110千伏变电站设计（I）（二次部分）

摘要I摘 要变电站在电力系统中的地位十分重要，随着我国电力事业的发展，变电站的二次部分由传统的二次设备包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置发展为能实现对全站的主设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护以及调度通信的综合性的自动化二次系统，同时变电站的数字化和综合自动化不仅为实现变电站无人值班和配电网实现综合自动化奠定了基础，而且也为供电部门提供更加安全、经济可靠和高质量的电能创造了条件。本设计主要是对 110kV 变电站一次部分进行相应的继电保护设计和二次回路初步设计。结合所学各科知识和根据参考标准完成设计。本设计主要包括以下内容：第一章，绪论；第二章，110kV 变电站电气一次部分的基本情况；第三章，变电站主变压器的保护方案设计；第四章，变电站母线的保护方案设计；第五章，变电站输电线路的保护方案设计；第六章，断路器和隔离开关控制回路的设计；第七章，互感器的配置和接线设计；第八章，变电站信号回路和其他二次部分的初步设计；第九章，微机保护的整定计算。关键词： 二次系统，微机保护，RCS-9000 ，GOOSE AbstractIIAbstractThe status of substation in power system is very important, as our country the development of the electric power industry, the second part by the traditional substation of secondary devices include measuring instrument, signal system, relay protection and automation and far micromovement device for can realize the development of the main equipment and total defeated, the automatic monitoring, power distribution lines measuring, automatic control and microcomputer protection and scheduling communication comprehensive automation quadratic system while substation digitization and integrated automation not only for realizing substation nobody on-duty and distribution network to realize comprehensive automation, but also laid a foundation for the power supply departments to provide more security, economic reliable and high quality power created the conditions. This design is mainly to a part of 110 kV substations make corresponding relay protection design and secondary circuits preliminary design. Unifies studies various branches knowledge and complete design according to the reference standard. This design includes the following content: Chapter 1, introduction. Chapter 2, 110 kV substations, the basic situation of electric is a part. Chapter 3, the main transformer substations protection scheme design. Chapter 4, busbar protection substation project design. Chapter 5, substation transmission line protection scheme design. Chapter 6, breaker and isolating switch control circuit design. Chapter 7, transformer configuration and wiring design. Chapter 8, substation signal circuit and other second part of the preliminary design. Chapter 9 microcomputer protection setting calculation.Keywords： Secondary System , Relay Protection , RCS-9000 , GOOSE 目录I目录摘要 .IAbstract.II1 绪论 .11. 1 课题的目的意义 .11. 2 国内外研究综述 .11. 3 课题设计主要内容 .22 电气一次部分基本情况 .32. 