某变电站继电保护设计.doc

电力系统自动化课程设计机电工程系电力系统自动化课程设计（ 07 级本科 1 班） 专 业 电气工程及其自动化 姓 名： 魏 栋 学号： 0714137 指导教师： 王立东 职称： 讲师 完成日期： 2010 年 12 月 1 日目 录摘 要2第一章 引言3第二章 电力系统自动化的一般概念4第三章 本课程设计的主要任务5第四章 课程设计的目的6第五章 课程设计任务书7第六章 课程设计内容及过程81概述81.1设计规模：81.2设计原始资料：82变电所继电保护和自动装置规划92.1系统分析及继电保护要求：92.2本系统故障分析：92.3 10kv线路继电保护装置92.4主变压器继电保护装置设置102.5变电所的自动装置102.6本设计继电保护装置原理概述：103短路电流计算123.1 系统等效电路图：123.2 基准参数选定：123.3阻抗计算（均为标幺值）：123.4短路电流计算：124主变继电保护整定计算及继电器选择144.1瓦斯保护：144.2纵联差动保护：144.3过电流保护：164.4过负荷保护：164.5冷却风扇自起动：16第七章 课程设计总结17致 谢17参考文献18摘 要摘 要：随着我国电力工业的迅速发展，各大电力系统的容量和电网区域不断扩大。继电保护装置广泛应用于电力系统、农网和小型发电系统，是电网及电气设备安全可靠运行的保证。本论文围绕35kV变电站的保护整定计算展开分析和讨论，重点设计了电力系统基本常识以及需要系数法计算负荷、电力网接线方案的选择原则、短路电流的计算、变压器和线路的继电保护配置以及无功功率补偿等。同时详细介绍了主设备差动保护的整定算法，电气主接线的设计、做出短路点的等效电路图，对设备保护进行了相应的选择与校验。通过比较各个接线方式的优缺点，确定变电站的主接线方式。关键词：变电站、短路电流、无功功率补偿、整定计算Abstract: With the rapid development of Chinas power industry, the major power system capacity and expanding the regional power grid. Protection devices are widely used in power systems, Rural and small power systems, power grid and electrical equipment is safe and reliable operation of the guarantee. This paper around the 35kV substation protection setting to analyze and discuss, focusing on the basics of power system design and the need for the Calculation of load, power grid connection scheme selection principles, short-circuit current calculation, transformer and line relay protection, and no reactive power compensation. Also details the main equipment differential protection setting algorithm, the design of the main electric connection and make the equivalent circuit short circuit, protective device for the corresponding selection and validation. By comparing the advantages and disadvantages of each connection mode, connection mode to determine the main substation.Key words: Substation、Short-circuit current、Reactive power compensation、Setting calculation 第一章 引言随着电力系统网的建设和发展，如何保障电力系统的正常运行和输电安全，变的尤为重要。为了防止变压器在发生各种类型故障和不正常运行时造成不应有的损失，保证电力系统安全连续运行。本课程设计通过对供电系统中变压器纵联差动保护越级跳闸的分析和处理，及对线路负荷、参数等资料的调研,和对变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障进行了研究和分析。并对由于纵联差动保护产生的不平衡电流产生的原因及减小或消除的措施进行了探索和研究。其中计算了不同方式下的负荷电流和短路电流,计算及校核系统各线路的继电保护定值;对保护越级跳闸和事故扩大的原因进行分析,依据工业与民用配电设计手册和继电保护四性要求,提出了系统的保护整定新方案和配置建议;针对供电系统保护越级跳闸线路,提出了通过常规保护相位补偿方法及微机保护相位补偿方法和提高变压器高压侧单相接地短路差动保护灵敏度的方法。课程设计对提高供电系统及配电系统中低压短线路继电保护的可靠性,以及电网正常、安全运行具有重要意义和使用价值。