HF110KV变电站继电保护课程设计.docx

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HF110KV变电站继电保护课程设计

附录四变电站保护配置图

摘要

本设计围绕110KV变电站的继电保护，根据设计原始资料提供的变电站的一次系统图和相关规程，进行短路电流的计算，对变压器、母线、线路配置保护，主要保护整定计算与校验。

通过计算和比较，按照继电保护选择性、速动性、可靠性、灵敏性，确定了变电站电气设备、母线、线路保护的初步设计方案和配置，并对主要保护进行了综合评价。

最后绘出变电站的保护配置图。

【关键词】整定计算、零序电流保护、差动保护

1概述

继电保护装置是能反应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。

继电保护基本任务：

自动，迅速，有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。

反应电气设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号或跳闸。

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：

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：

快速切除故障。

快速切除故障的优点，提高系统稳定性；减少用户在低电压下的动作时间；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：

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，也是贯穿全设计的一个基本线索。

它们之间既矛盾，又在一定条件下统一。

2系统运行方式

2.1运行方式的选择

变电站运行方式选择原则：

变电站的母线上无论接几台变压器，一般应考虑其中容量最大的一台停用。

线路运行方式选择原则：

一个发电厂、变电站线线上接有多条线路，一般考虑选择一条线路检修，另一条线路又故障的方式；双回路一般不考虑同时停用。

系统运行方式的确定：

本系统的最大运行方式是所有设备全部投入运行；系统的最小运行方式为发电机G1或G2投入。

所有变压器星型侧接地。

2.2变压器中性点接地选择

（1）变电所低压侧有电源的变压器，中性点均要接地。

（2）自耦型和有绝缘要求的其它变压器，其中性点必须接地。

（3）T接于线路上的变压器，以不接地运行为宜。

（4）为防止操作过电压，在操作时应临时将变压器中性点接地，操作完毕后

再断开，这种情况不按接地运行考虑。

3故障点选择与序网络制定

本次设计是110KVA站变电站继电保护，如图3.1所示，整个系统中选择了6个短路点d1、d2、d3、d4、d5、d6。

根据整定计算的需要，保护的整定原则选择的短路点。

图3.2、3.3、3.4是d1短路时的正、负、零序网络图，其他短路点的网络图原理一致。

图3.1等值电路图和各短路点

图3.2d1短路时的正序网络图

图3.3d1短路时的负序网络图

图3.4d1短路时的零序网络图

4变电站保护的配置

4.1线路保护的配置

根据GB/T14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》第4.4条3KV~10KV线路保护4.4.2.1条规定：

单侧电源线路，可装设两段过电流保护，第一段为不带时限的电流速断保护：

第二段为带时限的的过电流保护；保护可采用定时限或反时限特性。

保护的选择性，灵敏性，可靠性，速动性，经济性，A站10KV馈线配置电流速断保护和定时限过电流保护。

小电流接地系统（35KV及以下）输电线路一般采用三段式电流保护反应相间短路故障：

由于小电流接地系统没有接地点，故单相接地短路仅视作异常运行状态，一般利用母线上的绝缘检查装置发信号，由运行人员分区停电寻找接地设备。

对于变电站来讲，母线上出线回路较多，也涉及供电的连续性问题，故一般采用零序电流保护反应接地故障。

110KV输电线路一般采用三段式相间距离保护作为故障的保护方式，采用阶段式零序电流保护作为接地短路的保护方式。

对于极个别非常短的线路，如有必要也可以采用纵差保护作为主保护。

本系统线路的保护方式采用三段式相间距离保护作为故障的保护方式，采用阶段式零序电流保护作为接地短路的保护方式。

其中，第I段作为线路的主保护，II、III段作为后备保护。

4.2母线保护的配置

根据GB/T14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》第4.8.4条规定：

对3KV~10KV分段母线宜采用不完全电流差动保护，保护装置仅接入有电源支路的电流保护装置由2段构成，第一段宜采用无时限或带时限的电流速断保护，当灵敏系数不符合要求时，采用电压闭锁电流速断保护；第二段采用过电流，当灵敏系数不符合要求时，可将一部分负荷较大的配电线路接入差动回路，以降低保护的启动电流。

所以A站10KV侧母线配置不完全差动保护即简易母差保护。

根据GB/T14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》第4.8.2条规定：

110KV单母线需要快速切除母线上的的故障时，应装设专用的母线保护。

根据4.9.1规定:

