电气工程及自动化专业毕业设计论文7.docx

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电气工程及自动化专业毕业设计论文7

1、绪论

我企业电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。

但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。

因此，受自然条件、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。

为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制。

这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。

继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

它的基本任务是：

（1）当电力系统中发生短路故障时，继电保护能自动地、迅速地和有选择性地动作，使断路器跳闸，将故障元件从电力系统中切除，以系统无故障的部分迅速恢复正常运行，并使故障的设备或线路免于继续遭受破坏。

（2）当电气设备出现不正常运行情况时，根据不正常运行情况的种类和设备运行维护条件，继电保护装置则发出信号，以便由值班人员及时处理，或由装置自动进行调整。

由此可见，继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全供电。

因此，继电保护是电力系统重要的组成部分，是保证电力系统安全可靠运行的不可缺少的技术措施。

在现代的电力系统中，如果没有专门的继电保护装置，要想维持系统的正常运行是根本不可能的。

2、电流电压互感器及变压器中性点的选择

2.1输电线路电流电压互感器的选择

（1）CT的作用

①电流互感器将高压回路中的电流变换为低压回路中的小电流，并将高压回路与低压回路隔离，使他们之间不存在电的直接关系。

②额定的情况下，电流互感器的二次侧电流取为5A，这样可使继电保护装置和其它二次回路的设计制造标准化。

③电保护装置和其它二次回路设备工作于低电压和小电流，不仅使造价降低，维护方便，而且也保证了运行人员的安全。

电流互感器二次回路必须有一点接地，否则当一，二次击穿时，造成威胁人身和设备的安全。

（2）PT的作用

①电压互感器的作用是将一次侧高电压成比例的变换为较低的电压，实现了二次系统与一次系统的隔离，保证了工作人员的安全。

②电压互感器二次侧电压通常为100V,这样可以做到测量仪表及继电器的小型化

和标准化。

PT的配置原则：

①型式：

电压互感器的型式应根据使用条件选择，在需要检查与监视一次回路单

相接地时，应选用三相五柱式电压互感器或具有三绕组的单相互感器组。

②一次电压的波动范围：

1.1Un>U1>0.9Un

③二次电压：

100V

④准确等级：

电压互感器应在哪一准确度等级下工作，需根据接入的测量仪表.继

电器与自动装置及设备对准确等级的要求来确定。

⑤二次负荷：

S2≤Sn

（3）输电线路上PT变比的选择

线路电均为110KV,故选用三相屋外的PT。

由《发电厂电气部分课设参考资料》查

得变比为

。

可用三个单相的PT组合而成。

3.2变压器中性点的选择

（1）电力系统的中性点是指：

三相电力系统中星形连接的变压器或发电机中性点。

目前我国的电力系统采用中性点运行方式主要有三种，中性点不接地，经过消弧线圈和直接接地，前两种称不接地电流系统；后一种又称为大接地电流系统。

（2）如何选择发电机或变压器中性点的运行方式，是一种比较复杂的综合性的技

术经济问题，不论采用哪一种运行方式，都涉及到供电可靠性，过电压绝缘配合，继电保护和自动装置的正确动作，系统的布置，电讯及无线电干扰，接地故障时对生命的危险以及系统稳定等一系列问题。

（3）本课题所设计网络是110ＫＶ。

电力网中性点的接地方式，决定了变压器中性点的接地方式。

主变压器的１１０ＫＶ侧采用中性点直接接地方式：

凡是中低压有电源的升压站和降压站至少有一台变压器直接接地

②终端变电所的变压器中性点一般接地。

③变压器中性点接地点的数量应使用电网短路点的综合零序电抗。

（4）所有普通变压器的中性点都应经隔离开关接地，以便于运行调度灵活，选择

接地点，当变压器中性点可能断开运行时，若该变压器中性点绝缘不按线电压设计，应在中性点装设避雷器的保护。

（5）选择接地点时应保证任何故障形式都不应使电网解列成为中性点不接地系

统，双母线界限有两台及以上变压器时，可考虑两台主变压器中性点接地。

3、系统运行方式的选择

3.1最大运行方式

计算短路电流时运行方式的确非常重要，因为它关系到所选的保护是否经济合理，简单可靠，以及是否能满足灵敏度要求等一系列问题保护的运行方式是以通过保护装置的短路电流大小来区分的。

