毕业论文-煤矿110kV变电所主井保护系统设计.doc

本科毕业设计本科毕业设计 煤矿煤矿 110kV 变电所主井保护系统设计变电所主井保护系统设计 DESIGN OF 110kV MICRO-COMPUTER PLC CONTROL THE MAIN SHAFT MINE PROTECTION SYSTEM FOR SUBSTATION 学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气 08-2 班 学生姓名： 焦波波 指导教师： 杨岸副教授 2012 年 5 月 25 日 安徽理工大学毕业设计 I 煤矿 110kV 变电所主井保护系统设计 摘要 目前，在国内有许多大中型煤矿的提升系统都装配了比较先进的保护装置，以增 强对提升机的保护，但有些煤矿因为缺乏资金而没有装配保护装置。因此，研究出实 用、可靠性高、经济、适用范围广的提升机综合保护装置有着十分显著的意义。 本设计以淮南矿业集团潘北矿区的变电所为对象进行了变电所高压电气设备选型 计算、相关继电保护整定的计算、二次回路分析、断路器的闭合闸动作过程以及微机 保护的设计。其中变电所一次设备的选型部分主要对主变压器、电容器、架空线和母 线的选择以及短路电流的计算和高低压电气柜的选择。二次回路部分主要对 10kV 主井 进线测量保护作了简要的分析，同时也对断路器的工作过程及其开闭的动作过程作了 全面的分析，在其中辅助大量的电路流程图，以全面的数据和图形剖析了二次回路的 工作过程。微机保护部分的设计选用 S7-200 系列 PLC 进行硬件系统配置和软件的设计。 关键字：继电保护，关键字：继电保护，PLC，主井保护，电气设备，主井保护，电气设备 安徽理工大学毕业设计 II DESIGN OF 110kV MICRO-COMPUTER PLC CONTROL THE MAIN SHAFT MINE PROTECTION SYSTEM FOR SUBSTATION ABSTRACT Currently, there are many large and medium coal mines in the country improve the system are equipped with more advanced protective devices to enhance the protection of the elevator, but some mines due to lack of funds is not equipped with protective devices. Therefore, the developed practical, high reliability, economy, widely applied Integrate backup protection device has a very significant meaning. The design of Huainan Mining Group Pan North mine substation transformer for the objects of the calculations of the high voltage electrical equipment selection, the relevant relay setting calculations, the secondary circuit analysis, circuit breaker action during the closed gate, and microprocessor-based protection design of substation equipment including a main part of the main transformers, capacitors, overhead lines and bus options and short-circuit current calculation and the choice of high and low voltage electrical cabinet. 10KV secondary circuit part of the main line of the main shaft into a brief analysis of measurement of protection, but also the working process of the circuit breaker opening and closing of the action process and a comprehensive analysis, in which a large number of auxiliary circuit flow to comprehensive data and graphical analysis of the secondary circuit of the working process of the design of microprocessor-based protection used for S7-200 series PLC hardware configuration and software design. KEYWORDS：relay, plc, protection of the main shaft ，electrical equipment 安徽理工大学毕业设计 i 目录 摘要(中文).I 摘要(英文).II 1 绪论1 1.1 设计背景.1 1.2 当前国内外研究现状.1 1.3 主井提升机继电保护要求.1 1.4 主井保护系统的组成.1 1.5 主井系统保护的任务.2 1.6 主井系统保护的意义.2 2 设计任务及原始资料3 3 变电所一次设备选型4 3.1 负荷计算4 3.2 无功补偿.4 3.2.1.