电气工程及其自动化专业.docx
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电气工程及其自动化专业
第1章绪论
第１.１节 电力系统继电保护的作用
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。
第１.２节 继电保护的基本特性
动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
1.2.1选择性
所谓继电保护装置动作的选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒绝动作时，应由相邻设备或线路的保护秒年个鼓掌切除。
总之，要求继电保护装置有选择地动作，是提高电力系统供电可靠性的基本条件，保护装置无选择性的动作，又没有采取措施（如线路的自动重合闸）予以纠正，是不允许的。
1.2.2速动性
所谓速动性就是指继电保护装置应能尽快地切除故障。
对于反应短路故障的继电保护，要求快速动作的主要理由和必要性在于：
（1）快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性。
因此，快速切除故障是提高系统并列运行稳定性，防止系统事故的一项重要措施。
（2）快速切除故障可以减少发电厂厂用电及用户电压降低的时间，加速恢复正常运行的过程，保证厂用电及用户工作的稳定性。
因此，快速切除短路故障，所有电动机在故障切除后都可以继续正常运行，因而保证发电厂和用户工作的稳定性。
通常要求在发电厂母线上的引出线上发生短路故障，机端母线电压下降到额定电压60%以下时，必须无时限地切除故障。
（3）快速切除故障可以减轻电气设备和线路的损坏程度。
（4）快速切除故障可以防止故障的扩大，提高自动重合闸和备用电源或设备自动投入成功率。
从上述理由可知，快速切除鼓掌，对提高电力系统运行的可靠性具有重大的意义。
切除故障的时间是指从发生短路故障的时刻起到断路器跳闸电弧熄灭为止的时间，它等于继电保护装置的动作时间与断路器跳闸时间之和。
所以，为了保证快速切除故障，除了加快保护装置的动作时间之外，还必须采用快速跳闸断路器。
1.2.3灵敏性
所谓继电保护装置的灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反映能力。
1.2.4可靠性
所谓保护装置的可靠性是指在拨户范围内发生的故障该保护应该动作时，不应该由于它本身的缺陷而拒绝动作；而在不属于它动作的任何情况下，则应该可靠不动作。
要求继电保护装置有很高的可靠性是非常重要的。
因为，博爱户装置的拒绝动作或误动作，都将给电力系统和用户带来严重的损失。
所以，在设计、安装和维护继电保护装置时，必须满足可靠性的要求。
以上四个基本要求是设计、培植和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。
这四个基本要求之间，是相互联系的，但往往由存在着矛盾。
因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。
第2章发电机变压器线路的参数计算
第2.1节元件参数的意义
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。
如发电机电抗，厂家给出的是以发电机额定容量Sn和额定电压Un为基值的标幺电抗Xd（%）；而输电线路电抗，通常是用有名值。
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）
可见，一个物理量的标幺值，就是其有名值与选定的同单位的基准值比值，也就是对基准值的倍数值。
显然，同一个实际值，当所选的基准值不同是，其标幺值也不同。
所以当诉说一个物理量的标幺值是，必须同时说明起基准值多大，否则仅有一个标幺值是没意义的。
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。
系统各元件参数的计算是进行以后各种计算的基础，例如各种网络化简和短路零序电流的计算等等。
第2.2节系统元件参数的计算
2．2．1元件参数计算原则
参数计算需要用到标幺值或有名值，因此做下述简介。
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。
如发电机电抗，厂家给出的是以发电机额定容量Sn和额定电压Un为基值的标幺电抗Xd（%）；而输电线路电抗，通常是用有名值。
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是，其标幺值也不同。
所以当诉说一个物理量的标幺值是，必须同时说明起基准值多大，否则仅有一个标幺值是没意义的。
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
U×=U/UB（2-1）
I×=I/IB（2-2）
Z×=Z/ZB（2-3）
S×=S/SB（2-4）
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。
至于先选定哪两个基准值，原则上没有限制；但习惯上多先选定UBＳB。
这样电力系统主要涉及三相短路的IBZB,可得:
ＩＢ＝ＳＢ／√３UＢ（2-5）
ＺＢ＝UＢ／√３ＩＢ＝U²B／ＳＢ（2-6）
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。
（3）标幺值的归算
①精确的计算法，再标幺值归算中，不仅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。
1）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。
2）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被归算级归算，然后救灾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：
标幺值计算的近似归算也是用平均额定电行计算。
标幺值的近似计算可以就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。
本网络采用近似计算法。
选取基准值：
SB=100MVAUB1=115KVUB2=10.5KV
UB3=6.3KV
计算结果为：
（计算结果详细过程见《计算书》第1页）
2．2．2元件参数一览表
电源：
参数计算表（2-1）
名称
额定容量
功率因数
Xd"
正序电抗
