110KV电力系统继电保护和自动装置设计毕业论文.doc

目 录
第一部分 设计任务与调研………………………………………………………3
第二部分 设计说明…………………………………………………………………4
第三部分 设计成果…………………………………………………………………13
第四部分 结束语……………………………………………………………………14
第五部分 致谢…………………………………………………………………………15
第六部分 参考文献…………………………………………………………………16

第一部分 设计任务与调研
本设计为110kV系统继电保护及自动装置的设计与配置。该电网有110kV、35kV、10kV三个电压等级。其中，110kV侧为电源侧，其它两侧均为负荷侧。110kV为双母分段接线，两段分别与甲变电站和丁电厂连接，甲变电站由于110kV出线多，为检修方便而设置了旁路母线和专用旁路开关。甲变电站有2回电缆供乙变电站两台三绕组变压器供35kV和10kV负荷，还有2回线路和丁电厂联络。丁电厂将另2回110kV出线供丙变电站两台三绕组变压器供35kV负荷。
本设计以线路的保护为主，为防止线路的相间故障，由于电压等级为110kV，故采用距离保护，对6条线路分别进行距离I、II、III段的整定与灵敏度的校验。此外，为防止中性点直接接地系统中发生接地短路，产生很大的零序电流分量，线路还应采用零序电流保护。连接甲变电站和丁电厂的双回线路除了距离保护和零序电流保护外，还应配置横联差动保护作为主保护的补充。其中包括相间横联差动电流保护及零序横联差动电流保护。为了更好地保证电网安全、经济运行，电力系统运行越来越依赖于自动控制技术，本设计还可以简单地配置自动重合闸、备用电源自动投入和低频减载等自动装置。

第二部分 设计说明

本设计为110kV系统继电保护及自动装置的设计与配置。在继电保护部分，本论文主要讨论了线路的保护，其采用了距离保护和零序电流保护。对于双回输电线路，还进行了横联差动保护的整定。此外，对变压器的保护做了简单的配置与整定，以瓦斯保护、纵差动保护作为变压器的主保护，过电流保护和过负荷保护作为其后备保护。最后，为了更好地保证系统安全、经济地运行，本设计还配置了自动重合闸、备用电源自动投入和自动低频减载等自动装置。
2.1 概 述
在电力系统的实际计算中，对于直接电气联系的网络，在制订标么值的等值电路时，各元件的参数必须按统一的基准值进行归算。然而，从手册或产品说明书中查得的电机或电器的阻抗值，一般都是以各自的额定容量和额定电压为基准的标么值。由于各元件的额定值可能不同，因此，必须把不同基准值的标么阻抗换算成统一基准的标么值。
2.2 参数归算
参数归算至110KV侧：取
，，
，

甲变电站：

电抗：

负荷电流：

乙变电站：

丙变电站：

丁电厂：

线路：
111、112线：

113、114线：

115、116线：

2.3阻抗值
1、甲变电站：
其中系统电阻为0，所以有
2、丁电厂

2.4确定运行方式阻抗值
1、最大运行方式 2、最小运行方式
甲变电站：
丁电厂：
相间横联差动电流方向保护用于两侧装有四个断路器的双回线路。这种保护只保护相间短路故障。分别按不同的条件和项目进行整定。
一、不带电压起动的横联差动电流方向保护的整定
这种保护只需给出差电流元件动作电流。差电流元件动作电流按满足以下两个条件整定。
（1）按躲开单回线路运行的最大负荷电流整定。即考虑另一回线路由一侧向线路充电，充电侧的横联差动电流方向保护不应动作。其动作值计算公式为

式中——可靠系数，取1.2；
——返回系数，其大小按保护的具体类型决定，电磁型电流继电器取0.85；
——单回线路运行时的最大负荷电流。
（2）按躲双回线路外部短路时流过保护的最大不平衡电流整定。其动作值计算公式为

