变电站继电保护.docx
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变电站继电保护
1绪论
1.1变电站继电保护的发展电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置，继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素
1.2继电保护装置的基本要求
对继电保护装置的基本要求有四点：
即选择性、灵敏性、速动性、和可靠性。
1.3继电保护的整定整定方案通常可按电力系统的电压等级或者设备来编制，并且还可按继电保护的功能划分小方案进行。
本次课程设计的35kV变电站继电保护可分为：
相见短路的电压、电流保护，单相接地零序电流保护，短线路纵联差动保护等。
整定计算一般包括动作值的整定、灵敏度的校验和动作时限的整定三部分。
并且分为：
无时限电流速断保护的整定。
动作时限的整定。
带时限电流速断保护的整定。
2.设计概述：
2.1设计依据:
1.1.1继电保护设计任务书。
1.1.2国标GB50062-92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》
1.1.3《电力系统继电保护》（山东工业大学）。
2.2设计规模：
本设计为35KV降压变电所。
主变容量为6300KVA，电压等级为
35/10KV。
2.3设计原始资料：
2.3.135KV供电系统图，如图1所示。
232系统参数：
电源I短路容量：
SiDmax=200MVA;电源H短路容量:
S"Dmax=250MVA;供电线路：
Li=L2=15km,L3=L4=10km，线路阻抗：
Xl=0.4Q/km。
1_4
L（
L
Li
11
X-1
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*1\_i//
图135KV系统原理接线图
2.3.3
35KV变电所主接线图，如图2所示
Sn
织布厂
8
L
D
胶木厂
印染厂
配电所
炼铁厂
图235KV变电所主接线图
23410KV母线负荷情况，见下表:
负荷名称
最大负荷
（Kw）
功率因数
回路数
供电方式
线路长度
（km）
织布厂
1200
0.85
1
架空线
8
胶木厂
1100
0.85
1
架空线
7
印染厂
1400
0.85
2
架空线
13
配电所
1500
0.85
2
架空线
15
炼铁厂
1300
0.85
2
架空线
10
2.3.5B2主变容量、型号为6300kVA之SF1-6300/35型双卷变压
器，Y-△/11之常规接线方式，具有带负荷调压分接头，可进行有载调压。
其中Uk%=7.5。
2.3.6运行方式：
以Si、Sn全投入运行，线路Li~L4全投。
DLi合闸运行为最大运行方式；以Sn停运，线路L3、L4停运，DL,断开运行为最小运行方式。
2.3.7已知变电所10KV出线保护最长动作时间为1.5s。
3主接线方案的选择与负荷计算
3.1主接线设计要求
电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中，为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的，表明高压电气设备之间互相连接关系的传送电能的电路。
电路中的高压电气设备包括发电机、变电器、母线、断路器、隔离刀闸、线路等。
它们的连接方式对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用。
对一个电厂而言，电气
主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中
的地位等，从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面，经综合比较后确定。
它的接线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况。
电气主接线又称电气一次接线图。
电气主接线应满足一下几点要求：
1）运行的可靠性：
可靠性是指一个元件，一个系统，在规定的时间内及一定的条件下完成预定功能的能力，供电可靠性是电力生产和分配的首要要求，对发电厂、变电所主接线可靠性的要求程度，与其在电力系统中的地位作用则是由其容量，电压等级，负荷大小以及类别等因素决定。
具体要求有：
断路器检修时，不宜影响对系统的供电；断路器或母线故障时以及母线或隔离开关检修时，尽量减少停运出线的回路数和停运时间，并保证对一二类负荷的供电尽量避免发电厂或变电所全部停运的可能性；对装有大型机组的发电厂或超高压变电所应满足可靠性的特殊要求。
2）运行的灵活性：
主接线系统应能灵活地适应各种工作情况，特别是当一部分设备检修或工作情况发生变化时，能够通过倒换开关的运行方式，做到调度灵活，不中断向用户的供电。
在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。
3）运行的经济性：
主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保证满足技术条件的要求下，做到经济合理，尽量减少占地面积，节省投机。
尽量做到年运行费小，包括电能损耗。
折旧费及大修费，日常小修费等维修费。
其中电能损耗主要由变压器引起，因此，要合理的选择主变压器的形式、容量、台数和避免变压器而增加电能损耗。
并在可能的情况下，采取一次设计，分期投资、投产，尽快发挥经济效
、人
益。
3.2变电站主接线的选择原则
1）当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。
2）当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线。
3）当供电电源只有一回线路，变电所装设单台变压器时，宜采用线路变压器组接线。
4）为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，
