西南交通大學峨眉校區(qū)課程設計 課程名稱：繼電保護原理與運行 設計題目：牽引變電所繼電保護設計 院 系： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 姓 名： 指導教師： 西南交通大學峨眉校區(qū) 2012年 4月1日課 程 設 計 任 務 書專 業(yè) 鐵道電氣化 姓 名 學 號 開題日期：2009年 2月 23日 完成日期：2009 年 4 月10 日題 目 牽引變電所繼電保護設計 一、設計的目的 通過該設計，初步掌握變電所繼電保護的設計步驟和方法，熟悉有關規(guī)程和設計手冊的使用方法以及繼電保護標準圖的繪制等。 二、設計的內容及要求 （1）牽引變電所繼電保護方案的討論 （2）短路計算 （3）整定計算 （4）繪制標準圖 （5）討論說明 （6）整理成冊 三、指導教師評語 四、成 績 指導教師 陳麗華 (簽章) 2009 年 4 月 10 日繼電保護設計任務書（第2組）一、 設計目的通過該設計，初步掌握變電站繼電保護的設計步驟和方法，熟悉有關規(guī)程和設計手冊的使用方法以及繼電保護標準圖的繪制等。二、 設計的主要內容1、 牽引變電所繼電保護方案的討論。2、 短路計算。3、 整定計算。4、 繪制標準圖。5、 討論說明。6、 整理成冊。三、 原始資料1、供電方式：復線單邊2、電氣主接線： 110KV側雙T接線27.5KV側單母線分段3、變電所參數(shù)項目電源類別主電源備用電源系統(tǒng)阻抗最大運行方式0.4940.361最小運行方式0.5270.517牽引變容量（KVA）215000LH變比（Y/）30/120牽引饋線名稱左右最大負荷電流（A）447530饋線長度（KM）16.1323.67單位阻抗（/KM）0.7875LH變比120母線最低工作電壓（KV）254、分區(qū)亭參數(shù)饋線左右最大負荷電流（A）240240LH變比8080母線最低工作電壓（KV）2020四、 設計步驟1、 熟悉原始資料，并確定電氣主接線圖。（第1周）2、 變電所繼電保護方案討論及初選。（第1周）3、 根據繼電保護的需要選擇短路點，并進行短路計算。（第2周）4、 進行保護的整定計算，確定最后的保護方案并進行保護裝置的選型。（第3周）5、 標準圖繪制。（第4、5周）6、 分析說明。（第4、5周）7、 整理成冊。（第6周）五、課程設計論文包含的內容1、 設計任務書2、 目錄3、 方案討論說明4、 短路計算5、 整定計算6、 設備選型7、 選取數(shù)個短路點，分析保護動作情況。8、 附圖：（1）主變保護原理圖（2）饋線保護原理圖（3）時限配合圖9、 參考資料10、后記目錄第一章 方案討論說明51.1繼電保護原理51.2繼電保護裝置的分類51.3保護裝置的配合61.4保護的后備問題61.5進線保護71.6變壓器保護71.7牽引網饋線保護91.8分區(qū)亭保護9第二章 短路計算112.1主變短路計算112.2饋線短路計算122.3分區(qū)亭短路計算13第三章 整定計算143.1瓦斯保護143.2差動保護153.3低壓起動的過電流保護173.4過負荷保護183.5接地保護183.6牽引網饋線保護183.7分區(qū)亭保護20第四章 設備選型214.1變壓器保護裝置選型及其參數(shù)214.2饋線及分區(qū)亭保護裝置選型22第五章 選取數(shù)個短路點,分析保護動作情況23附 圖25參考資料32后 記33第一章 方案討論說明1.1繼電保護原理當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)時，系統(tǒng)的電氣參量會有很大的變化。