110KV电力系统继电保护设计1.doc

2.2.1 主变台数和容量计算根据“35110KV变电所设计规范”主要变压器的台数和容量，应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合考虑确定。在有一、二级负荷变电所中宜装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变压器。装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于60的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。具有三种电压的变电所，如通过主变压器各侧线圈的功率均达到该变压器的15以上，主要变压器宜采用三线圈变压器。由于我国电力不足、缺电严重、电网电压波动较大。变压器的有载调压是改善电压质量、减少电压波动的有效手段。对电力系统，一般要求110KV及以下变电所至少采用一级有载调压变压器，因此城网变电所采用有载调压变压器的较多。（1）35KV中压侧：其出线回路数为4回，,结合“2.1变电站的负荷分析”35kv负荷情况分析表11知： 27.048MVA（2）10KV 低压侧：由于其出线回路数共11回，故可取Kt=0.85,结合10kv负荷情况分析可知： 0.851.05（0.851.05（886.156.156.44.8+5+6+6+4.615+4.615）58.664MVA则三绕组变压器的计算容量： 因此，选择两台50MVA的变压器。校验：（1） 满足一台停运时另一台不小于全部容量的60。 31.8MVA（2）也满足一台停运时另一台满足全部一、二类负荷。2.2.2 绕组连接方式的选择参考电力工程电气设计手册和相应规程指出：变压器绕组的连接方式必须和系统电压一致，否则不能并列运行。电力系统中变压器绕组采用的连接方式有Y和型两种，而且为保证消除三次谐波的影响，必须有一个绕组是型的，我国110KV及以上的电压等级均为大电流接地系统，为取得中性点，所以都需要选择的连接方式。对于110KV变电所的35KV侧也采用的连接方式，6-10KV侧采用型的连接方式。综上变电所主变采用的绕组连接方式为：。2.2.3 主变压器的冷却方式根据主变压器的型号有：自然风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式、强迫导向油循环式等。从经济上考虑，结合本站选用50MVA的变压器，应选用强迫空气冷却。综上所述：最终确定为SFSZ750000/110型变压器。表2-1 SFSZ7-50000/110系列电力变压器主要技术参数型号额定容量（KVA）额定电压（KV）连接组别阻抗电压（%）空载电流（%）损耗（KW）高压中压低压高低高中中低空载负载SFSZ7-50000/1105000011081.25%38.522.5%10.5YN yn0 d111810.56.51.371.2250=11 =-0.5=7 （记为0）2.3 电气主接线2.3.1 电气主接线的设计要求 电气主接线是指发电厂或变电站中的一次设备按照设计要求连接起来表示生产、汇集和分配电能的电路,也称为主电路.电气主接线是由高压电器通过主接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，组成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。主接线代表了发电厂或变电所电气部分主体结构，是电力系统的重要组成部分。它直接影响运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。因此，主接线的正确、合理设计，必须综合处理各方面的因素，经过技术、经济论证后方可确定。主接线设计的基本要求为： (1)供电可靠性。主接线的设计首先应满足这一要求；当系统发生故障时，要求停电范围小，恢复供电快。(2)适应性和灵活性。能适应一定时期内没有预计到的负荷水平变化；改变运行方式时操作方便，便于变电所的扩建。(3)经济性。在确保供电可靠、满足电能质量的前提下，要尽量节省建设投资和运行费用，减少用地面积。(4)简化主接线。