毕业设计1最终

1、毕 业 论 文 某枢纽变电站继电保护设计学生姓名：学 号：所在系部：专业班级：指导教师：日 期：二一三年六月 A hub substation relay protection designJune 2012 摘 要 随着电力负荷的增长，各地电网出现电网结构薄弱、输送容量不足、运行方式不灵活等问题。因此，在我的毕业设计中，我主要解决上述等问题，以完成对于某枢纽变电站的构架。根据变电站的特点，对系统进行基本的设计，其设计主要包括对于变电站设备进行一次接线处理，并考察出短路点进行短路电流计算，同时选择一次设备对变电站进行构架，最后对于变电站经常出现的问题，实施有效的保护措施。 通过本次设计，学习了

2、设计的基本方法，巩固四年以来学过的知识，培养独立分析问题的能力，而且加深对变电站的全面了解。关键词：一次接线 短路电流 一次设备 变电站 Abstract As the growth of the power load, power grid around the weak power grid structure, transmission capacity is insufficient, operation mode is not flexible, and other issues. Therefore, in my graduation design, I mainly solve

3、the above problems, to finish for a hub substation architecture. According to the characteristics of the transformer substation, the system of basic design, the design mainly includes a connection for the substation equipment processing, and the short circuit point short circuit current calculation,

4、 at the same time, select a device for substation framework, finally for substation often appear problem, implement effective protective measures. Through this design, learning the basic design method, consolidate three years learned knowledge, independent analysis question ability, and to deepen co

5、mprehensive understanding of the substation.Keywords：A connection short-circuit current primary equipment converting station目 录摘要 iAbstract ii1绪论11.1 国内外电力系统的发展11.2 电力系统的最新技术21.2.1灵活交流输电系统21.2.2 分频输电系统32 某枢纽变电站设计及计算42.1工程建设概括42.1.1变电部分52.1.2 线路部分62.2 短路计算62.3 导线及主要设备选型93 某枢纽变电站继电保护设计133.1 过电压保护133.2

6、 系统继电保护133.2.1 主变继电保护整定计算及继电器选择14 计算电流互感器变比153.2.3 确定基本侧动作电流163.2.4 确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流173.2.5 确定非基本侧平衡线圈和工作线圈的匝数18初步确定短路线圈的抽头18保护装置灵敏度校验183.3 安全自动装置193.4 一次设备布置193.5 过负荷保护19结论20参考文献21致谢221 绪论1.1 国内外电力系统的发展1.2 电力系统的最新技术1.2.1 灵活交流输电系统 电力系统中广泛使用的具有机械传动部分的断路器, 例如油断路器、空气断路器等, 不仅动作速度慢, 而且遮断容量也受到限制, 不能满

7、足现代庞大电力系统高度自动控制的要求. 这时可采用一系列电力电子可控设备, 对电网的阻抗参数、电压、相角、功率潮流等实现快速的、灵活的控制。这种新型的输电系统称为灵活交流输电系统( flexible AC transmission system, FACTS) 1, 2。1.2.1.1 灵活交流输电技术的优越性（1） 快速性：快速控制的实现, 有效地改善了被控系统的稳定和动态品质。（2） 灵活性：被控参数既可以断续, 也可以连续调节。由于操作采用的是电子式开关, 导通时压降很小, 关断时漏电流很小, 是十分理想的无触点开关元件, 理论上可以无限次操作而没有磨损.。因而, 可以根据系统控制的需要

8、可靠地调节控制变量, 大大提高了系统控制的灵活性。（3） 可控性. 灵活交流输电技术可以通过在线、实时地对一个或多个交流系统参数( 如阻抗、相角、电压) 的快速、精确控制, 改善和提高电力系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡以及防止事故扩大等多方面的运行性能, 大大增强了系统的可控性, 为提高系统的安全与经济运行水平提供了崭新、强有力的控制手段。1.2.1.2 灵活交流输电技术的发展状况 灵活交流输电技术是电力电子技术在电力系统中应用的重要方面, FACTS装置的应用可实现对交流输电功率潮流的灵活控制, 大幅度提高电力系统的稳定水平. 和其它输电型FACTS控制器相比, 统一潮流控制器在

9、阻尼振荡、提高暂态稳定等方面具有优越的性能, 多研究都已证明了改善电力系统稳定方面的重要作用3。但总体而言, 这方面的工作还处于起步阶段, 许多研究仍集中在利用NETOMAC等仿真系统对统一潮流控制器( UPFC) 、静止无功补偿器( SVC) 做仿真4。对于UPFC控制策略现在也进行了一定的研究 5, 6， 有的提出了FACTS的最优控制策略，有的提出了面向目标的FACTS设备智能预估控制策略 7, 8。1.2.2 分频输电系统1.2.2.1 分频输电系统的构成 分频输电系统构成如图1.1所示，图中，水轮发电机发出分频(如50/3Hz) 电力， 经变压器升压后由输电线路输送至末端，再经倍频变

