kv变电站继电保护设计.doc

摘 要随着电力电网事业的发展，全国联网的格局已基本形成。科技水平得到提高，电力环境保护得以加强，使中国电力工业的科技水平与世界先进水平日渐接近。电力管理水平和服务水平不断得到提高，电力发展的战略规划管理、生产运行管理、电力市场营销管理以及电力企业信息管理水平、优质服务水平等普遍得到提高。进一步扩大了对外开放，积极实施国际化战略。做好110kV变电站继电保护设计工作是保证电网安全运行的重要环节。继电保护被称为是电力系统的“卫士”，它的基本任务包括： （1）当电力系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证系统其余部分迅速恢复正常运行，防止故障进一步扩大。 （2）当发生不正常工作情况时，能自动、及时地选择信号上传给运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。继电保护的基本原理就是利用电气的突变来鉴别系统有无发生故障或不正常运行状态，根据电力系统电气量的变化测量值与系统正常时的电气参数的对比来检测故障类型和故障范围，以便有选择的切除故障。一般继电保护装置由测量元件、逻辑元件和执行元件组成，同时根据电力系统的要求，对于直接作用于断路器跳闸的保护装置，有四个方面的基本要求：选择性、快速性、灵敏性、可靠性。 本论文围绕110kV变电站的继电保护设计，结合自身曾从事继电保护工作的工作经验及所学专业，根据设计原始资料提供的变电站的一次系统图，重点设计了电力系统基本常识以及短路电流的计算、变压器和线路的继电保护配置以及主要保护整定计算等。通过计算和比较确定了变电站中电气设备的保护和自动装置的初步设计方案和配置选型；并确定保护计算用运行方式，对拟采用的保护装置进行相关短路电流计算，并对保护和自动装置进行整定计算，给出保护的整定计算计算结果和保护定值清单，对现场的保护设计工作有一定的参考和借鉴作用。关键词：继电保护 设计 选型 整定计算目 录第1 章 概述41.1 设计依据41.2 设计工程概况41.2.1 接入系统方案41.2.2 变电站规模41.2.3 系统主接线图51.3 设计原始资料51.3.1 运行方式要求51.3.2 负荷参数6第2 章 系统分析6第3 章 继电保护装置选型配置73.1 配置原则73.2 装置性能要求83.2.1 通用要求83.2.2 变压器保护测控装置性能要求83.2.3 110kV线路保护测控装置性能要求93.2.4 三侧分段备自投保护测控装置性能要求103.2.5 35kV线路保护测控装置性能要求103.2.6 10kV电容器保护测控装置性能要求113.2.7 10kV站用变保护测控装置性能要求113.3 装置选型及组屏方案12第4章 短路电流计算134.1 基准参数选定134.2 系统等效阻抗图134.3 短路电流计算144.3.1 阻抗标幺值计算144.3.2 短路电流有名值计算14第 5章 继电保护整定计算155.1 输电线路保护整定155.1.1 对线路继电保护的要求155.1.2 无时限电流速断保护165.1.3 对无时限电流速断保护的计算185.1.4 定时限过电流保护195.1.5 对定时限过电流保护的计算215.2 电力变压器的保护整定215.2.1 瓦斯保护整定225.2.2 变压器的纵联差动保护235.2.3 变压器的纵联差动保护的整定计算25 5.2.4 变压器相间短路的后备保护265.3 母线保护27 5.3.1 母线保护27 5.3.2 母线保护设计的整定28第 6 章 结论30第 7 章 参考文献31 第1 章 概述1.1 设计依据1.1.1 继电保护设计任务书1.1.2 执行有效的国家和行业的相关标准、规程和规范DL/T769-2001电力系统微机继电保护技术导则GB14285-1993继电保护和安全自动装置技术规程GB15145-1992微机线路保护通用技术条件DL/T667-1999远动设备及系统 