1 毕业设计原始资料 .32. 1. 1 建设性质及规模 .32. 1. 2 电力系统接线简图 .32. 1. 3 负荷资料 .42. 1. 4 所址概况 .52. 2 电气一次部分计算数据 .52. 2. 1 变电站的主接线形式 .52. 2. 2 变电站的各侧负荷情况 .52. 2. 3 变电站的主变压器 .52. 2. 4 变电站的短路计算数据 .52. 2. 5 变电站的主要配电装置 .63 变电站主变压器的保护方案设计 .73. 1 概述 .73. 2 主变压器保护的配置原则 .83. 3 主变压器保护的配置方案 .93. 3. 1 主变压器保护配置方案 .93. 3. 2 主变压器保护配置情况 .103. 3. 3 RCS-978 EA 变压器成套保护装置介绍 .113. 3. 4 RCS-9661 变压器非电量保护装置介绍 .123. 4 主变压器保护原理 .133. 4. 1 变压器差动保护 .133. 4. 2 变压器非电量保护 .143. 4. 3 变压器后备保护 .143. 5 主变压器保护工作原理 .14 目录II3. 5. 1 比率差动保护 .153. 5. 2 非电量保护 .163. 5. 3 复合电压闭锁过流 .163. 5. 4 过负荷保护 .173. 6 主变压器保护整定 .174 变电站母线的保护方案设计 .184. 1 概述 .184. 2 母线保护的配置方案 .194. 2. 1 母线保护的配置原则 .194. 2. 2 母线保护配置方案 .194. 2. 3 RCS-915AB 型微机母线保护装置介绍 .204. 3 母线保护工作原理 .204. 3. 1 母线差动保护 .204. 3. 2 断路器失灵保护 .224. 4 母线保护的整定 .245 变电站输电线路的保护方案设计 .255. 1 概述 .255. 2 变电站线路保护的配置原则 .255. 2. 1 对 363kV 中性点非直接接地电力网中线路的保护 .255. 2. 2 对 110kV 中性点直接接地电力网中线路的保护 .265. 3 变电站线路保护的配置方案 .265. 3. 1 线路保护的配置 .265. 3. 2 线路保护配置方案 .275. 3. 3 RCS-941A 高压输电线路成套保护装置介绍 .275. 3. 4 RCS-9611AII 馈线保护测控装置介绍 .285. 4 线路保护的整定 .296 断路器和隔离开关控制回路设计 .306. 1 概述 .306. 1. 1 断路器控制原则 .306. 1. 2 隔离开关控制原则 .306. 2 控制回路设计 .316. 2. 1 控制装置的配置 .316. 2. 2 智能控制柜典型配置方案 .316. 2. 3 变电站配置方案介绍 .35 目录III6. 2. 4 PCS-9820A 智能测控装置介绍 .376. 3 控制回路工作原理 .386. 3. 1 操作控制逻辑 .386. 3. 2 跳合闸回路完好性监视 .416. 3. 3 PCS-9820A 智能测控装置插件说明 .436. 3. 4 RCS-9611AII 馈线保护测控装置插件说明 .497 互感器的配置和接线设计 .507. 1 概述 .507. 2 互感器的配置 .517. 2. 1 互感器的选择 .517. 2. 2 PCS-9250 系列电子式互感器工程实例 .527. 2. 3 PCS-220 系列合并单元介绍 .537. 3 互感器配置方案 .557. 3. 1 电子式互感器与合并单元配置形式 .557. 3. 2 110kV 侧 GIS 互感器合并单元的配置 .557. 3. 3 35kV(10kV)侧开关柜内互感器合并单元的配置 .568 变电站信号回路和其他二次部分初步设计 .588. 1 概述 .588. 2 变电站信号回路设计 .588. 2. 1 数字化变电站介绍 .598. 2. 2 IEC61850 标准介绍 .598. 2. 3 GOOSE 介绍 .598. 2. 4 变电站 GOOSE 组网 .598. 2. 5 GOOSE 组网方案 .608. 3 其他二次部分的初步设计 .648. 3. 1 直流系统设计 .648. 3. 3 变电站组屏方案设计 .669 微机保护的整定计算 .679. 1 变压器的保护计算 .679. 1. 1 相关计算 .679. 1. 2 差动保护的整定计算 .689. 1. 3 差动速断保护整定计算 .699. 1. 4 复合电压闭锁方向过流整定计算 .709. 1. 5 过流保护整定计算 .72 目录IV9. 1. 6 过负荷保护整定计算 .739. 2 母线的保护计算 .739. 2. 1 110kV 母线差动保护的整定计算 .739. 3. 2 35kV 母线差动保护的整定 .749. 3. 3 10kV 母线保护的整定 .749. 3 线路的保护计算 .749. 3. 1 35kV 出线保护整定计算 .749. 3. 2 10kV 出线保护整定计算 .75结论 .77致谢 .78参考文献 .79附录 .80附录 A 110kV 变电站微机保护配置图 .80附录 B 110kV 变电站 GOOSE 网络结构图 .80附录 C 110kV 变电站 1#主变压器保护配置图 .80 1 绪论11 绪论1. 1课题的目的意义变电站是电力系统的重要组成部分，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。随着变电站综合自动化和数字化的不断发展与进步，变电站综合自动化取代或更新传统的变电所二次系统，数字化实现智能一次二次设备的结合。继而实现无人值守变电站已成为电力系统新的发展方向和趋势 1。针对 110kV 变电站的一次部分进行相应的微机保护设计和二次回路初步设计。