配网自动化、变电所无人化是现代电网发展必然趋势，简化主接线为这一技术全面实施，创造更为有利的条件。(5)设计标准化。同类型变电所采用相同的主接线形式，可使主接线规范化、标准化，有利于系统运行和设备检修。参考35110KV变电所设计规范第3.2.1条：变电所的主接线应根据变电所所在电网中的地位、出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要求。2.3.2 电气主接线形式的确定目前变电所常用的主接线形式有：单母线、单母线分段、单母线分段带旁路、双母线、双母线分段等，我们在比较各种电气主接线的优劣时，主要考虑其安全可靠性、灵活性、经济性三个方面。首先，在比较主接线可靠性的时候，应从以下几个方面考虑：断路器检修时，能否不影响供电；线路、断路器或母线故障时以及母线或隔离开关检修时，停运出线回路数的多少和停电时间的长短，以及能否保证对、类用户的供电；变电站全部停电的可能性；大型机组突然停电时，对电力系统稳定性的影响与后果因素。其次，电气主接线应该能够适应各种运行状态，并且能够灵活地进行运行方式的切换。不仅正常时能安全可靠的供电，而且在电力系统故障或电气设备检修时，也能够适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地切换运行方式，使停电的时间最短，影响的范围为最小。再次，在设计变电站电气主接线时，电气主接线的优劣往往发生在可靠性与经济性之间，欲使电气主接线可靠、灵活，必然要选用高质量的电气设备和现代化的自动化装置，从而导致投资的增加。因此，电气主接线在满足可靠性与灵活性的前提下做到经济合理就可以了。参考35110KV变电所设计规范第3.2.3条：35110KV线路为两回及以下时，宜采用桥形线路变压器组或线路分支接线。超过两回时，宜采用扩大桥形单母线或单母分段的接线形式，3563KV线路为8回及以上时，亦可采用双母线接线，110KV线路为6回及以上时，宜采用双母线接线。第3.2.4条：在采用单母线、分段单母线或双母线的35110KV主接线中，当不允许停电检修断路器时，可以设置旁路设施。当有旁路母线时，首先宜采用分段断路器或母联断路器兼做旁路断路器的接线，当110KV线路为6回及以上，3563KV线路为8回及以上时，可装设专用的旁路断路器，主变压器35110KV回路中的断路器，有条件时，亦可接入旁路线母，采用SF6断路器的主接线不宜设旁路设施。第3.2.5条：当变电站装有两台主变时，610KV侧宜采用分段单母线。线路为12回及以上时亦可采用双母线。当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。 综合以上规程规定，结合本变电站的实际情况，对各电压等级侧主接线设计方案如下:表24 主接线方案表110kv35kv10kv单母分段接线 单母分段接线 双母接线第3章 短路电流计算3.1 短路的概念及短路电流的种类 3.1.1 短路的概念电力系统不可避免会发生短路事故。短路事故威胁着电网的正常运行中，并有可能损坏电气设备。因此，在电力系统的设计和运行中，都要对供电网络进行短路电流计算，以便正确地选用和调整继电保护装置，正确地选择电气设备，确保电力系统的安全、可靠运行。短路的种类有以下几种：（1）三相短路。（2）两相短路。（3）两相短路接地。（4）单相短路（接地）。三相短路是对称短路，此时三相电流和三相电压仍然是对称的，只是三相电流特大。除三相短路外的其他短路都是不对称性短路，每相电流和电压数值不相等，相角也不同。3.1.2 短路电流的暂态过程和短路电流种类1短路电流的暂态过程当电力系统发生三相短路时，由于短路回路存在着电感，电流不能突变，因此有一个暂态过程。短路电流随时间变化，最后达到稳定值。短路全电流id由对称的周期分量和不对成的非周期分量两部分合成，即。周期分量先开始衰减，然后逐渐增加到稳态值。非周期分量按指数规律衰减，其衰减时间常数为0.05-0.2。2计算各短路电流的目的（1） 短路冲击电流：用来校验电气设备和母线的动稳定。（2） 短路全电流最大有效值Ich（第一周期短路全电流有效值）：用来校验电气设备和母线的动稳定。（3）超瞬变短路电流有效值I：用来作继电保护的整定计算和校验断路器的短流量。