第5部分：传输规约GB/T7261-1987继电器及继电保护装置基本试验方法GB/T3047.4-1986高度进制为44.45mm插箱、插件的基本尺寸系列GB50062-1992电力装置的继电保护和自动装置设计规范GB57772-1991电力系统二次回路控制及继电保护屏（柜、台）通用技术条件华北电集调199511号文电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点国家电力公司文件国家电网公司十八项电网重大反事故措施DL/T5136-2001火力发电厂、变电所二次接线设计技术规定华北调局继200533号华北电网继电保护及安全自动装置压板统一命名规范华北调局继20057号关于继电保护光耦回路研讨会会议纪要及整改措施 1.2 设计工程概况1.2.1 接入系统方案某110kV变电站预计2011年投运，作为串供负荷变电站运行；某110kV变电站接入系统方案为：电源至变压器线路2回，线路长度为100km，导线采用LGJ-240mm2；电源至变压器线路2回，线路长度为80km，导线采用LGJ-240mm2。1.2.2 变电站规模本期规模为2 40000MVA变压器，电压等级110kV/35kV /10kV；110kV进线至电源2回，110kV出线至变压器1回； 采用单母分段接线方式。35kV出线3回，进线2回，采用单母分段接线方式。10kV采用单母分段接线方式，出线3回，进线2回。系统电源短路容量：SIDmax =400MVA；电源短路容量：SDmax=500MVA。Y0-Y-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(高-中)=14.2，UK(中-低)=10.5, UK(高-低)=17.5。1.2.3 系统主接线图1.3 设计原始资料1.3.1 运行方式要求以S、S全运行投入，线路L1-L4全投，QF1合闸时运行为最大运行方式；以S停运，线路L1 、L2停运，QF1断开运行为最小运行方式。正常运行方式110kV母线串列运行，任一回线检修时，另一回线带变电站站全部负荷。变电站正常运行方式110kV、35kV、10kV母线均分列运行，变压器中性点经间隙接地； 110kV5#母线通过1#变带35kV、10kV#5母线负荷， 110kV5#母线也通过2#变带35kV、10kV#5母线负荷。35kV、10kV分段#345、#545开关备用，自投投入。任一主变检修时，另一台主变带变电站全部负荷；双回线任一回线检修时，另一回线带某丙站全部负荷。1.3.2 负荷参数母线负荷情况，见表1-1：电压负荷名称每回最大负荷（KW）功率因数回路数线路长度（KW）35KV乡镇变44000.91110汽车厂43000.8816染料厂50000.85110 10KV纺织厂21000.8816材料厂15000.915乡镇变10000.915 母线负荷情况，见表1-1第2 章 系统分析本设计由110kV变电站送出一路35KV出线，另一路10KV出线，35KV母线带染料厂、汽车厂、乡镇变3个负荷，10KV母线带纺织厂、材料厂、乡镇变3个负荷，各自正常方式母线分列运行，为保证供电可靠性，在各侧分段开关上配置自投保护。110kV、35kV出线均采用架空线路，故障多系雷击、鸟害、树枝或其它飞行物等引起的瞬时性短路故障，故出线保护上配置三相一次重合闸一套，以减少因线路瞬时性短路故障停电所造成的损失。为获得相对固定的保护范围及简化整定计算任务，110kV线路相间故障保护采用不受系统方式影响的相间距离保护，且因配置了无方向零序保护，故接地距离保护不使用；35kV系统为不接地系统，故出线保护仅配置简单的电流速断及过流保护。变压器为变电站的核心设备，从反应各种不同故障的可靠、快速、灵敏及提高系统的安全性出发，配置反应变压器内部故障和油面降低的瓦斯保护；为灵敏反应变压器绕组、套管和引出线的相间短路故障，配置能够有效解决空充变压器励磁涌流引起的保护不正确动作的纵联差动保护。