小论文220KV某电网继电保护及自动装置设计设计.docx

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小论文220KV某电网继电保护及自动装置设计设计

毕业小论文

题目220KV某电网继电保护

及自动装置设计

学生姓名***学号123456789

专业电****************班级**********

指导教师杜伟伟

评阅教师

完成日期2011年5月1日

220KV某电网继电保护及自动装置设计设计

学生：

***

指导教师：

杜伟伟

（三峡大学电气学院）

摘要：

本设计对220KV电网进行了继电保护和自动装置整定计算，根据本电网的特点和运行要求，在满足继保护“四性”要求的前提下，求得最佳方案，分别配置了零序、距离、高频以及横差保护，最后对全套保护进行了评价。

关键词：

继电保护；自动装置；自动重合闸装置；装置选择

Abstract:

thedesignof220KVpowergridoftherelayprotectionandautomaticdevicesettingcalculation,accordingtothecharacteristicsandoperationrequirementspower,andtomeettherequirementsof"foursex"protectedunderthepremiseofoptimalscheme,respectively,zerosequence,theconfigurationofdistance,highfrequencyandhorizontaldifferentialprotectionforfullprotection,finallyevaluated.

Keywords:

Relayprotection;Automaticdevice;Automaticreclosingdevice;Devicechoice

前言

一、电网的特点:

本次课题所选的电网系统接线中,主要包括两个发电厂、两条平行双回线路及两条单回输电线路构成辐射状态连接起来的整体系统,同时还有两个降压变压器。

本系统为220KV多电源电网，负荷分配均匀、合理。

线路属于中、短距离线路，避免了因线路长而灵敏度不易配合的问题。

但由于系统中含有两条处于中心的平行线路，这样，给设计整定带来了一定的难度和麻烦。

二、设计总原则：

本设计以原电力部生产司1979年颁布的《110—220kV电网继电保护和自动装置运行条例》和水利电力出版社1993年颁布的《电力系统继电保护和自动装置整定计算》的有关规定和要求为依据。

同时，根据电网结构和运行要求的不同，在满足继电保护“四性”（速动性、选择性、灵敏性、可靠性）的前提下，求得最佳方案，采用性能比较稳定的新型设备，以适应电力系统快速发展的要求。

三、保护装置的配置情况：

对于220KV大接地电网中，应装设反应接地短路和相间短路的保护装置，而且，一般应装设振荡闭锁装置。

1、单侧电源辐射电网单回线路上，一般可装设阶段式电流、电压保护（带方向或不带方向）为主保护。

当不满足选择性、灵敏性及速动性的要求时，则应采用距离保护作为主保护。

2、在双电源线路上，如果要求全线速动切除故障时，则应装设高频保护作为线路的主保护。

距离保护、零序保护、接地距离保护作为后备保护。

3、平行线路上，对于220kV线路，一般应装设横差方向保护或全线速动的高频保护作为线路的主保护，以距离保护或阶段式电流、电压保护（带方向或不带方向）为后备保护。

4、对于单相或多相接地短路故障，一般装设带方向性的或不带方向性的无时限或带时限的零序电流速断保护及灵敏的零序过电流保护，若零序电流保护不能满足选择性和灵敏性的要求，需要装设全线速动高频保护或接地距离保护。

在平行线路上，一般零序横联差动保护作为主保护。

如果根据系统运行的稳定性等要求，需要装设一套高频保护作为相间短路和接地短路的主保护，由于电网中要求保护动作性能越来越高，在220KV线路中，一般装置为两套高频保护作为主保护，距离、接地距离和零序方向过流保护作为后备保护，以适应电力系统发展的要求。

1运行方式与序网等值图

继电保护整定计算用的运行方式是在电力系统允许方式确定的条件下，在不影响继电保护效果的前提下，为提高继电保护对运行方式变化的适应能力而进一步选择的，特别是个别问题主要从继电保护方面考虑决定。

