《110KV变电站继电保护的设计及整定计算》8400字

110KV变电站继电保护的设计及整定计算摘要现如今继电保护在我们的日常生活中应用很广泛，在电力系统中扮演着很重要的角色，为了让继电保护能够正常工作，我们需要对其进行整定计算，通过整定计算的参数选择适合变电站的设备，使电力系统能够稳定运行，在发生故障时继电保护能够迅速并准确的断开故障，以此减少损耗，完成保护。本文要做的工作就是对110KV的变电站进行继电保护的整定计算、电气主接线的设计、短路电流的计算和MATLAB仿真模拟。MATLAB在我们生活中运用越来越多，越来越多的地方需要用到MATLAB，通过MATLAB能够解决各种工程问题。而本文主要完成了继电保护的设计，归纳了国内外研究和发展趋势，并以110KV变电站为例进行整定计算，并通过MATLAB进行纵联保护的建模与仿真。关键词：110KV变电站；MATLAB；继电保护；主接线设计。目录TOC\o"1-3"\h\u8707摘要 I1绪论1.1课题研究的背景及意义1.1.1课题研究的背景进入二十世纪，继电保护逐渐应用于电力系统。最先使用的是熔断器。继电保护的工作内容是：电力系统不正常工作时发出警告，继电保护能迅速断开发出故障设备，减少损失。电力在我们的社会中扮演着极其重要的角色，每次停电带给我们社会的损失是不可估计的，因此对电力的保护就显得非常重要。改革开放以来，随着很多地区逐渐出现了电力短缺，我们需要采取一定的保护措施，如断电、停电，来缓解电力需求量增多的问题。在这种情况下，我们更需要维护电力系统的安全，而继电保护能很大程度上避免电力系统的损毁。1.1.2课题研究的意义电力系统经常发生故障，便会导致事故的发生，并有可能导致无法使整个系统正常工作，如电力的减少，送电中断，电力品质的降低，设备的损毁或员工的损伤。任何设备损毁，系统都不能完全正常运作。因此，清除损毁元件所需的时间将缩短到1/10秒以下。本文是110kV变电站继电保护系统的设计以及MATLAB的仿真模拟，其中整定计算是非常关键的一步，所以下文对整定计算详细的进行了计算。而变电站作为我国的电力系统，它在电力分配方面是及其重要的角色，除了电力分配我们还要重视保护装置，保护装置的正常工作能极大的减少因所有用户中断供电带来的经济损失，当然安全性也会增高。因此，我们应加强对变电站的监管，从而保证了整个系统安全、可靠的运行。最后完成MATLAB进行模拟仿真。通过本文的编写，我学到更多关于继电保护的过去以及未来发展方向的知识，同时也对整定计算的目的、继电保护的原理、主接线图的设计以及MATLAB图的仿真等学过的知识进行了巩固。1.2继电保护整定计算的目的与基本任务1.2.1继电保护整定计算的目的当正常运行的设备出现故障，继电保护发挥作用将快速的将故障设备从线路中断开，维持运行环境的安全。继电保护能在系统出现故障时精准的定位到具体的位置，及时判断出故障出现的地方，并完成任务。但是，若是继电保护没有检测出故障或是切除错误的元件，带来的损失也是不可估量的。所以,正确的配置继电保护和精准的定位很有意义。因此，严格的按照标准来执行会使系统更加的可靠。整定计算要求也尽不同。比如各电力系统的各级调度部门，要求是根据具体的参数和运行规章，维持整个系统继电保护协调工作，充分发挥它的作用。而设计部门则是按照安全稳定运行的要求进行分析运算。1.2.2继电保护整定计算的基本任务继电保护设备需要满足以下几点：速动性，就是能够迅速的断开故障；而选择性，是指选择被切除的设备尽力把受影响的程度减至最小;灵敏性，是能迅速的感知到故障位置；可靠性，是指发生故障时不能拒绝动作或是误动作。以此将事故的影响范围尽可能最小化。整定计算的基本任务：完成电力系统的整定计算，为后期选择保护设备的方式，型号的选择以及运行要求做准备。进行整定计算的步骤大致如下：（1）首先完成运行方式和短路类型的选择，其次是分支系数也是十分重要的，我们要确定计算分支系数有哪些要求；（2）进行短路故障计算;（3）整定计算;（4）算出整定值。