kV企业变电站短路电流计算及继电保护整定计算

1、丄、八 、亠1冃U言2任务变电站原始资料2.1电力系统与本所的连接方式2.2主变压器型号及参数2.3负荷及出线情况3短路电流计算3.1基本假定3.2基准值的选择3.3各元件参数标么值的计算3.4短路电流的计算 11.5短路电流计算结果4继电保护的配置4.1继电保护的基本知识4.2变压器保护配置及整定计算4.3 10kV 线路保护配置及整定计算5结论6总结与体会7谢辞8参考文献由于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 发展不断注入新的活力。未来继电保护的发展趋势是向计算化， 网络化及保护，控制，测量，数据通信一体化智能化发展。

2、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

3、。本次毕业设计的主要内容 是对 110kV 企业（ 水泥厂） 变电站进 行短路电流的计算、保护的配置及整定值的计算。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。设计分五大章节，其中第三章是计算系统的短路电流，确定 各点短路电流值；第四章是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，其后是对变压 器保护配置及整定计算以及 10kV 线路保护配置及整定计算。由于编者水平有限，设计之中难免有些缺陷或错误，望批评 指正。2任务变电站原始资料2.1 电力系统与 本所

4、的连接方 式本 110kV 企 业 （ 水 泥 厂 ） 变 电 站 ， 采 用 110kV 电 压 等 级 供 电 ， 其 110kV 电 源 来 自 220kV 枢 纽 变 电 站 ， 采 用 架 空 导 线 ， 系 统 示 意 图如图 1 所示。图 1 ：2.2 主变压器型 号及参数型 号 ： SZ10-25000/110 ，额定电压：110 士 8X 1.25%/10.5容量比： 100/100短路电压： Uk%=10.5接 线 方 式 ： YN ， d112.3 负荷及出线 情况2.3.1 110kV 进 线 1 回 ， 采 用 LGJ-150 架 空 导 线 ， Pmax =16MW

5、,Pmi n= 1 MW,cos =0.86,L=11km 。2.3.2 10kV 出线 2 回，全部为三芯电力电缆出线。2.3.3 原 料磨配电 站采用 4 根三芯 YJV-120 电 缆， Pmax=9MW, cos =0.8,L=0.2km 。2.3.4 窑头配电 站 采用 4 根 三芯 YJV-120 电 缆 ， Pmax=6MW,cos =0.85,L=0.8km。2.3.5 电容补偿回路采用 YJV-70 电缆，Q=8400kvar , L=0.02km。3短路电流计算3.1基本假定 3.1.1系统运行方式为最大运行方式。3.1.2 磁路饱和、磁滞忽略不计。即系统中各元件呈线性，参

6、数 恒定，可以运用叠加原理。3.1.3 在系统中三相除不对称故障处以外，都认为是三相对称的。3.1.4 忽略对计算结果影响较小的参数，如元件的电阻、线路的 电容以及网内的电容器、感性调和及高压电机向主电网的电 能反馈等。3.1.5 短路性质为金属性短路，过渡电阻忽略不计。3.1.6 系统中的同步和异步电机均为理想电机。3.2基准值的选择为了计算方便，通常取基准容量Sj = 100MVASj .3Uj ；基准电抗Xj基准电压U取各级电压的平均电压，即U = UP = 1.05Ue；基准电流I j常用基准值如表1所示表1常用基准值表(Sj = 100MVA)基准电压U( kV)3.156.310.

7、537115230基准电流l(kA)18.339.165.501.560.5020.251基准电抗X( Q )0.09920.3971.1013.71325303.3各元件参数标么值的计算电路元件的标么值为有名值与基准值之比，计算公式如下：采用标么值后，相电压和线电压的标么值是相同的，单相功 率和三相功率的标么值也是相同的，某些物理量还可以用标么值 相等的另一些物理量来代替，如I*二S*。电抗标么值和有名值的变换公式如表2所示。表2中各元件的标么值可由表1中查得。表2各电气元件电抗标么值计算公式元件名称标么值备注发电机调相机电动机Xd%为发电机次暂态电抗的百分值变压器Uk%为变压器短路电压 百

