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20kV20kV 变电所设计毕业论文变电所设计毕业论文 目 录 引 言 1 一 本课题的目的及研究意义 1 1 本课题的目的 1 2 本课题的研究意义 1 二 本课题的研究范围及技术要求 1 三 设计资料 2 1 电源 2 2 负荷资料 2 3 设计内容 2 一 负荷计算 3 1 负荷分析 3 2 负荷计算的方法 3 二 无功补偿 5 1 供配电系统的无功功率和功率因数 5 2 无功补偿方法及计算 5 三 主变压器的选择 7 四 电气主接线设计 8 1 电气主接线概述 8 2 主接线方案设计 9 3 主接线方式的选择 9 五 短路电流计算 10 二 一次电气设备的选择 15 一 电气设备选择的一般原则 15 1 电气设备选择的一般原则 15 2 电气设备选择的技术条件 15 3 常用电气设备的选择及校验项目 15 二 断路器的选择 16 三 10kV 侧母线的选择 17 四 互感器的选择 17 1 电流互感器选择的原则 17 2 电压互感器选择的原则 18 五 所用变的选择 19 六 熔断器的选择 19 1 20kV 侧 19 2 10kV 侧 20 七 出线设备选择 20 1 电流互感器 20 2 断路器 21 三 二次设备选择及整定 22 一 继电保护概述 22 二 变电站综合自动化系统综述 23 三 主变压器的继电保护 24 1 变压器常见的故障类型与保护配置 24 2 CSR 03F 变压器纵联差动保护装置 25 3 CSR 03H变压器后备保护测控装置 29 4 保护原理 29 1 I 段复压闭锁过流保护 带方向闭锁 29 5 装置保护整定方法 30 6 后备保护启动时各断路器动作情况 30 四 线路的继电保护 32 五 断路器控制回路 34 六 自动重合闸装置 36 1 自动重合闸及其作用 36 2 自动重合闸的基本要求 36 3 自动重合闸装置 37 七 备用电源自动投入装置 37 1 备用电源自动投入概述 37 2 保护原理 38 四 操作电源 41 一 操作电源概述 41 1 操作电源基本概念及要求 41 2 操作系统交流部分 41 3 操作系统直流部分 41 4 操作系统监控部分 42 参考文献 43 致 谢 44 1 引 言 一 本课题的目的及研究意义 1 本课题的目的 20kV 变电站二次部分设备的保护设计 对一次电气部分具有监察 测量 控制 保护 调节等功能 达到安全 稳定 灵活和经济运行的目的 提供有 效的操控方案 运用各方面知识的综合来解决实际问题 掌握实际工程设计的 基本技能 检测自己工作成果 2 本课题的研究意义 目前 10kV 配电网的局限性越来越突出 20kV 可以很大程度的缓解供 电局限性问题 20kV 配电网的改造使供电的成本 损耗等有了大大的改善 使 电网发展更加可靠 变电站是联系发电厂和用户的中间环节 起着变换和分配电能的作用 这 就要求变电站的一次部分 二次部分经济合理 并且安全可靠 变电站综合自 动化建立在微机技术和数字通信技术基础之上 是变电站自动化发展的趋势 其 中继电保护是变电站综合自动化系统的重要组成部分 微机保护由于其功能先 进 可靠性高 整定方便 智能性强 且正在向着智能化 多元化 网络化方 向发展 能够及时对变电站出现的故障采取有效的处理方式 已在电力系统中 得到广泛应用 同时也在传统变电站的改造中发挥积极作用 促进了电网的技 术改造和安全运行 二 本课题的研究范围及技术要求 根据一次部分主变压器的选择和电气主接线的设计 计算短路电流 并选择主变压器 所用变 母线电缆 断路器 电流互感器 电压互感器 熔 断器 补偿电容器等设备 二次部分主要是变压器的主 后备保护设备选择及 整定校验 母线的三段保护 自动重合闸装置 备自投及直流操作电源装置的 选择 微机继电保护系统还有断路器控制回路设计 自动重合闸回路以及备用电 源自动投入回路设计 同时完成一次部分的主接线图和平面布置图 二次部分 2 的保护配置图 断路器控制回路图 备自投保护配置图及交直流系统图 通过 各种保护装置 及时反映并动作于故障 保证变电所的可靠供电 三 设计资料 1 电源 由太原市某 110kV 变电站出 2 回 20kV 线路供太原某企业 20 10kV 室内变电 站用电 20kV 线路电缆长 4 公里 系统短路容量为 Skmax 800MVA Skmin 600MVA 2 负荷资料 表表 1 11 1 所给出的所给出的 10kV10kV 侧负荷资料侧负荷资料 序号负荷名称 额定负荷 kV A 功率因数需要系数 KX 1 负荷 1 12000 850 8 2 负荷 2 11000 80 0 65 3 负荷 3 1600 0 85 0 75 4 负荷 4 15000 8 0 80 5 负荷 5 1200 0 850 7 6 负荷 6 31000 85 0 65 7 负荷 7 15500 9 0 75 8 负荷 8 17000 780 8 合计 12950 10kV 负荷同时系数 Kd 0 9 3 设计内容 1 根据给出的变电所负荷情况选择变压器容量和台数 并设计电气主接 线图 设计配置相应继电保护装置 2 确定短路电流计算点 计算短路电流 3 选择主要一次回路 一次进线 变压器 母线分段开关 母线联络开 关和重要引出线 