220kv 变电站电气二次部分设计.docx
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220kv变电站电气二次部分设计
天津大学网络教育学院
专科毕业论文
题目：
220kv变电站电气二次部分设计
完成期限：
2016年1月8日至2016年4月20日
学习中心：
嘉兴
专业名称：
电气自动化技术
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学生学号：
************
*******
220kv变电站电气二次部分设计
概述
变电站是电力系统组成的一个重要环节，是电力网中线路的重要连接部分，其作用是交换电压、汇集和分配电能。
变电站能否正常运行关系到电力系统的稳定和安全。
因此对变电站进行监控和保护具有十分重要的意义。
电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它的安全运行与否，直接关系到电力系统能否连续安全、稳定地运行。
特别是由于变压器本身结构复杂、造价昂贵，一旦因故障而遭到损坏，其检修难度大，检修时间长，将造成巨大的经济损失。
近年来，随着电力系统规模的扩大，电压等级的升高，大容量变压器的应用日趋增多,对变压器保护提出了更高的要求。
母线的安全可靠运行则直接影响发电厂和变电所工作的可靠性。
当母线上发生短路时，如果故障不能迅速被切除，将会引起事故扩大，破坏电力系统的稳定运行，严重时将造成电力系统的瓦解事故。
因此，在重要的220kV及其以上的发电厂或变电所的母线上，都需要装设专用的母线保护装置。
保护的合理配置以及保护定值的整定计算是电力系统继电保护工作的一个重要组成部分，保护的合理设计与选型是保证电网安全稳定运行的基础，而保护定值的正确与否决定着保护装置能否有效发挥作用，从而决定这被保护对象能否正常运行以及在发生故障时能否将各种故障从电网隔离，以避免事故的进一步扩大。
无论保护装置采用的原理多么先进，算法多么精确，硬件设计多么严密可靠，如果给定的整定值是错误的，则保护装置就不可能正常工作，所以正确的继电保护整定值是继电保护装置有效发挥作用的一个重要条件。
我必须对相关保护原理有十分深刻的理解，深入研究其保护配置方案并完成相关保护的整定计算。
必须深入研究和了解其保护特点，合理进行保护配置设计，正确确定保护定值。
变压器保护的研究现状和发展
差动保护作为变压器主保护的主要形式，长期以来受到保护工作者的关注。
对其研究可追述到二三十年代。
1931年，R.E.Cordray提出比率差动的变压器保护，标志着差动保护作为变压器主保护时代的到来。
随着计算机的出现，继电保护的微机化成为又一关注的热点。
变压器保护新原理的研究主要集中在变压器主保护方面，成功的实现变压器主保护的关键在于准确区分内部故障和外部故障、内部故障和励磁涌流、内部故障和差动TA二次断线等运行情况。
现场长期的运行的统计资料表明差动保护是能够准确地区分区内和区外故障的，目前变压器主保护的研究重点在于如何提高保护的整体性能上，尤其是微机保护被大量使用后，如何充分利用微机的各种资源和特性来改善变压器保护的性能成为了研究领域的一个重要方向。
近年来，新器件、新技术的应用为变压器保护的研究与发展提供了一个广阔的天地。
数字信号处理器DSP的出现，不但可以提高微机保护数据采样与计算的速度和精度，甚至可能改变往常微机保护装置的设计思想，使得复杂的算法得以在保护装置中。
随着变压器主保护的研究不断取得进展，变压器后备保护的研究和应用也日益引起人们的重视。
对于变压器后备保护，由于其原理相对简单、成熟，因此在实现技术方面的研究更为引人关注。
变压器短路故障的后备保护主要包括相间短路、接地短路两个部分。