无功补偿的意义4 3.2.2.电网中常用的无功补偿方式5 3.2.3.无功补偿的计算5 3.3 主变压器的选择5 3.3.1.主变台数的确定5 3.3.2变压器形式的选择.6 3.3.3.主变容量的确定6 3.4 110KV 架空线的选择.7 3.4.1 架空电力线路的防护区.7 3.4.2110kV 架空电力线路的安全距离.8 3.4.3.架空线截面积的选择8 3.4.4.架空线的校验9 3.5 110KV 母线的选择.10 3.5.1. 110kV 母线的接线方案与分析.10 3.5.2110kV 母线的选择.11 3.6 三相短路电流的计算.12 3.7 高压断路器的选择15 3.8 其它设备的选择.17 3.8.1 高压隔离开关的选择17 安徽理工大学毕业设计 ii 3.8.2 避雷器的选择.18 4 变电所二次侧设备的选型20 4.1 10KV 母线的选型与校验.20 4.2 10KV 电缆的选择20 4.3 高压开关柜的选择.21 4.4 其他设备的选择21 5 主井提升机继电保护23 5.1 10KV 主井保护设计.23 5.2 继电器保护的要求.23 5.3 继电保护组成23 5.4 主井保护24 5.5 继电保护用电流互感器的二次接线25 6 二次回路分析26 6.1 二次回路的含义及其重要性26 6.2 10KV 主井进线测量保护装置.26 6.3 计量回路29 6.4 NSC681 测量回路29 6.5 断路器控制回路30 6.6 跳闸操作31 6.7 合闸操作31 6.8 断路器防跳31 6.9 断路器信号回路和辅助回路32 6.10 储能回路33 7 系统保护装置设计34 7.1 概述34 7.2 系统保护的设计要求34 7.3 远程设备的功能要求34 7.4 硬件部分设计34 7.4.1 微机保护硬件系统组成.34 7.4.2 PLC 控制系统.35 7.4.3 可编程序控制器(PLC)及其结构.36 7.4.4 PLC 的特点及发展.38 7.4.5 CPU-224 39 7.4.6 西门子 S7-200 的简介.40 安徽理工大学毕业设计 iii 7.4.7 S7-200 系列的 PLC 的通信41 7.4.8 系抗干扰措施.41 7.5 硬件电路设计42 7.5.1 系统框图.42 7.5.2 对远端设备的硬件电路设计.44 7.5.3 控制系统及外围系统.48 7.6 系统软件流程图51 7.6.1 系统主程序流程图.51 7.6.2 检测子程序流程图.52 7.6.3 通讯程序设计.53 结论.56 参考文献.57 致谢.58 安徽理工大学毕业设计 1 1 绪论 1.1 设计背景 目前，在国内有许多大中型煤矿的提升系统都装配了比较先进的保护装置，以增 强对提升机的保护，但有些煤矿因为缺乏资金而没有装配保护装置。因此，研究出实 用、可靠性高、经济、适用范围广的提升机综合保护装置有着十分显著的意义。 1.2 当前国内外研究现状 目前国外研制的后备保护装置虽性能好，不过价格上却是一般煤矿企业所难以承 受的。国内的许多提升机后备保护装置相对较落后，大多以单片机为核心，采用 C 语 言或汇编语言编写程序的后备保护装置，人机界面相结合、监测保护功能于一体。本 文利用 PLC 为核心技术设计开发新型的提升机综合后备保护装置。 1.3 主井提升机继电保护要求 矿井提升机是矿山生产的至关重要设备，对矿井的生产及安全起着非常重要的作 用。一旦出现故障，要求其保护设备能自动地、快速地、有选择性地借助于断路器将 故障元件从电力系统中切除，保证无故障元件快速恢复正常运行，并使故障元件免于 继续遭受破坏。 电气元件的不正常运行状态，要根据运行维护条件自动发出信号，通知运行人员 处理，或自动地进行调整和消除。反应不正常工作状态的继电保护装置，一般不需要 立即动作，允许带一定延时。 对作用于断路器跳闸的继电保护装置来说，必须做到严格的选择性、及时的速动 性、足够的灵敏性、极高的可靠性。 1.4 主井保护系统的组成 主井系统微机远程保护由主站设备（PC 机）和远端设备 PLC 监控保护单元构成。 系统硬件由主机及其外部设备，多台 PLC 智能控制单元及其外部设备 RS-485 接口组 成。远端设备安装在变电所、主井内（每路一台） ，主要完成对模拟量的采集和检测， 将运行状态和数据发送给主站，并能接收主站发来的命令。主站设备是一台装有监控 软件的 PC 机，安装在控制中心或值班室，进行设置参数或控制，通过串口和远端设备 相连。远端设备站软件可以管理整个系统的所有远端设备，如当远端送来的被控对象 出现异常信息时，主站会提示报警，将数据存入数据库中，并能提供历史数据查询及 数据曲线的绘制等。