同时为满足后备要求并且解决Y/变换后的保护无灵敏度问题，配置经复合电压闭锁的过电流保护。频率是电能质量的基本指标之一,正常情况下,系统的频率应保持在50Hz，运行频率和它的额定值见允许差值限制在0.5Hz内，频率降低会导致用电企业的机械生长率下降，产品质量降低，更为严重的是给电网运行带来危害，而有功功率的缺额会导致频率的降低，因此，为保证系统频率恒定和重要用户的生产稳定，出线保护中配置低频频率功能。因站用变压器容量较大，故需配置瓦斯保护，在高压侧配置电流速断及过流保护。第3 章 继电保护装置选型配置3.1 配置原则变电所采用综合自动化系统方式，具有“四遥”功能，不设常规控制及测量仪表；采用分层分布式网络结构模式。采用标准远动通讯规约和网络通讯协议，并符合DL/T 677-1999标准，以满足数据通信互联性、互操作性和互换性要求。保护装置型式采用测、控一体化微机型保护，并满足国家和行业的相关标准、规程、规范及反措要求；同时配置远动工作站及监控系统，具有远动的全部功能，满足电网调度实时性、安全性、可靠性及实用化要求。数据传输信息包括下列内容：a) 模拟量测量值b) 来自自动化系统的有关控制信息（断路器及电动隔离开关跳合闸命令、主变分接头调节、对时命令等）；c) 开关量输入（断路器及电动隔离开关位置、保护压板投退，操作机构状态等）；d) 异常信号（装置异常、外部回路异常等）；e) 故障信息；f) 保护装置的定值信息；g) 电能量信息保护屏柜采用主控室集中组屏方式，满足华北地区保护、通讯、调度自动化等屏柜加工制造标准的要求。3.2 装置性能要求3.2.1 通用要求保护装置投入运行后环境温度在-35+40时应满足精度要求，在-40+45时不应误动作。当系统频率在47.5 Hz52.5Hz范围内变化时，应能正常工作。在开关跳合闸过程中由于振动，装置不应误动作。保护装置工作电源消失时应能报警，出现异常时、拉合开关及开关打火保护装置不应误动。保护装置应具有足够数量的跳闸出口接点，以满足系统接线情况要求。跳闸出口继电器启动电压不宜低于额定电压的70%。接点容量应允许长期通过电流不小于8A，切断感性电流不小于0.3A。保护装置应具备自动跟踪零点漂移功能,现场无需零漂调整。具有完善的自检和告警功能，故障定位到主要芯片级，自检结果准确、明了，并通过液晶显示屏和通讯接口提示故障信息，并应可靠自动闭锁相应的保护出口。保护装置应能存储不低于4组的保护定值，并保证装置掉电数据不丢失。并应具备远程管理功能。保护测控装置应具有中文液晶显示屏和简易键盘，能够在装置上实现测量跟踪显示，并进行在线修改定值或设置保护功能等。保护装置应具有故障录波功能,记录保护动作信息和模拟量波形，并能保存10次以上故障录波报告，其故障记录应与系统时钟一致，并保证连续发生故障或直流消失时，不丢失故障记录信息。保护装置的保护功能应完全独立，起动元件与保护回路应完全独立, 起动元件动作后开放出口正电源。在正常运行条件下装置不应出现死机现象，当非预期情况出现死机时，应能自动复归。保护装置的跳闸出口动作信号及中央信号的触点在直流电源消失后，应能自保持，只有人工复归时，信号才能复归，人工复归应能在装置外部进行。保护装置的各项抗干扰试验必须满足现行国家、行业有关电磁兼容标准，保护装置不应以在其交、直流输入回路外接抗干扰元件来满足有关电磁兼容的标准。保护测控装置除具备硬件对时功能外，装置本身也应有软件时钟功能。保护测控装置的输入、输出回路应具有隔离措施，不应有与其他装置或设备有电的直接联系。3.2.2 变压器保护测控装置性能要求变压器差动、后备保护测控装置CT回路采用全星型接线形式，幅值、角度误差通过装置内部调整解决；差动保护装置采用三侧差动方式。比率差动：二次谐波、间断角或模糊识别制动原理的三侧差动，具有可靠的CT断线闭锁及告警功能，保护动作跳变压器三侧开关，动作时间30ms；差动速断：保护动作跳变压器三侧开关, 动作时间20ms；三侧复合电压闭锁方向过电流保护：两段式，每段包含三时限；一时限跳本侧分段开关，二时限跳本侧开关，三时限跳三侧开关。