整定计算的运行方式选择合理与否，不仅影响继电保护的保护实效，也会影响到继电保护配置和选型的正确性。

1．1运行方式的选择

我们所选定的保护方式必须考虑运行方式变化所带来的影响。

在不同系统运行方式下都应能够满足选择性和灵敏性的要求，对于过流保护来说，通常都是根据系统最大运行方式来确定整定值，以保证选择性，根据系统最小运行方式来校验其保护灵敏度，以保证其灵敏度。

最大及最小运行方式的选择，要根据保护的要求以及系统的主接线运行综合考虑。

总原则如下：

（1）保证系统在正常运行方式下，保护对各种故障都有较好的工作性能和较高的灵敏度；

（2）考虑系统在实际可能检修的情况下，发生故障时，保护能满足所规定的要求；

（3）不考虑极少见的特殊方式，必要时，可采取特殊措施加以解决。

本设计电网最大运行方式和最小运行方式已给定，见表1—1：

表1—1：

运行方式

代号

运行方式

Ⅰ-最大

发电机、变压器、线路全部投入运行

Ⅱ-最小

C端站1#、2#、3#发电机运行，4#发电机停运；

D端站2#变压器运行，1#变压器停运；BC段单回线运行。

1．2系统中各元件的主要参数

1.2.1电机及等值系统参数：

A厂1#机、系统Ⅰ、系统Ⅱ、C厂1#、2#机、C厂3#、4#机。

1.2.2变压器及等值系统参数：

（1）双绕组变压器：

（2）三绕组变压器：

D站1#、2#变和E站1#、2#变算法同B站。

C站1#、2#、3#、4#变算法同A站。

分别给出各站变压器参数计算结果（标幺值）。

1.2.3输电线路的参数

计算时线路单位长度的电抗为X1=X2=0.41Ω/KM，线路的阻抗φ=800

电抗的计算.有名值X=XL

标幺值X*=XL/ZJ

零序电抗的计算有名值:

XD=3X

标幺值：

XD*=3X*

在双回线上单回:

X0=3XXD*=3X*

双回:

X0=5XXD*=5X*

关于零序电抗的计算:

发电厂:

由于本系统主变低压侧均为△接线,零序电流在△侧自成回路,不流入发电机,故零序网络中没有发电机零序电抗.

变压器:

由于是静止电机且三相对称,所以,本设计取X1=X2=X0。

公式如下：

负荷电流If=P/（

Ub）,If*=Pm/（Sbcosφ）；

负荷阻抗Z=Ubcosφ/（

If）,Z*=Ubcosφ/（

If*）

1．3变压器中性点的接地原则

在接地电流系统中，中性点接地变压器的台数、容量及其分布情况对电网中不同地点的零序电流和零序电压有很大影响。

因此，变压器的中性点是否接地应根据不同运行方式电网发生接地短路时，要求在满足保护装置特性配合的情况下，中性点直接接地变压器的数量尽可能少。

而且，在系统处于各种不同运行方式下，发生单相接地短路时，零序电流和零序电压的分布尽可能不变，其接地原则有如下几条：

（1）在单母线运行的发电厂和高压母线上有电源联络线的变电站变压器中性点应接地。

（2）在具有两台以上的变压器，而且是双母线固定连接方式运行的发电厂和高压母线上有两回以上电源联络线的变电所，每组母线上至少有一台变压器的中性点直接接地，这样当母联开关断开后，每组母线上至少保留有一台变压器的中性点直接接地。

（3）在单电源网络中，终端变电所的变压器中性点一般不应接地。

（4）在多电源的网络中，每个电源处至少应该有一个中性点接地，以防止中性点不接地的电源因某种原因与其它电源切断联系时，形成中性点不接地系统。

（5）变压器低压侧接入电源，当大接地电流电网中发生接地短路而该电源的容量能够维持接地点发生的电弧时，则变压器的中性点应该接地，如果该电源的容量不是足以维持接地电弧时，则中性点不接地。

