110KV变电站继电保护设计.docx
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110KV变电站继电保护设计
TAIYUANUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY
毕业设计（论文）
110KV变电站的继电保护设计
学生姓名
学号
班级
所属院（系）
指导教师
2011年6月15日
太原科技大学毕业设计（论文）任务书
学院（直属系）：
华科学院
时间：
2011年3月8日
学生姓名
李宇鹏指导教师潘峰
设计（论文）题目
临汾城北110KV变电站的继电保护
主要研
究内容
继电保护的重要性、线路保护及短路电流，变压器的差动保护、瓦斯保护，简单介绍后备保护如相间距离保护、接地距离保护和零序电流保护，其中线路保护包括保护原理、保护整定计算和灵敏性校验；
研究方法
查阅整定计算和继电保护相关书籍，选出符合自己设计题目的要
求的整疋方法，所有的计算公式建立在理论基础上，通过实际原始数
据为依据进行设计；
主要技术指标（或研究目标）
主要设计线路和变压器的继电保护项目，以城北站原始数据为依据，根据地方用电情况设计继电保护项目，确保继电保护的的可靠性、选择性、灵敏性和速动性。
教研室
意见
教研室主任（专业负责人）签字：
年月曰
摘要III
AbstractIV
绪论-1-
第1章继电保护基础-3-
1.1概述-3-
1.2继电保护的基本原理和任务-3-
1.3继电保护装置的基本结构-3-
1.4继电保护的基本要求-4-
1.5互感器基础-4-
第2章参数设定及阻抗计算-7-
2.1参数设定-7-
2.2阻抗归算-7-
第3章线路的继电保护-9-
3.1线路的整定-9-
3.1.1短路电流计算-9-
3.1.2整定计算-13-
3.1.3定时限过电流保护-17-
3.1.4灵敏度校验-19-
3.1.5保护动作时间整定-21-
3.2线路的电流保护-21-
3.3线路的接地保护-25-
3.4线路的距离保护-26-
3.5线路的纵联差动保护-30-
3.6线路的高频保护-31-
第4章主变压器的继电保护-33-
4.1主变的整定-33-
4.1.1短路电流计算-33-
4.1.2计算各种方式下的一次短路电流值-34-
4.1.3主变（1B、2B）电流互感器参数、额定电流、平衡系数的计算...-34-
4.1.4计算差动保护一次动作电流-35-
4.1.5差动继电器动作电流和差动线圈匝数计算-36-
4.1.6其他侧工作线圈和平衡线圈匝数的计算-36-
4.1.7整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差-36-
4.1.8校验保护灵敏度-36-
4.2变压器保护的配置-36-
4.3变压器的瓦斯保护-37-
4.4变压器的差动纵联保护-38-
4.5相间短路后备保护-40-
4.6接地短路后备保护-42-
4.7过负荷保护-43-
4.8非电量保护-43-
第5章、主变、线路保护的选型及装置介绍-44-
5.1主变保护的选型及装置介绍-44-
5.2线路保护的选型及装置介绍-44-
总结-46-
参考文献-47-
致谢-48-
摘要
中国的电力工业作为国家最重要的能源工业，一直处于优先发展的地位，电力企业的发展也是令人瞩目的。
电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，也使得继电保护得以飞速的发展。
本次毕业设计以临汾城北110KV变电站的变压器、输电线路和电气接
线方式作为主要原始数据，本设计围绕110KV变电站的继电保护设计，根据原始资料提供的变电站一次系统图，重点介绍变压器的差动保护和瓦斯保护，及线路的速断保护和过流保护，及其整定计算内容。
通过计算和比较确定了变电站中电气设备的保护和自动装置的初步设计方案和配置选型，确定了保护计算的运行方式。
关键词：
线路继电保护，变压器的继电保护，短路计算，整定计算
Abstract
China'spowerindustryasthecountry'smostimportantenergyindustryandhasbeeninprioritydevelopmentofposition,theelectricpowerenterprise'sdevelopmentisremarkable.Therapiddevelopmentofelectricpowersystemofrelayprotectioncontinuouslyputforwardnewrequirements,butalsomakestherelayprotectiontorapiddevelopment.Thegraduationdesignoftransformersubstationnorth110KVLinFen,transmissionlineandelectricalwiringwayasmainrawdata,thedesignof110kvsubstationsaroundtherelayprotectiondesign,accordingtoprimitivematerialprovidessubstation,mainlyintroducethefirstsystemchartoftransformerdifferentialprotectionandgasprotection,andwiringinquickbreakprotectionandovercurrentprotection,andsettingcalculationcontent.Throughcalculationandcomparisonidentifiedinthesubstationofelectricequipmentprotectionandautomaticdevicepreliminarydesignschemeandconfigurationselection,determinetheprotectioncalculationofoperationmode.