电力变压器作为电网的核心组成部分之一，对电网的安全运行起着举足轻重的作用。只有对变压器的故障和异常运行进行准确的分析和判断，采取及时而有效的处理措施，才能确保电网的正常运行和对用户的正常供电。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。电力变压器的故障，分为外部故障和内部故障两类。本课程设计设计主要是对继电保护的短路电流计算通过对供电系统中变压器纵联差动保护越级跳闸的分析和处理，及对线路负荷、参数等资料的调研,和对变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障进行了研究和分析。是以电力系统继电保护、电力系统自动化为基础的一门综合课程设计。第二章 电力系统自动化的一般概念对电能生产、传输和管理实现自动控制、自动调度和自动化管理。电力系统是一个地域分布辽阔，由发电厂、变电站、输配电网络和用户组成的统一调度和运行的复杂大系统。电力系统自动化的领域包括生产过程的自动检测、调节和控制,系统和元件的自动安全保护,网络信息的自动传输，系统生产的自动调度，以及企业的自动化经济管理等。电力系统自动化的主要目标是保证供电的电能质量（频率和电压），保证系统运行的安全可靠，提高经济效益和管理效能。按照电能的生产和分配过程，电力系统自动化包括电网调度自动化、火力发电厂自动化、水力发电站综合自动化、电力系统信息自动传输系统、电力系统反事故自动装置、供电系统自动化、电力工业管理系统的自动化等7个方面,并形成一个分层分级的自动化系统(见图)。区域调度中心、区域变电站和区域性电厂组成最低层次；中间层次由省(市)调度中心、枢纽变电站和直属电厂组成，由总调度中心构成最高层次。而在每个层次中，电厂、变电站、配电网络等又构成多级控制。发展过程 20世纪50年代以前，电力系统容量在几百万千瓦左右,单机容量不超过10万千瓦,电力系统自动化多限于单项自动装置，且以安全保护和过程自动调节为主。例如,电网和发电机的各种继电保护,汽轮机的危急保安器,锅炉的安全阀,汽轮机转速和发电机电压的自动调节,并网的自动同期装置等。5060年代, 电力系统规模发展到上千万千瓦,单机容量超过20万千瓦,并形成区域联网，在系统稳定、经济调度和综合自动化方面提出了新的要求。厂内自动化方面开始采用机、炉、电单元式集中控制。系统开始装设模拟式调频装置和以离线计算为基础的经济功率分配装置，并广泛采用远动通信技术。各种新型自动装置如晶体管保护装置、可控硅励磁调节器、电气液压式调速器等得到推广使用。7080年代，以计算机为主体配有功能齐全的整套软硬件的电网实时监控系统 (SCADA)开始出现。20万千瓦以上大型火力发电机组开始采用实时安全监控和闭环自动起停全过程控制。水力发电站的水库调度、大坝监测和电厂综合自动化的计算机监控开始得到推广。各种自动调节装置和继电保护装置中广泛采用微型计算机。第三章 本课程设计的主要任务（1）本设计为35KV降压变电所。主变容量为6300KVA，电压等级为35/10KV；（2）搜集原始资料；（3）电气主接线的设计、做出短路点的等效电路图；（4）对设备保护进行了相应的选择与校验；（5）对短路电流的整定与计算；（6）主变继电保护整定计算及继电器选择；（7）通过比较各个接线方式的优缺点，确定变电站的主接线方式。第四章 课程设计的目的（1）完成对35KV降压变电所。主变容量为6300KVA，电压等级为35/10KV的设计；（2）学会使用VISIO软件进行电气绘图；（3）通过课程设计，熟练掌握变压器纵连差动保护的整定计算和灵敏度的校验以及主变继电保护整定计算及继电器选择； （4）通过课程设计，培养解决实际问题的能力，为今后的学习打下基础；（5）通过课程设计，熟练掌握资料的查询（图书、网络）的方法，同时使电力网继电保护原理课程和电力系统自动化课程中所获得的知识在工程设计工作中综合地加以应用，从而使理论知识和实践结合起来。第五章 课程设计任务书1.课程设计题目：某变电站继电保护设计2.课程设计考核方法及成绩评定：课程设计结束时学生必须写出设计报告，课程设计的成绩分三部分。1、 现场考核：考查学生分析问题的能力，占成绩20%。2、 书面考核：考察课程设计报告的质量，占成绩60%。3、 纪律考核：考察学生的出勤情况和工作态度，占成绩20%。3.设计报告的主要内容包括： 报告通一采用A4打印纸，其版面要求如下：页边距：上为2.2，下为2.2，左为2.2，右为2.2；页眉页脚均为1.1；文档网格选“指定行和字符网格”，字符每行39，行为每页35。字体要求：每部分的标题统一用四号，正文用小四。设计内容布置按下面格式进行。目录：设计中文摘要及摘要英文翻译1. 引言2. 电力系统自动化的一般概念3. 本课程设计的主要任务4. 课程设计的目的5. 课程设计任务书6. 课程设计内容及过程7. 课程设计总结8. 参考文献第六章 课程设计内容及过程1概述1.1设计规模：本设计为35KV降压变电所。主变容量为6300KVA，电压等级为35/10KV。1.2设计原始资料：1.2.1 35KV供电系统图,如图1所示。1.2.2参数：电源I短路容量：= 200MVA；电源短路容量：=250MVA；供电线路： L= L=15km，L= L=10km，线路阻抗：X=0.4/km。 