（6）为便于线路接地保护配合，在低压侧没有电源的枢纽变电所，部分变压器的中性点应直接接地。

（7）接在分支线上的变电所，低压侧虽无电源，但变压器低压侧是并联运行的，为使横差差动保护正确动作，变压器的中性点应接地。

（8）自耦变压器由于绝缘要求，中性点必须接地。

根据以上所述原则，本设计的系统作如下选择接地点：

1）A站主变中性点应直接接地，当线路AB发生接地短路故障时，该主变流过零序电流。

2）C站1#、2#及3#、4#主变为双母线同时运行，且在最小运行方式下4#机停运，故1#、3#或2#、3#接地。

3）D站1#、2#均为自耦变压器，为了在最大、最小运行方式运行系统Ⅱ或CD线发生接地短路，主变均可流过零序电流，1#、2#主变均应接地。

E站根据第6条任选一台接地。

4）B站系统有一台变压器接地，故三圈变压器不接地。

1．4正序、负序、零序等值网络图

1．4．1正序、负序等值网络图

（1）最大运行方式图

（2）最小运行方式图

1．4．2零序等值网络图

（1）最大运行方式图

（2）最小运行方式图

2短路电流计算

短路电流计算的目的，是为了对保护装置进行整定计算和校验灵敏度,要计算短路电流,首先要选定运行方式，这关系到所选保护是否经济、可靠及灵敏性。

在整定计算中，相间保护的整定值以最大运行方式下三相短路电流为依据。

校验灵敏度则以两相短路电流为依据，接地保护的整定除不同运行方式外，还取决于接地短路的类型，才能确定电流大小。

不同的短路电流计算于不同的保护。

2.1三相短路

2.2两相短路

2.3单相接地短路

2.4两相接地短路

由于本系统允许切除故障的时间为0.2秒，为了保证系统运行稳定，当220KV输电线路任何地点发生短路故障时，继电保护切除故障的时间都必须小于0.2秒。

因而对电源的双回线路应采用高频保护。

后备保护采用距离、零序保护比较合适。

对单电源辐射的CE线路可选用距离保护作为相间短路保护，零序电流保护作为接地短路保护。

3有关保护的计算整定原则短路电流计算

3.1距离保护

距离保护是以反映从故障点至保护安装处之间的距离（或阻抗大小）的，距离（阻抗）继电器为主要元件，动作时限具有阶梯特性的保护装置。

当故障点至保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当故障点至保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，这样就保证了保护有选择性地切除故障线路。

配上方向元件及时间元件，即组成了具有阶梯特性的距离保护装置。

当故障线路中的电流大于阻抗继电器的允许精工电流时，保护装置的动作性能与通过保护装置的故障电流大小无关。

3.1.1距离保护的整定计算

ABC

K1K2

123

K3K4

（1）距离Ⅰ段的整定计算

距离Ⅰ段应在保证选择性的前提下，是保护范围尽可能大。

因此，保护的第Ⅰ段动作阻抗应按躲过下一线路出口短路时正序阻抗来整定。

（2）距离Ⅱ段的整定计算

1）按与相邻下一线路BC的距离保护Ⅰ段相配合来整定。

2）与相邻变压器快速保护相配合来整定。

（3）距离保护Ⅲ段的整定计算

1）按与相邻下一级保护距离II段配合来整定。

2）按与相邻下一级保护距离II段配合来整定。

3）躲过正常运行时的最大负荷来整定。

a距离保护采用电流启动元件时，其整定原则与过电流保护的整定原则相同时。

b距离保护采用阻抗继电器作为启动元件时。

<1>采用全阻抗继电器

<2>采用方向阻抗继电器

3.2相差高频保护

相差高频保护的基本原理是比较保护线路两侧电流的相位。

该保护由三部分组成：

操作元件，使高频讯号能真正代表工频电流的相位；比较元件，用于比较线路本侧与对侧电流的相位；启动元件，具有高、低两个定值，其中低定值元件在故障时启动发讯，高定值元件用于跳闸。