Keywords：
Circuitrelayprotection,transformerofrelayprotection,shortcircuitcalculationandsettingcalculation
绪论
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地注入了新的活力，因此，继电保护技术在40
余年的时间里完成了发展的4个历史阶段。
继电保护技术经历了基于集成运算放大器的集成电路保护、超大规模集成电路的集成电路保护、微机保护等。
继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。
本次毕业设计是作者在临汾城北变电站参观学习时，以变电站的建站的原始数据为依据，本变电所110KV有两回进线，可采用单母线分段接线，当一段母线发生故障时，分段断路器自动切除故障段，保障正常母线不间断供电。
35KV和10KV出线有较多重要用户，所以均采用单母线分段接线方式。
主变压器110KV侧中性点经隔离开关接地，并装设避雷器保护。
计算用到的一切数据全部来自该变电站的真实数据，但整定计算结果是不一样的，原因是变电站的继电保护全是微机保护，整定计算的公式与理论公式有所出入。
设计计算时查阅了相关继电保护和整定计算相关的书籍，并得到了有关继电保护工程师的理论帮助，从许多的整定方法中选出与自己设计课题相符的整定方式，所有的计算公式全是建立在理论基础上的。
设计共分为五章，对继电保护的基础和线路继电保护方法做了简单阐述，主要部分是系统短路电流计算和线路保护整定计算，以及变压器的相关保护，分别对各个短路的进行了三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路计算。
变电站的#1、#2输电线路的主保护
是光纤纵联差动保护，后备保护是相间距离保护、接地距离保护和零序电流保护，所以这次设计对保护线路进行这几种保护的整定计算。
临汾城北110KV变电站按六台主变设置总平，五台10/10k容量为5x40M双卷有载调压变压器，一台110/35kV，容量为20MVA的双卷有载调压变压器。
对于其二期工程将装设一台40MVA,—台31.5MVA的主变压器。
对于各级电压的出线，110KV进线最终三回，目前投入使用两回，10KV出线五十三回，目前投入使用二十四回。
对于无功补偿要求，按照无功功率就地平衡的原则，及省电力公司批复的文件要求（变电站的无功补偿后，功率因数不小于0.98），本设计按主变（最终规模）容量的15%考虑，采用静止无功自动补
偿方式，设两组7500千乏电容器，预留5x7500千乏电容器组的位置。
采用屋内柜式无功补偿，接线型式为单星形，串联电抗器接于电源侧以限制涌流及抑制高次谐波。
其电气主接线为双母线接线型式，10kV最终规模为I、U段单母线分段型式，段单母线分段型式。
各电压等级中性点接地方式：
110kV系统通过变压器中性点直接接地。
10kV系统采
用不接地方式。
站内分隔成四个部分：
110kV配电区、主变、10kV配电及控制室建筑区、电容补偿装置区。
站区南侧为110kV配电装置，采用半高型软母线布置方式；站区北侧为10kV配电区；站区中央为主变布置，与110kV配电区分列路两旁；电容补偿装置在站区的东面；控制室及附属建筑区布置在站区北面，进站大门在站区西侧。
为了防止直击雷危害站内的电力设施，设四支30米高独立避雷针联合保护站区。
为防止沿线路的雷电侵入波和操作过电压对设备的危害，110kV、10kV母线及10kV出线口装设氧化锌避雷器。
110kV母线上所装避雷器与主变压器的电气距离经计算约为140m,根据《交流电气装置的过电
压保护和绝缘配合》规程规定，金属氧化物避雷器至主变的最大电气距离为120m（进线
回路数为2,避雷线长度为1.5km）,故在每台主变压器回路上各装设氧化锌避雷器一组。
为了保护和工作需要，全站设主接地网，其电阻不大于0.5欧，主网埋深0.8米；独立避
雷针应设独立接地网，其电阻不大于10欧。
根据需要，城北站的主变选择为SZ10-31500/110,110±8x1.25%/10.5（Ynd11）
Uk=14.7%一台；SZ10-40000/110,110±8x1.25%/10.5（Ynd11）Uk=14.7%一台；110kV断路器LW25-126W（40kA）；电流互感器LB7-110W;隔离开关GW4-110DW/1600A;避雷器YH10WZ-100/260W；10kV开关柜XGN2A-12Z系列；避雷器HY5W-17/45。
对于城北站的电气二次保护部分采用先进的综合自动化系统，按无人值班要求设计。
设备采用微机综合自动化装置，综合考虑监控、保护、计量、远动、低周减载、小电流接地选线、微机五防及交直流电源。
综自系统由数据采集、控制保护信息处理、信息网络部分组成。
具有“遥测、遥信、遥控、遥调”，远方、就地操作闭锁及遥控跳闸闭锁重合闸功能。
事故信号、预告信号重复动作、远方及就地复归，发生事故推画面，在主接线显示并伴有语音报警及文字说明，同时打印记录。
10kV线路、10kV分段并列监控保护装置就地安装于开关柜小门上，二次消谐装置分别装在10kV两段PT柜小门上。
主变及110kV线路监控保护装置组屏装于控制室内：
综合测控屏1面（通讯管理单元、温度变送器、智能规约转换器、10kVPT保护、），公用屏1
