第一部分 设计说明书
1 原始资料介绍及分析
某地区随着各行业的发展,原有的供电能力已经无法满足用电需求,决定在该地区新建仙桥变电站,站区采用一个场地标高,所址坐北朝南。东西长62.4米(比省公司典型设计A-2方案多4.7米),南北长64米(比省公司典型设计A-2方案多2米)。进所道路从所址东侧进入本变电站。根据出线走廊规划,110kV4回出线均由本所北侧出线,35kV4回出线由本所西侧出线,10kV出线通过电缆沟均由本所南侧出线。得出系统接线图如图1.1。
110kV无穷大系统35kVTaL1bL2L3至九龙至大石cL4仙青线L5仙镇线L6仙工线L7仙灵线L8仙玻线10kV
图1.1 系统接线示意图
该变电站有110/35/10kV三级电压,主变容量2×31.5MW,本期1×31.5MW;本站选用三圈自冷有载调压节能型变压器,型号为SSZ10-31500/110,组别为YN,
yn0,d11,电压比为110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5kV,短路电压为Uk1—2% =10.5、Uk1—3%=17.5、Uk2—3%=6.5,其110kV中性点电压为60kV,35kV中
性点电压为35kV。
110kV进出线4回,且按架空出线的方案设计,本期1回(至系统),长度19.5
公里,接线方案为单母线双隔离开关分段,110千伏设备按户外布置,断路器选择六氟化硫断路器。
35kV出线远期4回,架空出线,本期2回,即至九龙35kV变电站一回,线
路采用LGJ-120/25砼杆架设,线路总长度10公里;至大石35kV变电站一回,线路采用LGJ-120/25砼杆架设,线路总长度10公里,备用2回。接线方案为单母线断路器分段,35kV开关设备按户外布置,断路器选用六氟化硫断路器(带外置干式
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TA)。
10kV出线终期16回,本期8回。线路为电缆沟出线。采用单母线断路器分段
接线,每段10kV出线8回,其中主变1回、电容器1回、TV1回,I段母线另有所用变1回,本期安装全部I段母线和分段隔离柜。开关设备户内式,10kV开关柜采用中置式,全金属铠装开关柜,断路器则选用引进技术生产的VS1型真空断路器。无功补偿容量:本期4200千乏,终期2×4200千乏,线路参数见表1.1。 短路电流计算基本条件为系统当前水平年,阻抗标幺值按基准容Sj=100MVA,
Uj= Uav来进行计算。110kV母线发生三相短路时的起始次暂态电流I''=3.4kA。
站用电采用380/220V、动力照明共用的中性点直接接地的三相四线制系,站用电接线为单母线接线,一台100kVA站用变接于35kV II段母线上,另一台50kVA站用变接于10kV I段母线,两台站用变互为备用。
表1.1 线路参数
线路名称 仙青线 仙镇线 仙工线 仙灵线 仙玻线 合计
电缆型号 YJV22-3×240 YJV22-3×240 YJV22-3×240 YJV22-3×240 YJV22-3×95
导线型号 LGJ-120 LGJ-120 LGJ-120 LGJ-120 LGJ-70
线路全长(km) 进站段杆基数
6.8 5 6.5 5 3.9 27.2
11 9 10 11 8 49
2
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2 短路计算
电力系统的电气设备在运行时都必须考虑可能发生的各种故障和不正常运行状态,尤其是各种形式的短路,因为它们会破坏电力系统的正常供电和电气设备的正常运行。
短路是电力系统的严重故障,所谓短路,是指一切不正常的相与相之间或者相与地之间(对于中性点接地系统)发生通路的现象。在三相系统中,可能发生的短路有:三相短路,两相短路,两相接地短路和单相接地短路。其中,三相短路是对称短路,系统各相与正常运行时一样仍处于对称状态,其他类型的短路都是不对称短路。电力系统的运行经验表明,在各种类型的短路中,单相短路占大多数,两相短路较少,三相短路的发生的可能性最小。但三相短路虽然很少发生,其情况较严重,应给以足够的重视。一般情况下我们都采用三相短路来计算短路电流,并检验电气设备的稳定性,但是在某些特殊情况下,两相短路或单相短路的短路电流会比三相短路情况下的短路电流还大。因此,本次设计中采用最大短路电流对电气设备的进行校验[6]。
2.1 短路计算的目的和原则 2.1.1 短路计算的目的
(1)在选择电气主接线时,为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等,均需进行必要的短路电流计算。