繼電保護就是通過測量這些參量的變化來反映故障并構成對電力系統(tǒng)的保護。例如：反應電流增大的電流保護；反應電壓降低的電壓保護；反應電流增大及電壓降低的阻抗保護等等。在保護的設計中，對保護裝置的基本要求是選擇性、速動性、靈敏性和可靠性。為保證電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運行的目的，必須要正確認識和處理好保護這四項基本要求之間既矛盾又相統(tǒng)一的辨證關系，不能片面強調某一方面的要求，更不能使某一方面達不到要求。為此，可以根據以下原則來進行更好地把握：嚴格的選擇性、需要的速動性、足夠的靈敏性和必要的可靠性。在滿足基本要求的前提下，應選用最簡單的保護方式，這不僅能使調整實驗簡單，而且能提高工作可靠性，只有在簡單保護不能滿足要求時，才考慮選用較復雜的保護裝置。此外，為更好的滿足保護的基本要求，對各處保護裝置需要采用適當?shù)呐浜霞氨匾暮髠洹?.2繼電保護裝置的分類根據保護裝置反應物理量的不同分為：電流保護、電壓保護、距離保護、差動保護和瓦斯保護等。根據被保護對象的不同分為：發(fā)電機保護、輸電線保護、母線保護、變壓器保護、電動機保護等。電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中，主要有110kv輸電線保護、變壓器保護、牽引網保護及補償電容保護等。根據保護裝置的組成元件不同分為：電磁型、半導體型、數(shù)字型及微機保護裝置等。根據保護裝置的作用不同可分為：主保護、后備保護，以及為了改善保護裝置的某種性能而專門設置的輔助保護裝置等。1.3保護裝置的配合保護裝置的相互配合是保證供電系統(tǒng)安全運行的重要因素。在各種運行下，各元件的保護裝置之間在靈敏度和動作時間上限應得到配合。所謂靈敏度配合就是保護范圍的配合，既在各種可能出現(xiàn)的運行方式下，裝在元件本側的帶時限動作的保護裝置的保護范圍，應小于裝載在相鄰元件上同它相配合的保護裝置的動作范圍。實現(xiàn)靈敏度配合后，供電系統(tǒng)任意一點發(fā)生故障時，離故障點最近的保護裝置的靈敏度最高，離的越遠的裝置靈敏度越低。而動作時限配合，指元件本側保護裝置的動作時限大于與它相配合的相鄰元件的動作時限，這樣，當發(fā)生故障時，故障所在線路的保護裝置的動作時限最短。為了保證保護裝置動作的選擇性必須滿足靈敏度和動作時限相互配合的要求。只滿足某一方面都可能導致保護裝置的非選擇性動作。1.4保護的后備問題在繼電保護中，有主保護和后備保護及輔助保護。在被保護元件整個保護范圍里發(fā)生故障時，能以最短的時限動作切除故障的元件叫主保護，當本元件的主保護及相鄰元件的保護或熔斷器拒動時，能保證帶一定延時切除故障的保護叫后備保護，為克服方向保護的死區(qū)，或加速切除故障的保護叫輔助保護。后備保護分兩種：遠后備保護，即用相鄰元件的保護作本元件的后備保護。有的主保護按其動作原理不能反應被保護元件的外部故障，則應另加簡單的后備保護，為本元件和相臨元件的后備保護。但其缺點就是動作時間很長，這是由于它必須與相臨元件配合的原因，另外其靈敏性不高的情況下，都是由相臨元件主保護完成動作。近后備保護，即本元件加設專門的后備保護。其缺點就是保護及操作回路很復雜，使供電系統(tǒng)保護動作時間普遍加長。1.5進線保護目前牽引變電所高壓側接線有雙T接線、橋形接線、單母線接線及雙母線接線四種接線方式。