某110KV变电站毕业设计.docx
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某110KV变电站毕业设计
毕业设计
题目某110/10KV变电站
继电保护设计
专业电气工程与自动化
班级
学生
指导教师
前言
随着经济的发展,电能已经成为各方面建设及人们生活中不可缺少的能源,电能的使用已遍及各行各业,电力系统电能质量逐渐成为人们关注的焦点,如何保证电力系统安全稳定运行成为重要研究对象,变电站作为电力系统中不可缺少的重要环节,对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用,是电能传输与控制的枢纽,其安全、稳定运行尤为重要。
继电保护装置作为变电站重要二次设备,对一次系统的运行状况进行监视,迅速反应异常和事故,然后作用于断路器,进行保护控制。
继电保护装置是一种有继电器和其他辅助元件构成的安全装置,它能够反映电气元件的故障和不正常运行状态,并动作于断路器跳闸或发信号,是电力系统安全、稳定运行的可靠保证。
当电力系统出现故障时发出跳闸信号将故障设备切除,保证无故障部分继续运行;当电力系统出现不正常运行状态时继电保护发出信号以便运行人员及时对不正常工作状态进行处理,防止不正常运行工作状态发展成为故障而造成事故。
该设计研究的对象主要是针对110kV变电站继电保护装置,其中包括主变压器的保护以及母线保护、110KV线路保护、10KV线路保护。
本设计共分为八章,第一章是设计说明书,主要是对该设计要求,条件以及设计的相关理念进行阐述说明;第二章是电气主接线及短路计算,绘出了电力系统的电气主接线,并对其进行了短路计算;第三章是继电保护的基本知识;第四章则是变压器保护;第五章是母线保护;第六章是线路保护。
该设计基本上能满足110kV变电站继电保护设计的要求,以及能保证电力系统安全稳定运行的基本要求。
摘要
本次毕业设计的主要内容是110kV电力系统继电保护的配置,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,确定保护方案。
首先是计算系统的短路电流,确定运行方式;接着我继电保护的基本知识做了一个大致的介绍。
然后主要讲的是对电力变压器的保护,分为气体瓦斯保护,差动保护,电流速断保护和变压器相间短路的后背保护及过负荷保护。
并对母线进行了保护设计,分别介绍了保护设计的原则和母线各种保护的原理,紧接着根据实际情况,对110kv母线和10kv母线做了保护的整定计算。
最后主要设计了110kv和10kv出线的线路保护,采用了三段式对110kv进线和10kv出线分别做了线路保护。
除此之外,还分别绘制了电气主接线图和二次回路图。
关键词:
母线保护,线路保护,主变压器保护;
ABSTRACT
Thisgraduationdesignisfor110kVelectricpowersystem,themaincontentsistherelayprotection,andaccordingtorelayprotectionschemeprinciple,choicetheproperprotectionandcalculatewiththedelicateextentcheckout,toassuranceprojectinprotection.
First,Icalculatedtheshort-circuitcurrent.ThenImadeageneralintroductionofrelayprotectionofbasicknowledge.Thefollowingbasicallyisdesignedforthepowertransformerwhichdividedintogasgasprotection,differentialprotection,theprotectionandtransformerandvelocityofshort-circuitprotectionandoverloadprotection.Then,busprotectiondesignareintroduced,whichincludingthedesignprincipleandthebusprotectionprinciplesofvariousprotection,thenaccordingtotheactualsituation,I’vedesignedthe110kvbusand10kvbusprotectionanditssettingcalculation.Chapter6majordesignforthe110kvlineand10kvlineprotection.Besides,Ialsohavedrawnthemainelectricalwiringdiagramandthesecondarycircuitdiagram.
