Y0，d11
短路电压：
Uq*z=10.5%
Uq*d=10.5%
Uz*d=10.5%
两台变压器同时运行110KV侧的中性点一台接地，若只一台运行，则运行的这台变压器中性点必须接地。
其余参数见附图所示。
2.2继电保护简介
2.2.1继电保护任务
（1）当电力系统中某电气元件发生故障时，能自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，避免故障元件继续遭到破坏，使非故障元件迅速恢复正常运行。
（2）当电力系统中电气元件出现不正常运行状态时，能及时反应并根据运行维护的条件发出信号或跳闸。
2.2.2继电保护装置的组成
继电保护装置一般由测量元件、逻辑元件、和执行元件三部分组成，如图1所示。
图1继电保护装置基本组成框图
测量元件
测量元件的作用是，测量从被保护对象输入的有关物理量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。
逻辑元件
逻辑元件的作用是，根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态，出现的逻辑顺序或它们的组合，使保护装置按一定逻辑关系工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。
执行元件
执行元件的作用是，根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。
如：
故障时跳闸，不正常运行时发信号，正常运行时不动作等。
3参数计算
3..1系统中短路电流计算
（取基准容量为Si=100MVA）根据已知条件和电气主接线图可得：
=1/2（0.105+0.105-0.105）=0.0525
=1/2×（0.105+0.105-0.105）=0.0525
=1/2×（0.105+0.105-0.105）=0.0525
电抗参数计算;
变压器B1的电抗：
XB1。
q=0.0525×100/31.5=0.17XB1。
z=0.0525×100/31.5=0.17
XB1。
d=0.0525×100/31.5=0.17
线路的电抗：
XL1=0.4×15×100/1152=0.045XL3=0.4×35×100/1152=0.106
图2等效电抗
（a）正序等效电抗（b）负序等效电抗
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；变压器后备保护作线路的远后备时，要检验d3和d4两点的灵敏度。
因此，除需要计算出d1和d2两点的最大、最小短路电流外，还需要计算出d3和d4两点的最小短路电流。
分别计算如下：
取基准电压为
=115KV
则：
基准电流为
=502（A）
（1）d1的短路电流
=502×1/（0.11+0.17+0.17）=1115.6（A）
=0.866×502/（0.2+0.17+0.17）=805.1（A）
（2）d2的短路电流
=502/（0.11+0.17+0.17）=1115.6（A）
=0.866×502/（0.2+0.17+0.17）=805.1（A）
（3）d3的短路电流
=502×0.866/（0.2+0.17+0.17+0.106）=673（A）
（4）d4的短路电流
=502×0.866/（0.2+0.17+0.17+0.045）=743（A）
4保护装置选择
表1变压器保护装置选择
序号
保护名称
型号
1
纵差保护
BCH-1
2
110KV侧复合电压起动的过电流保护
DY-4，DL-11，DY-25
3
35KV侧方向电流保护
LG-11，DL-11
4
110KV侧零序过电流保护
DL-13
5
瓦斯保护
QJ-80
变压器的纵差保护是比较被保护设备各侧电流的相位和数值的大小，由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不相同，再加上变压器各侧电流的相位往往不相等。
因此，为了保证差动保护的正确工作，需适当选择各侧电流互感器的变比，及各侧电流相位的补偿，使得正常运行和外短路故障时，两次二次电流相等。
