10kV输电线路继电保护设计

课程设计

10kV输电线路继电保护设计

设计说明

作为常见的小型输电线路终端，10kV变电站担负着输送电力和变压分配的

重要任务，是当今社会中，工农业生产和城乡居民生活供电系统中的枢纽。由于

其属于小型电路终端，设计和建立成本相对较低，并且应用广泛，所以在我国经

济发展中起着重要作用。此次设计主要介绍10kV变电站的电气部分及继电保护

设计。设计的内容包括电气一次部分主接线，设备的选择计算。在设计中，综合

考虑到安全、经济和可靠性，对系统进行了短路计算和设备的选择、校验，除此

之外，还对变电站继电保护系统配置做了简单的闸述。在设计中绘出主线图等相

关图文信息，从而完成了10kV变电站电气一次部分和继电保护的设计。

关键词：电气设备;电流计算;电气主接线;继电保护

目录

1绪论...........................................................................1

1.1电力能源在当今社会的发展和前景..........................................1

1.2课题设计的目的、要求及原则.............................................2

1.2.1设计目的...........................................................2

1.2.2设计要求...........................................................2

1.2.3设计原则...........................................................2

2电气一次部分设计..............................................................3

2.1主蛔器的选择...........................................................3

2.1.1电气一次设备介绍..................................................3

2.1.2主变压器的选定.....................................................3

2.2电气主接线设计............................................................3

2.2.1电气主接线的要求..................................................3

2.2.2电气主接线的形式与比较选择........................................4

2.2.3中性点的接地方式...................................................5

2.3短路电流计算.............................................................5

2.3.1短路电流计算和分析的目的..........................................5

2.3.2有名值的归算.......................................................5

2.3.3标么值的归算.......................................................6

2.3.4短路电流计算.......................................................6

3电气一次设备选择...............................................................9

3.1电气设备和载流导体选择的一般条件.......................................9

3.1.1校验热稳定、动稳定和开断电流......................................9

3.1.2依据机械负荷选择端子..............................................9

3.1.3按电器工作的特殊要求校验..........................................9

3.2设备的选择与校验.........................................................9

3.2.1电气一次设备的选择................................................9

3.2.2断路器的选择.......................................................9

3.2.3隔离开关的选择....................................................10

3.2.4电流互感器的选择..................................................11

3.2.5站用变压器的选择..................................................12

3.2.6避雷器的选择......................................................12

4继电保护......................................................................13

4.1保护装置..........................................................13

4.1.1保护装置的类型和任务.............................................13

4.1.2保护装置的基本要求...............................................13

4.2瓦斯保护................................................................13

4.3变压器的后备过电流保护.................................................14

5结论...........................................................................16

参考文献.........................................................错误!未定义书签。

1.2课题设计的目的、要求及原则

1.2.1设计目的

变电站在电力系统中起着尤为关键的作用，从现有的电网建造中可以看出，

10kV变电站的建造仍然存在资源浪费、环境污染、技术方面欠缺等问题。主要

表现为土地利用率低、电磁干扰和噪音大、电能质量低等，所以在设计建造10kV

变电站时，应综合考虑上述问题，逐一分析并找出解决办法，最终做出全面合理

的设计方案。

1.2.2设计要求

在变电站设计过程中，一定要按照安全可靠、先进合理、运行高效的要求去

分析设计，按照相关规定和标准努力做出最全面、合理的设计方案，保证在变电

站在运行时达到安全、可靠、经济、优质的要求。（可靠：主系统接线方式安全

可靠，模块重新组合设计后的方案仍可以保证系统在运行时能够安全可靠。经济:

综合考虑工程建造初期投资和以后长期运行时的相关费用，追求所用设备在寿命

期最佳运行的经济效益。）

1.2.3设计原则

变电站的设计过程中，必须要遵照国家规定的相关程序和标准，依照国家规

定的节约能源等技术经济政策来做出合理方案。并且要做到安全可靠、先进合理,

能够保障人生和设备的安全，保证可靠供电、电能质量合格的前提。应采用先进

技术来做到使得电能高效低耗的传输配送，也要以近期合理利用为主，考虑到以

后长远发展的问题。根据所设计工程建造的特点、规模和发展方向，正确良好地

处理近期建造和长期发展之间的关系，努力做可持续发展建造的原则。设计应全

面考虑，统筹兼备，按照所需电力负荷的性质、传输电能容量、供电地区工程建

造特点等，做出合理可行的设计方案⑵。

2

2电气一次部分设计

2.1主变压器的选择

2.1.1电气一次设备介绍

电气一次部分即能够直接产生、输送、分配电能的设备（也称作一次原件）。

主要包括以下几类：

（1）变换设备:其主要功能是按照电力系统运行的要求去改变电流、电压、

频率等，如变压器、互感器、电动机、变频机等叫

（2）开关设备：其主要功能是接通和断开电路，包括断路器、负荷开关、

隔离开关、熔断器等；

（3）保护设备：其主要是用来保护过电流和过电压，主要有熔断器、电抗

器、避雷针等；

（4）补偿设备：其主要功能是用来补偿无功功率，提高功率系数，常见的

有电容器。

2.1.2主变压器的选定

（1）在变电站里面，最关键的电气一次部分是变压器，其功能是将电力系

统中的电能电压升高或降低，以便利于电能的合理输送、分配、使用等[4],主

变压器容量一般按变电所建成后5—10年的规划负荷选择，且应长远考虑。其中

有重要负荷的变电站，若是其中一台主变压器停运，剩余变压器容量在过负荷后

允许时间内，要能够保证用户一级和二级负荷使用，对一般性变电所而言，一台

主变压器停运，剩余变压器要保证达到其总负荷的70%—80%。由于乡村变电站,

所建立位置电网中、低压侧形成环路电网，所以变电站将装设两台主变压器。

（2）此次设计根据变电站负荷性质和所在电网结构来选定主变压器容量，

综合上述条件，选用容量为2500kVA的三项变压器。要使得通过主变压器各侧

绕组的功率达到该变压器的15%以上容量，那么主变压器应选用三绕组变压器,

这样它的低压绕组可与高压T连接，用于启动备用变压器或所装设的无功补偿

装置。

（3）由于此次设计的10kV变电站使用对象偏向于乡镇和农村为主的三级

负荷用户，所以选定主要变压器参数为：

型式：三相三绕组自冷式调压变压器。

型号：S11-2500/10

容量：2500kVA

额定电压：10X±1.25%kV/0.4kV

阻抗：6.28%

连接组别：DYN11

2.2电气主接线设计

2.2.1电气主接线的要求

根据电力工业设计经验的积累和发电厂、变电站实际运行的经验，为满足电

3

力系统的需要，对电气主接线提出了以下基本要求：

(1)投资少、运行费用低，有扩建的可能性。

(2)接线应力求简单、清晰、操作简便；

(3)运行灵活、没备投、停方便、检修、隔离、维护方便;

