单电源环网继电保护毕业设计.docx
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单电源环网继电保护毕业设计
单电源环网继电保护
引言
而随着电子技术和计算机技术的发展，电力系统的继电保护也突破了传统的继电保护形式，出现了电力系统微机保护。
目前，我国的微机保护技术已趋于成熟，各种类型的微机保护装置已在全国各大电力网络中投入运行。
为此本设计对简单电力网进行微机保护配置。
本设计的题目是《某地区单电源环网电力系统继电保护》，即对110KV电网的继电保护配置及整定。
此设计是根据内蒙古工业大学电力学院本科生毕业要求而进行的毕业设计。
这里主要介绍的是微机保护在110KV电力网络的应用及继电保护的设计原理，内容分为：
装置介绍、电力系统接地与互感器选择、电力系统短路计算、输电线路保护的配置与整定计算、保护性能分析等几部分。
电力系统继电保护的形式和原理在不断更新，但总体的设计原则是相同的，都要满足保护的基本要求。
本次设计由杨炳元老师担任我们小组的指导教师。
设计过程中，得到了杨炳元老师及电力系其他老师的悉心指导，在此表示衷心的感谢。
由于编写人员的理论知识和实践经验所限、编写时间仓促，书中难免有缺点和错误，敬请老师批评指正。
第一章绪论
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。
而自1984年我国第一套微机保护样机通过鉴定以后，便有许多不同型号的微机保护装置即被生产，以适应电力系统生产的需要，微机保护以其优越的性能得到广泛的应用。
继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。
1.1微机继电保护的发展
微机具有高速运算、逻辑判断和记忆能力，微机保护是通过软件程序实现的，具有极大的灵活性，也因而微机保护可以实现很复杂的保护功能，也可以实现许多传统保护模式无法实现的新功能。
许多传统保护模式存在的技术问题，在微机保护中找到了解决的办法。
可靠性是继电保护的生命，微机保护采用了许多传统保护无法实现的抗干扰措施，有效地防止了保护的误动和拒动。
目前，微机保护的平均无故障时间长达十万小时以上，这说明了微机保护是十分可靠的。
传统的继电保护装置，调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护，而微机保护几乎不用调试。
因此，微机保护不象传统保护那样，逐台做各种模拟试验来检测保护装置的功能。
并且微机保护具有自诊断能力，能对硬件和软件进行检测，一旦发现异常就会发出报警。
随着大规模集成电路技术的发展和微机的广泛应用，我国的微机保护装置价格已和传统保护价格持平或更低，在性能价格比方面更具优势。
微机是一个智能装置，可实现多种功能，微机保护装置的多功能化也提高了其经济性。
且由于微机保护装置的功耗较传统保护装置的功耗小，其运行维护费用较低。
总之，微机保护的性能优于传统保护，特别是从发展的观点来看更是如此。
1.2微机保护装置的特点
电力系统微机保护装置之所以能被推广和应用，是因为它具有传统继电保护无法比拟的优越性。
微机继电保护装置具有以下特点：
1.2.1维护调试方便
目前国内大量使用的整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂保护，例如距离保护，调试一套常常需要一周，甚至更长的时间。
究其原因，这类保护装置是布线逻辑的，保护的每一种功能都有相应的硬件器件和连线来实现。
为确认保护装置是否完好，就需要把所具备的各种功能通过模拟试验来校核一遍。
微机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由相应的软件来实现的。
换言之，它是一个只会做几种单调的、简单操作的硬件，配以软件，把许多简单操作组合完成各种复杂功能的。
因而只要用几个简单的操作就可以检验微机的硬件是否完好。
或者说如果微机硬件有故障，将会立即表现出来，如果硬件完好，对于以成熟的软件，只要程序和设计时一样（这很容易检查），就必然会达到设计的要求，用不着逐台作各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。
实际上如果经检查，程序和设计时的完全一样，就相当于布线逻辑的保护装置的各种功能已被检查完毕。
一般微机保护装置都具有自检功能，对硬件各部分和存放在EPROM中的程序不断进行自动检测，一旦发现异常会发出警报。
通常只要接上电源后没有警报，就可确认装置完好。
所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，从而大大减轻了运行维护的工作量。