复合电压启动的过电流保护易用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护不满足灵敏度要求的降压变压器。
零序过电流保护是对于变电所采用一部分变压器中性点接地运行的方式，以保证在各种运行方式下，变压器中性点接地的数目和位置尽量维持不变，从而保证有稳定的保护范围和足够的灵敏度。
瓦斯保护是为了保证变压器内部不被损坏，避免影响电力系统的正常运行。
5各保护的整定计算
5.1纵差保护的整定计算
BCH-1型差动继电器：
BCH-1型差动继电器是在速度和变流器的基础上，增加了一组制动线圈，利用外部短路时的短路电流来实现制动，使继电器的启动电流随制动电流的增加而增加。
它能够可靠躲过外部短路故障时的不平衡电流，并提高内部故障的灵敏性。
BCH-1型差动继电器的组成部分
它由速饱和变流器和执行元件（DL-11/0.2型电流继电器）组成。
其中速饱和变流器上有以下线圈：
1差动线圈Ld和两个平衡线圈Lbal1、Lbal2，它们同向绕于中间柱上。
2制动线圈Lbrk：
它分为匝数相等的两部分，分别绕于两边柱上且反向串联。
3二次线圈L2:
它分为匝数相等的两部分，分别绕于两边柱上且正向串联，并与执行元件相连接。
BCH-1型差动继电器的工作原理
该原理包括两部分：
即一般的速饱和变流器的原理+制动线圈的制动作用原理。
制动线圈制动原理也可表述为：
当制动线圈通入很大电流时（如区外短路电流），其中的周期分量将差动线圈Ld磁路的工作点推向导磁系数较低的区段工作，因而二次线圈的感应电动势减小。
（1）额定参数的计算（见表2）。
由以上计算结果可知，110KV侧差动臂中的电流为最大，故选110KV侧为计算的基本侧。
表2变压器各侧一、二次电流
名称
变压器各侧数据
额定电压（KV）
110
38.5
11
额定电流（A）
165
473
1650
电流互感器接线方式
△
△
Y
电流互感器变比
300/5
1000/5
2000/5
差动臂中的电流（A）
4.75
4.1
4.12
（2）确定制动线圈的接入方式。
制动线圈接入38.5KV侧。
这是因为如果该侧的外部发生故障时，穿越变压器的短路电流最大。
（3）计算差动保护的一次动作电流。
①按躲过11KV侧外部故障时的最大不平衡电流整定（因为38.5KV侧接有制动线圈，故不必考虑相应不平衡电流），故动作电流的计算值为：
=1.3×（1×0.1+0.1+0.05）×1115.6=362.6（A）
②按躲过变压器励磁涌流计算：
=
=1.5×165=248（A）
③按躲过LH二次回路断线计算：
=
=1.3×165=214.5（A）
选取计算电流
=250.9（A）
（4）差动继电器动作电流和差动线圈匝数计算：
=（
×362.6）/60=10.467（A）
=60/10.467=5.73（匝）
选取
=6匝
则：
继电器的实际动作电流：
=60/6=10（A）
（5）其它各侧工作线圈和平衡线圈的匝数计算：
=
=
=0.92（匝）
=
=
=0.95（匝）
选取：
=
=1（匝）
则：
=
=6+1=7（匝）
（6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差：
=
=（0.92—1）/（0.92+6）=-0.012<0.05；
=
=（0.95-1）/（0.95+6）=-0.007<0.05
即实际误差均小于估算误差，满足要求。
（7）制动系数和制动线圈匝数的计算。
由于系单侧电源，所以制动系数计算为：
=1.3×（1×0.1+0.1+0.05-0.007）=0.316
制动线圈的匝数计算值为：
（匝）
选取
=2（匝）。
（8）校验灵敏度。
对11KV侧，工作安匝为：
（安匝）
对38.5KV侧制动安匝为：
（安匝）
由继电器特性曲线差得
当
安匝，
安匝时
动作安匝为：
安匝
则：
，满足要求。
5.2110KV侧复合电压起动的过流保护的整定计算
（1）电流元件的动作电流：
（A）
（A）
（2）电压元件的动作电流：