110KV电力网的个别重要部分应装设断路器失灵保护。

所以，A站110KV母线配置母联差动保护和断路器失灵保护，断路器失灵保护作为其近后备保护。

4.3变压器保护的配置

根据GB/T14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》第4.3.2条规定：

电力变压器应装设如下保护：

0.4MV.A及以上的车间内油浸式变压器和0.8MV.A及以上的油浸式变压器均应装设瓦斯保护。

根据第4.3.3.2条规定：

电压在10KV以上，容量在10MV.A及以上的变压器，应装设纵联差动保护。

根据第4.3.8.2条规定：

分级绝缘变压器应装设用于中性点直接接地和经放电间隙接地的两套零序过电流保护。

还应增设零序过电压保护。

根据第4.3.3.2条规定：

相间短路后备保护宜采用过电流保护和复合电压启动的过电流保护或复合电流保护。

本保护变压器容量为20MV.A，变压器绝缘采用分段绝缘，中性点不允许过电压。

应装设瓦斯保护、纵联差动保护、变压器中性点侧装设零序过电流保护和零序过电压保护，采用复合电压闭锁、过电流保护作为其后备保护。

本变电站具体保护配置见表4.1所示。

表4.1变电站保护的配置

保护对象

主保护

后备保护

变压器

差动保护、瓦斯保护

零序过电流、零序过电压、零序电流差动保护

母线

10KV侧

不完全电流差动保护

110KV侧

完全电流差动保护

断路器失灵保护

线路

10KV侧馈线

电流速断保护、限时电流速断保护

定时限过电流保护

断路器502

零序电流保护I段、II段

零序电流保护III段

断路器503

距离保护I段、III段

零序电流保护I、III段

断路器504

距离保护I段、II段、III段

零序电流保护I、II段、III段

5主要保护的综合评价

5.1变压器保护的综合评价

（1）瓦斯保护：

瓦斯保护主要用来保护变压器的内部故障，优点是简单，灵敏，经济；缺点是动作速度慢，且仅能反映变压器油箱内部故障，瓦斯保护只有与差动保护配合使用才能做到优势互补，效果更佳。

瓦斯保护装置接线由信号回路和跳闸回路组成。

变压器内部发生轻微故障时，继电器触点闭合，发出瞬时“轻瓦斯动作”信号。

变压器内部发生严重故障时，油箱内产生大量气体，强烈的油流冲击挡板，继电器触点闭合，发出重瓦斯跳闸脉冲，跳开变压器各侧断路器。

变压器严重漏油使油面降低时，继电器动作，同样发出“轻瓦斯动作”信号。

（2）差动保护：

差动保护是一切电气主设备的主保护，优点是灵敏度高、选择性好、实现简单，它不但能正确区分区内外故障，而且不需要与其他元件配合，可以无延时地切除区内各种故障。

缺点是当大型变压器内部产生严重漏油或匝数很少的匝间短路故障以及绕组断线故障时，差动保护不能动作。

（3）零序电流差动保护：

中性点直接接地电网的变压器装设零序（接地）保护作为变压器住保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。

当变压器中性点同时装设有避雷器和放电间隙时，应装设零序电流保护作为变压器中性点直接接地运行时的保护，并增设一套反映间隙放电电流的零序电流保护和一套零序电压保护作为变压器中性点不接地运行时的保护。

后者作为间隙放电电流的零序电流保护的后备保护。

5.2线路保护的综合评价

（1）零序电流保护：

可用做中性点直接接地系统中主要的接地短路保护，有较好的灵敏度，接线简单可靠；但不能反映三相和两相短路，受系统运行方式影响大。

当零序电流保护不能满足系统要求时，应装设接地距离保护、。

当线路配置了接地距离保护时，根椐运行需要还应配置阶段式零序电流保护。

特别是零序电流保护中最小定值的保护段，对检测经较大接地电阻的短路故障较为优越。

（2）距离保护：

优点是能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求；阻抗继电器是同时反应电压的降低和电流的增大而动作的，因此距离保护较电流保护有较高的灵敏度。