KEYWORDS:
Busprotection,Lineprotection,Transformerprotection;
第一章设计说明
为确保110kV变电站安全稳定的运行,即便是遇到事故故障也能迅速准确的切断事故故障,使其不扰乱电力系统的供电的正常秩序,我对该变电站设计了一系列的继电保护装置。
本设计共分为七大章,第一章为设计说明书,这是对该设计的一种阐述说明;第二章主要讲的是电气主接线及短路计算,第三章对继电保护的基本知识做了一个大致的介绍,第四章是电力变压器的保护,其中包括主变压器保护设计分析、变压器的主保护和后备保护以及其他保护等;第五章则分为110kV母线保护、10kV母线保护等节叙述的,主要是对母线保护的配置与计算;第六章则是线路部分,内容同样包括了110kV进线线路保护、10kV出线线路保护等节;第七章则是我对本次设计的总结与体会。
该毕业设计是考验我们电气工程及自动化毕业生综合运用基础知识、专业知识和实践运行经验,将调查研究、设计、计算等资料进行分析整理、归纳总结后形成的说明性文件。
它是毕业设计的文字表达形式,也是毕业生必须要完成的基本训练的最后一个教学环节。
它通常由毕业生在教师的指导下进行,是考核学生运用科学的思维和方法进行工程设计能力的基本依据。
该设计包括以下任务:
1.根据一次部分电气主接线设计和负荷情况,进行短路电流计算;
2.进行110/10kV主变压器保护的配置与整定计算;
3.进行110kV电源进线,110kV母线分段断路器保护的配置与整定计算;
4.进行10kV馈出线,10kV母线分段断路器保护的配置与整定计算;
5.绘制电气主接线图,绘制110kV线路控制回路图,绘制主变高、低压侧操作及控制信号回路图;绘制10kV线路二次回路接线图。
6.编写设计说明书,编写计算书。
2.1电气主接线及二次接线如图
见附录。
2.2短路计算的目的和简化假设
在电力系统中短路故障对电力系统可能造成极为严重的后果,所以一方面应采取措施以限制短路电流,另一方面要正确选择电气设备、载流导体和继电保护装置。
这一切都离不开短路电流计算。
概括起来,计算短路电流的主要目的在于:
(1)、为选择和校验各种电气设备的机械稳定性和热稳定性提供依据,为此,计算短路冲击电流以校验设备的机械稳定性,计算短路电流的周期分量以校验设备的热稳定性;
(2)、为设计和选择发电厂和变电站的电气主接线提供必要的依据;
(3)、为合理配置电力系统中各种继电保护和自动装置并正确整定其参数提供可靠的依据。
在实际短路计算中,为了简化计算工作,通常采用一些简化假设,其中包括:
(1)、负荷用恒定电抗表示或略去不计;
(2)、认为系统中各元件参数恒定,在高压网络中不计元件的电阻和导纳,即各元件均用纯电抗表示,并认为系统中个发电机的电势同相位,从而避免了复数的运算;
(3)、系统除不对称故障处出现局部不对称外,其余部分是三相对称的。
2.3短路计算的方法
本变电的短路计算采用最常用的标么值计算法。
因为本变电所属于相对对较复杂的高压供电系统,计算短路电流时采用标么制进行计算比较简便。
标么制属于相对电位制的一种,在标么制计算时,各电气元件的参数都用标么值表示。
在短路计算中所遇到的电气量有功率、电压、电流和电抗等四个量。
某一电气量的标么值就是它的实际值(有名值)与一个预先选定的同单位的基准值的比值。
下面我们就要标么值法进行短路电流的计算。
2.3主要设备及选型
1.主变压器
型号:
SFZ7-31500/110,31500KVA
额定电压:
110
8
1.25%/10.5KV
接线组别:
Yd11
阻抗电压:
Uk=10.2%
2.110kv设备
(1)110KV断路器
型号:
LW-126/T3150-40
额定电压:
126kv
额定电流:
3150A
开端能力:
40KA
(2)110KV隔离开关
型号:
GW22-126DW11
额定电压:
126KV
额定电流:
1250A
1秒热稳定电流:
31.5KA
动稳定电流:
80KA
(3)电容式电压互感器
型号:
TYD110/
-0.02H,TYD110/
-0.01H
额定电压:
110/
/0.1
/0.1
/0.1KV,110/
/0.1/
/0.1KV
(4)氧化锌避雷器
型号:
Y10W1-108/281
HY5WZ1-17/45
(5)电流互感器
型号:
LCWB6-110W2
级次组合:
5P20/5P20/5P20/0.5/0.2S
额定电流比:
2
400/5
3.10kv开关柜
真空断路器:
ZN65-12
额定电压:
12KV
进线及分段开关:
4000A40KA
馈线开关:
1250A31.5KA
4.10kv并联电容器
型号:
TBB10-6000/200-AK
额定容量:
6000kvar
2.4三相短路计算
2.4.1短路电流接线图:
图2-1短路电流接线图
数据计算
本次设计中取
=100MVA