根据系统最大负荷的需要，电力系统中的发点设备都投入运行或大部分投入运行，以及选定的接地中性点全部接地的系统运行方式称为最大运行方式。

它是指供电系统中的发电机，变压器，并联线路全投入的运行方式。

系统在最大运行方式工作的时候，等值阻抗最小，短路电流最大，发电机容量最大。

3.2最小运行方式

根据系统最小负荷投入与之相适应的发电设备且系统中性点只有少部分接地的运行方式称为最小运行方式，对继电保护来说是短路时通过保护的短路电流最小的运行方式。

对通常都是根据最大运行方式来缺定保护的整定值，以保证选择性，在其它运行方式下也一定能保证选择性，灵敏度的校验应根据最小运行方式来运行。

因为只要在最小运行方式下灵敏度一定能满足要求。

它是指供电系统中的发电机，变压器，并联线路部分投入的运行方式。

系统在最小运行方式工作的时候，应该满足等值阻抗最大，短路电流最小，发电机容量最小的条件。

系统运行方式的选择

系统最大最小运行方式的结果为：

。

（详细过程见《计算书》第15-25页）

DL1

最大运行方式

A厂运行，L4双回线运行

最小运行方式

A厂运行，L4单线运行

DL2

最大运行方式

A厂运行，L4双回线运行

最小运行方式

A厂运行，L4单线运行

DL3（DL4）

最大运行方式

A厂停行，L4单线运行

最小运行方式

A厂运行，L4双回线运行

DL5（DL6）

最大运行方式

A厂运行，L4单线运行

最小运行方式

A厂停行，L4双回线运行

4、短路计算

4.1短路的概述

短路是电力系统最常见的故障。

所谓短路，是指一切不正常的相程与相或中性点接地系统中相与地之间的短路。

4.1.1短路的后果

短路故障对电力系统的正常运行会带来严重后果，主要表现在如下几方面。

（1）短路故障使短路点附近的某些支路中流过巨大的短路电流（大容量系统中可达数万或数十万安培），产生的电动力效应可能使电气设备变形或损坏。

（2）巨大短路电流的热效应可能烧坏设备。

（3）短路时短路点的电压比正常运行时低，如果是三相短路，则短路点的电压为零。

这必然导致整个电网电压大幅度的下降，可能使部分用户的供电受到破坏，接在网络中的用电设备不能正常工作。

如在用电设备中占有很大比重的异步电动机，其电磁转矩与电压的平方成正比，当电压下降幅度较大时，电动机将停止转动，在离短路点较远的电动机，因电压下降幅度较小而能继续运转，但它的转速将降低，导致产生废，次产品。

此外，由于电压下降，转速降低，而电动机拖动的机械负载又未变化，电动机绕组将流过较大的电流，如果短路持续时间较长，电动机必然过热，使绝缘迅速老化，缩短电动机的寿命。

（4）影响电力系统运行的稳定性

在由多个发电机组成的电力系统中发生短路时，由于电压大幅度下降，发电机输出的电磁功率急剧减少，如果由原动机供给的机械功率来不及调整，发电机就会加速而失去同步，使系统瓦解而造成大面积停电，这是短路造成的最严重，最危险的后果。

短路故障对电力系统正常运行的影响很大，所造成的后果也十分严重，因此在系统的设计，设备选择以及系统运行中，都应着眼于防止短路故障的发生，以及在短路故障发生后要尽量限制所影响的范围。

短路的问题一直是电力技术的基本问题之一，无论从设计，制造，安装，运行和维护检修等各方面来说，都必须了解短路电流的产生和变化规律，掌握分析计算短路电流的方法。

针对本次设计，短路电流计算的主要目的是：

继电保护的配置和整定。

系统中应配置哪些继电保护以及保护装置的参数整定，都必须对电力系统各种短路故障进行计算和分析，而且不仅要计算短路点的短路电流，还要计算短路电流在网络各支路中的分，并要作多种运行方式的短路计算。