1.2.2可靠性高灵活性大、体积缩小
计算机在程序指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动地识别和排除干扰，防止由于干扰而造成的误动作。
另外，它有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高。
由于计算机保护的特性主要有软件决定，因此，只要改变软件就可以改变保护的特性和功能。
从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。
一套微机保护装置，可以实现多种保护功能，例如一套WXB——11型保护装置，配置了四个硬件完全相同的CPU插件，分别完成高频保护、距离保护、零序保护、综合重合闸等功能。
因此在组屏时，体积要缩小，便于现场的按装维护。
1.2.3易于获得附加功能性能较好
应用微型计算机后，如果配置一个打印机，或者其它显示设备，可以在系统发生故障后提供多种信息。
例如保护各部分的动作顺序和动作时间记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。
还可以提供故障点的位置。
这将有助于运行部门对事故的分析和处理。
由于计算机的应用，使很多原有型式的继电保护中存在的技术问题，可找到新的解决办法。
例如对接地距离的允许过度电阻的能力，距离保护如何区别振荡和短路等问题都以提出许多新的原理和解决办法。
第二章电力系统接地与互感器选择
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接地方式，通常有中性点不接地，中性点经过消弧线圈绕组接地和中性点直接接地三种方式。
中性点直接接地电网中发生单相接地故障时，通过中性点直接接地，在故障相中流过很大的短路电流，所以这种电网又称为大接地电流电网。
一般110KV及以上电压等级的电网都采用中性点直接接地方式。
互感器包括电流互感器（TA）和电压互感器（TV），作用是将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低压和小电流，使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便宜，便于安装。
并将二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，保证了人身和设备的安全。
2.1变压器中性点位置及接地台数的选择
如何选择变压器的中性点的运行方式，是一种比较复杂的综合性的技术经济问题，不论采用那一种运行方式，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的问题。
2.1.1变压器中性点接地原则
系统中全部或部分中性点直接接地是大接地系统的标志。
其主要目的是降低对整个系统绝缘水平的要求。
但中性点接地变压器的台数、容量及其分布情况变化时，零序网络也随之改变，因此，同一故障点的零序电流分布也随之改变。
所以变压器的中性点接地情况改变，将直接影响零序电流保护的灵敏性。
因此对变压器中性点接地的选择要满足下面两条要求：
不使系统出现危险的过电压；不是零序网络有较大改变，以保证零序电流保护有稳定的灵敏性。
根据上述两条要求，变压器中性点接地方式选择的原则如下：
1）、在多电源系统中，每个电源处至少有一台变压器中性点接地，以防止中性点不接地的电源因某种原因与其他电源联系时，形成中性点不接地系统。
2）、每个电源有多台变压器并联运行时，规定正常时按一台变压器中性点直接接地运行，其他变压器中性点不接地。
这样，当某台中性点接地变压器由于检修或其他原因切除时，将另一台变压器中性点接地，以保持系统零序电流的大小与分布不变。
3）、两台变压器并联运行，应选用零序阻抗相等的变压器，正常时将一台变压器中性点直接接地。
当此接地变压器退出运行时，则将另一台变压器中性点直接接地运行。
4）、220KV以上大型电力变压器都分级绝缘，且分为两种类型；其中绝缘水平较低的一种（500KV系统，中性点绝缘水平为38KV变压器），中性点必须直接接地。
5）、在双母线按固定方式连接的变电所，每组母线上至少应有一台变压器直接接地，当母线联络开关断开后，每组母线上仍保留一台中性点直接接地的变压器。
2.1.2网络接地方式的设计
根据上述变压器的接地原则，得到本网络变压器中性点的接地方式为：
发电机G1侧的两台并联容量为40MVA的变压器，其中一台中性点直接接地，B、C两变电所各有两台并联运行的容量为20MVA的变压器，将两台并联运行的变压器其中一台中性点直接接地。
