完整版110kV地区变电站继电保护设计毕业设计.docx

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完整版110kV地区变电站继电保护设计毕业设计

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1前言1

2方案比较3

3确定运行方式4

3.1标幺值计算4

3.2短路电流的计算5

3.3确定运行方式10

4短路计算10

5继电保护的配置13

5.1继电保护的基本知识13

5.2发电机的保护配置16

5.2.1发电机纵联差动保护16

5.2.2发电机过电流保护17

5.3变压器的保护配置18

5.3.1变压器过负荷保护整定计算18

5.3.2变压器过电流保护整定计算18

5.3.3瓦斯保护……………………………………………………………19

5.4母线的保护配置20

5.4.1母线完全差动保护20

6结论21

7参考文献23

前言

1、原始资料

1.发电厂情况

（1）类型：

水电厂

（2）发电厂容量与台数：

，发电机电压：

（3）发电厂年利用小时数

（4）发电厂所在地最高温度40℃，年平均温度20℃，气象条件一般，所在地海拔高度低于1000m

2.电力负荷情况

（1）发电机电压负荷：

最大12MW，最小4MW，，

（2）35KV电压负荷：

最大90MW，最小10MW，，

（3）其余功率送入110KV系统，系统容量5000MVA。

归算到110KV母线阻抗为0.02，其中。

（4）自用电4％。

（5）供电线路数目

发电机电压10.5KV，架空线路4回，每回输送容量4MW，。

35KV架空输电线路4回，每回输送容量40MW，。

110KV架空线路2回，与系统连接。

二、电气主接线图

2方案比较

本次毕业设计的主要内容是对水电厂变压器和母线继电保护的配置。

可以依据继电保护配置原理，根据经验习惯，先选择出保护方案，通过论证比较后认可其中的一套方案，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。

方案一

保护对象

主保护

后备保护

变压器

纵联差动保护、瓦斯保护、零序电流差动保护

过电流保护、过负荷保护

母线

35KV

单母线电流差动保护

10KV

单母线电流差动保护

输电线路

110kV侧

距离保护I段

距离保护III段

其它

电流速断保护（I段保护）

过电流保护（III段保护）

方案二

保护对象

主保护

后备保护

变压器

电流速断保护

过电流保护、过负荷保护

母线

35KV

单母线电流差动保护

10KV

单母线电流差动保护

输电

线路

110kV

距离保护I段

距离保护III段

其它

电流速断保护（I段保护）

过电流保护（III段保护）

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，所以我们使用纵差动保护作为变压器的主保护，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。

考虑到有110kV高压等级，变压器也采用零序电流差动保护。

而过电流保护和过负荷保护作为差动保护。

对于400kV以上的变压器，当数台并列运行或单独运行时，应装设过负荷保护。

为了防止变压器外部短路，并作为内部故障的后备保护，一般在变压器上应装设过电流保护。

对单侧电源的变压器，保护装置的电流互感器应安装在电源侧，以便发生变压器内部故障而瓦斯保护或差动保护拒动时，由过电流保护整定时限动作后，作用于变压器各侧的断路器跳闸。

而对于母线保护的配置，一般地不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以切除故障，但利用供电元件的保护装置切除母线故障时，故障切除时间长，所以有时需装设专门的母线保护。

比如：

110kV及以上的双母线或分段单母线。

110kV、35kV母线或重要变电所母线，为满足全线速动要求时。

本设计双母线采用电磁型比相式电流差动保护，而35kV、10kV母线均采用了单母线电流差动保护。

对于出线部分首先考虑的是电流速断保护作为主保护，而过电流保护作为后备保护。

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。

3确定运行方式

3.1标幺值计算

本次设计中取=100MVA,.

系统S1的电抗标幺值，系统S2的电抗标幺值。

各元件的电抗标幺值计算如下：

变压器的各绕组短路电压分别为：

所以，变压器的电抗值为

变压器=

3.2短路电流的计算

110kV电力系统正常运行时，系统存在二种运行情况，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。

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。

图3.1S1、S2运行时短路情况

当K1发生短路时：

1.所以，K1点发生短路时的等值网络如图3.2所示。

图3.2K1点发生短路时的等值网络

网络中间接点消去法，简称法

G1对短路点K1的计算电抗为：

G2对短路点K1的计算电抗为：

系统S对短路点K1的计算电抗为：

查表得：

标幺值：

系统S：

G2：

G2和S提供的：

当K2发生短路时

所以，K2点发生短路时的等值网络如图3.3所示。

图3.3K2点发生短路时的等值网络

同理用法计算，

G1对短路点K2的计算电抗为：

G2对短路点K2的计算电抗为：

S对短路点K2的计算电抗为：

G2和S提供的:

当K3发生短路时

所以，K3点发生短路时的等值网络如图3.4所示。

图3.4点发生短路时的等值网络

G1对短路点K3的计算电抗为：

G2对短路点K3的计算电抗为：

S对短路点K3的计算电抗为：

当K4发生短路时

所以，K3点发生短路时的等值网络如图3.4所示

G3对短路点K3的计算电抗：

S对短路点K3的计算电抗:

表3.1短路电流表

短路点

短路点总电流kA

K1处短路

有名值kA

5.53

有名值kA

0.23

有名值kA

3.4

9.16

K2处短路

有名值kA

3.77

有名值kA

0.103

有名值kA

1.522

5.395

K3处短路

有名值kA

0.99

有名值kA

1.15

有名值kA

52.14

K4处短路

有名值KA

有名值kA

（二）S1、B1运行，S2、B2停运。

图3.5S1、B1运行时短路情况

同理算得其短路电流大小

表3.2短路电流表

短路点

系统S1

K1处短路

有名值kA

29.532

K2处短路

有名值kA

8.38

K3处短路

有名值kA

18．514

（三）S2、B1运行，S2、B2停运。

图3.6S2、B2运行时短路情况

同理算得其短路电流大小

表3.3短路电流表

短路点

系统S1

K1处短路

有名值kA

12.085

K2处短路

有名值kA

19.093

K3处短路

有名值kA

14.063

3.3确定运行方式

由3.2节的计算过程，统计系统各短路点短路时的短路电流如表3.4。

表3.4各短路点短路时的电流总结表

运行方式

K1处短路时的短路电流kA

K2处短路时的短路电流kA

K3处短路时的短路电流kA

两台发电机同时运行

30.831

20.686

42.402

S1、B1运行，S2、B2停运

29．532

8．38

18．514

S2、B1运行，S1、B2停运

12．085

19．093

14．063

综上所述：

系统S侧（处短路时）的最大运行方式为：

两台发电机同时运行

最小运行方式为：

S1、B1运行，S2、B2停运。

最小运行方式下的两相短路电流：

4短路计算

110kV侧线路保护整定

最大运行方式下：

图4.1最大运行方式下110kV侧出线短路情况

最小运行方式下

图4.1最小运行方式下110kV侧出线短路情况表4.1110kV侧出线短路电流

1.168

0.876

1.804

1.78

1.226

0.934

3.003

2.714

1.284

0.992

2.081

1.873

0.58

0.4

4.604

4.219

35kV侧出线短路计算

同理可以算出35kV侧出线短路电流情况。

表4.235kV侧出线短路电流

0.273

2.634

0.234

5.825

3.528

0.492

4.645

3.016

0.341

3.344

2.338

0.326

4.645

3.016

0.496

4.226

2.815

10kV侧出线短路计算

同理可以算出10kV侧出线短路电流情况。

表4.310kV侧出线短路电流

）

0.275

1.653

1.364

0.129

1.875

1.538

0.129

2.58

2.073

0.275

2.172

1.766

0.129

1.474

1.222

0.259

2.172

1.766

0.129

2.172

1.766

0.259

2.172

1.766

5继电保护的配置

5.1继电保护基础知识

5.1.1继电保护的基本要求

对动作于跳闸的保护装置应该满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求，四个要求之间相互制约，对立统一，在继电保护的各个环节都应根据运行的需要协调四者之间的关系。

1.选择性

继电保护动作的选择性是指电力系统有故障时，应由距故障点最近的保护装置动作，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。

2.速动性

快速的切出故障可以提高电力系统并联运行的稳定性，减少用户在电压降低情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。

因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作并切除故障。

3.灵敏性

继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生任何故障或不正常运行状态的反应能力，满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先要求的保护范围内部故障时，不论短路点的位置、短路类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能敏锐感觉、正确反应。

4.可靠性

保护装置的可靠性是指在该保护装置的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护装置不应该动作的情况下，则不应该误动作。

可靠性主要取决于保护装置本身的质量和运行维护水平。

一般来说，保护的原理完善，装置组成元件的质量越高、接线越简单、模拟式保护回路中继电器的接点数量越少，保护装置的工作就越可靠。

同时，精细的制作工艺、正确的调整实验、良好是运行维护以及丰富的运行经验，对于提高保护的可靠性也具有重要的作用。

以上四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，也是贯穿整个课程设计的基本路线。

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。

继电保护的设计主要围绕着如何处理好这四个基本要求之间的辩证统一关系而进行的。

选择设计继电保护的方式除了应满足上述的四个基本要求外，还应考虑经济条件。

但首先应从国民经济的整体利益出发，按被保护元件在电力系统中的作用和地位来确定保护方式，而不能只从保护装置本身的投资来考虑，这是因为保护不完善或不可靠而给国民经济造成的损失，一般远远高于即使是最复杂的保护装置的投资。