图1 35KV系统原理接线图1.2.3 35kv变电所主接线图，如图2所示 图2 35kv变电所主接线图1.2.4 10kv母线负荷情况，见下表：负荷名称最大负荷（kv）功率因数回路数供电方式线路长度（km）织布厂12000.85 1架空线 8胶布厂1100 0.85 1 架空线 7 印染厂1400 0.85 2 架空线 13 配电所1500 0.85 2 架空线 10 炼铁厂1700 0.85 2 架空线 101.2.5 B1、B2主变容量、型号为6300kVA之SF1-6300/35型双卷变压器，Y-/11之常规接线方式，具有带负荷调压分接头，可进行有载调压。其中Uk%=7.5。1.2.6运行方式：以SI、S全投入运行，线路L1L4全投。DL1合闸运行为最大运行方式；以S停运，线路L3、L4停运，DL1断开运行为最小运行方式。1.2.7已知变电所10KV出线保护最长动作时间为1.5s。2变电所继电保护和自动装置规划2.1系统分析及继电保护要求： 本设计35/10KV系统为双电源35KV单母线分段接线，10KV侧单母线分段接线，所接负荷多为化工型，属一二类负荷居多。2.1.1为保证安全供电和电能质量，继电保护应满足四项基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。2.2本系统故障分析：2.2.1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。2.2.2电力变压器的故障，分为外部故障和内部故障两类。变压器的外部故障常见的是高低压套管及引线故障，它可能引起变压器出线端的相间短路或引出线碰接外壳。变压器的内部故障有相间短路、绕组的匝间短路和绝缘损坏。2.2.3变压器的不正常运行过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及不允许的油面下降。2.3 10kv线路继电保护装置根据线路的故障类型，按不同的出线回路数，设置相应的继电保护装置如下：2.3.1单回出线保护：适用于织布厂和胶木厂出线。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。2.3.2双回路出线保护：适用于印染厂、配电所和炼铁厂出线。采用平行双回线路横联方向差动保护加电流保护。其中横联方向差动保护为主保护。电流保护作为横联方向差动保护的后备保护。2.4主变压器继电保护装置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：2.4.1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）。2.4.2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）。2.4.3异常运行保护和必要的辅助保护：温度保护（以检测变压器的油温，防止变压器油劣化加速）和冷却风机自启动（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）。2.5变电所的自动装置2.5.1针对架空线路的故障多系雷击、鸟害、树枝或其它飞行物等引起的瞬时性短路，其特点是当线路断路器跳闸而电压消失后，随着电弧的熄灭，短路即自行消除。若运行人员试行强送，随可以恢复供电，但速度较慢，用户的大多设备（电动机）已停运，这样就干扰破坏了设备的正常工作，因此本设计在10KV各出线上设置三相自动重合闸装置（CHZ），即当线路断路器因事故跳闸后，立即使线路断路器自动再次重合闸，以减少因线路瞬时性短路故障停电所造成的损失。2.5.2针对变电所负荷性质，缩短备用电源的切换时间，提高供电的不间断性，保证人身设备的安全等，本设计在35KV母联断路器（DL1）及10KV母联断路器（DL8）处装设备用电源自动投入装置（BZT）。2.5.3频率是电能质量的基本指标之一,正常情况下,系统的频率应保持在50Hz，运行频率和它的额定值见允许差值限制在0.5Hz内，频率降低会导致用电企业的机械生长率下降，产品质量降低，更为严重的是给电力系统工作带来危害，而有功功率的缺额会导致频率的降低，因此，为保证系统频率恒定和重要用户的生产稳定，本设计10KV出线设置自动频率减负荷装置（ZPJH），按用户负荷的重要性顺序切除。2.6本设计继电保护装置原理概述：2.6.1 10KV线路电流速断保护：根据短路时通过保护装置的电流来选择动作电流的，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。2.6.2 10KV线路过电流保护: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。2.6.3平行双回线路横联方向差动保护：通过比较两线路的电流相位和数值相同与否鉴别发生的故障;由电流起动元件、功率方向元件和出口执行元件组成，电流起动元件用以判断线路是否发生故障，功率方向元件用以判断哪回线路发生故障，双回线路运行时能保证有选择的动作。该保护动作时间0S，由于横联保护在相继动作区内短路时，切除故障的时间将延长一倍，故加装一套三段式电流保护，作为后备保护。2.6.4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。2.6.5变压器纵联差动保护： 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。（3）采用二次谐波制动。（4）采用间歇角原理。（5）采用速饱和变流器。