为了保证三相对称短路时保护可靠动作，装设了反映三相短路的专用元件，此元件采用阻抗元件或接于相电流的电流继电器。

因此，整定计算项目主要有启动元件的动作值，复合电流滤过器的K值，相位闭锁角φb三部分。

3.2.1启动元件动作值的整定计算

（1）不对称短路启动元件的整定计算

1）当高定值（不灵敏）启动元件只采用负序电流元件I2，其整定值按两条件考虑,且选用最大值。

A按躲过最大负荷状态下的不平衡电流整定：

B躲过线路一侧充电。

2）低定值（灵敏）启动元件按下式整定：

（2）对称短路启动元件的整定，按躲过线路最大负荷电流整定，即断开相邻线路后能可靠返回。

为了防止当外部对称故障电流很大时，一侧由于负序滤过器不平衡启动，而一侧未启动，可能引起误跳闸，因此，必须满足：

Idz≤Izq/Kk

当采用阻抗继电器，其动作阻抗应按躲过最小负荷阻抗整定。

3.2.2操作滤过器K值的选择

选择K值时，要保证在任何不对称短路时，都不能使Í1+Í2=0。

（1）按线路末段BC相短路时，（Í1/Í2）比值最大运行方式计算，正序电流与负序电流比较K≥1.5|I1/I2|。

（2）线路两侧保护应取相同的K值。

（3）K值应大于I的正值，一般取K=6或K=8，只有当CT误差很大时，取K=4；较小的K值可减少外部故障时，由于CT误差引起的滤过器出口电压相位的变化。

3.2.3闭锁角的整定

线路外部故障时，由于各种误差及传送信号延时，相位比较元件信号输出（即两侧电流相位不为180°）可能导致保护误动；为了使外部故障时保护可靠不误动，而内部故障时，保证保护有足够的灵敏度，相位闭锁角:

φb=φCT+φf+φk+α

其中:

φCT：

电流互感器角度误差7°

φf：

复合电压滤过器误差角,取φf=15°

φk：

裕度角,取φk=15°;

α:

延迟角,取α=ωt=6。

/100ι,一般设有50°、60°、70°三个分接位置。

3.3零序电流保护

统计数据表明，在中性点直接接地系统的线路中，接地故障占故障次数的70%以上。

因此，接地短路保护是高压输电线路的重要保护之一。

接地短路的保护可以采用带零序电流补偿的接地距离保护或高频保护，也可以采用零序电流保护。

3.3.1运行方式及中性点的选择

零序电流的分布只取决于零序网络，零序电流的大小则与正、负序网络有关。

在计算零序电流的大小时，尤其要注意中性点运行方式和接地点的选择。

具体问题具体分析对待。

3.3.2零序电流保护Ⅰ段的整定计算

（1）零序保护Ⅰ段的使用与整定原则

零序保护瞬时段的使用，可以有两个方式：

其一是非全相运行的最大零序电流大于区外故障零序电流的1.3倍情况下，设置两个不同整定值的瞬时段。

其中，定值较大的称为零序不灵敏Ⅰ段，按躲过两相运行或断路器三相不同期合闸出现的最大零序电流整定；而定值较小的称为灵敏Ⅰ段，按躲过区外故障最大三倍零序电流整定。

不灵敏Ⅰ段确认在线路第一次故障或重合于永久性故障线路时，都瞬时动作切除故障；灵敏Ⅰ段由在第一次故障时动作，在单相重合闸时退出运行，在三相重合闸时，动作带延时，一般取1.5秒，以防止两相运行或三相重合过程中因出现非全相运行的零序电流而误动作。

其二是对某些短线路在非全相运行最大零序电流大于区外故障最大零序电流时，可只装设一个第Ⅰ段，其动作电流按躲过区外故障最大三倍零序电流整定，重合闸前或后，以及两相运行过程中的均瞬时动作。