其中

式中——可靠系数，取1.3－1.5；
——双回线路外部短路时产生的最大不平衡电流；
——由两组电流互感器特性不同引起的不平衡电流；
——由双回线路阻抗不相等引起的不平衡电流；
——电流互感器比误差系数，取0.1；
——电流互感器同型系数，同型式者取0.5，不同型式者取1；
——双回线路的正序差电流系数，由计算或实测决定；
——短路电流的非周期分量系数，一般电流继电器取1.5－2；对能躲非周期分量的继电器取1－1.3；
——双回线路外部三相短路时流过双回线路中的最大总短路电流，短路点分别选在两侧母线上，取其中最大者。
二、相间横联差动电流方向保护灵敏度校验及相继动作区的计算
差电流元件灵敏度计算公式：

式中——双回线路内部短路，流过横联差动电流方向保护的最小短路电流，其短路点选在一回线路的中点或选在一回线路的末端。
灵敏度要求：当双回线路中的一回线路中点短路时，在两侧断路器均未跳开之前，其中一侧保护的灵敏系数应不小于2；而在任何一侧跳开之后，按线路末端短路时的灵敏度应不小于1.5。
三、相间横联差动电流方向保护死区的计算
双回线路中的一回线路，在靠近母线侧附近的区域内发生相间短路时，母线上残压很小，方向继电器将会拒动，这个区域就是电压死区。电压死区一般不应大于线路全长的10％；在线路末端附近的区域发生短路时，由于流入方向继电器中的电流很小，继电器将拒动，这个区域就是电流死区。对电流死区一般没有要求，因为当对侧横联差动保护动作跳开断路器后，电流死区将自动消失，它与电流元件的相继动作区相比是较小的，所以一般可不考虑。
四、具体整定计算
（1）

（2）

取大者

灵敏度校验及相继动作区的计算：
（1）一回线路的中点短路

A侧： 满足要求。
B侧： 满足要求。
（2）双回线路中一回线路末端内部短路及相继动作时

（a）

A侧： 满足要求。
（b）

B侧： 满足要求。

五、相间横联差动电流方向保护死区的计算
双回线路中的一回线路，在靠近母线侧附近的区域内发生相间短路时，母线上残压很小，方向继电器将会拒动，这个区域就是电压死区。电压死区一般不应大于全长的10%；在线路末端附近短路时，由于流入方向继电器中的电流很小，继电器将拒动，这个区域就是电流死区。对电流死区一般没什么要求，因为当对侧横联差动保护跳开短路器后，电流死区将自动消失，它与电流元件的相继动作区相比是较小的，所以一般可不考虑。
确定电压死区的整定计算：一般不需要十分精确，可用方向继电器的最小动作电压计算。例如LLG-3型方向继电器，当电流为5A时，其最小动作电压为0.3V。
整定公式：
其中—方向继电器最小动作电压值（V）
—方向继电器死区长度（km）
—当双回线路一回线路的保护出口发生三相短路时，流过被计算保护的最小短路电流（A）
整定计算：由横联差动相继动作验算中可知，两侧保护出口三相短路流入继电器的最大电流远大于5A，故可按继电器最小动作电压计算其死区。则
A侧：

B侧：

两侧方向继电器电压死区均小于10%，所以计算结果满足要求。
现代生产的变压器，虽然结构可靠，故障机会较少，但在实际运行中，仍有可能发生各种类型故障和异常运行，为了保证电力系统安全连续地运行，并将故障和异常运行对电力系统的影响限制到最小范围，必须根据变压器容量大小、电压等级等因素装设必要的、动作可靠性高的继电保护装置。

一、变压器保护的配置原则
变压器一般装设下列继电保护装置：
1、反应变压器油箱内故障和油面降低的瓦斯保护
容量为800KVA及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源断路器。对于高压侧未装设断路器的线路－变压器组，未采取瓦斯保护能切除变压器内部故障的技术措施时，瓦斯保护可仅动作于信号。

