10kV输电线路继电保护设计Word文档格式.docx
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1.2课题设计的目的、要求及原则
1.2.1设计目的
变电站在电力系统中起着尤为关键的作用，从现有的电网建造中可以看出，10kV变电站的建造仍然存在资源浪费、环境污染、技术方面欠缺等问题。
主要表现为土地利用率低、电磁干扰和噪音大、电能质量低等，所以在设计建造10kV变电站时，应综合考虑上述问题，逐一分析并找出解决办法，最终做出全面合理的设计方案。
1.2.2设计要求
在变电站设计过程中，一定要按照安全可靠、先进合理、运行高效的要求去分析设计，按照相关规定和标准努力做出最全面、合理的设计方案，保证在变电站在运行时达到安全、可靠、经济、优质的要求。
（可靠：
主系统接线方式安全可靠，模块重新组合设计后的方案仍可以保证系统在运行时能够安全可靠。
经济：
综合考虑工程建造初期投资和以后长期运行时的相关费用，追求所用设备在寿命期最佳运行的经济效益。
）
1.2.3设计原则
变电站的设计过程中，必须要遵照国家规定的相关程序和标准，依照国家规定的节约能源等技术经济政策来做出合理方案。
并且要做到安全可靠、先进合理，能够保障人生和设备的安全，保证可靠供电、电能质量合格的前提。
应采用先进技术来做到使得电能高效低耗的传输配送，也要以近期合理利用为主，考虑到以后长远发展的问题。
根据所设计工程建造的特点、规模和发展方向，正确良好地处理近期建造和长期发展之间的关系，努力做可持续发展建造的原则。
设计应全面考虑，统筹兼备，按照所需电力负荷的性质、传输电能容量、供电地区工程建造特点等，做出合理可行的设计方案[2]。
2电气一次部分设计
2.1主变压器的选择
2.1.1电气一次设备介绍
电气一次部分即能够直接产生、输送、分配电能的设备（也称作一次原件）。
主要包括以下几类：
（1）变换设备:
其主要功能是按照电力系统运行的要求去改变电流、电压、频率等，如变压器、互感器、电动机、变频机等[3]；
（2）开关设备：
其主要功能是接通和断开电路，包括断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器等；
（3）保护设备：
其主要是用来保护过电流和过电压，主要有熔断器、电抗器、避雷针等；
（4）补偿设备：
其主要功能是用来补偿无功功率，提高功率系数，常见的有电容器。
2.1.2主变压器的选定
（1）在变电站里面，最关键的电气一次部分是变压器，其功能是将电力系统中的电能电压升高或降低，以便利于电能的合理输送、分配、使用等[4]。
主变压器容量一般按变电所建成后5—10年的规划负荷选择，且应长远考虑。
其中有重要负荷的变电站，若是其中一台主变压器停运，剩余变压器容量在过负荷后允许时间内，要能够保证用户一级和二级负荷使用，对一般性变电所而言，一台主变压器停运，剩余变压器要保证达到其总负荷的70%—80%。
由于乡村变电站，所建立位置电网中、低压侧形成环路电网，所以变电站将装设两台主变压器。
（2）此次设计根据变电站负荷性质和所在电网结构来选定主变压器容量，综合上述条件，选用容量为2500kVA的三项变压器。
要使得通过主变压器各侧绕组的功率达到该变压器的15%以上容量，那么主变压器应选用三绕组变压器，这样它的低压绕组可与高压T连接，用于启动备用变压器或所装设的无功补偿装置。
（3）由于此次设计的10kV变电站使用对象偏向于乡镇和农村为主的三级负荷用户，所以选定主要变压器参数为：
型式：
三相三绕组自冷式调压变压器。
型号：
S11-2500/10
容量：
2500kVA
额定电压：
10×
±
1.25%kV/0.4kV
阻抗：
6.28%
连接组别：
DYN11
2.2电气主接线设计
2.2.1电气主接线的要求
根据电力工业设计经验的积累和发电厂、变电站实际运行的经验，为满足电力系统的需要，对电气主接线提出了以下基本要求：
（1）投资少、运行费用低，有扩建的可能性。
（2）接线应力求简单、清晰、操作简便；
（3）运行灵活、设备投、停方便、检修、隔离、维护方便；
（4）保证对用户供电必要的可靠性；
2.2.2电气主接线的形式与比较选择
电气设备是电气主接线的基本组成部分，主要基本环节为：
电源、母线和出线。
而电气主接线所采用的基本接线形式根据是否采用母线来划分，主要分为有母线接线和无母线接线两类。