电气设备 包括高压断路器 隔离开关 电流互感器 电压 3 互感器 母线 电缆等 4 设计主要一次回路继电保护装置和必要的自动装置 5 设计主要一次回路断路器控制回路 6 设计信号回路 一 变电所一次回路 一 负荷计算 1 负荷分析 根据供电可靠性和突然中断供电造成的损失程度可以将负荷分为三种 其 主要目的是节约投资 降低供电成本 保证电能质量 1 一级负荷 一级负荷 是指突然中断供电将造成人身伤亡 重大设备损坏 政治经济 上造成巨大损失 因此 要有两个独立电源供电 其他的还要增设独立电源点 2 二级负荷 二级负荷 是指突然中断供电 政治经济造成较大损失 设备局部损坏 应由两回线供电 负荷较小时允许采用一回专用线路供电 3 三级负荷 三级负荷 是指不属于一级和二级的负荷 这类负荷造成的损失不大或不 会直接造成损失 其停电影响不大 可用一回线供电 2 负荷计算的方法 目前负荷计算的常用方法有需要系数法 二项式法和利用系数法 这里我 采用的是需要系数法 1 单台用电设备的计算负荷 1 有功计算负荷 Pca 1 SN cos N 2 1 4 式中 Pca 1 有功计算负荷 kW SN 负荷的额定视在容量 kV A N 负荷的功率因数角 2 无功计算负荷 Qca 1 Pca 1 tan N 2 2 式中 Qca 1 无功计算负荷 2 用电设备组的计算负荷 1 有功负荷计算 Pca 2 Kd Pe 2 3 式中 Kd 用电设备组的需要系数 Pe 用电设备组的设备额定容量之和 2 无功计算负荷 Qca 2 Pca 2 tan wm 2 4 式中 wm 用电设备的加权平均功率因数角 3 视在计算负荷 Sca 2 2 2 2ca 2 2ca QP 5 3 确定变电所低压母线上的计算负荷 1 总有功计算负荷 Pca 3 K Pca 2 2 6 2 总无功计算负荷 Qca 3 K Qca 2 5 2 7 3 总视在计算负荷 Sca 3 2 8 2 3ca 2 3ca QP 式中 Pca 3 Qca 3 Sca 3 变电所低压母线上的有功 无功及视在计算负荷 kW kvar kV A Pca 2 Qca 2 各用电设备组的有功 无功计算负荷的总和 kW kvar K 最大负荷时的同时系数 根据上述方法 依据计算公式 Pca k Kd Pe 2 9 Qca k Pca k tan N 2 10 Pca K Pca k 2 11 Qca K Qca k 2 12 表 2 1 负荷计算结果 序 号 负荷名 称 额定负 荷 kV A 功率因 数 cos N tan N 需要系数 Kd 有功计 算负荷 kW 无功计算 负荷 kV A 1 负荷 1 12000 850 620 8960595 2 2 负荷 2 11000 800 750 65715536 25 3 负荷 3 16000 850 620 751200744 4 负荷 4 1500 0 80 750 801200900 5 负荷 5 12000 850 620 7840520 8 6 负荷 6 31000 850 620 6520151249 3 6 7 负荷 7 15500 90 4840 751162 5562 65 8 负荷 8 17000 780 80 813601088 合计 129508507 255576 58 二 无功补偿 1 供配电系统的无功功率和功率因数 功率因数是指有功功率在视在功率中所占的比重 即 cos 2 S P 13 功率因数总是小于或等于 1 功率因数越低 对电网的损耗越大 经济效益越差 因此 日常生活中 供电部门对功率因数较低的企业会进行罚款等惩罚措施 其目的就是为了保证 电网经济有效的运行 2 无功补偿方法及计算 1 功率因数的人工补偿 本设计中通过选用并联电容器柜进行补偿 使功率因数保持在允许范围 1 补偿容量的确定 设某电力用户补偿前的平均负荷为 Pav 自然功率因数为 cos 1 若要求将 功率因数提高到 cos 2 则需要补偿的容量 Qc 为 Qc Pav tan 1 tan 2 tan 1 tan 2 2 14 式中 Pca 最大有功计算负荷 kW 月平均有功负荷系数 1 2 补偿前 后功率因数角 tan 1 tan 2 无功补偿率 2 电容器的选择 n Qc Qc1 7 2 15 式中 Qc1 单只电容器容量 n 并联电容器的个数 上式计算所得的数值对三相电容应取相近偏大的整数 2 无功补偿的计算 根据上节的有功 无功计算负荷的功率因数 cos 0 836 2 caS Pca 22 ca caca QP P 22 58 557625 8507 25 8507 16 在 供用电规则 中规定 高压供电的工业用户和高压供电装有负荷调整 电压装置的电力用户 功率因数为 0 9 以上 其他 100kV A 及以上电力用户和 大 中型排灌站 功率因数为 0 8 以上 因此 这里 cos 0 836 不符合要求 需要采用电容器进行无功补偿 为 使补偿后功率因数 cos 0 9 则根据要求 当 cos 0 9 时 Pca tan 8507 25 0 484 4120 25 kvar c a Q 2 17 Qc Qca 5576 58 4120 25 1456 33 kvar 2 c a Q 18 经查阅相关文献书籍 选择 4 套 TBBX10 450 3N 型电容器柜进行补偿 并 联电容器型号 