（4） 短路后0.2秒后的短路电流周期分量有效值：用来校验断路器的断流量。（5）稳态短路电流有效值：用来校验电气设备和载流部分的热稳定。（6） 短路后0.2S后的短路容量：用来校验断路器的遮断容量。3.2 短路电流的标幺值计算法 短路电流计算,根据电力系统的实际情况,可以采用标幺值或有名值计算,那种方法方便就采用那种方法.在高压系统中通常采用标幺值计算. 所谓标幺值,是实际值与基准值之比. 标幺值没有单位.设所选顶定的基准值电压,基准电流,基准容量及基准电抗分别为,则这一元件的各已知量的标幺值分别为,式中：S、U、I、X-以有名单位表示的容量(MVA)、电压(KV)、电流(KA) 、电抗；、-以基准量表示的容量(MVA)、电压(KV)、电流(KA)、电抗。工程计算上通常先选定基准容量和基准电压，与其相应的基准电流和基准电抗,均可由这两个基准值导出。基准容量可采用电源容量或一固定容量，为了计算一致，通常采用=100MVA为基准容量；基准电压一般采用短路点所在级的网路平均额定电压，即=。 表31电力系统各元件阻抗值的计算公式序号元件名称给定参数电抗平均值计算公式通用式=100MVA1发电机（或电动机）额定容量超瞬变电抗百分数2变压器额定容量阻抗电压百分比310（6）KV电缆平均电压每千米电抗线路长度L0.08410（6）KV架空线路平均电压每千米电抗线路长度L0.4535KV架空线路平均电压每千米电抗线路长度L0.426电抗器额定电压额定电流电抗百分数3.3 短路电流的简化计算为了简化短路电流的计算方法，在保证计算精度的情况下，忽略次要因素的影响，做出一下规定：（1） 所有的电源电动势相位角均相等，电流的频率相同，短路前，电力系统的电势和电流是对称的。（2） 认为变压器是理想变压器，变压器的铁心始终处于不饱和状态，即电抗值不随电流的变化而变化。（3） 输电线路的分布电容略去不计。（4） 每一个电压级采用平均电压，这个规定在计算短路电流时，所造成的误差很小。因为电抗器的阻抗通常比其他元件阻抗大的多。（5） 计算高压系统短路电流时，一般只计及发电机、变压器、电抗器、线路等元件的电抗，因为这些元件XR时，可以略去电阻的影响。（6） 短路点离同步调相机和同步电动机较近时，应该考虑对短路电流值的影响。有关感应电动机对电力系统三相短路冲击电流的影响：在母线附近的大容量电动机正在运行时，在母线上发生三相短路，短路点的电压立即降低。此时，电动机将变为发电机运行状态，母线上电压低于电动机的反电势。（7） 在简化系统阻抗时，距短路点远的电源与近的电源不能合并,两个容量相差很大的电源不能够合并。 （8） 以供电电源为基准的电抗标幺值3.5,可以认为电源容量为无限大容量的系统,短路电流的周期分量在短路全过程中保持不变。3.4 在最大运行方式下的短路电流将有名值转换成标幺值：1.选择基准容量 =100MA 基准电压为各级电压的平均额定电压。线路电抗取X=0.4 线路L1: 线路L2: 线路L3: 110kv侧简化网络图：图3-2先将它化成星形：图3-3将、化成、。将、合并成；将、合并成：计算各电源点到短路点的转移电抗，化成：图3-4为S2到短路点的转移电抗，是S1到短路点的转移电抗。它们分别应的计算抗： 又由于3.5，故直接由查0秒曲线得110kv侧短路电流：查0.2秒曲线得110kv侧短路电流： 查4秒曲线得110kv侧短路电流： 冲击电流： (取1.8)35kv侧简化网络图：图3-5图3-6先将它化成星形：图3-7将、合并成；将、合并成：将、合并成：计算各电源点到短路点的转移电抗，化成：图3-4为S2到短路点的转移电抗，是S1到短路点的转移电抗。它们分别对应的计算电抗： 又由于3.5，故直接由查0秒曲线得35kv侧短路电流：查0.2秒曲线得35kv侧短路电流：查4秒曲线得35kv侧短路电流：冲击电流： (取1.8)10kv侧简化网络图：图3-8 图3-6将它化成星形：图3-7将、合并成；将、合并成：将、合并成：计算各电源点到短路点的转移电抗，化成：图3-4为S2到短路点的转移电抗，是S1到短路点的转移电抗。