110kV变电所继电保护设计及分析最详细.docx

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110kV变电所继电保护设计及分析最详细

毕业设计

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 摘 要 

中国的电力工业作为国家最重要的能源工业，一直处于优先发展的地位，电力企业的发展也是令人瞩目的。

电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，也使得继电保护得以飞速的发展。

本次毕业设计以110KV变电所的变压器、输电线路和电气接线方式作为主要原始数据，本设计围绕110KV变电所的继电保护设计，根据原始资料提供的变电站一次系统图，重点介绍变压器的差动保护和瓦斯保护，及线路的速断保护和过流保护。

通过计算和比较确定了变电站中电气设备的保护和自动装置的初步设计方案和配置选型，确定了保护计算的运行方式。

关键词：

线路继电保护，变压器的继电保护

第一章绪论..........................................................................................4

第二章电气主接线…………………………………………………6

第三章电气设备简介………………………………………………13

第四章继电保护基本知识…………………………………………15

第五章主变压器继电保护……………………………………19

第六章110kV线路继电保护保护…………………………………23

第七章结束语………………………………………………………25

第八章参考文献……………………………………………………26

第一章绪论

第一节电力生产重要特点

电力生产过程有别于其他工业生产过程的一个重要特点，就是它的生产、输送、变换、分配、消费的几个环节是在同一个时间内同步瞬间完成。

电力生产过程要求供需严格动态平衡，一旦失去平衡生产过程就要受到破坏，甚至造成系统瓦解，无法维持正常生产。

随着经济的快速发展，负荷大幅度增加，使得电网规模不断扩大，高电压、大机组、长距离输电、电网互联的趋势，使电网结构越来越复杂，加强电力资源的优化配置，最大限度满足电力需求，保证电网的安全稳定成为人们探讨的问题之一。

虽然系统中有可能遭受短路电流破坏的一次设备都进行了短路动、热稳定度的校验，但这只能保证它们在短时间内能承受住短路电流的破坏。

时间一长，就会无一例外地遭受破坏。

而在供电系统中，要想完全杜绝电路事故是不可能的。

继电保护是一种电力系统的反事故自动装置，它能在系统发生故障或不正常运行时，迅速，准确地切除故障元件或发出信号以便及时处理。

可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生，都有极其重要的作用。

因此设置一定数量的保护装置是完全必要的，以便在短路事故发生后一次设备尚未破坏的数秒内，切除短路电流，使故障点脱离电源，从而保护短路回路内的一次设备，同时迅速恢复系统其他正常部分的工作。

随着变电站继电保护技术进一步优化，大大提高了整个电网运行的安全性和稳定性，大大降低运行检修人员的劳动强度，继电保护技术将引起电力行业有关部门的重视，成为变电站设计核心技术

第二节 系统资料  

一，研究背景 随着我国国民经济的持续发展，电网装机容量迅速增长，电力供应紧张状况已暂时得到缓解。

但是因为我国配电网较薄弱，因此仍难以满足用户对供电质量的要求。

而变电站是电力系统组成的一个重要环节，是电力网中线路的连接点，其作用是变换电压、汇集和分配电能。

变电站能否正确运行关系到电力系统的稳定和安全问题，因此对变电站的合理设计就显得十分重要了。

二、系统资料 110kV降压变电站是某一区域的主要电源，担负着区域内各类负荷的供电任务。

该站通过两回110kV输电线路与150km外的容量为1600MVA的系统相连，该系统在最大运行方式下的电抗为0.2（以系统容量为基准）；在最小运行方式下的电抗为0.3