上位机与下位机的通信采用主从式 RS-485 接口通信网络。 安徽理工大学毕业设计 2 1.5 主井系统保护的任务 目前我国众多大中型企业都面临技术改造问题，随着监控保护的覆盖面的逐渐扩 大，系统保护的任务也日益繁重，系统技术改造是一项重要的技改工作。此微机远程 监控系统的主要任务就是监视主井运行生产过程,实现各类操作控制，完成主井生产过 程的监测与保护。所以该系统首先要能够实时采集主井生产过程中的各种实时信息， 更新数据库，为监控保护系统提供真实可靠的运行信息。能提供正常情况下的运行显 示，调用所有的数据，完成各种管理提示及统计报表等工作。实时监视生产过程中的 各类异常报警(如短路、过载、过压、欠压、过电流等)信号，并做出相应的保护处理。 此外，此系统不仅要在本地完成监视现场运行数据，对现场仪表进行标定，对操 作参数进行修改，实现各种先进控制，方便地完成对控制系统的监视、设置参数等功 能，而且在远程和异地也能实现控制系统操作和运行数据的传输，实现资源共享。 1.6 主井系统保护的意义 从根本上改善煤矿安全生产状况，是关系煤炭工业发展的大事，是保障煤炭工业 持续，稳定，健康发展的重要前提。 为了贯彻落实安全第一的方针，除了加强管理和安全技术培训外，安全监测工作 现代化也是加强安全工作的重要物质技术保证。它是防止各类事故发生，实现煤矿管 理现代化的必要手段，也是一项不容忽视的安全技术基础工作。 安徽理工大学毕业设计 3 2 设计任务及原始资料 表表 21 潘北矿变电所负荷表潘北矿变电所负荷表 高压电动 机设备容量 使用容量 顺 序 设备 负荷 名称 电 压 (k V) 型 式 额定 容量 (kW) 总台 数/工 作数 总容 量 (kW) 工作 容量 (kW) 需用 系数 KxCostan Pj (kw) Qj (kVar ) Sj (kVar ) 1 主井 提升 机10 同 步40001/1400040000.950.90.48380018244215 2 副井 提升 机10 直 流 1700/ 22002/2390039000.90.61.333510 4668. 3 5840. 6 3 通风 机10 同 步30002/1600030000.742-0.9-0.482226 - 1068. 5 2469. 2 4 压风 机10 同 步5505/4275022000.75-0.9-0.481650-7921830 5 瓦斯 泵10 异 步8004/2320016000.750.750.8812001056 1598. 5 6 制冷 降温 系统10200020000.70.750.8814001232 1864. 9 7 地面 低压 系统 0.3 880000.80.750.88640056328525 8 井下 高压 负荷1060000.80.71.0248004896 6856. 4 9总计 2498 6 1744 7.8 3047 5 设计任务：完成变电所 10kV 主井保护装置的设计。 安徽理工大学毕业设计 4 3 变电所一次设备选型 3.1 负荷计算 1.有功功率 ei PKP X 2.无功功率 Q=Ptan 3.视在功率 S= 22 Qp 式中：每组设备容量之和，单位为 kW；：需用系数；：功率因数。 ei P X Kcos 总负荷的计算： 1.有功功率 PKP 1 2.无功功率 QKQ 1 3.视在功率 22 QPS 4.自然功率因数：式中：为组间同时系数，取为 0.850.9。 电力 SP /COS 1 1 K 系统中的无功功率就是要使系统中无功电源所发出的无功功率与系统的无功负荷及网 络中的无功损耗相平衡;按系统供电负荷的功率因数达到 0.95 考虑无功功率平衡。 3.2 无功补偿 电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需 向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可 以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的 无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送 无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。 3.2.1.无功补偿的意义 1）补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。 2）减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数 cos=0.8 增加到 cos=0.95 时，装 1kVar 电容器可节省设备容量 0.52kW；反之，增加 0.52kW 对原有设 备而言，相当于增大了发、供电设备容量。因此，对新建、改建工程，应充分考虑无 功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。 3）降低线损，由公式 %=（1-）100%得出其中为补偿后 21 cos/cos 2 cos 的功率因数，为补偿前的功率因数则： ，所以提高功率因数后， 1 cos 2 cos 1 cos 线损率也下降了，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及 降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。