110kV地区变电站继电保护设计

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目 录

1 前言 ............................................................. 1 2 方案比较 ......................................................... 2 3 确定运行方式 ..................................................... 4 3.1 标幺值计算 .................................................... 4 3.2短路电流的计算 ................................................ 5 3.3 确定运行方式 ................................................. 10 4 短路计算 ........................................................ 11 5 继电保护的配置 .................................................. 14 5.1 继电保护的基本知识 ........................................... 14 5.2 出线保护的配置 ............................................... 16 5.2.1 110kV侧出线的保护配置.................................... 16 5.2.2 35kV侧出线的保护配置..................................... 17 5.2.3 10kV侧出线的保护配置..................................... 18 5.3变压器的保护配置 ............................................. 19 5.3.1 变压器配置 ............................................... 19 5.3.2 保护配置的整定 ........................................... 20 5.4 母线的保护配置 ............................................... 28 5.4.1 保护配置的原理 ........................................... 28 5.4.2母线保护配置的整定........................................ 29 6结论 ............................................................. 32 7总结与体会 ....................................................... 34 8致谢 ............................................................. 35 9参考文献 ......................................................... 36 附录1：保护配置图 ................................................. 37 附录2：外文翻译 ................................................... 38

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1 前言

目前随着电力系统的不断发展，考虑到电力系统的正常运行对国民经济的重要作用，对继电保护提出了更高的要求，而电子技术、计算机技术与通信技术的不断发展同样对继电保护技术的发展提供了技术基础。计算化，网络化及保护，控制，测量，数据通信一体化智能化将会是继电保护的发展方向。

电能是一种特殊的商品,为了远距离传送,需要提高电压,实施高压输电,为了分配和使用,需要降低电压,实施低压配电,供电和用电。发电----输电----配电----用电构成了一个有机系统。通常把由各种类型的发电厂,输电设施以及用电设备组成的电能生产与消费系统称为电力系统。电力系统运行要求安全全靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响（如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等），电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。如:过负荷,过电压,频率降低,系统振荡等。故障主要包括各种类型的短路和断线,如:三相短路,两相短路,两相接地短路,单相接地短路,单相断线和两相断线等。

本次毕业设计的主要内容是对110kV地区变电站继电保护的配置，参照《电力系统继电保护配置及整定计算》，并依据继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏性校验从而来确定方案中的保护是否适用来编写的。

在本次设计先计算出系统的短路电流，确定运行方式；然后再对各种设备保护的配置，首先是对保护的原理进行分析,保护的整定计算及灵敏性校验。其中对变压器保护包括保护原理分析以及保护整定计算和灵敏性校验，其中主保护采用的是纵联差动保护、瓦斯保护和零序电流差动保护，后备保护有过负荷和过电流保护。母线保护包括对双母线保护的配置，以及单母线分段保护的配置。

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2 方案比较

本次毕业设计的主要内容是对110kV地区变电站继电保护的配置。可以依据继电保护配置原理，根据经验习惯，先选择出保护方案，通过论证比较后认可其中的一套方案，再对这套方案中的保护进行确定性的整定计算和灵敏性校验，看看它们是否能满足要求，如果能满足便可以采用，如果不能满足则需要重新选择，重新整定和校验。

方案一

保护对象 变压器 主保护 纵联差动保护、瓦斯保护、零序电流差动保护 母线 双母线 旁母 35KV 10KV 输电电磁型比相式电流差动保护 单母线电流差动保护 单母线电流差动保护 单母线电流差动保护 距离保护III段 过电流保护（III段保护） ______________________ 后备保护 过电流保护、过负荷保护 110kV侧 距离保护I段 电流速断保护（I段保护） 方案二

线 路 其它 保护对象 变压器 母线 双母线 旁母 35KV 10KV 输 电 线 路 110kV 其它 主保护 后备保护 过电流保护、过负荷保护 ______________________ 电流速断保护 电磁型比相式电流差动保护 单母线电流差动保护 单母线电流差动保护 单母线电流差动保护 距离保护I段 电流速断保护（I段保护） 距离保护III段 过电流保护（III段保护）

对于变压器而言，它的主保护可以采用最常见的纵联差动保护和瓦斯保护，用两者的结合来做到优势互补。因为变压器差动保护通常采用三侧电流差动，其中高电压侧电流引自高压熔断器处的电流互感器，中低压侧电流分别引自变压器

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中压侧电流互感器和低压侧电流互感器，这样使差动保护的保护范围为三组电流互感器所限定的区域，从而可以更好地反映这些区域内相间短路，高压侧接地短路以及主变压器绕组匝间短路故障。考虑到与发电机的保护配合，所以我们使用纵差动保护作为变压器的主保护，不考虑用电流速断保护。瓦斯保护主要用来保护变压器的内部故障，它由于一方面简单，灵敏，经济；另一方面动作速度慢，且仅能反映变压器油箱内部故障，就注定了它只有与差动保护配合使用才能做到优势互补，效果更佳。考虑到有110kV高压等级，变压器也采用零序电流差动保护。而过电流保护和过负荷保护作为差动保护。对于400kV以上的变压器，当数台并列运行或单独运行时，应装设过负荷保护。为了防止变压器外部短路，并作为内部故障的后备保护，一般在变压器上应装设过电流保护。对单侧电源的变压器，保护装置的电流互感器应安装在电源侧，以便发生变压器内部故障而瓦斯保护或差动保护拒动时，由过电流保护整定时限动作后，作用于变压器各侧的断路器跳闸。

而对于母线保护的配置，一般地不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以切除故障，但利用供电元件的保护装置切除母线故障时，故障切除时间长，所以有时需装设专门的母线保护。比如：110kV及以上的双母线或分段单母线。110kV、35kV母线或重要变电所母线，为满足全线速动要求时。本设计双母线采用电磁型比相式电流差动保护，而旁路母线以及35kV、10kV母线均采用了单母线电流差动保护。

对于出线部分首先考虑的是电流速断保护作为主保护，而过电流保护作为后备保护。

综上所述，方案1比较合理，方案1保护作为设计的初始保护，在后续章节对这些保护进行整定与校验，是否符合设计要求。

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3 确定运行方式

3.1 标幺值计算

本次设计中取SB=100MVA, uBuav.

系统S1的电抗标幺值X10.0192，系统S2的电抗标幺值X20.288。 各元件的电抗标幺值计算如下： 变压器B1的各绕组短路电压分别为：

Vs1%11(Vs(12)%Vs(31)%Vs(23)%)(10.517.56.5)10.75 2211Vs2%(Vs(12)%Vs(23)%Vs(31)%)(10.56.517.5)0.25

2211Vs3%(Vs(23)%Vs(31)%Vs(12)%)(17.56.510.5)6.75

22所以，变压器B1的电抗值为

xB11Vs%SB10.751000.171 100SN10063xB12Vs%SB0.251000.004 100SN10063Vs%SB6.751000.107 100SN10063xB13变压器B2 参数同变压器B1

线路： x0.4l110kV侧线路：

线路A1 线路A2 线路A3 线路A4 SB 2VB0.198 35KV侧线路：

0.166 0.249 0.1 第 4 页

线路B2 西华大学毕业设计说明书

线路B1 线路B3 线路B4 线路B5 线路B6 0.327

10kV侧线路：

0.392 0.196 0.261 0.261 0.294 线路C1 线路C2 线路C3 线路C4 线路C5 线路C6 线路C7 线路C8 3.2

1.2 2 2.4 3.6 2.8 2.4 2.4 3.2短路电流的计算

110kV电力系统正常运行时，系统存在二种运行情况，即：两台发电机同时运行、一台发电机退出运行另一台单独运行。下面分别分析各种情况下系统运行时的转移电抗，计算电抗和短路电流。