若该变压器停运时，则将另一台中性点不接地的变压器改为中性点直接接地；发电机G2侧只有一台60MVA的变压器，D点变电所也只有一台容量为20MVA的变压器，所以将次两台变压器的中性点都直接接地。
共五台变压器中性点直接接地。
2.2电流互感器的选择
电流互感器是将一次回路的大电流变为二次回路的小电流，并使测量仪表和保护装置标准化小型化，便于安装。
2.2.1电流互感器的作用
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）、继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。
4）、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。
2.2.2电流互感器的选择和配置
1）、一次电压：
Ug≤UnUg≤110KV
其中Ug-------电流互感器安装处一次回路工作电压；
Un-------电流互感器的额定电压。
2）、一次回路电流的选择：
电流互感器的一次电流一般应取ITA≥1.25IN，
其中IN--------发电机或变压器的额定电流；
即IN为对线路应是最大负荷电流：
Igmax=SN/
UN=3×50/
×110=787.296A=IN
ITA≥1.25IN=1.25×787.296=984.12A
3）、二次侧电流的选择：
由于发电厂电气设备选择的规定，强电力系统的电流互感器二次侧额定电流为5A。
4）、准确等级：
用于保护装置为0.5级，用于仪表可适当提高。
5）、输电线路上TA的选择：
根据《电力工程手册》所选电流互感器型号为LCWD-110，2×600/5（额定电流比）
2.3电压互感器的选择
电压互感器是将一次回路的高电压变为二次回路标准的低电压，使测量仪表和保护装置标准化小型化，并将二次设备与高电压部分隔离，保证了设备及人身安全。
2.3.1电压互感器的作用
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。
2.3.2电压互感器的配置及选择
1）、电压互感器一次绕组的额定电压为110KV。
2）、二次绕组的额定电压是按下述原则设计的：
一次绕组接于线电压时，二次绕组的额定电压为100V；一次绕组接于相电压时，二次绕组的额定电压为100/
V。
3）、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。
，
4）、输电线路上Tv变比的选择：
由《发电厂电气部分课设参考资料》中P268页表6-10查得，型号为电容式YDR—110TV，额定变比为：
第三章电力系统短路计算
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与相或中性点接地系统中相与地之间的短路。
电力网络中若出现短路故障，将对电力系统的稳定运行有很大的影响，甚至会产生更严重的后果。
3.1短路计算概述
系统中短路故障对电力系统的正常运行会带来严重后果，因此在系统设计、设备选择及系统运行中，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。
对于本次设计，短路电流计算的主要目的是：
对微机继电保护的配置和整定。
系统中应配置哪些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流，并要作多种运行方式的短路计算。
由以上分析，对电力系统短路故障进行计算和分析是十分重要的。
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。
短路电流实用计算是电力系统基本计算之一，通常采用标幺制进行计算。
一般情况下三相短路是最严重的短路，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。
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。
3.2电气元件的参数计算
3.2.1参数的算法
标幺值的概念，参数计算需要用到标幺值或有名值，在实际的电力系统中，各元件的电抗表示方法不统一，基值也不一样。
在标幺制中，单个物理量均用标幺值来表示，标幺值的定义如下：
标幺值=实际有名值（任意单位）/基准值（与有名值同单位）
显然，同一个实际值，当所选的基准值不同时，标幺值也不同。
所以当描述一个物理量的标幺值时，必须同时说明其基准值多大，否则仅有一个标幺值没意义。
当选定电压、电流、阻抗、和功率的基准值分别为UB、IB、ZB和SB时,相应的标幺值为：
使用标幺值,首先必须选定基准值。
电力系统的各电气量基准值的选择，在符合电路基本关系的前提下，原则上可以任意选取。