电力工程中，计算短路电流的目的还很多，不可能一一列举，如确定中性点的接地方式，验算接地装置的接触电压和跨步电压，计算软导线的短路摇摆，计算输电线路分裂导线间隔棒所承受的向心压力等都需要计算短路电流。

综上所述，对电力系统短路故障进行计算和分析是十分重要的。

无论是电力系统的设计，或是运行和管理，各环节都免不了对短路故障的分析和计算。

但是，实际的电力系统是十分复杂的，突然短路的暂态过程更加复杂，要精确计算任意时刻的短路电流非常困难。

然而实际工程中并不需要十分精确的计算结果，但却要求计算方法简捷，适用，其计算结果只要能满足工程允许误差即可。

因此，工程中适用的短路计算，是采用在一定假设条件下的近似计算法，这种近似计算法在电力工程中称为短路电流实用计算。

4.1.2计算短路电流的基本程序

短路电流计算是电力系统基本计算之一，一般采用标幺制进行计算。

对于已知电力系统结构和参数的网络，短路电流计算的主要步骤如下：

（1）制定等值网络并计算各元件在统一基准值下的标幺值；

（2）网络简化。

对复杂网络消去电源点与短路点以外的中间节点，把复杂网络简化为如下两种形式之一；

（3）一个等值电势和一个等值电抗的串联电路，

（4）多个有源支路并联的多支星形电路；

（5）考虑接在短路点附近的大型电动机对短路电流的影响；

（6）计算指定时刻短路点发生某种短路时的短路电流（含冲击电流和短路全电流有效值）；

（7）计算网络各支路的短路电流和各母线的电压。

一般情况下三相短路是最严重的短路（某些情况下单相接地短路或两相接地短路电流可能大于三相短路电流）。

因此，绝大多数情况是用三相短路电流来选择或校验电气设备。

另外，三相短路是对称短路，它的分析和计算方法是不对称短路分析和计算的基础。

5、相间距离保护整定和灵敏度检验

5.1距离保护的基本概念

由于电力系统的迅速发展，出现了一些新的情况，系统的运行方式变化增大，长距离负荷线路增多，网络结构复杂化，在这些情况下，相间的电流、电压保护的灵敏度、快速性、选择性往往不能满足要求。

电流、电压保护是依据保护安装处测量电流、电压的大小及相应的动作时间来判断故障是否发生以及是否属于内部故障，因不受系统的运行方式及电网的接线影响大可以联想到，对一个被保护元件，在其一端装设的保护，如能测量出故障点至保护安装处的距离并于保护范围对应的距离比较，即少判断出故障点位置从而决定其行为。

这种方式显然不受运行方式和接线的影响，这样构成的保护就是距离保护。

显然，它是适应新的情况的保护。

5.2阻抗继电器

阻抗继电器是距离保护装置的主要元件，它是反映从故障点至保护安装之间阻抗值大小的的测量元件，通常称为阻抗继电器。

阻抗继电器的种类很多，但根据其基本性质可分为两大类，即第I类阻抗继电器和第II类阻抗继电器。

第I类阻抗继电器的主要特点是，它的动作特性可直接表示在阻抗（或导纳）复数平面上，因而可利用它在复数平面上的特性曲线，对继电器在各种故障方式及系统运行方式下的行为进行分析。

这些特性曲线，都可以表示为通入继电器的电压与电流的某种函数。

根据各种不同的构成方式，可以得到圆、直线、椭圆、平行四边形等各种轨迹曲线；也可以构成带有方向性的圆特性及带有偏移的圆特性曲线。

对于第II类阻抗继电器，根据它的动作原理，其动作特性不能表示成为复数平面上的单一变量Z的某个函数曲线，因而只能根据继电器的原始动作方程式，以及具体的系统运行方式和故障类型，对继电器的动作行为进行分析，所以其特性分析较为复杂。