BFM10 5 3 150 1 补偿方式为集中补偿 并联电容器组装设 在变电所低压侧母线 主要是补偿主变和负荷的无功功率 此时实际补偿容量 nQcN 450 4 1800 kvar 2 c Q 19 补偿后 无功功率 Qca 5576 58 1800 3776 58 kvar 2 ca Q c Q 20 视在功率 8 9307 84 kV A 2 ca S 2 2 caca QP 22 58 377625 8507 21 功率因数 cos 0 91 2 ca ca S P 2 2 ca caca QP P 22 58 377625 8507 25 8507 22 补偿后符合要求 三 主变压器的选择 1 变压器台数的选择 变压器台数要依据以下原则选择 1 对于大量一级或二级负荷 一般选择两台变压器 以保证供电的可靠性 2 为保证可靠经济供电 选择两台变压器 一台故障时 另一台仍能正常 工作 2 变压器容量的选择 1 装有一台主变压器的变电所 主变压器的容量应不小于总的计算负荷即 SNT Sca 2 23 2 装有两台主变压器的变电所 每台主变压器的容量应不小总的计算负荷 的 60 一般选取为 70 即 SNT 0 7Sca 2 24 同时每台主变压器的容量应不小于全部一 二级负荷之和 即 SNT Sca I II 2 25 9 3 变压器连接方式的选择 降压变压器三相连接起来的方法称为变压器的连接方式 最基本的连 接方式是星形连接 Y 和三角连接 两种连接方式 1 Y 或 Y 连接方式 这种连接方式由许多优点 中性点接地 异 常电压不明显 三次谐波励磁电流通过绕组回流 能感应出正弦波电压 若高 压侧采用 连接 可以采用分段绝缘 2 连接方式 这种连接方式的优点是三次谐波励磁电流有回流通 路 能感应出正弦波电压 波形畸变不明显 缺点是中性点没办法接地 根据以上原则作计算 SNT 0 7Sca 0 7 9307 84 6515 49 kV A 2 26 所以选择顺特电气的两台 SC10 8000 20 型电力变压器 分别装在 20kV 断 路器下方 额定高压 20kV 额定低压 10kV 联结组别 Yd11 表表 2 22 2 变压器具体参数变压器具体参数 型号 P0 W Pk 75 Uk I0 SC10 8000 20 106003650080 4 四 电气主接线设计 1 电气主接线概述 发电厂和变电所中的一次设备按其功能要求组成的接受和分配电能的主回 路 称为电气主接线 它把各电源送来的电能汇集起来 并分给各用户 它表 明各种一次设备的数量和作用 设备间的连接方式 以及与电力系统的连接情 况 主接线的确定 对电力系统的安全 稳定 灵活 经济运行以及变电所电 气设备的选择 配电装置的布置 继电保护和控制方法的拟定将会产生重大的 影响 因此对主接线的设计要求可以归纳为以下四点 1 可靠性 2 灵活性 10 3 经济性 4 先进性 2 主接线方案设计 这里介绍 3 种接线方式 1 单母线接线方式 接线简单 清晰 投资少 操作方便 但是 当检 修任一电源或出线断路器时 该回路必须停电 2 单母分段接线方式 当一段母线故障时 分段断路器跳开 保证另一 段母线仍正常供电 可提高供电可靠性和灵活性 当检修任一电源或出线断路 器时 该回路必须停电 3 双母线接线方式 供电可靠 调度灵活 扩建方便且不会引起原有 回路的停电 但其投资较大 所用设备多 配电装置复杂 经济性差 3 主接线方式的选择 通过比较 主接线方式选择为 20kV 侧采用单元式接线 10kV 侧采用单母 线分段接线 此种接线方式保证了供电的可靠性和灵活性 配电装置也比较简 单 如图 2 1 所示 本设计中实际选用设备时 不需要选择隔离开关 10kV 侧 分段母线出线除 8 路带负荷出线外 还有作为备用的出线 11 图图 2 12 1 主接线方式主接线方式 五 短路电流计算 1 短路电流计算的一般概述 短路是指相与相之间或相与地之间形成回路 当发生短路时 短路回路的 阻抗很小 短路回路中将流通很大的短路电流 电源的电压降落在短路回路中 造成十分严重的危害 短路的原因有 电力系统的绝缘被破坏 操作人员的误动作以及其他因素 在大多数情况下 绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷或者在长 期过负荷元件中 由于电流过大 载流导体的温度升高太多 使绝缘老化加速 或破坏 2 短路的危害 短路电流能形成很大的破坏力 使导线遭到严重破坏 短路电流的热效应 会使设备过热损坏 短路严重时会引起电力系统解列 乃至崩溃停电 短路电 流还会产生电磁干扰 影响通信设备运行 12 3 短路的类型 三相系统中短路的基本类型有 三相短路 两相短路 两相接地短路和单 相接地短路 三相短路危害最严重 因此这里的短路计算就是三相短路的计算 短路点选择的是主变压器两侧 4 短路回路参数的计算 短路电流计算时 首先要计算回路中各元件阻抗 各元件阻抗的计算可采 用有名值和标幺值两种计算方法 有名值法主要适用于 1kV 以下低压供电系统 电路中 标幺值法多用在高压供电系统的短路计算中 1 标幺值 标幺值是相对有名值而言 在标幺值中各物理量均用相对值表示 标幺值 由于其计算结果清晰 能简单判断计算结果的正确性 可简化复杂计算而被大 量使用 在电路的计算中 