G
SB
COSΦ
标幺值
有名值（Ω）
发电机A
43MVA
0.8
0.28
0.651
86.116
发电机B
75MVA
0.8
0.15
0.2
26.45
发电机C
31.25MVA
0.8
0.165
0.1526
69.828
变压器参数计算表（2-2）
变压器名称
变压器额定容量（MVA）
变比
短路电压百分比
绕组电抗标幺值
有名值（Ω）
Uk
XT*
XT
T1
40MVA
10.5
0.2625
34.716
T2
15MVA
10.5
0.7
92.575
T3
31.5MVA
10.5
0.333
44.083
T4
10MVA
10.5
1.05
138.863
T5
20MVA
10.5
0.525
69.431
线路名称
长度
（KM）
正（负）序电阻
正（负）序电抗
零序电阻
零序电抗
有名值
（Ω）
标幺值
有名值
（Ω）
标幺值
有名值
（Ω）
标幺值
有名值
（Ω）
标幺值
L1
30
5.1
0.0386
12
0.0907
15.3
0.1157
42
0.318
L2
30
5.1
0.0386
12
0.0907
15.3
0.1157
42
0.318
L3
30
5.1
0.0386
12
0.0907
15.3
0.1157
42
0.318
L4
60
10.2
0.0771
24
0.1815
30.6
0.2314
132
0.9981
线路参数计算表（2-3）
第3章电流电压互感器及变压器中性点的选择
第3.1节输电线路电流电压互感器的选择
3.1.1输电线路CT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。
1）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）CT的选择和配置
①型号：
电流互感器的型号应根据作用环境条件与产品情况选择。
②一次电压：
Ug=Un
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
③一次回路电流：
I1n≥Igmax
Igmax—电流互感器安装处一次回路最大电流
I1n—电流互感器一次侧额定电流。
④准确等级：
用于保护装置为0.5级，用于仪表可适当提高。
⑤二次负荷：
S2≤Sn
S2---电流互感器二次负荷
Sn---电流互感器额定负荷ф
⑥输电线路上CT的选择：
根据最大极限电流来选择。
（最大极限电流值可查计算书）
由ILMAX＝209.95A可知
1-6号断路器可选变比为2╳150/5型号为LCWD-110
由ILMAX＝78.73可知
7-10号断路器可选变比为100/5型号为LCWD-110
3.1.2输电线路PT的选择
（1）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。
（2）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。
第3.2节变压器中性点的选择
3.2.1变压器中性点的选择原则
（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：
①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。
根据上述原则本次设计的变压器中性点的接地方式为
表3—1
名称
发电厂
变电站
变压器数
4台
2台
接地数目
3 台
2 台
第4章系统运行方式的选择
第4.1节系统最大最小运行方式的意义
4.1.1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。
4.1.2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。
第4.2节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
第5章短路计算
第5.1节短路的概述
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。
5.1.1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。
（5）对通信干扰
第5.2节短路计算的意义
5.2.1短路计算的目的
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。
5.2.2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。
第5.3节短路计算
5.3.1短路电流计算结果：
DL1：
大方式下B母线短路时，流过1DL的零序电流为：
IDL.10=0.6239∠-800×502=313.978∠-800A
小方式下1DL15%处短路时，流过1DL的零序电流为：
IDL.10=2.3442∠-87.80×502=1176.788∠-800A
DL2：
大方式下A母线短路时，流过2DL的零序电流为：
IDL.20=1.4164∠-75.40×502=711.033∠-75.40A
小方式下2DL15%处短路时，流过2DL的零序电流为：
IDL.10=2.4552∠-84.80×502=1232.51∠-84.80A
DL3：
大方式下B母线短路时，流过3DL的零序电流为：
IDL.20=0.566∠-82.1×502=284.132∠-82.10A
小方式下3DL15%处短路时，流过3DL的零序电流为：
IDL.10=1.9191∠-84.60×502=963.388∠-84.60A
DL4计算结果同DL3
DL5：
大方式下C母线短路时，流过5DL的零序电流为：
IDL.20=0.977∠-780×502=490.454∠-780A
小方式下5DL15%处短路时，流过5DL的零序电流为：
IDL.10=2.2177∠-82.70×502=1113.285∠-82.70A
DL6计算结果同DL5
第6章相间距离保护整定和灵敏度检验
第6.1节概述
6.1.1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。
6.1.2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。
6.1.3距离保护的基本特性
（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
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