四个物理量的基准值都要分别满足以上的公式。
因此，四个基准值只能任选两个，其余两个则由上述关系式决定。
习惯上多先选定UB和SB。
这样电力系统主要涉及三相短路的IB,ZB可得：
UB和SB原则上选任何值都可以，但应根据计算的内容及计算方便来选择。
通常UB多选为额定电压或平均额定电压。
SB可选系统的或某发电机的总功率，有时也可取一整数，如100、1000MVA等。
标幺值的算法:
1）、精确的计算法，再标幺值归算中，将各电压级参数归算到基本级，而且还需选取同样的基准值来计算标幺值。
将各电压级参数的有名值按有名制的精确计算法归算到基本级，再基本级选取统一的电压基值和功率基值。
各电压级参数的有名值不归算到基本值而是再基本级选取电压基值和功率基值后将电压基值向各自归算级归算，然后就在各电压级用归算得到的基准电压和基准功率计算各元件的标幺值。
2）、近似计算：
标幺值的近似归算也是用平均额定电压计算。
可以在各电压级用选定的功率基准值和各平均额定电压作为电压基准来计算标幺值即可。
结合本网络采用精确计算法。
选取基准值：
SB=100MVA110KV时UB=121KV
3.2.2发电机参数的计算
在本次设计的系统中发电厂有三台发电机，正常情况下三台发电机同时运行，其发电机的参数计算如下：
已知SN=50MVACOSφ=0.85XG’’=0.129
UB（10.5）=110×10.5/121=9.545（KV）
XG=XG’’×UN2/SN=0.129×10.52/50=0.284Ω
XG*=XG/ZB=XG/（UB2/SB）=0.284×100/9.05452=0.312
3.2.3变压器的参数计算
在本次设计的系统中发电厂端有三台升压变压器，B、C两处的变电所各带两台降压变压器，变电所D带一台降压变压器，参数计算如下：
（1）发电机G3所带的变压器参数计算
已知S1=60MVAUS%=10.5
XT1=（US%/100）×（UN2/SN）=（10.5/100）×（1102/60）=21.175Ω
XT1*=XT1/ZB=XT1/（UB2/SB）=21.175×（100/1212）=0.145
（2）发电机G1、G2所带的两台并联变压器参数计算
已知S2=40MVAUS%=10.5
XT2=（US%/100）×（UN2/SN）=（10.5/100）×（1102/40）=31.763Ω
XT2*=XT2/ZB=XT2/（UB2/SB）=31.763×（100/1212）=0.217
（3）三个变电所所带的变压器的参数计算
已知S3=20MVAUS%=10.5
XT3=（US%/100）×（UN2/SN）=（10.5/100）×（1102/20）=65.525Ω
XT3*=XT3/ZB=XT3/（UB2/SB）=65.525×（100/1212）=0.434
3.2.4线路参数的计算
线路的参数计算：
LGJ-185型导线：
Deq=4.5mr1=0.17Ω/kmx1=0.4Ω/kmr0=0.51Ω/kmx0=0.14Ω/km
LAB=40kmLBC=60kmLAD=LDC=50km
（1）110KV电网的AB段
正序：
ZAB1=LAB（r1+jx1）=40×（0.17+j0.4）=6.8+j16Ω
ZAB1*=ZAB1/ZB=（6.8+j16）/（1212/100）=0.046+j0.109
零序：
ZAB0=LAB（r0+jx0）=40×（0.51+j0.14）=20.4+j56Ω
ZAB0*=ZAB0/ZB=（20.4+j56）/（1212/100）=0.139+j0.382
由《发电厂电气部分课程设计参考资料》查得LGJ-185型导线直径D=19mm
计算线路单位长度的等值电纳为：
b=7.58×10-6/lg（Deq/req）s/km=7.58×10-6/lg（4500/19×0.5）=2.833×10-6s/km
AB段导纳为：
YAB=jbLAB=j2.833×10-6×40=j1.133×10-4s
YAB*=YAB×ZB=j1.133×10-6×（1212/100）=j0.017
（2）110KV电网的BC段
正序：
ZBC1=LBC（r1+jx1）=60×（0.17+j0.4）=10.2+j24Ω
ZBC1*=ZBC1/ZB=（10.2+j24）/（1212/100）=0.070+j0.164
零序：
ZBC0=LBC（r0+jx0）=60×（0.51+j1.4）=30.6+j84Ω
ZBC0*=ZBC0/ZB=（30.6+j84）/（1212/100）=0.209+j0.057
BC段导纳为：
YBC=jbLBC=j2.833×10-6×60=j1.70×10-4s
YBC*=YBC×ZB=j1.70×10-4×（1212/100）=j0.025
（3）110KV电网的AD段