（3）负序电压元件的动作电压：
（4）检验灵敏度。
电流元件：
，
作11KV线路后备：
满足要求；
电压要求：
电压元件装在11KV侧，故仅需校验作为线路的后备即可：
满足要求；在此需要指出：
若110KV侧仅采用单纯过流保护，则
则：
满足要求。
5.338.5KV侧方向电流保护
功率方向元件的动作方向，为自变压器指向35KV母线方向。
其电流元件的动作电流为：
满足要求。
5.4110KV侧零序过电流保护
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过最大不平衡电流计算。
电压元件的动作电压为：
满足要求。
动作时限的整定：
以0.5S跳中性点不接地运行的变压器；以1S跳中性点接地的变压器。
5.5变压器瓦斯保护的整定
轻瓦斯按气体容量整定
重瓦斯按汽油流的流速整定
（对导油管直径为
）。
5.6变压器保护接线全图
变压器保护接线全图见附图。
6微机保护
6.1微机保护装置的特点
微机保护与常规保护相比具有以下特点：
（1）常规保护是布线逻辑的，保护的功能完全依赖于硬件，而微机保护装置则除硬件外，还必须具备相应的软件，因此微机保护可以实现智能化。
（2）常规保护的完好性是依赖于定期检验时发现的，在正常运行时保护装置的隐患不能及时发现，一旦系统发生故障，将产生严重的后果，而微机保护装置可利用程序对其硬件进行在线检查，一旦发现问题，可立即报警。
对于软件的异常及干扰的影响，可自动识别并排除。
因而，与常规保护相比，微机保护装置的可靠性大大提高了。
（3）
常规保护装置的功能单一，仅仅是保护功能，而微机保护装置除了能够做到与常规保护完全相同的功能外，还可以提供一些附加功能，例如距离保护的故障类型判别，故障测距，故障录波，事件记录，零序电流方向保护的开口三角电压的极性判断，电压互感器的二次是否发生断线等信息。
（4）与常规保护相比，微机保护具有调试维护方便的特点。
（5）微机保护具有完善的网络通信功能，可适应无人值守或少人值守的自动化变电站。
（6）利用微机的智能特点，可以采用一些新原理，解决一些常规保护难以解决的问题。
例如，采用模糊识别原理或波形对称原理识别判断励磁涌流，利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障，采用自适应原理改善保护的性能等。
（7）对于同一类型的保护对象，微机保护装置可采用相同的硬件结构。
6.2微机保护装置的硬件构成框图
微机保护装置的基本硬件构成如图3所示。
包括数据采集系统DAS，保护微机系统和管理微机系统，输入输出部分，逆变稳压电源等。
图3微机保护装置的硬件构成框图
数据采集系统完成把电压互感器和电流互感器二次的电压、电流信号变换为数字信号，供微机系统使用。
保护微机系统实现具体的继电保护功能，由不同的软件实现不同的继电保护功能。
管理微机系统主要作为人机对话的手段。
对保护微机系统除模拟信号的输入外，还有开关量信号的输入，这些信号通常为外部继电器的接点、保护屏上的投退压板、操作把手的接点等，一般是经光电隔离后输入微机系统。
保护系统通过开关量输出驱动电路使继电器动作。
这些继电器包括跳闸出口继电器、信号继电器、硬件故障的报警继电器等。
管理微机系统通常采用简易的触摸按键作为输入手段，在面板上设有LCD液晶显示模块。
此外，管理微机系统还设有打印机的接口，可为用户提供信息的硬拷贝输出。
6.3微机保护软件的系统配置
软件分为接口软件和保护软件两大部分。
（1）接口软件是人机接口部分的软件，其程序分为监控程序和运行程序。
监控程序主要就是键盘命令处理程序，是为接口插件（或电路）及各CPU保护插件进行调节和整定而设置的程序。
运行程序主要由主程序和定时中断服务程序构成。
主程序主要完成巡检、键盘扫描和处理及故障信息的排列和打印。
定时中断服务程序包括软件时钟程序，以硬件时钟控制并同步各CPU插件的软时钟、检测各CPU插件启动元件是否动作的检测启动程序。
（2）保护软件的配置
各保护CPU插件的保护软件配置为主程序和两个中断服务程序。
保护软件有三种工作状态：
运行、调试和不对应状态。