所以，功率因数是考核经济效益 安徽理工大学毕业设计 5 的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。 3.2.2.电网中常用的无功补偿方式 1） 集中补偿：在高低压配电线路中安装并联电容器组 。 2） 分组补偿：在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器； 3） 单台电动机就地补偿：在单台电动机处安装并联电容器等。 加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗小，功率因数提高，还可以充分挖掘设备输送 功率的潜力。 3.2.3.无功补偿的计算 按系统供电负荷的要求，功率因数要不小于 0.9。而全矿自然功率因 =2498630475=0.82110kV j U 满足电晕要求。 3).按电压损失校验 查表得 LGJ-240 导线的单位长度电阻和电抗为： 0 R0.132 0 X0.369 线路总的电压损失为：= (PR+QX)/Un =55.47VU 电压损失百分比为：% = /Un = 0.0005045000h，查表得其经济电流密度 J=0.9A/，所以导线的经济截面积： max T 2 mm S = / J = 138.72/0.9=154.1 g I 2 mm 考虑到线路可能增加负荷，选用截面积为 185mm2的导线，所以根据跟定条件通过 表 3.4-1 选择型号为 LGJQ-185 的轻型钢芯铝绞线（参考煤矿电工手册表 7-7-3 LGJQ 型轻型钢芯铝绞线的结构与技术指标（GB1179-74） ） 。 按导线平放，其=548A,计及温度修正: al I =0.96297015. 07015 . 0 )2570/()70(70/()-70 0 ）（K =0.96548=526.08AK al I 显然,=138.72A16.8KA= br I kt I 满足要求。 （5）校验动稳定 shmax ii 式中所在回路的冲击短路电流，kA； sh i 设备允许的动稳态电流（峰值），kA。 max i 故 =173.6KA=42.8kA max i sh i 满足要求。 （6）校验热稳定 k 2 t tQI 式中设备允许承受的热效应，；t 2 t Isk 2 A 安徽理工大学毕业设计 17 所在回路的短电流热效应，。 k Qsk 2 A 故 skAtIIIQk ttkk 222222 2 2 12 1 K96.11284 8 . 16 8 . 1610 8 . 16 12 1 10 skAtISKAQK 2222 640044096.1128 满足要求。 3.8 其它设备的选择 3.8.1 高压隔离开关的选择 1.高压隔离开关的作用：高压隔离开关是在无载情况下断开或接通高压线路的输电 设备，以及对被检修的高压母线、断路器等电器设备与带电的高压线路进行电气隔离 的设备。 2.形式结构：高压隔离开关一般有底座、支柱绝缘子、导电刀闸、动触头、静触头、 传动机构等组成。一般配有独立的电动或手动操动机构，单相或三相操动。高压隔离 开关 主刀闸与接地刀闸间一般都设有机械连锁装置，确保两者之间操作顺序正确。各 类高压隔 离开关、接地开关根据不同的安装场所有各种不同的安装方式。 3.选择条件：海拔高度不大于 1000 米为普通型，海拔高度大于 1000 米为高原型； 地震烈度不超过 8 度；环境温度不高于+400C，户内产品环境温度不低于-100C，户外 产品 环境温度不低于-300C；户内产品空气相对湿度在+250C 时其日平均值不大于 95%， 月平均值不大于 90%（有些产品要求空气相对湿度不大于 85%） ；户外产品的覆冰 厚度分为 5 毫米和 10 毫米；户内产品周围空气不受腐蚀性或可燃气体、水蒸气的显著 污秽的污染，无经常性的剧烈震动。 户外产品的使用环境为普通型，用于级污秽区， 防污型用于级 （中 污型） 、级（重污型）污秽区。 根据设计条件，选择户外型高压隔离开关，它可用于户外有电压无负载时切断或闭 合 6500kV 电压等级的电气线路。户外型高压隔离开关一般由底座、支柱绝缘子、 主刀闸、接地刀闸、动触头和操动机构等组成，单相或三相连联动进行操作。户外隔 离开关可安装 在户外支架或支柱上，也可安装在户内。 （1）额定电压 所选隔离开关的额定电压应大于或等于安装处电网的额定电压。 即 。KVUN110 （2）额定电流 电网 110kV 侧的最大负荷电流： A U P N N ax5.9114 96 . 0 1103 102005 . 1 cos3 05 . 1 I 3 m 则。axNImI 安徽理工大学毕业设计 18 根据以上要求 110KV 侧选 GW4110D 型户外式带有接地快分闸型隔离开关,其参 数如表表 3.8.1-1 所示。 表表 3-6 GW4110D 型隔离开关参数型隔离开关参数 型号 额定电压 （kV） 额定电流 （A） 极限通过电 流峰值 （kA） 热稳定电流 (kA) GW4110D11012508031.5(5S) 1)动稳定校验 =16.8kA max i (3) ish 满足动稳定要求。 