（一） 两台发电机同时运行，变压器B1、B2同时投入运行。

图3.1 S1、S2运行时短路情况

当K1发生短路时：x5x2x3x40.2880.0850.0020.371

1. 所以，K1点发生短路时的等值网络如图3.2所示。

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图3.2 K1点发生短路时的等值网络

系统S1对短路点K1的计算电抗为：xjs1x1SN52100.01921 SB100SN52100.37119.3663.45 SB100系统S2对短路点K1的计算电抗为：xjs2x6查表得：标幺值：Is1``1.129

Is11.129Is21Xjs.s2521029.532 3115521026.1571.351 19.3663115 IIs1Is229.5321.35130.831kA

当K2发生短路时x5x1x2x30.01920.0850.0020.1022 所以，K2点发生短路时的等值网络如图3.3所示。

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图3.3 K2点发生短路时的等值网络

系统S1对短路点K2的计算电抗为：xjs1x5SN52100.10225.3253.45 SB100SN52100.28815.0053.45 SB100Is11Xjs.s1系统S2对短路点K2的计算电抗为：xjs2x452101521015.25.325337337Is21Xjs.s25210152105.418kA 33715.005337

IIs1Is215.2685.41820.686kA 当K3发生短路时

x8x6x5x5x7x6x70.10420.0530.0530.2860.10420.2860.177

x70.286x6x5x5x7x6x70.10420.0530.0530.2860.10420.2860.485

x60.1042x9

所以，K3点发生短路时的等值网络如图3.4所示。

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图3.4 K3点发生短路时的等值网络

系统S1对短路点K3的计算电抗为：xjs1x8SN52100.1779.2223.45 SB100SN52100.48525.2693.45 SB100系统S2对短路点K3的计算电抗为：xjs2x91Xjs.s11Xjs.s2Is152101521031.065kA

310.59.222310.552101521011.337kA

310.525.269310.5Is2 IIs1Is231.06511.33742.402kA

表3.1 短路电流表

短路点 K1处短路 系统S1 有名值/kA 29.532 15.268 31.065 系统S2 有名值/kA 有名值/kA 有名值/kA 1.351 5.418 11.337 短路点总电流/kA 30.831 20.686 42.402 K2处短路 有名值/kA K3处短路 有名值/kA

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（二） S1、B1运行，S2、B2停运。

图3.5

S1、B1运行时短路情况

同理算得其短路电流大小

表3.2短路电流表

短路点 K1处短路 K2处短路 K3处短路 有名值/kA 有名值/kA 有名值/kA 系统S1 29.532 8.38 18．514

（三） S2、B1运行，S2、B2停运。

图3.6

S2、B2运行时短路情况

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表3.3短路电流表

短路点 K1处短路 K2处短路 K3处短路 有名值/kA 有名值/kA 有名值/kA 系统S1 12.085 19.093 14.063 同理算得其短路电流大小

3.3 确定运行方式

由3.2节的计算过程，统计系统各短路点短路时的短路电流如表3.4。

表3.4 各短路点短路时的电流总结表

运行方式 两台发电机同时运行 S1、B1运行，S2、B2停运 S2、B1运行，S1、B2停运 综上所述：

K1处短路时K2处短路时K3处短路时的的短路电流/kA 30.831 29．532 12．085 的短路电流短路电流/kA /kA 20.686 42.402 8．38 19．093 18．514 14．063 系统S侧（f1处短路时）的最大运行方式为：两台发电机同时运行

最小运行方式为：S1、B1运行，S2、B2停运。

最小运行方式下的两相短路电流： IK1312.08510.466kA 2319.09316.535kA 2314.06312.179kA 2

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IK2

IK3

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4 短路计算

110kV侧线路保护整定 最大运行方式下：

图4.1 最大运行方式下110kV侧出线短路情况

0.0192XAX0.01920.3710.371XAX

0.3710.0192XAX0.01920.3710.371XAXX20.0192 X1

最小运行方式下

图4.1 最小运行方式下110kV侧出线短路情况

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表4.1 110kV侧出线短路电流 Ig.max A1 A2 A3 A4 1.168 1.226 1.284 0.58 Ig.min 0.876 0.934 0.992 0.4 Ik.max(3) 1.804 3.003 2.081 4.604 Ik.min(2) 1.78 2.714 1.873 4.219

35kV侧出线短路计算

同理可以算出35kV侧出线短路电流情况。

表4.2 35kV侧出线短路电流 B1 B3 B4 B2 B5 B6 Ig.max 0.273 0.234 0.492 0.341 0.326 0.496 Ik.max(3) 4 5.825 4.5 3.344 4.5 4.226 Ik.min(2) 2.634 3.528 3.016 2.338 3.016 2.815 10kV侧出线短路计算

同理可以算出10kV侧出线短路电流情况。

表4.3 10kV侧出线短路电流 C1 C2 C3 C4 C5 Ig.max 0.275 0.129 0.129 0.275 0.129 Ik.max(3)） 1.653 1.875 2.58 2.172 1.474 Ik.min(2) 1.3 1.538 2.073 1.766 1.222 第 12 页

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C6 C7 C8 0.259 0.129 0.259 2.172 2.172 2.172 1.766 1.766 1.766

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5 继电保护的配置

5.1 继电保护的基本知识

电能是一种特殊的商品,为了远距离传送,需要提高电压,实施高压输电,为了分配和使用,需要降低电压,实施低压配电,供电和用电。发电----输电----配电----用电构成了一个有机系统。通常把由各种类型的发电厂,输电设施以及用电设备组成的电能生产与消费系统称为电力系统。电力系统在运行中,各种电气设备可能出现故障和不正常运行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏,但是没有发生故障的运行状态,如:过负荷,过电压,频率降低,系统振荡等。故障主要包括各种类型的短路和断线,如:三相短路,两相短路,两相接地短路,单相接地短路,单相断线和两相断线等。其中最常见且最危险的是各种类型的短路,电力系统的短路故障会产生如下后果:

(1)故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。

(2)从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径中非故障元件的损坏。

(3)靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。

(4)破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。

所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。

故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反映它们发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：

(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)当电力系统中某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。

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继电保护装置的基本原理:

继电保护装置要起到反事故的自动装置的作用，必须正确地区分“正常”与

“不正常”运行状态、被保护元件的“外部故障”与“内部故障”，以实现继电保护的功能。因此，通过检测各种状态下被保护元件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别。依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护：

（1） 反映电气量的保护

电力系统发生故障时，通常伴有电流增大、电压降低以及电流与电压的比 （阻抗）和它们之间的相位角改变等现象。因此，在被保护元件的一端装设的种种变换器可以检测、比较并鉴别出发生故障时晕些参数与正常运行时的差别，就可以构成各种不同原理的继电保护装置。例如，反映电流增大构成过电流保护；反映电压降低（或升高）构成低电压（或过电压）保护；反映电流与电压间相位变化构成方向保护；反映电压与电流的比值的变化构成距离保护。除此以外，还可根据在被保护元件内部和外部短路时，被保护元件两端电流相位或功率方向的差别，分别构成差动保护、高频保护等。