(4)保证对用户供电必要的可靠性；

2.2.2电气主接线的形式与比较选择

电气设备是电气主接线的基本组成部分，主要基本环节为：电源、母线和出

线。而电气主接线所采用的基木接线形式根据是否采用用线来划分，主要分为有

母线接线和无母线接线两类。

此次设计经综合考虑后，选用10kV出线，给期16回，本期8回，下面做

出接线方式的设计，进行比较选择：

10kV侧的接线设计

方案一：单母线分段接线如图2-1所示：

①接线特点：

母线依据所用电源的数目和功率以及电网的接线和运行方式来分段，一般以

2-3段为宜。若母线段数分得越多，则发生故障时停止供电范围越小，但会导

致使用断路器的数量增多，其配电装置和运行也会随之变得宜杂⑸。

②优缺点分析：

单母分段接线的优缺点是：A、母线发生故障时，仅故障母线停止工作，非

故障段仍可继续运行；B、对双回重要用户，将双回线路分别接于不同的段上，

以保证对重要用户的供电；C、若其中一段母线故障检修时，会使此母线段电源

与出线全部停电，导致系统发电量减少，该段单回出线用户停止供电；D、任一

出线的断路器检修时，该回路必须停电。

图2-1单母线分段接线图

③适用范围：

•般来说单母线分段接线应用在电压等级为6—l()kV,出线在6回及以上时,

每段所接容量不宜超过25MW⑹。

方案二：单母线分段带旁路母线如图3.2所示：

①接线特点：

在出线隔离开关外侧，加装一条旁路母线，每一回出线通过一旁路隔离开关

与旁母相连；在每段汇流母线与旁母之间加装一台断路器，组成专设旁路断路器

的接线。

4

②优缺点分析：

单母分段带旁路母线的优点是：简单、清晰、操作方便、易于扩建，可以不

停电检修出线断路器；其缺点是：若汇流母线检修或故隙，则该段母线将全部停

止供电。

图2-2单母线分段带旁路母线接线图

③适用范围：

在10kV电压等级当中，有不允许停止断路器的要求时，可采用分段断路器

兼旁路断路器的旁路与线接线方式。

综合上述，本次设计采用方案一，单母分段芍旁路母线可靠性高，但投资占

地面积大；双母线开关操作频繁、危险性大，且占地面积大、投资大。所以，通

过各个方面的比较，本设计10kV侧选择单母线分段接线。

2.2.3中性点的接地方式

10kV中性点采用不接地方式，不装设消弧线圈。

2.3短路电流计算

2.3.1短路电流计算和分析的目的

因短路故障对电力系统运行的严重危害性，为了保证系统的正常运行，在设

计和运行中应使电力系统能克服短路故障造成的危害。为此，要进行一系列的短

路电流计算，为选择电力系统的接线方式和电气设备选择和整定继电保护装置等

准备，做出必要的数据。

2.3.2有名值的归算

计算各元件有各值电抗时.，必须把不同电压等级各元件的电抗归算到同一电

压等级，然后才能做出整个电力系统的等值电路，其参数归算如下：

（1）选基本级：

（2）确定变比:

基的翻？名厅

精确归算：K=T

竹巧算U供的痛定电后

5

K=”本修复加簟定电压二

近似归算:

2.3.3标么值的归算

方法一：先有名值归算后取标么值。先将网络中各待归算级的各元件参数的

有名值归算到基本级上，然后再除以基本级与之对应的基准值，得到标么值⑺。

方法二：先基准值归算，后取标么值。先将基本级的基准值，归算到各待归

算级，然后再用归算级的参数除以归算准值，得到标么值参数。

2.3.4短路电流计算

解：(I)取基准容量SB=100MVA,基准电压取各级平均额定电压，即

UBi=115kV,UBn=37kV,UBin=10.5kVo

(2)、计算各元件电抗标么值，作出等值电路图：

变电器Tl、T2的电抗为：

11UiNSB

x=-(idtl2%+v/R31%-UK23%}X—

241UU“INUDI

111102100

=-X(105117.5-6.5)X—X—

1U*NSB

x=4*23%-UK31%)X

41005mU^B\\

111102100

=-X(175+65-10.5)X—X——X-=

2'7100501052

则有：”=“1卜2=芳=0：1

0.14

x7=x511X6=—=0.07

等值电路图如图3-3所示:

/DI

6

I----------/-----------------]1OkV

一"/；/-一-----------工---3-5-kV

II'4D京10kV

图2-3等值电路图

(3)当D1点发生三相短路时

xfl=xGl+x2x=0.058+0.0454*0.1

短路基准电流/图=端===慧=0.502M(2.1)

"6x115

因系统为无限大容量电源，故它提供的三相短路电流周期分量不衰减，即

I”=I=5.02kA；故障点远离发电厂,故冲击系数kim=1.80

冲击电流：ich=kim(0，"二16x遮X5.02=12.78(kA))

当D2点发生三相短路时：Xf2=xn+xt=0.1+0.1=0.2

短路基准电流出=留-=誉==156(kA)(2.2)

次暂态电流产=」-•7B=工XL56=7.8(kA)(2.3)

x/20L2V

因系统为无限大容量电源，故它提供的三相短路电流不衰减,

r=78=7.8X4;故障点远离发电厂,冲击系数kim=1.8。

冲击电流ich=kim(V2/ff)=XV2X7S=19<85(kA)

当D?点发生三相短路时：Xf3=Xf2+x8=0.2+0.07=0.27

短路基准电流电流b二言=就^=5.5(匕)(2.4)

次暂态电产=上“8=2*55=20.37(/)(2.5)

a0N7

因系统为无限大容量电源，故它提供的三相短路电流不衰减，

1=78=20.37X4；故障点远离发电厂，冲击系数kim=1.8；

冲击电流ich=kim«(V2/")=X较X2037=5L85(kA)

7

(4)短路电流计算结果表如表2.1所示:

表2・4短路电流计算结果

短路点1〃(kA)/oo(kA)ich(kA)