其中Ⅰ段距离保护基本不受运行方式的影响，而Ⅱ、Ⅲ段受系统运行变化的影响也较电流保护要小一些，保护区域比较稳定。

缺点是不能实现全线瞬动。

对双侧电源线路，将有全线的30﹪～40﹪的第Ⅱ段时限跳闸，这对稳定有较高要求的超高压远距离输电系统来说是不能接受的。

阻抗继电器本身较长复杂，还增设了振荡闭锁装置，电压断线闭锁装置，因此距离保护装置调试比较麻烦，可靠性也相对低些。

（3）阶段式电流保护：

由电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护组成。

电流速断保护简单可靠、动作迅速，但电流速断不能保护线路全长、保护范围受运行方式影响大；限时电流速断保护能切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时也能作为速断保护的后备保护，由于延时动作，不能满足速动性要求，可能损坏设备并扩大停电范围；定时限过电流保护，能作为相邻元件的后备保护，保护范围大，动作时限长。

阶段式电流保护把三段保护灵敏系数与动作时限相互配合，能保证迅速有选择性地切除故障。

5.3母线保护综合评价

电流差动保护用来切除母线故障，电压等级低采用不完全电流差动保护。

复合电压闭锁保护防止误动作提高可靠性；断路器失灵保护作为母线近后备保护，当断路器失灵而不能切除故障，失灵保护动作后，切除连接于拒绝动作断路器所在母线上的其他断路器全部切除，以消除故障，优点是能切除故障，缺点是容易误动作、造成大面积停电。

结束语

课程设计是对我们所学基本知识、基本理论和基本技能掌握与提高程度的一次总测试。

在学习期间，已经按照教学计划的规定，学完了基础课、专业课，每门课程也都经过了考试，主要是考查我们对本门课程所学知识的记忆程度和理解程度。

但课程设计不是单一地对学生进行某一学科已学知识的考核，而是着重考查我们运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。

通过此次课程设计，使我了解了继电保护设计与分析的研究过程，掌握了如何收集、整理和利用材料，如何利用专业书籍。

做好一次课程设计，既要系统地掌握和运用专业知识，还要有较宽的知识面并有一定的逻辑思维能力和写作功底。

通过课程设计的制作，使我发现自己的长处和短处，以便在今后的工作中有针对性地克服缺点，有利于提高业务水平和工作态度。

最后，感谢指导老师的悉心指导，感谢同学在设计过程中的帮助。

参考文献

[1]GB/T14285—2006继电保护和安全自动装置技术规程

[2]韩笑.电气工程专业毕业设计指南继电保护分册[M].北京:

中国水利电力出版社，2003

[3]何仰赞，温增银.电力系统分析上、下册[M].武汉:

华中科技大学出版社，2002

[4]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京:

中国电力出版社，1994

[5]崔家佩，陈永芳.继电保护安全与自动装置整定计算.北京:

中国电力出版社，1990

[6]陈德树.计算机继电保护原理与技术[M].北京:

中国水利出版社,1992

[7]孙国凯，霍利民.电力系统继电保护原理[M].北京:

中国水利出版社，2002

[8]有关国家标准、设计规程与规范、图纸

附录一系统参数

基准功率：

SB=100MV·A；基准电压：

VB=115KV；

基准电流：

IB=SB/1.732VB=100×103/1.732×115=0.502KA；

基准电抗：

ZB=VB/1.732IB=115×103/1.732×502=132.25Ω；

电压标幺值：

E=E

（2）=1.05

（1）输电线路等值电抗计算

①A站10KV馈线（设线路长30km）

正序以及负序电抗：

XL=X1L=0.4×30=12Ω；XL*=12/132.25=0.09074

②线路AS2

正序以及负序电抗：

XAS2=X1LAS2=0.4×15=6Ω；XAS2*=6/132.25=0.04537

零序电抗：

XAS20=X1LAS2=3X1LAS2=3×6=18Ω；

XAS20*=XAS20/ZB=18/132.25=0.1361

③线路AB

正序以及负序电抗：

XAB=X1LAB=0.4×25=10Ω；

XAB*=XAB/ZB=10/132.25=0.07561

零序电抗：

XAB0=X0LAB=3XAB=30Ω；XAB*=3XAB*=0.2268

④线路AC

正序以及负序电抗：

XAC=X1LAC=0.4×18=7.2Ω；

XAC*=XAC/ZB=7.2/132.25=0.05444

零序电抗：

XAC0=3XAC=21.6Ω；XAC0*=3XAC*=0.1633

⑤线路BS1

正序以及负序电抗：

XBS1=0.4×28=11.2Ω；XBS1*=11.2/132.25=0.08469

零序电抗：

XBS10=3XBS1=33.6Ω；XBS20*=3XBS1*/ZB=0.2541

（2）变压器等值电抗计算

①变压器1B、2B

XT1=XT2=（UK%/100）×（VN2×103/SN）≈98.736Ω

XT1*=XT2*=XT1/ZB=98.736/132.25=0.7466

②变压器3B、4B

XT3=XT4≈62.9805Ω；

XT3*=XT4*=XT3/ZB=62.9805/132.25=0.4762

③变压器5B、6B等值电抗计算

XT5=XT6=XT7=（UK%/100）×（VN2/SN）≈83.89Ω；

XT6*=XT5*=0.6305

（3）发电机等值电抗计算

XG1=0.7109×132.25=94.0165Ω；

XG1*=XG2*=X%SB/SG=0.7109

（4）最大负荷电流计算

A母线最大负荷电流①IfhA·max=2S3B/

U=2×20000/（1.732×115）=200.8234A

②B母线最大负荷电流IfhB·max=2S2B/

U=2×15000/（1.732×115）=150.62A

③A站10KV母线最大负荷电流按变压器额定电流取1154.73A

（5）负荷阻抗

XLD1=E/1.732Id1·max=265.6Ω；XLD2=E/1.732Id2·max=330.7Ω

XLD3=E/1.732Id3·max=189.7Ω；XLD4=E/1.732Id4·max=209.9Ω

（6）零序电流

d1点短路的零序电流：

X0∑=16.75ΩX1∑=X2∑=48.23Ω

I0·min=E/（2Z2∑+Z0∑）=115/（2×48.23+16.75）=1.066KA

I0·max=E/（2Z0∑+Z1∑）=115/（2×16.75+48.23）=1.477KA

d2点短路的零序电流：

X0∑=24.36ΩX1∑=X2∑=43.83Ω

I0·min=115/（2×43.83+24.36）=0.898KA；I0·max=115/（2×24.36+43.83）=1.097KA

d3点短路的零序电流：

X0∑=56.8ΩX1∑=X2∑=47.2Ω

I0·max=115/（2×47.2+56.8）=0.799KA；I0·min=115/（2×56.8+47.2）=0.712KA

d4点短路的零序电流：

X0∑=34.8ΩX1∑=X2∑=45.6Ω

I0·min=115/（2×45.6+34.8）=0.958KA；I0·max=115/（2×34.8+45.6）=1.048KA

附录二线路保护整定计算与校验

（1）A站10KV侧馈线保护整定计算与校验

①电流速断保护按躲开本线路末端最大短路电流整定

Ik.max=E/（Zsmin+ZL）=6.06/（96.37+7.2+62.9805+12）=0.03394KA

IIset=KrelIk。

max=1.2×0.03394=0.KA

保护范围校验：

IIset=Ik。

L.min=6.06/（Zsmax+0.4Lmin）

Lmin=6.3km即保护范围为21%，满足要求；

动作时限：

tI=os

②限时电流速断保护按与相邻下一线路第I段整定

IIIset=KIIelIset=1.2×0.04596=0.05515A

Ksen=Ik。

min/IIIset=1.318≥.3~1.5满足要求；

动作时限：

tII=0.5s

③过电流保护按躲开本元件最大负荷电流整定

IIIIset=KIIIelKIss/Krel×IL.max=0.07946KA

作近后备时，Ksen=Ik。

min/IIIIset=1.623≥1.3~1.5满足要求；

动作时限：

tIII=1s

作远后备时，Ksen=Ik。

min/IIIIset=0.936<1.2不满足要求

（2）断路器502零序电流保护的整定计算和校验

І段按躲开变压器空载投入的励磁涌流整定：

Iset=KyaIN=3.5×0.378×105=0.389KA

Ky为励磁涌流系数；a为变压器端电压下降系数；IN为变压器高压侧额定电流

按躲开断路器三相不同时合闸的最大零序电流整定

Iset=Krel3Iomax=1.1×1477=1.624K7AIset为1.6247KA；

动作时间：

t'=0s

零序电流保护III段I0IIIdz=KIIIKIbp·max=1.2×0.864=1.0368KA；

tIII=Δt=0.5

（3）断路器503保护的整定计算和校验

①距离保护І段动作阻抗:

Zdz'=KK'ZLAS2=0.85×6=5.1Ω；

动作时限:

t'=0s。

距离保护Ⅲ段的整定计算：

Zf·min=239.03ΩZdzIII=173.2Ωt=0.5s

灵敏度校验：

Ksen=173.2/6=28.9＞1.5满足要求

②断路器503零序电流保护的整定计算和校验

零序电流保护І段

躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路时的最大零序电流3I0·max,KKI=1.2,II0dz=KKI3I0·max=1.2×3×1.048=3.77KA