复合电压取三侧及方向指向可整定。三侧复合电压闭锁过电流保护应能并联启动。中性点零序过电流保护：两时限，一时限跳高压侧分段开关，二时限跳三侧开关；中性点间隙保护：间隙零序过电压保护及零序过电流保护均为一段两时限，第一时限跳高压侧分段开关，第二时限跳三侧开关；三侧过负荷保护：发信号；非电量保护：瓦斯保护（主变、分接开关轻重瓦斯），重瓦斯跳变压器三侧开关，轻瓦斯发信号；温度过高发信号；冷却系统故障保护延时跳变压器三侧开关；压力释放跳闸和发信号。作用于跳闸的非电量保护均可通过整定决定投跳闸或发信号。主变压器三侧独立的操作回路：操作回路应具备防跳跃闭锁、断路器机构异常报警、闭锁及控制回路断线告警功能。且操作回路插件上应有开关位置指示灯。遥测：高、中、低三侧P、Q、I（Ia、Ib、Ic）、U（Ua、Ub、Uc、Uab、Ubc、Uca、Uo）、COS，主变压器温度，高、中、低压有功、无功电度。遥控：高、中、低压侧断路器跳合闸、所有保护装置信号复归，分接开关升、降、停等。遥信：所有保护装置动作、异常信号，变压器非电量信号，变压器档位信号，断路器机构运行异常及闭锁等。遥脉：通过RS485接口与抄表器通讯并转发至调度。3.2.3 110kV线路保护测控装置性能要求110kV线路保护测控装置CT回路采用全星型接线形式，有独立的零序CT线圈。三段相间和接地距离保护：距离保护精工电压0.5V 1V，最小动作电流 KSS ILmax外部故障切除后，非故障线的定时限过流保护在下一母线有电动机启动且流过最大负荷电流时应能可靠返回，即： Ire= Krel KSS ILmax且 IOP1 Ire故 动作电流IOP1 ：可靠系数KIIIrel一般取1.151.25电流测量元件的返回系数Kre 一般取0.850tIIIop0tIIIop1tIIIop2tIIIop3tIIIop4l0QF1QF2QF3QF4QFM5QF 图5-5 定时限过电流保护动作时间整定示tIIIop1tIIIop2tIIIop3tIIIop4即：tIIIop3tIIIop4 t tIIIop2 tIIIop3 t tIIIop1 tIIIop2 t灵敏度校验： 图5-6 定时电流速断保护的原理接线图 5.1.5 对定时限过电流保护的计算 纺织厂线路的线路的断路器处电流保护第段整定计算，即定时限过电流保护： 定时限过电流保护一次侧动作电流的计算： IOP1= Krel KSS ILmax/ Kre 其中式中Krel取1.2，KSS取1.3，Kre取0.85 由Pmax=3UNILmaxcos可知： ILmax=Pmax/（3UNcos）=2100 /（310.50.88）=131.37(A) 则IOP1= Krel KSS ILmax/ Kre=1.21.3131.37/0.85=241.1(A)继电器的动作电流为 IOP1r= KconIOP1/ KTA=241.1/60=4.018(A)已知变电所10KV出线保护最长动作时间为1.5s灵敏度校验： 近后备保护： Ks= Ik2min/ IOP1=3 I(2) /2 IOP1=(3 1.7)/(2 0.241) =6.11.5,则合格。5.2 电力变压器的保护整定5.2.1 瓦斯保护整定瓦斯继电器的结构和工作原理：瓦斯继电器安装在油箱与油枕之间的连接管道上，如图5-5所示：瓦斯继电器有两对灵敏的触点： 一对触点在变压器油箱内发生轻微故障时动作，作用于信号轻瓦斯动作； 另一对触点在变压器油箱内发生严重故障时动作，作用于跳闸重瓦斯动作。正常运行：上、下触点均断开。油箱内部发生轻微故障：上触点合，发出信号轻瓦斯动作。油箱内部发生严重故障：下触点闭合，发出跳闸脉冲重瓦斯动作。变压器漏油使油面降低：首先上触点闭合发出报警信号，然后下触点闭合发出跳闸脉冲。 