（2）动作电流的整定计算

1）按躲开区外接地短路的最大零序电流整定。

2）按躲开非全相运行时的三倍零序电流来整定。

非全相运行时的最大零序电流的选择，应比较多种运行方式而取其最大值。

一般应选择与本线路相关连的起关键联系作用的一回线路停运行检修的运行方式。

Ⅰ

Ⅱ

如上图，当断路器通一相时：

当断路器通三相时：

3）保护范围的确定通常用图解法可决定，应不小于线路全长的15%---20%。

3.3.3零序电流保护Ⅱ段的整定计算

（1）与相邻线路零序电流保护Ⅰ段相配合。

（2）当与与相邻线路零序电流保护Ⅰ段相配合灵敏度达不到要求时,可

按与下条线路零序电流保护Ⅱ段相配合整定。

（3）躲过相邻线路非全相运行时流过本线路的零序电流。

（4）按躲过相邻线路非全相运行时整定。

（5）按与相邻线路的纵联保护配合来整定。

（6）灵敏度的计算。

（7）动作时间。

3.3.4零序电流保护Ⅲ段的整定计算

Ⅲ段主要作为本线路和相邻元件接地短路的后备保护，在本线路Ⅰ、Ⅱ段拒动时或相邻线路母线上、变压器元件保护或断路器拒动或经大过渡电阻接地故障时，靠Ⅲ段最终切除故障时，在最末端线路上有时也用Ⅲ段作为线路接地故障的主保护。

（1）与相邻线路零序电流保护Ⅱ段相配合整定。

（2）按与相邻线路零序电流保护Ⅲ段相配合整定。

（3）按躲开相邻线路始端三相短路时，电流互感器二次侧的最大不平衡电流来整定。

（4）灵敏系数的计算。

又分作近后备时和作远后备时。

3.3.5双回平行线路零序电流保护Ⅰ段整定原则

（1）双回线运行，要躲开在本线路两侧母线接地故障时通过本线路的最大零序电流。

（2）双回线运行时，对于非全相运行不退出工作的零序电流保护Ⅰ段（一般为不灵敏Ⅰ段）要躲开当本线路一相断线，而两侧电源等价电动势角为按动稳定计算的可能最大值的情况下，通过本线路的最大零序电流。

（3）要躲开双回线运行当另一回线出口或末端短路时，且在该侧三相断路器完全断开的情况下，通过本线路的最大零序电流。

（4）双回线中单回线运行，且另一回线在两端同时挂地线接地情况下，要躲开在本线路两侧母线接地故障时通过本线路的最大零序电流。

（5）双回线中单回线运行，且另一回线在两端同时挂地线接地情况下，对非全相运行时，不退出工作的零序电流保护Ⅰ段（一般为不灵敏Ⅰ段）要躲开当本线路一相断线，而两侧电源等价电动势角为按动稳定计算的可能最大值的情况下，通过本线路的最大零序电流。

（6）对非全相运行时，不退出工作的零序电流保护Ⅰ段（一般为不灵敏Ⅰ段）要躲开双回线运行，本线路为非全相运行，另一回线路一相断线，而两侧电源等价电动势角为按动稳定计算的可能最大值的情况下，通过本线路的最大零序电流。

零序电流保护的不灵敏Ⅰ段应按上述各项中的最大值来整定，且一般不带方向性。

零序电流保护的灵敏Ⅰ段为了降低启动值，提高内部故障的灵敏度，一般应带方向性。

因为带方向性后，可不考虑躲开本线路非全相运行以及本侧母线接地短路时的最大零序电流。

3.3.6双回平行线路零序Ⅱ段的整定原则

在双回线中，特别是对有较大互感的平行线，为了改善平行线零序Ⅰ段和Ⅱ段之间的相互配合，提高第Ⅱ段在平行线内部故障时的灵敏度，零序Ⅱ段一般都带方向性。

这是因为当第Ⅱ段装设方向元件后在与双回线中的另一回中零序Ⅰ段配合时，可不考虑另一回线非全相运行的情况。

3.3.7双回平行线路其它零序电流保护段的整定

双回平行线路中第Ⅲ、Ⅳ段零序保护，可以与双回线中的另一回线的零序ⅡⅢ段保护配合，对于双回线外的相邻线路，如果整定时间允许时，可以与其非全相运行中保留运行的第Ⅲ段配合，如果整定时间较短时，可以按躲开双回线外的相邻线路非全相运行时的最大零序电流整定。

