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电力变电所主变保护设计电力变电所主变保护设计 摘要摘要： 变电所是电力系统的一个重要组成部分，特别是超高压枢纽变电站的地位 更为突出，它起着汇集和分配电的等重要作用，是全系统安全、可靠、经济运行的 重要一环。如果变电站的设备出现故障将危及整个系统连续稳定运行，可能出现系 统解列，致使用户断电，造成巨大的经济损失。因此要给变电站的设备装设动作可 靠、迅速、性能完善的保护，把故障影响限制在最小范围内。 本次设计的电力变电所有 3 个电压等级，110KV/35KV/10KV。高压侧采用双母 带旁母的接线方式，中压侧采用单母线分段的接线方式，低压侧为单母线分段，无 负荷，接有无功补偿装置。主变为 SFSZ10型三绕组变压器（两台） 。 本次设计中主要对主变压器进行了保护配置和整定计算，其次对各侧线路进行 了保护配置和整定计算。以上设计都是参考电力工程设计手册 、 电力系统继电 保护原理 、 电力系统继电保护与安全自动装置整定计算 、 电力工程电气设计手 册等资料来进行配置和整定计算的。 关键词关键词： 变电站 保护配置 整定计算 Electricity transformer substation designed to protect Abstract： Substation power system is an important part, especially EHV substations hub status more prominent, and it plays a power pool and the allocation of an important role in the whole system is safe, reliable and economic operation of an important part. If the substation equipment failure would jeopardize the entire system for stable operation of the system may arise out, causing the user off, causing huge economic losses. So give the substation equipment installed Action reliable, rapid and sound performance of the protection, to limit the impact of failure within the framework of the smallest. The design of the 110 KV substations are three voltage levels, 110 KV/35KV/10KV. High-pressure side of a dual masters cable next to the bus bar, a single-side pressure in the sub-bus connection mode, low-pressure side of a single sub-bus, no load, and then there reactive compensation devices. SFSZ10 into the main three-winding transformer（two）. The design of the main transformer of main protection for the configuration and setting calculation, followed by the side of the line for the protection of configuration and setting calculation. Above reference design are Power Engineering Design Manual, power system protection principle, power system protection and security automatic device setting calculation, Electric Power Engineering Design Manual and use other information used to configuration and setting calculation. Key words: Substation configuration setting calculation. 