它们分别对应的计算电抗： 又由于3.5，故直接由查0秒曲线得10kv侧短路电流：查0.2秒曲线得10kv侧短路电流：查4秒曲线得10kv侧短路电流：冲击电流： (取1.8)短路电流计算结果：表3-1 短路电流计算结果表I（KA）(KA）（KA）（KA）110kv21.162.15.0935Kkv4.454.244.5511.3310Kkv14.0413.3414.1435.74第4章 线路保护4.1 单测电源网络相间短路的电流保护保护的配置：一般由三段式构成。 三段式第段电流速断保护第段限时电流速断保护第段定时限过电流保护主保护后备保护4.1.1 电流速断保护（第段）对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。1、短路电流的计算： 图中、1最大运行方式下d(3) 2最小运行方式下d(2) 3保护1第一段动作电流 ； 可见，Id的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关.最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。（Zs.min）最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。（Zs.max）4.1.2 整定值计算及灵敏性校验 为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路短路整定 保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。（IdZ）在图中为直线3，与曲线1、2分别交于a、b点。可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长。灵敏性：用保护范围的大小来衡量 lmax 、lmin。一般用lmin来校验、 要求：（1520） 方法： 图解法，按比例作图，可求出最小保护范围。 解析法： 可得 式中 ZL被保护线路全长的阻抗值，动作时间t=0s。小结：仅靠动作电流值来保证其选择性能无延时地保护本线路的一部分（不是一个完整的电流保护）。4.1.3 限时电流速断保护（第段）要求： 任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性，并且力求动作时限最小。限时电流速断保护因动作带有延时，故称限时电流速断保护。整定值的计算和灵敏性校验为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第段的保护范围。即整定值与相邻线路第段配合。动作电流： 动作时间： t取0.5，称时间阶梯灵敏性： 要求：1.31.5 若灵敏性不满足要求，与相邻线路第段配合。此时：动作电流：动作时间：小结：限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长 依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性 与第段共同构成被保护线路的主保护，兼作第段的后备保护。4.1.4 定时限过电流保护（第段）作用：作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。整定值的计算和灵敏性校验：1）、动作电流：躲最大负荷电流 在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。电动机自起动电流要大于它正常工作电流，因此引入自起动系数KZq 式中， 显然，应按（2）式计算动作电流，且由（2）式可见，Kh越大，IdZ越小，Klm越大。因此，为了提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。（过电流继电器的返回系数为0.850.9）2）、动作时间 在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第段的测量元件均可能动作。例如：下图中d1短路时，保护14都可能起动。为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。即 、 、 这就是阶梯时间特性。注：当相邻有多个元件，应选择与相邻时限最长的保护配合。