其中雙T接線方式一般多采用兩回進線，任一電源線路故障，則由輸電線路兩側繼電保護動作，使兩端斷路器跳閘而斷開。為了防止110KV線路單相接地時，在中性點不接地的變壓器高壓側產生反饋過電壓，必須在110KV線路電源側的斷路器切斷前，將變壓器低壓側斷路器切除，為此可采用零序保護。此外，當110KV發(fā)生相間短路時，也應將變壓器的斷路器切斷，為此應增設方向電流保護或低電壓保護，作為線路相間短路保護。當110KV故障時，功率方向為由變壓器低壓側流向高壓側，于是功率方向繼電器將保護啟動，切斷故障。由于本次設計進線選擇是雙T接線方式，故在此僅對T接方式進線保護作以上說明，另外兩種接線方式此略。1.6變壓器保護變壓器存在空載合閘、正常運行、短路故障和不正常工作四種情況?？蛰d合閘將產生較大的沖擊性勵磁電流，勵磁電流含有大量的二次諧波電流分量和衰減性直流分量。短路故障又分為內部和外部故障兩種，其中內部故障指相間短路、單相匝間短路、層間短路、單相接地短路及鐵心燒損等；變壓器外部故障指套管、引出線短路、燒損等。不正常工作狀態(tài)主要包括變壓器過負荷運行、油溫過高、油面過低，這些將導致變壓器線圈與鐵芯的過熱，加速絕緣老化。牽引變壓器保護裝置的設置必須滿足以下要求：當變壓器正常運行和空載合閘以及外部故障被切除時，保護裝置不應動作。當變壓器發(fā)生短路故障時，保護裝置應可靠而迅速地動作。當變壓器出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)時，保護裝置應能給出相應的信號。根據電力設計規(guī)程的規(guī)定，牽引變壓器可設置如下保護：主保護瓦斯保護用于反應變壓器油箱內部的短路故障。差動保護既能反應變壓器油箱內的短路故障，也能反應變壓器油箱外引出線及母線上發(fā)生的短路故障。主保護為瞬時動作，且動作后變壓器各側斷路器均跳閘，變壓器退出運行。后備保護過電流保護：作為變壓器短路故障的后備保護，當主保護拒動時，后備保護經一定延時后動作，變壓器退出運行。后備保護包括變壓器110kv側過電流保護和中性點零序過電流保護。110kv側過電流保護實際采用低電壓起動的過電流保護，以提高過電流保護的靈敏度。變壓器外部短路故障的電流保護：該保護用于變壓器的27.5kv側，作為27.5kv側母線短路故障的保護和牽引網短路故障的后備保護。輔助性保護包括變壓器的過負荷保護、過熱保護和輕瓦斯保護。保護動作后，只發(fā)出相應的信號。本次設計選擇的是215000KVA Y/型變壓器。保護可選擇為Y/接地三相變壓器的保護，主要有瓦斯保護、差動保護、低電壓起動的過電流保護及過負荷保護等。1.7牽引網饋線保護由于本次設計為復線單邊供電方式，故牽引網饋線保護有兩種方案：第一段用電流速斷，做主保護，按躲避分區(qū)亭最大短路電流整定，第二段為距離保護，作為分區(qū)亭保護的遠后備保護和本段線路的近后備保護。若最小運行方式下，電流速斷保護的范圍小于饋線長度的五分之一，則一段二段都用距離保護。注意：饋線保護第二段的動作時限計算短路后繼電器的測量阻抗時要考慮兩回路的互感。應考慮到分區(qū)亭后短路時所測量的電弧電阻會加大一倍。1.8分區(qū)亭保護分區(qū)亭設于兩個牽引變電所的中間，可使相鄰的接觸網供電區(qū)段(同一供電臂的上、下行或兩相鄰變電所的兩供電臂)實現(xiàn)并聯(lián)或單獨工作。如果分區(qū)亭兩側的某一區(qū)段接觸網發(fā)生短路故障，可由供電的牽引變電所饋電線斷路器及分區(qū)亭斷路器，在繼電保護的作用下自動跳閘，將故障段接觸網切除，而非故障段的接觸網仍照常工作，從而使事故范圍縮小一半。