某35kV变电所的继电保护毕业设计

of 科毕业设计（论文） 某 35电所的继电保护设计 学院名称 信息工 程学院 专业名称 电气工程及其自动化 学生姓名 吴 海 学号 20095759 指导教师 毕效辉 教授 二一三 年六月 西南科技大学本科生毕业论文 I 某 35电所的继电保护设计 摘 要 ： 本次毕业设计的题 目是某 35电所的继电保护设计。根据设计的要求，在设计的过程中，用到了 35压变电站的绝大多数的基础理论和设计方案，因此在设计过程中侧重了知识系统化能力的培养。设计可分为几部分：原始资料的分析、设计方案的确定、短路电流的相关计算、继电保护的配置、整定及校验的确定。 通过本次设计，学习了设计的基本方法，巩固四年以来学过的知识，培养独立分析问题的能力，而且加深对变电站的全面了解。 关键词 ： 短路电流； 继电保护 ； 整定计算 ； 校验 西南科技大学本科生毕业论文 of a 35kV of a 35kV to a of If of of of so in on be of is to 西南科技大学本科生毕业论文 录 第 1 章 绪论 . 1 国内外现状 . 1 本设计的意义 . 2 本设计主要工作 . 2 第 2 章 本设计继电保护分析 . 3 继电保护概述 . 3 继电保护装置的定义 . 3 继电保护装置原理 . 3 继电保护的任务 . 4 继电保护装置的基本要求 . 4 设计原始资料 . 5 变电站电气接线图 . 5 相关设计基础数据 . 6 本系统工作状态分析 . 7 电力变压器的故障状态分析 . 7 变压器的不正常工作状态分析 . 8 线路故障状态分析 . 8 本设计继电保护设置 . 8 变压器继电保护装设置 . 8 线路继电保护设置 . 8 本设计主要继电保护原理概述 . 9 第 3 章 短路计 算 . 11 短路计算的概念及其意义 . 短路电流的危害 . 11 西南科技大学本科生毕业论文 短路计算的目的 . 11 短路计算的计算步骤 . 12 电力系统的最大和最小运行方式定义 . 12 短路计算部分 . 13 系统等效电路简图 . 13 基准参数的选定 . 13 最大运行方式下相关计算 . 13 最小运行方式下相关计算 . 20 三相短路计算结果表 . 25 第 4 章 变压器继电保护的整定计算 . 27 变压器瓦斯保护 . 27 变压器差动保护 . 27 确定基本侧 . 28 计算差动保护一次侧的电流 . 30 差动继电器基本侧动作电流 . 31 确定差动继电器个绕组的匝数 . 32 确定非基本侧平衡线圈匝数 . 32 初步确定短路线圈的抽头 . 32 灵敏度校验 . 32 变压器过电流保护 . 33 启动电流按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定 . 33 继电器动作电流 . 34 灵敏度校验 . 34 过负荷保护 . 35 西南科技大学本科生毕业论文 V 继电器动作电流整定计算，按躲过变压器额定电流整定 . 35 动作时限的整定，按躲过允许的短时最大负荷时间整定 . 35 冷却风扇自启动 . 35 整定计算 . 35 继电器动作电流 . 35 第 5 章 线路保护整定计算 . 37 35路三段式电流保护计算 . 37 第一段无时限电流速断保护 . 39 第二段带时限电流速断保护 . 40 第三段过电流保护 . 41 10路保护整定计算 . 42 电流速断保护整定 . 42 过电流保护整定计算 . 48 第 6 章 防雷与接地 . 53 变电所设备接地设计 . 53 防雷设计 . 53 防雷的基本概念 . 53 架空线的防雷的措施 . 54 变配电所的防雷措施 . 54 结论 . 56 致谢 . 57 参考文献 . 58 附录 1 . 59 附录 2 . 60 西南科技大学本科生毕业论文 1 第 1 章 绪论 国内外现状 电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源。电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，建国后， 我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有，在大约 10 年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路 。 50 年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当时国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业。因而在 60 年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。变电所是电力系统在实际运用中的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经 济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。变电站是供电系统的枢纽，在生产和生活中占有特殊重要的地位。 