8、分值，SN为最大容量 线圈额定容量电抗器Xk%为电抗器的百分电抗值线路l线路长度系统阻抗Skd为与系统连接的断 路器的开断容量；S为 已知系统短路容量其中线路电抗值的计算中，X。为:6220kV架空线取0.4Q /kM35kV三芯电缆取 0.12Q /kM610kV三芯电缆取 0.08Q /kM表2中Sn、Sb单位为MVA Un、Ub单位为kV, In、I b单位为kA本110kV企业（水泥厂）变电站各元件参数标么值计算如下:331 主变压器：332原料磨配电站线路: 3.3.3 窑头配电站线路:3.4短路电流的计算3.4.1网络变换计算公式串联阻抗合成：X X1 X2Xn并联阻抗合成：X1T

9、_VXi X2Xn当只有两支时XX1X2Xi X23.4.2短路电流计算公式短路电流周期分量有效值：ld X*短路冲击电流峰值：ich二? Kch 1 d短路全电流最大有效值：1chId 12 Kch1 2式中Kch为冲击系统，可按表3选用短路点Kch推荐值发电机端1.902.69发电厂高压侧母线及发电机电抗器后1.852.62远离发电厂的地点1.802.55注：表中推荐的数值已考虑了周期分量的衰减343最大运行方式下短路电流的计算最大运行方式下等值电路标么阻抗图见图22 0. 09673115kVd2d110. 5kV0. 0145120. 05305d3原料磨配电站窑头配电站di : X*

10、0.09678d3:X*0.09678 0.42 0.0145120.531292d4:X*0.09678 0.42 0.05805 0.574833.4.4最小运行方式下短路电流的计算最小运行方式下等值电路标么阻抗图见图3di :X*0.138292d2 :X*0.1382920.420.558292d3:X*0.1382920.420.0145120.572804d4:X*0.1382920.420.058050.6163421.5短路电流计算结果110kV企业(水泥厂)变电站相关短路电流计算结果见下表4表4短路电流计算结果表短路点短路电流周期分 量(有效值)Id(kA)短路冲击电流 (峰

11、值)ich(kA)短路全电流最大 有效值Ich(kA)最大运行方式下di5.18713.2277.832d210.64327.1416.071d310.35226.39815.632d49.56824.39814.448最小运行方式下di3.639.2575.481d29.85125.1214.875d39.60224.48514.499d48.92422.75613.4754继电保护的配置4.1 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

12、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) 故障点的电弧使故障 设备损坏；(2) 比 正 常 工作电 流大 许 多 的短 路 电 流 产生 热 效 应和 电 动 力 效应

13、,使故障回路中的设备遭到破坏；(3) 部分电力系统的电压大幅度下降, 使用户的正常工作遭到 破坏,影响企业的经济效益和人们的正常生活；(4) 破坏电力系统运行的稳定性, 引起系统振荡, 甚至使电力 系统瓦解,造成大面积停电的恶性循环；故障或不正常运行状态若不及时正确处理,都可能引发事故。 为了及时正确处理故障和不正常运行状态,避免事故发生,就产生 了继电保护，它是一种重要的反事故措施。继电保护包括继电保护 技术和继电保护装置,且继电保护装置是完成继电保护功能的核 心，它是能反应电力系统中电气元件发生故障和不正常运行状态, 并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护的任务是：(1) 当

14、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。继电保护装置的基本原理：我们知道在电力系统发生短路故障时，许多参量比正常时候 都了变化，当然有的变化可能明显，有的不够明显，而变化明显 的参量就适合用来作为保护的判据，构成保护。比如：根据短路 电流较正常电流升高的特点，可构成过电流保护；利用短路时母 线电压降低的特点可构成低电压保护；利用短路时线路始端测量 阻抗降低可构成距离保护；利用电压与电流之间相位差

15、的改变可 构成方向保护。除此之外，根据线路内部短路时，两侧电流相位 差变化可以构成差动原理的保护。当然还可以根据非电气量的变 化来构成某些保护，如反应变压器油在故障时分解产生的气体而 构成的气体保护。原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电 气量的变化特征（差别），即可形成某种判据，从而构成某种原理 的保护，且差别越明显，保护性能越好。继电保护装置的组成： 被测物理量一7测量一7逻辑一 T执行一7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