目目 录录 1 绪论.1 1.1 背景.1 1.2 国内外现状.1 1.3 毕业设计（论文）的主要内容.1 2 长庆水电厂马岭变电所.3 2.1 背景资料.3 2.2 主接线形式.3 2.3 设计任务要求.3 2.4 原始资料.3 2.5 电力变电所主接线见图 2-2.5 3 短路计算.7 3.1 主变的路计算.7 3.2 线路的短路计算.8 4 变电站保护配置原则及说明.9 4.1 差动保护.9 4.1.1 差动保护原理.9 4.1.2 差动保护计算式.9 4.2 变压器瓦斯保护.11 4.3 后备保护.12 4.3.1 零序过电流保护.12 4.3.2 电压启动的过电流保护原理.12 4.3.3 零序保护原理图（见图 4-6） .13 5 线路各种保护的原理及应用.15 5.1 相间距离保护.15 5.2 相间接地保护.15 5.3 三段式电流保护.15 5.4 高频闭锁保护.15 5.5 零序电流保护.16 5.6 110KV线路保护配置及说明.16 5.6.1 配置说明.16 5.6.2 整定计算.16 5.6.3 高频闭锁距离保护.17 5.6.4 零序电流保护.17 5.6.5 三项一次重合闸.18 5.7 35KV线路保护整定原则.18 5.7.1 三相式电流保护整定计算原则.19 5.7.2 三段式距离保护整定计算原则.19 5.7.3 35KV 保护整定计算(表 5-2).19 5.8 10KV 线路保护整定计算 .19 6 设备选型.21 6.1 主变保护选型及简介.21 6.2 主变保护装置原理.22 6.3 110KV 线路的成套保护装置 .24 6.3.1 高频距离保护.25 6.3.3 零序保护.25 6.4 35KV 线路成套保护装置 .26 6.5 10KV 线路成套保护装置 .27 7 总结和致谢.28 附录:计算书.29 A 主变参数.29 A.1 短路计算.29 A.2 系统示意图.29 A.3 CT、PT 变比的确定 .29 A.4 主变变比.30 B 变压器标幺值参数的计算.31 B.1 三相对称路时的电流计算 .31 B.2 不对称短路的电流计算 .33 C 线路短路电流的计算.35 C.1 各线路阻抗参数如下 .35 C.2 110KV 线路短路电流计算.35 C.3 35KV 线路短路电流计算.37 C.4 10KV 线路短路电流计算.38 D 主变设备的保护整定计算.40 D.1 比率制动纵差保护整定.40 D.2 差动速断保护整定.40 D.3 相间后备保护（低电压起动过流保护）整定计算.41 D.4 接地后备保护（零序电流保护）整定计算.42 D.5 过负荷保护整定.42 E 110KV、35KV、10KV 线路保护整定计算.44 E.1 110KV相间距离保护整定计算.44 E.2 110KV接地距离保护整定计算.45 E.3 110KV零序电流保护整定计算.46 E.4 110KV高频距离保护整定计算.47 E.5 35KV相间距离保护整定计算.47 E.6 35KV三段式电流保护整定计算.49 E.7 10KV线路保护整定计算.52 1 绪论绪论 1.1 背景背景 变电站是电力系统的一个重要组成部分，特别是超高压枢纽变电站的地位更为 突出，它起着电能的汇集和分配等重要作用，是全系统安全、可靠、经济运行的重 要一环。如果变电站的设备出现故障将危及整个系统连续稳定运行，可能出现系统 解列，致使用户断电，造成巨大的经济损失。因此要给变电站的设备装设动作可靠、 迅速、性能完善的保护，把故障影响限制在最小范围内 1.2 国内外现状国内外现状 变电站站内保护及自动装置较多，而某些装置的部分信息不常读取，菜单操作 分级过多，值班员有可能因长的时间对某装置不进行操作，在进行操作或调取报告 时可能会模糊某信息的具体含义或某一功能菜单的操作。