电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好，便于扩建。但是电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态。故障中最常见、危害最大的是各种形式的短路。为此，需要安装各种形式的保护装置，用分层控制方式实施安全监控系统，对包括正常运行在内的各种运行状态实施监控，以确保电力系统安全正常且更好的运行。 数字化变电站技术是变电站自动化技术发展中具有里程碑意义的一次变革，对变电站自动化系统的各方面将产生深远的影响。数字化变电站三个主要的特征就是 “ 一次设备智能化，二次设备网络化，符合 准 ” ，即数字化变电站内的信息全部做到数字化，信息传递实现网络化，通信模型达到标准化，使各种设备和功能共享统一的信息平台。这使得数字化变电站在系统可靠性、经济性、维护简便性方面均比常规变电站有大幅度提升。 展望继电保护的未来发展 继电保护技术发展趋势向计算机化，网络化，智能化， 西南科技大学本科生毕业论文 2 保护、控制、测量和数据通信一体化发展 。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势。 本设计的意义 本次毕业设计内容为 35电站的继电保护。本次设计的主要目的在于使学生整合大一至大四所学的知识，通过设计的手段从而达到检测学习情况目的。学习的最终目的就是结合实际将经验与创新应用于社会，为社会培养一个符合要求的高素质人才，体现了学校注重对学生理论加动手能力的培养、社会生产中 对毕业生实际操作能力的必要要求。此次设计亦是对大学四年学习生涯的一个最终考察，对教学的一次验收， 通过设计，可拓展自动化专业的知识，掌握相关工程规范，培养学生分析与解决实际问题的能力。 本次设计以 35压变电所为主要设计对象， 在分析变电所主接线的构成和特点的基础上，确定保护的方式和类型；进行主变压器和 10线线路的继电保护设计、整定计算等；进行控制、计量等相关设计；按规范要求绘制保护原理配置图。 分析变电站的原始资料所给变电所的主接线，电压器台数、容量及型号，根据短路计算的结果，对变电所的一次设备进行 选择和校验，同时完成出线电路的保护设计，最后进行有效的系统保护 。 本设计主要工作 根据所给数据和系统图，分析和确定变压器以及出线的继电保护，绘制相关保护的原理配置图。进行相关的计算，包括一些阻抗计算、主变压器继电保护的配置以及线路继电保护的计算与校验的 研究等 。 西南科技大学本科生毕业论文 3 第 2 章 本设计 继电保护分析 继电保护概述 继电保护装置的定义 根据张保会、尹硕根主编电力系统继电保护，一般将电能通过的设备成为电力系统的一次设备，如发电机、变压器、断路器、母线、输电线路、补偿电容器 、电动机以及其他用电设备等。对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备，称为二次设备。继电保护装置就是能反映电力系统当中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。 继电保护装置原理 电力系统运行时存在正常、不正常工作和故障三种运行状态，要完成电力系统继电保护的基本任务，首先必须“区分”电力系统的这三种运行状态，并且要“甄别”出发生故障和出现异常的元件。而要进行“区分和甄别”，必须寻找电力元件再者三种运行状态下的可测量（继电保护主要测电气量）的“差异 ”，提取和利用这些可测参量的“差异”，实现对正常、不正常工作和故障元件的快速“区分”。依据可测量电气量的不同差异，可以构成不同原理的继电保护。目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。 继电 保护装置原理 如下 图 输入信号 输出信号 整定值 图 2电保护装置原理图 (1) 测量比较元件 测量比较元件 逻辑比较元件 执行输出元件 西南科技大学本科生毕业论文 4 测量比较元件用于测量通过被保护电力元件的 物理参量，并与其给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“ 0”或“ 1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护装置是否应该启动。根据需要继电保护装置往往有一个或多个测量比较元件。常用的测量比较元件有：被测电气量超过给定值动作的过量继电器，如过电流继电器、过电压继电器、高周波继电器等；被测电气量低于给定值动作的欠继电器，如低压继电器、阻抗继电器、低周波继电器等；被测电压、电流之间相位角满足一定值而动作的功率方向继电器等。 (2) 逻辑判断元件 逻辑判断单元根据测量比较元件输出逻辑信号的性质、先后顺序、 持续时间等，使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型范围，最后确定是否应该使断路器跳闸、发出信号或不动作，并将对应的指令传给执行输出部分。 (3) 执行输出元件 执行输出元件根据逻辑判断部分传来的指令，发出跳开断路器的跳闸脉冲及相应的动作信息，发出警报或不动作。 