毕业设计论文某110kV电力系统继电保护设计

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1、某110kV电力系统继电保护设计 某110kV电力系统继电保护设计 内容摘要 本次毕业设计的主要内容是针对110kV电力系统继电保护的配置，并依据继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏性校验，确定方案中的保护。设计分为八个章节，第三、四章是计算系统的短路电流，确定运行方式；第五章是各种设备的保护配置。其中变压器保护包括保护原理分析、保护整定计算和灵敏性校验，主保护采用的是纵联差动保护和瓦斯保护，使得两者结合做到优势互补，后备保护是复合电压启动过电流保护。母线保护包括保护原理分析，采用了完全电流差动保护，简单可靠。110kV侧的输电线路采用了距离、保护，由于它的电压等级较高，还考虑了零序

2、电流、保护。对于发电机主保护采用了纵差动保护，后备保护采用了发电机定子绕组接地保护。目 录引 言11 方案比较22 确定运行方式42.1 标幺值计算42.2短路电流的计算52.3 确定运行方式183 短路计算193.1 各种运行方式下各线路电流计算193.2 各输电线路两相短路和三相短路电流计算204 继电保护的配置214.1 继电保护的基本知识2142 变压器的保护配置234.2.1 变压器配置234.2.2 保护配置的整定254.3 母线的保护配置284.3.1 保护配置的原理284.3.2电流差动保护配置的整定314.4输电线路保护配置334.4.1保护配置的原理334.4.2保护配置的

3、整定364.5发电机保护配置404.5.1保护配置的原理404.5.2保护配置的整定425微机成套自动保护装置445.1发电机-变压器组成套自动保护装置445.2变压器成套自动保护装置465.3母线成套自动保护装置465.4输电线路成套自动保护装置486 结论49参考文献50 引 言由于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注入新的活力。未来继电保护的发展趋势是向计算化，网络化及保护，控制，测量，数据通信一体化智能化发展。电能是一种特殊的商品,为了远距离传送,需要提高电压,实施高压输电,为了分配和使用,需要降低电压,实施

4、低压配电,供电和用电。发电-输电-配电-用电构成了一个有机系常把由各种类型的发电厂,输电设施以及用电设备组成的电能生产与消费系统称为电力系统。电力系统在运行中,各种电气设备可能出现故障和不正常运行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏,但是没有发生故障的运行状态,如:过负荷,过电压,频率降低,系统振荡等。故障主要包括各种类型的短路和断线,如:三相短路,两相短路,两相接地短路,单相接地短路,单相断线和两相断线等。471 方案比较 本次毕业设计的主要内容是对110kV电力系统继电保护的配置。可以依据继电保护配置原理，根据经验习惯，先选择两套初始的保护方案，通过论证比较后认可其

5、中的一套方案，再对这套方案中的保护进行确定性的整定计算和灵敏性校验，看看它们是否能满足要求，如果能满足便可以采用，如果不能满足则需要重新选择，重新整定和校验。 对于变压器而言，它的主保护可以采用最常见的纵联差动保护和瓦斯保护，用两者的结合来做到优势互补。因为变压器差动保护通常采用三侧电流差动，其中高电压侧电流引自高压熔断器处的电流互感器，中低压侧电流分别引自变压器中压侧电流互感器和低压侧电流互感器，这样使差动保护的保护范围为三组电流互感器所限定的区域，从而可以更好地反映这些区域内相间短路，高压侧接地短路以及主变压器绕组匝间短路故障。考虑到与发电机的保护配合，所以我们用联差动保护作为变压器的主保

6、护，不考虑用电流速断保护。瓦斯保护主要用来保护变压器的内部故障，它由于一方面简单，灵敏，经济；另一方面动作速度慢，且仅能反映变压器油箱内部故障，就注定了它只有与差动保护配合使用才能做到优势互补，效果更佳。后备保护首先可以采用复合低电压启动过电流保护，这主要是考虑到低电压启动的过电流保护中的低电压继电器灵敏系数不够高。由于发电机-变压器组中发电机才用了定子绕组接地保护，所以，变压器不采用零序电流保护。110kV侧的母线接线可以采用完全电流差动保护，简单，可靠也经济。对于110kV侧的输电线路，可以直接考虑用距离保护，因为在电压等级高的复杂网络中，电流保护很难满足选择性，灵敏性以及快速切除故障的要