为解决这矛盾，建议针对 保护屏内的具体装置，编制“保护及自动装置信息对照表”和“保护及自动操作指南” 并置于保护屏内，方便值班员及时查阅，同时也为值班员在操作和处理事故时提供 最直观指导。1 在保护设备的选型和招、投标时，不能只考虑价格因素，也要充分考虑厂家投 运保护装置的故障率，最好对装置进行详细的运行总结并开展实地调研，同时联合 权威机构制定符合公司实际情况的框架性技术条件。2 着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术面临着 进一步发展的趋势。国内外继电保护技术发展的趋势为：计算机化，网络化，保护、 控制、测量、数据通信一体化和人工智能化，这对继电保护工作者提出了艰巨的任 务，也开辟了活动的广阔天地。3 VC60.在 WINDOWS 平台下开发的工具，是一种便于开发切且封装性较强的可 视化开发工具。该工具运用数据库原理，依据电力通信协议，实现了对变电站一二 设备的参数、定值数据快速的录入、传输、统计分析、输出和共享。4 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 因素装设必要的、动作可靠行高的继电保护装置。5 1.3 毕业设计（论文）的主要内容毕业设计（论文）的主要内容 (1)主变保护配置 (2)110kv、35kv、10kv 线路的保护配置 (3) 短路电流的计算 (4) 保护设备选型 (5) 保护整定计算 (6) 画图说明书整理 2 长庆水电厂马岭变电所长庆水电厂马岭变电所 2.1 背景资料背景资料 长庆水电厂马岭 110kv 变电所简介 马岭变电所于 1995 年 5 月 27 日投产运行，是长庆油田陇东油区的一个枢纽变 电所，地处庆城县马岭镇北一公里，占地 19.8 亩，固定资产 2600 万元，隶属于长 庆水电厂庆北水电作业区，年供电量 1 亿千瓦时，担负着长庆油田陇东油区的生产 及生活供电任务，共有变压器两台，两台 SFSZ10 63000/110， 。110kv 进线 4 回， 出线 2 回；35kv 线路出线 9 回，3 回备用；10kv 线路 9 回，1 回备用。 2.2 主接线形式主接线形式 变电所主接线有多种形式，而对主接线必须满足可靠性，灵活性和经济性的要 求。可靠性能够长期、连续、正常地向用户供电的能力，应根据具体情况进行技术 经济比较，保证必要的可靠性，而不是片面追求高可靠性。灵活性应满足三点：a、 调度时 b、检修时 c、扩建时。经济性也应该满足三点：a、应力求简单,以节省一次 设备能使二次回路不过于复杂,节省投 b、占地面积c、电能损失少。 110kv 侧采用双母带旁母的接线方式，其优点主要体现在以下四方面：a、提高 供电可靠性,便于断路器检修时供电 b、检修任意母线，不会停止对用户的供电 c、 运行调度灵活，通过到闸操作可形成不同的运行方式，倒匝操作要遵守“先合后断” 顺序 d、便于扩建，双回线不会有交叉跨越 。但采用双母带旁母的接线也存在不 利的方面，主要有两点：a、所用设备较多，隔离开关过多，配电装置复杂，经济性 较差，隔离开关易发生误操作 b、接线复杂，对实现远动化和自动化不便。 35KV 及 10KV 侧采用了单母分段接线的设计，既考虑了供电可靠性又考虑了经 济性 2.3 设计任务设计任务要求要求 了解马岭变电所在电力系统中的作用、地位、运行方式，了解 110kV 变电所， 线路的继电保护配置原则及原理介绍。掌握各种保护的基本原理，在此基础上，确 定短路点，计算短路电流，进行变压器线路的保护方案设计，保护动作值的整定计 算，最后，根据计算的结果，对设备进行选型。 2.4 原始资料原始资料 主变压器： 型号：SFSZ10 63000/110（两台） 额定电压：11081.25%/38.522.5%/10.5 容量比：100/100/50 参数：Uk1-2%=10.5 Uk1-3%=17.5 Uk2-3%=6.5 接线方式：YN，yd，d11 主接线： (1)110kv 接线 出线 4 回，进线 2 回（来自两个电源） ，采用双母带旁母接线。 (2)35kv 接线 出线 9 回，3 回备用，采用单母线分段接线 (3)10kv 接线 出线 9 回，1 回备用，采用单母线分段接线 (4)系统参数（电源） 10KV 侧 Sn=5210MVA 等值电抗 Xd=0.0192 35KV 侧 Sn=5210MVA 等值电抗 Xd=0.288 （取 SB=100MVA UB=UAV） 图 2-1 是马岭变电所简图，并表明短路点。 