正序：
ZAD1=LAD×（r1+jx1）=50×（0.17+j0.4）=8.5+j20Ω
ZAD1*=ZAD1/ZB=（8.5+j20）/（1212/100）=0.058+j0.137
零序：
ZAD0=LAD*（r0+jx0）=50×（0.51+j1.4）=25.5+j70Ω
ZAD0*=ZAD0/ZB=（25.5+j70）/（1212/100）=0.174+j0.478
AD段导纳为：
YAD=jbLAD=j2.833×10-6×50=j1.417×10-4s
YAD*=YAD×ZB=j1.417×10-4×（1212/100）=j0.021
（4）110KV电网的DC段（参数同AD段）
ZDC1=8.5+j20ΩZDC1*=0.058+j0.137
ZDC0=25.5+j70ΩZDC0*=0.174+j0.478
DC段导纳为：
YDC=jbLDC=j2.833×10-6×50=j1.417×10-4s
YDC*=YDC×ZB=j1.417×10-4×（1212/100）=j0.021
3.3系统正序网的短路计算
3.3.1最大运行方式
系统正序等值电路图（图中的阻抗为标幺值）
图3-1系统正序等值电路图
由前一章的参数计算得：
E1=E2=E3=1.0
XG1=XG2=XG3=XG=j0.312
XT1=j0.145XT21=XT22=XT2=j0.217XT31=XT32=XT33=XT34=XT35=XT3=j0.434
XLAB=0.046+j0.109=0.118∠67.12°XLBC=0.07+j0.164=0.178∠66.89°
XLAD=XLDC=0.058+j0.137=0.149∠67.05°
正序网络化简：
将E1与E2合并
图3-2系统正序网络化简图
E4=
=1.0
X1=XG1//XG2=j0.312/2=j0.156X2=XT21//XT22=j0.217/2=j0.109
X3=XT31//XT32=j0.434/2=j0.217X4=XT33//XT34=j0.434/2=j0.217
最大运行方式下，系统各短路点短路电流的计算（最大运行方式为三台发电机全部投入运行）：
图3-3最大运行方式下正序各短路点分布图
（1）、当系统A母线为双母运行方式时
①K1点短路的情况一，流过2QF的最大短路电流计算如下：
图3-4K1点短路时（情况一）的等值电路图
网络化简：
图3-5K1点短路时的等值电路图化简图图3-6K1点短路时正序阻抗的等值图
X0∑k1=XLAB+XLBC+XLAD+XLDC=0.594∠67.02°X∑=X0∑k1+X5=0.752∠72.02º
IK1*=E5/X∑=1.0/0.752=1.330IK1（有名）=IK1*×IB=1.330×477.149=634.608（A）
②K1点短路情况二，流过7QF的最大短路电流计算如下，等值电路图为：
图3-7K1点短路时（情况二）的等值电路图
网络化简：
X∑=X0∑k1+X5=0.594∠67.02º+j0.168
=0.752∠72.02º
IK1*=E5/X∑=1.0/0.752=1.330
IK1（有名）=IK1*×IB==634.608（A）
图3-8K1点短路时正序阻抗的等值图
（2）、最大运行方式下，当K2点短路时
①情况一，流过1QF的最大短路电流计算如下
图3-9K2点短路时（情况一）的等值电路图
将K2点短路的等值电路图进一步化简为下图：
E5=E4//E2=1.0
X5=（X1+X2）//（XG3+XT1）
=（j0.156+j0.109）//（j0.312+j0.145）
=j0.168
图3-10K2点短路时的等值电路图化简图
X∑=X5+XLAB=j0.168+0.118∠67.12°=0.046+j0.277=0.281∠80.57°
IK2*=E5/X∑=1.0/0.281=3.559IK2（有名）=IK2*×IB=3.559×477.149=1698.173（A）
②情况二，流过4QF的最大短路电流计算如下：
图3-11K2点短路时（情况二）的等值电路图
网络化简：
X’∑1=（X1+X2）//（XG3+XT1）+XLAD+XLDC=0.457∠75.30º
X∑1=X’∑1+XLBC=0.634∠72.94°
IK2*=E5/X∑=1.0/0.634281=1.577
IK2（有名）=IK2*×IB=752.464（A）
图3-12K2点短路时的等值电路图化简图
（3）、最大运行方式下，当K3点短路时
①情况一，流过8QF的最大短路电流计算如下：
图3-13K3点短路时（情况一）的等值电路图
将K3点短路时的等值电路图进一
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