零序电流保护III段

起动电流：

躲开在下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流Ibp·max,

即Ibp·max=0.936KA,KIIIK=1.2,I0IIIdz=KIIIKIbp·max=1.2×0.936=1.28KA

灵敏度：

作为近后备保护时，Ksen=3I0'''·min/I0'''·dz=3×0.958/1.28=2.25≥2,符合要求

动作时限：

tIII=Δt=0.5

（4）断路器504保护的整定计算和校验

①距离保护的整定计算和校验

Ⅰ段整定计算：

按躲过本线路末端短路来整定

取KK'=0.85Zdz'=KK'ZLAB=0.85×10=8.5Ω

动作时限：

t'=0s。

Ⅱ段整定计算：

动作阻抗与相邻线路BS1的保护的І段配合

ZdzII=KKII（ZLAB+KIKfh·minZLBS1）Kfh·min=1ZdzII=0.8×（1.07+0.85×11.2）=15.62Ω

按躲开相邻变压器低压侧出口短路整定

ZdzII=KKII（ZLAB+Kfh·minZTC）Kfh·min=1ZdzII=0.8×（10+42）=41.6Ω

取最小者，即ZdzII=15.62Ω；动作时间：

t1"=Δt=0.5s

灵敏性校验：

Ksen=ZdzII/ZLAB=15.62/1.07=1.56＞1.5,满足要求

距离保护Ⅲ段：

动作阻抗按躲开最小负荷阻抗整定

Zf·min=0.9Ue/1.732If·max=0.9×115×1000/350=170.74Ω

ZdzIII=Zf·min/KKIIIKhKzq=170.74/1.2×1.15×1=123.3Ω；动作时间：

tIII=2Δt=1s

灵敏性校验：

本线路末端短路时的灵敏系数为：

Ksen=ZdzIII/ZLAB=123.3/10=12.3>1.5，满足要求

相邻元件末端短路时的灵敏系数为：

Kfh·max=1Ksen=Zdz'''/（ZLAB+Kfh·maxZLBS1）=5.8>1.2，满足要求

II相邻变压器末端短路时的灵敏系数为；

Kfh·max=1Ksen=Zdz'''/（ZLAB+Kfh·maxZTC）==123.3（10+42）=2.4>1.2，满足要求

②断路器504零序电流保护的整定计算和校验

零序电流保护І段：

KK'=1.2,I0I·dz=KK'3I0·max=1.2×3×1.097=3.95KA

零序电流保护II段：

零序II段的起动电流应与下一段线路的零序І段保护相配合

该保护的起动电流I0II·dz为：

取KK''=1.2，I0II·dz=KK''I0I·dz=1.2×2.876=3.45KA

动作时限0.5s；灵敏度校验：

Ksen=3I0·min/I0II·dz=3×1.898/3.45=1.65≥1.5

零序电流保护III段:

与下一线路零序电流III段相配合。

两个保护之间有分支电路时，起动电流整定为I0III·dz=K"'KI0'''·dz下一线=1.1×1.04=1.144KA

灵敏度校验:

作为本线路近后备保护时，Ksen=3I0'''·min/I0'''·dz=3×0.898/1.144=2.4≥2,符合要求

动作时限:

t4'"=2Δt=1s

附录三变压器保护整定计算和校验

变压器一次额定电流

110KV侧：

IN=20000/（1.732×110）=0.105KA

10KV侧：

IN=20000/（1.732×10）=1.15473KA

电流互感器变比110KV侧：

nTA=1.732×105/5=181.86；选用nTA=250/5

10KV侧：

nTA=1154.73/5；选用nTA=1250/5

电流互感器二次电流110KV侧：

10KV侧：

I2N=1154.73/250=4.6189A

选用二次电流大的一侧作为基本侧,确定10KV侧为基本侧

（1）差动保护整定计算

①按躲过励磁涌流来整定：

Iset=KrelKuIN=1.3×4×1154.73=6.KA

式中Krel取1.3；IN变压器的额定电流；Ku励磁涌流的最大倍数，取4~8，根据变压器的额定容量ST关系曲线取4

②按躲过电流互感器二次回路断线整定：

=1.3×1154.73=1.KA

③按躲开不平衡电流整定Iset=Krel（△fza+△U+0.1KnpK