变压器后备保护在开发和应用中面临的突出问题是，后备保护的配置
与变压器的容量、电压等级、运行方式以及所接电源和负载的情况等诸多因素有关，就目前来说，如何提高后备保护的适应性，是现阶段的研究重点。
母线保护的研究现状和发展
母线保护的发展经历了电磁型、晶体管型、集成电路型到微机型几个发展阶段。
其中电磁型、晶体管型母线保护虽仍有应用，但是已逐步被淘汰，目前母线保护正由集成电路型逐步向微机型过渡。
按照母线保护装置的输入阻抗值的大小，则可分为低阻抗型母线保护（一般为几欧姆），中阻抗型母线保护（一般为几百欧姆），高阻抗型母线保护（一般为几千欧姆），其中，低阻抗型母线保护接线简单，可瞬时动作，是工程应用最为广泛的一种母差保护。
近年来发展迅速的微机型母线保护，相对于其他类型的母线保护，它有着不可比拟的优势。
其最主要的特点是充分利用了计算机进行数字计算的能力，方便地实现带比率制动特性的电流瞬时值差动保护原理，而且，微机母线保护对TA饱和具有独特的检测方法，抗饱和能力强，对双母线接线方式而言具有自适应能力，可自动识别母线运行方式；同时微机母线保护具有自检功能，可靠性也得到进一步的提高；更重要的是，微机母线保护具有通信接口，可方便地与监控系统互联来完成信息的远传与远控，实现自动化。
当然，微机母线保护具有调试整定方便的优点也是不言而喻的，因此，母线保护和其他类型的元件保护一样，采用微机型的保护是大势所趋和发展方向。
综上所述，本次设计我选用新型的成套微机保护装置，组成变电站微机综合保护自动化系统，下图为其结构图：
图1.1变电站微机综合保护自动化系统的模块结构
1变压器微机保护设计
变电站一次部分设计基本数据
表2.1三相短路电流计算结果
运行方式
电
压
等
级
短
路
点
三相短路电流
三相短路全电流冲击值
（KA）
冲击电流
有效值
（KA）
三相短
路容量
（KVA）
标幺值
有名值（KA）
最大运
行方式
220KV
K1
30.4878
7.6533
20.5614
12.3879
3048.858
110KV
K2
21.5983
10.843
29.1361
17.5514
2156.832
10KV
K3
17.6210
96.890
260.350
156.830
1762.090
最小运
行方式
220KV
K1
30.4878
7.6533
20.5614
12.3879
3048.858
110KV
K2
19.6734
9.8772
26.5360
15.9876
1967.340
10KV
K3
15.4488
84.946
228.251
137.498
1544.880
表2.2单相接地短路电流计算结果
运行方式
电压等
级
短
路
点
单相短路电流
单相短路全电流冲击值
（KA）
冲击电流
有效值
（KA）
单相短
路容量
（MVA）
标幺值
有名值（KA）
最大运
行方式
220KV
K1
39.0523
9.8030
26.3407
15.8675
3905.238
110KV
K2
31.7296
15.9296
42.8029
25.7843
3172.951
10KV
K3
23.2612
127.904
343.679
207.031
2326.130
最小运
行方式
220KV
K1
37.9750
9.5326
25.0142
15.4299
3797.518
110KV
K2
28.6230
14.370
38.6126
23.2600
2862.301
10KV
K3
22.6057
124.299
333.990
201.196
2260.568
表2.3两相接地短路电流计算结果
运行方式
电压等级
短
路
点
两相短路电流
两相短路全电流冲击值
（KA）
冲击电流
有效值