2、相间短路保护
反应变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护，对其中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路也能起保护作用。
容量为6300KVA以下并列运行的变压器以及10000KVA以下单独运行的变压器，当后备保护时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。
容量为6300KVA及以上、厂用工作变压器和并列运行的变压器、10000KVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵联差动保护。
对高压侧电压为330KV及以上的变压器，可装设双重差动保护。
对于发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，变压器应装设单独的纵联差动保护，当发电机与变压器之间没有断路器时，100MW及以下的发电机，可只装设发电机变压器组共用的纵联差动保护。100MW以上的发电机，除发电机变压器组共用纵联差动保护外，发电机还应装设单独的纵联差动保护。对于200MW及以上的汽轮发电机，为提高快速性，在机端还宜增设复合电流速断保护，或在变压器上增设单独的纵联差动保护，即采用双重快速保护方式。
如果变压器的纵联差动保护对单相接地短路灵敏性不符合要求，可增设零序差动保护。

3、后备保护
对于由外部相间短路引起的变压器过电流，可采用下列保护作为后备保护。
（1）过电流保护，宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故时可出现的过负荷。
（2）负荷电压起动的过电流保护，宜用于升压变压器和系统联络变压器及过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。
（3）负序电流保护和单相式低电压起动的过电流保护，可用于63000KVA及以上的升压变压器。
（4）对于升压变压器和系统联络变压器，当采用上述（2）、（3）保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。上述各项保护动作后，应带时限动作于跳闸。

4、中性点直接接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护
110KV及以上中性点直接接地电网中，如果变压器中性点可能接地运行，对于两侧或三侧电源的升压变压器或降压变压器上应装设零序电流保护，作为变压器主保护的后备保护，并作为相邻元件的后备保护。

5、过负荷保护
对于400KVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其它负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。对自耦变压器和多绕组变压器，保护装置应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。过负荷保护应接于一相电流上，带时限动作于信号。在无经常值班人员的变电所，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。
根据以上原则，本设计中丙变电站主变压器的保护配置如下：
1）110kV侧装设纵差动保护为主保护，过电流和过负荷保护为后备保护。
2）35kV侧装设纵差动保护为主保护。
3）10kV侧装设纵差动保护为主保护，过电流保护为后备保护。

8.2 变压器保护整定计算
1、三绕组变压器差动保护采用BCH－2差动继电保护。变压器B4以110KV侧，计算各侧一次额定电流，选择保护用电流互感器变比，确定差动保护各臂中的二次额定电流。计算结果见下表。