7、求，因此这个距离保护也选择得合理，同时由于它的电压等级较高，我们还应该考虑给它一个接地故障保护，先选择零序电流保护，因为当中性点直接接地的电网(又称大接地电流系统)中发生短路时,将出现很大的零序电流,而在正常运行情况下它们是不存在的。因此,利用零序电流来构成接地短路的保护,就有显著的优点。发电机则采用纵联差动保护作为主保护，定子绕组接地保护作为后备保护。 综上所述，方案1比较合理，方案1保护作为设计的初始保护，在后续章节对这些保护进行整定与校验，是否符合设计要求。2 确定运行方式2.1 标幺值计算 本次设计中取=100MVA, ,系统用一个无限大功率电流代表，它到母线的电抗标幺值 。 （2.1

8、） 各元件的电抗标幺值计算如下： （2.2） 变压器: (2.3)变压器的各绕组短路电压分别为： (2.4) 所以，变压器的电抗值为: (2.5) (2.6) (2.7)变压器: (2.8)变压器: (2.9)线路: (2.10)线路: (2.11)线路 (2.12)线路: (2.13)所以，110kV电力系统继电保护的等值网络如图3.1所示。 图2.1 110kV电力系统等值网络2.2短路电流的计算110kV电力系统正常运行时，发电机存在三种运行情况，即：两台发电机同时运行、一台发电机退出运行另一台单独运行和两台同时运行；变压器有两种运行方式，即：一台变压器退出另一台变压器单独运行和两台变压

9、器同时运行。下面分别分析各种情况下系统运行时的转移电抗，计算电抗和短路电流。（一）两台发电机同时运行，变压器同时投入运行。 进行网络化简： (2.14) (2.15) (2.16) (2.17) 将组成的三角形电路化简为由组成的星形电路，计算如下： (2.18) (2.19) (2.20) 系统的等值化简网络如图2.2所示。图2.2 系统的等值化简网络（1）转移电抗和计算电抗计算 当发生短路时 (2.21) =0.18所以，点发生短路时的等值网络如图2.3所示。图2.3 点发生短路时的等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.22) 发电机对短路点的计算电抗为： (2.23) 当发生短路时

10、(2.24) =0.21所以，点发生短路时的等值网络如图2.4所示。图2.4 点发生短路时的等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.25)发电机对短路点的计算电抗为： (2.26)当发生短路时 (2.27) (2.28)所以，点发生短路时的等值网络如图2.5所示。图2.5 点发生短路时的等值网络S点对的转移电抗为： (2.29)F点对的转移电抗为为： (2.30) 化简的等值网络如图2.6所示。图2.6 化简的等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.31)发电机对短路点的计算电抗为： (2.32) （2）由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值如下。 （3）计算短路电流有名值。 各点发生短

11、路时，各电源的基准电流分别为： 系统S (2.33) 发电机 (2.34) （二）发电机停运运行时，系统的等值网络如图2.7所示。图2.7 系统的等值网络 进行网络化简： (2.35)系统的等值化简网络如图2.8所示。（1）转移电抗和计算电抗计算 当发生短路时 (2.36) =.178 所以，点发生短路时的等值网络如图2.9所示。图2.8 系统的等值化简网络图2.9 点发生短路时的等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.37)发电机对短路点的计算电抗为： (2.38)当发生短路时 (2.39) =0.21所以，点发生短路时的等值网络如图2.10所示。图2.10 点发生短路时的等值网络系统S

12、对短路点的计算电抗为： (2.40) 发电机对短路点的计算电抗为： (2.41)当发生短路时： (2.42) (2.43)S点对的转移电抗为： (2.44)点对的转移电抗为： (2.45) 化简的等值网络如图2.11所示。图2.11 化简的等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.46) 发电机对短路点的计算电抗为： (2.47)（2）由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值。（3）计算短路电流有名值。（同上） 查表得短路电流的标幺值和有名值如表2.2。表2.2 短路电流表短路点时间系统S发电机短路点总电流/kA处短路4 S标么值1.13标么值2.1112.17有名值/kA0.57有名值/kA1