5.3距离保护的基本特性

5.3.1距离保护的基本构成

距离保护是以反映从故障点到保护安装处之间阻抗大小（距离大小）的阻抗继电器为主要元件（测量元件），动作时间具有阶梯性的相间保护装置。

当故障点至保护安装处之间的实际阻抗大雨预定值时，表示故障点在保护范围之外，保护不动作当上述阻抗小于预定值时，表示故障点在保护范围之内，保护动作。

当再配以方向元件（方向特性）及时间元件，即组成了具有阶梯特性的距离保护装置。

5.3.2距离保护的应用

距离保护可以应用在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择性的、较快的切除相间故障。

当线路发生单相接地故障时，距离保护在有些情况下也能动作；当发生两相短路接地故障时，它可与零序电流保护同时动作，切除故障。

因此，在电网结构复杂，运行方式多变，采用一般的电流、电压保护不能满足运行要求时，则应考虑采用距离保护装置。

5.3.3距离保护各段动作特性

距离保护一般装设三段，必要时也可采用四段。

其中第I段可以保护全线路的80%~85%，其动作时间一般不大于0.03~0.1s（保护装置的固有动作时间），前者为晶体管保护的动作时间，后者为机电型保护的动作时间。

第II段按阶梯性与相邻保护相配合，动作时间一般为0.5~1.5s，通常能够灵敏而较快速地切除全线路范围内的故障。

由I、II段构成线路的主要保护。

第III（IV）段，其动作时间一般在2s以上，作为后备保护段。

5.3.4距离保护装置特点

（1）由于距离保护主要反映阻抗值，一般说其灵敏度较高，受电力系统运行方式变化的影响较小，运行中躲开负荷电流的能力强。

在本线路故障时，装置第I段的性能基本上不受电力系统运行方式变化的影响（只要流过装置的故障电流不小于阻抗元件所允许的精确工作电流）。

当故障点在相邻线路上时，由于可能有助增作用，对于地II、III段，保护的实际动作区可能随运行方式的变化而有所变化，但一般情况下，均能满足系统运行的要求。

（2）由于保护性能受电力系统运行方式的影响较小，因而装置运行灵活、动作可靠、性能稳定。

特别是在保护定值整定计算和各级保护段相互配合上较为简单灵活，是保护电力系统相间故障的主要阶段式保护装置。

5.4相间距离保护装置各保护段定值配合的原则

距离保护定值配合的基本原则如下：

（1）距离保护装置具有阶梯式特性时，起相邻上、下级保护段之间应该逐级配合，即两配合段之间应在动作时间及保护范围上互相配合。

距离保护也应与上、下相邻的其他保护装置在动作时间及保护范围上相配合。

例如：

当相邻为发电机变压器组时，应与其过电流保护相配合；当相邻为变压器或线路时，若装设电流、电流保护，则应与电流、电压保护之动作时间及保护范围相配合。

（2）在某些特殊情况下，为了提高保护某段的灵敏度，或为了加速某段保护切除故障的时间，采用所谓“非选择性动作，再由重合闸加以纠正”的措施。

例如：

当某一较长线路的中间接有分支变压器时，线路距离保护装置第I段可允许按伸入至分支变压器内部整定，即可仍按所保护线路总阻抗的80%~85%计算，但应躲开分支变压器低压母线故障；当变压器内部发生故障时，线路距离保护第I段可能与变压器差动保护同时动作（因变压器差动保护设有出口跳闸自保护回路），而由线路自动重合闸加以纠正，使供电线路恢复正常供电。

（3）采用重合闸后加速方式，达到保护配合的目的。

采用重合闸后加速方式，除了加速故障切除，以减小对电力设备的破坏程度外，还可借以保证保护动作的选择性。

这可在下述情况下实现：

当线路发生永久性故障时，故障线路由距离保护断开，线路重合闸动作，进行重合。

此时，线路上、下相邻各距离保护的I、II段可能均由其振荡闭锁装置所闭锁，而未经振荡闭锁装置闭锁的第III段，在有些情况下往往在时限上不能互相配合（因有时距离保护III段与相邻保护的第II段配合），故重合闸后将会造成越级动作。