同理，由于序分量保护灵敏度高，也得到广泛应用。 （2）反映非电气量的保护

如反应温度、压力、流量等非电气量变化的可以构成电力变压器的瓦斯保护、温度保护等。继电保护相当于一种在线的开环的自动控制装置，根据控制过程信号性质的不同，可以分模拟型（它又分为机电型和静态型）和数字型两大类。对于常规的模拟继电保护装置，一般包括测量部分、逻辑部分和执行部分。 继电保护装置的组成：

被测物理量－－→测量－－→逻辑－－→执行－－→跳闸或信号 ↑

整定值

测量元件：其作用是测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流，电压，阻抗，功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出逻辑信号，从而判断保护是否该起动。

逻辑元件：其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：其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。

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对继电保护的基本要求：

选择性：是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故

障元件仍能正常运行，以尽量减小停电范围。

速动性：是指保护快速切除故障的性能，故障切除的时间包括继电保护动作时间和断路器的跳闸时间。

灵敏性：是指在规定的保护范围内，保护对故障情况的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时，不论短路点的置与短路的类型如何，都能灵敏地正确地反应出来。

可靠性：是指发生了属于它该动作的故障，它能可靠动作，而在不该动作时，它能可靠不动。即不发生拒绝动作也不发生错误动作。

5.2 出线保护的配置

5.2.1 110kV侧出线的保护配置

对于A1：距离Ⅰ段保护

定值计算按躲过线路末端故障整定，即Zdz.1KkZxl

Zdz.1KkZxl0.852420.4

距离Ⅲ段保护

按躲过线路最大负荷时的负荷阻抗配合整定。当距离III段为全阻抗起动元

件时，其整定值为

Zdz.IIIZfh.minKkKfKzqd

Kk：可靠系数，取1.2~1.25；

Kf：返回系数，取1.15~1.25；

Kzqd：负荷的自起动系数，按负荷性质可取1.5~2.5；

Zfh.min=(0.9~0.95)Ue/3Ifh.max

Zfh.min：最小负荷阻抗值。即

Ifh.max；线路最大负荷电流。所以Ifh.max=Ig.max=1.168kA

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Zfh.min=0.9110/3=48.937 1.168Zdz.III=48.937=31.211 1.21.151.5KvmZdz.III31.2111.31.2（满足）tIII2s Zxl24A1 整定 A2 A3 A4 距离III段的灵敏度

保护 距离I段 （主保护） 距离III段 （后备保护） 整定 校验 表5.1 110kV侧出线的保护配置情况表 20.4 31.211 17 22.52 25.5 30.9 10.2 47.61 1.31.2 1.324 1.21 4.67

5.2.2 35kV侧出线的保护配置

保护 主保护 表5.2 35kV侧出线的保护配置情况表 B1 I段保护的整定 保护范围 后备保护 III段保护的整定 校验

保护 主保护 瞬时电流闭锁电压速断保护整定 保护范围 后备保护 III段电流保护的整定 校验 B4 B2 B5 B6 B3 4.8kA I段保护的整定 保护范围 III段保护的整定 校验 7kA 96.35% 0.501kA 5.257 55.06% 0.429kA 8.247 2.011kA 22.78% 0.903kA 3.341.5 1.592kA 20.31% 0.626kA 3.735 2.011kA 22.78% 0.598kA 5.043 1.877kA 22.12% 0.91kA 3.093 第 17 页

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1、瞬时电流闭锁电压速断保护

I(2)dmin3.016Idz2.011kA

Kvm1.5UdzZxlKk(Zxl.minZxl)0.2620.2620.45kA

1.3(0.1860.262)0.582kcZxlZxl.max0.2623.5 0.073例：对于出线B4：

kfZxl.min0.1860.1862.548Zxl.max0.102//0.2880.073

保护区：l1122.78%20%1.3Kf0.3Kc1.32.5480.33.5

2、III段电流保护的整定：

Idz.IIIKrelKst1.21.3IL.max0.4920.903kA Kre0.85KsenI(2)k.min3.016III3.341.5 Iop0.9035.2.3 10kV侧出线的保护配置

保护 主保护 后备 保护 表5.3 10kV侧出线的保护配置情况 C1 C2 C3 C4 I段保护的整定 保护范围 III段电流保护的整定 校验 保护 1.984kA 60%20% 0.505kA 2.7031.5 C5 2.25kA 49.01% 0.356kA 4.32 C6 3.096kA 3.606kA 84.787% 83.94% 0.237kA 0.505kA 8.757 3.497 C7 C8 主保护 后备 保护 I段保护的整定 保护范围 III段电流保护的整定 校验 1.769kA 82.43% 0.237kA 5.162 4.944kA 37.92% 0.475kA 6.697 2.606kA 83.933% 0.237kA 7.451 2.606kA 83.933% 0.475kA 3.718 第 18 页

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5.3变压器的保护配置

5.3.1 变压器配置

本设计中变压器配置的主保护有瓦斯保护、纵联差动保护、零序电流差动保护，并以过负荷保护、过电流保护作为后备保护。 （一）瓦斯保护

800kV及以上的油浸式变压器和400kV以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。瓦斯保护用来反应变压器油箱内部的短路故障及油面降低，其中重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源测，轻瓦斯保护动作于发出信号。

瓦斯保护有重瓦斯和轻瓦斯之分，它们装设于油箱与油枕之间的连接导管上。其中轻瓦斯按气体容积进行整定，整定范围为：250～300cm3,一般整定在250cm3 。重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：0.6～1.5m/s,一般整定在

1m/s 。

图5.1瓦斯保护原理示意图

（二）纵差动保护

本次设计所采用的变压器型号均为：SFSZ10-63000/110。对于这种大型变压器而言，它都必需装设单独的变压器差动保护，这是因为变压器差动保护通常采用三侧电流差动，其中高电压侧电流引自高压熔断器处的电流互感器，中低压侧电流分别引自变压器中压侧电流互感器和低压侧电流互感器，这样使差动保护的保护范围为三组电流互感器所限定的区域，从而可以更好地反映这些区域内相间

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短路，高压侧接地短路以及主变压器绕组匝间短路故障。所以我们使用纵差动保护作为两台变压器的主保护，其接线原理图如图5.2所示。

图5.2三绕组变压器差动保护原理图

5.3.2 保护配置的整定 （一）纵联差动保护整定

对于本次设计来说，变压器的主保护有纵联差动保护和瓦斯保护，其中瓦斯保护一般不需要进行整定计算，所以对纵联差动保护进行整定如下：

本次设计因BCH-2、BCH-2型差动继电器构成的差动保护装置，但灵敏度不满足要求，因此最后采用BCH-4型。

由BCH-4型差动继电器构成差动保护的整定计算。

(1) 按系统平均电压（或变压器额定电压）及最大变压器容量计算变压器各侧的二次侧额定电流。 名称 额定电压Ue /kV 110 变压器B1和B2 38.5 110.5 第 20 页

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63000330.674 311063000944.783 338.5额定电流 Ie/A CT接线方式 选CT变比 CT一侧计算 标准变比 CT Ie2/A

315001732.102 310.5△ 500/5 572．727 100 5.727 △ 1400/5 1636．3 280 5.844 Y 2600/5 1732．102 520 3.331 （2）计算出变压器的各侧在外部故障时之最大短路电流