（KA）
两相短
路容量
（MVA）
标幺值
有名值（KA）
最小运
行方式
220KV
K1
26.4032
6.6280
17.8067
10.7282
2640.388
110KV
K2
17.0377
8.5539
22.9809
13.8457
1703.766
10KV
K3
13.3791
73.565
197.671
119.077
1337.905
表2.4LB-220（W）型电流互感器主要技术参数
型号
技术参数
额定电流比
级次组合
动稳定电流（KA）
3S热稳定电流（KA）
LB-220（W）
800/1
D/0.2
100
40
表2.5LGB-110型电流互感器主要技术参数
型号
技术参数
额定电流比
准确级
动稳定电流（KA）
3S热稳定电流（KA）
LGB-110
2000/5
5P
125
31.5
表2.6LDJ-10型电流互感器主要技术参数
型号
技术参数
额定电流比
准确级
动稳定倍数Kd
4S热稳定倍数Kt
LDJ-10
15000/5
5P
15
40
220kV侧电压互感器的选择
表2.7TYD220-0.01H电压互感器主要技术参数
型号
额定电容（uF）
电压额定比
额定容量
TYD220-0.01H
0.01
220000/
:
100/
:
100
0.2级
0.5级
3级
150VA
200VA
100VA
110kV侧电压互感器的选择
表2.8TYD110-0.02H电压互感器主要技术参数
型号
额定电容（uF）
电压额定比
额定容量
TYD110-0.02H
0.02
110000/
:
100/
:
100
0.2级
0.5级
3级
150VA
200VA
100VA
10kV侧电压互感器的选择
表2.9JSZ-10电压互感器主要技术参数
型号
最大容量
类别
电压额定比
额定容量
JSZ-10
1500VA
户内
10000/
:
100/
:
100/
0.2级
0.2级
0.2级
200VA
200VA
200VA
变压器故障类型及相应保护
根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB50062-92第4.0.1节对电力变压器的下列故障及异常运行方式，应装设相应的保护装置：
绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路；
绕组的匝间短路；
外部相间短路引起的过电流；
中性点直接接地电力网中外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；
过负荷；
油面降低；
变压器温度升高或油箱压力升高或冷却系统故障。
对变压器引出线、套管及内部的短路故障。
对于10MVA及以上的单独运行变压器和6.3MVA及以上的并列运行变压器，应装设纵联差动保护。
对于10MVA以下的变压器宜装设电流速断保护和过电流保护。
在2MVA及以上的变压器，当电流速断灵敏系数不符合要求时，宜装设纵联差动保护。
各项保护装置应动作于断开变压器的各侧断路器。
对由外部相间短路引起的变压器过电流，应装设过电流保护装置。
保护装置动作后，应带时限动作于跳闸，三线圈变压器，宜装于主电源侧及主负荷侧。
主电源侧的保护应带两段时限，以较短的时限断开未装保护侧的断路器。
按照规范要求对变压器保护应设置相应的保护，反应变压器绕组、引出线上的各种短路故障的纵差保护；为防止外部短路引起的过电流和作为变压器纵差保护、瓦斯保护的后备保护设置过流保护。
主变压器保护配置方案与选型
电力变压器是电力系统之中十分重要的电气设备，发生故障将给电力系统的运行带来严重的后果，将引起系统大面积的停电，危及变电站安全，甚至可能使部分系统瘫痪，为了保证变压器的安全运行和防止扩大事故，装设灵敏、快速、可靠和选择性好的微机保护是极为重要的。