(2)在选择电气设备时,为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作,同时又力求节约资金,这就需要进行全面的短路电流计算。
(3)在设计屋外高压配电装置时,需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。
(4)在选择继电保护方式和进行整定计算时,需以各种短路时的短路电流为依据。 (5)按接地装置的设计,也需用短路电流。
2.1.2 短路电流计算的一般原则
(1)验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流,应按工程的设计规划容量计算,并考虑电力系统的远景发展规划(一般为本期工程建成后
5~10年)。确定短路电流计算时,应按可能发生最大短路电流的正常接线方式,而
不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
(2)选择导体和电器用的短路电流,在电气连接的网络中,应考虑具有反馈作用
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的异步电机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。
(3)选择导体和电器时,对不带电抗器回路的计算短路点,应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。
(4)导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流一般按三相短路验算。
2.2 短路电流计算的基本假设和步骤 2.2.1 在计算短路电流时通常会做如下基本假设
(1)正常工作时,三相系统对称运行; (2)所有电源的电动势相位角相同;
(3)电力系统中各元件的磁路不饱和,即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化;
(4)不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流;
(5)元件的电阻略去,输电线路的电容略去不计,且不计负荷的影响; (6)系统短路时是金属性短路[3]。
2.2.2 短路电流计算的步骤
(1)确定系统的运行方式; (2)确定短路点及短路类型;
(3)计算各元件电抗标幺值,并折算到同一基准容量下;
(4)对确定的短路点经过网络的合并,化简求出归算到短路点的各序综合阻抗
Xff(1)、Xff(2)、Xff(0);
(5)利用短路类型及电力系统故障的知识求出短路点的总电流; (6)按网络结构求出流过被整定保护装置的短路电流。
2.2.3 系统运行方式的确定说明
最大、最小运行方式的选择,目的在于计算通过保护装置的最大、最小短路电流。在线路末端发生短路时,流过保护的短路电流与下列因素有关:
(1)系统的运行方式,包括机组、变压器、线路的投入情况,环网的开环闭环,平行线路是双回运行还是单回运行。 (2)短路类型。 (3)电流分配系数。
由于在本次设计中,该变电站本期1台主变压器投入运行,终期2台,故运行
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方式按只有一台主变压器运行的方式来确定。因此只需算出各个短路点发生四种短路情况下的最大、最小短路电流,作为二次部分继电保护整定的条件。
2.2.4 短路计算过程
(1)参数计算:选取的基准容量为Sj,基准电压为Uj 得其基准电流为:
IjSj (2.1)
3Uj主变压器参数的计算:
阻抗电压百分比:U1K1%2(UK12%UK13%UK23%) U1K2%2(UK12%UK23%UK13%) U1K3%2(UK13%UK23%UK12%) 电抗标幺值:
X=U2K%VSj100×NS×2 NVj式中 UK1%—主变压器高压侧电抗的标幺值; UK2%—主变压器中压侧电抗的标幺值; UK3%—主变压器低压侧电抗的标幺值。 线路电抗标幺值:
XXSj0LU2 j 式中 X0—每千米线路的电抗;
UK2%—主变压器中压侧电抗的标幺值。
5
2.2)
2.3)
2.4)
2.5)
2.6)
( ( ( ( (邵阳学院毕业设计(论文)
系统各参数的计算值如表2.1所示。
表2.1 各元件阻抗值的计算公式
计算公式
序号
元件名称
给定参数
(Sj=100MVA)
2N计算值 高压侧:0.34
阻抗电压百分
1
变压器
比UK%
X=
SjUK%V××2 中压侧:-0.008 100SNVj低压侧:0.21
0.06
2 110kV侧线路 线路长度L1
XX0LXX0LXX0LSjUU2j
3 35kV侧线路 线路长度L2、L3
