110kV變電站繼電保護設計與整定

國網江陰市供電公司 李云法

110kV 變電站是變電站中應用較為廣泛的一種類型，其具有占地面積小、投資少、運行成本低等優勢，被廣泛應用于我國電力系統中。但在110kV 變電站運行過程中，會出現一系列故障問題，這些故障問題不僅會對110kV 變電站的正常運行產生嚴重影響，還會對電網系統造成破壞。因此，在實際工作過程中，需要加強對110kV 變電站繼電保護設計工作的重視度，采取科學合理的設計措施對其進行完善和優化，保證110kV 變電站繼電保護設計能夠滿足電力系統的實際運行需求。

1 110kV 變電站繼電保護原理分析

1.1 線路保護

線路保護的任務是在線路發生故障時，能夠及時、迅速地切除故障，以保證電網安全、穩定地運行。線路保護是所有繼電保護中最重要的保護裝置，其中包括線路縱聯差動保護、后備縱聯電流保護、零序電流保護、過負荷保護等。線路縱聯電流保護由兩組電流元件組成，一組是與被保護線路相連的，另一組是與被保護線路兩端的主設備相連的。

通常，在線路正常運行的過程中，當負荷電流流過線路后，所傳輸到繼電器中的電流會低于其他啟動電流，電流繼電器會處于停止的狀態，導致常開觸點出現斷開連接，且中間繼電器常開觸點也會處于比較明顯的斷開現象，而斷路器主觸頭會處于不斷送電的狀態。受各種環境因素的影響，當線路出現短路現象后，短路電流產生的電壓會超過保護裝置中啟動電流的電壓，而受電流繼電器常開觸點的影響，中間繼電器會始終處于啟動閉合的狀態，以此將正電源直接接入到信號繼電器的線圈中，同時通過斷路器的常開輔助觸點，最終連接到跳閘線路內部形成完善的線路體系，根據線路體系內部結構，最后由斷路器完成最后的跳閘操作程序，防止跳閘后所有線路出現故障現象，形成更加絕對安全可靠的保護作用。

1.2 電流速斷保護

電流速斷保護是利用電流速斷型的保護元件來實現線路保護的。其原理如圖1所示。

從圖1可看出，電流速斷保護是通過檢測電流的變化來判斷故障部位，從而快速切除故障。當線路出現接地短路故障現象后，故障電流會經過線路兩側的母線上。線路兩側的母線上各有一組電流互感器，每組電流互感器對兩側母線上的電流進行測量。如果兩側母線上的電流值相等，則說明發生了接地短路故障問題，這時保護裝置通過比較兩側母線上的電流差值來判別故障部位[1]。

1.3 距離保護

距離保護是比較常見的保護手段。距離保護原理是利用短路點與故障點之間的阻抗，即短路點到故障點的距離來鑒別故障元件。距離保護的選擇性主要取決于線路末端故障之間的比較，也就是取決于短路點與電源之間的距離。為了提高距離保護的選擇性，應在線路末端安裝短路元件，同時按一定規律整定距離保護定值。當距離元件動作時，以最大運行方式切除故障元件。當系統發生相間短路或接地短路時，保護動作于跳開相鄰線路或斷路器。根據保護的選擇性原理，可以劃分為后備保護和主動保護兩種類型。而在110kV 及以上電壓等級中，通常使用后備保護作為主要的保護手段。

2 某110kV 變電站繼電保護設計與整定

2.1 線路保護設計與整定

從特點角度來看，110kV 變電站線路具有較高的絕緣水平，在運行過程中不容易出現故障，因此一般不需要采取特別的保護措施，通常采用相應的非故障線路進行保護。由于110kV 變電站線路具有較長的運行距離，一般長度超過30km，因此需要在線路上安裝相應的保護裝置。110kV 變電站線路保護裝置通常有以下幾種：一是重合閘；二是速斷保護；三是距離保護。

重合閘是一種開關設備，能夠對線路上發生的故障進行切除，避免對用戶以及電網產生不良影響；速斷保護是指線路發生故障時，速斷保護會立即動作跳閘，對用戶進行供電。距離保護是指當線路發生故障時，距離保護會自動啟動，通過相關程序及時切除故障線路。而在后續設計的過程中，通常不需要設置專門的高低壓隔離開關，110kV 變電站線路通常都是由獨立的母線組成，因此在設計過程中可不需要設置相應的高低壓隔離開關。

110kV 變電站線路一般都是架空線形式。由于架空線具有較高的絕緣水平以及可靠性強等特點，因此一般不存在較大的故障隱患。同時，由于架空線具有較好的靈活性以及可靠性等特點，因此在設計過程中一般不會受到外界因素的影響，有利于保護110kV 變電站線路正常運行。在鋪設方式選擇方面，由于電纜具有絕緣性能較好、鋪設方便等特點，因此在設計過程中可采用電纜敷設方式進行輸電。而在進行架空線設置的過程中，可通過相關公式對線路過電流保護的動作電流進行整定，具體應用采用的公式為：

其中，Krel 表示可靠系數，參數值范圍在1.25～1.35，Kst 表示起動系數，通常由電流負荷性質所決定。Kre 表示返回系數，參數值一般取0.85。

另外，在線路保護裝置配置及原則方面，在110kV 變電站中，線路保護裝置主要包括高壓側和低壓側，通常情況下，高壓側的保護裝置配置較為復雜，低壓側的保護裝置相對簡單。在設計線路保護裝置時，要求充分考慮變電站的具體情況，還要對變電站的供電可靠性進行全面分析。通過對變電站的實際情況進行全面分析之后，可以有效確定線路保護裝置配置以及原則，從而保證變電站能夠正常、安全運行。最后在對110kV 變電站線路進行設計時，還要充分考慮110kV 變電站中不同設備的特點，并根據實際情況合理選擇其中一種或兩種方式。