主变压器保护配置方案
变压器可能发生的故障可分为内部故障和外部故障。
内部故障指的是箱壳内部发生的故障，有绕组的相见短路故障、单相绕组匝间短路故障、单相绕组和铁芯间绝缘损坏而引起的接地短路故障、绕组的断线故障等。
外部故障指的是箱壳外部绕组引出线间的各种相见短路故障和引出线因绝缘套管闪络或破碎通过箱壳发生的单相接地故障。
微机保护装置和微机监控系统具有很强的抗电磁干扰及抗谐波干扰能力，并有防止雷电冲击和系统过电压的措施，输入偷出同路设有光电隔离设施和防止接点抖动的措施；微机保护装置具备集保护、监测、控制、通讯于一体的功能，并具有独立性，在不与微机监控设备联用时能独立运行。
根据DL400--91《继电器保护和安全起动装置技术规程》的规定：
主保护
1）差动速断、比率差动保护：
保护动作跳开主变压器各侧断路器。
2）非电量保护：
按主变压器厂的要求，装设瓦斯保护、压力释放、过温保护等非电量保护。
跳闸型非电量瞬时或延时跳闸，信号型非电量瞬间发信号。
跳闸型非电量保护出口继电器动作时间范围为10～35ms，当其电压低于额定电压55%时应可靠不动作。
后备保护
1）高压侧配置复合电压闭锁过流保护，保护动作延时跳开主变压器各侧断路器；配置中性点间隙电流保护、零序电压保护，保护动作延时跳开主变压器各侧断路器；配置零序电流保护，保护动作第一时限跳高压侧母联（分段）断路器，第二时限跳开主变压器各侧断路器。
2）中压侧配置复合电压闭锁过流保护。
保护为二段式，第一段第一时限跳段断路器，第二时限跳开本侧断路器；第二段延时跳开主变压器各侧断路器。
低压侧配置时限速断、复合电压闭锁过流保护。
保护为二段式，第一段第一时限跳分段，第二时限跳开本侧断路器；第二段第一时限跳分段断路器，第二时限跳开本侧断路器；第三时限跳开主变压器各侧断路器。
各侧均配置过负荷保护，保护动作于发信号
主变压器保护配置选型
综合考虑变电站电压等级、重要程度、可靠性等因素，本设计选用许继WBH-801A变压器保护装置作为主变的电气量保护装置，为主变压器提供主保护和后备保护。
选用WBH-802A型保护装置作为主变的非电气量保护装置。
为主变压器提供全部非电气量保护。
WBH-801A的保护配置情况见下表：
表2.10主变压器电气量保护配置
保护功能
保护功能
主保护
纵差保护
中压侧保护
相间阻抗保护
差动速断保护
接地阻抗保护
增量差动保护
复压闭锁过流保护
差流越限保护
过负荷
高压侧保护
相间阻抗保护
低压侧保护
复压闭锁过流保护
接地阻抗保护
过负荷
复压闭锁过流保护
过负荷
如上表2.7所示，本次设计中主变的主保护为纵差保护，差动速断保护，增量差动保护和差流越限告警。
主变的后备保护为相间阻抗保护，接地阻抗保护，复压过流保护，零序（方向）过流，过负荷保护。
WBH-802的保护配置情况：
每套WBH-802装置可完成15路非电量保护，其中12路非电量可通过压板投为跳闸或发信，另3路非电量只具有发信功能。
不需要延时跳闸的非电量通过压板直接去跳闸，需要延时跳闸的非电量通过CPU延时后，由CPU发出跳闸信号。
非电量保护动作后，装置自动打印动作信息且可通过通信将信息传至监控系统。
保护逻辑如下图所示：
图2.1非电量保护逻辑框图
主变压器主保护
电流差动保护原理
电流差动保护比较被保护设备各引出线上的电流，规定电流的正方向为流入被保护设备。
当各引出线之间在电路上相连时，被保护设备可看作一个节点。
在正常运行及外部故障时按照基尔霍夫电流定律有
式中，
Id——差动电流
Ij——引出线j上流入被保护设备的相电流
n——引出线个数
上式对被保护设备的每一相都成立。