D15.025.0212.78

D27.87.819.85

D320.3720.3751.85

8

3电气一次设备选择

3.1电气设备和载流导体选择的一般条件

按正常工作条件选择电器

(1)依据额定电流选择：所选电器的额定电流In应不小于所安装回路的最

大工作电流Imax,即In'Imax。

工作回路不同，最大工作电流计算方法也不同，有如下方法：同步发电机、

三相电力变压器最大工作电流应为额定电流值的1.05倍；电动机的最大工作电

流应为其额定电流值。

(2)根据额定电压选择，根据额定电压选择电器时应满足以下条件：

电器的额定电压un不小于电器装设点电网的额定电夺unc,即un^unco

3.1.1校验热稳定、动稳定和开断电流

如果电路中短路电流通过电器，就会引起该电器温度升高，且伴随有巨大的

电动力产生，校验电器和载流导体的热稳定、动稳定和开断能力应依据各种短路

情况所导致的最严重后果考虑。

(1)开断电流校验：其额定断开电流Ikd应大于I",即Ikd》I〃。

(2)热稳定校验：选择电器时应满足电器所允许的热效应凶

7^X4>QK(3.1)

以此保证电器的热稳定。

(3)校验动稳定。为保证电器的最大三相冲击短路电流ich的条件即ipeich；

3.1.2依据机械负荷选择端子

选择电器时，应依据机械负荷，使得电器端子所允许的机械负荷不小于该

电器引线处于正常或短路状态时所承受的最大作用力⑸。

3.1.3按电器工作的特殊要求校验

根据各种电器的工作特点、用途等进行特殊项目的校验。

3.2设备的选择与校验

3.2.1电气一次设备的选择

短路电流时间计算：主变压器进线侧tjs=1.5s

主变出线侧xjs=0.5s

且出线侧10kV变压器容量Snmax=l6000kVA

3.2.2断路器的选择

(1)主变进线侧电压条件UN>UNC=l()kV

电流条件INRmaxT^x1.05=3031A(3.2)

9

初选型号ZN-10/3150-40

断路器参数如表4.1所示:

表4.1断路器参数

动稳定电

额定电压最高工作额定电流额定开断热稳定电

型号流峰值

/kV电压/kV/A电流/kA流/kA

/kA

ZN-10/3150-401()4.531504010040(2s)

校验：

①校睑开断电流Ikd=40>『-20.37,满足条件Ikd'IL

②校验动稳定ip=100>ich=51.85,满足条件ipNich

③校验热稳定QK=I2.t=2Q.372x1.5=622.4(kA2-S)(3.3)

I2xt=402x2=3200(kA2-s)

满路条件I*QQK

综上述，所选断路器型号IN-10/3150-40符合要求。

(2)主变出线侧电压条件UNNUNC=10kV

电流条件2Ima尸尸-923.7A(3.4)

V3X1C

初选型号ZNS-10/1250-25

断路器参数如表4.2所示：

表4.2断路器参数

最高工额定开动稳定

额定电额定电热稳定

型号作电压断电流电流峰

压/kV流/A电流/kA

/kV/kA值/kA

ZN-10/1250-251011.51250256325(2s)

校验：

①校验开断电流Ikd=25>『=20.37,满足条件IkdNl”；

②校验动稳定ip=63>ich=51.85,满足条件ip>ich

③校验热稳定I凶二252x2=1250(KA2・s)

QK=I2)-t=20.372x0.5=207.5(KA2-S)(4.5)

满路条件I2xt>QK

综上述，所选断路器型号IN5-I0/1250-25符合要求。

3.2.3隔离开关的选择

(1)主变出线侧电压条件UN2UNC=101<V

电流条件lN>Imax=3031A

初选型号GN2-10G/3150

隔离开关参数如表4.3所示：

10

表4.3隔离开关参数

型号额定电压/kV额定电流/A动稳定电流/kA热稳定电流/kA

XGN2-3535160031.516(2s)

校验：

①校验动稳定ip=125>ich=51.85,满足条件ipNich

②校验热稳定I；xt=502x2=5000(kA2-s)

QK=I2匚20.372x1.5=622.4(kA2S)(3.6)

满足条件IJxt>QK

综上述，所选隔离开关型号GN2-10G/3150符合要求。

(2)主变出线侧电压条件UN2UNC=10kV

电流条件IN>Imax=923.7A

初选型号GN2-10/1000

隔离开关参数如表4.4所示：

表4.4隔离开关参数

型号额定电压/kV额定电流/A动稳定电流/kA热稳定电流/kA

GN2-10/10001010008040(5s)