各量基准值之间必须遵循电路的欧姆定律和功率方 程式 三相电路中 电流 电压 阻抗 和功率这四个物理量的基准值之间应 满足下列关系 2 BIUSBB3 27 2 BBZIU3B 28 式中 SB UB IB ZB 功率 电压 电流 阻抗的基准值 2 短路回路中各元件阻抗的计算 表表 2 32 3 电抗标么值 有名值变换公式电抗标么值 有名值变换公式 序 号 元件 名称 标幺值有名值 备注 1 无穷大 电源系 统电抗 S X S SB 已知 基准功率 通常可BS 设 1000MA V BS 变压器NTS KU 的额定容量 kA V 及 其短路电压的百分值 电抗器或线所avU 在网路的平均额定电 压 kV 变压器短路损KP 耗 kW 13 5 进线电缆的选择 根据允许载流量选择进线电缆 首先计算变电所进线电缆的计算电流 2 94 219 213 8000 3 A U S I N NT ca 29 选择 YJV32 型 铜芯交联聚乙烯绝缘细钢丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆 芯数为 3 芯 截面积为 95mm2 铜芯 额定电压 18 20kV 允许载流量 315A 最 大允许短路电流为 13 8kA 1s 电感 0 3956mH km 20kV 中性点非有效接地 系统使用 18 20kV 电缆 6 短路电流计算 图图 2 22 2 计算电路图计算电路图 2 变压器 NT BK T S SU X 100 100 2 NT NTK T S UU Z 3 2 NT K T I P R 22 TT TRZX 3 线路 2 0 av B L U S lXX lXXL0 14 图图 2 32 3 等值电路图等值电路图 取基准值 A MV 1000 B S avB UU k1 点基准电流 kA 2 5 27 213 1000 3 1 1 B B B U S I 30 k2 点基准电流 kA 2 55 5 103 1000 3 2 2 B B B U S I 31 1 最大运行方式 电源为无穷大容量电源系统 它到电缆 M 点处电抗标幺值为 2 25 1 800 1000 S S X B S 32 电缆 L km 2 124 0103956 0 5022 3 fLWLXl 33 2 125 1 21 1000 4124 0 22 1 B B lL U S lXX 34 变压器 2 1010 8000 1000 100 8 100 3 NT Bk T S Su X 35 则 k1 点短路时短路回路总阻抗为 2 375 2 125 1 25 1 1 Lsk XXX 36 短路电流次暂态值 15 kA 2 58 11 375 2 5 27 1 1 k B X I I 37 短路电流冲击值 kA 2 53 2958 1155 2 2 IKi shsh 38 短路冲击电流有效值 kA 2 49 1758 1151 1 51 1 IIsh 39 则 k2 点短路时短路回路总阻抗为 2 375 1210125 1 25 1 2 TLsk XXXX 40 短路电流次暂态值 kA 2 44 4 375 12 55 2 2 k B X I I 41 短路电流冲击值 kA 2 33 1144 4 55 2 2 IKish sh 42 短路冲击电流有效值 kA 2 71 6 44 4 51 1 51 1 IIsh 43 2 最小运行方式 电源为无穷大容量电源系统 它到电缆 M 点处电抗标幺值为 2 67 1 600 1000 S S X B S 44 16 电缆 L km 2 124 0103956 0 5022 3 fLWLXl 45 2 125 1 21 1000 4124 0 22 1 B B lL U S lXX 46 变压器 2 1010 8000 1000 100 8 100 3 NT Bk T S Su X 47 则 k1 点短路时短路回路总阻抗为 2 795 2 125 1 67 1 1 Lsk XXX 48 短路电流次暂态值 kA 2 84 9 795 2 5 27 1 1 k B X I I 49 短路电流冲击值 kA 2 09 2584 9 55 2 2 IKi shsh 50 短路冲击电流有效值 kA 2 86 1484 9 51 1 51 1 IIsh 51 则 k2 点短路时短路回路总阻抗为 2 795 1210125 1 67 1 2 TLsk XXXX 52 短路电流次暂态值 17 kA 2 30 4 795 12 55 2 2 k B X I I 53 短路电流冲击值 kA 2 97 1030 4 55 2 2 IKish sh 54 短路冲击电流有效值 kA 2 49 6 30 4 51 1 51 1 IIsh 55 二 一次电气设备的选择 一 电气设备选择的一般原则 1 电气设备选择的一般原则 1 保证安全可靠运行 并且有预算 2 应按当地环境条件校核 3 应力求技术先进和经济合理 4 与整个工程的建设标准应协调一致 5 同类设备应尽量减少品种 2 电气设备选择的技术条件 选择的电气设备 应能在长期工作条件下和其他故障情况下保持正常运行 1 长期工作条件 1 选用电气设备的额定工作电压 UN 不得低于该回路的最高运行电压 Uw max 即 18 UN Uw max 3 1 2 选用的电气设备额定电流 