变压器差动保护参数计算结果

名称
各侧数值
额定电压（KV）
110
35
10
额定电流（A）

电流互感器的接线方式
D
d
y
电流互感器一次电流计算值

3149.2
选用电流互感器变比

电流互感器二次额定电流（A）

2、确定保护装置的动作电流
1) 避越变压器的励磁涌流

2)避越35KV侧外部短路时的最大不平衡电流

35KV侧三相短路：
10KV侧三相短路：

3）躲过电流互感器二次回路断线的最大负荷电流

4）确定差动继电器的动作电流和基本侧差动线圈的匝数
差动继电器的动作电流：

差动继电器匝数：

实际整定匝数选用
继电器的实际动作电流：

保护装置的实际动作电流：

5）确定非基本侧工作线圈和平衡线圈匝数

选取
实际工作线圈匝数：
6）计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差

实际相对误差。
7）校验保护的灵敏系数。当系统最小运行方式下，11KV侧出口处发生两相短路时，保护装置的灵敏系数最低，

灵敏系数满足要求。

1、 第三部分 设计成果
2、 110KV系统如图所示，图中包括一个发电厂和三个变电所。甲变电站系统工程220KV降压变电站 ，由二台12万千伏安三圈变压器供电给110KV及35KV负荷。甲站有二回专线电缆供乙电站台二台三圈变压器供35KV及10KV负荷。还有二回线路和丁电厂联络。丁电厂将另有二回110KV出线专供两变电站二台三圈变压器（作双圈变压器用）供35KV负荷。
3、 甲变电站由于110KV出线多，为检修方便而设置了旁路母线和专用旁路开关。
4、 乙、丙变电站主变压器110KV中性点绝缘等级为全绝缘水平，运行中就主变压器本身绝缘承受能力而言允许不接地运行，乙变电站10KV母线短路容量不得大于400MVA。
5、 甲变电站二台主变220KV供电端电源短路容量归算到本站主变高压侧为：“按无穷大容量计算”。
6、 丁电厂最大出力为20万KW，最小出力为10万KW，丁电厂除供丙变电站负荷外，还供本母线上其它负荷，计4－5万KW，丁电厂由四台变压器供本母线电压，丁电厂本身送上110KV最大母线，短路容量按1000MVA计算，最小短路容量按500MVA计算（每台主变按同容量考虑）。
7、 由电网稳定需要：要求对丁电厂当任何运行方式下，系统上发生三相短路故障时母线残压若低于15％Ve，则必须在0.5S内切除故障，而对甲变电站当在任何运行方式下，系统发生三相短路故障时，母线残压若低于20％Ve，则必须在0.2S内切除故障。
8、 线路上最大输送负荷：111、112按100000KVA考虑，余下四线按80000KVA考虑，变电站中变压器正常供电负荷一律按额定容量的75％作计算，最大供电负荷按1.05倍额定容量考虑。
9、 两个终端变电站低压侧均作无电源考虑，乙变电站和丙变电站35KV侧出线继电保护整定最长时限按2.5S考虑，10KV侧出线继电保护整定最长时限1.5S考虑，变电站低压侧出线最大负荷电流按650A计算。
10、 丁电厂不考虑单独运行，它应保证至少有一回线和甲变电站及大电网相联。
11、 丁电厂中4台变压器每两台按零序阻抗标么值(以100MVA为 基准)。
12、 各主变参数如下：
甲变电站： ,
在电力系统的实际计算中，对于直接电气联系的网络，在制订标么值的等值电路时，各元件的参数必须按统一的基准值进行归算。然而，从手册或产品说明书中查得的电机或电器的阻抗值，一般都是以各自的额定容量和额定电压为基准的标么值。由于各元件的额定值可能不同，因此，必须把不同基准值的标么阻抗换算成统一基准的标么值。
13、 在选择保护方式及对其进行整定计算时，都必须考虑系统运行方式变化带来的影响。所选用的保护方式，应在各种系统运行方式下，都能满足选择性和灵敏性的要求。对过量保护来说，通常都是根据系统最大运行方式来确定保护的整定值，以保证选择性，因为只要在最大运行方式下能保证选择性，在其它运行方式下也一定能保证选择性；灵敏度的校验应根据最小运行方式来进行，因为只要在最小运行方式下，灵敏度符合要求，在其它运行方式下，灵敏度以一定能满足要求。
14、 变压器中性点接地数目的多少和分配地点，对零序电流保护影响极大，通常由继电保护整定计算部门决定。变压器中性点接地方式的选择，一般可按下述条件考虑。
15、 距离保护是根据故障点离保护装置处的距离来确定其动作的，较少受运行方式的影响，在110－220kV电网得到广泛应用。本设计为110kV电网，故采用距离保护来切除线路的相间故障。
16、 双回线路的特点是两条线路在两端均有相连的公共母线，双回线路的线路长度也应相差不多。双回线路的保护的配置，除了与单回线路相同外，根据双回线路的结构，还可采用横联差动保护作为主保护的补充。由于横联差动保护差电流元件有相继动作区，使切除故障时间加长，所以，严格地讲，横联差动保护还不能算是完善的主保护。此外，横联差动保护电流方向保护，其方向元件还有电流死区和电压死区。
17、 中性点直接接地系统中发生接地短路，将产生很大的零序电流分量，利用零序电流分量构成保护，可作为一种主要的接地短路保护。因为它不反映三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。
18、 零序电流保护一般按阶梯特性构成，其整定配合遵循反映同种故障类型的保护上下级之间必须相互配合的原则，主要考虑与下一级的接地保护相配合。
19、 现代生产的变压器，虽然结构可靠，故障机会较少，但在实际运行中，仍有可能发生各种类型故障和异常运行，为了保证电力系统安全连续地运行，并将故障和异常运行对电力系统的影响限制到最小范围，必须根据变压器容量大小、电压等级等因素装设必要的、动作可靠性高的继电保护装置。
20、 自动重合闸的采用是系统安全经济运行的客观要求。架空线路绝大多数的故障都是瞬时的，主要是由雷电所引起的闪络。永久性故障一般不到10％。因此，采用自动重合闸，不仅提高供电的安全性，减少停电损失，自动恢复整个系统的正常运行状态，而且对高压电网还提高了其暂态稳定水平，增大送电容量。除此之外，如果系统中一组元件因故障断开而引起其它相关联电力设备过负荷，则可以在过负荷的允许时间内，使系统自动恢复原来的状态，既避免了设备过负荷，又按事先预定控制条件与动作程序自动恢复正常运行。
21、 远动终端就是电网监视和控制系统中安装在发电厂或变电站的一种远动装置，简称RTU。RTU采集所在发电厂或变电站表征电力系统运行状态的模拟量或状态量，监视并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心发往所在发电厂或变电站的控制和调节命令。
第四部分 结束语
众所周知，继电保护的整定计算对系统的安全稳定运行和对重要用户的可靠连续供电等方面有着重要的作用和意义。对于保护工作者来说，更需要把理论与实际结合起来，不仅要考虑到整个装置的经济性，更要考虑到对于系统的稳定性和可靠性。
通过这次设计，我感到收获很大，对电力系统的知识有了更深一步的了解。熟练掌握了各种保护的工作原理和优缺点，以及各种保护的整定计算、时限整定和灵敏度的效验等重要内容。尤其是在计算过程中，运行方式的选择、短路电流的计算等，都给继电保护的结果计算产生很大的影响。这需要我把学到的专业知识融会贯穿起来，同时，又要考虑到实际可能的运行方式相结合起来进行计算设计。由于水平有限，本设计中难免还存在不足的地方，敬请老师给予指导并请批评指正。