綜上分析，可得本變電所繼電保護初選方案如下：110KV進線側的保護方案：由于110KV進線側的接線方式為雙T接線，因此不需要專門在進線側設繼電保護，其保護由電力系統(tǒng)的繼電保護完成。電力變壓器保護方案：針對變壓器的內部故障，設置瓦斯保護：重瓦斯跳閘，輕瓦斯給信號。設置縱聯(lián)差動保護作為變壓器的主保護，反應變壓器的繞組，引出線及套管上各種短路故障。采用變壓器相間短路的后備保護作為變壓器主保護的后備保護及相鄰線路的后備保護低壓起動的A相及B相過電流保護。在110KV側裝設低壓起動的三相過電流保護，作為27.5KV側的過流保護及變壓器保護的后備保護。接地保護：裝設于變壓器中性點接地的電流互感器上，用于判斷單相接地故障。交流牽引網饋線保護方案初選：采用DTK-2 成套保護裝置為主保護，另設一套過電流保護裝置作為后備保護的兩段保護分區(qū)亭保護方案：兩段距離保護第二章 短路計算2.1主變短路計算圖2-1 系統(tǒng)等效電路圖元件標幺值計算：其中 % =0.7由于 110kv側進線不設專門保護，故對點不用進行短路計算對點短路計算：點最大三相短路電流：點最小三相短路電流點最大兩相短路電流：2.2饋線短路計算圖2-2 系統(tǒng)單相等效圖選擇短路點如圖 元件標幺值計算：取 % 饋線長度左：16.13km；右：23.67km左饋線阻抗右饋線阻抗短路點計算：此圖中的 點等同于圖2-1中的點，故、點最大短路電流、點最小短路電流選擇、點短路時：左饋線右饋線2.3分區(qū)亭短路計算：圖2-3 分區(qū)亭短路示意圖取短路點短路計算值如下表所示 短路電流短路點最大短路電流（A）最小短路電流（A）主變電短路1978.321710.68饋線短路左饋線1129.711037.06右饋線941.02875.84分區(qū)亭2070.731912.9第三章 整定計算3.1瓦斯保護變壓器內部故障時，由于電流和電弧作用使附近的絕緣分解而產生氣體，同時由于氣體是上升會引起油流式變化，利用這個特點構成瓦斯保護，它裝在變壓器油箱和油枕的銜接管道上。它結構簡單、經濟、靈敏度高，能反映變壓器油箱的一切故障及時動作。當變壓器內部發(fā)生輕微的故障，電弧附近的油汽化，但產生的氣體少，繼電器內部油面下降，接點接通，給出瓦斯保護延時動作報警信號；當發(fā)生嚴重故障時，電流電弧附近強烈汽化壓力升高，形成油流，接點接通并作用挑閘，此動作時限一般為0.61ms，即當油流速度達到上述時動作，其動作值大于最大短路電流引起的油流速度。本次采用開口瓦斯繼電器。圖2-3開口瓦斯繼電器原理接線圖3.2差動保護選用BCH-2差動繼電器。整定計算與靈敏校驗：計算變壓器各側的額定電流 計算變壓器各側實際電流值I，其中（LH為Y接）或(LH為接)牽引變電所LH變比為（）30/120110KV側為接， 27.5KV側為接， 所以基本側為110KV側計算動作值27.5KV側的最大短路電流歸算至110KV側：按躲整定： =1.3（0.50.1+0.05+0.05）494.58 =96.44A按躲LH二次回路斷線：按躲中較大周期分量：所以取二次側動作電流為：計算和的匝數(shù)取則 取則 ，所以滿足要求。確定短路線圈匝數(shù)：因容量是15000KVA，所以選用短路線圈插頭位置33。（5）靈敏度效驗 得27.5KV母線最小兩相短路電流為，歸算至110KV側則：歸算后流入繼電器的電流為：，滿足要求3.3低壓起動的過電流保護為了保護外部短路引起的變壓器過電流，應裝設過電流保護。同時，它為可以作為變壓器差動保護以及饋線保護的后備保護。