3.4平行线零序横差保护的整定

平行线零序横差保护装设在平行线路上，且有灵敏度高，时间短的优点（因为利用功率方向元件判别故障线路）。

在双回线运行时，该保护反映内部的接地故障，能保证有选择性地切除故障，接线调整比较简单。

3.4.1电流启动元件的整定

（1）应躲过双回线运行时的最大总负荷电流。

（2）躲过外部短路时的最大不平衡电流。

3.4.2灵敏度的校验

（1）在线路中间发生接地故障时，线路任一侧断路器断开前，其中一侧的灵敏度

，对方向元件则

。

（2）线路中间发生接地短路时，线路任一侧断路器断开后，另一侧的灵敏度

，对方向元件（相继动作）则

。

3.4.3相继动作区计算

在对侧母线附近短路时，流入本侧保护的电流（I1－I3）很小，保护拒动，而流入对侧保护的电流（I2+I3）则很大,对侧保护会动作。

当对侧保护动作跳闸后,短路电流重新分配，而本侧保护才能动作。

从而形成“相继动作”。

见下图：

AI1I2B

I3

其中，整定A侧

，

取母线B短路时的最小短路电流。

整定B侧

另外，当电流启动元件的灵敏度不满足要求时，可采用过电流低电压复合启动元件。

其电压元件的动作电压按躲开系统最低工作电压整定。

4自动重合闸装置

电力系统中，最易发生的故障的是架空线路，运行经验数据表明，架空输电线路上发生的故障大多数是瞬时性接地故障，占总数的75%以上。

所以，采用自动重合闸，尤其是单相和综合重合闸，不仅能很好地保持系统稳定运行，而且，对系统的正常运行、保证对负荷的连续供电也有重要的作用。

4.1重合闸的整定原则

4.1.1选相元件的整定

（1）电流选相元件：

起辅助作用，以消除方向阻抗继电器出口的死区。

整定原则：

1）躲过非全相运行过程中开始0.3秒的最大负荷电流

2）出口单相故障时，非故障相的最大电流

3）躲开最大负荷电流。

（2）方向阻抗选相元件整定:

一种是可靠躲开正常时的最大负荷电流。

另一种是线路末段经20欧姆接地电阻接地短路，对侧先跳开后，本侧可靠地动作。

第三种序电流补偿时保证在第二种的情况下，相继可靠地动作。

4.2故障判别元件的整定

因采用零序元件，故整定值应考虑在正常运行中可能出现的最大不平衡零序电压，以及谐波引起的误动。

一般情况取：

4.3单相重合闸的时间整定

依据下公式整定：

4.4单相重合闸的周期计算

采用快速重合闸方式，认为两侧高频保护健全运行，被保护线路上任意一点故障，两侧断路器同时动作切除故障。

采用快速重合闸目的是在于相邻线路Ⅱ段配合时≥1.5秒。

5继电保护和自动装置的选择

根据继电保护“四性”的要求及220KV及以上超高压输电线路继电保护配置原则，本220KV系统输电线路继电保护选择不同厂家、不同原理、不同型号的两套保护装置。

分别选择了北京四方继保自动化有限公司研制和生产CSL101B型高压输电线路保护装置和南京南瑞继保电气有限公司研制和生产的RCS-901B型高压输电线路保护装置。

下面做分别介绍。

5.1CSL101B型高压输电线路保护装置

5.1.1功能介绍

CSL101B型高压输电线路保护装置是北京四方继保自动化有限公司研制和生产的第三代高压输电线路微机保护装置，由高频距离保护、高频零序方向保护、高频突变量方向保护构成全线速动的纵联保护，由三段相间和接地距离、四段零序方向过流保护构成完整的后备保护。

保护具有分相出口，适用于双母线接线方式下的220—500KV高压输电线路。

（1）功能配置

1）纵联保护：

高频保护、零序方向保护。

高频通道逻辑由收发信机完成，发信、收信由两副接点分别完成，保护不具备通道自检功能。

高频通道逻辑也可以由保护完成，发信、收信由一付接点分别完成，保护具备通道自检功能。

2）距离和零序保护：

三段相间距离保护、三段接地距离保护、四段零序方向过流保护、二段不灵敏零序方向过流保护。

3）重合闸：

综合重合闸。

（2）保护装置的特点

1）CSL101B型高压输电线路保护装置是在吸取WXB-11型保护近十年来现场运行经验的基础上发展的第三代微机保护。

保护的硬件结构采用总线不扩展的单片机，核心CPU板采用多层印制