应采用变压器分列运行。
5）接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关，但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。
6）6~10kV固定式配电装置的出现侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出现回路中，应装设线路隔离开关。
采用6~10kV熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源测装设隔离开关。
7）由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）。
8）当低压母线为双电源，变压器低压侧开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出现侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。
3.3接线方案选择
对于嗲元进线电压为35kV以上的变电站，通常是经变电站总降压变电所降为10kV的高压配电电压，然后经下一级变电所，降为一般低压设备所需的电压。
总降压变电所主接线图表示变电站接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。
主接线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。
3.3.1一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所电路图
单母分段接线：
即用分段断路器或分段隔离开关将母线分成若干段。
这种主接线图兼有内外桥式接线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用与一、二次侧进出线较多的总降压变电所。
分段的单母线与不分段的相比较，提高了接线的可靠性和灵活性。
两母线可分裂运行（分段断路器断开）也可并列运行（分段断路器接通）。
重要用户可以用双回路接于不同母线段，保证不间断供电。
任一母线或母线隔离开关检修，只停运该段，其他段可继续供电，减少了停电范围。
适用范围：
6~10kV配电装置，出线回路数为6回及以上时；
35~63kV配电装置，出线回路为4~8回时；
110~220kV配电装置，出线回路为3~4回时。
多数情形中，分段数和电源数相同。
本次设计的35kV变电站出现回路侧为4~8回，而且多为一、二级负荷，是连续运行，负荷变动较小，电源进线较短，主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。
采用一、二次侧单母线分段的总降压变电所主接线（即全桥式接线）。
3.3.2一次侧采用外桥式接线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图
这种主接线，其一次侧的高压断路器跨接在两路电源进线之间，但处在线路断路器的外侧，靠近电源方向，因此称为外桥式接线。
这种主接线的运行灵活性也较好，供电可靠性同样较高，适用于一、二级负荷的工厂。
但与内桥式接线适用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、并且变电所的变压器不需要经常切换的总降压变电所。
当一次电源电网采用环形接线时，也宜采用这种接线，使环形电网的穿越功率不通过进线断路器，这对改善线路断路器的工作及其继电保护的整定都极为有利。
3.3.3一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图
这种主接线，其一次侧的高压断路器跨接在两路电源线之间，犹如一座桥梁，而处在线路断路器的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式接线。
这种接线的运行灵活性较好，供电可靠性也较高，适用于一、二级负荷工厂。
这种内桥式接线多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多，并且变电所的变压器不需要经常切换的总降压变电所。
3.3.4一、二次侧均采用双母线的总降压变电所主电路图采用双母线接线较之采用单母线接线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以双母线接线电力系统在工厂变电所中很少运用主要用于电力系统的枢纽变电所。
并且对于35kV的配电装置，此接线方式的回路数多在8回以上或者连接电源较多，负荷较大时。
3.435kV变电所主接线简图
Sn
Li
L2
DL8
胶
印
配
炼
木
染
电
铁
厂
厂
所
厂
图335KV变电所主接线图
备用
织布厂
3.5负荷计算
3.5.1负荷计算的内容和目的
1）计算负荷又称需要负荷或最大负荷。
计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。
在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。
2）尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。
一般取启动电流的周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。
在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。
3）平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。
常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。
平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。
3.5.2负荷计算的方法
