kV企业变电站短路电流计算及继电保护整定计算(整理)

1、目录1 前 言 12 任务变电站原 始资料 32. 1 电力系统与 本所的连接 方式 32. 2 主变压器型 号及参数 32. 3 负荷及出线 情况 33 短 路 电流 计算 43. 1 基 本 假 定 43. 2 基准值的选 择 43. 3 各元件参数 标么值的计 算 53. 4 短路电流的 计算 71. 5 短路电流计 算结果 94 继电保护的配 置 104. 1 继电保护的 基本知识 104. 2 变压器保护 配置及整定 计算 134. 3 10kV 线路 保护配 置及整定计算 155 结 论 206 总 结 与体 会 207 谢 辞 218 参 考 文献 21- 、八1 前言由于电力系

2、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。未来继电保护的发 展趋势是向计算化，网络化及保护，控制，测量，数据通 信一体化智能化发展。电能是 一种 特殊的 商 品, 为了远 距离 传 送, 需要 提高 电 压 , 实施 高压 输电 , 为了分配 和使 用, 需 要降 低电 压, 实 施低 压 配电 , 供电 和用 电。发电 - - - - 输电 - - - - 配电 - - - - 用电 构 成了一个有机系统。通常把由各种类型的发电厂,输电设施 以及用电设备组成的电能生产与消费系统称为电力系统。 电力 系统在运行

3、中, 各种电气设备可能出 现故障和不 正常运 行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常 工 作遭 到破坏, 但 是没有发 生故障的 运行状态 , 如: 过 负荷, 过 电 压, 频率 降低 , 系统 振荡 等。 故障主 要包 括各种 类型 的 短 路 和 断 线, 如 : 三相 短 路,两相 短 路 , 两相接 地 短 路 , 单 相 接地 短路, 单相断线和两相断线 等。本次毕 业设 计的主 要 内容 是对 110kV 企 业 （ 水泥厂 ） 变电站进行短路电流的计算、保护的配置及整定值的计 算。参照电力系统继电保护配置及整定计算，并依据 继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和

4、灵敏性校 验从而来确定方案中的保护是否适用来编写的。设计分五大章节，其中第三章是计算系统的短路电 流，确定各点短路电流值；第四章是对各种设备保护的配 置 ， 首 先 是对 保 护 的 原理进 行 分 析 , 保护 的整 定 计算 及 灵 敏性校验，其后是对变压器保护配置及整定计算以及 10kV 线路保护 配置 及整定计算。由于编者水平有限，设计之中难免有些缺陷或错误， 望批评指正。2 任务变电站原始资料2. 1 电力 系统与本 所的连接方 式本 110kV 企业 （ 水泥厂）变电站， 采用 110kV 电压等 级供 电， 其 110kV电源来自 220kV 枢纽变电站，采用架 空导线，系统示意

5、图如图 1 所示。图 1 ：2. 2 主 变压器型号 及参数型 号 ： SZ1 0 - 2 5 00 0 / 1 1 0，额定电压：1 10 士 8X1. 25%/ 10. 5容量比： 1 00/ 100短路电压： Uk%=10. 5接 线 方 式 ： YN， d 1 12. 3 负荷 及出线情 况2. 3. 1 1 1 0kV 进 线 1 回 ， 采 用 LGJ- 1 50 架空 导 线 ， Pmax=16MW,Pmin=1MW, =0. 86, L=1 1km。2. 3. 2 10kV 出线 2 回，全部 为三芯电力电缆出 线。2. 3. 3 原 料 磨 配 电 站 采 用 4 根 三 芯

6、 YJV- 120 电 缆 ， Pma x= 9 MW,=0. 8, L=0. 2k m。2. 3. 4 窑 头 配 电 站 采 用 4 根 三 芯 YJV- 120 电 缆 ， Pma x=6MW, =0.85 , L =0. 8 k m。2.3.5 电容补偿回路采用 YJV-70 电缆，Q=8400kvar , L=0. 02km。3 短路电流计算3. 1 基 本 假定3. 1. 1 系统运行方 式为最大运行方 式。3. 1. 2 磁 路 饱 和 、 磁 滞 忽 略 不 计 。 即 系 统 中 各 元 件 呈 线性， 参数恒定， 可以运用 叠加原理。3. 1. 3 在系 统 中三 相 除不

