110kV企业变电站短路电流计算及继电保护整定计算

1、目录1 前 言 错 误 ！ 未 定 义 书 签 。2 任务变电站原始资料 错误！未定义书签。2.1 电力系 统与本所的 连接方式 错误！未定义书 签。2.2 主变压 器型号及参 数 错误！未定义书 签。2.3 负荷及 出线情况 错误！未定义书 签。3 短路电流计算 错误！未定义书签。3.1 基本假 定 错误！未定义书 签。3.2 基准值 的选择 错误！未定义书 签。3.3 各元件 参数标幺值 的计算 错误！未定义书 签。3.4 短路电 流的计算 错误！未定义书 签。1.5 短路电 流计算结果 错误！未定义书 签。4 继电保护的配 置 错误！未定义书签。4.1 继电保 护的基本知 识 错误！未定

2、义书 签。4.2 变压器 保护配置及 整定计算 错误！未定义书 签。4.3 10kV 线路保护配置及整定计算 195 结 论 错 误 ！ 未 定 义 书 签 。6 总结 与 体 会 错误 ！ 未定 义书 签 。7 谢 辞 错 误 ！ 未 定 义 书 签 。8 参考 文 献 错误 ！ 未定 义书 签 。因为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。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

3、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组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

4、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。因为编者水平有限 ，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

5、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，系统示意图如图1所示HOkVft 源 来自220kV®§ii电站电容补偿回路22主变压器型号及参数型号：SZ10-25000/110,额定电压：110 士 8X 1.25%/10.5容量比：100/100 短路电压：U%=10.5接线方式：Yn, d112.3负荷及出线情况2.3.1110kV 进线 1回，采用 LGJ-150 架空 导线，Pmax = 16MW,Pm n = 1MW,C0S =0.86丄=11km。2.3.210kV 出线2回，全部为三芯电力电缆出线。2.3.3 原料

6、磨配电站采用4根三芯 YJV-120 电缆，Pmax=9MW,cos =0.8,L=0.2km。2.3.4 窑头配电站采用 4 根三芯 YJV-120 电缆，Pmax=6MW,cos =0.85,L=0.8km。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基本假定系统运行方式为最大运行方式。磁路饱和、磁滞忽略不计。即系统中各组件呈线性，参 数恒定，可以运用叠加原理。在系统中三相除不对称故障处以外，都认为是三相对称 的。忽略对计算结果影响较小的参数，如组件的电阻、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

7、馈等。短路性质为金属性短路，过渡电阻忽略不计。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S = 100MVA基准电压Uj取各级电压的平均电压，即U = Up= 1.05Ue； 基准电流I j二Sj ;<3U jU . U 2基准电抗Xj = Uj =UjV3I jSj常用基准值如表1所示。表1常用基准值表(Sj = 100MVA )基准电压Uj3.156.310.537115230(kV )基准电流(kA )18.339.165.501.560.5020.251基准电抗Xj ( Q)0.09920.3971.1013.71325303.3各组件参数

8、标幺值的计算电路组件的标幺值为有名值与基准值之比，计算公式如下：I J3U jI *I -ISj)X* X = X-SXj U2米用标幺值后，相电压和线电压的标幺值是相同的，单相功率和三相功率的标幺值也是相同的，某些物理量还可以用标幺值相等的另一些物理量来代替，如I * =S* O电抗标幺值和有名值的变换公式如表2所示。表2中各组件的标幺值可由表1中查得。表2各电气组件电抗标幺值计算公式组件名称标幺值备注发电机X''xd% Sjd*100PnJCOS®Xd%为发电机次暂调相机电动机态电抗的百分值变压器XUk%SjXt* K100 SnUk%为变压器短路电压 百分值，S

9、n为最大容量 线圈额定容量电抗器XXk% 迸 Un 迖 Sj100v'3 I NU j2Xk%为电抗器的百分电抗值线路SjXi* =x°i-4u jl线路长度系统阻抗v & &SkdSSkd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，X。为：6220kV架空线取0.4 Q /kM35kV三芯 电缆取0.12 Q /kM610kV三芯电缆取0.08 Q /kM表2中Sn、Sb单位为MVA Un、Ub单位为kV, I n、I b单 位为kA。本110kV企业（水泥厂）变电站各组件参数标幺值计算如 下：主变压器：xt*=U10%S

10、n=1051驚 0.42332原料磨配电站线路:Xi* = Xol Sj2 = 0.08 0.21002U 210.52= 0.014512窑头配电站线路：Sj100X1* =X°I 2 - 0.08 0.82 - 0.05805U 210.523.4短路电流的计算网络变换计算公式串联阻抗合成：XX1 X2Xn并联阻抗合成：X11 1 1，X1 X2Xn当只有两支时X =X1XX1X2短路电流计算公式短路电流周期分量有效值：Id jX*v短路冲击电流峰值：咕-2心人短路全电流最大有效值：Ich = Id1 +2(Kch -1 f 式中Kch为冲击系统，可按表3选用。短路点Kch推荐值