继电保护的任务 继电保护的基本任务是 (1) 自动迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行； (2) 反映设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号或跳 闸。 继电保护装置的基本要求 继电保护装置必须具备以下 5 项基本性能 (1) 可靠性 可靠性包括安全性和信赖性。所谓安全性，是要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动作。所谓信赖性，是要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不发生拒绝动作。 (2) 选择性 保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障从电力系统中断开，最大限度地保证 西南科技大学本科生毕业论文 5 系统中无故障部分仍能继续安全运行。 (3) 速动性 能尽可能快地切除故障，以减少设备及用户在大短路电流、低电压下运行的 时间，降低设备的损坏程度，提高电力系统并列运行的稳定性 (4) 灵敏性 对于其保护范围发生故障或不正常运行状态的反应能力。 4285电保护和安全自动装置技术规程中，对各类保护的灵敏 系数 都做了具体的规定，一般要求灵敏系数在 之间。 选择继电保护方案时，除设置需满足以上 4 项基本性能外，还应注意其经济性。即不仅考虑保护装置的投资和运行维护费，还必须考虑因装置不完善而发生拒动或误动对国民经济和社会生活造成的损失。 设计原始资料 本次毕业设计的主要内容是对 35电站的 继电保护设计，主要对其主变压器、出线线路进行继电保护设计，并进行整定校验，画出各保护的配置原理图。系统电源为35电站采用两台变压器，降压后输出 6 路 10数个工厂供电。 变电站电气接线图 此次设计 35电站继电保护的电器主接线图，如图 2示 西南科技大学本科生毕业论文 6 相关设计基础数据 两台主变压器容量为 2 号均为 5， 中一类负荷45%；二类负荷 25%；三类负荷 30%。 如下表 2 2短路电流表，表 2 10 表 2最大运行方式下三相短路电流 35（ 10 ( 3 )1.m ( 3 )2.m 表 2最小运行方式三相短路电流 35（ 10 ( 3 )1.m ( 3 )2.m A 变电站 1030K 10K 35 35 图 2主接线接线图 西南科技大学本科生毕业论文 7 表 210路额定电流和短路电流 表 210线电流互感器变比 出线线路 2 4 6 75/5 100/5 100/5 75/5 75/5 本系统 工作状态 分析 本设计 35/10统为双电源 ， 35母线分段接线， 10单母线分段接线，所接负荷属一二类负荷居多。 电力变压器的故障状态分析 变压器故障可以分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路以及接地短路。油箱内部故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的烧损等。油箱内故障时 产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸。对于变压器发生的各种故障，保护装置应能尽快地将变压器切除。实践表明，变压器套管和引出线的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式；而变压器油箱发生相间短路的情况比较少。 出线线路 2 4 6 最大运行方式 小运行方式 定电流A） 80 70 95 90 50 60 西南科技大学本科生毕业论文 8 变压器的不正常工作状态分析 变压器外部引起的过电流、负荷长时间超长时间超过额定电流容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等。这些不正常运行状态会造成绕组和铁芯过热。此外， 对于中性点不接地运行的星星接线变压器，外部接地短路时有可能造成中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行等异常运行状况下会使得变压器过励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。 线路故障状态分析 本设计中的电力系统具有非直接接地的架空线路及中性点不接地的电力变压器等主要设备。就线路来讲，其主要故障为单相接地、两相接地和三相接地。 本设计继电 保护设置 变压器继电保护装设置 变压器为变电所的核心设备，根据其故障和不正常运行的情况，从反应各种不同故障的可靠、快速、灵敏及提高系统的安全性出发，设置相应的主保护、异常运行保护和必要的辅助保护如下： (1) 主保护：瓦斯保护（以防御变压器内部故障和油面降低）、纵联差动保护（以防御变压器绕组、套管和引出线的相间短路）。 (2) 后备保护：过电流保护（以反应变压器外部相间故障）、过负荷保护（反应由于过负荷而引起的过电流）。 (3) 异常运行保护和必要的辅助保护：冷却风机自启动（用变压器一相电流的 70%来启动冷却风机，防止变压器油温过高）。 线路继电保护设置 根据线路的故障类型，设置相应的继电保护装置如下： (1) 10荷侧单回线出线保护，采用两段式电流保护，即电流速断保护和过电流保护。