图图 2-1 变电所示意简图变电所示意简图 线路各侧出线参数见表 2-1，2-2，2-3。 表表 2-1 110kV 侧出线参数侧出线参数 线型PmaxPminCOSL 1LGJ-400200MW150MW0.8660KM 2LGJ-300210MW160MW0.8650KM 3LGJ-300220MW170MW0.8675KM 4LGJ-150100MW70MW0.8630KM 表表 2-2 35kV 侧出线参数侧出线参数 线型Pmax回路数COSL供电方式 1LGJ-12014MW10.810KM架空 2LGJ-12012MW10.812KM架空 3LGJ-12026.8MW10.856KM架空 4LGJ-12018.6MW10.858KM架空 5LGJ-12016.7MW10.88KM架空 6LGJ-12027MW10.859KM架空 7、8、9备 用 表表 2-3 10kV 侧出线参数侧出线参数 线型Pmax回路数COSL供电方式 1LGJ-1204MW10.88KM架空 2LGJ-1203MW10.853KM架空 3LGJ-1202MW10.855KM架空 4LGJ-1204MW10.86KM架空 5LGJ-1202MW10.859KM架空 6LGJ-1204MW10.857KM架空 7LGJ-1202MW10.856KM架空 8LGJ-1204MW10.856KM架空 9备 用 2.5 电力变电所主接线见图电力变电所主接线见图 2-2 图图 2-2 变电所主接线变电所主接线 备备用用 备备用用 备备用用 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 备备用用 无无 功功 补补 偿偿 装装 置置 W W1 1 W W2 2 W W3 3 1 11 10 0K KV V 3 35 5K KV V 1 10 0K KV V 1 12 23 34 4 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 3 短路计算短路计算 3.1 主变的路计算主变的路计算 主变压器在进行配置整定前应进行短路计算，并将变压器参数的有名值转化为 标幺值，有利于进一步分析比较。 三相短路：I =I = )3( d1 3 B B S U 1 3 N B S XU 两相短路：I )3()2( 2 3 dd I 110KV、35KV、10KV 侧分别于母线处发生 短路时（图 3-1） ，根据上述公式进行初步计 算，并简化电路，在此基础上对电路的正序、 负序、零序分别计算，零序则考虑 d,d )0 , 1( 的计算，以利于比较。计算值见表 3-1 )1 , 1( 图图 3-1 表表 3-1 (KA) )3( d I(KA) )1( d I(KA) )1 . 1( d I 最大运行 方式 最小运行 方式 最大运 行方式 最小运 行方式 最大运 行方式 最小运 行方式 110KV 侧电流1.351.0960.3210.2650.5450.462 35KV 侧电流158.25 10KV 侧电流41.6624.53 短 路 类 型 运 行 方 式 短 路 地 点 3.2 线路的短路计算线路的短路计算 发生时 )3( d B B L d U S xx I 3 1 1 发生时; )1( d 1011 3;xxxxx L )( 43 xx B B f U S xx E I 32 3 3 01 0 发生时; )1 . 1( d 1011 3;xxxxx L )( 43 xx B B f U S xx E I 32 3 3 01 0 表表 3-1 110KV 线路短路电流值线路短路电流值 (KA) )3( d I(KA) )1( d I(KA) )1 . 