16、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。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

17、要求的保护装置应在区内故障时，不论短路点 的位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。4.2 变压器保护 配置及整 定计算4.2.1 变 压 器保 护 配置电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将 对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。因此，我们必 须研究变压器有哪些故障和不正常运行状态，以便采取相应的保 护措施。变压器的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中性点直接接地 侧的接地短 路。这些故障 的

18、发生会危害电力系 统的安全连续供电。 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 心的烧损等 。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。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 些运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行 的星形接线方式变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性 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 等异常运行方式下会发生变压器的过励磁，引起铁芯和其它金属 构

19、件的过热。主保护：电流差动保护、瓦斯保护后备保护：过电流保护/低压闭锁过电流保护/复合电压闭锁 过流保护/阻抗保护/零序过电流保护/零序过电压保护/过负荷保 护/过激磁保护。两种配置模式：（1）主保护、后备保护分开设置（2）成套保护装置，重要变压器双重化配置422纵联差动保护以双绕组变压器为例来说明实现纵差动保护的原理，如图4 所示。图4变压器纵差动保护的原理接线由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保 证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变 比，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等，亦即在 正常运行和外部故障时，差动回路的电流等于零。例如在图4中， 应使

20、' ''ni1ni2或也山1III 1 _nBI i式中nii 高压侧电流互感器的变比；ni2 低压侧电流互感器的变比；nB 变压器的变比（即高、低压侧额定电压之比）。由此可知，要实现变压器的纵差动保护， 就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器 的变比nB，这是与前述送电线路的纵差动保护不同的。这个区别 是由于线路的纵差动保护可以直接比较两侧电流的幅值和相位， 而变压器的纵差动保护则必须考虑变压器变比的影响。本次设计所采用的变压器型号为：SZ-25000/110。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

21、两侧电流差动，其中高电压侧电流引 自高压侧电流互感器，低压侧电流引自变压器低压侧电流互感器, 这样使差动保护的保护范围为二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。所以我们用纵联差动保护作为变压器 的主保护，其接线原理图如图5所示。正常情况下,i2=i2即：IIIII匕匕 *亠nT（变压器变比）ni n211 ni所以这时I r=0，实际上，由于电流继电器接线方式，变压器励磁 电流，变比误差等影响导致不平衡电流的产生，故I r不等于0 , 针对不平衡电流产生的原因不同可以采取相应的措施来减小。尽管纵联差动保护有很多其它保护不

22、具备的优点，但当大型 变压器内部产生严重漏油或匝数很少的匝间短路故障以及绕组断 线故障时，纵联差动保护不能动作，这时我们还需对变压器装设 另外一个主保护一一瓦斯保护。图5纵联差动保护原理示意图423 瓦斯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。瓦斯保护的工作原理：当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生，瓦斯继电器 KG的上触点闭合，作用于预告信号；当发生严重故障时，重瓦斯 冲出，瓦斯继电器的下触点闭合，经中间继电器KC作用于信号继电器KS,发出警

23、报信号，同时断路器跳闸。瓦斯继电器的下触点 闭合，也可利用切换片XB切换位置，只给出报警信号。瓦斯保护的整定：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： 250300cm3, 般整定在250cm3。重瓦斯按油流速度进行整定， 整定范围为：0.61.5m/s, 般整定在1m/s。瓦斯保护原理如 图6所示。图6瓦斯保护原理示意图4.2.4保护配置的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，所以仅对纵联差动保护进行整定如下：(1)避越变压器的励磁涌流：Idz krei I e 1.3 165 214 A 其中krei为可靠系数，取1.3 ,而s 31500I e 165 A为变压器的额定电流。V3ueV3 110避越外部短路时的最大不平衡电流： 其中Ktx为电流互感器同型系数，型号相同时取0.5，型号不同时取1 ,这里为避免以后更换设备的方便故取1 ； kfzq为非周期分量引起的误差，取1 ；fza建议采用中间值0.05 ;U11