线路长度L4、
L5、L6、L7、L8
Sj2j 0.29
4 10kV侧线路
SjU2j
0.49、0.36、0.47、
0.36、0.28(2)短路电流计算
①故障点的选择:本次设计中,为了确保继电保护设备能经受住各种故障,在
任何故障下都不出现误动作和拒动,因此此次短路计算的短路点选择为110kV、
35kV、10kV母线上以及35kV线路的末端。
②以110kV母线短路为例,其正序、负序、零序等值网络图分别如图2.1、图2.2、图2.3所示。其三相短路电流的计算:
I3fa(1)EeqXff(1)Ij (2.7)
式中 I3fa(1)—系统中发生三相短路时,短路点的短路电流;
Xff(1)—归算到短路点的综合正序等值电抗。
两相短路电流的计算:
I23fa
EeqXff(1)Xff(2)Ij
(2.8)
式中 I2fa—两相短路时短路点的全电流;
Xff(2)—归算到短路点的负序综合电抗。
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X5X6+E1-X4+Va(1)-X7X8X9X10X11X1X2X3
图2.1 110kV母线短路的正序等值电路
X1X2X4X3X5X6+-3x1+-Va(0)3x2Va(1)X7X8X9X10X11
图2.2 110kV母线短路的负序等值电路 图 2.2 110kV母线短路的零序等值电路
其各序分量电流值为:
I2fa(1)I2fa(2)EeqXff(1)Xff(2)Ij (2.9)
2 式中 I2fa(1)、Ifa(2)—分别为两相短路时,短路点短路电流的正负序分量。
两相接地短路电流计算:
1,1) I(fa1Xff(2)Xff(0)(Xff(2)Xff(0))2Xff(1)EeqXff(2)Xff(0)Xff(2)Xff(0) Ij (2.10)
1,1)I(fa(1)
Xff(1)EeqXff(2)Xff(0)Xff(2)Xff(0)Ij (2.11)
1,1) I(fa(2)Xff(0)Xff(2)Xff(0)Xff(2)Xff(2)Xff(0)1,1) I(fa(1) (2.12)
I(1,1)fa(0)1,1) I(fa(1) (2.13)
1,1) 式中 I(fa—两相短路接地时的全电流;
1,1) I(fa(1)—两相短路接地时,短路点的正序电流分量; 1,1) I(fa(2)—两相接地短路时,短路点的负序电流分量;
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1,1) I(fa(0)—两相接地短路时,短路点的零序电流分量;
Xff(0)—归算到短路点的零序电抗。 单相接地短路电流的计算: 短路点各序分量电流为:
I(1)fa(1)I(2)fa(2)I(1)fa(0)EeqXff(1)Xff(2)Xff(0)Ij (2.14)
短路点故障的全电流为:
1)1) I(fa 3I(fa(1) (2.15)
(3)列出短路电流计算结果,具体短路电流计算过程见计算书。
表2.2 各点短路电流值
短路点
三相短路
110kV母线上
短路类型
两相接地短路
1,1)I(fa(1)4.91kA1,1)I(fa(2)3.39kA1,1)I(fa(0)1.52kA
两相短路 单相短路
I3fa(1)8.34kA
II2fa(1)2fa(2)4.16kA4.16kA
I1fa(1)1.97kAI1fa(2)1.97kAI1fa(0)1.97kA
35kV母线上
I3fa(1)4.06kA 1,1)I(fa(1)4.63kA1,1)I(fa(2)0.55kA1,1)I(fa(0)5.17kA
II2fa(1)2fa(2)2.03kA2.03kA
I1fa(1)2.45kAI1fa(2)2.45kAI1fa(0)2.45kA
35kV线路末端
I3fa(1)2.13kA 1,1)I(fa(1)1.64kA1,1)I(fa(2)0.51kA1,1)I(fa(0)1.13kA
II2fa(1)2fa(2)1.07kA1.07kA
I1fa(1)0.87kAI1fa(2)0.87kAI1fa(0)0.87kA
10kV母线上
I3fa(1)4.58kA 1,1)I(fa(1)2.96kA1,1)I(fa(2)1.64kA1,1)I(fa(0)1.32kA
II2fa(1)2fa(2)2.29kA2.29kA
I1fa(1)1.41kAI1fa(2)1.41kAI1fa(0)1.41kA
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3 互感器的配置及选型
互感器包括电压互感器和电流互感器,是一次系统和二次系统间的联络元件,并分别向测量仪表、继电器的电压线圈和电流线圈供电,正确反映电气设备的正常运行和故障情况,其作用有:
(1)将一次回路的高电压和电流变为二次回路标准的低电压和小电流,使测量仪表和保护装置标准化、小型化,并使其结构轻巧、价格便宜,便于屏内安装。 (2)使二次设备与高电压部分隔离,且互感器二次侧均接地,从而保证了设备和人身的安全。
3.1互感器的特点
电流互感器的特点:
(1)一次绕组串联在电路中,并且匝数很少,故一次绕组中的电流完全取决于被测量电路的负荷,而与二次电流大小无关;
(2)电流互感器二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小,所以正常情况下,电流互感器在近于短路状态下运行。
电压互感器的特点:
(1)容量很小,其负荷通常很微小,而且恒定。所以电压互感器一次侧可视为一个恒压源,它基本上不受二次负荷的影响。
(2)由于接在电压互感器二次侧的负荷都是测量仪表和继电器的电压线圈,它们的阻抗很大,因而二次电流很小。在正常运行时,互感器总是处于像变压器那样的空载状态,二次电压基本上等于二次感应电动势值。
(3)为了使电压互感器所允许的误差不超过规定值,必须限制其磁化电流。因此,其铁芯用较好的硅钢片来制造,而且应取较低的磁密,一般取小于等于6000~8000高斯[8]。
3.2 互感器的配置
(1)为满足测量和保护装置的需要,在变压器、出线、母线分段及所有断路器回路中均装设电流互感器;
(2)在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器,如:发电机和变压器的中性点;
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(3)对直接接地系统,一般按三相配制。对三相直接接地系统,依其要求按两相或三相配制;
(4)6~220kV电压等级的每组主母线的三相上应装设电压互感器; (5)当需要监视和检测线路有关电压时,出线侧的一相上应装设电压互感器。
3.3 电流互感器的选型
'(1)电流互感器由于本身存在励磁损耗和磁饱和的影响,使一次电流I1与I2在
数值和相位上都有差异,即测量结果有误差,所以选择电流互感器应根据测量时误差的大小和准确度来选择。
(2)电流互感器10%误差曲线
是对保护级(BlQ)电流互感器的要求与测量级电流互感器有所不同。对测量级电流互感器的要求是在正常工作范围内有较高的准确级,而当其通过故障电流时则希望早已饱和,以便保护仪表不受短路电流的损害,保护级电流互感器主要在系统短路时工作,因此准确级要求不高,在可能出现短路电流范围内误差限制不超过-10%。电流互感器的10%误差曲线就是在保证电流互感器误差不超过-10%的条件下,一次电流的倍数λ与电流互感器允许最大二次负载阻抗Z2f关系曲线。 (3)额定容量
为保证互感器的准确级,其二次侧所接负荷S2应不大于该准确级所规定的额定容量Se2。即:
Se2S2Ie22Z2f (3.1)
Z2fVyVjVdVc() (3.2) 式中 Vy — 测量仪表电流线圈电阻; Vj — 继电器电阻; Vd — 连接导线电阻; Vc — 接触电阻一般取0.1Ω。 (4)按一次回路额定电压和电流选择
电流互感器用于测量时,其一次额定电流应尽量选择得比回路中正常工作电流大 三分之一左右,以保证测量仪表的最佳工作电流互感器的一次额定电压和电流选择必须满足:VeVew,Ie1Igmax,为了确保所供仪表的准确度,互感器的一次工作电流
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应尽量接近额定电流。
Vew — 电流互感器所在电网的额定电压;
Ve、Ie1 — 电流互感器的一次额定电压和电流;
Igmax — 电流互感器一次回路最大工作电流。
(5)种类和型式的选择
选择电流互感器种类和形式时,应满足继电保护、自动装置和测量仪表的要求,再根据安装地点(屋内、屋外)和安装方式(穿墙、支持式、装入式等)来选择。 电流互感器一次侧电流为:
I1式中 SN—主变压器的额定容量; UN—主变压器一次侧的额定电压。
电流互感器二次侧的额定电流一般为5A,故电流互感器的计算变比: nI1I 1 (3.4)
Ie25SN (3.3) UN式中 I1—电流互感器一次侧电流; Ie2—电流互感器二次侧额定电流。 电流互感器二次侧电流为:
I2I1 (3.5) nTA式中 nTA—电流互感器选用的变比。
在选择变比的时候须考虑的一定裕度,故选用的变比比实际变比要大。此外电流互感器接线方式必须和主变压器进行配合。
根据电流互感器各侧电流以及变比,参考《电力工程电气设备手册》,选取的电流互感器型号如表3.1:
表3.1 电流互感器参数
安装地点
型号
数据 工作值
主变110kV侧