Id1.max30.831kA Id2.max20.686kA Id3.max42.402kA

（3）确定继电器抽动线圈 在110kV侧的电流互感器并联后接入。 （4）选10kV侧为基本侧：Idz.j.jbKKIe.j.jb1.53.3314.997A

（5）确定继电器制动线圈匝数，基本侧选用制动线圈最大匝数：Wzdj.jb20匝

其他侧：Wzd.IWzd.j.jIe.j.jbIe2.IIe.j.jbIe2.II203.33111.633 取12匝 5.7273.33111.4 取12匝 5.844

Wzd.IWzd.j.j20（6）计算各侧之差动匝数（包括平衡线圈在内）

基本侧：Wc.j.jb(AW0)/5511 取11匝 Idz.j.jb4.997

Wc.I.(110)Wc.j.jbIe2.j.jbIe2.I113.3316.398 取Wc.I6 5.727Wc.II.(35)113.3316.27 4.844制动 12 12 20

取Wc.II6

差动 6 6 11 所以各侧线圈匝数：

I侧 II侧 基本侧 第 21 页

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Wzd201121 22（7）计算实用匝数与计算匝数之间的相对误差△f 基本侧的工作线圈匝数为：WgWg其他（计算匝数）：Wg.I.jsWgIe.23.3312112.214 II.e.25.727KlmKjxId.minIdz.jb797377506.36.2412

其他侧的工作线圈的实用匝数Wg.y为：WgI.yWCI

WgII.yWCIIWZ.I12612 22W12Z.II612 22计算各侧的误差△f为fIWgI.jsWgI.jyWgI.js12.214120.0175

12.214

fIIWgII.jsWgII.jyWgII.js11.97120.002511.97

(8)保护装置灵敏度计算：

所以 A(1.046121.653121.21821)0.12550.07080.049245.3

wg100280520再求出制动安匝：

1.0461.6531.218Awz(121220)243.1

100280520 由特性曲线知： Awdz115 安匝左右，则

kvm245.32.1332 （满足） 115 第 22 页

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图5.3特性曲线图

并且由图可知：KN的值肯定比MN的值大百分之十，因此保证了继电器动作的可靠性。

（三）变压器零序电流差动保护

变压器高压绕组110kV侧中性点直接接地，它的零序电流差动保护原理如下图：

图5.4零序电流差动保护原理

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先求出最大和最小零序电流I0.max,I0.min

图5.5正序、负序等值网络图

图5.6零序等值网络

Xff(1)Xff(2)0.0192//0.371Xff(0)0.0192//0.0850.0070.018 0.390.0020.019

0.1092因为Xff(0)Xff(1)所以单相的零序短路电流比两相接地的大。

Vf(0) If(0)If(1)j(Xff(1)Xff(2)Xff(0))所以If(0)1

0.0190.0182 第 24 页

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Vf(0)j(Xff(1)Xff(2)Xff(0))

If(0)If(1)If(0)3If(0)I3

152101426.759

0.01920.0183115因此零序电流为变压器110kV侧接地中性上流过的最大零序电流：

3I0.maxIf(0)0.0192262.6

0.01920.085同理可以算出最小运行方式下的情况。

Xff(1)Xff(2)0.0192

Xff(0)0.0192//0.1710.00330.017

0.1092因为Xff(1)Xff(0)所以两相短路接地的电流比单相的零序短路电流大。

Xff(2)Xff(2)Vf(0) If(0)If(1)Xff(2)Xff(0)Xff(2)Xff(0)Xff(1)Xff(2)//Xff(0))0.01921 0.01920.0170.01920.01920.0170.01920.0170.019226.519 0.0360.025210If(0)3If(0)I326.5192080.972

3115因此零序电流为变压器110kV侧接地中性上流过的最小零序电流：

3I0.maxIf(0)0.01920.01922080.972210.067A

0.01920.1710.1902

整定计算如下；

1、 按躲过变压器外部发生接地短路故障时发生不平衡电流计算：

即Idz.0Kk(fhfIfII)3I0.max1.3(0.10.0020.028)262.644.429kA 2、躲过变压器外部三相短路故障所产生的最大不平衡电流计算： 即Idz.0KkfiId.max1.50.142.4026.36kA

3、 按躲过变压器零序差动二次回路断线计算

式中Kk:可靠系数，取1.5.

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即Idz.0KkIe1.3944.7831.228kA

Kk:可靠系数，取1.3。Ie：变压器额定电流，一般取变压器中侧的额定电

流。

所以Idz.0KkIe

取上述最大值：Idz.0=44.429kA 4、 灵敏度校验：

Kvm3I0.min262.65.9172 Idz.044.429

（四） 变压器过负荷整定计算

对于400kVA以上的变压器、当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应装设过负荷保护。过负荷保护通常用只装在一相，其动作时限较长，延时动作于发信号。仅一侧电源的三绕组降压变压器，若三侧容量相等，只装于电源侧；若三侧容量不等，则装于电源侧；若三侧容量不等，则装于电源侧及容量较小侧，所以本设计中装于高压和低压侧。

图5.7变压器过负荷保护原理图

整定计算：110kV侧：IdzKk1.05Ie330.674408.48A Kf0.85

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Kk1.05Ie1732.1022139.655A Kf0.85式中 Kk:可靠系数取1.05；Kf:返回系数：0.85；Ie：变压器额定电流。 10kV侧：Idz过负荷信号装置动作时间取9到10s。 （五） 变压器过电流保护整定计算

为了防止变压器外部短路，并作为内部故障的后备保护，一般在变压器上应装设过电流保护。

图5.8 变压器过电流保护原理图

整定计算：按躲过变压器可能的最大负荷电流整定。 即：IdkKkIfh.max Kf式中Kk：可靠系数，取1.1~1.2

Kf:返回系数，取0.85。

Ifh.max:最大负荷电流。Ifh.maxnIe ；n为并列运行的变压器台数。 n1所以Idz1.22330.674933.668A 0.8521灵敏度校验：按变压器低压母线故障时的最小短路电流计算。 即KlmId.min10.46611.2062 Idz0.934

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变压器过电流保护动作时间：按与相邻保护的后备保护动作时间配合，即

t0t't；式中t`:相邻保护后备保护动作时间，所以t020.52.5

5.4 母线的保护配置

5.4.1 保护配置的原理

电力系统中的母线是具有公共电气连接点,它起着汇总和分配电能的作用。所以发电厂和变电站中的母线是电力系统中的一个重要组成元件。 母线运行是否安全可靠,将直接影响发电厂,变电站和用户工作的可靠性,在枢纽变电所的母线上发生故障时,甚至会破坏整个系统的稳定。

引起母线短路故障的主要原因有:由于空气污溃,导致断路器套管及母线绝缘子的闪络；母线电压和电流互感器的故障；运行人员的误操作,如带负荷拉隔离开关、带接地线合断路器。

母线故障的类型,主要是单相接地和相间短路故障。与输电线路故障相比较,母线故障的几率虽较小,但造成的后果却十分严重。因此,必须采取措施来消除或减少母线故障所造成的后果。

由设计的已知条件可知,110kV母线为双母线带旁路母线接线方式,35kV和10kV母线均为单母线分段接线。

图5.9 单母线电流差动保护原理图

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图5.10 电磁型比相式母线差动保护原理图 1XBJ、2XBJ—分别为1#和2#母线的比相元件

5.4.2母线保护配置的整定 110kV侧双母线的整定计算

起动元件：按躲开外部短路时的最大不平衡电流整定，即式中Kk：可靠系数,取1.3; KLH:电流互感器变电误差，取0.1;