其解决办法是采用重合闸后加速距离保护III段，一般只要重合闸后加速距离保护III段在1.5~2s，即可躲开系统振荡周期，故只要线路距离保护III段的动作时间大于2~2.5s，即可满足在重合闸后仍能互相配合的要求。

5.5距离保护整定计算

5.5.1距离保护Ⅰ段整定计算

（1）当被保护线路无中间分支线路（或分支变压器）时，

定值计算按躲过本线路末端故障整定，一般可按被保护线路正序阻抗的80%-85%计算，即

Zdz.I≤Kk×Zxl（6—1）

式中Zdz.I——距离保护I段的整定阻抗；

Zxl——被保护线路的正序相阻抗；

Kk——可靠系数，可取0.8~0.85；

而保护的动作时间按t=0秒整定。

（2）当线路末端仅为一台变压器时（即线路变压器组）

其定值计算按不伸出线路末端变压器内部整定，即按躲过变压器其他各侧的母线故障定

Zdz.I≤Kk×Zxl+KkbZb（6—2）

式中Zb——线路末端变压器的阻抗；

Kkb——可靠系数，取0.7；

Kk——可靠系数，取0.8~0.85；

Zxl——线路正序阻抗。

保护动作时间按t=0秒整定。

（3）当被保护线路中间接有分支线路或分支变压器时

其计算按同时躲开本线路末端和躲开分支线路（分支变压器）末端故障整定，即

≤

（6—3）

及Zdz.I≤KkZ’xl+KkZb（6—4）

式中Zxl——本线路正序阻抗；

Z’xl——本线中间接分支线路（分支变压器）处至保护安装处之间的线路的正序阻抗。

5.5.2距离保护II段整定计算

（1）按与相邻线路距离保护I段配合整定

Zdz.Ⅱ≤KkZl+KbKzZ’dz.I（6—5）

式中Zl——被保护线路阻抗；

Z’dz.I——相邻距离保护I段动作阻抗；

Kk——可靠系数，取0.8~0.85；

Kb——可靠系数，取0.7；

Kz——助增系数，选取可能的最小值。

保护动作时间tdz.Ⅱ=△t（6—6）

式中△t——时间级差，一般取0.5s。

5.5.3距离保护III段整定计算

（1）躲开最小负荷阻抗远后备

采用0度接线的方向阻抗继电器

Zdz.Ⅲ≤0.9UN/[

KkKhKzqIfh.maxcos（ψlm-ψfh）]（6—7）

式中Kk——可靠系数，取1.2~1.3；

Kh——返回系数，取1.15~1.25：

Kzq——自起动系数，取2；

UN——电网的额定电压；

Ifh.max——最大负荷电流；

ψlm——阻抗元件的最大灵敏角，取71.57度；

ψfm——负荷阻抗角，取26度；

5.6距离保护整定和灵敏度校验

5.6.11号断路器距离保

1号断路器Ⅰ段距离保护整定

有名值：

ZDZ1I=0.0838∠66.950ｘ132.25=11.083∠66.950（Ω）

整定时间：

tDZ2I=0s

1号断路器Ⅱ段距离保护整定

与7DL距离I段保护相配合

KBmin=2.8121

ZDZ1II=0.85ｘ（0.0386+j0.0907+2.8121ｘ0.0838∠66.950）

=0.85ｘ0.3342∠66.960=0.284∠66.960

②与变压器B2速动保护相配合

因为与变压器纵差保护配合时的整定值一定大于与相邻线路相间距离保护

I段整定值配合时定值，所以与变压器B2纵差保护相配合时的定值较大。

③与L4线路5DL距离I段保护相配合

Kbmin=1.367

ZDZ1II=0.85ｘ（0.0386+j0.0907+1.367ｘ0.1676∠66.950）

=0.109-j0.2563=0.2785∠66.950

三者相比较,取最小者进行整定,

即：

ZDZ1II=0.2785∠66.950ｘ132.25=36.832∠66.950

灵敏度校验：

Klm=ZDZ1II/ZL1=0.2785/0.0986=2.82>1.5,满足灵敏度要求

即1号断路器Ⅱ段整定值为36.832，其动作时限为0.5秒。