1.3国内外研究现状和未来发展方向1.3.1国内外研究现状以便维护电力系统工作环境的安全性，要求我们加大对继电保护工作的研发，而继电保护设备又维护了电力系统的安全运行。而中国也早在20世纪90年代进入了微机保护的阶段。国外在70年代末的时候进入了新的发展阶段，完成该发展主要是靠西门子公司在技术上进步，研发出了完全完全分散式控制系统使继电保护在人们应用的领域更为完善。该系统适用于电压在35~500kV之间的变电站，主要目的是收集它们的数据应用继电保护监测数据是否在安全运行的数值下、控制继电保护正常工作。1.3.2发展趋势继电保护的发展趋势如下：（1）借助计算机的广泛应用和计算机的辅助设计，继电保护的能力也将越来越强大。（2）用的越来越多，可以更方便的维护和调试电力线路。在运行时，操作者可直接调整数值。总的来说，继电保护顺应时代的潮流，朝着智能化、一体化发展。1.4本文研究的内容本文是关于1l0kV变电站继电保护设计以及MATLAB的模拟仿真的。内容：(1)介绍了项目的背景、国内外的发展，对变电站的原理做了系统的了解；(2)设计电气主接线；(3)对短路电流进行了计算；(4)继电保护计算；(5)用MATLAB进了模拟仿真。2继电保护原理2.1变压器保护变压器是在电力设备中起着决定性的作用，为了在发生故障时有效地进行保护，必须了解变压器的工作原理，判断正常工作状态，分析可能发生哪些故障，采取相应的手段，并合理的安装继电保护设备，有效的分析故障的类型有助积累经验，从而更好的辅助继电器的正常运行。而变压器的误操作会发生线路短路，使温度升高，损毁线路，容易引发油箱泄露。2.1.1纵联差动保护变压器纵联差动保护：

图2-1纵差动保护的接线变压器的两边有额定电流不一样，电流在两边会发生变化。适当的电流互感器设计能够使差动电流回路为零。我们主要是依据电压互感器的变比来确定电流互感器，与纵联保护的区别在于线路两侧电压等级相同，由原理我们首先得知道变压器的一次侧和二次侧的幅值和相位，通过我们得到的数据进行比较。

在电流继电器中由于励磁电流和接线类型的不同会对额定电流产生影响，而对变比计算时，会产生误差和不平衡电流，所以，我们要想办法消除这些影响。例如采用瓦斯保护。2.1.2瓦斯保护瓦斯保护的工作原理：油浸式变压器的油箱发生故障，有很多向上漂气泡往，这是因为油中的空气被排除，故障的地方可以产生的电弧，在电弧的作用下绝缘材料会分解的更多，因此会产生大量的气体，这些气体朝上流，故障的严重性影响到气体的多少和流动的快慢，故障的越厉害气体越多，流动更迅速。2.2线路保护2.2.1定时限的过电流保护我们首先需要得到最大负荷电流整定完成时，其中保护动作的时间，有了这个前提条件我们才能确定定时限过电流保护的选择性，就不只可以保护全线的长度，还能保护相邻线。它的坏处是当故障离电源近时，短路电流就会增加，需要足够长的时间才能断开故障。综上所述，本文我们选择过电流保护作为近后备保护本段线路，同时，还能用作远后备去保护附近的线路，以此来提高电力系统的稳定性。2.2.2电流速断保护下图，当电流继电器接在电流互感器的二次侧，随即会产生输出，并且会有较大电流流过。闭锁环节反映了是否需要闭锁的命令，输出状态为0是要求闭锁，输出状态为1不要求闭锁。和跳闸同时有动作的前提条件是比较环节和与门有输出并且闭锁环节输出状态为1。图2-2差动保护电流接线图本文选择电流速断保护为主保护保护我们的电力系统。2.3本章小结本章主要主要是为之后的课题提供了理论依据，讲述的是在本次设计中需要用到的变压器保护和线路保护包含的基本原理。3变压器的选择3.1主变压器选择3.1.1主变压器选择的原则主变压器数量需要多少台会受主接线是什么样的和配电装置的影响，除了考虑电厂设计要求的总输电容量这些，还要在决定主变压器容量或数量时，对电力系统向着什么方向发展进行了解。同时，要综合分析发信电源的大小，网路号及与发信系统的连接。当其中一个主变不能正常工作时，在大型比较重要的变电站中，其余变压器的总容量能够实现I、II类等重要负荷的供电;而普通变电站不同，剩下的变压器只要实现所有负荷70%左右供电就可以。