非周期分量系数，一般电流继电保护取1.5到2.对带有躲非周期分量性能的继电器取1~1.3s;

Id.max：双母线上所有元件中外部短路电流最大的，所以

Idz1.30.1130.8314.008kA

IdzKkKCHKfzaId.max；

2、选择元件：Id.max:另一条母线短路时流过母联的最大短路电流，所以

Id.max30.831kA

Idz4.008kA

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4.00840.08A 100Aw601.5 Idz.j40.08Idz.jBCH-2差动匝数为：Wcd取1匝，Idz.j6060A 1Ksen12.0852

601003、电压闭锁元件：按三相间电压元件的动作电压，按躲开正常运行的最低电压整定。一般可直接选取Udz.j60~65V 此处选Udz.j60V

4、电流回路断线闭锁元件：一般取Idz.j(0.1~0.2)Ie20.155.7270.829A 其动作时间ttbht

Tbh:母线上连接元件的后备保护动作时间，所以t220.53(s)

旁路母线的整定计算

1、起动元件：Idz1.30.1130.8314.008kA

Idz.j4.008kA40.08A100

WCDAw601.497Idz.j40.08

BCH-2差动匝数：取1匝，Idz.j6060A 1Ksen120852.0142

60100 第 30 页

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2、电压闭锁元件：Udz.j60V

3、电流回路断线闭锁元件Idz.j0.155.7270.859A t=3s 35kV单母线分段接线的整定计算

1、起动元件：Id1.30.1120.6862.6

Idz.j2.6kA9.6A280

WCDAw606.25Idz.j9.6

BCH-2差动匝数：取6匝，Idz.j6010A 6Ksen165355.9052 28002、电压闭锁元件：Udz.j60V

3、电流回路断线闭锁元件Idz.j0.155.8440.877A t=3s 10kV侧单母线分段接线的整定计算

1、起动元件：Idz1.30.1142.9026.36

Idz.j636012.231(A) 520604.905 12.231

取5匝Idz.jBCH-2差动匝数为Wcd60125

Ksen121792.0052

125202、电压闭锁元件：Udz.j60V

3、电流回路断线闭锁元件Idz.j0.153.3310.5A t=3s

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6结论

保护 距离I段 （主保护） 距离III段 （后备保护） 整定 校验 整定 表6.1 110kV侧出线的保护配置情况表 A1 A2 A3 A4 20.4 31.211 17 22.52 25.5 30.9 10.2 47.61 1.31.2 1.324 1.21 4.67 表6.2 35kV侧出线的保护配置情况表

保护 主保护 B1 I段保护的整定 保护范围 后备保护 III段保护的整定 校验

保护 主保护 瞬时电流闭锁电压速断保护整定 保护范围 后备保护 III段电流保护的整定 校验 B4 B2 B5 B6 B3 4.8kA I段保护的整定 保护范围 III段保护的整定 校验 7kA 96.35% 0.501kA 5.257 55.06% 0.429kA 8.247 2.011kA 22.78% 1.592kA 20.31% 2.011kA 22.78% 1.877kA 22.12% 0.903kA 3.341.5 0.626kA 3.735 0.598kA 5.043 0.91kA 3.093 表6.3 10kV侧出线的保护配置情况 保护 主保护 后备 保护 C1 C2 C3 C4 I段保护的整定 保护范围 III段电流保护的整定 校验 保护 1.984kA 60%20% 0.505kA 2.7031.5 C5

2.25kA 49.01% 0.356kA 4.32 C6 3.096kA 3.606kA 84.787% 83.94% 0.237kA 0.505kA 8.757 3.497 C7 C8 第 32 页

西华大学毕业设计说明书 主保护 I段保护的整定 保护范围 III段电流保护的整定 校验 1.769kA 82.43% 0.237kA 5.162 4.944kA 37.92% 0.475kA 6.697 2.606kA 83.933% 0.237kA 7.451 2.606kA 83.933% 0.475kA 3.718 后备 保护

表6.4变压器保护配置与整定

变压器 保护配置 动作整定值 二次侧额定电流：5.727A,5.844A,3.331A 动作电流：44.429kA 电流元件：933.688A 110kV电流元件：408.48A 10kV电流元件：2139.655A

表6.5 母线保护配置与整定

母线 110kV双母线 110kV旁路母线 动作整定值 电流元件：4008A 电压闭锁元件：60V 断线闭锁元件：0.859A 电流元件：4008A 电压闭锁元件：60V 断线闭锁元件：0.859A 电流元件：26A 电压闭锁元件：60V 断线闭锁元件：0.877A 电流元件：6360A 电压闭锁元件：60V 断线闭锁元件：0.5A

灵敏度 2.014 2.014 动作时间 3s 3s 6.241 5.917 11．206 灵敏度 动作时间 0.08s 0.08s 2.5s 10s 瓦斯保护 纵联差动保护 T1、T2主零序电流差动保护 变压器 过电流保护 过负荷保护 35kV母线 10kV母线 5.905 2.005 3s 3s

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7总结与体会

近三个月的设计过程，让我学到了很多的东西。在此过程中，我们重新对电力系统分析的知识有了一个重新的认识。在这之前，我们总以为对电力系统分析的学习并不是多重要，通过本次的设计，我们才真正认识到它的重要作用。作为电力设计的基础，它的用处是至关重要的，保护的配置及校验都是通过它来做的。

当然我们不仅仅是一个简单的认识，更重要的是侧重于应用。在设计过程中，我们应用到了我们以前所学到的知识。这同样也提高了我们的学习能力，其实最重要的是设计思维的改变。这可能是我本次做设计受益最大的，可能对于我来说，就是终身受益。

在此之前，我们惯性的认为，我们做设计，就是计算，计算，然后选保护。但是这种设计思维本身就是错的。在此过程中，老师不断的纠正我的思维。继电保护的设计，首先应该考虑的是保护，选什么保护对我们的设计是非常重要的，保护类型定了，我们再通过短路计算来校验我们所选的保护是否合理。不合理，再重新考虑保护类型，再进行校验。在实际应用中，继电保护的整定值是可以设置的，但你的保护类型是不能变的，所以在设计中，我们应该考虑好我们的保护类型，然后再通过整定计算，校验后，判定自己所配的保护是否合理，比如在我的设计过程中，自己对出线部分配置保护时，当电流速断保护的灵敏度不能够满足我们的要求，那么我就改用了瞬时电流闭锁电压速断保护。按照这种思维，我们才能够将保护配置好。

这同时也让我们知道了，在学习知识的过程中，我们不能只认为学知识就是简单地对书本上的知识进行学习，更重要的是我们对于知识的应用方法，正确的应用方法才能让我们正确地完成设计的内容，才能让我们的设计思路清晰，做到事半功倍。这其实也是我们在整个大学学习过程中应该学到的本领。在今后的工作学习过程中，我们就做到这样。不然我们所做的保护什么那是根本起不到作用的，或者说是要花费很多的时间。

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8致谢

首先感谢老师的指导，在设计和写论文的过程中，我始终得到老师的悉心教导和认真指点，使得我在继电保护知识有了更进一步的理解。同时也要感谢我的同学们，在我遇到问题时，他们都会尽自己的能力给我解说。我们在一起共同讨论设计的问题，大家相互提高。