LRGBJ-110
额定值
11
电压(kV)
110 110
电流(kA)
286 300
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续表3.1 电流互感器参数
安装地点
型号
数据 工作值
主变35kV侧
LZZBJ-35
额定值 工作值
主变10kV侧
LMZWB-10
额定值
10
4000
35 10
1500 3000
电压(kV)
35
电流(kA) 1285
3.4 电压互感器的选型
电压互感器是根据线路的电压等级来进行选择的,电压互感器一次侧的电压就为线路的线电压,二次侧的额定电压一般为100V,故电压互感器的变比为: nU1NU1N (3.6) U2N100同理,根据电压互感器变比,参考《电力工程电气设备手册》选取的电压流互感器型号如表3.2:
表3.2 电压互感器参数
安装地点 主变110kV侧 主变35kV侧 主变10kV侧
型号 JDCF-110 JDZ9-35 JDZX10-1O
电压(kV)
110 35 10
变比
备注
1100.10.10.1////0.1 成套电容式 3333350.10.1///0.1 单相油浸式 333100.10.1// 单相油浸式 333
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4 继电保护配置及选型
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等[1]。
4.1变压器的保护配置及选型
为防止系统故障和系统不正常运行状态等一系列问题而烧坏变压器,故变压器一般装设继电保护装置,对于不同电压等级的变电站所装设的保护装置也不同,设计时必须根据变压器容量大小、电压等级等因素装设必要的、动作可靠性高的保护装置。本次设计中主变压器的容量为31.5MVA,故采用纵联差动保护,瓦斯保护作为变压器的主保护,而零序电压、电流保护,过电流保护作为变压器的后备保护,同时还配置变压器过励磁保护,过负荷保护以及反映变压器油温及油箱内压力升高和冷却系统故障的相应保护。
4.1.1 纵联差动保护
本次设计所采用的变压器型号为SSZ10-31500/110。对于这种大型变压器言,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三侧电流差动,其中高电压侧电流引自高压熔断器处的电流互感器,中低压侧电流分别引自变压器中压侧电流互感器和低压侧电流互感器,这样使差动保护的保护范围为三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。所以采用纵联差动保护作为变压器的主保护,其接线原理图如图4.1所示。正常情况下,I'2=I''2即:
'I1''''n2I1I1 nT(变压器变比)
'n1n1n2I1所以这时Iy=0,实际上,由于电流继电器接线方式,变压器励磁电流,变比误
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差等影响导致不平衡电流的产生,故Iy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不平衡电流。
保护整定的原则:
(1)避越变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时的励磁电流:
IdzKKIe (4.1) 式中 KK—可靠系数,一般取1.3; Ie—变压器的额定电流。
(2)避越外部短路时的最大不平衡电流:
IdzKKIbp (4.2)
式中 KK—可靠系数,一般取1.3; Ibp—不平衡电流。
(3)躲过电流互感器二次回路断线的最大负荷电流:
Idz1.3Ifh.max (4.3)
式中 Ifh.max—正常运行时变压器的最大负荷电流,在负荷电流不确定时,可以 用变压器的额定电流代替[1]。
K1l1TA1K2Tl1n1-KDl2l2n2l1n1l2n2TA2 图4.1 纵联差动保护原理示意图
4.1.2 瓦斯保护
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。
(1)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
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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,其原理如图4.2所示。
