35KV变电站继电保护课程设计

0 1 绪论绪论 1 1 变电站继电保护的发展变电站继电保护的发展 变电站是电力系统的重要组成部分 它直接影响整个电力系统的安 全与经济运行 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 电气主接线是发电厂变电所的主要环节 电气主接线 的拟定直接关系着全厂 所 电气设备的选择 配电装置的布置 继电保护和自动装置的确定 是变电站电气部分投资大小的决定性 因素 继电保护发展现状 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的 要求 电子技术 计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护 技术的发展不断注入新的活力 因此 继电保护技术得天独厚 在 40 余年的时间里完成了发展的 4 个历史阶段 随着电力系统的高速 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 1 2 继电保护装置的基本要求 继电保护及自动装置属于二次部分 它对电力系统的安全稳定运 行起着至关重要的作用 对继电保护装置的基本要求有四点 即选择性 灵敏性 速动性 和可靠性 1 3 继电保护的整定 继电保护整定的基本任务就是要对各种继电保护给出整定值 而 对电力系统中的全部继电保护来说 则需要编出一个整定方案 整 定方案通常可按电力系统的电压等级或者设备来编制 并且还可按 继电保护的功能划分小方案进行 本次课程设计的 35kV 变电站继电保护可分为 相见短路的电压 电流保护 单相接地零序电流保护 短线路纵联差动保护等 整定计算一般包括动作值的整定 灵敏度的校验和动作时限的整 1 定三部分 并且分为 无时限电流速断保护的整定 动作时限的整定 带时限电流速断保护的整定 2 设计概述 设计概述 2 1 设计依据设计依据 1 1 1 继电保护设计任务书 1 1 2 国标 GB50062 92 电力装置的继电保护和自动装置设计规范 1 1 3 电力系统继电保护 山东工业大学 2 2 设计规模 设计规模 本设计为 35KV 降压变电所 主变容量为 6300KVA 电压等级为 35 10KV 2 3 设计原始资料 设计原始资料 2 3 1 35KV 供电系统图 如图 1 所示 2 3 2 系统参数 电源 I 短路容量 SIDmax 200MVA 电源 短路容 量 S Dmax 250MVA 供电线路 L1 L2 15km L3 L4 10km 线路阻 抗 XL 0 4 km 图 1 35KV 系统原理接线图 2 3 3 35KV 变电所主接线图 如图 2 所示 S SI 2 L3 L4 DL1 L1 L2 B1 B 2 DL6 DL7 DL8 织 胶 印 配 炼 备 布 木 染 电 铁 用 厂 厂 厂 所 厂 图 2 35KV 变电所主接线图 2 3 4 10KV 母线负荷情况 见下表 负荷名称 最大负荷 Kw 功率因数回路数供电方式 线路长度 km 织布厂12000 851架空线8 胶木厂11000 851架空线7 印染厂14000 852架空线13 配电所15000 852架空线15 炼铁厂13000 852架空线10 2 3 5 B1 B2主变容量 型号为 6300kVA 之 SF1 6300 35 型双卷变 压器 Y 11 之常规接线方式 具有带负荷调压分接头 可进行有 载调压 其中 Uk 7 5 2 3 6 运行方式 以 SI S 全投入运行 线路 L1 L4全投 DL1合闸 运行为最大运行方式 以 S 停运 线路 L3 L4停运 DL1断开 运行为最小运行方式 2 3 7 已知变电所 10KV 出线保护最长动作时间为 1 5s 3 主接线方案的选择与负荷计算主接线方案的选择与负荷计算 3 3 1 主接线设计要求 电气主接线主要是指在发电厂 变电所 电力系统中 为满足预定 的功率传送和运行等要求而设计的 表明高压电气设备之间互相连 接关系的传送电能的电路 电路中的高压电气设备包括发电机 变 电器 母线 断路器 隔离刀闸 线路等 它们的连接方式对供电 可靠性 运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用 对一个电厂 而言 电气主接线在电厂设计时就根据机组容量 电厂规模及电厂 在电力系统中的地位等 从供电的可靠性 运行的灵活性和方便性 经济性 发展和扩建的可能性等方面 经综合比较后确定 它的接 线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况 电气主接线又称电 气一次接线图 电气主接线应满足一下几点要求 