本次采用低壓起動的過電流保護。電流元件，按額定電流整定；靈敏度效驗：1.5，滿足靈敏度要求電壓元件，已按額定電壓進行整定：保護的動作時限為=1s3.4過負荷保護變壓器的不正常狀態(tài)還包括變壓器的過負荷運行，保護裝置實際就是一套電流保護裝置。整定如下：保護動作時限=9s3.5接地保護接地保護和中性點直接保護一樣都是采用零序保護，接地保護主要用來保護外部接地短路引起的過電流，從動作時間上應于母線和線路保護相配合。整定如下：保護動作時限=3.5s3.6牽引網饋線保護牽引網饋線保采用DTK-2 成套保護裝置，并且另設一套過電流保護裝置作為后備。其整定計算如下：最大負荷電流：左；右最低工作電壓線路阻抗：左 右LH變比=120；YH變比=275距離保護阻抗動作值：則左饋線右饋線距離保護靈敏系數(shù)：則左饋線則右饋線電流元件整定電流：則左饋線則右饋線過流保護靈敏系數(shù)：則左饋線則右饋線3.7分區(qū)亭保護為保證饋線上任何一點發(fā)生短路時分區(qū)亭都要跳閘則用兩段距離保護分區(qū)亭參數(shù)如下表所示：饋線左右最大負荷電流（A）240240LH變比8080母線最低工作電壓（KV）2020最大負荷電流：左 右最低工作電壓線路阻抗：左 右LH變比；YH變比（1）距離保護阻抗動作值：則左饋線右饋線（2）距離保護靈敏系數(shù)：則左饋線則右饋線電流元件整定電流則左饋線右饋線過流保護靈敏系數(shù)：則左饋線則右饋線動作時限：主保護=0.1s；后備保護=0.5s第四章 設備選型4.1變壓器保護裝置選型及其參數(shù)BCH-2型差動繼電器。變壓器保護的低壓繼電器，選用DY20E系列，其中選用最大整定值為160的低壓繼電器。表4-1參數(shù)型號動作類型最大整定值返回系數(shù)動作時間DY-26E低電壓48、160、3201.250.5倍動作值時0.15DY-27EDY-28EDY-29E過電流作用的電流繼電器，選用DL10系列，參數(shù)如表4-2：表4-2型號最大整定值(A)整定范圍返回系數(shù)動作時間生產廠DL-11102.5100.81.2倍動作值時0.15上海繼電器有限公司等DL-12DL-13時間繼電器，選用SS48/I，參數(shù)如表4-3：表4-3型號延時范圍電源種類觸點類型整定誤差生產廠SS48/I0.029.99DC/AC2延時動合2瞬動轉換（10%整定值+3ms）阿城繼電器二廠所有信號繼電器，選用DX19E閃光信號繼電器，參數(shù)如表4-4：表4-4額定值動作值返回值閃光頻率（次/min）動作電流（mA）生產廠DC：220、110、48VAC：220V、50Hz動作電壓80%額定值返回電壓3%額定值40801.5阿城繼電器股份有限公司4.2饋線及分區(qū)亭保護裝置選型DTK2成套保護裝置將其插件組合為兩段距離保護。其時間及信號繼電器型號和參數(shù)同上，全阻抗繼電器型號和參數(shù)如下：功率方向繼電器的參數(shù)和技術數(shù)據表4-5：表4-5型號額定電壓（V）額定電流（A）最大靈敏角（）動作時間（ms）LG1110057030（4）阻抗繼電器的參數(shù)和技術數(shù)據表4-6：表4-6型號額定電壓（V）額定電流（A）最大靈敏角（）動作時間（ms）LG2110056530（5）中間繼電器參數(shù)和技術數(shù)據表4-7：表4-7型號額定電壓（V）動作電壓返回電壓動作時間（S）觸點長期允許電流（A）觸點斷開容量DZ61110、22075%額定電壓5%額定電壓0.035DC：50WAC：500VA第5章 