10、压器将分频电力转变为工频电力向工频电力系统供电。 图1.1 分频输电系统的构成1.2.2.2 分频输电系统的发展状况 分频输电是一种全新的输电方式,还需从理论到实践作更深入、全面的研究和探索. 如系统中由于非线性元件所产生的电压、电流波形严重畸变,需在非线性理论的基础上,同时考虑各次谐波的影响,建立更精确的电力系统数学模型和分析方法,用以研究各种运行状态下的特性。同时还需开发分频输电系统的保护与控制系统; 研制分频输电系统所需的关键电力设备,如倍频变压器、开关设备等, 优化其设计,改善其结构,提高其性能指标,以满足分频输电系统的需要。 某枢纽变电站设计及计算 新建110KV某枢纽变电站，变电站

11、的最终规模为：110kV 出线回数为1回；35kV 出线回数为4回与四个工厂相连；10kV出线回数为2回供两生活区供电。根据变电站的初步构想，设计出变电站的初步布图，如图2.1所示。 图2.1 变电站平面初步布置图（1） 主变容量及参数选择 根据变电站的附和预测数据，本次设计主变最终容量为 2X30MVA。为了更好的适应用户对电能质量的要求，主变压器采用有载调压变压器，三侧抽头电压为 110±3×2.5%或-2 +4×2.5%kV。（2） 电气主接线及出线安排 系统采用单母线分段接线，本期单母线，最终出线1 回，出线方案详见表2.2。表2.2出线方案表拟建110k

12、V变电站系统采用双母线接线；35kV系统采用单母线分段接线，最终出线 4回；10kV出线回数为2回。（3） 无功补偿选择 依据城市电路网规划设计导则中无功补偿配制原则和要求，每台主变安排2X4200kvar的无功补偿容量，安装于变压器低压侧10kV母线上。（4） 消弧线圈选择 10kV每段母线最终配制容量为310kVA的消弧线圈，补偿电流10-50A。 表2.2出线方案表项目名称最终规模110KV出线220kV变110KV 2回35kV出线35kV工厂1变 1回35kV工厂2变 1回35kV工厂3变 1回35kV工厂4变 1回10kV出线10kV生活区1变 1回10kV生活区2变 1回2.1.

13、2 线路部分(1)线路建设规模 本次设计线路部分做了从变电站至工厂到生活区的接线工作，工厂的备用发电站的工作另外单独考虑。(2) 导线选择 本次工程线路导线截面按照选择经济实用的电流密度选择。2.2 短路计算 短路电流根据系统的正序阻抗进行计算,标幺阻抗等效示意图如图2.3所示，图中阻抗均为归算至基准容量为100MVA情况下的标幺值。（1） 基准值的选取及基准电流计算取基准容量=100MVA。系统基准电压为=115kV，则基准电流为 系统基准电压为=36.5kV,则基准电流为 系统基准电压为=10.5kV,则基准电流为 （2） 各元件参数标准值的计算1)220kV变电站110kV母线：短路阻抗

14、标幺值大方式为0.03191；小方式为0.06937，本次计算采用大方式下的阻抗标幺值。2） 根据实际资料可知，110kV架空线路长度为50kM，线路单位阻抗为0.378，其标准值为0.09372。3） 变压器参数。设、分别为变压器110kV、35kV、10kV侧绕组的短路电压百分比，=10.5，=17.5，=6.5。 =（+-）=10.75 =（+-）=-0.25 =（+-）=6.75变压器阻抗标幺值的计算公式为 计算得, 图 2.3 标幺阻抗等效示意图短路电流计算公式为 其中为电源到短路点的标幺阻抗之和。根据图，短路结果见表2.4. 表2.4 110kV变电站短路计算结果表母线名称 大方式

15、 短路电流 短路电容110kV母线5.482kA1096MVA36kV母线5.902kA375MVA10kV母线8.503kA147MVA2.3 导线及主要设备选型（1） 导线选择 不同的类型及不同年的最大负荷利用小时数对应不同的经济电流密度，各种导体经度如表2.5所示。 表2.5 导线经济电流密度（A/mm2）导体材料 最大负荷利用小时数小于3000h3000-5000h大于5000h铝导线1.651.150.90铜导线3.002.251.75导体经济截面的计算公式为= 线路长时间最大工作电流按最大负荷功率来取，那么 线路年最大负荷利用小时数大于 5000小时，导线选取铝材料，则经济电流密度