2)热稳定校验 t=1128.96kW 2 t I39694 5 . 31 2 2 I （3） ima t 满足热稳定要求 3.8.2 避雷器的选择 1.选择原则 根据额定电压选择，且校验避雷器最大允许电压。 2.避雷器作用和特点 避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备，避雷器的类型主要有保护间隙，管 形避雷器和氧化锌避雷器等几种，保护间隙和管形避雷器主要用于限制大气过电压， 一般用于配电系统，线路和变电所进线段的保护。阀型避雷器主要用于变电所和发电 厂的保护，在 220kV 及以下系统中主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用 来限制内过电压或做内过电压的后备保护。保护间隙的熄弧能力差，往往不能自行熄 灭，引起断路器的跳闸。这样，虽然保护间隙限制过电压，保护了设备，但将造成跳 闸事故，这是保护间隙的主要缺点。管型避雷器虽然具有较高的熄弧能力，但其主要 缺点是：1）伏秒特性较陡且放电分散值较大，而一般变压器和其他设备绝缘的冲击放 电伏秒特性较平， 二者不能较好的配合。2）管型避雷器动作后工作母线直接接地形 成载波，对变压器绝缘不利；此外，管形避雷器其放电特性受大气影响较大，因此， 管型避雷器目前只用了线路保护。 氧化锌避雷器除了有理想的非线性特性外，其主要 优点还有：1）无间隙，故大大改善了陡波下的响应特性。2）无续流，故只需要吸过 电压能量即可，这样，对氧化锌热容量的要求比碳化硅低很多。3）电气设备所受过电 安徽理工大学毕业设计 19 压可以降低，因此降低了作用在变电站电气设备上的过电压。4）通流容量大，可以用 来限制内部过电压，此外，由于无间隙和通流容量大，故氧化锌避雷器体积小，重量 轻，结构简单，运行维护方便，使用寿命长,并且造价低，从而逐渐取代了其他种类的 避雷器而被广泛推广运用，所以本所设计的所用避雷器均选用氧化锌避雷器。 3.选择结果 110kV 避雷器选用：FZ-110J 型避雷器；10kV 避雷器选用：FZ-10 型避雷器。 安徽理工大学毕业设计 20 4 变电所二次侧设备的选型 4.1 10kV 母线的选型与校验 1).按经济电流密度选择导线截面积 配电装置中的母线截面按经济电流密度选择。线路在工作时的最大工作电流： AUSI nj 6 . 1453)103/( 8 . 26429)3/( g 该变电所所带负荷为一级负荷，全年不间断供电，其最大负荷年利用小时 =8760h5000h，查表得其经济电流密度 J=1.2A/，所以导线的经济截面面积： max T 2 mm S = / J = 1453.6/1.2=1211.3 g I 2 mm 查电力工程设计手册，选用型号为 TMY-2（808）其截面积为 2（808）=1280 的矩形母线。 2 mm 按导线平放，其=1946A,计及温度修正: al I =0.96297015. 07015 . 0 )2570/()70(70/()-70 0 ）（K =0.961946=1868.16AK al I 显然,=1543.6A满足动稳定要求。 al c 3).热稳定校验 = = 83 min A (3) I ima t/C 2 mm 可知选取导线的截面积 A min A 综上选取型号为 TMY-2（808）的矩形铜母线。 4.2 10KV 电缆的选择 1).按经济电流密度选择导线截面积 配电装置中的导线截面按经济电流密度选择。线路在工作时的最大工作电流： AUSI nj 6 . 1453)103/( 8 . 26429)3/( g 该变电所所带负荷为一级负荷，其最大负荷年利用小时=8760h5000h，查表 max T 得其经济电流密度 J=7.9A/，所以导线的经济截面面积： 2 mm S = / J = 1453.6/7.9=184 g I 2 mm 根据表 3.4-1 选择 LG-185 型号的钢芯绞铝线。 按导线平放，其=1946A,计及温度修正: al I 安徽理工大学毕业设计 21 =0.96297015. 07015 . 0 )2570/()70(70/()-70 0 ）（K =0.961946=1868.16AK al I 显然,=1543.6A=1.6kW 2 t I 9 10 2 I （3） ima t 8 10 满足热稳定要求。 2. 10KV 侧母联隔离开关的选择 安徽理工大学毕业设计 22 根据电压等级查表选择型号为 GN-10 的隔离开关。 1)动稳定校验 =80KA=34.32kA max i (3) ish 满足动稳定要求。 2)热稳定校验 t=9.63=6.34kW 2 t I 6 10 2 I （3） ima t 6 10 满足热稳定要求。 安徽理工大学毕业设计 23 5 主井提升机继电保护 5.1 10kV 主井保护设计 为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，进行导线和电缆截面时必须 满足下列条件: (1)电压损耗条件:导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电压损 耗，不应超过其正常运行时允许的电压损耗。对于工厂内较短的高压线路，可不进行 电压损耗校验。 (2)经济电流密度:35kV 及以上的高压线路及电压在 35kV 以下但距离长电流大的线路， 其导线和电缆截面宜按经济电流密度选择，以使线路的年费用支出最小。所选截面， 称为“经济截面”。根据设计经验，一般 10kV 及以下高压线路及低压动力线路，通常先 按发热条件来选择截面，再校验电压损耗和机械强度。低压照明线路，因其对电压水 平要求较高，因此通常先按允许电压损耗进行选择，再校验发热条件和机械强度。对 长距离大电流及 35kV 以上的高压线路，则可先按经济电流密度确定经济截面。 5.2 继电器保护的要求 （1）能自动地，快速地，有选择性地借助于断路器将故障元件从电力系统中切除，保 证无故障元件快速恢复正常运行，并使故障元件免于继续遭受破坏. （2）能反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护条件自动发出信号，通知运 行人员处理，或自动地进行调整和消除。反应不正常工作状态的继电保护装置，一般 不需要立即动作，允许带一定延时。对作用于断路器跳闸的继电保护装置来说，必须 满足四个基本要求,即选择性，速动性，灵敏性，可靠性。 “四性”可概括为严格的选择性， 需要的速动性，足够的灵敏性，必须得可靠性。分析研究继电保护性能必须从“四性” 入手。 5.3 继电保护组成 图图 5-1 继电保护装置原理机构框图继电保护装置原理机构框图 安徽理工大学毕业设计 24 5.4 主井保护 (1)无时限电流速断保护 最小运行方式下，K 点三相短路电流 2 I=10.172kA )3( min 2 K 最大运行方式下，K 点三相短路电流 3 I=3.29kA )3( max 3 K 电流互感器匝数 n=80 TA 保护装置的动作电流为： I=K 3 kopreljx K TA k n I )3( max 3 =1.3A，取 14A 6 . 13 80 100028 . 129 . 3 1 保护装置一次动作电流 I= I op 3 kop A K n jx TA 10880 1 80 14 保护装置的灵敏度校验 K= sen 202 . 2 10880 25490866 . 0 866 . 0 )3( min )2( min 22 op k op k I I I I 满足灵敏度校验。 (2)定时限电流速断保护 选择定时限过电流保护动作电流的原则是应保证在被保护线路发生相间短路故障 时能可靠地动作，在正常运行时的最大负荷电流和由于电动机的启动或自启动以及用 户负荷突变和其他原因引起的短时间的冲击电流等情况下保护不应动作，同时还应该 考虑保护装置在外部短路被切除后能可靠地返回。 最小运行方式下：K 点三相短路电流：I=3.2565kA 2 2 (3) minK 最大运行方式下：K 点三相短路电流：I=3.6332kA 3 3 (3) maxK 电流互感器匝数：n=40 TA 保护装置的动作电流为： 取 13A max 1.20 3 121.675=12.883A 0.85 80 Kz dz jfh fLH K K II K k 保护装置的灵敏度校验： K= sen 22 (2)(3) minmin 0.866 0.866 3256.5 7.832 9 40 kk DZDZ II II 满足灵敏度校验。 安徽理工大学毕业设计 25 (3)过电流保护 电动机启动时的过负荷电流： I= gN A U S N N 225 103 3900 3 I=6 I=1350A ghgN 按躲过负荷电流条件计算保护装置的动作电流： I=K K jdzkjx A KK I LHh gh 8 . 23 8085 . 0 1350 12 . 1 保护装置的一次动作电流： I= I dzjdz A K K jx LH 19208024 灵敏度校验： K = m 5 . 16 . 1 1920 10629 . 3 2 3 2 3 3)3( min2 )2( min 2 dz d dz d I I I I 满足灵敏度校验。 5.5 继电保护用电流互感器的二次接线 表表 5-1 电流互感器相关参数表电流互感器相关参数表 参数名称10KV 主井提升机额定电流 1 3361.3/36430.3235 N IA 电流互感器的接线方式 电流互感器一次电流值 3230.947400A 电流互感器变比 30/0.7540 二次回路额定电流400/40=10A 电流互感器型号LZZ1-10 型 安徽理工大学毕业设计 26 6 二次回路分析 6.1 二次回路的含义及其重要性 变电所一次回路是电气装置的主回路，由一次设备相互连接，构成发电、输电、 变、配电以及其他电气回路，统称一次回路或一次接线系统。二次回路一般包括：控 制回路、检测回路、信号回路、保护回路、调节回路，操作和励磁回路等。 电气回路中，二次回路虽非主体，但是它指挥和控制着一次设备的运行状态，是 保证一次设备安全运行的重要因素，是电气装置不可缺少的重要组成部分。 6.2 10kV 主井进线测量保护装置 10kV 进线测量装置有电流互感器电压互感器及相应测量保护装置组成。设计对 10kV 主井进线采用两段过电流保护，过电流保护原理图如下： I L LJ J + +- - R RD D T TQ Q 2 2D DL L 1 12 2 D DL L L LH H K 10kV 图图 6-1 过电流保护原理图过电流保护原理图 当线路在 K 点发生短路时，短路电流经电流互感器 LH 的一次线圈。