本设计采用较经济的BCH-2型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。3短路电流计算3.1 系统等效电路图： 图图图3系统等效电路图 （各阻抗计算见3.3）3.2 基准参数选定：S=1000MVA,U= U即：35kv侧U=37kv,10kv侧U=10.5kv。3.3阻抗计算（均为标幺值）：1） 系统：X1=100/200=0.5 X2=100/250=0.42) 线路：L1，L2：X3=X4=l1X1SB/VB2=0.415100/372=0.438 L3，L4： X5=X6=l3SB/VB2=0.410100/372=0.2923) 变压器：B1，B2：X7=X8=（Uk%/100）SB/S=0.075100/6.3=1.193.4短路电流计算：1）最大运行方式：系统化简如图4所示。 其中： X9=X2+X3X40.719 X10= X1+X5X60.546X11=X10X90.31 X12=X11+X71.5据此，系统化简如图5所示。故知35KV母线上短路电流： 10KV母线上短路电流: 折算到35KV侧:对于d3点以炼铁厂计算: 图4 图5 2) 最小运行方式下:系统化简如图6所示。因S停运,所以仅考虑S单独运行的结果；所以35KV母线上短路电流： I所以10KV母线上短路电流： 折算到35KV侧: 对于d3以炼铁厂进行计算:折算到35KV侧：图64主变继电保护整定计算及继电器选择4.1瓦斯保护：轻瓦斯保护的动作值按气体容积为250300整定，本设计采用280 。重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为0.61.5 整定本，本设计采用0.9 。 瓦斯继电器选用FJ3-80型。4.2纵联差动保护：选用BCH-2型差动继电器。4.2.1 计算Ie及电流互感器变比，列表如下：名 称各侧数据Y（35KV）（10KV）额定电流变压器接线方式YCT接线方式YCT计算变比实选CT变比nl200/5400/5实际额定电流不平衡电流Ibp4.50-4.33=0.17A确定基本侧基本侧非基本侧4.2.2确定基本侧动作电流：1）躲过外部故障时的最大不平衡电流 （1）利用实用计算式： 式中：可靠系数，采用1.3； 非同期分量引起的误差，采用1； 同型系数，CT型号相同且处于同一情况时取0.5，型号不同时取1，本设计取1。 U变压器调压时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，本设计取0.05。继电器整定匝书数与计算匝数不等而产生的相对误差，暂无法求出，先采用中间值0.05。代入数据得 2）躲过变压器空载投入或外部故障后电压恢复时的励磁涌流（2）式中：可靠系数，采用1.3； 变压器额定电流：代入数据得 3）躲过电流互改器二次回路短线时的最大负荷电流 （3）式中： 可靠系数，采用1.3； 正常运行时变压器的最大负荷电流；采用变压器的额定电流。 代入数据得 比较上述（1），（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值， 即： 4.2.3确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流将两侧电流互感器分别结于继电器的两组平衡线圈，再接入差动线圈，使继电器的实用匝数和动作电流更接近于计算值；以二次回路额定电流最大侧作为基本侧，基本侧的继电器动作电流及线圈匝数计算如下：基本侧（35KV）继电器动作值 代入数据得 基本侧继电器差动线圈匝数 式中：为继电器动作安匝，应采用实际值，本设计中采用额定值，取得60安匝。代入数据得 选用差动线圈与一组平衡线圈匝数之和较小而相近的数值，作为差动线圈整定匝数。即：实际整定匝数继电器的实际动作电流 保护装置的实际动作电流 4.2.4确定非基本侧平衡线圈和工作线圈的匝数平衡线圈计算匝数故，取平衡线圈实际匝数工作线圈计算匝数4.2.5计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差 此值小于原定值0.05，取法合适，不需重新计算。4.2.6初步确定短路线圈的抽头根据前面对BCH-2差动继电器的分析，考虑到本系统主变压器容量较小，励磁涌流较大，故选用较大匝数的“C-C”抽头，实际应用中，还应考虑继电器所接的电流互感器的型号、性能等，抽头是否合适，应经过变压器空载投入试验最后确定。4.2.7保护装置灵敏度校验差动保护灵敏度要求值本系统在最小运行方式下，10KV侧出口发生两相短路时，保护装置的灵敏度最低。本装置灵敏度 满足要求。4.3过电流保护：1）保护动作电流按躲过变压器额定电流来整定 式中：可靠系数，采用1.2； 返回系数，采用0.85； 代入数据得 继电器的动作电流 电流继电器的选择：DL-21C/102）灵敏度按保护范围末端短路进行校验，灵敏系数不小于1.2。灵敏系数： 满足要求。4.4过负荷保护：其动作电流按躲过变压器额定电流来整定。动作带延时作用于信号。 延时时限取10s，以躲过电动机的自起动。当过负荷保护起动后，在达到时限后仍未返回，则动作ZDJH装置。4.5冷却风扇自起动： 即，当继电器电流达到3.15A时，冷却风扇自起动。第七章 课程设计总结一、通过本次课程设计对继电保护和电力系统自动化的课程设计有了进一步的了解和掌握，通过对课本和参考书籍的翻阅，进一步提高了利用手头资料