16、可取 0.9，取那么导线截面积： 其中为经济截面积，S为变压器容量。因此截面选 300mm2 ，即导线型号为 LGJ-300。LGJ-300 的载流量I为700A，则 故导线选择 LGJ-300 能满足实际要求。（2）主变压器选择 主变压器选用低损耗、检修周期较长的三相三绕组自冷式全密封有载调压变压器。变电站最终装设两台容量为 50MVA 三绕组有载调压变压器，本期一台 31.5MVA 变压器。变压器额定电压比为 110kV/38.5kV/10.5kV，容量比为 100/100/100，短路电压百分比，=10.5，=17.5，=6.5。主变110kV侧中性点经隔离开关接地。（3）开关设备选择

17、高压断路器和高压隔离开关是变电站电气部分的重要开关设备。断路器在系统正常运行时，可断开负荷电流或投入负荷，当线路或设备发生故障时，可以通过继电保护信号快速切断回路，隔离故障区域，使无故障区继续正常运行。隔离开关主要是提供一个明显的物理开断点，在线路或设备检修时，保证工作人员的安全，但是其不能断开负荷电流和短路电流，同时也无法投入负荷。 变电站110kV侧最大负荷功率为130MVA，10kV侧最大负荷电流取为变压器额定电流，功率因数以 0.95 计算。那么断路器和隔离开关的选择如下： 110kV 侧断路器、隔离开关： 最大工作电流： 短路电流： 冲击电流最大有效值： 冲击电流最大值：因此，110

18、kV侧断路器选 LW35-126/3150A-31.5kA110k侧隔离开关选择GW4-126D/1250A。(4）10kV 电气设备选用铠装移开式户内交流金属封闭开关柜，柜中断路器选用真空断路器，配置干式电流互感器、交流无间隙金属氧化锌避雷器、干式电压感器、接地刀。（5）无功补偿容量选取 无功补偿的原则：无功补偿装置应根据就地平衡和便于调整电压的原则进行配置，可采用分散和集中补偿相结合的方式。接近用电端的分散补偿装置主要用于提高功率因数，降低线路损耗；集中安装在变电站内的无功补偿装置有利于控制电压水平。 现有无功补偿方式主要有静态补偿方式、动态补偿方式、混合方式等。静态补偿方式投切依靠于传统

19、的接触器的动作，控制方法简单，但是无法实现无差调节，同时要避免接触器过于频繁动作，造成电容器损坏，甚至导致供电系统振荡。动态补偿方式是半导体电力器件与数字技术综合的技术结晶，控制器一般能在半个周波至 1个周波内完成采样、计算，通过脉冲信号使晶闸管导通，投切电容器组大约20-30毫秒内就完成一个全部动作，这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的，可以实现无差调节。混合投切方式是静态与动态补偿的混合，一部分电容器组使用接触器投切，而另一部分电容器组使用电力电子器件控制，这种方式在一定程度上可做到优势互补。 10kV 并联电容器补偿装置采用屋外集合式成套装置，电容器组、放电线圈、氧化物避雷器、隔离

20、开关等设备由厂家成套供货。依据城市电力网规划设计导则，电容器容量应经计算确定，一般取主变压器容量的 10%30%。则 因此本次选择无功容量为2×4200kvar。 本次设计选取的无功装置的补偿方式为静态无功补偿，在变压器低压10kV母线上进行补偿。（6） 各电压等级的导体，在满足动、热稳定、电晕和机械强度等条件下进行选择，母线允许载流量按发热条件考虑。（7） 110kV 母线选用2（NRLH58GJ-400/20）钢芯铝绞线；35kV侧选用TMY-80X10硬导体；10kV侧选用 2（TMY-125X10）硬导体。 某枢纽变电站继电保护设计3.1 过电压保护 根据过电压规程要求经过计

21、算，主变压器 110kV、10kV 侧由110kV、10kV母线避雷器进行保护，在35kV侧出口处装设交流无间隙金属氧化锌避雷器。在 110kV、10kV配电装置每段母线上均设置金属氧化锌避雷器在110kV配电装置构架上设置5支架构避雷针及3支独立避雷针联合构成全站防直击雷保护，避雷针高均为35m。 35kV、10kV各段母线电压互感器的中性点装设消谐器，消除电力系统谐振损坏电压互感器，影响电力系统正常运行。3.2 系统继电保护 本设计继电保护及安全自动装置设计，是在系统一次推荐方案基础上进行的，110kV电气主接线为双母线接线，最终出线1回。继电保护和自动装置按照继电保护及安全自动装置技术规