其中电流速断保护为主保护，不带时限， 0s 跳闸。 (2) 35路的保护，采用三段式电流保护，即电流速断保护、带时限电流保护与 西南科技大学本科生毕业论文 9 过电流保护。其中电流速断保护为主保护，不带时限， 0s 跳闸。 本设计 主要 继电保护原理概述 (1) 10路电流速断保护 根据短路时通过保护装置的电流来选择动 作电流 ，以动作电流的大小来控制保护装置的保护范围；有无时限电流速断和延时电流速断，采用二相二电流继电器的不完全星形接线方式，本设计选用无时限电流速断保护。 (2) 10路过电流保护 利用短路时的电流比正常运行时大的特征来鉴别线路发生了短路故障，其动作的选择性由过电流保护装置的动作具有适当的延时来保证，有定时限过电流保护和反时限过电流保护；本设计与电流速断保护装置共用两组电流互感器，采用二相二继电器的不完全星形接线方式，选用定时限过电流保护，作为电流速断保护的后备保护，来切除电流速断保护范围以外的故障， 其保护范围为本线路全部和下段线路的一部分。 (3) 变压器瓦斯保护 利用安装在变压器油箱与油枕间的瓦斯继电器来判别变压器内部故障；当变压器内部发生故障时，电弧使油及绝缘物分解产生气体。故障轻微时，油箱内气体缓慢的产生，气体上升聚集在继电器里，使油面下降，继电器动作，接点闭合，这时让其作用于信号，称为轻瓦斯保护；故障严重时，油箱内产生大量的气体，在该气体作用下形成强烈的油流，冲击继电器，使继电器动作，接点闭合，这时作用于跳闸并发信，称为重瓦斯保护。 (4) 变压器纵联差动保护 是按照循环电流的原理构成。在变压 器两侧都装设电流互感器，其二次绕组按环流原则串联，差动继电器并接在回路壁中，在正常运行和外部短路时，二次电流在臂中环流，使差动保护在正常运行和外部短路时不动作，由电流互感器流入继电器的电流应大小相等，相位相反，使得流过继电器的电流为零；在变压器内部发生相间短路时，从电流互感器流入继电器的电流大小不等，相位相同，使继电器内有电流流过。但实际上由于变压器的励磁涌流、接线方式及电流互感器误差等因素的影响 ，继电器中存在不平衡电流，变压器差动保护需解决这些问题，方法有 1) 靠整定值躲过不平衡电流 。 2) 采用比例制 动差动保护 。 西南科技大学本科生毕业论文 10 3) 采用二次谐波制动 。 4) 采用间歇角原理 。 5) 用速饱和变流器 。 本设计采用较经济的 带有速饱和变流器的继电器，以提高保护装置的励磁涌流的能力。 西南科技大学本科生毕业论文 11 第 3 章 短路 计算 短路计算的概念及其意义 短路是指不同电位的导电部分之间的低阻性短接。短路后，短路电流比正常电流大很多，有时可达十几千安至几十千安。 造成短路的主要原因：电气设备载流部分的绝缘损坏、工作人员误操作、动物或植物跨越在裸露的相线之间或相线与接地物体之间。 短路电流的危害 (1) 短路时要产生很大的电动力和很高的温度，造成元件和设备损坏。 (2) 短路时短路电路中电压要骤降，严重影响其中电气设备的正常运行。 (3) 短路会造成停电损失并影响电力系统运行的稳定性。 (4) 不对称短路包括单相短路和两相短路，其短路电流将产生较强的不平衡交变磁场，对附近的通信线路、电子设备等产生干扰。 由于短路的后果十分严重，因此必须设法消除可能引起短路的一切因素；同时需要进行短路电流计算，以便正确地选择电气设备，使设备具有足够的动稳定性和热稳定性，以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损坏。 在三 相系统中，可能发生三相短路、两相相间短路、两相接地短路、单相接地短路。其中三相短路属于对称性短路。 若系统容量相对于输配电系统系统中某一部分的容量大很多时， 可以把该系统看做无限大容量电力系统 当该部分发生负荷变动甚至短路时，系统馈电母线上的电压能基本维持不变，或者系统电源总阻抗不超过短路电路总阻抗的 5%或者系统容量大于该部分容量的 50 倍时，可将电力系统视为无限大容量电力系统。 将电力系统视为无限大容量的电源在计算系统发生三相短路的电流时更苛刻，所以通常的短路计算都是建立在将系统视为无限大容量电力系统 的基础上。 短路计算的目的 (1) 分析短路时的电压、电流特征。 (2) 验算导体和电器的动、热稳定以及确定开关电器所需开断的短路电流及相关参 西南科技大学本科生毕业论文 12 数。 短路计算方法分为欧姆法和标幺制法。欧姆法又称有名单位制法，各物理量均以实际值参与计算；标幺制法又称相对单位制法，任一物理量的标幺值为该物理量的实际值与所选定的基准值的比值。 由于三相短路电流计算对设计选型及设备校验具有重要意义，本设计将对其进行着重研究。 短路计算的计算步骤 (1) 取功率基准值 并取各级电压基准值等于该级的平均额定电压，即U ； (2) 计算各元件的电抗标幺值。并绘制出等值电路； (3) 网络化简，求出从电源至短路点之间的总电抗标幺值*X； (4) 计算出短路电流周期分量有效值（也就是稳态短路电流），再还原成有名值； (5) 计算出短路冲击电流和最大短路电流有效值； (6) 按要求计算出其他量 。 电力系统的最大和最小运行方式定义 电力系统中，为使系统安全、经济、合理运行，或者满足 检修工