7、 对 称故障 处 以 外， 都 认 为 是三相 对称的。3. 1. 4 忽略对计算结果影响较小的参数， 如元件的电阻、 线路 的电 容 以及 网内的电 容 器、感性调 和及高压电 机向 主 电 网 的 电 能 反馈 等 。3. 1. 5 短路性质为金属性短路， 过渡电阻忽略不计。3. 1. 6 系统中的同步和异步电机均为理想电机。3. 2 基准 值的选择为了计算方便，通常取基准容量Sj=100MVA;基准电压Uj取各级电压的平均电压，即Uj=Up=1. 05Ue；基准电流；基准电抗常用基准值如表 1 所示表 1常用基准值表(Sj=100MVA )基准电压 Uj(kV)3. 156. 310.5

8、3711 5230基准电流 Ij(kA)18.339. 165. 501. 560. 5020. 251基准电抗 Xj(Q)0. 09920. 3971. 1 013. 71325303. 3 各元件参数标么值的计算电路元件的标么值为有名值与基准值之比，计算公式如下：采用标么值后，相电压和线电压的标么值是相同的， 单相功率和三相功率的标么值也是相同的，某些物理量还 可以用标么值相等的另一些物理量来代替，如 I*二二 S*。电抗标么值和有名值的变换公式如表 2 所示。表 2 中各元件的标么值可由表 1 中查得。表 2各电气元件电抗标么值计算公式元件名称标 么 值备注发电机 调相机 电动机为发电机

9、次暂态 电抗的百分值变压器为变压器短路电压百 分值，为最大容量线 圈额定容量电抗器为电抗器的百分电抗值线路线路长度系统阻抗Skd为与系统连接的断 路器的开断容量；S 为 已知系统短路容量其中线路电抗值的计算中，为：6220kV 架空线取 0.4Q/ kM35kV 三芯电缆取 0. 12Q/kM610kV 三芯电缆取 0. 08Q/ kM表 2 中 SN、Sb单位为 MVA, UN、Ub单位为 kV, IN、Ib单位为 kA。本 1 1 0k V 企业（水泥厂）变电站各元件参数标么值计算如下：3. 3. 1 主变压器:3. 3.2 原料磨配电站线路:3. 3. 3 窑头配电站线路:3.4 短路电

10、流的计算3.4. 1 网络变换计算公式串联阻抗合成：并联阻抗合成：，当只有两支时3. 4. 2 短路电流计算公式短路电流周期分量有效值：短路冲击电流峰值：短路全电流最大有效值： 式中为冲击系统，可按表 3 选用表 3不同短路点的冲击系数短路点推荐值发电机端1. 902. 69发电厂高压侧母线及发电机电抗器 后1. 852. 62远离发电厂的地点1. 802. 55注：表中推荐的数值已考虑了周期分量的衰减3. 4.3 最大运行方式下短路电流的计算最大运行方式下等值电路标么阻抗图见图 2d1： d2： d3： d4：3.4.4 最小运行方式下短路电流的计算最小运行 方式下等值电路标么阻抗图见图 3

11、图 3d1：d2 :d3 :d4 :1. 5 短路电流计算结果1 10kV 企业(水泥厂)变电站相关短路电流计算结果见 下表 4。表 4短路电流计算结果表短路点短路电流周期分 量(有效值)Id(kA)短路冲击电流 (峰值)ich(kA)短路全电流最大 有效值I ch(kA)最大运行方式下di5. 1 8713. 2277. 832d210. 64327. 1416. 071d310. 35226. 39815. 632d49.56824. 39814. 448最小运行方式下di3. 639. 2575.481d29.85125. 1214. 875d39.60224. 48514. 499d4

12、8.92422. 7561 3. 4754 继电保护的配置4. 1 继电保护的基本知识电能是一种特殊的商品，为了远距离传送，需要提高电 压，实施高压输电，为了分配和使用，需要降低电压，实施低 压配电，供电和用电。发电-输电- 配电- 用电构成了一个有机系统。通常把由各种类型的发电厂，输电设 施以及用电设备组成的电能生产与消费系统称为电力系 统。电力系统在运行中，各种电气设备可能出现故障和不 正常运行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件 的正常工作遭到破坏，但是没有发生故障的运行状态，如：过负荷，过电压，频率降低，系统振荡等。故障主要包括各 种类型的短路和断线，如：三相短路，两相短路，两相