3）、灵敏性近后备： Id1.min本线路末端短路时的短路电流远后备： Id2min 相邻线路末端短路时的短路电流构成： 与第段相同，只是电流继电器的定值与时间继电器定值不同。小结：第段的IdZ比第、段的IdZ小得多，其灵敏度比第、段更高；在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性；保护范围是本线路和相邻下一线路全长；电网末端第段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），故可不设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（或II+III），越接近电源，t越长，应设三段式保护。选择性：在单测电源辐射网中，有较好的选择性（靠IdZ、t），但在多电源或单电源环网等复杂网络中可能无法保证选择性。灵敏性：受运行方式的影响大，往往满足不了要求。电流保护的缺点例：第段：运行方式变化较大且线路较短，可能使保护范围为零；第段：长线路重负荷（If增大，Id减小），灵敏性不满足要求。 速动性：第、段满足； 第段越靠近电源，t越长缺点可靠性： 线路越简单，可靠性越高优点应用范围： 35KV及以下的单电源辐射状网络中；第段：110KV等，辅助保护。4.2 线路末端短路电流35kv侧线路短路电流：（选择水泥厂1的线路保护）图4-1 10kv侧线路短路电流：（选择棉纺厂1的线路保护）图4-2 表4-135kv10kv最大运行最小运行最大运行最小运行2670A2312.5A4330A3750A4.3 线路保护整定4.3.1 35kv侧线路保护整定瞬时电流速断保护（段保护）：校验： (满足要求) 定时限过电流保护（段保护）： .可靠系数，取1.2自起动系数，取1.5返回系数，取0.85校验：1.5 (符合要求)4.3.2 10kv侧线路保护整定瞬时电流速断保护（段保护）：校验： （满足要求）定时限过电流保护（段保护）：校验： (符合要求)5.8 变压器零序电流保护中性点直接接地运行的变压器毫无例外的都采用零序过电流保护作用变压器接地后备保护。零序过电流保护通常采用两段式：零序电流段与相邻元件零序电流保护段相配合；零序电流段与相邻元件零序电流保护后备段（不是段）相配合。与三绕组变压器相间后备保护类似，零序电流保护在配置上要考虑缩小故障影响范围的问题。根据需要，每段零序电流设两个时限，并以较短的时限动作于缩小故障影响范围，以较长的时限断开变压器各侧断路器。图5-10 零序过电流保护的系统接线和保护逻辑如图所示，零序过电流取自变压器中性点电流互感器的二次侧。在另一条母线故障时，零序电流保护应该跳开母联断路器QF，使变压器能够继续运行。所以零序电流段和段均采用两个时限，短时限、跳开母联断路器QF，长时限、跳开变压器两侧断路器。零序电流保护段零序电流段的动作电流按下式整定： 可靠系数，取1.2； 零序电流分支系数； 相邻元件零序电流段的动作电流。零序电流段的短时限取； 长时限在上再增加一级时限。零序电流段的灵敏系数按变压器母线处故障校验，校验方法与线路零序电流保护相同。零序电流保护段零序电流段的动作电流按下式整定： 此时式中的应理解为相邻元件零序电流保护后备段的动作电流。动作时限：（为相邻元件保护后备段时限）；。零序电流段的灵敏系数按相邻元件末端故障校验，校验方法与线路零序电流保护相同。5.9 变压器保护的整定计算5.9.1 纵联差动保护的整定计算BCH-2型差动继电器构成的纵联差动保护按平均电压及最大容量计算变压器各侧额定电流 最大容量时绕组的额定容量；该侧的额定电压。计算互感器各侧二次回路额定电流 式中三相对称情况下电流互感器的接线系数，电流互感器为星形接线时=1，三角形接线时=；电流互感器变比。计算变压器各侧的一次及二次电流值，并选择电流互感器的变比，如表所示。表5-1 变压器和互感器各侧电流值名称：各侧数值额定电压：110KV38.5KV10KV额定电流CT接线方式：DdyCT一次电流计算：2749选用CT变比：标准变比100300600CT二次额定电流 所以选定10kv侧为基本侧。计算变压器各侧外部短路时的最大短路电流。