第五部分 致谢
本课题设计的主要内容是110kV系统继电保护与自动装置的设计与配置。以继电保护专业知识为主线，同时涉及其它相关基础课程内容，如《电力系统分析》、《电气主系统》、《电力系统自动装置原理》等。通过本课程的设计，把所学的专业知识融汇贯通，理论联系实际，提高了综合分析和解决实际问题的能力。本论文的完成，得到了指导老师李果老师的大力帮助，借此表示感谢。但鉴于实际经验所限，对其中有关问题研究不够，再加上时间比较仓促，疏漏之处在所难免。通过这一阶段的努力，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

第六部分 参考文献
【1】《电力工程电气设计手册2电气二次部分》能源部西北电力设计院编 中国电力出版社2000年
【2】《电力系统继电保护与安全自动装置整定计算》崔家佩 孟庆炎 陈永芳 熊炳耀 水利电力出版社 1993年
【3】《电力系统继电保护设计原理》吕继绍 主编 华中理工大学
【4】《电力系统继电保护原理》第三版 天津大学 贺家李 宋从矩 合编 中国电力出版社
【5】《电力系统自动装置原理》第二版 上海交通大学 杨冠城 主编 中国电力出版社 2000年
【6】《发电厂电气部分》第二版 四川联合大学 范锡普 主编 中国电力出版社 2001年

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