不同状态时程序流程也就不相同。
7电力变压器微机保护
7.1电力变压器微机保护的配置
7.1.1中、低压变电所主变压器的保护配置
（1）主保护配置
1比率制动式差动保护。
2差动速断保护。
3瓦斯保护。
（2）后备保护配置（中性点不接地系统）
1三段复合电压闭锁方向过电流保护。
2三段过负荷保护。
3冷控失电，主变压器过温报警。
7.1.2高压变电所主变压器的保护配置
（1）主保护配置
1比率制动式差动保护。
2工频变化量比率差动保护。
3差动速断保护。
4瓦斯保护。
（2）后备保护配置（中性点不接地系统）
1相间阻抗保护。
2两段零序方向过流保护。
3反时限过激磁保护。
4过负荷报警。
7.2微机主变保护电流互感器接线原则
常规变压器的差动保护，由于双绕组变压器采用Y，d11接线，高低两侧电流相位差30o,从而在变压器差动回路中产生较大的不平衡电流。
为此要求两侧电流互感器二次侧采用相位补偿接线。
由于微机保护计算的灵活性，允许变压器各侧的电流互感器二次侧都按Y型接线，也可以按常规保护的接线方式。
当两侧都采用Y型接线时，在进行差动计算时由软件对变压器Y侧电流进行相位补偿及电流数值补偿。
如变压器Y侧二次三相电流采样值为
、
、
，则按下式可求得用作差动计算的三相电流
、
、
。
7.3比率制动式差动保护
图6差动继电器的制动特性
比率制动式差动保护的动作电流是随外部短路电流按比率增大，电磁型差动继电器实质上就是一种具有比率制动的差动继电器，它可以通过调节制动绕组匝数，使其动作电流始终大于区外故障时流过制动绕组的制动电流随短路电流增大，差动继电器的动作电流也随之按比率增大，其比率称为制动的比率系数。
7.3.1变压器比率差动保护
变压器比率差动保护程序逻辑框图如图7所示。
图7变压器差动保护逻辑框图
在程序逻辑框图中
、
为比率制动系数整定值，
为二次谐波制动系数整定值。
可见比率差动保护动作的三个判据是与的关系，必须同时满足才能动作与跳闸。
而差动速断保护是作为比率差动保护的辅助保护。
在比率差动保护不能快速反应严重区内故障时，差动速断保护应无时延地快速出口跳闸。
因此这两种保护是或的逻辑关系。
比率差动保护在TA二次回路断线时会产生很大的差动电流而误动作，所以必须经TA断线闭锁的否门再经与门Y3才能出口动作。
当TA断线时与门Y3被闭锁住，不能出口动作。
7.3.2距离保护
距离保护阶梯形时限特性如图8所示。
Ⅰ段瞬时动作，为保证选择性，保护区不能伸出本线路，即测量阻抗小于本线路Ⅰ段动作阻抗时动作。
如图8所示，引入可靠系数
，保护PD1的Ⅰ段动作阻抗
为
Ⅱ段延时动作，为保证选择性，保护区不能伸出相邻线路Ⅰ段保护区，即测量阻抗小于本线路阻抗与相邻线路Ⅰ段动作阻抗之和时动作。
引入可靠系数
（一般取0.8），保护PD1的段动作阻抗为
Ⅲ段除了作为本线路的近后备保护外，还要作为相邻线路的远后备保护。
距离保护如图9所示，由启动元件、测量元件与逻辑回路三部分组成。
图9三段式距离保护单相原理框图
7.4WBZ196B型微机变压器综合保护装置
7.4.1保护配置及工作原理
当A、C相电流中任何一相电流的幅值大于任一段电流保护的整定值并达到整定延时后保护即动作。
三段都可以独立地用控制字选择投入或退出，Ⅲ段还可通过控制字选择投跳闸或告警。
跳闸信号
跳闸出口
信息显示及远传
告警信号
信息显示及远传
图10高压侧三段定时限过流保护逻辑框图
7.4.2高压侧过负荷保护
本保护为平方曲线的反时限保护，装置严格按照公式计算进行积分，当积分值达到动作值后保护出口。
可以用控制字选择投入或退出，还可通过控制字选择投跳闸或告警。
7.4.3高压侧零序电流保护
高压侧采用专用零序CT，可准确检测零序电流，当零序电流大于整定值并达到整定延时后保护动作。
可以通过控制字选择投跳闸或仅发信号，装置配有单独的零序接地信号。
跳闸信号
跳闸出口
信息显示及远传
接地信号
信息显示及远传
图11高压侧零序电流保护逻辑框图
7.4.4高压侧不
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