变压器最大运行方式下10kv侧的短路电流:10kv侧简化网络图：图3-8 图3-6将它化成星形：图3-7 将、合并成；将、合并成：将、合并成：计算各电源点到短路点的转移电抗，化成：图3-4为S2到短路点的转移电抗，是S1到短路点的转移电抗。它们分别对应的计算电抗： 又由于3.5，故直接由查4秒曲线得10kv侧短路电流： 变压器最小运行方式下10kv侧的短路电流：10kv侧简化网络图：图3-8 将它化成星形：图5-1将、合并成；将、合并成：将、合并成： 计算各电源点到短路点的转移电抗，化成：图3-4为S2到短路点的转移电抗，是S1到短路点的转移电抗。它们分别对应的计算电抗： 又由于3.5，故直接由查4秒曲线得10kv侧短路电流：按照下面三个条件确定保护装置的一次动作电流躲过变压器励磁涌流： -可靠系数，取1.3； -励磁涌流最大倍数，取48。在采用加强速饱和变流器差动保护取1。 -基本侧的变压器额定电流。躲开电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷电流： -变压器基本侧的最大负荷电流，当无法确定时，可用基本侧的额定电流。 躲开外部短路时的最大不平衡电流：最大外部短路电流； -可靠系数，取1.3-电流互感器允许最大相对误差，取0.1；变压器高中压侧分接头改变而引起的误差，一般取调整范围的一半；-电流互感器的同型系数；-非周期分量系数，取1.52；当采用速饱和变流器时，可取1。确定基本侧差动线圈的匝数基本侧继电器动作电流基本侧继电器线圈匝数（即差动线圈匝数），故选择14匝。继电器的动作安匝，其中t为匝数；差动线圈计算匝数。重新计算继电器动作电流和保护的动作电流：保护一次实际动作电流为：确定非基本侧平衡线圈的匝数和工作线圈匝数所以选： 整定匝数与计算匝数不等而产生的误差：0.050.05保护装置的灵敏系数校验式中变压器差动保护范围内短路时，总的最小短路电流有名值（归算到基本侧）；由以上计算可得：DCD-2型差动继电器的插头位置在A2-B1时满足要求。5.9.2 过流保护的整定计算由于选用的是两台变压器并列运行，所以：图5-3 变压器的连接方式的确定（归算至110kv侧） 确定 对考虑情况（1）：1.5 （符合要求）对考虑情况（2）：1.2 (符合要求)6.4 母线的完全差动保护 母线保护应特别强调其可靠性，并尽量简化结构。对电力系统的单母线和双母线保护采用差动保护一般可以满足要求，所以得到广泛应用。作用原理:将母线的连接元件都包括在差动回路中，需在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的CT。 正常运行或外部故障时 （）所以 二次侧 母线故障时 二次侧 6.5 母线保护整定计算两个条件：按躲过外部发生故障时的最大不平衡电流来整定，即 式中 可靠系数，取为1.3; 在母线范围外任一连接元件上短路时，流过差动保护TA 一次侧的最大短路电流; 母线保护用TA的变比 CT(LH)二次回路断线时不误动： 母线连接元件中，最大负荷支路上最大负荷电流。取较大者为定值。校验灵敏系数： 在母线上发生故障的最小短路电流门槛值应用： 35KV及以上单母线或双母线经常只有一组母线运行的情况，母线故障时，所有联于母线上的设备都要跳闸。母线整定计算:按躲过外部发生故障时的最大不平衡电流来整定，即 CT(LH)二次回路断线时不误动校验灵敏系数： 由于母线保护用110kV系统中，故采用BCH-2型差动继电器。参考文献 1、 保会、尹项根 电力系统继电保护 中国电力出版社 2008年版2、 刘增良、刘国亭 电气工程CAD 中国水利水电出版社 2007年版3、 李光琦 电力系统暂态分析 中国电力出版社 2008年版4、 李光琦 电力系统稳态分析 中国电力出版社 2008年版5、 熊信银 发电厂电气部分 中国电力出版社. 2009年版6、 卓乐友 电力工程设计200例 中国电力出版社 2004年版7、 陈慈萱 电气工程基础（上与下册） 中国电力出版社 2003年版8、 史国生 电气二次回路及其故障分析 化学工业出版社 2004年版9、 唐志平 供配电技术 电子工业出版社 2008年版10、卓乐友 电气工程设计手册电气二次部分 中国电力出版社 1989年版11、方大千继电保护及二次回路速查速算手册中国水利水电出版社社2004年版