此次设计经综合考虑后，选用10kV出线，给期16回，本期8回，下面做出接线方式的设计，进行比较选择：
10kV侧的接线设计
方案一：
单母线分段接线如图2-1所示：
接线特点：
母线依据所用电源的数目和功率以及电网的接线和运行方式来分段，一般以2—3段为宜。
若母线段数分得越多，则发生故障时停止供电范围越小，但会导致使用断路器的数量增多，其配电装置和运行也会随之变得复杂[5]。
②优缺点分析：
单母分段接线的优缺点是：
A、母线发生故障时，仅故障母线停止工作，非故障段仍可继续运行；
B、对双回重要用户，将双回线路分别接于不同的段上，以保证对重要用户的供电；
C、若其中一段母线故障检修时，会使此母线段电源与出线全部停电，导致系统发电量减少，该段单回出线用户停止供电；
D、任一出线的断路器检修时，该回路必须停电。
图2-1单母线分段接线图
③适用范围：
一般来说单母线分段接线应用在电压等级为6—10kV，出线在6回及以上时，每段所接容量不宜超过25MW[6]。
方案二：
单母线分段带旁路母线如图3.2所示：
在出线隔离开关外侧，加装一条旁路母线，每一回出线通过一旁路隔离开关与旁母相连；
在每段汇流母线与旁母之间加装一台断路器，组成专设旁路断路器的接线。
单母分段带旁路母线的优点是：
简单、清晰、操作方便、易于扩建，可以不停电检修出线断路器；
其缺点是：
若汇流母线检修或故障，则该段母线将全部停止供电。
图2-2单母线分段带旁路母线接线图
在10kV电压等级当中，有不允许停止断路器的要求时，可采用分段断路器兼旁路断路器的旁路母线接线方式。
综合上述，本次设计采用方案一，单母分段带旁路母线可靠性高，但投资占地面积大；
双母线开关操作频繁、危险性大，且占地面积大、投资大。
所以，通过各个方面的比较，本设计10kV侧选择单母线分段接线。
2.2.3中性点的接地方式
10kV中性点采用不接地方式，不装设消弧线圈。
2.3短路电流计算
2.3.1短路电流计算和分析的目的
因短路故障对电力系统运行的严重危害性，为了保证系统的正常运行，在设计和运行中应使电力系统能克服短路故障造成的危害。
为此，要进行一系列的短路电流计算，为选择电力系统的接线方式和电气设备选择和整定继电保护装置等准备，做出必要的数据。
2.3.2有名值的归算
计算各元件有各值电抗时，必须把不同电压等级各元件的电抗归算到同一电压等级，然后才能做出整个电力系统的等值电路，其参数归算如下：
（1）选基本级：
（2）确定变比：
精确归算：
K=
近似归算：
2.3.3标么值的归算
方法一：
先有名值归算后取标么值。
先将网络中各待归算级的各元件参数的有名值归算到基本级上，然后再除以基本级与之对应的基准值，得到标么值[7]。
方法二：
先基准值归算，后取标么值。
先将基本级的基准值，归算到各待归算级，然后再用归算级的参数除以归算准值，得到标么值参数。
2.3.4短路电流计算
解：
（1）取基准容量SB=100MVA，基准电压取各级平均额定电压，即UBI=115kV，UBⅡ=37kV，UBⅢ=10.5kV。
（2）、计算各元件电抗标么值，作出等值电路图：
变电器T1、T2的电抗为：
则有：
等值电路图如图3-3所示：
D1
110kV
D2
35kV
D310kV
图2-3等值电路图
（3）当D1点发生三相短路时
短路基准电流
（2.1）
因系统为无限大容量电源，故它提供的三相短路电流周期分量不衰减，即I’’=I=5.02kA；
故障点远离发电厂，故冲击系数kim=1.8。
冲击电流：
ich=kim（
当D2点发生三相短路时：
Xf2=xf1+xt=0.1+0.1=0.2
短路基准电流
（2.2）
次暂态电流
（2.3）
因系统为无限大容量电源，故它提供的三相短路电流不衰减，
；
故障点远离发电厂，冲击系数kim=1.8。
冲击电流ich=kim·
当D3点发生三相短路时：
Xf3=xf2+x8=0.2+0.07=0.27
短路基准电流电流
（2.4）
次暂态电
（2.5）
因系统为无限大容量电源，故它提供的三相短路电流不衰减，
故障点远离发电厂，冲击系数kim=1.8；
冲击电流
（4）短路电流计算结果表如表2.1所示：
表2-4短路电流计算结果
短路点
I″（kA）
ich（kA）
D1
5.02
12.78
D2
7.8
19.85
D3
20.37
51.85
3电气一次设备选择
3.1电气设备和载流导体选择的一般条件
按正常工作条件选择电器
（1）依据额定电流选择：