面，变压器监控保护屏2面（变压器差动保护装置、变压器非电量保护装置、变压器两侧后备保护装置、变压器监控装置），110kV线路监控保护装置屏2面（含110kVPT并列装置1套），110kV母联保护测控屏1面，110kV母线保护屏1面，电度表屏2面，本期上1面。
电度表采用多功能电度表，设低周低压减载屏2面、故障录波屏2面，本期均各上1
面o10kV电度表装于开关柜小门上，主变两侧及110kV线路电度表装于控制室电度表屏上。
第1章继电保护基础
1.1概述
电力系统的规模随着经济的发展越来越大，结构越来越复杂。
运行就得要求安全可靠电能质量高、经济性好。
由于自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态。
故障中最常见，危害最大的是各种型式的短路。
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。
1.2继电保护的基本原理和任务
在电力系统发生短路故障时，许多参量比正常时候都有了变化，有的变化明显，有的不明显。
明显的有电流剧增、电压大幅下降、线路测量阻抗减少、功率方向变化、负序或零序分量出现等，根据不同电气量的变化，可构成不同原理的继电保护配置。
不论那种电气量变化，当其测量值超过一定数值时，继电保护将有选择地切除故障或显示电气设备的异常情况。
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；利用电压与电流之间相位差的改变可构成方向保护等。
继电保护的任务是：
（1）当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。
1.3继电保护装置的基本结构
继电保护装置一般由现场信号输入部分、测量部分、逻辑部分和执行部分组成。
（1）现场信号输入部分：
现场信号送入继电保护装置一般要进行必要的前置处理，如隔离、电平转换、低通滤波等，使继电器能有效地检测各现场物理量。
（2）测量部分：
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。
（3）逻辑部分：
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。
（4）执行部分：
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。
1.4继电保护的基本要求
根据继电保护任务，对动作于跳闸的继电保护其具有选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
这些要求是相辅相成、相互制约的，需要根据具体的使用环境进行协调保证。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
1.5互感器基础
1.5.1电压互感器
电压互感器是隔离高电压，供继电保护、自动装置和测量仪表获取一次电压信息的传感器。
是一种特殊型式的变压器。
电压互感器具有如下特点：
（1）容量小（通常只有几十伏安或几百伏安）。
（2）—次电压不受二次电压的影响。
（3）正常运行时近似空载，二次电压基本上等于二次感应电动势。
（4）二次侧严禁短路，二次一般接有熔断器保护。
电压互感器是一个内阻极小的电压源，正常运行时负载阻抗很大，相当于开路状态，二次侧仅有很小的负载电流。
当二次侧短路时，负载阻抗为零，将产生很大的短路电流，会将电压互感器烧坏。
电压互感器的接线方式常见的有四种方式，如图1.1所示。
ABr
图1.1三相五柱式电压互感器接线方式
1单相式。
用一个单相电压互感器接于电路中，供测量线电压。
2两个单相电压互感器接成V/V形，供测量各个线电压和测量电能。
3三个单相电压互感器接成Yo/Yo形，供电给需要线电压的仪表、继电器，并供电给绝缘监察电压表。
4三个单相三线圈电压互感器或一个三相五芯柱三线圈电压互感器接成Yo/Yo/A（开
口三角形）。
接成丫。
的二次线圈，供电给需要线电压的仪表、继电器及作为绝缘监察的电压表；辅助二次线圈接成开口三角形，构成零序电压过滤器，供电给监察线路绝缘的电压互感器。
当某一相接地时，开口三角形两端将出现近100V的零序电压，使电压继电器动
作，给予信号。
1.5.2电流互感器
电流互感器就是把大电流按比例降到可以用仪表直接测量的数值，并作为各种继电保护的信号源。
电流互感器具有如下特点：
（1）二次侧接的是仪表和继电器的电流线圈，阻抗很小，接近于短路工作状态。
（2）二次侧阻抗很小，N1/N2也很小，故对一次侧的电流几乎无影响，一次侧电流取决于电网负载。
（3）11=N1/N2l2，如测得12，而N1，N2已知，就可得到I1。
（4）电流互感器在正常运行时，二次电流产生的磁通势起去磁作用，励磁电流甚小，铁芯中的总磁通很小，二次绕组的感应电动势不超过几十伏。
如果二次侧开路，二次电流的去磁作用消失，其一次电流安全变为励磁电流，引起铁芯内磁通剧增，铁芯处于高度饱
和状态，加之二次绕组的匝数很多，根据电磁感应定律E=4.44fNBS,二次绕组两端会产生很高的电压，不但可能损失二次绕组的绝缘，而且将严重危及人身安全。
因此，应特别注意防止二次绕组开路。
电流互感器的接线方式常见的有三种方式，如图1.2所示。
u
:
r
1TA.