13、接地短 路，单相接地短路，单相断线和两相断线等。其中最常见且 最危险的是各种类型的短路，电力系统的短路故障会产生 如下后果：(1)故障点的电弧使故障设备损坏；(2)比正常工作电流大许多的短路电流产生热效应和 电 动 力 效应 , 使 故障回 路 中 的设 备 遭 到破 坏 ；( 3) 部 分电 力 系 统的 电 压 大幅 度 下 降 , 使用 户 的 正常 工 作遭 到 破坏 , 影 响 企业 的 经 济效 益 和 人们 的 正 常生 活 ；( 4) 破 坏 电 力 系 统 运行 的 稳 定 性 , 引起 系 统 振荡 , 甚 至 使电 力 系统 瓦 解 , 造成 大 面 积 停 电 的 恶性

14、 循 环 ；故 障 或 不 正 常 运 行 状 态 若 不 及 时 正 确 处 理 , 都 可 能引 发事故。为了及时正确处理故障和不正常运行状态,避免 事 故 发 生 , 就 产生 了 继 电 保 护 , 它 是 一 种 重 要 的 反 事 故 措 施。继电保护包括继电保护技术和继电保护装置,且继电 保 护 装 置 是 完 成 继 电 保 护 功能 的 核 心 , 它 是 能 反 应 电 力 系 统中电气元件发生故障和不正常运行状态,并动作于断路 器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护的任务是:( 1) 当 电 力 系 统 中 某电 气 元 件 发 生 故 障 时 , 能自 动 , 迅 速

15、 ,有 选 择 地 将 故 障元 件 从 电 力系 统 中 切 除 , 避 免 故 障元 件 继续 遭 到破 坏 , 使 非故 障 元 件 迅 速 恢 复正 常 运 行。(2)当电力系统中某电气元件出现不正常运行状态时, 能及时反应并根据运行维护的条件发出信号或跳闸。继电保护装置的基本原理:我 们 知 道 在 电 力 系 统 发 生 短 路 故 障 时 , 许 多 参 量 比正 常时候都了变化，当然有的变化可能明显，有的不够明 显，而变化明显的参量就适合用来作为保护的判据，构成 保护。比如：根据短路电流较正常电流升高的特点，可构 成过电流保护；利用短路时母线电压降低的特点可构成低 电压保护；利

16、用短路时线路始端测量阻抗降低可构成距离 保护；利用电压与电流之间相位差的改变可构成方向保 护。除此之外，根据线路内部短路时，两侧电流相位差变 化可以构成差动原理的保护。当然还可以根据非电气量的 变化来构成某些保护，如反应变压器油在故障时分解产生 的气体而构成的气体保护。原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量 或非电气量的变化特征（差别），即可形成某种判据，从 而构成某种原理的保护，且差别越明显，保护性能越好。继电保护装置的组成：被测物理量一7测量一7逻辑一7执行一7跳闸或信号整定值测量元件：其作用是测量从被保护对象输入的有关物 理量（如电流，电压，阻抗，功率方向等），并与已给定 的整定

17、值进行比较，根据比较结果给出逻辑信号，从而判 断保护是否该起动。逻辑元件：其作用是根据测量部分输出量的大小，性 质，输出的逻辑状态，出现的顺序或它们的组合，使保护 装置按一定逻辑关系工作，最后确定是否应跳闸或发信 号，并将有关命令传给执行元件。执行元件：其作用是根据逻辑元件传送的信号，最后 完成保护装置所担负的任务。如：故障时跳闸，不正常运 行时发信号，正常运行时不动作等。对继电保护的基本要求： 选择性：是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故 障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量减小 停电范围。速动性：是指保护快速切除故障的性能，故障切除的 时间包括继电保护动作时间和断路器的跳闸时间

18、。灵敏性：是指在规定的保护范围内，保护对故障情况 的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障 时，不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正 确地反应出来。可靠性：是指发生了属于它该动作的故障，它能可靠 动作，而在不该动作时，它能可靠不动。即不发生拒绝动 作也不发生错误动作。4.2 变压器保护配置及整定计算4.2.1 变压器保护配置电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的 故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。 因此，我们必须研究变压器有哪些故障和不正常运行状 态，以便采取相应的保护措施。变压器的故障可以分为油箱外和油箱内两种故障。油 箱外的故障，主要是套管和引出线