对于设计过程当中遇到的困难，通过查阅资料，寻找到解决方案，但也有一些问题经过查阅资料之后依然无法解决，在此时，老师总是能够给我指出方向。同时我也感觉到了老师们的知识能力有多强了。自己在今后的工作学习中，也会不断地努力进取。同时也要感谢那些编写资料的学者们，他们为我们提供了非常重的知识，这些都对于我们的设计是非常重要的。

在计算短路电流和如何选择保护配置的过程中，经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我设计的能力，虽然还是一个普通的设计，但是通过这个设计，自己掌握了一些关于设计相关注意的问题，这对以后的工作学习是有相当大的好处的。树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。自己在今后也会一直保持着这种状态，不断地学习。

在这最应该感谢的是我们的指导老师，她将她的设计思路教给了我们，让我

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9参考文献

[1] 李久盛.电气工程专业英语[M].哈尔滨工业大学出版社；

[2] 朱声石.高压电网继电保护原理与技术第二版 .电力出版社. 1995年

[3] 熊炳耀.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算. 中国电力出版社，1993年 [4] 尹项根、曾克娥编.电力系统继电保护原理与应用下册.华中科技大学出版社.2001年 [5] 熊为群编.继电保护自动装置及二次回路.北京:电力工业出版社.1981年

[6] 崔家沛等主编.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.水利电力出版社.1993 [7] 曹绳敏.电力系统课程设计毕业设计参考资料.中国电力出版社，1998 [8] 陈生贵.电力系统继电保护. 重庆大学出版社,2002 [9] 电力工程设计手册.中国电力出版社，1998 [10] 电力工程设备手册.中国电力出版社，1998

[11] 电力工业部电力规划设计总院编.电力系统设计手册.中国电力出版社，1995 [12] 何仰赞等.电力系统分析.武汉：华中理工大学出版社，1997

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附录1：保护配置图

继电保护配置图

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附录2：外文翻译

对四川电网输变电设施在汶川地震中受损调查

2008年5月12日，发生中国四川省汶川的里氏8.0级大地震是自中华人民共和国自1949年成立以来最大破坏的地震。这次地震不仅仅造成大量生命死亡和财产的损失，而且还影响到了输变电设施。

灾难发生后，来自中国电力研究院的一组专家到达现场做调查。本文就是对于这次调查的一个摘要，同时对于电力设备抵抗地震灾难的建议也起到有利作用。

2008年5月12日，下午二点二十八分发生在中国四川省汶川的里氏8.0级地震。在宁夏、青海、甘肃、河南、山西、山东、云南、湖北、上海、重庆、北京等地的人们都感觉到了。这次地震对当地人们的生命安全以及财产造成了巨大的威胁；它同时也对输变电设备造成了严重的损失。为了减少设备的损失，缩短维修时间以尽可能快地恢复电力供应，因而减少二次损失，在地震过后对它们做一个调查是非常有必要的。此外，根据己知的设备抗震性能的了解，采取有效的对策来提高设备的抵抗地震的能力。

为了知道四川电网的输变电设备的详细的地位以及增加未来对地震后的数学缓解，从五月十八号到二十一号，一组来自中国电力研究院的专家被组织起派往四川做一个现场调查。专家们检查220-kV和110-kV变电所的一些受灾情况。为了交流和取得一些现场信息，他们同当地的电力公司包括四川电力公司，四川电力测试和研究机构，四川德阳电力公司和四川绵阳电力公司，举办了一个座谈会。根据这些，他们做了一个初期的关于在地震中输变电设备损失的摘要。

根据本次调查，以及世界范围内曾经发生过类似地震，这次地震破坏了大部分的电力设备，尤其是带有瓷套管人高压设备，包括变压器，断路器，隔离开关，电流互感器，电压互感器等。变电所的建筑设备同样遭受了不同程度的破坏。输电线路和杆塔没有受到很大的损坏。

汶川地震的特点

汶川地震是自中华人民共和国自1949年成立到现在最大破坏力的地震。这次地震的强度和力度都超过1976年的唐山大地震。

在谈到中国地震震中和周边国家（自公元前780年到公元1979年）和中国地

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震地图，汶川位于中国中部地震带。根据“工作报告的中国地震烈度区划图”，汶川处于一个强烈和频发地震的区域。在谈到“地震地震动参数区划图中的中国（GB18306-2001），”然而，在这个区域的强化地震强度只是第七和相应的地面运动的加速度是0.1克。

根据相关资料，这次地震的大小被认定为里氏8.0级，震中烈度约为十一，它远远超过“地震地震动参数区划图中的中国”给出的参考值。这次灾难影响的范围超过了100 000平方公里。

变电站的工作人员描述了本次地震。当地震发生后，220-kV的安县变电所是首先是水平遭到破坏然后垂直遭到破坏。颤抖持续大约十秒种每次，总共八十秒。而位于德阳市的新市变电所情况几乎相同，只是总的持续时间长了大约2-3秒钟。 自汶川地震发生以来到08年5月22日上午8点，在汶川区域发生了近七千次余震，有167次的强度是超过里氏4.0级的。 总结，汶川地震的特征如下：

1)地震的强度是非常强的，达到十一，与周围地面运动加速度1.5克。 2)活动时间持续很长，达到2-3分钟。 3)震源浅，离地面只有14公里。 4)在相当长的时间段时余震频繁。 对电力设备的损坏 变压器

因地震引起的电力变压器损坏包括体位移，打破了焊接或螺栓固定，开裂，渗漏和瓷套管位移。

对变压器损伤统计见表1。

表一统计数量的变压器 损坏类型 损坏类型 漏油 体位移 套管破裂 变压器体位移

变压器在地震中严重受损。许多变压器的体位移动了，甚至从基座上掉了下来。不同程度的移位在许多220-kV变电所里都能看见。比如袁家坝变电所，天明变电所，大康变电所，永兴变电所，安县变电所和新市变电所。这些现象在许多110-kV

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变电所也能看见，比如说：盛木全变电所，万春变电所，三堆变电所，剑阁变电所等。另外，茂县有二座500-kV变电所起火。

德阳新市变电所的许多220-kV变压器的安装螺栓被破坏和变压器滑动了。

正如第一张图片显示的那样，16个安装螺栓有近14个在地震中受损，固定夹子仍然夹着刹车以抵消变压器的水平力量，因此，它可以保留坚定地防滑。如果夹子被破坏了，变压器可能会关闭打滑而移动，将会造成极其严重的后果。

因为这样高强度的地震，有些没有固定牢靠的变压器从基座掉下来了。 一座设计于1970年的220-kV的变压器掉进了一排油池，高压套管弯曲，油泄漏，机箱局部变形。通过仔细调查，发现这些变压器即没有螺栓也没有定位和固定装来提供同基座的坚固的联接。 变压器套管断裂和泄漏

本次地震同时也对高压和中压套管造成破坏，在轮缘和瓷器的联结处出现断开，错位或者油泄漏，导致大规模的变压器和反应堆停运.衬套与角度上升基础接点部分也受到了损坏，而在主体内部的衬套受到的损坏较小。图片三就是一张典型的在地震中受损的衬套。