在對110kV 變電站線路進行設計時必須遵循以下原則：首先，110kV 變電站線路與其他類型的電網相比具有特殊性，所以在設計時充分考慮110kV變電站的具體情況，并根據實際情況制定合理有效的線路保護設計方案。其次，在對110kV 變電站線路進行設計時要充分考慮線路運行環境以及運行特點，只有這樣才能保證110kV 變電站線路能夠正常運行；最后，在對110kV 變電站線路進行設計時，充分考慮各個設備之間的關系，以及設備之間的配合關系。同時，在設計過程中需要根據設備特點，以及實際情況選擇相應的保護措施。

2.2 母線保護設計與整定

母線在變電站內承擔著電能的流動，在110kV 變電站內，母線承擔著變壓器、線路等設備的供電任務。在實際設計過程中，需要對母線的運行情況進行分析，根據其運行狀態對繼電保護裝置進行選擇和配置，以滿足繼電保護和自動裝置的運行要求。110kV 變電站的母線是整個電網的重要組成部分，當系統出現故障時，需要及時切除故障設備，保證供電可靠性。在對母線進行設計時，需要根據電網實際運行情況進行分析，根據其運行狀態來選擇繼電保護裝置。在選擇繼電保護裝置時，需要對其可靠性、準確性等因素進行考慮，以便保證繼電保護裝置能夠滿足繼電保護的要求，避免影響供電可靠性。具體保護配置與整定內容見表1。

表1 母線保護配置與整定表

在確定完保護配置以及整定內容后，在主接線的設計過程中，需要將變電站分為兩個部分，即變電站A 和變電站B。在變電站A 和B 之間設置一臺主變壓器，其配置為單母線分段接線，110kV 主變壓器可以設置為兩個獨立的母線，也可以設置為兩個母線，其中一條主變壓器母線負責向一條母線供電。在兩條母線之間設置一個獨立的電源出口開關，當一條母線發生故障時，可以利用該開關來斷開另外一條母線。因此，需要重視對母線的選擇與效驗，并且，通過對溫度修正系數的判斷完成對主母線的選擇。具體判斷計算公式如下所示：

其中Qal 表示母線導體長期發熱后允許的最高溫度，θ 表示母線導體的實際溫度，θo 表示母線導體的額定環境溫度，當母線溫度修正超出一定數值，表面溫度趨于穩定，則說明該母線質量性較高，可對其進行選擇。

在進行主接線設計過程中，需要對系統的接線方式進行確定。主接線方式的確定通常是根據系統運行的實際情況和相關資料進行分析后確定的。如果系統中有多個變電站需要進行連接，則需要對設計方案進行合理規劃，明確每個變電站的接線方式。由于電氣主接線是影響變電站運行的重要因素，在主接線確定后，需要對各元件進行配置。根據變電站實際情況，將主變和母線劃分為2個區域，其中1號主變采用雙套保護系統，2號主變采用兩套保護系統，在設計110kV 變電站的繼電保護時，需要結合實際情況確定各元件的具體配置方案。

同時，在進行繼電保護設計時，還需要考慮到變電站的實際情況。例如，在進行某110kV 變電站保護配置時，需要根據變電站實際情況和相關規定，確定繼電保護系統的具體配置方案。此外，還要根據母線的實際情況進行繼電保護裝置的選擇和配置。根據不同繼電保護裝置的具體配置方案來確定繼電保護系統設計策略。

2.3 變壓器保護設計與整定

變電站變壓器是電力系統中的主要設備之一，其保護裝置的配置水平和技術性能將直接影響變電站的安全運行。110kV 變電站變壓器一般是由4臺或6臺主變壓器組成，每臺主變壓器都由多個不同容量的繞組和幾組主變壓器線圈構成，而每個繞組都有多條連接線，每根連接線上都裝有相應的斷路器和接地開關。在正常情況下，主變及各相之間的電流可以通過多根連接線互相傳導，從而實現平衡。但是一旦發生故障或過負荷時，這種電流就會明顯增大，而通過連接線的電流則會變小。因此，變壓器過電流最大負荷電流整定計算公式為：

其中，Krel 表示可靠系數，取值范圍在1.2～1.3，Kre 表示返回系數，去靜態繼電器最大值，取值范圍在0.85～0.95。Imax 表示變壓器最大負荷電流二次值，即整定變壓器可能增加的負荷電流。

當短路電流大于變壓器的額定電流時，連接線上就會出現不平衡電流，如果不采取適當的措施來防止這種不平衡電流對變壓器造成損害，那么就會影響變壓器的正常運行。根據變壓器運行的特點以及各種主變保護裝置的功能，在設計和安裝主變壓器保護裝置時應考慮以下原則：主變壓器保護裝置的配置要遵循“兩級、兩套、兩個主”的原則，即主變保護裝置必須由兩個廠家分別生產，其中至少應配備一套主變保護裝置；在選擇斷路器和接地開關時，應按照“經濟合理、配置簡單、性能可靠”的原則進行選擇，以確保主變壓器保護裝置能在發生故障時安全可靠地運行。

在110kV 變電站運行過程中，繼電保護系統的應用能夠有效提高變電站運行的可靠性和安全性。為了更好地促進110kV 變電站繼電保護設計水平的提升，需要相關工作人員在實際工作過程中，結合110kV 變電站的運行環境以及實際需求，積極探索和研究更加科學合理的設計措施。