短路电流变 换到二次线圈而流入电流继电器 LJ 的线圈中。当此电流大于继电器的动作电流时，LJ 的铁心被吸下，使其接点闭合。于是跳闸线圈 TQ 经 LJ 的接点和断路器的辅助触点 2DL 接通直流电源；TQ 的铁心被吸引向上，撞击操作杠杆而使锁扣 1 脱开。于是断路 安徽理工大学毕业设计 27 器 DL 在弹簧 2 的作用下跳闸，切除短路故障。 本设计对主井进线采用两段电流保护。在速断保护范围内，速断为主保护，过电 流保护为后备保护；在速断保护范围外的死区内，过电流保护为基本保护。本设计采 用带纵差电流两段保护，其接线原理图见下： 1 10 0K KV V 1 1L LH H 2 2L LH H 4 4L LH H 2 2L LH Ha a 2 2L LH Hc c 4 4L LH H L LD DJ J3 3U U0 0 1 1L LJ J 2 2L LJ J 1 1C CL LJ J 2 2C CL LJ J L LD DJ J 3 3L LH Ha a 3 3L LH Hc c 图图 6-2(a) 纵差电流保护的两段保护原理图纵差电流保护的两段保护原理图 安徽理工大学毕业设计 28 I I U U Z ZJ J Z ZJ J T TQ Q 1CLJ 2CLJ 1XJ ZJ1LP 1SJ2XJ 2SJ3XJ 1LJ 2LJ 1SJ LDJ 2 2S SJ J 1XJ 2XJ 3XJ 掉牌未复位 信号 101102 图图 6-2(b) 纵差电流保护的两段保护原理图纵差电流保护的两段保护原理图 10KV 主井馈出线测量装置由电流互感器、电压互感器以及相应的测量保护装置组 成。其示意图如下： 1 10 0K KV VI II I 1LH 2LH 3LH 0.2 0.5 5P20 计量 测量 保护 图图 6-3 10kV 主井电缆馈出线主井电缆馈出线 安徽理工大学毕业设计 29 6.3 计量回路 如图 6-4，在进线上共装设 4 组电流互感器，二次绕组分别接计量、变压器差动保 护、测量、过电流保护。计量回路的 A、C 相电流接电能表电流绕组，其电压绕组分 别接 AB、BC 线电压，这样就可以对三相电能进行计量。 1LH 2LH 3LH 4LH 计量 测量 保护 差动 10KV进线 （） DL 图图 6-4 10kV 进线一次回路进线一次回路 6.4 NSC681 测量回路 潘北矿所用的测量回路是 NSC681，NSC681 系列是一款新型间隔层智能 I/O 测控 单元，适用于高压及超高压变电站和大型发电厂遥控系统的测量与控制。如图 6-5 所 示。 交流电 流回路 交流电压 回路 测 量 回 路 3 34 4Y YM M a a 3 34 4Y YM M a a 3 34 4Y YM Ma a Y YM Mn nY YM Mc cY YM Mb bY YM Ma a 3LHc 3 3L LH Hb b 3 3L LH Ha a 主变10KV电流 4 4J JK KK K WHW WH H 故障 录波屏 图图 6-5 二次侧测量回路二次侧测量回路 NSC681 测控装置采用双 CPU 的工作方式，完成测量量的滤波与处理、逻辑功能 安徽理工大学毕业设计 30 的处理、下发遥控命令、遥控的检同期合闸计算、将控制命令输出到接点、遥控信号 采集、事件记录、告警、图形和人机交互界面、数据通信和 GPS 对时，NSC681 装置 使用双冗余的 10/100Mbps 自适应以太网接口，保证了高速、稳定、可靠的通信。 NSC681 支持所有的控制和监测功能，特别是自动检同期合闸和五防逻辑闭锁控制输出， 这些都是高压和超高压变电站计算机监控系统所必不可少的功能，保证了特别是开关 等一次设备的可靠控制当使用以太网通信时，NSC681 测控装置还可以通过装置之间 直接通信互传信息，实现不同装置之间的逻辑闭锁功能，大大改善了以往监控单元的 之间的逻辑闭锁需要上一层主控单元实现的弱点，提高了可靠性和稳定性。NSC681 测 控装置提供维护组态软件 NSC-Manager，可以方便的进行装置输入/输出组态配置、 LCD 接线图的绘制、通信参数的设置、逻辑功能的设置和同期功能设置等。 6.5 断路器控制回路 1 +KM 1 12 KK 3 B7NSP788B9 34 2KK 5 B7B9 NSP788 B1B2 NSP788 12 1LP 9 13 15 C10 KKJ C18 C13 TBJ TBJV TBJ TBJ4 HBJ C12 C16 HBJ2 TWJ C11 C15 TBJ C17 TBJ3 HWJ B17C4 TWJHWJ B18 C1 C3 14 16 18 22 C8C9KKJ C5C6 C7 TWJ HWJ 26 36 6 12 LD 12HD DL DL 30 32 S8 34 S938 D40 QK42 S144 KK46 48 50 52 54 56 E6 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D15 D14 D16 E10 AU17 E8 D1 DL HQ TQ -KM NSP788 ZKK 3 4 电源 空气开关 切换开关 手动合闸 遥控合闸 保护合闸 跳闸位置监视 控制回路监视 事故告警信号 保护跳闸信号 合后位置 跳闸位置 合闸位置 装置供电 断路器分闸 断路器合闸 手车位置 实验 手车位置 运行 接地刀合位信号 远方/就地切换开关 弹簧未储能 手动合闸信号 备用 备用 备用 备用 备用 图图 6-6 断路器的操作二次回路断路器的操作二次回路 操作回路主要是由合闸与跳闸，以及动作过以后的情况监视等组成。