大多数石油泄漏可能是由于套管损坏。因此，关键是要提高套管的抗震性能。 开关

由地震引起的开关柜损坏有几种类型，比如休息和崩溃，柜体变形，气体泄漏，机械故障等。关于开关损伤统计见表2。可以看出从表中，损害的主要类型，开关坏了，崩溃。

表2统计上的开关数目伤害类 损伤类型 断塌 体变形 漏气 机械故障 其它 合计 气体绝缘开关设备 252 kV - 2 - - 2 4 15 - 5 1 2 23 22 2 1 6 - 31 29 5 - 6 - 40 42 5 - - 4 51 短路 停止 断开 252 kV 126 kV 252 kV 126 kV 隔离开关的损坏大多发生在高强度地震中地区，周边地区隔离开关受损较少。 在对断路器的损害的，它似乎随型号的产品。有一个252千伏气体绝缘开关设备

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（GIS）在本次调查涉及的设置。这次地震只造成了两板间房和设备衬套倾斜恢复很快。

对于传统的断路器，它的损坏程度跟它们的结构很相关。电压等级为252kV的情况，老式的双断六氟化硫断路器的瓷绝缘子因为顶部太重而大面积受损（见图4）。而新式的单断六氟化硫断路器有顶部轻而情况好一些，尤其因为有一些进口的陶瓷产品（见图5）。电压等级为126kV的情况，除了老式的断路器在地震强度很强的震中受损外，大部分的断路器只是受了轻微的损坏。

根据调查，大多数处在不同电压等级的开关是由陶瓷制成，并且是露天型的，所以它们的抗震性能差。相对而言，气体绝缘开关和油箱式断路器有较好的抗震性能。因此，在未来对震区设备选择时可以作为一个选择。 母线和支柱绝缘子

在变电所中母线有两种类型，硬母线接线和软母线。硬母线是由铝管和铝导线制成，而软母线是由铝导线制成。他们在地震中受到的破坏方式是不同的。有关硬母线受损，主要是母线的实心支柱绝缘子（通常是瓷器做的）破裂；有关软母线受损，一般是打破瓷绝缘子。 分析受损的原因 地震强化标准

在汶川地震输变电设施受损的主要原因是，实际地震烈度超过了设施强化设置。此外，主震持续时间相对较长。达到最大强度第十一这次地震，但本地区电力设施的抗地震的强度只有七。

一般而言，建筑物和变电站结构的设计和建造根据一个给定的地震强度强化，所以他们的抗震能力是有限的。在地震加速度超支的情况下建筑物的承载能力/构筑物，他们可能会损坏。 建议

为了减少地震损害的，未来输变电设施，缩短维修时间，提出了一些建议根据调查的结果。

更详细的损害调查及对策研究应进一步加强对电力设施。建设者在改造前应记录所有变电站设备损坏的整体细节。

2) 位于地震带的所有变电站应评估其抗震性能。正如在有关地震信息记录地震发生后世界各地，用于地震的强度远远超过了极其巨大的和强化执行，以发生在地震带的超级地震。因此，有必要在这些区域中作出变电设施的评价。 3)这次地震减少和隔离技术，应适用于变电站工程建设。通过隔离和稳定的重要

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基础设备和建筑/结构方式，其抗震能力将大大加强。

4) 考虑到高压瓷设备在地震破坏性，应进行研究，在取代硅瓷高强度绝缘材料或其他新型瓷目标。

5) 对于大型变压器和开关设备等，他们的套管电气设备质量检验应给予更多的关注和设备应确保已连接牢固的基础。 6) 地震减少和变电设施隔离技术的研究应进行

进行深入探讨。同时，高压变电设备的抗震性能应该走过，尤其是用瓷套管或支柱绝缘子的某些要求应要求设备制造商。

7) 建议在抽查陶瓷器件的抗地震能力。瓷器的设备应选择一定比例作为随机地震模拟平台，以确保抗震性能设计样本。

8) 这次地震强化重点变电站和线路铁塔在地震带的设计标准应该提高，适当的备用设备和备品备件准备。

9) 应急响应应着力提高地震等突发事件。卫星电话可以考虑提供给一些关键变电站。

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Investigation On Transmission and Substation Facilities of

Sichuan Power Grid in Wenchuan Earthquake

On May 12, 2008, an earthquake of Ms 8.0 hit the area around Wenchuan County, Si chuan Province, China. It has been one of the most destructive earthquakes since the founding of P. R. China in 1949. The quake caused not only tremendous loss of life and wealth, but also severe damage to transmission and substation facilities. After the disaster, an expert group from China Electric Power Research Institute (CEPRI) was sent for on-site investigation. This paper is a summary of the investigation, in which suggestions for electric equipment to resist earthquake disasters are also proponed.

On. May 12, 2008, 14:28, an Ms 8.0 earthquake occurred in Wenchuan County, Sichuan Province in China. People all felt it in Ningxia, Qinghai, Gansu, Henan, Shanxi , Shaanxi, Shandong, Yunnan, Hubei ,Shanghai, Chongqing, Beijing, e tc. The earthquake threatened greatly the security of people’s lives and possessions in the local area; it also inflicted a heavy loss on transmission and substation facilities. In order to minimize losses on these facilities, shorten repair time,resume electricity supply as soon as possible, thus to reduce secondary losses, it is necessary to make a survey on their after-quake conditions. In addition, based on the understanding about the aseismatic performance of the facilities, meaningful countermeasures can be put forward for improving their earthquake resisting abilities.

To understand the detailed status of the transmission and substation facilities of Sichuan power grid and to gain experience for earthquake after math mitigation in the future, an expert group from China Electric Power Research Institute (CEPRI) was organized and sent to Sichuan for on-site investigation from May 18 till May 21. Experts inspected some disastrous 220-kV and110-kV substations. They also held a symposium to exchange with some local electric companies including Sichuan Electric Power Company, Sichuan Electric Power Test & Research Institute, Sichuan De yang Electric Power Company and Sichuan Mianyang Electric Power Company, and obtained some spot information. Based on these, these, they presented a primary summary of damage to transmission and substation facilities in the earthquake.

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According to the investigation done, similar to the earthquakes that have ever happened worldwide, this earthquake damaged mainly electric equipment

[1 ],especially high-voltage equipment with porcelain bushings including transformers, circuit breakers, disconnectors, current transformers, potential transformers, etc. Buildings of substations also encountered varying degrees of damage. Transmission lines and towers were not damaged very seriously。 Features of Wenchuan Earthquake

Wenchuan earthquake has been the most destructive and far going one since the founding of P. R. China in 1949. Both the strength and intensity of the earthquake exceeded that of the Tangshan earthquake in 1976.

Referring to the map of earthquake epicenters for China and surrounding countries (from 780 B.C. to A.D. 1979) and Chinese seismicity map, Wenchuan is located on the central seismic belt of Chinese mainland. According to the “Working Report on Seismic Intensity Zoning Map of China[2],”Wenchuan is zoned as a area with strong and frequent seismic activities. Referring to the “Seismic Zoning Map of Ground Motion Parameters in China (GB18306-2001)[3] ,”however, the seismic fortifying intensity in this area is just VII and the corresponding ground motion acceleration is 0.1g.

In accordance with the relevant information, the magnitude of the earthquake was confirmed as 8.0 on the Richter scale, and the intensity at the epicenter was about XI, which was far beyond the reference value given in the “Seismic Zoning Map of Ground Motion Parameters in China.”The disaster-ridden area was beyond 100 000 square kilometers.

Employees of substations described the earthquake。When it came, the 220-kV Anxian Substation was first shaken horizontally and then vertically. The shakes lasted about 10 seconds every time and 80 seconds totally. The case of Xinshi Substation in Deyang City was almost the same but the total duration was much longer roughly 2-3 minutes.