13、1.6处短路4 S标么值0.63标么值2.4513.79有名值/kA0.32有名值/kA13.47处短路4 S标么值0.54标么值4.8326.80有名值/kA0.27有名值/kA26.53（三）线路处开环运行时，系统的等值网络如图2.12所示。图2.12 系统的等值网络（1）转移电抗和计算电抗计算 当发生短路时，F点对的转移电抗为： (2.47) =0.54 所以，点发生短路时的等值网络如图2.13所示。图2.13 点发生短路时的等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.48)发电机对短路点的计算电抗为： (2.49)当发生短路时，S点对的转移电抗为： (2.50)=0.614所以，点发生

14、短路时的等值网络如图2.14所示。图2.14 点发生短路时的等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.51)发电机对短路点的计算电抗为： (2.52)当发生短路时，S点对的转移电抗为： (2.53)点对的转移电抗为： (2.54) 系统S对短路点的计算电抗为：发电机对短路点的计算电抗为： （2）由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值。 （3）计算短路电流有名值。（同上） 查表得短路电流的标幺值和有名值如表2.3。（四）线路处开环运行时，系统的等值网络如图2.15所示。图2.15 系统的等值网络图（1）转移电抗和计算电抗计算当发生短路时，F点对的转移电抗为： (2.54) 所以，点发生短路时的等

15、值网络如图2.16所示。图2.16 点发生短路时的等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.55)发电机对短路点的计算电抗为： (2.56)当发生短路时，等值网络如图2. 17所示。图2. 17 等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.57)发电机对短路点的计算电抗为： (2.58)当发生短路时，系统S对短路点的计算电抗为： (2.59)发电机对短路点的计算电抗为： (2.60) （2）由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值。 （3）计算短路电流有名值。（同上） 查表得短路电流的标幺值和有名值如表2.4。（五）线路处开环运行时，系统的等值网络如图2.18所示。图2.18 系统的等值网络（1

16、）转移电抗和计算电抗计算 当发生短路时，等值网络如图2.19所示。图2.19 等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.61)发电机对短路点的计算电抗为： (2.62)当发生短路时，S点对的转移电抗为： (2.63)=0.787发生短路时，等值网络如图2.20所示。图2.20 等值网络图系统S对短路点的计算电抗为： (2.64)发电机对短路点的计算电抗为： (2.65)当发生短路时，等值网络如图2.21所示。图2.21 等值网络系统S对短路点的计算电抗为： (2.66)发电机对短路点的计算电抗为： (2.67)（2）由计算曲线数字表查出短路电流的标幺值。（3）计算短路电流有名值。（同上） 查

17、表得短路电流的标幺值和有名值如表2.5。表2.5 短路电流表短路点时间系统S发电机短路点总电流/kA处短路4 S标么值1.03标么值2.4413.94有名值/kA0.52有名值/kA13.42处短路4 S标么值0.29标么值2.4713.73有名值/kA0.15有名值/kA13.59处短路4 S标么值0.49标么值2.0111.31有名值/kA0.25有名值/kA11.062.3 确定运行方式由2.2节的计算过程，统计系统各短路点短路时的短路电流如表2.6。表3.6 各短路点短路时的电流总结表运行方式 处短路时的短路电流/kA处短路时的短路电流/kA处短路时的短路电流/kA两台发电机同时运行1

18、4.2713.9014.13一台变压器停运，另一台变压器单独工作12.16713.7926.80线路处开环运行31.9613.6313.96线路处开环运行13.9313.7613.78线路处开环运行13.9213.7311.31综上所述：系统S侧（处短路时）的最大运行方式为：线路处开环运行。最小运行方式为：当一台发电机停运，另一台单独工作时。发电机-变压器侧（处短路时）的最大运行方式为：两台变压器同时运行时。最小运行方式为：线路处开环运行。变压器侧（处短路时）的最大运行方式为：当一台发电机停运，另一台单独工作时。最小运行方式为：线路处开环运行。3 短路计算3.1 各种运行方式下各线路电流计算