1 运行的可靠性 可靠性是指一个元件 一个系统 在规定的时间内及一定的条 件下完成预定功能的能力 供电可靠性是电力生产和分配的首要要 求 对发电厂 变电所主接线可靠性的要求程度 与其在电力系统 中 的地位作用则是由其容量 电压等级 负荷大小以及类别等因素 决定 具体要求有 断路器检修时 不宜影响对系统的供电 断路器或 母线故障时以及母线或隔离开关检修时 尽量减少停运出线的回路 数和停运时间 并保证对一二类负荷的供电尽量避免发电厂或变电 所全部停运的可能性 对装有大型机组的发电厂或超高压变电所应 满足可靠性的特殊要求 2 运行的灵活性 主接线系统应能灵活地适应各种工作情况 特 别是当一部分设备检修或工作情况发生变化时 能够通过倒换开关 的运行方式 做到调度灵活 不中断向用户的供电 在扩建时应能 很方便的从初期建设到最终接线 3 运行的经济性 主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保 证满足技术条件的要求下 做到经济合理 尽量减少占地面积 节 省投机 尽量做到年运行费小 包括电能损耗 折旧费及大修费 日常小修费等维修费 其中电能损耗主要由变压器引起 因此 要 合理的选择主变压器的形式 容量 台数和避免变压器而增加电能 4 损耗 并在可能的情况下 采取一次设计 分期投资 投产 尽快 发挥经济效益 3 2 变电站主接线的选择原则 1 当满足运行要求时 应尽量少用或不用断路器 以节省投资 2 当变电所有两台变压器同时运行时 二次侧应采用断路器分段的 单母线接线 3 当供电电源只有一回线路 变电所装设单台变压器时 宜采用线 路变压器组接线 4 为了限制配出线短路电流 具有多台主变压器同时运行的变电所 应采用变压器分列运行 5 接在线路上的避雷器 不宜装设隔离开关 但接在母线上的避雷 器 可与电压互感器合用一组隔离开关 6 6 10kV 固定式配电装置的出现侧 在架空线路或有反馈可能的 电缆出现回路中 应装设线路隔离开关 采用 6 10kV 熔断器负荷 开关固定式配电装置时 应在电源测装设隔离开关 7 由地区电网供电的变配电所电源出线处 宜装设计费用的专用电 压 电流互感器 一般都安装计量柜 8 当低压母线为双电源 变压器低压侧开关和母线分段开关采用低 压断路器时 在总开关的出现侧及母线分段开关的两侧 宜装设刀 开关或隔离触头 3 3 接线方案选择 对于嗲元进线电压为 35kV 以上的变电站 通常是经变电站总降 压变电所降为 10kV 的高压配电电压 然后经下一级变电所 降为 一般低压设备所需的电压 总降压变电所主接线图表示变电站接受和分配电能的路径 由各 种电力设备 变压器 避雷器 断路器 互感器 隔离开关等 及 其连接线组成 通常用单线表示 主接线对变电所设备选择和布置 运行的可靠性和经济性 继电 保护和控制方式都有密切关系 是供电设计中的重要环节 3 3 1 一 二次侧均采用单母线分段的总降压变电所电路图 单母分段接线 即用分段断路器或分段隔离开关将母线分成若干 段 这种主接线图兼有内外桥式接线的运行灵活性的优点 但所用 5 高压开关设备较多 可供一 二级负荷 适用与一 二次侧进出线 较多的总降压变电所 分段的单母线与不分段的相比较 提高了接线的可靠性和灵活性 两母线可分裂运行 分段断路器断开 也可并列运行 分段断路器 接通 重要用户可以用双回路接于不同母线段 保证不间断供电 任一母线或母线隔离开关检修 只停运该段 其他段可继续供电 减少了停电范围 适用范围 6 10kV 配电装置 出线回路数为 6 回及以上时 35 63kV 配电装置 出线回路为 4 8 回时 110 220kV 配电装置 出线回路为 3 4 回时 多数情形中 分段数和电源数相同 本次设计的 35kV 变电站出现回路侧为 4 8 回 而且多为一 二 级负荷 是连续运行 负荷变动较小 电源进线较短 主变压器不 需要经常切换 另外再考虑到今后的长远发展 采用一 二次侧单 母线分段的总降压变电所主接线 即全桥式接线 3 3 2 一次侧采用外桥式接线 二次侧采用单母线分段的总降压 变电所主电路图 这种主接线 其一次侧的高压断路器跨接在两路电源进线之间 但处在线路断路器的外侧 靠近电源方向 因此称为外桥式接线 这种主接线的运行灵活性也较好 供电可靠性同样较高 适用于一 二级负荷的工厂 但与内桥式接线适用于电源线路较长因而发生故 障和停电检修的机会较多 并且变电所的变压器不需要经常切换的 总降压变电所 当一次电源电网采用环形接线时 也宜采用这种接 线 使环形电网的穿越功率不通过进线断路器 这对改善线路断路 器的工作及其继电保护的整定都极为有利 3 3 3 一次侧采用内桥式接线 二次侧采用单母线分段的总降压 变电所主电路图 这种主接线 