图5-7 瓦斯保护原理接线图注意：由于重瓦斯保护是靠油流的冲击而动作的，而油流速度的不稳定可能造成触点的抖动，为使断路器能可靠跳闸，出口中间继电器KM必须有自保持回路。 瓦斯保护的优点：动作迅速、灵敏度高、能反应油箱内部发生的各种故障。瓦斯保护的缺点：不能反应变压器外部端子上的故障。轻瓦斯保护的动作值按气体容积为250300cm2整定，本设计采用250 cm2。重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为0.61.5m/s整定，本设计采用1m/s。瓦斯继电器选用QJ4-80型。5.2.2 变压器的纵联差动保护1.纵联差动保护的基本原理： 双绕组变压器差动保护的原理接线如图5-7所示。正常运行或外部短路时（k1点）： 继电器不动作 内部短路时（k2点）： 或 继电器动作 图5-8 变压器差动保护原理接线图2.差动保护的不平衡电流：由变压器两侧绕组接线不同而产生的不平衡电流由于Yd11接线变压器两侧线电流之间有30的相位差，如果两侧的电流互感器采用相同的接线方式，将会在差动回路中产生很大的不平衡电流。补偿方法为：将变压器星形侧的电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的电流互感器接成星形（见图5-8）图5-9 Y，d11接线变压器差动保护接线和相量图a）接线图 b）相量图由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流由于电流互感器变比的标准化，使各侧电流互感器的实际变比大于计算变比。因此，正常运行时差动回路中将会有不平衡有电流流过。解决办法：利用具有速饱和铁心的差动继电器中的平衡线圈来进行补偿。由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流 两侧的电流互感器的型号不同，它们的磁化特性也就不同，因此，在差动回路中将产生不平衡电流。解决办法：在整定计算时引入一个同型系数Ksam ，若两侧TA型号不同取1；两侧TA型号相同取0.5。由带负荷调整变压器的分接头而产生的不平衡电流 改变分接头的位置，实际上就是改变变压器的变比，因此，电流互感器二次侧电流将会改变，从而将就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流 当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，就可能产生很大的励磁电流（励磁涌流）。 励磁涌流波形中含有很大的非周期分量，它偏于时间轴的一侧，并迅速衰减；涌流波形中含有大量的高次谐波，其中以二次谐波为主；波形之间出现间断。在差动保护中，减小励磁涌流影响的方法有： 采用具有速饱和铁心的差动继电器（BCH-2型）。采用比较波形间断角来鉴别内部故障和励磁涌流的差动保护。利用二次谐波制动而躲开励磁涌流。5.2.3 变压器的纵联差动保护的整定计算1.纵差动保护动作电流的整定原则躲过外部短路故障时的最大不平衡电流，整定式为： Iset=KrelIunb.max Krel为可靠系数，取1.3，Iunb.max为外部短路故障时的最大不平衡电流，Iunb.max包括电流互感器和变压器变比不完全匹配产生的最大不平衡电流和互感器传变误差引起的最大不平衡电流。 Iunb.max=（fza+U+ fi Knp Kst）Ik.max式中， Ik.max为外部短路时，流过变压器基本侧的最大短路电流；Knp为非周期分量影响系数，取1.5；Kst为电流互感器的同型系数，两侧TA型号不同时取1，型号相同时取0.5；fi为电流互感器的10%误差，取0.1； 为变压器调压分接头改变引起的相对误差，取调压范围的一半； 为由于平衡线圈的整定匝数与计算匝数不相等而产生的相对误差，其值为 初步整定计算时， fza可暂取0.05。