校验：

①校验动稳定ip=80>ich=51.85,满足条件论ich

②校验热稳定I2xt=402x5=8000(kA2-s)

QK=I^-t=20.372x0.5=207.5(kA2-S)(3.7)

满足条件I*XGQK

综上述，所选隔离开关型号GN2-10/1000符合要求。

3.2.4电流互感器的选择

主变进线侧电流条件lN>Imax=3031A

电压条件UN>UNc=10kV

所选型号LZZBJ9-12,0.2S/0.5/10P/10P,1000/5A

电流互感器参数如表4.5所示：

表4.5电流互感器参数

型号额定电流/A动稳定电流/kA热稳定电流/Ka

LZZBJ-10100010040(2s)

校验:

①校验动稳定ip=100>ich=51.85,满足条件ip>ich

②校验热稳定I2xt=402x2=3200(kA2-s)

QK=Ii-t=20.372x0.5=207.5(kA2-S)(3.8)

ii

满足条件I#GQK

综上述，变压器出线侧电流互感器型号LZZBJ-10符合要求。

3.2.5站用变压器的选择

本次设计中，站用变压器从站内10kV侧接入，站用变压器负荷按典型

站用变压器负荷考虑，站用变压器容量2xl00kVA,因此选出站用变压器型号

SCL2-100/10o

站用变压器参数如表4.6所示：

表4.6站用变压器参数

容量电压空载损耗负载损耗阻抗电压

型号连接组标号

/kVA/kV/kW/kV/%

SCL2-1OO/1O10010/0,4Y,gno/D,ynll0.531.64

3.2.6避雷器的选择

型式选择：氧化锌避雷器；

额定电压：UN>UNC=10kV

选出型号YH5WS-17/45

避雷针参数如表4.7所示：

表4.7避雷针参数

避雷器额定电压有系统额定电8/2()us雷电冲击波线压峰值

型号

效值/kV压/kV不大于/kV

YH5WS-17/4S171045

12

4继电保护

4.1保护装置

4.1.1保护装置的类型和任务

（1）其保护装置由：熔断器保护、低压断路器保护、继电保护。

（2）熔断器保护：用作高低压供电系统；低压断路器保护：用于低压供配

电系统。它们都可以在短路和过负荷时断开电路，切除故障电路，

（3）继电保护：过负荷时动作，只发出信号；危害人身或设备安全时动作

跳闸；发生短路故障时有选择性的跳闸，切出故障。

4.1.2保护装置的基本要求

（1）选择性：系统发生故障时，有选择性的切除故障部分；

（2）速动性：快速切除线路中的故障部分；

（3）可靠性：不会出现误动或不动作；

（4）灵敏性：灵敏性是保护装置对故障和不正常工作状态反应能力，主要

取决于灵敏系数，即：Sp=Ik.min/Iop.l（4.1）

4.2瓦斯保护

瓦斯保护也可称作气体保护，在多种保护装置里面，瓦斯保护是灵敏度较高

的一种，其常用来保护油浸式变压器内部故障。瓦斯继电器作为瓦斯保护的重要

装置，通常在油浸式变压器油枕和油箱之间联通管中部装设“支

瓦斯保护装置及整定：瓦斯继电器又称气体线电器，瓦斯继电器安装在变压

器油箱与油枕之间的连接管道中，油箱内的气体通过瓦斯继电器流向油枕。我国

目前所采用的瓦斯继电器主要有开口杯式与浮筒揩板式两种。在木设计中采用开

口杯式。

瓦斯保护的整定：通常以250-300m作为瓦斯继电器气体容积整定范围，

若变压器容量在lOOOOkVA以上，则取250cm2为其整定值，然后采用调节重锤

位置的方式来改变其气体容积值。

重瓦斯保护装置中油流速度的整定：

重瓦斯保护装置动作时一般以0.~1.5m/s油流速度为其整定范围，并且以导油

管中的流速为标准来为其其整定流速的，而并非以继电器处的流速为依据。

当装置管中整定油流速度为0.6—1.5m/s时，其能够相当灵敏地处理变压器

内部故障。但如果变压器出现外部故障，穿越性故障电流影响将会影响装置,

此时导油管中油流速度约为0.4—0.5m/so经综合考虑，此次设计中，将油

流速度整