1号断路器Ⅲ段距离保护整定

采用方向阻抗继电器

ZDZ1III=193（Ω）

灵敏度校验

Klm近=14.8>1.5满足要求

Klm远=2.93>1.3满足要求

5.6.22号断路器距离保

（1）2号断路器Ⅰ段距离保护整定

有名值：

ZDZ2I=0.0838∠66.950ｘ132.25=11.083∠66.950（Ω）

整定时间：

tDZ2I=0s

（2）2号断路器Ⅱ段距离保护整定

有名值：

ZDZ2II=0.1479∠66.950ｘ132.95=19.6（Ω）

即2号断路器Ⅱ段整定值为19.6

其动作时限为0.5秒

（3）2号断路器Ⅲ段距离保护整定

采用方向阻抗继电器

ZDZ2III=2569.75（Ω）

（4）灵敏度校验

近后备Klm=197.08>1.5满足要求。

无远后备。

5.6.33号断路器距离保

（1）3号断路器Ⅰ段距离保护整定

有名值：

ZDZ3I=0.1676∠66.980ｘ132.25=22.165∠66.980（Ω）

整定时间：

tDZ3I=0s

（2）3号断路器Ⅱ段距离保护整定

与2DL距离I段保护相配合

KBmin=1.679

ZDZ3II=0.85ｘ（0.0771+j0.1815+1.679ｘ0.0838∠66.950）

=0.1124+j0.2463=0.2872∠66.970

与7DL距离保护I段配合

KBmin=1

有名值：

ZDZ3II=0.2388∠66.980ｘ132.25=31.581∠66.980（Ω）

与6DL距离保护I段配合

由计算分析知无法与6DL保护I段相配合

与相邻B2变压器纵差保护配合

因为与变压器纵差保护配合时的整定值一定大于与相邻线路相间距离保护I段整定值

配合时的定值，所以与B2纵差保护配合时定值较大

上述四者相比较，取最小者进行整定，即

ZDZ3II=132.25ｘ0.2388∠66.980=31.581∠66.980（Ω）

灵敏度校验：

Klm=ZDZ1II/ZL1=0.2785/0.0986=2.82>1.5,满足灵敏度要求

即1号断路器Ⅱ段整定值为36.832，其动作时限为0.5秒。

1号断路器Ⅲ段距离保护整定

采用方向阻抗继电器

灵敏度校验

Klm近=7.42>1.5满足要求

Klm远=2.9>1.3满足要求

4DL整定计算及灵敏度校验同3DL.

5.6.45号断路器距离保

（1）5号断路器Ⅰ段距离保护整定

有名值：

ZDZ5I=0.1676∠66.980ｘ132.25=22.165∠66.980（Ω）

整定时间：

tDZ5I=0s

（2）5号断路器Ⅱ段距离保护整定

①与4DL保护I段配合

由计算分析知无法与4DL保护I段相配合

②整定原则：

按保证被保护线路L4末端故障保护有足够灵敏度整定

有名值ZDZ2II=0.2761∠66.980ｘ132.95=36.514（Ω）

即5号断路器Ⅱ段整定值为36.514

其动作时限为0.5秒

（3）5号断路器Ⅲ段距离保护整定

采用方向阻抗继电器

ZDZ5III=220.26（Ω）

（4）灵敏度校验

近后备Klm=8.47>1.5满足要求。

无远后备。

6DL整定计算及灵敏度校验同5DL.

6、电力网零序继电保护方式选择与整定计算

6.1零序保护原理

WXB-11C型微机保护中零序保护设置了五段全相运行时的零序保护，两段非全相运行时的不灵敏段零序保护，全相运行时各段零序保护的方向元件均可由控制字整定投入或退出。

重合加速Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段，可由控制字分别投入或退出，后加速时间均固定为0.1S，另外零序段在重合闸后带0.1S延时。

（1）起动元件

本装置零序保护由相电流差突变量启动，为防止CT断