IN 不得低于所在回路最大的持续工作电流 Iw max 即 IeIw max 3 2 3 常用电气设备的选择及校验项目 表 3 1 高压一次设备的选择校验项目 选择项目校验项目 短路电流 设备名称 额定 电压 kV 额定 电流 A 装置类 型 户 内 户外 准确度 级热稳 定 动稳 定 开断能 力 kA 二 次 容 量 高压断路 器 高压负荷 开关 高压隔离 开关 高压熔断 器 电流互感 器 电压互感 器 母线 电缆 19 二 断路器的选择 1 20kV 侧断路器的选择 变压器计算电流按变压器的额定电流计算 则 A 3 94 230 203 8000 3 N N ca U S I 3 短路电流的冲击值为 kA 3 53 2958 1155 2 55 2 Iish 4 经查找相关厂商产品 在变压器 20kV 侧采用 ZN63 VS1 型中置式高压交流 真空断路器 配套开关柜 选用 KYN28 24 铠装中置式交流金属封闭开关柜 2 10kV 侧断路器的选择 变压器计算电流按变压器的额定电流计算 则 A 3 88 461 103 8000 3 N N ca U S I 5 短路电流的冲击值为 kA 3 33 1144 4 55 2 55 2 Iish 6 经查找相关厂商产品 在变压器 10kV 侧及分段母线上采用 VS1 12 630 25 型真空断路器 配套开关柜 选用 KYN28A 12 金属铠装移开式开关柜 三 10kV 侧母线的选择 根据一般汇流母线按长期允许发热条件选择截面积 要求母线载流量 Ial 不小于通过汇流母线的计算电流 Ica 即 20 Ial Ica 3 7 10kV 侧变压器的计算电流为 A 3 88 461 103 8000 3 N N ca U S I 8 经查阅设备选择附录 选择铜芯矩形母线 表表 3 23 2 母线参数母线参数 铜 A 母线尺 寸 mm mm 25 30 35 40 50 5860809756697 经允许载流量知所选母线符合要求 四 互感器的选择 1 电流互感器选择的原则 选择的电流互感器额定工作电压 UN 应大于或等于该回路的最高运行电压 即 3 9 maxwNUU 式中 UN 电流互感器最高电压 kV Uw max 回路工作电压 即系统标称电压 kV 电流互感器作测量用的准确度级一般为 0 2 或 0 5 级 作保护用的一般选 5P 级或 10P 级 二次额定电流有 5A 和 1A 两种 一般为 5A 则 20kV 侧的计算电流 Ica1 219 94 A 选用 LZZBJ9 24 220B 4 型电流互 感器 电流互感器按三相配置 三只电流互感器组成星形接线 共选用 18 只电 流互感器 20kV 侧进线柜各装 9 只 9 只电流互感器分成 3 组 一组用于测量 一组用作高后备保护 另一组用于差动保护 表表 3 33 3 LZZBJ9 24 220B 4LZZBJ9 24 220B 4 参数参数 21 额定一 次电流 A 额定二次 电流 A 准确级组合额定输出 V A 额定短时 热电流 kA 额定动稳 定电流 kA 30050 2 0 5 10P 20 15 50 252460 10kV 侧的计算电流 Ica1 461 88 A 选用 LZZBJ12 10C 型电流互感器 电 流互感器按三相配置 三只电流互感器组成星形接线 共选用 18 只电流互感器 变压器 10kV 侧进线柜各装 9 只 9 只电流互感器分成 3 组 一组用于测量 一 组用作低后备保护 另一组用于差动保护 表表 3 43 4 LZZBJ12 10CLZZBJ12 10C 参数参数 额定一 次电流 A 额定二次 电流 A 准确级组合额定输出 V A 额定短时 热电流 kA 额定动稳 定电流 kA 500 5 或 1 0 2S 0 2 0 5 10P 15 15 30 40 63130 2 电压互感器选择的原则 电压互感器一次绕组额定电压应满足电网电压要求 二次绕组额定电压一 般为 100V 与二次侧所接的仪表或继电器相适应 2 电压互感器按安装地点 使用条件选择种类和型式 3 供测量仪表和功率方向继电器用的电压互感器 应选 0 2 级或 0 5 级 供一般监视仪表和电压继电器用的电压互感器 应选用 1 3 级 根据以上原则 选择的电压互感器如下表 选用 2 台 JDZX11 20G 型电压互感器 分别安装于 20kV 侧 PT 柜中 表表 3 53 5 20kV20kV 侧电压互感器侧电压互感器 额定二次输出 V A 型号额定电压比 kV 0 2 0 5 16P 极限输 出 V A 额定绝缘 水平 kV 22 JDZX11 20G 20 3 0 1 3 0 1 3 206012 0 10 0 40024 65 12 5 选用 2 台 JDZ10 10BG 型电压互感器 分别安装于 10kV 侧 PT 柜中 表表 3 63 6 10kV10kV 侧电压互感器侧电压互感器 额定二次输出 V A 型号额定电压比 kV 0 2 0 5 16P 极限输 出 V A 额定绝缘 水平 kV JDZ10 10BG 10 3 0 1 3 0 1 3 50905040012 42 75 五 所用变的选择 为满足整流操作电源 强迫油循环变压器 无人值班等的需要 装设所用 变压器 所用电容量的确定 一般考虑所用负荷为变电所总负荷的 0 1 0 5 