第二章电气主接线

电气主接线是变电所电气设计的重要部分，也是构成电力系统的重要环节。

电气主接线对电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。

变电站主接线根据变电站在电力系统中的地位、负荷性质、出线回路数等条件和具体情况确定。

通常变电站主接线的高压侧，应尽可能采用短路器数目教少的接线，以节省投资，变电站低压侧应采用单母分段接线，以便于扩建。

对本变电所进行分析，结合对电气主接线的可靠性、灵活性及经济性等基本要求，综合考虑。

在满足技术、经济政策的前提下，力争使其技术先进，供电可靠，经济合理的主接线方案。

此主接线还应具有足够的灵活性，能适应各种运行方式的变化，且在检修、事故等特殊状态下操作方便、调度灵活、检修安全、扩建发展方便。

第一节 变压器的选择      

变压器作为电力系统中电能传输的一个重要环节，其功能主要是实现升压或降压，以利于电能的合理输送、分配和使用。

对变电站主接线的形式及其可靠性与经济性有重要影响。

所以，正确合理地选择变压器的类型、台数和容量，是主接线设计中的一个主要问题。

一、 变压器的类型选择 

变压器类型选择包括确定变压器的相数、调压方式、绕组形式、绝缘及冷却方式、连接组别等，并应优先选用技术先进、高效节能、免维护的新产品。

 目前，在国内外电网中，330kV 及以下的电力系统，主变压器一般采用三相式变压器。

因为单相变压器组相对来讲，投资大、占地多、运行损耗也较大，同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。

 本设计为110kV地区降压变电站，具有三种电压等级，因此考虑采用三绕组变压器。

二、变压器的台数与容量选择 

（一）、确定主变压器数量 因为变电站是单侧电源供电，且有一、二类重要负荷，考虑到单台变压器供电难以满足可靠性的要求。

因此，在充分考虑供电可靠性的前提之下，本110kV降压变电站计划装设两台并联运行的主变压器。

（二）、选定变压器容量 变电站有35kV、10kV两个电压等级用户，35kV、10kV的最大负荷分别为：

  S35 = 36MVA； S10 = 10MVA；  考虑负荷的同时系数 K1 = 0.85；线路损耗为5%，即K2 = 1.05；功率因数0.8cos，则35kV和10kV的综合最大负荷分别为：

 s35max=32.13（MVA）s10max=11.156（MVA） 一般而言，电网的变电站约有25%的非重要负荷，为满足当一台变压器停用时， 能够保证对60%的负荷供电；此外，为保证变压器在事故时，仍能保证对84%的负荷供电，要求变压器的过负荷能力达到40%以上。

第二节 电气主接线的设计原则  

电气主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。

它的确定主对电力系统有着非常大的影响。

可以说是电力系统的关键组成部分。

因此必须通过多方面的比较，确定合理的主接线方式。

一、主接线设计的设计依据 

（一） 变电站在电力系统中的地位和作用 电力系统中的变电站有系统枢纽变电站、地区重要变电站和一般变电站三种类型。

根据所要建设的变电站的重要性来对该所进行主接线方式各方面的确定。

（二） 变电站的分期和最终规模建设 变电站根据5～10年电力系统发展规划进行设计。

（三） 负荷大小和重要性 

1、对于一级负荷，必须有两个独立的电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电 。

2、对于二级负荷，一般要有两个独立电源供电，且当任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷的供电。

3、对于三级负荷一般只需一个电源供电。

二、主接线设计的基本要求 主接线应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求 

（一） 可靠性 供电可靠性是电力生产荷分配的首要要求，主接线首先应满足这个要求。

 主接线可靠性的具体有以下几点：

 1、断路器检修时，不宜影响对系统的供电； 2、断路器或者母线故障一级母线检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间，并要保证对一级负荷及全部或大部分二级负荷的供电； 3、尽量避免变电站全停电的可能性。

（二） 灵活性 主接线应满足再调度、检修及扩建时的灵活性。

 1、调度时，应可以灵活的投入和切除变压器和线路，调配电源和负荷，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。

 2、检修时，可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不致影响电网的运行和对用户的供电。

 3、扩建时，可以容易地从初期接线过渡到终期接线

（三） 经济性  是主接线在满足可靠性、灵活性要求得前提下做到经济合理。

1、投资省 

（1） 主接线力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备； 

（2） 要能使继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆； （3） 要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器。