主要完成主变压器的微机型保护设计及整定计算，微机型母线保护的配置与整定计算，和相应的电压互感器、电流互感器的配置及接线，断路器、隔离开关的控制及操作回路设计，信号回路和辅助设备的设计。通过毕业设计培养综合运用所学各科知识，独立分析和解决实际供电工程问题的能力、查询资料的能力。熟悉相关规程和规范，树立工程的观点。为今后从事电气方面的工作打下良好基础。1. 2国内外研究综述微机保护在我国已得到广泛运用。在变压器保护方面系统中配置主要是二次谐波原理、间断角原理差动保护 2。现在基于波形对称原理的最新型微机型变压器保护装置已经推出，如四方公司的 CSC-326 系列、南瑞公司的 LFP-970 系列及RCS-978 系列、清华紫光的 DCAP 系列、南自厂的 PST-1200 系列等。母线保护方面，微机型母线保护现在主要向着集中式布置和分散式布置两个方向发展 2。目前研制成功并投入运行的微机型母线保护装置国内产品主要有：许继 WMZ-800 型微机保护装置，国电南自 WMZ-41A、WMZ-41B 型微机母线保护装置，深圳南瑞 BP-2A、BP-2B 型微机母线保护装置，南瑞继保 RCS-915 型微机母线保护装置等；国外产品有：国外西门子（Siemens）公司研制的 SIPROTEC 7SS60 型集中式微机母线保护和 7SS52 型分布式微机母线北京和断路器失灵保护，通用（GE ）电气公司的 B30 和 B90 型微机母线差动保护，ABB 公司 REB500 型分布式微机母线和断路器失灵保护等。线路保护方面，电力系统线路主要配置全线速动的纵联距离保护或光纤差动保护 4。在我国目前研制成功并投入运行的微机型母线保护装置产品主要有许继 1 绪论2WMZ 系列型微机线路保护装置，北京四方公司的 CSC101 系列线路保护装置，国电南自 PSL 690 系列数字式线路保护测控装置，深圳南瑞 PRS-700 系列超高压线路成套保护装置，南京南瑞继保 RCS-900 系列高压线路保护成套装置，和RCS-9000 系列线路馈线测控保护装置等。以微机保护为基础上，变电站综合自动化系统在我国应用范围已经相当广阔，其国内主要的公司和产品已有：北京四方公司的 CSC 2000 系列综合自动化系统，南京南瑞集团公司的 BSJ-220 计算机监控系统，南京南瑞继保电气有限公司的 RCS9000 系列综合自动化系统，上海惠安 PowerComm 2000 变电站自动化监控系统，国电南自 PS 6000 系列综合自动化系统，许昌继电器自动化公司的 CBZ-8000 系列综合自动化系统等。近年来非常规互感器、IEC61850 标准、网络通信技术和智能断路器技术的新技术的发展对变电站综合自动化系统的应用有巨大的突破。这些新技术在常规变电站系统应用技术上突破了“瓶颈” ，引领未来变电站综合自动化系统的发展趋势，变电站综合自动化系统所涉及的监控、远动、继电保护、自动安全装置设备的可靠性、实时性、经济性将得以迅速提高 1。1. 3课题设计主要内容对 110kV 变电站一次部分进行相应的继电保护设计和二次回路初步设计。本设计主要完成以下几部分：1) 主变压器的保护方案设计及整定计算。2) 母线保护的配置与整定计算。3) 断路器、隔离开关的控制及操作回路设计。4) 电压互感器、电流互感器的配置与接线设计。5) 信号回路设计。 2 电气一次部分基本情况32 电气一次部分基本情况2. 1毕业设计原始资料2. 1. 1 建设性质及规模本变电站位于 YCH 市边缘，除以 10kV 电压供给市区工业与生活用电之外，并以 35kV 电压向郊区工矿企业及农业供电。为新建变电站。YCH 变电站电压等级为 110/35/10kV线路出线回数：110kV：近期 2 回，远期 2 回；35kV： 近期 4 回，远期 2 回；10kV： 近期 9 回，远期 2 回；近期最大负荷 19.7MW；远期最大负荷 31.21MW 。2. 1. 2 电力系统接线简图2 5 0 M V AX s 1 = 0 . 81 1 0 k V1 1 0 0 M V AX s 2 = 0 . 6甲变Y C H 市变图 2.1 系统接线简图 附注： 图中，系统容量，系统阻抗均相当于最大运行方式；最小运行方式下：S 1=170MVA，X S1=0.85 S2=1050MVA，X S2=0.65系统可保证本所 110kV 母线电压波动在正负 5%以内。 2 电气一次部分基本情况42. 1. 3 负荷资料表 2.1 负荷资料最大负荷MVA穿越功率MVA负荷组成（% ）电压等级负荷名称 近期远景近期远景一级二级三级功率因数Tmax(h)线长km备注市系一线 15 20 12市甲线 15 20 25备用一 10110kV备用二 10煤矿 1 3.375 2.7 40% 30% 0.9 20煤矿 2 2.025 2.7 40% 30% 0.9 20甲乡镇 2.7 4.05 20% 30% 0.9 10乙乡镇 2.7 3.375 20% 30% 0.9 20备用一 2.025 0.9 1535kV备用二 2.7 0.9 12化肥厂1 3.375 3.375 40% 20% 0.78 5500 2化肥厂2 3.375 3.375 40% 20% 0.78 5500 2开关厂 1.35 2.025 20% 30% 0.75 4000 3电线电缆厂 1 1.35 2.025 20% 30% 0.73 4500 2电线电缆厂 2 1.35 2.025 20% 30% 0.73 4500 2玻璃厂 1.35 1.35 30% 30% 0.75 5000 2机械厂 1.35 2.025 30% 30% 0.78 4000 3.5食品厂 1.35 2.025 30% 30% 0.8 4500 3.5市区 1.62 2.7 20% 40% 0.8 3000 1.5备用一 1.35 0.7810kV备用二 1.35 0.78 2 电气一次部分基本情况52. 