这里为了最大限度的保证变电所可靠安全运行 按变电所负荷为总负荷的 0 3 计算 选择 SC10 30 10 型配电变压器 表表 3 73 7 所用变参数所用变参数 额定高压 kV 额定低压 kV P0 W Pk 75 Uk I0 100 41706202 44 六 熔断器的选择 这里 选择熔断器保护电压互感器及所用变 按照熔断器的选择原则 进 行如下选择 1 20kV 侧 20kV 侧短路电流为 11 58kA 选择 RN2 20 型熔断器 表表 3 83 8 RN2 20RN2 20 型熔断器参数型熔断器参数 产品型号额定电压 kV 额定电流 A 三相断流容量最大开断电 23 MV A 流 kA 有 效值 RN2 20200 5100030 选用 2 只 RN2 20 型熔断器 两台电压互感器各装设一只 安装于互感器的 一次侧 装于 20kV 侧 PT 柜中 2 10kV 侧 1 10kV 侧短路电流为 4 41kA 则保护所用变 选择 XRNT 12 型熔断器 表表 3 93 9 XRNT 12XRNT 12 型熔断器参数型熔断器参数 产品型号额定电压 kV 额定电流 A 三相断流容量 MV A 最大开断电 流 kA 有 效值 XRNT 12103 1550 选用 2 只 XRNT 12 型熔断器 两台所用变各装设一只 安装于所用变的一 次侧 装于所用变柜中 2 保护电压互感器 选择 XRNP 12 型熔断器 表表 3 103 10 XRNP 12XRNP 12 型熔断器参数型熔断器参数 产品型号额定电压 kV 额定电流 A 三相断流容量 MV A 最大开断电 流 kA 有 效值 XRNP 12100 550 选用 2 只 XRNP 12 型熔断器 两台电压互感器各装设一只 安装于互感器 的一次侧 装于 10kV 侧 PT 柜中 七 出线设备选择 1 电流互感器 1 计算出线电流 24 3 os3cU P I N ca ca 10 由式 3 11 计算得出的各出线电流如下表 3 11 表表 3 113 11 出线计算电流汇总表出线计算电流汇总表 序号负荷名称功率因数 Pca kW Ica A 1 负荷 1 0 91496057 75 2 负荷 2 0 91471543 01 3 负荷 3 0 914120072 19 4 负荷 4 0 914120072 19 5 负荷 5 0 91484050 53 6 负荷 6 0 9142015121 22 7 负荷 7 0 9141162 569 94 8 负荷 8 0 914136081 82 2 选用 LZZBJ12 10B 型电流互感器 表表 3 123 12 出线侧电流互感器选择结果出线侧电流互感器选择结果 额定一次 电流 A 额定二次 电流 A 准确及组 合 额定二次 输出 V A 1 秒热稳定 电流 kA 动稳定电 流 kA 750 2S 10P10 1531 578 8 1000 2S 10P10 1545100 150 5 0 2S 10P10 1545100 选用 4 组额定一次电流为 75A 的 LZZBJ12 10B 型电流互感器 互感器按三 相配置 每组互感器有 6 只 每 3 只接成星形接线 安装于负荷 1 2 5 7 所在出线柜中 选用 3 组额定一次电流为 100A 的 LZZBJ12 10B 型电流互感器 每组互感器有 6 只 每 3 只接成星形接线 安装于负荷 3 4 8 所在的出线 柜中 选用一组额定一次电流为 150A 的 LZZBJ12 10B 型电流互感器 每组互感 器有 6 只 每 3 只接成星形接线 安装于负荷 6 所在的出线柜中 2 断路器 25 由于出线计算电流最大值为 121 22A 故选用 VS1 12 630 25 型断路器 表表 3 133 13 出线侧断路器选择结果出线侧断路器选择结果 额定电压 12kV 额定电流 630A 额定开断电流 25 kA 极限过电流峰值 63 kA 选用 8 台 VS1 12 630 25 型出线断路器 分别安装于 8 个负荷所在出线柜 中 三 二次设备选择及整定 一 继电保护概述 继电保护是指对电力系统一次部分设备进行保护 基本任务是 迅速发现 并快速动作 切除故障 恢复系统的正常运行 本设计中主要是对主变压器 线路等进行保护 以及装设一系列的自动装 置 继电保护的要求 1 选择性 选择性是指保护装置动作时 仅将故障元件从电力系统中切除 使停电范 围缩小 保证系统中的无故障部分能够继续安全运行 2 速动性 速动性是指尽快地切除故障 短路时快速切除故障 缩小故障范围 减小 短路引起的破坏程度 减小对用户的影响 提高电力系统的稳定性 3 灵敏性 灵敏性是指对保护范围内故障或不正常运行状态的反应能力 保护装置的 灵敏性 通常用灵敏系数来衡量 灵敏系数越大 则保护的灵敏度就越高 反 之就越低 26 4 可靠性 继电保护装置应在该动作时可靠地动作 不应发生拒动作现象 本设计中 主要是对变压器 线路等进行保护 不同的保护对象选择不同 的保护 所起到的作用也不尽相同 能够灵活地保护变电所内的电气设备 保 证可靠安全供电 二 变电站综合自动化系统综述 1 系统简介 本设计中为变电站采用的是 HE2000 发电厂及变电站综合自动化系统 HE2000 发电厂及变电站综合自动化系统是在总结以往众多变配电站 发 电厂成功运行经验的基础上 