负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式法等几种。
需要系数法公式简单，计算方便，适用于各类变、配电所和供配电干线以及长期运行而且负荷平稳的有用电设备和生产车间（如锅炉引风机、水源泵站、集中空压站）的负荷计算。
但不适合用电设备台数少，各台间容量悬殊且工作制度不同时的电力负荷计算。
二项式法将负荷分为基本部分和附加部分，后者系考虑一定数量大容量设备的影响。
适用于机修类用电设备的计算，其他各类车间和车间变电所设计亦常采用。
二项式法所得计算结果一般偏大。
利用系数法以概率论为基础，根据设备利用率并考虑设备台数以及各台间功率差异的影响确定计算负荷与平均负荷间的偏差量（这反映在最大系数中大于1的部分），从而求得最大负荷。
这种计算方法更具客观性和普遍性，适用于各种类型负荷的计算，所求得的结果更接近实际，但由于国内对利用系数缺乏切实的工作和数据的积累，计算方法本身也较上述两种方法复杂，故尚未得到广泛采用。
在本次设计中采用需要系数法确定。
3.5.3本次设计的负荷计算
取：
K邛=0.95K沪0.97
根据原始数据表可算出：
Zp30i=6500kW;
则BQ30i=ZP30i*tanacrcos0.85=6500*0.62=4028.3kVar
P3o=K*爲！
；3o=0.95*6300=5985kV
Q30=K*LqZq3Q=0.97*4028.3=3907.5kVar
S30=*P3Q2+Q3Q2）=7147.6kVA
l3o=S3°/\3Un=412.7A
Cos（|=P3o/S3o=O.84
由于规程要求cos©色9,而由上面计算可知COSQ84V0.9,因此需要进行无功补偿。
电容器具有投资省,有功功率损耗小,运行维护方便,故障范围小等特点,因此采用并联电容器进行无功补偿。
公式依据为：
Qc=aP30*qc
式中：
Qc—需要补偿的无功容量，kvar
P30—全企业的有功计算负荷，kW
C—平均负荷系数，取0.7~0.8
qc—补偿率，kvar/kW,查阅相关工程手册，可以得出qc=0.369将相关数据代入公式中得：
Qc=cTP30*qc=0.7*0.369*5985=1659.042kvar
故需要补偿容量为1700kvar,选择两台容量850kvar的电容器并列补偿运行。
4短路电流计算在发电厂和变电所电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。
其计算目的主要有一下几个方面：
1）在选择电气主接线时为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采用限制短路电流的措施，均需进行必要的短路电流计算。
2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障状况下都能安全、可靠的工作，同时又力求节约资金，这就需要按短路情况进行全面校验。
3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线相间和相对地安全距离。
4）在选择继电保护方式和进行整定计算，需以各种短路时的短路电流为依据。
5）接地装置的设计，也需要短路电流。
短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。
进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图，在计算电路中各主要元件的阻抗。
在等效电路图上，只需将被计算的短路所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。
一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。
最后计算短路电流和短路容量。
短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（又称为单位制法）和标幺值法（又称为相对单位制法）。
本设计采用标幺制进行短路计算。
4.1系统等效电路图：
如图4所示
Sn
Si
/D3
图4系统等效电路图（各阻抗计算见3.3）
3.2基准参数选定：
Sb=100MVA,Ub二Uav即：
35kV侧Ub=37KV，10kV侧Ub=10.5KV。
Ibi=Sb/v3Ubi=1.56kA
Ib2=Sb/^v3Ub2=5.5kA
3.3阻抗计算（均为标幺值）：
1）系统：
Xi=100/200=0.5X2=100/250=0.4
2）35kV线路：
L1,L2:
X3=X4=1iXiSb/Vb2=0.4X15X100/372=0.438
L3,L4:
X5=X6』3Sb/Vb2=0.4X10X100/372=0.292
3）变压器：
B1,B2：
X7=Xb=（Uk%/100）Sb/S=0.075X100/6.3=1.19
4）15kV线路：
线路阻抗（Xl）分为两类：
织布厂、胶木场、印染厂：
Xl1=
炼铁厂、配电厂：
Xl1=3.4短路电流计算：
1）最大运行方式：
系统化简如图4所示
其中：
X9=X2+X3//X4=0.719
Xio=X1+X5//X6=0.546
X11=X
10
//X9=0.31
Xi2=X11+X7=1.5据此，系统化简如图5所示①故知35KV母线上短路电流：
三相短路电流周期分量有效值为：
Id1max=IB1/X11=1.56/0.31=5.03（KA）
其他三相短路电流
I''（3）=I?
（3）=Ip（3）=5.03kA
ish（3）=2.55*5.03=12.83kA
Ish（3）=1.51*5.03=7.59kA
三相短路容量
S''=Sd/Xk2=100/0.3仁322.58MVA
210KV母线上短路电流：
Id2max=IB2/X12=5.5/1.5=3.667（KA）
折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为：
Id21max=IB1/X12=1.56/1.5=1.04（KA）
其他三相短路电流
I''（3）=I?