则：Iunb.max=（fza+U+ fi Knp Kst）Ik.max=（0.05+0.05+ 0.11.51）2.04 =0.51(KA) Iset=KrelIunb.max=1.30.51=0.663(KA)躲过变压器最大的励磁涌流，整定式为： Iset=KrelKuIN Krel可靠系数取1.3，由于变压器的励磁涌流很大，实际的纵差动保护通常采用其他措施来减少它得影响：一种是通过鉴别励磁涌流和故障电流，在励磁涌流时将差动保护闭锁，这时在整定值中不必考虑励磁涌流的影响，即取Ku=0；另一种是采用速饱和变流器减少励磁涌流产生的不平衡电流，采用加强型速饱和变流器的差动保护（BCH2型）时，取Ku=1。 IN=SN/(3UN)= 40/(3110)=0.21(KA) Iset=KrelKuIN=1.30.21=0.273(KA)躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流。变压器某侧电流互感器二次回路断线时，另一侧电流互感器的二次侧电流全部流入差动继电器中，要引起保护的误动。有的差动保护采用短线识别的辅助措施，在互感器的二次侧回路断线时将差动保护闭锁。若没有断线识别的措施，则差动保护的动作电流必须大于正常运行情况下变压器的最大的负荷电流： Iset=KrelIl.max Il.max为变压器的最大负荷电流，可取变压器的额定电流 IN 则： Iset=KrelIl.max=1.30.21=0.273(KA) 按照这三个条件计算纵差动保护的动作电流，并选取最大值Iset=0.663(KA) 2.纵差动保护灵敏系数的校验。 2 式中，I(2)k.min 为保护范围内部短路时，归算倒基本侧的最小运行方式下的最小两相短路电流I（2）=1.7(KA)。 KS= I(2)k.min/Iset=1.7/0.663=2.562，则满足灵敏度要求。5.2.4 变压器相间短路的后备保护本变压器的后备保护采用过电流保护，过电流保护应装在变压器的电源侧，采用完全星形接线，其单相原理接线如图5-9 所示图5-10 变压器过电流保护单相原理接图动作电流：应躲过变压器可能出现的最大负荷电流，但具体问题应作如下考虑： 对并列运行的变压器，应考虑切除一台时所出现的过负荷，当各台变压器容量相同时，可按下式计算：对于降压变压器，应考虑低压侧负荷电动机自起动时的最大电流，即 式中，Krel取1.21.3；Kre取1.25；Kst取1.52.5动作时限：应比出线过流保护的动作时限大 灵敏度校验： 作近后备时，要求Ks1.5；作远后备时，要求Ks1.2，若灵敏度达不到要求，可采用低电压起动的过电流保护或复合电压起动的过电流保护 。本例为并行运行的变压器，所以进行以下整定计算： =1.30.21/0.88=0.31(KA) KS= I(2)k.min/ IOP=1.7 / 0.31=5.48 1.2 ,则此过电流灵敏度合格。 5.3 母线保护5.3.1 母线保护母线的常见故障是单相接地或误操作等原因而造成的母线短路。在不太重要的较低电压的发电站和变电站中，可以利用供电设备保护装置的第II段，第III段保护作为保护。图5-10（a）所示的发电厂采用单母线接线，母线上的故障就可以利用发电机的过电流保护使发电机的断路器跳闸予以切除图5-10（b）所示的降压变电所，其低压侧的母线正常时分开运行，则低压母线上的故障k1就可以由相应变压器的过电流保护使变压器的跳闸予以切除；图5-10（c）所示的双侧电源网络，当变电所S母线上k2点短路时，则可以由保护1和4的第II段动作予以切除。 图5-11利用供电元件保护装置切除母线故障 母线完全差动电流保护原理：母线完全差动电流保护的原理接线如图5-11所示，在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的电流互感器。电流互感器的二次绕组，在母线侧的端子互相连接。差动继电器的绕组和电流互感器的二次绕组并联。各电流互感器之间的一次电气设备，