主变压器的台数的确定原则:1)一般给大型城市供配电的变电站需要两个主变，一台变压器损毁了剩余一台为备用变压器，以此来提高可靠性；2)而大型工业中的变电站，为了满足负荷需求需按实际情况配备主变压器。3)随着负荷逐渐增多，主变压器不符合需求，就会换点主变压器，数量不够时，我们要应用超过主变压器1~2级来安装设备。综上两台是最优选择。3.1.2主变容量的确定由于是110kV变电站，该系统中为10kV等级，其中10kV这边最大负荷为35MW，对平稳负荷供电的单台变压器(3-1)式中S——计算负荷容量(kVA)；Se——变压器容量(kVA)；——负荷率(一般取85％左右)。即变压器容量的选择：一个变压器出错，其余所有变压器可以实现全部负荷的百分之七十，即29.7570%=20.825MVA。为了满足变电站要求选择两个31.5MVA的主变压器。3.1.3主变型号的选择原则确定主变型号:1）相数。容量不大的单相变压器，结构很复杂并且投资大；而三相变压器，运输虽然不便利但结构简洁并且容易修理，所以本文采用三相变压器。2)绕组数量和连接方式。本文中的存在两个电压等级，采用同种系统电压相位和连接方法,来确保两个电压等级可以一起运行。采用双绕组变压器做主变，在10KV应用D11接线,110KV及以上采用YN的连接方法。3）冷却方式。根据对设计的研究，我们选用强迫油循环风冷却，我们应用这种方式的主要原因是因为我们所设计的变电站的容量较大。4)调压方式。本文我们采用了有载调压，理由是变电站需求的调压幅度大，而且变化的方向和实际的方向相同，而普通变电站满足不了我们的需求。根据实际情况，在本次设计中我们应用三相双绕组变压器。3.1.4主变型号的确定变压器的主要技术参数如表3.1所示。表3.1变压器的技术参数型号SFZ9-31500/110额定容量（MVA）31.5调压方式有载调压额定电压（kV）高压1108×1.25%空载损耗（kW）24.8负载损耗（kW）133.2短路阻抗10.5%冷却方式强油导向风冷我们应用了两个SFZ9-31500/100双绕组变压器。3.2本章小结变压器是电能运输及转换过程中的重要元件，因此变压器的选择是及其重要的，在本章中我们主要说了我们要如何选择变压器，以及如何最终完成容量和型号的选择。4电气主接线设计4.1电气主接线设计原则和程序4.1.1设计原则包括三点要求，如下：(1)可靠性首要条件是可靠的完成电能质量的要求。(2)灵活性能够灵活的完成操作、调度以及扩建等方面的变化。(3)经济性主要有以下三点：①减小投资;②减小土地的使用面积;③降低电能损耗。4.1.2设计程序(1)对原始资料分析①工程状况，主要有容量的多少以及运行方式的确定，还有最大小时数需要多少;②电力系统情况，变电站的地方以及未来发展的方向；③环境情况，变电站地理位置的各种环境参数都会影响电气设备的选择配电装置的实行。(2)主接线方案的设计与选择通过分析电压等级的多少、变压器需要多少数量、变压器的容量大小还有母线是什么样的结构，最终完成了主接线的类型是什么样的。4.2主接线初步方案4.2.1110kV电压测接线低于两回的时侯我们用线路变压器组、线路分支接线和桥形的线路来完成接线。超过两回时我们选择单母线、单母线分段接线以及扩大桥形来完成接线。桥式接线如图4-1所示：图4-1桥式接线桥式接线接线好接，投入设备台数也不多，占用的空间小，节约投资。前期建造时，负荷容量的要求不是太大，我们可以用桥式接线。后期负载会逐渐加大，引出线也会不断增加，方便改为单母线分段或双母线接线。本文更倾向于可以在其他回路正常工作时进行断开和加入设备，所以采用内桥接线。4.2.210kV电压测接线存在两台主变一起工作时，这边选择分段母线。不断电的情况下并且电路断路检查修理的时候对旁路设施进行设置。在10KV这边我们应用单母线分段来完成。单母线分段接线如图4-2所示。图4-2单母线分段110kV侧采用桥式；10kV侧采用单母线分段。