其一次侧的高压断路器跨接在两路电源线之间 犹 如一座桥梁 而处在线路断路器的内侧 靠近变压器 因此称为内 桥式接线 这种接线的运行灵活性较好 供电可靠性也较高 适用 于一 二级负荷工厂 这种内桥式接线多用于电源线路较长因而发 6 生故障和停电检修的机会较多 并且变电所的变压器不需要经常切 换的总降压变电所 3 3 4 一 二次侧均采用双母线的总降压变电所主电路图 采用双母线接线较之采用单母线接线 供电可靠性和运行灵活性 大大提高 但开关设备也大大增加 从而大大增加了初投资 所以 双母线接线电力系统在工厂变电所中很少运用主要用于电力系统的 枢纽变电所 并且对于 35kV 的配电装置 此接线方式的回路数多 在 8 回以上或者连接电源较多 负荷较大时 3 4 35kV 变电所主接线简图 S SI L3 L4 DL1 L1 L2 B1 B 2 DL6 DL7 DL8 织 胶 印 配 炼 备 布 木 染 电 铁 用 厂 厂 厂 所 厂 图 3 35KV 变电所主接线图 3 5 负荷计算 3 5 1 负荷计算的内容和目的 1 计算负荷又称需要负荷或最大负荷 计算负荷是一个假想的 持续性的负荷 其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大 热效应相等 在配电设计中 通常采用 30 分钟的最大平均负荷作为 7 按发热条件选择电器或导体的依据 2 尖峰电流指单台或多台用电设备持续 1 秒左右的最大负荷电 流 一般取启动电流的周期分量作为计算电压损失 电压波动和电 压下降以及选择电器和保护元件等的依据 在校验瞬动元件时 还 应考虑启动电流的非周期分量 3 平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之 比 常选用最大负荷班 即有代表性的一昼夜内电能消耗最多的一 个班 的平均负荷 有时也计算年平均负荷 平均负荷用来计算最 大负荷和电能消耗量 3 5 2 负荷计算的方法 负荷计算的方法有需要系数法 利用系数法及二项式法等几种 需要系数法公式简单 计算方便 适用于各类变 配电所和供配 电干线以及长期运行而且负荷平稳的有用电设备和生产车间 如锅 炉引风机 水源泵站 集中空压站 的负荷计算 但不适合用电设 备台数少 各台间容量悬殊且工作制度不同时的电力负荷计算 二项式法将负荷分为基本部分和附加部分 后者系考虑一定数量 大容量设备的影响 适用于机修类用电设备的计算 其他各类车间 和车间变电所设计亦常采用 二项式法所得计算结果一般偏大 利用系数法以概率论为基础 根据设备利用率并考虑设备台数以 及各台间功率差异的影响确定计算负荷与平均负荷间的偏差量 这 反映在最大系数中大于 1 的部分 从而求得最大负荷 这种计算方 法更具客观性和普遍性 适用于各种类型负荷的计算 所求得的结 果更接近实际 但由于国内对利用系数缺乏切实的工作和数据的积 累 计算方法本身也较上述两种方法复杂 故尚未得到广泛采用 在本次设计中采用需要系数法确定 3 5 3 本次设计的负荷计算 取 K p 0 95 K q 0 97 根据原始数据表可算出 P30i 6500kW 则 Q30i P30i tanacrcos0 85 6500 0 62 4028 3kVar P30 K p p30 0 95 6300 5985kV Q30 K q q3Q 0 97 4028 3 3907 5kVar 8 S30 P3Q2 Q3Q2 7147 6kVA I30 S30 3UN 412 7A Cos P30 S30 0 84 由于规程要求 cos 0 9 而由上面计算可知 cos 0 842满足 要求 4 3 过电流保护 后备保护 过电流保护 后备保护 4 3 1 过电流继电器的整定及继电器选择 1 保护动作电流按躲过变压器额定电流来整定 Idz KkIe1 Kh 式中 Kk 可靠系数 采用 1 2 Kh 返回系数 采用 0 85 代入数据得 Idz 1 2 103 9 0 85 146 7 A 继电器的动作电流 Idzj Idz nl 146 7 40 6 35 A 3 电流继电器的选择 DL 21C 10 电流整定值为 7A 2 灵敏度按保护范围末端短路进行校验 灵敏系数不小于 1 2 26 灵敏系数 织布厂 Klm 0 866KjxId3lmin Idz 0 866 1 0 305 0 1467 1 80 1 2 胶木厂 Klm 0 866KjxId3lmin Idz 0 866 1 0 331 0 1467 1 95 1 2 印染厂 Klm 0 866KjxId3lmin Idz 0 866 1 0 219 0 1467 1 29 1 2 配电所 Klm 0 866KjxId3lmin Idz 0 866 1 0 