Since the Wenchuan earthquake, up to 8:00 on May22, 2008, nearly 7 000 aftershocks had taken place, of which 167 strong ones with strengths above Ms 4.0 occurred in Wenchuan area.

To sum up, the features of Wenchuan earthquake were as follows.

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1) The seismic intensity was very high, reaching XI, with a ground motion acceleration around 1.5g.

2) the active duration was long, reaching 2-3 minutes.

3) the source was shallow, about 14 kilometers beneath the ground. and 4) aftershocks were frequent in quite a long time. Damage to electric equipment Transformers

Damage to power transformers caused by the earthquake included mainly body displacement, breaking of mounting welds or bolts, cracking, leaking and displacement of porcelain bushings. Damage statistics on transformers are shown in

Table 1.

Table 1 Statistics on number of transformer damaged by type Type of damage Leaking of oil Body displacement Bushing breaking Displacement of transformer body

Transformers were badly damaged in the earthquake。Many transformer bodies were displaced even dropped from mounting bases. Varying degrees of displacements can be seen in many 220-kV

substations, such as Yuanjiaba Substation, Tianming Substation, Dakang Substation, Yongxing Substation, Anxian Substation and Xinshi Substation. These phenomena can also be seen in many 110-kV stations, such as Shengmuquan Substation, Wanchun Substation, Sandui Substation, Jiange Substation, etc. Furthermore, transformer 2 in 500-kV Maoxian Substation caught fire.

Most of the mounting bolts of 220-kV transformers were broken inXinshi Substation in Deyang City, and the transformers were moved along the skid (see Fig. 1).As shown in Fig. 1, although 14 of 16 mounting bolts were broken in the

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earthquake, the fixing clips still clipped the skid hard which counteracted the horiontal force acting on the transformer, so that it could be retained firmly on the skid. If fixing clips were disabled, transformers might be off the skid and upset, resulting in extremely serious consequences.

Due to the high seismic intensity, some transformers without firm fixation fell off their mounting bases. A 220-kV transformer designed in 1970s fell into an oil drainage pool, resulting in bending of HV bushing, leaking of oil and local deformation of chassis (see Fig. 2). By careful inspection, it was found that the transformer had neither anchor bolts nor locating and fixing devices that provide firm connection with the mounting base. Breaking and leaking at transformer bushings

The earthquake also caused breaking of HV and MV bushings, disconnection, dislocation or leaking of oil at the joint of flange and porcelain, which in large scale resulted in outage transformers and reactors. Bushing’ s part at the junction with angled ascending base was most damaged, while bushing’s part inside main body was less damaged. Fig. 3 is a typical picture of bushings damaged in the earthquake.

Most oil leaking could be attributable to bushing damage. Therefore, it is crucial to improve

Bushing’s aseismatic performance. Switchgear

There were several types of damage to switchgears caused by the earthquake, such as break and collapse, body deformation, leaking of gas, mechanical failure and so on. Damage statistics on switchgears are shown in Table 2. It can be seen from the table that the main type of damage to switchgears was breaking and collapse.

Table 2 Statistics on number of switchgear damage by type Type of damage Breaking and collapse Body

GIS 252 kV - 2 Circuit 252 kV 15 - Breaker 126 kV 22 2

Disconnector 252 kV 29 5 126 kV 42 5 第 46 页

- - 2 4 西华大学毕业设计说明书

5 1 2 23 1 6 - 31 - 6 - 40 - - 4 51 deformation Leaking of gas Mechanical failure Others total

Damage to disconnecting switches happened mostly in epicentre area with high seismic intensity. There were fewer disconnecting switches damaged in circumjacent areas.

In respect of the damage to circuit breakers, it seemed to vary with types of products. There was one set of 252-kV gas insulated switchgear (GIS) involved in this investigation. The earthquake just caused a bushing incline between two cubicles and the equipment was restored soon.

For traditional circuit breakers, the degree of damage related closely to their structures. At the voltage level of 252 kV, the post porcelain insulators of old-type double-break SF6 circuit breakers were broken widely because of heavy top (see Fig. 4). The new type of single-break SF6 circuit breakers were in better conditions thanks to light top, especially for some imported porcelain products (see Fig. 5). At the voltage level of 126 kV, most of the circuit breakers were damaged slightly except the old-type ones in epicenter area where the intensity was very high.

According to the investigation, most of the switchgears at various voltage levels were made of porcelain and were of open-air type, so they had bad aseismatic performance. In comparison, GIS and tank circuit breakers had better aseismatic performance. Therefore they can be considered as a choice in future equipment selection for earthquake areas.

Bus bars and post insulators

There were two kinds of bus bar in the substations, that is, hard and flexible. The hard one was made of aluminum tube and aluminum conductor, and the flexible one was made of aluminum conductor. They were damaged in different ways by the earthquake. The damage relating hard bus bars was mainly breaking of solid-core post insulators (normally made of porcelain); for flexible bus bars, the damage was

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generally breaking of porcelain insulators suspending flexible bus bars. Analysis of reasons for damage Seismic fortifying criteria

One of the main reasons for damage to transmission and substation facilities in Wenchuan earthquake was that the actual earthquake intensity exceeded the fortifying limitation set for the facilities. Also, the main earthquake lasted for a comparatively longer period of time. The maximum intensity of this earthquake attained XI, but the seismic fortifying intensity set for electric facilities in this area is just VII.

Generally, buildings and structures in a substation are designed and built according to a given seismic fortifying intensity, so their earthquake resisting ability is limited. In case seismic acceleration overruns the bearing capability of buildings/structures, they may be damaged. Suggestions

In order to reduce damage to transmission and substation facilities in future earthquakes and shorten repair time, some suggestions are presented according to the investigation results.

1) More detailed damage investigations and countermeasure studies should be furthered for electric facilities. Builders should record the overall details of equipment damage in all substations before reconstruction.

2) All substations located on seismic belt should be evaluated for their aseismatic performance. As recorded in seismic information concerning earthquakes having happened worldwide, super earthquakes used to occur on seismic belt with a seismic intensity much higher than了fortifying limitation and extremely tremendous execution. Consequently, it is necessary to make evaluations for substation facilities in these zones.

3) The earthquake reduction and isolation technology should be applied to substation project construction. By way of isolating important equipment and buildings/ structures from steadier and groundwork, their earthquake resisting ability could be greatly enhanced.

4) Considering the destructibility of high-voltage porcelain equipment in earthquakes, researches should be carried out aiming at replacing porcelain with new type of high strength silicon porcelain or other fictile insulation material.

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5) For large-scale electric equipment such as transformer and switchgear, inspection of their bushing quality should be given more attention and the equipment should be made sure to have connected firmly with the base.

6) Studies on earthquake reduction and isolation technology for substation facilities should be carried

out in depth. Meanwhile, the aseismatic performance of high-voltage substation equipment should be traversed, especially for the devices with porcelain bushings or post insulators for which certain requirements should be demanded of manufacturers.

7) It is recommended to spot-check porcelain devices for their earthquake resisting capability. Certain proportion of porcelain devices should be chosen as random sample on earthquake simulation platform to ensure designed aseismatic performance.

8) The earthquake fortifying design criteria of key substations and line towers on seismic belt should be raised, with appropriate spare devices and spare parts being prepared.

9) Emergency response mechanism should be improved for earthquake and other unexpected events.Satellite phone can be considered to provide for some key substations.

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