11、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表3不同短路点的冲击系数远离发电厂的地点1.802.55注：表中推荐的数值已考虑了周期分量的衰减343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幺阻抗图见图2系统/ 0. 09678U5kV10. 5kV0. 0145120. 05805d4原料磨配电站窑头配电站di : X” =0.09678Id丄=卫腔=5.187Xp 0.09678ich=2Kchld =2.55 5.187 = 13.227Ich =ld 一 12 Kch -1 2 =5.187 1.51 =7.832d2 : X八二 0.09678 0

12、.42 二 0.51678I j 5.5I d10.6430.51678ich = 2Kchld =2.55 10.643 = 27.14I ch = Id J 2 Kch -1 2 = 10.643 1.51 =16.071d3: X* , =0.09678 0.42 0.014512=0.531292I i5 5ld j10.3520.531292ich 二 2 Kch ld 二 2.55 10.352 = 26.398I c Id ,12 Kch -1 2 = 10.352 1.51 = 15.632d4 : X*=0.09678 0.42 0.05805 二 0.57483, I j

13、5.5 小I d9.568X*0.57483ich =、2Kchld =2.55 9.568 = 24.398Ich =ld+2(Kch -1 i =9.568".51 =14.448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幺阻抗图见图3115kV系统0. 138292d1d2d4原料腺己电站窑头配戟占10. BkVS 0. 014512 ;d3di : X八=0.138292I j _0.502一 0.138292-3.63咕二 2 Kch Id =2.55 3.63 =9.257Ich =ld 2 Kch -1 2 =3.63 1.51 =5.481d2 : X八=0

14、.138292 0.42 = 0.558292I d 559.8510.558292ich 二 2 Kch I d =2.55 9.851 = 25.12Ich =ld <1 +2(Kch 1 了 =9.851 汉1.51 =14.875d3 : X八=0.138292 0.42 0.014512 二 0.572804I5 5Id -j9.6020.572804ich =、2KchId =2.55 9.602 = 24.4852_Ich = Id ,12 Kch -1-9.602 1.51 =14.499d4: X* , =0.138292 0.42 0.05805 = 0.616342

15、I i5 5Id j558.9240.616342ich = 2 Kch I d =2.55 8.924 二 22.7562Ich = Id ；12 Kch -1=8.924 1.51 = 13.47515短路电流计算结果110kV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Ich(kA)最大运行方式下di5.18713.2277.832d210.64327.1416.071d310.35226.39815.632d49.56824.39814.448最小运行方

16、式下di3.639.2575.481d29.85125.1214.875d39.60224.48514.499d48.92422.75613.4754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 组 件 的

17、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。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

18、振荡, 甚至使 电力系统瓦解,造成大面积停电的恶性循环；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组件 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组件发生故障时，能自动，迅速, 有选择地将故障组件从电力系统中切除,避免故障组件继续 遭到破坏,使非故障组件迅速恢复正常运行。(2) 当电力系统中某电气组件出现

19、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 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

20、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组件：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。逻辑组件：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 关命令传给执行组件。执

21、行组件：其作用是根据逻辑组件传送的信号，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 组件切除，而使非故障组件仍能正常运行，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。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

22、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 电组件，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 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

23、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 且因为绝缘材料和变 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常运行方式

24、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，如 图 4 所 示。图4变压器纵差动保护的原理接线因为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

25、侧电流互 感器的变比，使得在正常运行和外部故障时，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Il' _ I''1Mi ni2IIni2niiI 1'=nB I i式中nM 高压侧电流互感器的变比；ni2 低压侧电流互感器的变比；nB 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 nB，这是与前述送电线路的纵差动保护不同的。这个区别是 因为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

26、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,i2 = i2'即：IIIII11=1!>!1=n=nT （变压器变比）ni n211 ni所以这时I

27、r=0，实际上，因为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I r 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11I1/n1 l2/n2ITA2KD图5纵联差动保护原理示意图423瓦斯保护瓦斯保护主要用来保护变压器的内部故障，它因为一方 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

28、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：250300cm-3, 一般整定在250cm3。重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：0.61.5m/s, 般整定在 1m/s。瓦斯保护原理

29、如图6所示。图6瓦斯保护原理示意图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需要进行整定计算，所以仅对 纵联差动保护进行整定如下：(1)避越变压器的励磁涌流：I dz二krel I e = 1.3 165=214 A其中krel为可靠系数，取1.3 ,而31500/3Ue<3 110= 165 A为变压器的额定电流 避越外部短路时的最大不平衡电流:I dz-krel ktxk fzq f j ： L U110dz. max= 1.3 1 1 0.1 0.10.05995 =323.38= 1.3 1 1 0.1 0.1 0.05995 = 323.38其中Ktx为电流互感器同型系数，型号相同时取0.5，型号不 同时取1，这里为避免以后更换设备的方便故取1 ； kfzq为非 周期分量引起的误差，取1;厶fza建议采用中间值0.05 ；