各元件的电抗标幺值计算如下:
变压器:
Xb=
(2.1)
=
=0.269
输电线路:
XL=XL
=0.0301(2.2)
所以,110kV电力系统继电保护的等值网络如图
图2-2等值阻抗图
d-1110KV母线发生短路时的短路电流
E*=1Sd=100MV.AUd=Uav
I*=
=
=33.2(2.3)
I=I*
Id=33.2
=17.38KA(2.4)
短路冲击电流峰值:
Ish=Ksh
17.38=1.8
17.38=44.32KA(2.5)
短路容量:
(2.6)
d-210kv母线发生短路时
假设双变并列运行:
X*=0.0301+0.269/2=0.1646
I*=
=6.075
I=I*
Id=6.075
=33.4KA
短路冲击电流峰值
Ish=Ksh
33.4=1.8
33.4=85.2KA
短路容量:
假设单变运行:
X*=0.0301+0.269=0.2991
I*=
=3.343
I=I*
Id=3.343
=18.38KA
短路冲击电流峰值
Ish=Ksh
18.4=1.8
18.4=46.9KA
短路容量:
因此,短路电流计算结果如下表:
短路点编号
短路点位置
短路点平均电压
运行方式
短路电流周期分量的起始值
稳态短路电流值
短路冲击电流峰值
短路容量
Up
I’’
I
Ich
S
千伏
千安
千安
千安
兆千安
d-1
110千伏母线
115
17.38
17.38
44.32
331.1
d-2
10千伏母线
10.5
双变并列运行
33.4
33.4
85.2
607
d-2
10千伏母线
10.5
单变运行
18.4
18.4
46.9
334
表1,短路电流计算结果表
根据系统提供资料得知:
主变按本期规模考虑时变电站110KV母线上最大运行方式下的三相短路电流为9.33KA;
主变按最终规模考虑时变电站110KV母线上最大运行方式下的三相短路电流为17.38KA。
为了将来主变增容时不更换其他设备,所以本次设备选型按最终规模考虑,主变参数按选型变压器SFZ9-63000/110参数进行计算。
由上表可以看出,最终规模形成后,此站在正常运行方式下不允许主变并列运行(倒闸操作过程除外)。
在设计时应该考虑以此为设备选型依据
第三章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。
3.1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,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。
3.2继电保护装置的组成:
被测物理量--→测量--→逻辑--→执行--→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。
3.3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。
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。
第四章主变压器保护设计
4.1电力变压器的故障、不正常工作状态及其保护方式
4.1.1变压器故障
变压器故障分为油箱内故障和油箱外故障。
油箱内故障,主要有绕组的相间短路、接地短路和匝间短路等。
油箱内产生的高温电弧,不仅会损坏绝缘、烧毁铁芯。
而且由于绝缘材料和变压器油受热分解产生大量气体,有可能引起变压器油箱爆炸。
油箱外故障,主要有套管和引出线上的相间短路及接地短路。
4.1.2变压器不正常工作状态
变压器不正常工作状态,主要有外部短路引起的过电流、过负荷、油箱漏油引起的油位下降、冷却系统故障、油温升高、外部接地短路引起中性点过电压、绕组过电压或频率降低引起过励磁等。
4.1.3变压器保护方式
变压器保护分为电量保护和非电量保护。
反应变压器故障的保护动作于跳闸,反应变压器不正常工作状态的保护动作与信号。
对于上述故障和不正常工作状态,变压器应装设如下保护:
(1).气体保护,又称瓦斯保护。
反应油箱内故障和油面降低。
(2).纵差保护或电流速断保护。
反应变压器绕组和引出线的相间短路、中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路。
(3).相间短路后备保护。
反应外部相间短路引起的过电流和作为气体保护、纵差保护或电流速断保护的后备保护。
例如:
过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护、负序过电流保护等。
(4).零序保护。
用于反应变压器高压侧(或中压侧),以及外部元件的接地短路。
变压器中性点直接接地运行,应装设零序电流保护;变压器中性点可能接地或不接地运行时,应装设零序电流、电压保护。
(5).过负荷保护。
反应变压器过负荷。