2、占地面积少 主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积小。

3、电能损失少 经济合理的选择主变压器的种类、容量、数量，要避免因两次变压而增加电能损失。

 此外，在系统规划中，要避免建立复杂的操作枢纽，为简化主接线，变电站接入系统的电压等级一般不超过两种

第三节主接线方案的选择比较     

 查阅《电力工程电气设计手册-1》[2]P50，因为在前面的主变压器的选择中选了两台主变，因此，可以考虑采用桥行接线的方式。

桥形接线分为内桥形、外桥形接法两种。

而对于35kV、10kV侧而言，则具有单母线分段及单母线分段兼旁路断路器的接线形式。

为保所选定的主接线方式可靠、灵活又经济，下面就对前述几种接法的优缺点进行比较，从而最终确定主接线方式。

一、 110kV 侧母线接线形式 

（一） 内桥形接线 1、 优点：

高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器。

 2、 缺点：

（1）、变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路暂时停运； 

（2）、连接桥断路器检修时，两个回路需解列运行； （3）、出线断路器检修时，线路要在此期间停运。

 内桥接线简单，使用设备少（相对于单母分段接线少用两台断路器），造价低，有一定的可靠性与灵活性，易发展。

但只适用于容量小的发电厂、变电站，并且变压器不经常切换或线路较长、故障率较高的情况。

（二） 外桥接形线 1、 优点：

  同内桥形接线 2、 缺点：

（1）、线路的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，并有一台变压器暂时停运； 

（2）、桥连断路器时，两个回路需解列运行。

 （3）、变压器侧断路器检修时，变压器需较长时期停运。

 外桥适用于较小容量的发电厂变电所，并且变压器的切换较频繁或线路较短，故障率较小的情况。

此外，当线路有穿越功率时，也宜采用外桥形接线方式。

  综合以上两种接线方式的优缺点，同时结合目前电网运行当中的经验，参照当前变电站的普遍的接线形式，决定110kV母线接线方式采用内桥形的接线方式（因为内、外桥形接法所用的设备数量是一样的，因此就不需再进行经济性的比较了）。

二35kV，10kV侧母线接线形式                             

（一） 单母分段接线 

1、 优点：

用断路器把母线分段后，对重要用户，可从不同段引出两个回路，两个电源供电；当一段母线发生故障时，分段断路器能自动将故障切除，保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。

2、 缺点：

当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期内停电；当出线为双回路时，常使架空线出现交叉跨越；扩建事需要向两个方向均衡扩建。

 单母分段接线同样具有接线简单清晰、投资经济、运行操作方便的优点；可靠性也有一定的提高；同时它还适用于10kV配电出线回路数为6回，35kV出线回路数为4回的变电站。

（二）单母分段兼旁路断路器接线 单母分段接线简单清晰，运行方便，有了分段断路器兼旁路母线，检修与它相连的任一回路的断路器时，该回路便可以不停电，从而提高供电的可靠性。

这样不需增设专用旁路断路器，可以减少投资。

  综合以上两种接线方式的优缺点，同时结合目前电网运行当中的经验，单母分段的运行方式已普遍运用于目前变电站35kV、10kV侧，可靠性、灵活性以得到充分的肯定，因此决定35kV、10kV母线接线方式采用单母分段的接线方式（因为35kV、10kV出线的数量是一定的，所以若采用带旁母的接线方式的话，必定会增加投资，因此在经济性方面，单母分段接线方式要比单母分段兼旁路断路器的接线方式更能节省投资）。