吸取国内外微机保护和综合自动化技术之长 开 发的新一代高性价比的发电厂变电站综合自动化系统 HE2000 适用于 110kV 及其以下电压等级的变配电站 发电厂 用户变等 的新建和改造工程 2 系统主要特点 1 系统组成方案灵活 2 系统响应快速 3 系统通用性强 4 系统抗干扰能力强 3 系统组成 本系统由间隔单元层和变电站层两层组成 间隔单元层由各微机就地装置组成 该装置直接安装在各高压开关柜或中 央控制室集中组屏柜上 微机就地装置具备各种变配电设备 发电设备 用电 设备的保护与监测功能 既可以独立运行 也可以组网成综合自动化系统 变电站层也称为管理层 负责系统的信号处理和后台监控管理 操作 维 护等功能 HE2000 可以实行多种组网形式 典型的结构如图 4 1 所示 27 图图 4 14 1 发电厂变电站综合自动化系统网络结构框图发电厂变电站综合自动化系统网络结构框图 三 主变压器的继电保护 1 变压器常见的故障类型与保护配置 变压器是供配电系统中变电所内的核心设备 变压器工作的可靠性 对保 证系统的安全供电有非常重要的意义 变压器一般应装设下列保护装置 1 纵联差动保护 用来保护变压器内部及引出线套管的故障 容量在 10000kV A 及以上单台运行的变压器和容量在 6300kV A 及以上并列运行的变压 器 都应装设纵联差动保护 2 电流速断保护 容量在 10000kV A 以下单台运行的变压器和容量在 6300kV A 以下并列运行的变压器 一般装设电流速断保护来代替纵联差动保护 对容量在 2000kV A 以上的变压器 当灵敏度不满足要求时 应改为装设纵差保 护 3 过电流保护 用于保护变压器内部和外部的故障 作为纵联差动保护 或电流速断保护的后备保护 延时动作于跳开变压器各侧断路器 在本变电站 选用的是干式变压器 因此采用纵联差动保护作为主保护 保护装置型号为 CSR 03F 采用复压过流保护作为后备保护 保护装置型号为 CSR 03H 28 2 CSR 03F 变压器纵联差动保护装置 1 适用范围 CSR 03F 变压器纵联差动保护装置适用于各种变压器和发电 机变压器组 满足四侧或三侧或两侧差动要求 2 装置特点 采用软件调节交流量精度 测量精确 3 保护功能 差动速断保护 二次谐波制动的比率差动 带 CT 断线闭锁 4 保护原理 差动保护中各侧电流平衡补偿由软件完成 I II III IV 侧电流不平衡系数均以 I 次侧为基准 变压器 发变组各侧 CT 二次电流由于接 线引起的相位差由软件校正 即变压器 发变组各侧 CT 二次回路可接成星形 也可选择常规接线 这样简化了 CT 二次接线 对于外部已经过相位差转换 的接线方式 软件不需要进行相位转换 装置软件设有星三角转换投退控制字 方便用户进行选择 1 纵联差动保护 当任一相差动电流大于差流速断定值时 瞬时动作于出口继电器 不需经 过 CT 断线判别环节 该保护可在变压器内部发生严重故障时快速切除故障变压 器 发变组 2 二次谐波制动的比率差动保护 带 CT 断线闭锁功能 该保护采用分相式 即 A B C 任一相保护动作出口 以下判据均以一相 为例 当公式 4 1 4 2 同时成立时比率差动元件保护动作 4 1 II II KII II II pzdpzdmcd pzdmcd 4 2 cd22cdIKI 图图 4 24 2 比率差动动作特性比率差动动作特性 29 式中 Isd 速断电流定值 Icd 差动电流 Im 差动保护门坎定值 Izd 制动电流 取各侧同相最大电流 Ip 拐点电流定值 K 比率制动特性斜率 K2 二次谐波制动系数 I2cd 差动电流的二次谐波分量 比率差动保护利用三相差动电流中的二次谐波作为励磁涌流的闭锁判据 其动作方程如下 4 3 dxbIK dzI 式中 Idz 为三相差动电流中的二次谐波电流 Id 为对应的三相差动电 流的基波电流 Kxb 为二次谐波制动系数 但如果只有一相有二次谐波 且三 相差动电流均越过定值 则差动保护动作 3 装置保护整定方法 1 装置二次 CT 接线方式 差动回路二次接线既可按常规 Y 转换接线 也可把两侧接成 Y Y 方式 通过程序中的 CT 接线方式来调节相位 消除由于变压器两侧接线不同而 引起的不平衡电流 2 各侧额定电流的计算 变压器高低压侧额定电流计算方法 本装置的定值 各侧的额定电流定值 除外 都取 CT 二次侧实际动作的电流需折算的有效值 差动保护的动作值都以 高压侧电流来整定 其他各侧折算到高压侧 这就需要整定各侧 CT 的二次额定 电流 4 4 lhn jxn n KU KS I 3 式中 Sn 变压器额定功率 Un 变压器各侧额定电压 Kjx CT 接线系数 30 Klh 电流互感器的变比 注意 CT 接线系数以一次侧的接线方式为基准 一次侧为 Y 接线 则接线 系数为 3 接线则为 1 对一次全 Y 接线不需要进行二次接线转换或软件相 位转换 接线系数均为 1 3 已知变压器参数如下 变压器为 SC10 8000 20 型电力变压器 额定容 量为 8000kV A 20kV 10kV Yd11 接线 选用 TA 二次额定电流 In 5A 表表 4 14 1 变压器两侧有关数据变压器两侧有关数据 名称各侧参数 额定电压 kV 2010 变压器的额 定电流 A 94 230 203 8000 3 1 N NT NTY