其中 HBJ、TBJ 分别为合闸保护和跳闸保护继电器，HQ 为合闸线圈，TQ 为跳闸线圈，DL 为断路器辅助常开和常闭触点，QK 为切换开关，当 1 和 2 连上时进行合闸，当 3 和 4 连上时进行跳闸操作。S11 为断路器辅助长开和长闭触电，S8 为手车试验位置常闭触 点，只有在手车试验位置时才闭合。S9 为手车工作位置长开触点，只有在手车工作时 才闭合。2KK 为手动分合闸控制开关，NSC681-P4 为遥控分合闸控制开关。 安徽理工大学毕业设计 31 6.6 跳闸操作 分为手动跳闸和遥控跳闸及保护跳闸，KK 为手动跳闸开关，3-4 或 NSC788B7-B8 触点闭合时，+KM2KKQKKKTBJDLTQ2KK-KM 构成回路，TQ 跳 闸线圈通电，断路器跳闸。同时，TBJ3 触点闭合，保护手动跳闸和遥控跳闸触点在断 路器长开辅助触点后断开而被烧焦。跳闸后，DL 断开，合闸位置继电器线圈 HWJ 失 电，+KM2KKTWJDLHQ2KK-KM，跳闸位置继电器线圈 TWJ 通电。指 示跳闸位置。 6.7 合闸操作 分为手动合闸和遥控合闸，ZKK 为手动合闸开关，其 1-2 触点或 NSC681-P41-2 触点闭合时，+KMZKKQKKK（NSC681-P4）TBJ4HBJDLHQ S8、S95ZKK-KM，合闸线圈通电，断路器合闸。同时 HBJ2 闭合，HBJ2 的作用 是：当合闸回路接通后，手动控制开关 ZKK 或遥控开关或保护触点有可能先于断路器 辅助常闭触点 DL 断开，由于这些触点开断容量很小，不具备在通电时切断电流能力， 容易产生电弧，这样就很容易将触点烧焦而使其失灵。有了 HBJ 合闸保护继电器，其 线圈串接在合闸回路中，其控制触点并接在 ZKK 和 NSC681-P4 触点两端，当合闸回 路接通时，HBJ 线圈通电，HBJ 触点闭合，这样就短路了 2KK 和 NSC681-P4 触点， 这时，即使由 2KK 和 NSC681-P4 触点先切断合闸回路，也不会产生电弧，保护 2KK 或 NSC681-P4 触点在断路器常闭辅助触点之后断开而不被烧焦。合闸后，断路器辅助 常闭触点 DL 断开，辅助常开触点 DL 闭合。TWJ 失电，绿灯灭。跳闸回路中， +KMZKKHWJ 辅助常开触点 DLTQ5ZKK-KM ， HWJ 通电，HWJ 闭 合，红灯亮，指示合闸位置。 6.8 断路器防跳 当同时满足以下两个条件时断路器会发生“跳跃”：1.断路器合闸于故障线路；2.合 闸命令长期保持（由于操作开关的触点或自动装置出口继电器的触点粘住；或操作开 关未复位） 。所谓“跳跃”，是指断路器在继电保护装置的作用下跳闸后马上又合闸，又 跳闸，从而使断路器发生多次“跳合”现象，这样会使断路器损坏甚至爆炸。 跳闸动作时，跳闸回路中的 TBJ 电流线圈通电，它控制的常开触点接通位于合闸 回路中的 TBJV 电压线圈回路，TBJV 通电，由 TBJV 触点也同时闭合，实现 TBJV 自 保持。TBJ 另一线圈也通电，则 TBJ4 常闭触点断开，切断合闸回路，即使这时合闸命 令未解除，也不会合闸。(1)KKJ 为控制开关 2KK 或 NSC681-P4 指示继电器线圈，当 分合闸命令使相应触点闭合时，KKJ 线圈通电，其触点 KKJ 闭合，接通其信号回路指 示合后位置。 安徽理工大学毕业设计 32 补充说明： (2)利用 TWJ 和 HWJ 触点相串联接入监视回路，正常工作时两者只有一个闭合， 并不接通回路。当出现故障时，二者都闭合接通回路告警。 (3)二极管的作用是 HBJ、TBJ 触点未断开前阻断+KM 向 KKJ 线圈的回路。保证 KKJ 正常显示控制开关位置。 6.9 断路器信号回路和辅助回路 a a B B A A c c b b C C d d Z ZN Na aZ ZN Nn n F FU U1 1A A0 00 01 1 0 00 05 5 F FU U2 2 F FU U3 3 K KN N 0 00 09 9 G GS SN N G GS SN N D DS SN N 0 01 11 1 M MD D1 1 M MD D2 2 0 00 07 7 J JR RQ Q1 1 JRQ2 H HZ Z G GS SN N Z ZA A ( (A A) ) ( (B B) ) ( (C C) ) 7 7 D D + +H HM M - -H HM M 1 1D DK K 1 1D DK K H HK K S S1 1 W WK K S S1 1 S S1 1 W WK K S S1 1 B BD D 储储能能小小母母线线 主主令令开开关关 储储能能电电机机控控 制制回回路路 储储能能位位置置指指示示 灯灯 储储 能能 回回 路路 交交流流电电源源 加加热热器器回回路路 柜柜内内照照明明 柜柜内内带带 电电显显示示 及及电电磁磁 锁锁回回路路 备备用用 备用 备用 断路器分闸 断路器合闸 手手车车试试验验位位置置 手手车车位位置置 弹弹簧簧未未储储能能 本本装装置置复复合合电电压压 闭闭锁锁解解除除 开开关关就就地地/ /远