19、由图2.17可知，系统S对短路点的转移电抗为：=0.125 系统折算到110kV的最小阻抗为： (3.1)由图2.20可知，系统S对短路点的转移电抗为：=0.135 系统折算到110kV的最小阻抗为： (3.2)输电线路长为100kM，（输电线路电阻率为0.4/kM）短路电流为： (3.3) (3.4) 同理，根据已知条件得： 输电线路短路电流为： (3.5) (3.6) 输电线路短路电流为： (3.7) 输电线路短路电流为： (3.8) (3.9)3.2 各输电线路两相短路和三相短路电流计算 （一）各输电线路在最小运行方式下的两相和三相短路电流 系统电抗 =0.135 发电机电抗 =0.13

20、各输电线路三相短路电流为：输电线路三相短路电流为： （3.10）同理可得，输电线路三相短路电流为： 输电线路三相短路电流为： 输电线路三相短路电流为：各输电线路两相短路电流为：输电线路两相短路电流为：输电线路两相短路电流为：输电线路两相短路电流为：输电线路两相短路电流为：（二）各输电线路在最大运行方式下的三相短路电流 输电线路三相短路电流为： （3.11） 同理可得，输电线路三相短路电流为：输电线路三相短路电流为：输电线路三相短路电流为：4 继电保护的配置4.1 继电保护的基本知识电能是一种特殊的商品,为了远距离传送,需要提高电压,实施高压输电,为了分配和使用,需要降低电压,实施低压配电,供电

21、和用电。发电-输电-配电-用电构成了一个有机系统。通常把由各种类型的发电厂,输电设施以及用电设备组成的电能生产与消费系统称为电力系统。电力系统在运行中,各种电气设备可能出现故障和不正常运行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏,但是没有发生故障的运行状态,如:过负荷,过电压,频率降低,系统振荡等。故障主要包括各种类型的短路和断线,如:三相短路,两相短路,两相接地短路,单相接地短路,单相断线和两相断线等。其中最常见且最危险的是各种类型的短路,电力系统的短路故障会产生如下后果:(1)故障点的电弧使故障设备损坏；(2)比正常工作电流大许多的短路电流产生热效应和电动力效应,使故障

22、回路中的设备遭到破坏；(3)部分电力系统的电压大幅度下降,使用户的正常工作遭到破坏,影响企业的经济效益和人们的正常生活；(4)破坏电力系统运行的稳定性,引起系统振荡,甚至使电力系统瓦解,造成大面积停电的恶性循环；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。继电保护包括继电保护技术和继电保护装置,且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。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

23、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。继电保护装置的基本原理:我们知道在电力系统发生短路故障时,许多参量比正常时候都了变化，当然有的变化可能明显，有的不够明显，而变化明显的参量就适合用来作为保护的判据，构成保护。比如：根据短路电流较正常电流升高的特点，可构成过电流保护；利用短路时母线电压降低的特点可构成低电压保护；利用短路时线路始端测量阻抗降低可构成距离保护；利用电压与电流之间相位差的改变可构成方向保护。除此之外，根据线路内部短路时，

24、两侧电流相位差变化可以构成差动原理的保护。当然还可以根据非电气量的变化来构成某些保护，如反应变压器油在故障时分解产生的气体而构成的气体保护。原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征（差别），即可形成某种判据，从而构成某种原理的保护，且差别越明显，保护性能越好。继电保护装置的组成： 被测物理量测量逻辑执行跳闸或信号 整定值测量元件：其作用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。逻辑元件：其作用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

25、，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。执行元件：其作用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。对继电保护的基本要求：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。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。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。可靠性：是

26、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。42 变压器的保护配置4.2.1 变压器配置（一）纵联差动保护本次设计所采用的变压器型号均分别为：SDL-31500/110、SFSL-31500/110、SFL-20000/110、SFL-20000/110。对于这种大型变压器而言，它都必需装设单独的变压器差动保护，这是因为变压器差动保护通常采用三侧电流差动，其中高电压侧电流引自高压熔断器处的电流互感器，中低压侧电流分别引自变压器中压侧电流互感器和低压侧电流互感器，这样使差动保护的保护范围为三组电流互感器所限定的区域，从而可以更好地反映