厂
:
'.TA
IJVW
图1.2电流互感器接线方式
（a）两相不完全星形（b）两相电流差
1三相三继电器式接线方式又叫三相星形、安全星形接线方式。
这种接线方式广泛用在负荷一般不平衡的三相四线制系统中，作三相电流、电能测量及电流继电器保护之用，如各种相间短路和单相接地短路故障。
2两相两继电器式接线方式又叫不完全星形接线方式。
此种接法由两只电流互感器和两只电流继电器装在U、W（A、C）两相上对应连接起来。
适用于变压器中性点不接地或经过消弧线圈接地的电力系统的线路电流保护。
它能满足各种相间短路的要求。
3两相一继电器式接法方式又叫两相电流差式接法。
此种接法由两只电流互感器分别装在U、W（A、C）两相上，采用一只电流继电器，接于两相电流差回路。
对于不同形式的故障，流过继电器的电流不同。
适用于三相三线制电力系统中的相间短路保护。
第2章参数设定及阻抗计算
2.1参数设定
平均电压Uaviio=115kV,Uav35=37kV,Uavi0=10.5kV,基准功率S^-100MVA,
变压器额定功率St（n）=40MVA
2.2阻抗归算
线路阻抗标幺值
Sb
X|=冷12,
Uav
线路阻抗有名值
U,Sbub.ub2
X|-X|X°l2x012,
SbUavSdUav
其中X。
=04」/km，Ub=110kV，即线路阻抗都为归算至110kV侧的值
1）.10kV侧
L104
L107
L1011
L1012
L1015
L1019
有名值（C）
100.9705
153.6508
136.0907
100.9705
144.8707
188.7710
2）.35kV侧
L31
L32
L33
L34
L35
L36
有名值（O）
63.6377
56.5668
42.4251
60.1023
63.6377
42.4251
3）.110kV侧
U21152x
基准阻抗xb=—二132.31，阻抗标幺值x”二一，其中x为阻抗有名值
Sb100Xb
\
L11
L12
XT-1
XT-2
大方式
小方式
零序
大方式
小方式
零序
标幺值
0.1270
0.1815
0.0627
0.0418
0.0949
0.0488
0.0335
0.0696
XxT.min=（5.53+42X0.4）〃（4.43+60X0.4）=12.50670
XxT.max=（8.29+42x0.4）〃（6.46+60汉0.4）=13.7577Q
4）.主变
（1）归算到110kV侧的变压器阻抗标幺值
1
Uk1%=JUk（1⑵％Uk（1J3）%_Uk（2J3）%]
1
Uk2%=2【Uk（1⑵％Uk（2J3）%_Uk（1J3）%]
1
uk3%=§[uk（1J3）%*Uk（2；）%-Uk（1_2）%]
则,
1
Ui%=31825%1036%-65%=11.0550,
同理un%=-0.6950,Um%=7.1950
变压器阻抗标幺值：
XT」％
2
UT（N）Sbuk%Sb
XX=X
100St（n）Ub100Sr（N）10040
uk%100计
（取UT（N）二Ub）
（2）归算到110kV侧的变压器阻抗有名值
XT
煤詈10"）"110心
二40000kVA
XT（h）
100
40000
-0.6950
1102
100
40000
7.1950
y
1102
y
100
40000
XT（m）
3
10=21.7649"
3
10--2.1024'.1
2
匹10^33.4414-
高压侧
中压侧
低压侧
标幺值
0.2764
-0.0174
0.1799
有名值（o）
33.4414
-2.1024
21.7649
XT（l）二
第3章线路的继电保护
3.1线路的整定
3.1.1短路电流计算
线路末端最大三相短路电流:
I（3）
1k.max
Es
XsminXil
Es
XXT.min'XTXL
Ik2）i
k.min
■-3Es3Es
X=X
2X
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