202 0 1467 1 20 炼铁厂 Klm 0 866KjxId3lmin Idz 0 866 1 0 264 0 1467 1 56 1 2 故灵敏度满足要求 4 4 过负荷保护 后备保护 过负荷保护 后备保护 其动作电流按躲过变压器额定电流来整定 动作带延时作用于 信号 Idz KkIe1 Kf 1 05 103 9 0 85 128 4 A IdzJ Idz nl 128 4 40 5 56 A 3 延时时限取 10s 以躲过电动机的自起动 当过负荷保护起动后 在达到时限后仍未返回 则动作 ZDJH 装 置 4 5 冷却风扇自起动 冷却风扇自起动 27 Idz 0 7Iel 0 7 103 9 72 74 A IdzJ Idz nl 72 74 40 3 15 A 3 即 当继电器电流达到 3 15A 时 冷却风扇自起动 7 线路保护整定计算 7 1 概述 根据 电力装置的继电保护和自动装置设计规范 GB50062 92 可知 3 63kV 中性点非直接接地电力网中线路的保护 7 1 1 对 3 63kV 线路的下列故障或异常运行 应装设相应的保护装置 1 相间短路 2 单相接地 3 过负荷 7 1 2 对 3 10kV 线路装设相间短路保护装置 应符合下列要求 1 由电流继电器构成的保护装置 应接于两相电流互感器上 同一网络的所有线路均应装 在相同的两相上 2 后备保护应采用远后备方式 3 当线路短路使发电厂厂用母线或重要用户母线电压低于额定电压的 60 时 以及线路导 线截面过小 不允许带时限切除短路时 应快速切除故障 4 电流保护的时限不大于 0 5 0 7s 时 且没有第三款所列的情况 或没有配合上的要求 时 可不装设瞬动的电流速断保护 7 1 3 在 3 10kV 线路装设的相间短路保护装置 应符合下列规定 1 对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 为带时限 的过电流保护 可采用定时限或反时限特性的继电器 对单侧电源带电抗器的线路 当其 断路器不能切断电抗器前的短路时 不应装设电流速断保护 此时 应由母线保护或其它 保护切除电抗器前的故障 保护装置仅在线路的电源侧装设 2 对双侧电源线路 可装设带方向或不带方向的电流速断和过电流保护 对 1 2km 双侧 电源的短线路 当采用上述保护不能满足选择性 灵敏性或速动性的要求时 可采用带辅 助导线的纵差保护作为主保护 并装设带方向或不带方向的电流保护作后备保护 对并列 运行的平行线路宜装设横联差动保护作为主保护 并应以接于两回线电流之和的电流保护 作为两回线同时运行的后备保护及一回线断开后的主保护及后备保护 7 1 4 对 35 63kV 线路 可按下列要求装设相间短路保护装置 1 对单侧电源线路可采用一段或两段电流速断或电流闭锁电压速断作主保护 并应以带时 限过电流保护作后备保护 当线路发生短路 使发电厂厂用母线电压或重要用户母线电压 低于额定电压的 60 时 应能快速切除故障 2 对双侧电源线路可装设带方向或不带方向的电流电压保护 当采用电流电压保护不能满 足选择性 灵敏性和速动性要求时 可采用距离保护装置 双侧电源或环形网络中 不超 过 3 4km 的短线路 当采用电流电压保护不能满足要求时 可采用带辅助导线的纵差保护 作主保护 并应以带方向或不带方向的电流电压保护作后备保护 3 并列运行的平行线路 可装设横联差动保护作主保护 并应以接于两回线电流之和阶段 式保护或距离保护作为两回线同时运行的后备保护及一回线断开后的主保护及后备保护 28 7 2 线路保护的原理 1 10kV 线路电流速断保护 是根据短路时通过保护装置的电流来选择动作电流的 以动 作电流的大小来控制保护装置的保护范围 有无时限电流速断和延时电流速断 采用二相 二电流继电器的不完全星形接线方式 本设计选用无时限电流速断保护 2 10kV 线路过电流保护 是利用短路时的电流比正常运行时大的特征来鉴别线路发生了短 路故障 其动作的选择性由过电流保护装置的动作具有适当的延时来保证 有定时限过电 流保护和反时限过电流保护 本设计与电流速断保护装置共用两组电流互感器 采用二相 二继电器的不完全星形接线方式 选用定时限过电流保护 作为电流速断保护的后备保护 来切除电流速断保护范围以外的故障 其保护范围为本线路全部和下段线路的一部分 3 35kV 线路相间短路的电流保护 35kV 线路继电保护的主体 电流保护多采用三段式 即由电流速断保护 限时电流速断保护和过电流保护组成 电流速断保护 也称为 段 动作时间短 速动性好 但其动作电流较大 某些情况下不能保护线路全长 限时电流速 断保护 也称为 段 有较短的动作时限 而且能保护线路全长 却不能作为相邻线路的 后备保护 定时