27、这些区域内相间短路，高压侧接地短路以及主变压器绕组匝间短路故障。所以我们用纵联差动保护作为两台变压器的主保护，其接线原理图如图4.1所示。正常情况下,=即：（变压器变比） （4.1） 所以这时Ir=0，实际上，由于电流继电器接线方式，变压器励磁电流，变比误差等影响导致不平衡电流的产生，故Ir不等于0 ，针对不平衡电流产生的原因不同可以采取相应的措施来减小。尽管纵联差动保护有很多其它保护不具备的优点，但当大型变压器内部产生严重漏油或匝数很少的匝间短路故障以及绕组断线故障时，纵联差动保护不能动作，这时我们还需对变压器装设另外一个主保护瓦斯保护。图4.1 纵联差动保护原理示意图（二）瓦斯保护瓦斯保护

28、主要用来保护变压器的内部故障，它由于一方面简单，灵敏，经济；另一方面动作速度慢，且仅能反映变压器油箱内部故障，就注定了它只有与差动保护配合使用才能做到优势互补，效果更佳。(1)瓦斯保护的工作原理：当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生，瓦斯继电器KG的上触点闭合，作用于预告信号；当发生严重故障时，重瓦斯冲出，瓦斯继电器的下触点闭合，经中间继电器KC作用于信号继电器KS，发出警报信号，同时断路器跳闸。瓦斯继电器的下触点闭合，也可利用切换片XB切换位置，只给出报警信号。(2)瓦斯保护的整定： 瓦斯保护有重瓦斯和轻瓦斯之分，它们装设于油箱与油枕之间的连接导管上。其中轻瓦斯按气体容积进行整定，整定范

29、围为：250300cm3,一般整定在250cm3 。重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：0.61.5m/s,一般整定在1m/s 。瓦斯保护原理如图4.2所示。图4.2 瓦斯保护原理示意图（三）复合电压启动的过流保护由于这种保护可以获得比一般过流保护更高的灵敏性，所以实践中它常用来作厂变内部及低分支外部相间短路故障的后备保护，这里我也用来作为变压器的后备保护，它是由负序过电压元件、低电压元件、过流元件及时间元件构成，其中负序过电压元件与低电压元件构成复合电压启动元件，其保护原理接线图如图5.3所示。复合电压过流保护的输入电流取高压侧电流,为保证选择性,复合电压启动元件需要配置两套,输入电压分别

30、取自厂变低压侧两个支上的电压。 保护采用两段延时出口。 以A分支为例: 若发生相间不对称短路故障,”U2”元件启动,常闭触点断开,使”U”元件短时启动, ”U”元件返回后,因”U”元件返回电压较高,只要相间残压不高于返回电压, ”U”已经动作,先按I段延时”U1.5 （4.45）,满足要求。（二）零序保护的整定要对零序保护进行整定计算必须先求出发生接地短路故障时,故障点的最大零序电流,而只有发生接地故障时,才会出现零序电流,所以只考虑单相短路和两相接地短路。当点发生短路时，空载不包括在各序网络中。变压器中性点接地应包括在零序网络中。正序网络化简过程如下： （4.46） （4.47）将支路19、

31、22和23并联得等值电势和输入电抗： （4.48） （4.49）正序网络如图4.8所示。 图4.8 正序网络负序网络化简过程如下： （4.50） 负序网络输入电抗： （4.51）负序网络如图4.9所示。 图4.9 负序网络零序网络化简过程如下： （4.52） （4.53）零序网络输入电抗： （4.54）零序网络如图4.10所示。图4.10 零序网络 所以，各序的输入阻抗分别为：=1.4 =0.25 =0.28单相短路时，因为，电源电势用次暂态电势：取，所以0秒时的短路正序电流为： （4.55）处发生短路时，短路点的零序电流为： （4.56）两相短路时，因为，电源电势用次暂态电势：取，所以0秒时的短路正序电流为：