22、程的规定设计。(1)继电保护配置方案 110kV线路保护 本设计110kV线路保护按全线速动保护配置。110kV出线配置光纤纵差保护作为线路的主保护，阶段式距离保护作为线路的后备保护，保护通道采用光纤通道，纤芯采用专用纤芯。 110kV母线保护 110kV母线配置一套专用母线保护，按110kV主接线最终规模配置。具备母线差动保护、母联充电保护、母联死区保护等功能；CT变比任意设定功能、与上位机通讯功能、运行方式自动识辨功能。 母联保护 110kV母联断路器配置一面母联保护及操作箱柜，母联保护应具备充电保护、过流保护等功能。 故障录波装置 为了正确记录电力系统故障波形和数据，鉴别继电保护、安全自

23、动装置的动作行为，正确分析处理事故，本期设计配置微机型故障录波装置。装置具有78路模拟量、120路开关量。 重合闸方式 本次110kV出线重合闸全部采用检无压和检同期方式，根据运行的不同需要进行选择。 继电保护和故障录波信息管理子站系统 110kV变电站配置一套继电保护及故障录波信息管理系统子站，负责本站继电保护装置、安全自动装置和故障录波装置等信息的采集与处理，主站设在榆林地调，完成对各子站系统的数据采集与处理功能。继电保护和故障录波信息管理子站不单独组屏，由变电站综自系统实现该功能。3.2.1 主变继电保护整定计算及继电器选择 本设计采用纵联差动保护，选取BCH-2型差动继电器。纵联差动保

24、护原理图如下所示 图3.1纵联差动保护原理图 计算电流互感器变比表3-2 变压器纵差动保护用互感器变比选择名 称各侧数据Y（115kV）（35kV）额定电流变压器接线方式YCT接线方式YCT计算变比/5=0.85/5/5=1.5/5实选CT变比nl250/5800/5实际额定电流5.365.15不平衡电流Ibp5.36-5.15=0.21A确定基本侧基本侧非基本侧3.2.3 确定基本侧动作电流（1）躲过外部故障时的最大不平衡电流 利用实用计算式 式中 可靠系数，采用1.3； 非同期分量引起的误差，采用1； 同型系数，CT型号相同且处于同一情况时取0.5，型号不同时取1，本设计取1； 变压器调压

25、时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，本设计取0.05；继电器整定匝书数与计算匝数不等而产生的相对误差，暂无法求出，先采用中间值0.05。电流互感器的最大相对误差，取0.1。代入数据得（2）躲过变压器空载投入或外部故障后电压恢复时的励磁涌流 式中 可靠系数，采用1.3。 变压器额定电流。代入数据得 （3) 躲过电流互感器二次回路短路时的最大负荷电流为综上所述的动作电流，取最大值为计算值，即 3.2.4 确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流 将两侧电流互感器分别结于继电器的两组平衡线圈，再接入差动线圈，使继电器的实用匝数和动作电流更接近于计算值；以二次回路额定电流最大侧作为基本侧，基本

26、侧的继电器动作电流及线圈匝数计算如下：基本侧（35kV）继电器动作值 （5.5）代入数据得 基本侧继电器差动线圈匝数 （5.6）式中 为继电器动作安匝，应采用实际值，本设计中采用额定值，取得60安匝。代入数据得 （匝）选用差动线圈与一组平衡线圈匝数之和较小而相近的数值，作为差动线圈整定匝数。即实际整定匝数5（匝） 继电器的实际动作电流 保护装置的实际动作电流 3.2.5 确定非基本侧平衡线圈和工作线圈的匝数平衡线圈计算匝数 （匝）故，取平衡线圈实际匝数 工作线圈计算匝数（匝）计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差 此值小于原定值0.05，取法合适，不需重新计算。初步确定短路线圈的抽头

27、根据前面对BCH-2差动继电器的分析，考虑到本系统主变压器容量较小，励磁涌流较大，故选用较大匝数的“C-C”抽头，实际应用中，还应考虑继电器所接的电流互感器的型号、性能等，抽头是否合适，应经过变压器空载投入试验最后确定。保护装置灵敏度校验差动保护灵敏度要求值 本系统在最小运行方式下，6.6KV侧出口发生两相短路时，保护装置的灵敏度最低。 本装置灵敏度 满足要求。3.3 安全自动装置 电力系统的安全运行，除与一次系统的网架结构，继电保护的快速、正确动作有关外，还应装设安全自动装置，以防止系统稳定破坏或事故扩大所造成的大面积停电，和长时间中断对重要用户的供电。依据电力系统安全稳定控制技术导则，变电站设独立的低周低压减载装置，在事故情况下，按照负荷的重要程度，分轮次断开次要负荷，保证重要负荷的供电。全站设电压无功综合自动调整装置、消弧线圈自动跟踪补偿装置。35kV、10kV 设集中式小电流接地选线装置。配置 110kV、35kV、10kV 电压并列装置。3.4 一次设备布置 对于发电机、变压器、断路器、隔离开关、自动开关、接触器、刀开