(6).过励磁保护。
反应500kv及以上变压器过励磁。
4.1.4变压器异常运行保护和必要的辅助保护的配置
①温度信号装置;
以检测变压器的油温,防止变压器油劣化加速,对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障,应按现行电力变压器标准的要求,装设可作用于信号或动作于跳闸的装置。
②冷却风机自启动。
用变压器一相电流的70%来启动冷却风机,防止变压器油温过高。
根据以上要求并联系实际,决定为本变电所配置以下的保护。
4.2变压器气体保护(瓦斯保护)
4.2.1本变电站瓦斯保护设计的简介
按GB50062-92规定,800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器均应装瓦斯保护。
本设计采用瓦斯保护作为主保护之一,瓦斯保护是反映变压器内部故障最有效最灵敏的保护装置,是最重要的变压器的保护之一,它可以反映油箱内的一切故障。
包括:
油箱内的多相短路、绕组匝间短路、绕组与铁芯或与外壳间的短路、铁芯故障、油面下降或漏油、分接开关接触不良或导线焊接不良等。
瓦斯保护动作迅速、灵敏可靠而且结构简单。
但是它不能反映油箱外部电路(如引出线上)的故障,所以不能作为保护变压器内部故障的唯一保护装置。
对于变压器油箱内的故障,差动保护对此无反应。
又如变压器绕组产生少数线匝的匝间短路,虽然短路匝内短路电流很大会造成局部绕组严重过热产生强烈的油流向油枕方向冲击,但表现在相电流上却并不大,因此差动保护没有反应,但瓦斯保护对此却能灵敏地加以反应,这就是差动保护不能代替瓦斯保护的原因。
瓦斯保护装置结构简单、经济,对缓慢发展的故障,其灵敏性比变压器的差动保护优越,能够反应变压器油箱内部各种类型的故障,但对变压器油箱外部套管引出线上的短路不能反应,对绝缘突发性击穿的反应不及差动保护;而且在强烈地震期间和变压器新投入时,瓦斯保护不能投到跳闸位置,所以瓦斯保护一般与差动保护共同使用构成变压器的主保护。
4.2.2.气体保护工作原理
油浸式变压器是利用变压器油作为绝缘和冷却介质的,变压器油箱内部故障产生的电弧或内部某些部件发热时,使变压器绝缘材料和变压器油分解产生气体(含有瓦斯成分)。
利用气体上升、右面下降和气体压力构成的保护装置,成为气体保护。
气体保护分为轻气体和重气体。
轻气体主要反应变压器内部轻微故障和变压器漏油,动作于信号。
重气体主要反应变压器内部严重故障,动作于跳闸。
当变压器出现内部故障时,产生的气体将聚集在瓦斯继电器的上部,使油面降低。
当油面降低到一定程度后,上浮筒便下沉,使水银接点接通,发出信号。
如果是严重故障,油流会冲击挡板,使之偏转,并带动挡板后的连动杆向上转动,挑动与水银接点卡环相连的连动环,使水银接点分别向与油流垂直的两侧转动,两水银接点同时接通,使开关跳闸或发出信号。
图4-1瓦斯继电器的安装示意图
气体保护动作迅速,灵敏度高。
但它不反应油箱外的引出线和套管上的任何故障,因此必须与变压器纵差保护(或电流速断保护)配合,共同作为变压器的主保护。
图4-2瓦斯保护原理示意图
4.3变压器差动保护
对于大容量的变压器,纵差保护是必不可少的主保护,它可以反应变压器绕组、套管及引出线的各种故障,与气体保护相配合作为变压器的主保护。
4.3.1变压器纵联差动保护的原理
纵联差动保护是反应被保护变压器各端流入和流出电流的相量差。
对双绕组变压器实现纵差动保护的原理接线如下图所示。
图4-3差动保护的原理接线图
为了保证纵联差动保护的正确工作,应使得在正常运行和外部故障时,两个二次电流相等,差回路电流为零。
在保护范围内故障时,流入差回路的电流为短路点的短路电流的二次值,保护动作。
应使
(4.1)
结论:
适当选择两侧电流互感器的变比。
纵联差动保护有较高的灵敏度。
4.3.2变压器纵联差动保护的整定计算
主变SFZ-31500/110,31500KVA
110+8×1.25%/10.5KV
Yd11,Uk=10.2%
根据第2章提供的一次部分的原始数据,计算如下:
I1e=
=165(4.2)
I2e=
=1732.1(4.3)
110KV侧CT采用△接线可得:
ni(d)=
=
(4.4)
10KV侧CT采用Y形接线:
ni(y)=
=346(4.5)
则实际额定电流即差动保护臂中的电流:
IN1=
=4.76(4.6)
IN1=
=4.33(4.7)
则不平衡电流:
Iab=IN1-IN1=4.76-4.33=0.43(4.8)
项目
各侧数据
额定电压(kv)
110(99)
10.5
额定电流(A)
=165(183.7)
=1732.1
互感器接线方式
d接线
Y接线
互感器计算变比
=
=346
互感器选择变比
保护臂中电流
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