第三章电气设备简介

一、主变压器

主变压器参数：

型号

接线组别

额定电压

容量

分接开关型号

XXZ9-4000/110

Yn-yno-d11

110/38.5/10.5KV

40MVA

UCGKN380/300/CS

二、高压断路器

高压断路器选择如下表：

电压等级

110kV

35kV

10kV

断路器型号

3AP1FG

ZN91-40.5

VD4M1225-40

额定电流

4000A

1600A

2500A

开断电流

40kA

25kA

40kA

三、互感器的选择

1、电流互感器主要参数的选择：

互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等一次设备获取电气一次回路信息的传感器。

互感器将高电压、大电流按比例变成低电压（100、100/

V）和小电流（5、1A）。

电流互感器的二次侧绝对不能够开路。

电压互感器的二次侧绝对不能够短路。

电流互感器一次电流选择应遵循以下原则：

①一次电流应满足负荷要求,并在标准值中选取。

②一次电流应使在正常运行情况下，二次输出电流满足保护装置和测量、计量仪表准确度要求。

⑴110kV线路独立电流互感器的选择：

LB6—110W，额定电流比2*600/5、2*300/5；准确次级10P20，0.2；

⑵#1主变三侧电流互感器：

110KV侧：

LRB-110额定电流比600/5；准确次级10P20,0.5；

35KV侧：

LDJ1-40.5/300额定电流比1200/5；准确次级5P10；

LZZBJ9-35额定电流比800/5；准确次级10P20,0.5；

10KV侧：

LZZBJ9-10额定电流比2500/5；准确次级5P20,0.5；

⑶10KV线路及电容器电流互感器：

LZZBJ9-10，额定电流比600/5；准确次级10P20,0.5。

2、电压互感器参数的选择

⑴电压互感器应按下表所列技术条件选择：

项目

参数

技术条件

正常工作条件

一次回路电压、二次电压、二次负荷、准确度等级

承受过电压能力

绝缘水平、泄露比距

环境条件

环境温度、相对湿度、海拔高度、最大风速、污秽

⑵电压互感器选择结果：

型号

额定电压（KV）

初级绕组

次级绕组

剩余电压绕组

TYD110/

-0.02H

110/

0.1/

0.1/

0.1

JDZX9-35W2

35/

0.1/

0.1/

:

0.1/3

JDZX16-10G

10/

0.1/

0.1/

:

0.1/3

第四章继电保护基本知识

一、继电保护的基本任务：

继电保护整定计算的基本任务，就是要对各种继电保护给出整定值；而对电力系统中的全部继电保护来说，则需编制出一个整定方案。

整定方案通常可按电力系统电压等级或设备来编制，并且还可以按继电保护的功能划分成小的方案分别进行。

 各种继电保护适应电力系统运行变化的能力都是有限的，因而，继电保护整定方案不是一成不变的。

随着电力系统运行情况的变化（包括基本建设发展和运行方式变化），当其超出预定的适应范围时，就需要对全部或部分继电保护重新进行整定，以满足新的运行需要。

对继电保护整定方案的评价，是以整体保护效果的优劣来衡量的，并不着眼于某一套继电保护的保护效果。

有时以降低某一个保护装置的保护效果来改善整体保护的保护效果，也是可取的。

一个整定方案因为整定配合的方法不同，会有不同的保护效果。

因此，如何获得一个最佳的整定方案，将是从事继电保护整定计算工作的工程技术人员的研究课题，这是个整定技巧问题。

经过不断实践，若能比较熟练地运用各种整定原则和熟知所保护地电力系统运行特征时，就能做出比较满意地整定方案。

必须指出，任何一种保护装置地性能都是有限的，或者说任何一种保护装置对电力系统的适应能力都是有限的。

当电力系统的要求超出该保护装置所能承担的最大变化限度时，该保护便不能完成任务了。

总之，继电保护整定计算既有自身的整定技巧问题，又有继电保护的配置与选型问题，还有电力系统的结构和运行问题。

因此，整定计算要综合、辩正、统一的运用。

二、继电保护基本原理

当电力系统发生故障时，总是伴随有电流的增大、电压的降低及电流和电压之间相位角的变化等物理现象。

因此，便可利用这些物理量的变化，构成各种不同原理的继电保护。

例如：

利用短路时电流增大的特征可构成过电流保护，过电流保护反应于电流的增大而动作；利用电压的特征，可构成低电压保护，低电压保护反应于电压的降低而动作；利用电压和电流比值的变化，可构成低阻抗保护（距离保护），这种保护反应于测量阻抗的减小（或短路点到保护安装地点之间的距离）而动作；利用电压和电流之间相位关系的变化，可构成方向保护；利用比较被保护设备各端的电流大小和相位的差别可构成差动保护等等。