设备价格汇总表如表4.1所示。表4.1设备价格汇总表名称单位数量单价（万元）合价（万元）三相电力变压器容量台2100.00200.00110kV电缆进线开关柜面215.0030.00110kV主变进线隔离柜面28.0016.00110kV桥开关柜面115.0015.00110kV电压互感器柜面212.0024.0010kV主变进线开关柜面28.0016.0010kV电缆出线开关柜面158.00120.0010kV分段开关柜面28.0016.0010kV电压互感器柜面27.0014.00合计4514.3主接线最终方案的确定(1)技术方面:110KV桥式接线操作简便、接线简单便捷、方便运行。110kV单母线分段接线的可靠性高，能满足重要负荷的供电。(2)经济方面:耗资较小，且能满足技术的要求。下面是根据上面要求绘制的110kV变电站主接线设计图。图4-3110kV变电站主接线设计4.4本章小结这一章的目的是绘出变电站主接线图，并说明设计要求、设计程序，110KV侧电压接线、10KV侧电压接线，并最终完成了主接线的设计。5短路电流的分析计算5.1短路电流的危害1)短路瞬间电流值极大，容易烧毁设备，绝缘性变差；2)发生短路故障时，系统电压下降并且极其不稳定，和并联的正常网络电压不同，影响电力系统的供电质量。5.2短路电流计算目的我们需要知道主接线需要选择什么样的、选择合适的电器和导体、中性点需要什么样的方式选择以及整定计算都需要先完成短路电流计算。5.3短路电流的计算过程和最终结果短路电流中参数的计算各原件参数值计算,线路变压器系统最大运行方式下的短路电流计算(1)确定基准值,,主要元件中电抗标幺值如下：①电力系统②架空线路(35kV以上架空线路X0取0.4Ω/km)③电力变压器(阻抗电压Uk=10.5)④等效电路如图5-1所示。图5-1最大运行方式下电路图(2)各点短路电流的计算①求k1点短路总电抗标幺值三相短路电流周期分量有效值：对其他三相短路电流计算对三相短路容量计算短路时间的计算对短路电流热效应计算时，②求k2点短路除对短路时间计算热效应进行值如下时，其他数据与k1相同。③求k3点短路时，④求k4点短路时，⑤求k5点短路时，最小运行方式下短路电流计算因为我们选择乙变电站为最小运行方式。(1)确定基准值,,(2)电抗标幺值的计算：①电力系统②架空线路(35kV以上架空线路取0.4Ω/km).③电力变压器(其中阻抗电压)等效电路如图5-2所示。图5-2最小运行方式下电路图(3)各点短路电流的计算①求k1点短路。时，②求k2点短路。时，③求k3(k4)点短路。时，④求k5点短路。时，计算结果:通过计算，我们得出数据，包括短路电流能够维持的最大时间、最大运行方式下短路电流参数以及在最小运行方式下短路电流参数。表4.1短路电流持续的最大时间110kV进线侧（s）变压器高压侧（s）变压器低压侧（s）10kV母线（s）10kV出线侧（s)1.10.6表4.2最大运行方式下短路电流参数短路点运行方式K1正常运行5.435.435.4313.8561.921086.96K2正常运行5.435.435.4313.8547.181086.96K3一台主变退出运行13.0313.0313.0323.98186.76236.97K4正常运行21.421.421.439.38503.76389.11K5正常运行21.421.421.439.38275.85389.11表4.3最小运行方式下短路电流参数短路点运行方式K1正常运行6.37513.125500K2正常运行6.37510500K3正常运行10.3810.3810.3819.1118.52188.68K4正常运行10.3810.3810.3819.1118.52188.68K5正常运行10.3810.3810.3819.165.17188.685.4本章小结本章主要介绍了短路电流的危害、短路电流的目的，最终在两种方式下分别计算出了短路电流。