1. 4 所址概况YCH 变电站位于 YCH 市边缘，毗邻公路，交通便利，周围是工业企业。通过 110kV 的市系一线、市甲线向其供电，其位于负荷中心；其南侧 10kV 负荷较集中，供电用户为电线电缆厂一、电线电缆厂二、化肥厂一、化肥厂二、开关厂和玻璃厂，北侧供电用户为市区、食品厂、机械厂；同时通过 35kV 线路向甲乡镇、乙乡镇、煤矿一、煤矿二供电。2. 2电气一次部分计算数据2. 2. 1 变电站的主接线形式110kV 变电站的电气主接线：110kV 侧、35kV 侧、10kV 侧均为单母分段接线，主接线图见附录 A 110kV 变电站微机保护配置图中主接线部分。2. 2. 2 变电站的各侧负荷情况表 2.2 变电站各侧负荷表（远景）变电站各侧 出线回数 出线最大负荷 MVA 变压器最大负荷 MVA 电流 A4 41.175 227110kV 侧1 20 1056 17.55 27335kV 侧1 4.05 6711 23.625 129910kV 侧1 3.375 1952. 2. 3 变电站的主变压器变电站变压器选用 2 台 SFSZ9 系列变压器，两天互为备用运行方式。表 2.3 变压器参数阻抗电压（%） 损耗（kW）变压器型号 联结组标号 额定电压（kV） 高中 高低 中低 空载 负载SFSZ9-25000/110 YNyn0d11高压 11081.25%中压 38.522.5%低压 6.3/ 6.6/10.5/1110.5 17-18 6.5 29.5 133.22. 2. 4 变电站的短路计算数据系统取基准容量 SB=100MVA，基准电压：UBH=110KV、 UBM=38.5KV、U BL=10.5KV； 2 电气一次部分基本情况6变压器各侧额定数据见表 2.4 所示。表 2.4 变压器各侧额定数据变压器各侧 额定电压 kV 额定一次电流 A 额定二次电流 A高压侧 110 131 0.524中压侧 35 374.9 1.499低压侧 10 1374.5 2.864变电站系统最大运行方式和最小运行方式下，短路计算数据。见表 2.5，表2.6，表 2.7 所示。表 2.5 变电站系统最大运行方式三相短路计算数据短路 短路点 短路平均 基准电流 短路电流周期分量 短路电流冲 短路全电流最类型 位置 电压(kV) (kA) 起始有效值 (kA) 击值(kA) 大有效值(kA)110kV 母线 115 1 35.71 91.06 53.9235kV 母线 37 1 4.202 10.715 6.345三相短路10kV 母线 10.5 1 2.717 6.928 4.103表 2.6 变电站系统最小运行方式三相短路计算数据短路 短路点 短路平均 基准电流 短路电流周期分量 短路电流冲 短路全电流最类型 位置 电压(kV) (kA) 起始有效值 (kA) 击(kA) 大有效值(kA)110kV 母线 115 1 15.15 38.63 17.4235kV 母线 37 1 2.058 5.248 3.107三相短路10kV 母线 10.5 1 1.34 3.417 2.023表 2.7 变电站系统最大、最小运行方式两相短路计算数据两相短路电流 kA 110kV 侧 35kV 侧 10kV 侧最小运行方式 13.18 1.79 1.166最大运行方式 31.067 3.656 2.3642. 2. 5 变电站的主要配电装置变电站主要配电装置如下表。表 2.8 主要配电装置电压等级 配置形式 装置型号110KV 侧 屋内 ZF6-126 高压气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)35KV 侧 屋内 KYN61-40.5(Z)型金属铠装封闭式户内开关柜10KV 侧 屋内 KYN28A-12 型铠装移开式户内交流金属封闭开关设备 3 变电站主变压器的保护方案设计73 变电站主变压器的保护方案设计3. 1概述在电力系统中电力变压器是十分重要和必不可少的设备。它的故障将会给系统的正常供电和安全运行带来严重的后果，同时大容量的电力变压器也是十分昂贵的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。变压器的故障可以分为油箱外和油箱内两种故障：油箱外故障，主要是套管和引出线上发生相间短路以及接地短路。油箱内的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 3。变压器的不正常运行状态主要有：变压器外部短路引起的过电流、负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，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使绕组和铁芯过热。对变压器的主要故障及异常运行方式主要包括以下几种： (1) 绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路； (2) 绕组的匝间短路； (3) 外部相间短路引起的过电流； (4) 中性点直接接地或小电阻接地电力网中，外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；(5) 过负荷；(6) 过励磁； (7) 油面降低； (8) 变压器油温、绕组温度过高及油箱压力过高和冷却系统故障。 实践证明，上述变压器内部故障中，以油箱内绕组的故障较多，尤其是匝间短路。