19、上发生相间短路以及中 性点直接接地侧的接地短路。这些故障的发生会危害电力 系统的安全连续供电。油箱内的故障包括绕组的相间短 路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等。油箱内故障 时产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧毁铁芯，而且 由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体， 有可能引起变压器油箱的爆炸。变压器外部短路引起的过电流、 负荷长时间超过额定 容量引起的过负荷、风扇故障或漏油等原因引起冷却能力 的下降等，这些运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对 于中性点不接地运行的星形接线方式变压器，外部接地短 路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝 缘；大容量变压器在过电压或低频率等异

20、常运行方式下会 发生变压器的过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。主保护：电流差动保护、瓦斯保护后备保护：过电流保护/ 低压闭锁过电流保护/复合电 压 闭 锁 过 流保护 / 阻 抗 保护 / 零 序 过电流 保 护 / 零 序 过电 压 保护/过负荷保护/ 过激磁保护。两种配置模式：(1)主保护、后备保护分开设置(2)成套保护装置，重要变压器双重化配置4. 2.2 纵联差动保护以双绕组变压器为例来说明实现纵差动保护的原理，图 4 变压器纵差动保护的原理接线由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此， 为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电 流互感器的变比，使得在正常运行和外部故

21、障时，两个二 次电流相等，亦即在正常运行和外部故障时，差动回路的 电流等于零。例如在图 4 中，应使式中高压侧电流互感器的变比；低压侧电流互感器的变比；变压器的变比（即高、低压侧额定电 压之比）。由此可知，要实现变压器的纵差动保护， 就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于 变压器的变比，这是与前述送电线路的纵差动保护不同 的。这个区别是由于线路的纵差动保护可以直接比较两侧 电流的幅值和相位，而变压器的纵差动保护则必须考虑变 压器变比的影响。本次设计所采用的变压器型号为： SZ- 25000/ 110。 对于这种大型变压器而言，它都必需装设单独的变压器差 动保护，这是因为变压器差动保

22、护通常采用两侧电流差 动，其中高电压侧电流引自高压侧电流互感器，低压侧电 流引自变压器低压侧电流互感器，这样使差动保护的保护 范围为二组电流互感器所限定的区域，从而可以更好地反 映这些区域内相间短路，高压侧接地短路以及主变压器绕 组匝间短路故障。所以我们用纵联差动保护作为变压器的 主保护，其接线原理图如图 5 所示。正常情况下, =即： （变压器变比）所以这时 lr=O,实际上，由于电流继电器接线方式，变压 器励磁电流，变比误差等影响导致不平衡电流的产生，故 Ir不等 于 0 ， 针对 不 平衡 电流 产生的 原因 不 同 可以 采 取 相应的措施来减小。尽管纵联差动保护有很多其它保护不具备的

23、优点，但 当大型变压器内部产生严重漏油或匝数很少的匝间短路故 障以及绕组断线故障时，纵联差动保护不能动作，这时我 们还需对变压器装设另外一个主保护瓦斯保护。图 5 纵联差动 保护原理示意图4. 2.3 瓦斯保护瓦斯保护主要用来保护变压器的内部故障，它由于一 方面简单，灵敏，经济；另一方面动作速度慢，且仅能反 映变压器油箱内部故障，就注定了它只有与差动保护配合 使用才能做到优势互补，效果更佳。瓦斯保护的工作原理：当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生，瓦斯 继 电器 KG 的 上触 点闭 合，作 用于预 告信 号； 当发生严重 故障时，重瓦斯冲出，瓦斯继电器的下触点闭合，经中间 继电器 KC 作用于信号继电器 KS,发出警报信号，同时断 路器 跳闸。瓦斯继电器的下触点闭合， 也可利用 切换片 XB 切换位置， 只给出 报警 信号。瓦斯保护的整定：瓦斯保护有重瓦斯和轻瓦斯之分，它们装设于油箱与 油枕之间的连接导管上。其中轻瓦斯按气体容积进行整 定，整定范围为：250300cmF, 般整定在 250cm3。 重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：0. 61. 5m/ s, 一般整定在 1mYs。瓦斯保护原理如图 6 所示。图 6 瓦斯保护原理示意图4.2.4 保护配置的整定对于本次设计来说，变压器的主保护有纵联差动保护 和瓦斯保护，其中瓦斯保护一般不