所选电器的额定电流In应不小于所安装回路的最大工作电流Imax，即In≥Imax。
工作回路不同，最大工作电流计算方法也不同，有如下方法：
同步发电机、三相电力变压器最大工作电流应为额定电流值的1.05倍；
电动机的最大工作电流应为其额定电流值。
（2）根据额定电压选择，根据额定电压选择电器时应满足以下条件：
电器的额定电压un不小于电器装设点电网的额定电夺unc，即un≥unc。
3.1.1校验热稳定、动稳定和开断电流
如果电路中短路电流通过电器，就会引起该电器温度升高，且伴随有巨大的电动力产生，校验电器和载流导体的热稳定、动稳定和开断能力应依据各种短路情况所导致的最严重后果考虑。
（1）开断电流校验：
其额定断开电流Ikd应大于I″，即Ikd≥I″。
（2）热稳定校验：
选择电器时应满足电器所允许的热效应[8]
（3.1）
以此保证电器的热稳定。
（3）校验动稳定。
为保证电器的最大三相冲击短路电流ich的条件即ip≥ich；
3.1.2依据机械负荷选择端子
选择电器时，应依据机械负荷，使得电器端子所允许的机械负荷不小于该电器引线处于正常或短路状态时所承受的最大作用力[9]。
3.1.3按电器工作的特殊要求校验
根据各种电器的工作特点、用途等进行特殊项目的校验。
3.2设备的选择与校验
3.2.1电气一次设备的选择
短路电流时间计算：
主变压器进线侧tjs=1.5s
主变出线侧xjs=0.5s
且出线侧10kV变压器容量Snmax=16000kVA
3.2.2断路器的选择
（1）主变进线侧电压条件UN≥UNC=10kV
电流条件IN≥Imax=
×
1.05=3031A（3.2）
初选型号ZN-10/3150-40
断路器参数如表4.1所示：
表4.1断路器参数
型号
额定电压/kV
最高工作电压/kV
额定电流/A
额定开断电流/kA
动稳定电流峰值/kA
热稳定电流/kA
ZN-10/3150-40
10
4.5
3150
40
100
40（2s）
校验：
①校验开断电流Ikd=40＞I’’=20.37，满足条件Ikd≥I’’；
②校验动稳定ip=100＞ich=51.85，满足条件ip≥ich
③校验热稳定QK=I
·
t=20.372×
1.5=622.4（kA2·
S）（3.3）
I
t=402×
2=3200（kA2·
s）
满路条件I
t≥QK
综上述，所选断路器型号IN-10/3150-40符合要求。
（2）主变出线侧电压条件UN≥UNC=10kV
电流条件IN≥Imax=
=923.7A（3.4）
初选型号ZNS-10/1250-25
断路器参数如表4.2所示：
表4.2断路器参数
ZN-10/1250-25
11.5
1250
25
63
25（2s）
①校验开断电流Ikd=25＞I’’=20.37，满足条件Ikd≥I’’；
②校验动稳定ip=63＞ich=51.85，满足条件ip≥ich
③校验热稳定I
t=252×
2=1250（KA2·
QK=I
0.5=207.5（KA2·
S）（4.5）
综上述，所选断路器型号IN5-10/1250-25符合要求。
3.2.3隔离开关的选择
（1）主变出线侧电压条件UN≥UNC=10kV
电流条件IN≥Imax=3031A
初选型号GN2-10G/3150
隔离开关参数如表4.3所示：
表4.3隔离开关参数
动稳定电流/kA
XGN2-35
35
1600
31.5
16（2s）
①校验动稳定ip=125＞ich=51.85，满足条件ip≥ich
②校验热稳定I
t=502×
2=5000（kA2·
S）（3.6）
满足条件I
综上述，所选隔离开关型号GN2-10G/3150符合要求。
电流条件IN≥Imax=923.7A
初选型号GN2-10/1000
隔离开关参数如表4.4所示：
表4.4隔离开关参数
GN2-10/1000
1000
80
40（5s）
①校验动稳定ip=80＞ich=51.85，满足条件ip≥ich
5=8000（kA2·
0.5=207.5（kA2·
S）（3.7）
综上述，所选隔离开关型号GN2-10/1000符合要求。
3.2.4电流互感器的选择
主变进线侧电流条件IN≥Imax=3031A
电压条件UN≥UNC=10kV
所选型号LZZBJ9-12，0.2S/0.5/10P/10P,1000/5A
电流互感器参数如表4.5所示：
表4.5电流互感器参数
型号
热稳定电流/Ka
LZZBJ-10
①校验动稳定ip=100＞ich=51.85，满足条件ip≥ich