一般地，我们把各引出线流入被保护设备的总电流称为差动电流；在被保护设备内部故障时，当总短路电流可以在故障点流入地或其他支路（如流入其他相）时有：
式（2.2）
Id=If
式中，If——故障点的总短路电流，以上分析可以得出差动保护的基本判据：
Id>Id0，其中，Id0为差动保护的启动电流。
差动保护的基本原理说明，不考虑TA误差，在正常及外部故障时Id=0，差动保护可靠地不动作；在内部故障时Id≠0，保护可靠地动作；差动保护有绝对地选择性，保护动作不需要延时。
一般内部故障最小短路电流也大于差动电流的启动值，差动保护有很高的灵敏度。
所以，差动保护具有选择性好、灵敏度高、快速性的优点。
装置原理
变压器主保护由纵差保护、差动速断、增量差动和差流越限告警组成。
纵差保护能反应变压器内部所有故障类型，包括变压器内部高（中，低）压侧相间短路故障、高（中）压侧单相接地短路及匝间层短路故障。
增量差动为变压器其他主保护的补充，主要解决变压器轻微的匝间故障，高阻接地故障。
主保护配置原理如下：
纵差保护
纵差保护的电流取自变压器的高压侧CT，中压侧CT和低压侧外附CT，既要考虑励磁涌流和过励磁运行工况，同时也要考虑CT异常、CT饱和、CT暂态特性不一致的情况。
a纵差保护动作方程
Iop为差动电流，Iop.0为差动保护启动电流定值，Ires为制动电路，Ie为差动保护的基准电流（通常以高压侧额定电流为基准），各侧电流的方向都以指向变压器为正方向。
b纵差保护动作特性
图2.2纵差保护动作特性
如上图所示，当制动电流
小于
时，差动保护启动电流定值为
，而差动电流大于该定值时，纵差差动元件才动作；当制动电流
在
和
之间时，而差动电流大于线段ab代表的差动保护启动电流定值
时，纵差差动元件才动作；当制动电流
大于
时，而差动电流大于点b以后代表的差动保护启动电流定值
时，纵差差动元件才动作。
c纵差保护逻辑图
图2.3纵差保护逻辑图
如上图2.13所示，差动出口输出信号需满足：
主保护硬压板（即实际的金属接头压板）投入，主保护软压板（即在微机保护系统中的设置），纵差保护控制字为1，纵差差动启动元件动作，纵差差动元件动作，励磁涌流识别出无涌流，CT断线闭锁差动控制字为1，CT发生异常同时发生时，差动出口才有输出信号；CT异常信号输出信号发生在CT发生异常。
a励磁涌流判据
装置提供两种励磁涌流识别方式，当“二次谐波制动”整定为1时，采用二次谐波原理闭锁，整定为0时，采用波形比较原理闭锁。
式（2.4）
变压器空投时，三相励磁涌流中往往有一相含有大量的二次谐波。
但是，变压器差动保护各侧电流要进行相位调整，相位调整后的电流不再是真实的励磁涌流，电流中的二次谐波含量也会发生变化。
本装置根据变压器的不同工况自动选择电流计算二次谐波含量，如在变压器空载合闸时采用相位调整前的电流计算二次谐波含量，因此，计算励磁涌流的二次谐波含量更加真实，性能更加可靠。
变压器在正常运行时，装置采用差动电流中的二次谐波含量来识别励磁涌流。
判别方程如下：
式中：
为差流中的二次谐波，
为差流中的基波，
为二次谐波系数。
如果某相差流满足上式，同时闭锁三相差动保护。
本装置在采用二次谐波“或”闭锁的同时采用空投主变过程中故障识别专利技术，短时投入按相综合开放判据，既能正确识别励磁涌流，又能在空投故障变压器时快速可靠地开放差动保护，提高在空投变压器于故障时差动保护的动作速度。
本装置根据变压器的不同工况自动选择差动电流或相电流计算波形的不对称度，计算出励磁涌流的波形不对称度更加真实，保护性能更加可靠。
波形比较判别方程如下：
式（2.5）
式中：
为差动电流采样点的不对称度值，
为对应差动电流采样点的对称度值，
为某一固定系数。
如果某相差流满足上式，闭锁本相差动保护。
bCT饱和判据