U S I88 461 103 8000 3 2 d N NT NT U S I 电流互感器 接线方式 Y 电流互感器 变比的计算 值 5 400 5 94 230 3 5 3 NTY TAd I K 5 500 5 88 461 5 NTd TAY I K CT 变比805 400 1 TA K1005 500 2 TA K 二次额定电 流 A 0 5 80 94 230 33 1 1 TA NTY K I I62 4 100 88 461 2 2 TA NTd K I I 故选择 20kV 侧为基本侧 装置中二次谐波制动系数推荐为 0 15 比率差动制动斜率推荐为 0 5 以最大负荷侧电流为制动量 比率制动 系数也可按下式整定 K K1 KtxFi U Fph 4 5 式中 K 制动系数 Kl 可靠系数 取 1 3 1 5 31 Ktx TA 同型系数 取 1 0 Fi 电流互感器最大相对误差 取 0 1 U 变压器调压引起的相对误差 可取调压范围的一半 Fph 因电流互感器引起 电流不平衡而产生的相对误差 取 0 05 则比率制动系数 K K1 KtxFi U Fph 1 3 1 0 1 0 05 0 05 0 26 4 6 纵联差动保护取躲过变压器涌流和外部故障时最大不平衡电流中的最大 者为整定值 一般取为 6 8 倍的额定电流 则纵联差动保护的动作电流为 A 4 7 64 138594 23066 1 NTYop II 差动门坎定值 Im 的整定应躲过变压器最大负荷情况下的不平衡电流 一 般按变压器 I 侧二次额定电流 0 3 0 5 倍整定 A 4 8 53 80203 8000 3 hjx hh e e K KU S I 式中 Ie I 侧额定二次电流 Se 变压器容量 Uh I 侧额定电压 Kh I 侧互感器变比 Khjx I 侧互感器接线系数 按上述方式确定其值 差动门槛定值 A 4 9 5 255 05 0 m II 灵敏度校验 20kV 侧三相短路电流在最小运行方式下为 kA 则纵联差动保 84 9 3 max1 k I 护的灵敏度为 4 10 215 6 64 1385 1084 9 2 3 3 1 2 max2k op S I I K 32 满足要求 本设计中 纵联差动保护采用两点差动 20kV 侧的作差动保护的电流互感 器接成 接线 安装在 20kV 侧断路器与变压器高压侧之间 10kV 侧的接成 Y 接线 安装在变压器低压侧与 10kV 侧断路器之间 当变压器内部发生故障时 使得纵联差动保护装置开始动作 差动保护各跳闸出口发出跳闸命令 跳开变 压器两侧的断路器 并且通信接口发出信号 启动音响 在微机保护显示屏幕 及主控台上显示故障类型及保护动作情况 其中差动保护的保护区域在变压器 一 二次侧所装电流互感器之间 用来保护变压器内部以及绝缘套管的相间短 路 也可保护变压器的匝间短路 3 CSR 03H 变压器后备保护测控装置 1 适用范围 CSR 03H 适用于 110kV 及以下电压等级的各类变压器的相 间及接地故障而设计的新一代微机型变压器后备保护测控装置 2 装置特点 采用软件调节交流量精度 测量精确 3 保护功能 三段三时限复合电压闭锁过流保护 4 保护原理 1 I 段复压闭锁过流保护 带方向闭锁 图图 4 34 3 过流保护逻辑图过流保护逻辑图 Uset 低电压定值 U2set 负序电压定值 33 Iset 电流定值 t1 复压过流 I 段时限定值 2 II III 段复压闭锁过流保护 带方向闭锁 该段保护逻辑原理同 I 段复压过流 5 装置保护整定方法 保护装置安装在电源侧 低电压闭锁定值 取 60 70V 负序电压定值 取 6 9V 复压过流定值 kA 4 42 4 8085 0 94 2303 1 nK IK I f eK dzj 11 式中 KK 取 1 1 1 3 Kf 取 0 85 n CT 变比 Ie 变压器额定电流 其中复压过流动作时间取 1S 变压器复压过流保护的灵敏度校验 4 5 153 10 42 4 400 5 1030 4 2 3 3 dzj 2 max1k I I KS 12 满足要求 式中 2 max1k I 为变压器二次侧在最小运行方式下两相短路时一次侧穿越 电流 6 后备保护启动时各断路器动作情况 当线路正常运行时 分段母线断路器断开 34 图图 4 44 4 各点短路情况各点短路情况 1 高后备保护动作情况 1TA 以下范围为高后备保护范围 变压器高压侧 k1 低压侧 k3 点发生短路 或过流时 高后备保护启动 图 4 4 中 1TA 二次电流增大 复压电压闭锁过流 保护启动 使得后备保护装置 CSR 03H 发出跳闸命令 变压器两侧断路器 1QF 断路器 2QF 自动跳闸 并且电力综合自动化系统计算机后台发出告警音响 2 低后备保护动作情况 2TA 以下范围为低后备保护范围 变压器低压侧 k2 点发生短路或过流时 1TA 和 2TA 二次电流增大 复压过流启动 后备保护装置 CSR 03H 发出跳闸信 号 使断路器 2QF 跳闸 若低后备保护动作失灵 高后备保护动作 变压器两 侧断路器 1QF 2QF 自动跳闸 保护配置图中 主变的过流保护动作情况 由 1 电源正常供电 2 电源停 电时 此时 II 母线通过闭合断路器 5QF 由 1 进线供电 当母线短路或过流时 经时限