②校验热稳定I
S）（3.8）
满足条件I
综上述，变压器出线侧电流互感器型号LZZBJ-10符合要求。
3.2.5站用变压器的选择
本次设计中，站用变压器从站内10kV侧接入，站用变压器负荷按典型站用变压器负荷考虑，站用变压器容量2×
100kVA，因此选出站用变压器型号SCL2-100/10。
站用变压器参数如表4.6所示：
表4.6站用变压器参数
容量/kVA
电压/kV
连接组标号
空载损耗/kW
负载损耗/kV
阻抗电压/%
SCL2-100/10
10/0，4
Y，gno/D,ynll
0.53
1.6
4
3.2.6避雷器的选择
型式选择：
氧化锌避雷器；
额定电压：
UN≥UNC=10kV
选出型号YH5WS-17/45
避雷针参数如表4.7所示：
表4.7避雷针参数
避雷器额定电压有效值/kV
系统额定电压/kV
8/20us雷电冲击波线压峰值不大于/kV
YH5WS-17/4S
17
45
4继电保护
4.1保护装置
4.1.1保护装置的类型和任务
（1）其保护装置由：
熔断器保护、低压断路器保护、继电保护。
（2）熔断器保护：
用作高低压供电系统；
低压断路器保护：
用于低压供配电系统。
它们都可以在短路和过负荷时断开电路，切除故障电路，
（3）继电保护：
过负荷时动作，只发出信号；
危害人身或设备安全时动作跳闸；
发生短路故障时有选择性的跳闸，切出故障。
4.1.2保护装置的基本要求
（1）选择性：
系统发生故障时，有选择性的切除故障部分；
（2）速动性：
快速切除线路中的故障部分；
（3）可靠性：
不会出现误动或不动作；
（4）灵敏性：
灵敏性是保护装置对故障和不正常工作状态反应能力，主要取决于灵敏系数，即：
Sp=Ik.min/Iop.1（4.1）
4.2瓦斯保护
瓦斯保护也可称作气体保护，在多种保护装置里面，瓦斯保护是灵敏度较高的一种，其常用来保护油浸式变压器内部故障。
瓦斯继电器作为瓦斯保护的重要装置，通常在油浸式变压器油枕和油箱之间联通管中部装设[10]。
瓦斯保护装置及整定：
瓦斯继电器又称气体继电器，瓦斯继电器安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道中，油箱内的气体通过瓦斯继电器流向油枕。
我国目前所采用的瓦斯继电器主要有开口杯式与浮筒挡板式两种。
在本设计中采用开口杯式。
瓦斯保护的整定：
通常以250—300m作为瓦斯继电器气体容积整定范围，若变压器容量在10000kVA以上，则取250cm2为其整定值，然后采用调节重锤位置的方式来改变其气体容积值。
重瓦斯保护装置中油流速度的整定:
重瓦斯保护装置动作时一般以0.6—1.5m/s油流速度为其整定范围，并且以导油管中的流速为标准来为其其整定流速的，而并非以继电器处的流速为依据。
当装置管中整定油流速度为0.6—1.5m/s时，其能够相当灵敏地处理变压器内部故障。
但如果变压器出现外部故障，穿越性故障电流影响将会影响装置，此时导油管中油流速度约为0.4—0.5m/s。
经综合考虑，此次设计中，将油流速度整定为1s左右，以此来防止穿越性故障时瓦斯保护装置发生误动作。
瓦斯保护接线原理如图5.1所示：
在系统中，若变压器内部发生轻微故障，瓦斯保护装置油位随之降低，此刻瓦斯继电器KG上端接点KG1产生动作，与信号继电器1KS相连接，使其发出信号；
若变压器内部发生严重故障，此刻瓦斯继电器KG下端接点KG2产生动作，导致中间继电器KM和信号继电器2KS相连接，从而使其发出信号并使断路器产生跳闸动作。
图4-1瓦斯保护接线原理
4.3变压器的后备过电流保护
系统中变压器相间短路的后备保护是过电流保护,预先为通过被保护元件的电流整定一个数值，流过该元件中的电流一旦超过其预先整定数值，所装设的保护装置将会启动，其动作的选择性以时限确定，从而使断路器产生跳闸动作或发出警报信号[11]。
这种继电保护方式被称作过电流保护，该保护措施通常在容量较小的降压变压器上使用。
图4-2变压器过电流保护单相原理图
过电流保护，其单相原理接线如图5.2所示。
根据能够躲过变压器可能出现的最大负荷电流
来整定保护装置的动作电流，即
（5.2）
式中：
Krel—可靠系数，一般采用1.3；
Ker—返回系数，一般采用0.85；
Il.max—变压器的最大负荷电流。
则
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