但是要主意对较为次要的数量很多的电气元件（如低压配电线路、小容量电动机），也不应该装设过于复杂的和昂贵的保护装置。

5.1.2继电保护的作用

电力系统继电保护是电力系统安全运行的重要保证，继电保护的整定计算是保证保护装置正确可靠工作的基础。

目前，继电保护技术发展趋势已经向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

继电保护装置，是指能反映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）自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；

（2）反应元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件（例如有无经常值班人员），而动作于发出信号、减负荷或跳闸。

此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的时延，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。

因继电保护主要反应短路故障，故习惯上对“短路”和“故障”二词不加严格区分。

例如“单相接地”、“单相短路”、“单相故障”实际上指的是同一件事。

但严格上说，故障的含义较广，不只是指短路，也包括其他故障。

5.1.3继电保护结构原理

继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量,电流、电压、功率、频率等的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。

大多数情况下，不管反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分和定值调整部分、逻辑部分、执行部分。

继电保护原理结构方框图如下：

图1继电保护原理结构方框图

图2跳闸或信号原理示意图

5.1.4继电保护装置的组成

1.测量部分

测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量。

并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，判断保护是否应该启动的部件。

2.逻辑部分

逻辑部分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，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分的部件。

3.执行部分

执行部分是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所担负的对外操作的任务的部件。

如检测到故障是，发出动作信号驱动断路器跳闸；在不正常运行时发出示警信号；在正常运行时，不产生动作信号。

5.1.5保护配置的一般设计原则

电力系统继电保护设计与配置是否合理直接影响电力系统的安全运行。

若设计与配置不当，在出现保护不正确动作的情况时，会使得事故停电范围扩大，给国民经济带来程度不同的损失，还可能造成设备或人身安全事故。

因此，合理地选择继电保护的配置主案正确地进行整定计算，对保护电力系统安全运行具有十分重要的意义。

选择继电保护配置方案时，应尽可能全面满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。

当存在困难时允许根据具体情况，在不影响系统安全运行的前提下适当地降低某些方面的要求。

选择继电保护装置方案时，应首先考虑采用最简单的保护装置，以求可靠性较高、调试较方便和费用较省。

只有当最简单的保护装置满足不了四个方面的基本要求时，才考虑近期电力系统结构的特点、可能的发展情况、经济上的合理性和国内外已有的成熟经验。

所选定的继电保护配置方案还应能满足电力系统和各站、所运行方式变化的要求。

35千伏及以上的电力系统，所有电力设备和输电线路均应装设反应于短路故障和异常运行状况的继电保护装置。

一般情况下应包括主保护和后备保护。

主保护是能满足从稳定及安十要求出发，有选择性地切除被保护设备或全线路故障设备或线路的保护。

后备保护可包括近后备和远后备两种作用。

主保护和后备保护都应满足《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》所规定的对短路保护的最小灵敏系数的要求。

5.2发电机保护的配置

5.2.1发电机纵联差动保护

1计算发电机二次额定电流

发电机一次额定电流

二次侧额定电流A

2确定最小动作电流

3确定拐点电流

4确定制动特性曲线S

计算机端保护区外三相短路时流过发电机的最大短路电流

计算差动回路最大不平衡电流

制动特性斜率S

取S=0.3

5灵敏度计算

计算流入差动回路的电流

制动电流

动作电流

灵敏系数

差动速断动作电流

5.2.2发电机过电流保护

基准容量MVA

发电机额定电流

发电机两相短路电流计算

灵敏系数

5.3变压器保护的配置

5.3.1变压器过负荷整定计算

对于400kVA以上的变压器、当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应装设过负荷保护。

过负荷保护通常用只装在一相，其动作时限较长，延时动作于发信号。

仅一侧电源的三绕组降压变压器，若三侧容量相等，只装于电源侧；若三侧容量不等，则装于电源侧；若三侧容量不等，则装于电源侧及容量较小侧，所以本设计中装于高压和低压侧。

图5.7变压器过负荷保护原理图

整定计算：

110kV侧：

式中:

可靠系数取1.05；:

返回系数：

0.85；：

变压器额定电流。

10kV侧：

过负荷信号装置动作时间取9到10s。

5.3.2变压器过电流保护整定计算

为了防止变压器外部短路，并作为内部故障的后备保护，一般在变压器上应装设过电流保护。

变压器过电流保护原理图

整定计算：

按躲过变压器可能的最大负荷电流整定。

即：

式中：

可靠系数，取1.1~1.2

返回系数，取0.85。

最大负荷电流。

；n为并列运行的变压器台数。

所以

灵敏度校验：

按变压器低压母线故障时的最小短路电流计算。

即

变压器过电流保护动作时间：

5.3.3瓦斯保护

800kV及以上的油浸式变压器和400kV以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。

瓦斯保护用来反应变压器油箱内部的短路故障及油面降低，其中重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源测，轻瓦斯保护动作于发出信号。

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，整定范围为：

250～300cm3,一般整定在250cm3。

重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：

0.6～1.5ms,一般整定在1ms。

瓦斯保护原理示意图

5.4母线保护

当正常运行以及母线范围以外故障时，在母线上所有连接支路中流入的电流和流出的为满足速动性、选择性的要求，母线保护都是按差动原理构成的。

由于母线上一般连接着较多的电气元件（如线路、变压器、发电机等），因此其差动保护基本原理有如下几项：

（1）电流相等，或表示为。

（2）当母线上发生故障时，所有与电源连接的支路都向故障点供给短路电流，而在供电给负荷的连接支路中电流几乎等于零，因此（短路点的总电流）。

（3）如从每个连接支路中的电流的相位来看，则在正常运行以及外部故障是，至少有一个支路中的电流相位和其余支路中的电流相位是相反的。

具体来说，就是电流流入的支路和流出的支路的电流相位相反。

而当母线故障时，除电流几乎等于零的负荷支路以外，其他支路中的电流都是流向母线上的故障点，因此是同相位的

110KV母线保护：

5.4.1母线完全差动保护

1.躲开外部短路故障产生的最大不平衡电流

由短路电流计算可知外部短路故障产生的最大不平衡电流=37.05KA

所以得到

2.动作电流大于任意一线路的最大负荷电流

最大负荷电流=

所以得到

综上，保护的整定值55.6A

3.灵敏系数校验

最小不平衡电流=7.067KA=7067A

6结论

表6.1110kV侧出线的保护配置情况表

保护

距离I段

（主保护）

整定

距离III段

（后备保护）

整定

校验

表6.235kV侧出线的保护配置情况表

保护

主保护

I段保护的整定

保护范围

后备保护

III段保护的整定

校验

保护

主保护

瞬时电流闭锁电压速断保护整定

保护范围

后备保护

III段电流保护的整定

校验

表6.310kV侧出线的保护配置情况

保护

主保护

I段保护的整定

保护范围

后备

保护

III段电流保护的整定

校验

保护

主保护

I段保护的整定

保护范围

后备

保护

III段电流保护的整定

校验

表6.4变压器保护配置与整定

变压器

保护配置

动作整定值

灵敏度

动作时间

主变压器

瓦斯保护

0.08s

纵联差动保护

二次侧额定电流：

5.727A,5.844A,3.331A

6.241

0.08s

零序电流差动保护

动作电流：

44.429kA

5.917

过电流保护

电流元件：

933.688A

11．206

2.5s

过负荷保护

110kV电流元件：

408.48A

10kV电流元件：

2139.655A

10s

表6.5母线保护配置与整定

母线

动作整定值

灵敏度

动作时间

110kV母线

电流元件：

4008A

电压闭锁元件：

60V

断线闭锁元件：

0.859A

2.014

35kV母线

电流元件：

2689A

电压闭锁元件：

60V

断线闭锁元件：

0.877A

5.905

10kV母线

电流元件：

6360A

电压闭锁元件：

60V

断线闭锁元件：

0.5A

2.005

7参考文献

[1]许建安.继电保护整定计算.北京：

中国水利水电出版社.2001.1

[2]方大千.继电保护及二次回路速查速算手册.北京：

中国水利水电出版社.2004

[3]贺家李李永丽等.电力系统继电保护原理第四版.北京：

中国电力出版社.2010.1

[4]曹绳敏.电力系统课程设计毕业设计参考资料.中国电力出版社，1998

[5]电力工程设计手册.中国电力出版社，1998

[6]电力工程设备手册.中国电力出版社，1998

[7]电力工业部电力规划设计总院编.电力系统设计手册.中国电力出版社，1995

[8]何仰赞等.电力系统分析.武汉：

华中理工大学出版社，1997

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