为防止在变压器区外发生故障等状态下的CT饱和所引起的比率制动式差动保护误动作，本装置设有CT饱和判据。
由铁磁元件的“B-H”曲线可知，区外故障起始时和一次电流过零点附近CT存在一个线性传变区，因此，区外故障CT饱和时，差动电流波形不完整，存在间断。
采用时差法判断出为变压器区外故障后，如果判断出差动电流不完整，存在间断，则闭锁差动保护。
并采用虚拟制动量的CT饱和识别专利技术，既能有效防止区外故障保护误动作，又能保证在区内故障及区外故障发展成为区内故障时保护的快速动作。
cCT异常判据
CT异常判据分为两种情况。
高定值判据：
当差流大于0.2倍的额定电流时，启动CT异常判别程序，满足下列条件认
为CT异常：
✧本侧三相电流中至少一相电流不变；
✧任意一相电流为零。
低定值判据：
满足下列条件认为CT异常，延时10s发CT异常信号：
✧零序电流大于0.1倍的额定电流；
✧任意一相电流为零。
通过定值“CT断线闭锁差动保护”控制CT异常判别出后是否闭锁差动保护。
当“CT断线闭锁差动保护”整定为“0”时，判别出CT异常后不闭锁差动保护，整定为“1”时，判别出CT异常后闭锁差动保护。
差动速断保护
由于比率差动保护需要识别变压器的励磁涌流和过励磁运行状态，当变压器内部发生严重故障时，不能够快速切除故障，对电力系统的稳定带来严重危害，所以配置差动速断保护，用来快速切除变压器严重的内部故障。
当任一相差流电流大于差动速断电流定值时差动速断保护瞬时动作，跳开各侧断路器。
差动速断保护逻辑图如下：
图2.4差动速断保护逻辑图
如上图2.14所示，差动出口输出信号需满足：
主保护硬压板（即实际的金属接头压板）投入，主保护软压板（即在微机保护系统中的设置），差动速断控制字为1，差动速断动作，速断启动元件动作，差动出口才有输出信号。
增量差动保护
增量差动不受正常运行的负荷电流的影响，具有比比率差动更高的灵敏度，由于比率差动保护的制动电流的选取包括正常的负荷电流，变压器发生弱故障时，比率差动保护由于制动电流大，可能延时动作或者不动作。
增量差动主要解决变压器轻微的匝间故障，高阻接地故障。
a动作方程
b动作特性
图2.5增量差动保护动作特性图
如上图2.5所示，当差动电流
大于
且大于
时，增量差动元件动作。
c保护逻辑图
图2.6增量差动保护逻辑图
如上图2.6所示，差动出口输出信号需满足：
主保护硬压板（即实际的金属接头压板）投入，主保护软压板（即在微机保护系统中的设置），增量差动保护控制字为1，增量差动启动元件动作，增量差动元件动作，励磁涌流识别出无涌流，CT断线闭锁差动控制字为1和CT发生异常至少一个不发生时，差动出口才有输出信号；CT异常信号输出信号发生在CT发生异常时。
差流越限保护
当任一套差动保护的任一相差流电流大于0.5倍的该套差动保护启动电流定值时，延时5s报差流越限信号。
差流越限保护逻辑图如下图所示：
图2.7差流越限告警逻辑图
如上图2.7所示，差流越限输出信号的出现需满足：
主保护硬压板（即实际的金属接头压板）投入，主保护软压板（即在微机保护系统中的设置），任一差动保护控制字为1（即纵差差动保护控制字，差动速断保护控制字，增量差动保护），差流越限元件动作，延时5s后，差流越限信号发出。
主变压器各主保护动作关系
纵差保护能反应变压器内部所有故障类型，包括变压器内部高（中，低）压侧相间短路故障、高（中，低）压侧单相接地短路及匝间层间短路故障。
差动速断保护是纵差保护的辅助。
差动速断元件没有制动特性，而且差动速断保护无需识别变压器的励磁涌流和过励磁运行状态，能防止在短路水平高，短路电流很大的情况时，因谐波分量的骤增而使CT饱和，产生很大的制动力矩使差动保护拒
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