選取數(shù)個短路點,分析保護動作情況分析：1處發(fā)生短路時，如果在變壓器差動保護的范圍內就由差動保護將DL1跳閘，如果不在差動保護的范圍內則根據保護時限由過電流或過負荷保護將DL1跳閘；2處發(fā)生短路時，由低壓起動的過電流或過負荷保護將DL1跳閘；3處發(fā)生短路時，如果是上行饋線保護范圍內發(fā)生的短路，正常情況下由上行饋線保護的段動作將DL2跳閘；如果保護段拒動，則其保護段、分區(qū)亭保護以及下行饋線保護段起動延時跳閘，但由于分區(qū)亭動作時限小于其它兩者（防止“相繼動作”），所以分區(qū)亭保護先動作而將DL4跳閘。如果是分區(qū)亭保護范圍內發(fā)生的短路，則由其保護動作將DL4跳閘，如果分區(qū)亭保護拒動，則由上行饋線保護段和下行饋線保護段根據時限將各自的DL2、DL3跳閘。4處發(fā)生的短路分析同3處。附圖一 電氣主接線圖附圖二 主變差動保護原理接線圖I-I CDJ-1I-I CDJ-2I-I CDJ-3ZJXJDLRT+附圖三 主變壓器保護原理接線圖1U U I 1CDJ2CDJ3CDJ1XJ1LP2LP3LPQP2XJ3XJ4XJ1SJ2SJWSJ1BCJ2BCJ6RWSJ7XJYZJ4LP5LP1YJ2YJ1LJ2LJ3LJ8LJ4LJ5LJ1SJ2SJ3SJ1BCT6LP1SJ1R2SJ2R3R3SJ差動保護保護出口繼電器低壓起動過電流接地保護重瓦斯輕瓦斯低壓起動過電流保護接地保護過負荷保護至110KV分閘回路附圖四 主變壓器保護原理接線圖2附圖五 主變保護原理接線圖3I27.5KVA相電流保護至27.5KVA相分閘回路6LJYZJ4SJ4SJ4R4SJ5XJ7LP8LP2BCJI27.5KVB相電流保護至27.5KVB相分閘回路9LP10LP2BCJ6XJ5SJ7LJYZJ5SJ5SJ5R附圖六 27.5KV饋線回路接線圖3LH1432EUHEUH1YM21YM27FU8FUA611C611附圖七 27.5KV饋線回路中DTK-2保護裝置原理接線圖+KMRDWKWKYDRYDFWJa17PFWJSJFTJFTJFTJFTJRFT/24K18DLDL20HCFQHWJRHWJFTJLJZJlph5560RCDFWJbcdeRFDCZHSANZJLJDZHZHJRZHJZHJSJCYSfglLJ1LJZJ1ZJSJ1SJ1LJ1ZJ1SJLDZDHDRLDRZDRHD1LJ1ZJ1SJR1LJR1ZJR1SJlgfedcb1413FAFHFH參考資料1電力系統(tǒng)分析 簡克良 主編 西南交通大學出版社2繼電保護及自動裝置 王永康 主編 中國鐵道出版社后記通過這次牽引變電所繼電保護設計，我更進一步了解了繼電保護設計中應注意的一些原則以及選擇電牽引供電系統(tǒng)保護方式的問題,熟悉了短路計算、保護的選擇及其整定，以及短路故障發(fā)生時保護裝置的動作情況分析。這次設計，使我對上學期所學習的繼電保護的知識進行了一次系統(tǒng)的總結和復習，并且在本次設計中對以前不足的知識進行了再一次的鞏固和學習。通過這次牽引供變電繼電保護課程設計，我對繼電保護對于電力系統(tǒng)的正常運行的重要性有了更全面的，更深入的理解和體會。在設計過程中,通過相關的參考書目，我接觸到了更多課本上未曾深入研究和探討的問題，并且接觸了新的保護裝置，了解了新的設計方法，為今后的工作和深入學習奠定了一定的基礎。因為這次設計是在實習單位做的，得到了單位胡繼剛總工的細心指導，在此表示感謝。同時，深深地感謝陳麗華老師的關心與關懷，以及在校期間對我的極大幫助！第34頁