此外，也可根据电气设备的特点实现反应非电量变化的保护。

例如反应变压器油箱内部故障的瓦斯保护。

三、继电保护分类：

1、按被保护的对象分类：

输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；

2、按保护原理分类：

电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；

3、按保护所反应故障类型分类：

相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；

4、按继电保护装置的实现技术分类：

机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；

5、按保护所起的作用分类：

主保护、后备保护、辅助保护等；

主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护；

后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。

又分为远后备保护和近后备保护两种；

①远后备保护：

当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护；

②近后备保护：

当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护；

③辅助保护：

为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护；

四、继电保护的基本要求：

对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：

选择性、速动性、灵敏性、可靠性。

（一）选择性：

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，以尽量缩小停电范围。

（二）速动性：

即快速切除故障。

快速切除故障的优点：

1、提高系统稳定性；2、减少用户在低电压下的动作时间；3、减少故障元件的损坏程度，避免故障进一步扩大。

（三）灵敏性：

指在规定的保护范围内，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。

（四）可靠性：

指发生了属于它该动作的故障，它能可靠动作，即不发生拒绝动作（拒动）；而在不该动作时，他能可靠不动，即不发生错误动作（简称误动）。

上述四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，也是贯穿全课程的一个基本线索。

在它们之间既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。

第五章主变压器的继电保护

一、变压器保护配置原则：

变压器是现代电力系统中的主要电气设备之一 电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。

同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件。

按照现在制造的电力变压器的结构，变压器的可靠性很高。

但是，因为变压器发生故障时造成的影响很大，故应加强其继电保护装置的功能，以提高电力系统的安全运行水平。

针对变压器的故障和异常工作情况，根据其容量和重要程度，装设动作可靠，性能良好的继电保护装置，一般包括：

（一）反映内部故障和油面降低的非电气量（气体）保护，又称瓦斯保护； 

（二）反应变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵联差动保护，或电流速断保护； 

（三）反应变压器外部相间短路时的过电流保护，复合电压起动的过电流保护，负序电流及单相式低电压起动的过电流保护，阻抗保护等； 

（四）反应中性点直接接地系统中外部接地短路的变压器零序电流保护； 

（五）反应大型变压器过励磁的变压器过励磁保护及过电压保护； 

（六）反应变压器过负荷的变压器过负荷保护; 

（七）反应变压器非全相运行的非全相保护等

采用微机保护装置：

RCS-9671（差动保护）、RCS-9681（高后备）、RCS-9682（中后备）、RCS-9682（低后备）、RCS-9661（非电量）。

对保护装置的要求：

动作要可靠，动作速度要快，应能有选择地动作，应有足够的灵敏度。

二、主变参数：

型号：

SSZ9-40000/110；

变比：

110±8*1.25%/38.5±2*2.5%/10.5kV；

接线组别：

Yn,yn0,d11；

额定电流：

209.9/599.8/2199.4A；

容量：

S=40MVA，

短路阻抗：

Uk1-2%=10.41%；Uk1-3%=17.53%；Uk2-3%=6.49%；

零序阻抗：

Z0=45.8Ω；

计算得：

X1=0.2681；X2=0.0788；X3=0.3003；X0=0.3463；

三、#1主变保护计算：

1、差动保护计算：

高压侧：

600/5（表计400/5）；中压侧：

1200/5（表计800/5）；低压侧：

2500/5。

差动电流起动值Iqd：

取变压器额定电流的50%。

速断动作电流ISD：

躲变压器励磁涌流，取8Ie。

二次谐波制动系数：

取0.15。

比率差动制动系数：

取0.55。

CT断线报警门槛值:

0.1Ie.

平衡系数计算:

Kph1=U1n*CT11/S=110*600/40000=1.65

Kph2=U2n*CT21/S=38.5*1200/40000=1.155

Kph3=1.732*U3n*CT31/S=10.5*2500/40000=1.137

区外故障时的最大不平衡电流计算:

Ibp=Kk*（Ktx*Δfi*Idmax+ΔU1*Idmax+Δfi*Idmax）

=1.3*（0.1*4198/240*1.155+0.1*1351/120*1.65）

=5.04A/2.887=1.75Ie

Ir=0.5*（1351*1.65/120+4198*1.155/240）A=19.4A=6.716IeKbl=（1.75-1.875）/（6.716-3）=-0.034<1所以，落在制动区；

区内故障灵敏度计算:

Id=416/120*1.65=5.72A=1.98Ie

Ir=0.5*416/120*1.65=2.86A=0.99In

Kbl=1.98-0.5/0.99-0.5=3.02落于动作区内

Iop=（0.99-0.5）*0.55+0.5=0.77AKlm=2.57满足要求

2、后备保护计算：

a、110kV侧后备CT：

600/5

复合序电压闭锁过流：

75V6V

Idz=（1.25/0.85*210）/120=3.86A取4A

2.3秒跳1#主变三侧开关。

过负荷保护：

Idz=（1.05/0.85*210）/120=3.24A取3.2A

零序电流保护CT：

200/5停用。

b、35kV侧后备CT：

1200/5

复合序电压：

75V、6V

电流：

Idz=1.25/0.85*600/240=3.68A取3