6变电站继电保护计算我们进行各种计算以及装置的选择都是为了系统的安全工作，因为变压器很常用，若变压器工作不正常，电力系统全部都会将会受到波及，我们首要保证变压器的正常运转。6.1变压器的保护配置变压器主要有以下保护：(1)主保护主保护关键是气体保护、电流速断保护以及纵差保护。1、气体保护本文中气体保护重点讲述的为瓦斯保护，需要装配在的油浸式变压器以及超过的油浸式变压器。2、电流速断的保护要求是后备时限要高于0.5s，包括的变压器分别有并列工作时和低于本厂自己用的变压器以及需要单独工作的本厂自用的变压器。3、纵差保护是变压器的内部保护，小于本厂自己用来作为备用的变压器或者低于本厂自用的变压器和同时工作的变压器。对后备电力变压器的保护：包括零序电流保护和过负荷保护。1、零序电流保护保护范围：当中性点接地时把零序电流保护安装在变压器的附近。2、过负荷在没有人看守的情况下或者超过并且好友数量比较多的变压器并联工作的情况以及只一台变压器自己工作但是用作备用电源的。6.2纵联差动保护纵联差动保护是变压器的主保护，保护区内出现故障能够快速的动作。差动保护的动作时限取0s.(1)动作电流的整定原则：1、励磁涌流：本文中2、不平衡电流：本文中3、差动回路的电流计算：本文中根据计算取Iaet=3.39kA(2)校验灵敏度本文中6.3过电流保护过电流保护为了灵敏度的要求基本上都安装在变压器靠近电源的位置，大部分变压器都会安装。(1)动作电流的整定:1、最大负荷电流为：2、最大自起动电流整定为：通过计算得:(2)检验灵敏度根据最小短路电流二次值计算本文中6.4本章小结本章是主要完成了对继电保护过程中的各种计算，包括纵联差动保护和过电流保护。7MATLAB建模与仿真7.1MATLAB的简介各种企业对电力得要求愈来愈大，迫使电力工业在这几年飞速发展，由于规模和复杂性的限制以及安全方面得不到有利得保障，就没有了进行实验得条件。所以，体现了仿真工具的重要性。电力系统模块集是在1998年由Mathworks公司提出的，之后逐渐获得世界上研究者的认可，经过不断的研究，使得MATLAB在模拟上越来越完善。MATLAB主要应用于无线通信、控制系统的仿真与设计、数字图像处理、通讯系统设计及仿真、深度学习等领域。7.2纵联保护的建模与仿真我们需要新建一个空白文件，在空白文档中我们绘制出下图，并调整参数。,,,单位正序阻抗。设计的仿真原理图如下:图7-1电力系统仿真图仿真波形：（1）Fault设置为在t=0.2s到t=0.4s三相短路，而Fault1不动作。图7-2二次电流波形图7-3二次电流波形图7-4差动电流波形图7-5制动电流波形从我们得出的波形分析，我们可以看出差动电流在波形上明显大于制动电流，所以保护能够可靠的进行动作。（2）将Line3的长度设为0.01km，Fault不动作，Fault1故障时间为t=0.2s到t=0.4s。图7-6电流互感器二次电流波形图7-7电流互感器二次电流波形图7-8差动电流波形图7-9制动电流波形通过仿真得出的波形我们可以看到，差动电流在图片上明显小于制动电流，这样保护可靠不会有动作。7.3本章小结本章介绍了MATLAB的背景，并通过MATLAB进行了仿真模拟，对得出的波形进行了分析。结论本文是110KV变电站继电保护的设计及整定计算，通过本文的设计我对继电保护又有了新的认识，可以感觉到之前学到的是冰山一角。拿到题目的时候，还只是仅知道继电保护是一种保护装置，后面通过一系列的了解及学习，我认识到继电保护并不是我了解的那样，它需要完成电气主接线的设计并通过整定计算计算出各种参数值，选择合适的设备才能够较好的完成继电保护的功能，当然地理环境、温度、湿度等也是影响设备选型的因素。本文主要完成了变压器的选择、电气主接线的设计并根据要求绘出了电气主接线图、完成了短路电流分析计算以及变电站继电保护的计算，以及MATLAB的仿真。在此次论文编写中使我重新巩固了整定电流的计算，能够熟练的使用CAD和MATLAB软件绘图，完成了本次论文的撰写。我也更加了解了我们专业的研究方向，增加了我对继电保护的兴趣。参考文献[1]陈文杰.基