1( d I 最大运行 方式 最小运行 方式 最大运 行方式 最小运 行方式 最大运行 方式 最小运 行方式 L-12.532.531.531.531.11.1 L-22.932.931.781.781.271.27 L-32.022.021.221.220.870.87 L-44.394.392.682.681.921.92 表表 3-2 35KV、10KV 线路发生线路发生短路电流值短路电流值(KA) )3( d I L-1L-2L-3L-4L-5L-6L-7L-8 最大方 式 3.943.425.864.784.784.26 35KV 线 路最小方 式 3.5963.165.134.294.293.86 最大方 式 1.674.192.622.1981.491.92.1982.198 10KV 线 路最小方 式 1.623.922.512.121.461.842.122.12 短 路 类 型 运 行 方 式 线 路 线 路 运 行 方 式 电 压 等 级 4 变电站保护配置原则及说明变电站保护配置原则及说明 4.1 差动保护差动保护 4.1.1 差动保护原理差动保护原理 当变压器绕组和引出线发生相间短路以及变压器匝间短路时，其保护应瞬时动 作，这种故障由差动保护来反映，因此差动保护为变压器的主保护（图 4-1） 。在 110KV 侧因断路器检修切换至旁路断路器时，差动保护经屏正面的电流实验端子切 换至主变压器套管电流互感器，切换期间保护范围缩小，但由于变压器故障发生几 率小，断路器不常这样做是允许的。 图 4-1 差动保护原理 4.1.2 差动保护计算式差动保护计算式 （1）三侧额定电流 I 3 E E E U S （2）计算各侧电流互感器二次绕组对保护装置的输入电流 ; ; LH Ejx E n LK I 1 1 LH Ejx E n LK I 2 2 LH Ejx E n LK I 3 3 （3）比率制动系数：75 . 0 3 . 0 1 b K （4）差动电流速断保护整定：为躲过变压器励磁涌流的影响,差动电流速断可 按表 4-1 整定。表中 Ie 为变压器额定电流。 表表 4-1 （5）二次谐波制动系数：Kxb=0.10.35 （6）比率差动元件启动值的整定： 差动启动电流 ecdqd II)5 . 13 . 0( cdqd I （7）灵敏度校验：保护主要针对 110KV，35KV 侧进行校验： Bdd III )3()3( )3()2( 2 3 dd II LH d d n I I )3( )2( min 按规程差动校验的2.0 2 )2( min d d sen I I K sen K 保护说明：本差动保护利用差动保护原理构成，并附有比率制动回路和二次谐 波制动回路（图 4-2） ，以防止变压器及外部故障时发生误动作的装置，原理分析如 下： 图图 4-2 （1）比率制动回路： 由 DKB1、BZ1、C1 和 R1 组成正常运行或外部故障时流经 DKB1 原边的两个 线圈的电流（和）同相，在二次线圈上产生与之正比的制动电压，且该电压数 1 I 2 I 变压器电流变压器接线组 别 额定容量 （MVA） 在高压侧在低压侧 Y,y1013Ie13Ie Y,d（低压）任何容量8Ie13Ie 值较大，对执行回路起制动作用，故保护装置不会动作。当变压器对内部故障时， 两侧电流中总有一侧电流（和）要反向或消失，因此，DKB1 副边的感应电势 2 I 1 I 相应减小，所以制动作用大大减弱，保护装置将动作，调节 R1 可以改变制动系数 的大小。 （2）二次谐波制动回路： 由 DKB2、C2、C3、BZ2 和 R2 组成。DKB2 二次线圈的电感 L 与电容 C2 组 成二次谐波并联谐振回路，对二次谐波分量呈现很大的阻抗，因此，输出电压较高， 这样经 C3 滤波后的二次谐波制动电压 Uz2 较大，可以调节 R2 来改变 Uz2 的大小。 （3）差动回路： 由 DKB3、BZ3、C4 和 R3 组成，由于 DKB3 的一次线圈接在差动回路中，因 此 R3 上的抽去电压 Ucd 即为继电器动作电压，调节 R3 可改变继电器动作电流的大 小。 （4）执行回路： UzdUcd；继电器不动作， UzdUcd；继电器应能可靠动作。 4.2 变压器瓦斯保护变压器瓦斯保护 当变压器油箱内部短路时，短路点电弧使变压器油分解形成瓦斯气体，重瓦斯 保护作用于断路器跳闸，为变压器主保护，轻瓦斯作用于信号，在保护线路中通常 设有切换片 QP，也可将重瓦斯保护投入信号。 （见 4-3 图） 图图 4-3 瓦斯继电器安装瓦斯继电器安装 当变压器内部故障时，故障点的局部温度将使变压器油温上升，体积膨胀，甚 至出现沸腾，有热空气被排出而形成上升气流，在故障点产生电弧，则变压器油和 绝缘材料将分解出大量气体，这些气体自油箱流向油枕上部，故障程度越严重，产 生的气体越多，流向油枕的气流速度越快，甚至气流中还夹杂着变压器油，利用上 述气体来实现的保护装置叫瓦斯保护，原理图见 4-4。 （1）瓦斯保护的整定：250cm 动作于信号 3 （2）重瓦斯保护的整定：0.6-1.5m/s。 图图 4-4 变压器保护原理接线变压器保护原理接线 4.3 后备保护后备保护 高、中压侧均有电源的三绕组变压器可以按高压侧为主电源侧设计，除主电源 侧外，其它各侧只要求作相邻元件的后备保护，可采用两侧装后备保护和三侧装后 备保护两种方案来进行设计。三侧后备保护方案：将后备保护装于主电源侧（高压 侧）和中压侧。110kv 三绕组变压器，高压侧装设复合电压启动的方向过流保护。 方向指向 35kv 侧（假定 35kv 侧后备保护时限）第一段时限跳开 35kv 侧母线分段 （或母联）断路器，第二段时限跳开变压器 35kv 侧断路器，不带方向的保护以最长 的时限断开变压器各侧。 4.3.1 零序过电流保护零序过电流保护 降压变电所一般装设两台主变压器，其中一台中性点直接接地，一台不接地， 为了防止在单相接地故障时使中性点不接地的变压器遭受过电压的危害，保护装置 以第一段时限断开中性点不接地的变压器，以第二段时限断开本变压器。 由于本设计中变压器只有 110KV 侧接地，故不考虑方向。 为了提高保护装置的可靠性，在零序过电流前加装零序电压闭锁元件，闭 锁元件的电压，由本侧电压互感器的开口三角形取得，动作电压值按躲过正常情况 下的不平衡电压整定。 500KV 以上的变压器应考虑过负荷对变压器造成的影响，因此应加装过负荷 保护的过电流继电器，当变压器过负荷时启动发信时来提醒运行人员。 4.3.2 电压启动的过电流保护原理电压启动的过电流保护原理 在不对称故障时靠负序电压继电器起动低电压继电器，在对称故障时靠负序 电压继电器短时间动作来起动低电压继电器，而依靠低电压继电器返回电压较高来 维持其动作状态，因此，灵敏度较高，电压启动的过电流保护原理见图 3-5。 电流继电器的动作电流按躲过变压器额定电流整定：；e re rel op I k k I 可靠系数 1.2；返回系数 0.85 rel k re k 负序电压继电器的起动电压，按躲过正常运行时的不平衡电压整定，根据实 际的运行经验和参照有关实验数据可整定为： 额定线电压 eop UU06 . 0 2 . e U 低电压继电器按在相间电压上的电压继电器的动作电压，按躲过电动机自起 动为条件整定 eop UU7 . 0 灵敏度校验：电流元件 2 . )2( min op d sen I I k 负序电压元件 2 . 2 . min op d sen U U k 相间电压元件 mind op sen U U k 4.3.3 零序保护原理图（见图零序保护原理图（见图 4-6） 变压器零序电流保护：本保护只有 110KV 侧中性点直接接地，故不考虑零 序方向元件 。 0 . 0opbrsenop IkkI 式中出线零序电流保护后备段的动作电流 0 . op I 保护灵敏度的校验：灵敏度计算为 0 min0 op d sen I I k 式中为出线末故障时，流过变压器的最小零序电流 min0d I 为零序电流保护动作电流。 0op I 1.5 sen k 零序电压保护整定： 1按躲过正常运行最大不平衡电压整定 0 0 3 ) 1 . 005 . 0 ( YH e op n U U 式中电压互感器零序一次额定电压。在中性点直接接地系统中， e U0 额定电压； e U0 e U 电压互感器零序电压变比，在中性点直接接地系统中 0 . YH n /0.1。 0 . YH n e U b、灵敏度校验 ； 其中为母线故障时最底零序电压（ max0 min0 op d sen U U k min0d U)3 0 U 图图 4-6 变压器零序保护原理接线图变压器零序保护原理接线图 5 线路各种保护的原理及应用线路各种保护的原理及应用 5.1 相间距离保护相间距离保护 （1）距离保护是以反映从故障点到保护安装处之间的阻抗大小的一种保护，以 阻抗继电器为主要元件，动作时间具有阶梯特性的相间保护装置。 （2）可应用于任何复杂运行方式多变的系统中有选择性，较快的切除相间故障， 如用一般的电流、电压保护不能满足要求时则应考虑采用距离保护装置。 保护特点：装置运行灵活，动作可靠性稳定，各种电网均能适用，但接线复杂维 护不方便 5.2 相间接地保护相间接地保护 （1）它是以测量保护安装处至接地短路点之间的阻抗来反映线路长度距离的。 中性点直接接地系统中发生接地短路，将产生很大