（3）=Ip（3）=1.04kA
ish（3）=2.55*1.04=2.65kA
Ish（3）=1.51*1.04=1.57kA
三相短路容量
S''=Sd/Xk2=100/1.5=66.67MVA
3对于d3点以织布厂计算
此时10kV负荷侧的线路XL1=8*0.4=3.2
三相短路电流周期分量有效值为：
Id3max=IB2/（X12+XL1）=5.5/（1.5+3.2）=1.17（KA）
折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为：
Id31max=IB1/（X12+XL1）=1.56/（1.5+3.2）=0.33（KA）
三相短路容量
S”=Sd/Xkx=100/4.7=21.28MVA
4对于d3点以胶木厂计算
此时10kV负荷侧的线路XL2=7*0.4=2.8
三相短路电流周期分量有效值为：
Id4max=IB2/（X12+XL2）=5.5/（1.5+2.8）=1.28（KA）折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为：
Id41max=IB1/（X12+XL2）=1.56/（1.5+2.8）=0.36（KA）三相短路容量
S"=Sd/Xkz=100/4.3=23.26MVA
5对于d3点以印染厂计算
此时10kV负荷侧的线路XL3=13*0.4=5.2
三相短路电流周期分量有效值为：
Id5max=IB2/（X12+XL3）=5.5/（1.5+5.2）=0.82（KA）折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为：
Id51max=IB1/（X12+XL3）=1.56/（1.5+5.2）=0.23（KA）三相短路容量
S”=Sd/Xk》=100/6.7=14.93MVA
6对于d3点以配电所计算
此时10kV负荷侧的线路XL4=15*0.4=6三相短路电流周期分量有效值为：
Id6max=IB2/（X12+XL4）=5.5/（1.5+6）=0.73（KA）折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为：
Id61max=IB1/（X12+XL4）=1.56/（1.5+6）=0.21（KA）三相短路容量
S''=Sd/Xk2=100/7.5=13.33MVA
7对于d3点以炼铁厂计算
此时10kV负荷侧的线路XL5=10*0.4=4
三相短路电流周期分量有效值为：
Id7max=IB2/（X12+XL5）=5.5/（1.5+4）=1（KA）
折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为：
Id71max=IB1/（X12+XL5）=1.56/（1.5+4）=0.28（KA）三相短路容量
S''=Sd/Xk》=100/5.5=18.18MVA
11
35KV
0.31
7（8）
XL=3.628
d3
2）最小运行方式下：
系统化简如图6所示
因SM亭运，所以仅考虑Si单独运行的结果;
X13=X9+X7=0.719+1.19=1.909
1所以35KV母线上短路电流：
三相短路电流周期分量有效值为：
Id1min=IB1/X9=1.56/0.719=2.17（kA）
三相短路容量
S''=Sd/Xkx=100/0.719=139.08MVA
2所以10KV母线上短路电流
Id2min=IB2/X13=5.5/1.909=2.88（kA）
折算到35KV侧：
三相短路电流周期分量有效值为：
Id2lmin=Ib1/X13=1.56/1.909=0.817（kA）
三相短路容量
S"=Sd/Xk2=100/1.909=52.38MVA
3对于d3点以织布厂计算此时10kV负荷侧的线路XL1=8*0.4=3.2三相短路电流周期分量有效值为：
Id3min=IB2/（X13+XL1）=5.5/（1.909+3.2）=1.077（KA）
折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为：
Id31min=IB1/（X13+XL1）=1.56/（1.909+3.2）=0.305（KA）
三相短路容量
S''=Sd/Xk》=100/5.109=19.57MVA
4对于d3点以胶木厂计算此时10kV负荷侧的线路XL2=7*0.4=2.8三相短路电流周期分量有效值为：
Id4min=IB2/（X13+XL2）=5.5/（1.909+2.8）=1.17（KA）
折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为:
Id41min=Ib1）=1.56心.909+2.8）=0.331（KA）
三相短路容量
S''=Sd/Xk工=100/4.709=21.24MVA
5对于d3点以印染厂计算
此时10kV负荷侧的线路XL3=13*0.4=5.2
三相短路电流周期分量有效值为：
ld5min=lB2/（X13+Xl3）=5.5心.909+5.2）=0.774（KA）
折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为:
Id51min=IB1,）=1.56/（1.909+5.2）=0.219（KA）
三相短路容量
S''=Sd/Xk2=100/7.109=14.07MVA
6对于d3点以配电所计算
此时10kV负荷侧的线路Xl4=15*0.4=6
三相短路电流周期分量有效值为：
Id6min=IB2/（X13+XL4）=5.5/（1.909+6）=0.713（KA）
折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为:
Id61min=IB1,）=1.56/（1.909+6）=0.202（KA）
三相短路容量
S''=Sd/Xk工=100/7.709=12.97MVA
7对于d3点以炼铁厂计算
此时10kV负荷侧的线路Xl1=10*0.4=4
三相短路电流周期分量有效值为：
Id7min=IB2/（X13+Xl5）=5.5/（1.909+4）=0.931（KA）
折算到35KV侧，三相短路电流周期分量有效值为:
Id71min=IB1,）=1.56/（1.909+4）=0.264（KA）
三相短路容量
S''=Sd/Xk2=100/5.909=16.92MVA
Si
9
0.719
d2
35KV
d1
/
10KV
/78）
71.19
XL=3.628
4.5短路电流计算结果
5变电所继电保护和自动装置规划：
5.1系统分析及继电保护要求：
本设计35/10KV系统为双电源35KV单母线分段接线，10KV侧单母线分段接线，所接负荷多为化工型，属一二类负荷居多。
5.1.1为保证安全供电和电能质量，继电保护应满足四项基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
5.2本系统故障分析：
5.2.1本设计中的电力系统具有非直接接地的架空线路及中性点不接地的电力变压器等主要设备。
就线路来讲，其主要故障为单相接地、两相接
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