防止变压器油箱内部或断线故障及油面降低。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,所以与差动保护配合使用时,能做到优势互补,效果更佳。
容量为800kVA及以上的油浸式变压器,均应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时,保护装置应瞬时作用于信号;当产生大量的瓦斯时,瓦斯保护应动作于断开变压器各电源侧断路器。容量为400kVA及以上的车间内油浸式变压器,也应装设瓦斯保护。 (2)瓦斯保护的整定原则:
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:250~300cm,一般整定在250cm 。重瓦斯按油流速度进行整定,整定范围为:0.6~1.5m/s,一般整定在1m/s。
至信号至信号QF1YTQF133+++KS++COMXEKGQF2YTQF1
图4.2 瓦斯保护原理示意图
4.1.3 复合电压启动的过流保护
由于这种保护可以获得比一般过流保护更高的灵敏性,所以实践中它常用来作厂变内部及低分支外部相间短路故障的后备保护,本次设计中用来作为变压器的后备保护,它是由负序过电压元件、低电压元件、过流元件及时间元件构成,其中负序过电压元件与低电压元件构成复合电压启动元件,其保护原理接线图如图4.3所示。
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复合电压过流保护的输入电流取高压侧电流,为保证选择性,复合电压启动元件需要配置两套,输入电压分别取自站用变低压侧两个支上的电压,保护采用两段延时出口。以A分支为例:若发生相间不对称短路故障,“U2>”元件启动,常闭触点断开,使“U<”元件启动;若发生三相短路,“U2>”元件短时启动,“U<”元件也启动,在“U2>”元件返回后,因“U<”元件返回电压比较高,只要相间残压不高于返回电压,“U<”元件仍然保持动作状态,这时站用变高压侧过流元件“I>”已经动作,先按Ⅰ段延时“U<”元件t1跳开A站用分支断路器,如故障不能消除,再按Ⅱ段延时t2动作于解列灭磁[3]。
+----Ia>Ib>Ic>解列灭磁 t2-+ U2> IJ<跳A t'+- U2> IJ<跳B t'AB-
图4.3 复合电压启动的过流保护原理接线图
整定的原则:
(1)过电流元件动作值按躲开站用变额定电流来整定:
IdzKKIe (4.4) Kf式中 KK—可靠系数,这里取1.15; Kf—返回系数,这里取0.85。
(2)负序电压继电器动作电压按躲过正常运行时的不平衡电流来整定:
Udz.20.06Ue (4.5) 式中 Ue—额定相间电压。 电流元件灵敏度的校验:
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KlmId.min (4.6) Idz式中 Id.min—后备保护范围末端金属性不对称短路时,通过保护的最小一次 稳态短路电流。
4.1.4 过负荷保护
为了防止变压器在超过允许负载能力下运行,需要装设过负荷保护装置。由于变压器的过负荷一般是三相对称的,因此,过负荷保护只需接入一项电流,各侧的过负荷保护均经过同一时间继电器延时发出信号。
保护的安装地点应能够反应变压器所有绕组的过负荷情况,对于单侧的三绕组降压变压器,当三侧绕组的容量相同时,过负荷保护仅装在电源侧。当三侧绕组的容量不相同时,过负荷保护装设在电源侧和容量较小的绕组侧。
过负荷保护的整定原理:
IdzKKIe (4.7) Kf式中 KK—可靠系数,这里取1.15; Kf—返回系数,这里取0.85; Ie—变压器的额定电流。
4.1.5 零序电流保护
采用零序电流保护的目的是防止直接接地系统中变压器外部接地短路并作为瓦斯保护和差动保护的后备,能反映中性点接地系统中发生接地短路时的零序电流分量。对于三绕组变压器,先断开不接地变压器,后断开接地变压器。若接地故障在接地运行的一台变压器处,则使接地运行的一台变压器高压侧断路器跳闸;若接地故障在不接地运行的一台变压器处,则需靠线路对侧的接地保护切除故,此时变压器的零序保护应与线路的接地保护在时限上要配合。
4.1.6 过励磁保护
变压器铁心的工作磁密与U/f成正比,过励磁保护就是根据这一原理构成的。其工作原理是:继电器的电压一次线圈YH接到母线电压互感器的二次侧,反应加到变压器上的电压和频率。当变压器过励磁值达到反时限启动值时,经反时限延时动作跳开主变压器各侧开关。
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4.1.7 变压器保护装置选型
本设计中采用国电南自生产的WBZ500型微变压器保护装置机作为变压器的成套自动保护装置,WBZ500型微机变压器保护装置是特为电力系统500kV大型变压器研制的成套微机保护装置,适用于500kV及以下电压等级的各类型变压器。该装置软、硬件遵循模块化设计、开放式结构的策略。 装置的特点:
(1)采用大屏幕液晶显示,人机界面全部汉化,采用菜单式命令,操作简单。 (2)显示、打印采用单独的CPU控制,保护CPU单独进行保护的运算,提高了保护CPU的运算处理能力,显示与主机采用精简代码通信,提高了显示的反应速度。
(3)跳闸方式可由控制字整定,方便灵活。
(4)保护配置灵活,可以通过控制字和压板投退保护,压板投退均输出报告。 (5)整定值(除个别控制字外)均采用十进制显示,操作简单、直观,精度高。整定值一经整定便复制三份永久保存,直至下次被修改,上电时以三取二方式自我校核,正常运行时,自动检查整定值,确保无误。 (6)差动保护可采用多侧制动。
(7)采用相电流突变和零序电流稳态量启动方式,启动方式快速稳定。 (8)后备保护配置齐全,拥有完善的软件继电器库,保护功能可通过对各继电器库的调用组合。
(9)实现存储器和时钟可保持10份带录波数据的报告、事件,且最近的一次跳闸报告不会被非跳闸报告冲掉。
(10)装置采用背插式结构和特殊的屏蔽措施,通过IEC 60255-22-4标准规定的Ⅳ级(4kV±10%)快速瞬变干扰试验和IEC 60255-22-2标准规定的Ⅳ级(空间放电15kV,接触放电8kV)静电放电试验表明:装置可靠性高。
装置的保护功能:
主保护为3段(或2段)折线式比率制动差动保护,具备2次谐波制动和TA断线闭锁功能,可以用5次谐波或V/F实现过励磁闭锁差动,提供用低电压解决2次谐波制动造成延时动作的加速判据,差动保护带差速断,满足4侧甚至5侧制动,
3/2断路器主接线,主变停运时自动投入小区差动(短引线)保护,自耦变可以增设零
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差保护。
后备保护包括多折线拟合式反时限过励磁、相间阻抗、复合电压闭锁过流(可带方向)、分支过流、零序过流(可带方向)、间隙零序电流电压、接地阻抗、非全相运行及失灵保护,还设有告警性的过负荷、变压器△侧一点接地、TV断线、低值过励磁、启动通风保护等。主、后备保护均带有16路开关量输入回路,能够实现主变及调压变的轻瓦斯、重瓦斯、压力释放、冷却器故障、油位、油温、冷却器电源消失等开关量保护,以及用来反映一些保护投退状态或打印、复归操作等。
与自动化系统的配合:WBZ500型微机型保护装置的通信方式灵活,可采用
RS232/RS485/RS422口与变电站综合自动化系统配合,可实现远方定值修改,事
件记录上传等功能[12]。
4.2 母线保护配置及选型
电力系统中的母线是具有公共电气连接点,它起着汇总和分配电能的作用。所以发电厂和变电站中的母线是电力系统中的一个重要组成元件。母线运行是否安全可靠,将直接影响发电厂、变电站和用户工作的可靠性,在枢纽变电所的母线上发生故障时,甚至会破坏整个系统的稳定。
引起母线短路故障的主要原因有:由于空气污溃,导致断路器套管及母线绝缘子的闪络;母线电压和电流互感器的故障;运行人员的误操作,如带负荷拉隔离开关、带接地线合断路器。
母线故障的类型,主要是单相接地和相间短路故障。与输电线路故障相比较,母线故障的几率虽较小,但造成的后果却十分严重。因此,必须采取措施来消除或减少母线故障所造成的后果。
由设计的已知条件可知,110kV母线采用单母线分段接线,对于单母线我们可以采用母线完全电流差动保护。
4.2.1 母线完全差动保护
母线完全差动保护的原理接线图如图4.4所示,和其它元件的差动保护一样,也是按环流法的原理构成。在母线的所有连接元件上必须装设专用的电流互感器,而且这些电流互感器的变比和特性完全相同,并将所有电流互感器的二次绕组在母线侧的端子互相连接,在外侧的端子也互相连接,差动继电器则接于两连接线之间,差动电流
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继电器中流过的电流是所有电流互感器二次电流的相量和。这样,在一次侧电流总和为零时,在理想的情况下,二次侧电流的总和也为零。图为母线外部K点短路的电流分布图,设电流流进母线的方向为正方向。图中线路Ⅰ,Ⅱ接于系统电源,而线路Ⅲ则接于负载[1]。
(1)在正常和外部故障时(K点),流入母线与流出母线的一次电流之和为零,即:
•••• IIⅠIⅡIⅢ0 (4.8) 而流入继电器的电流为:
•1••(IⅠIⅡIⅢ) (4.9) IeI1I2I3 nTA•••• 因电流互感器变比n相同,在理想情况下流入差动继电器的电流为零,即Ig0。 但实际上,由于电流互感器的励磁特性不完全一致和误差的存在,在正常运行或外部故障时,流入差动继电器的电流为不平衡电流,即:IeIumb。
1QF2QFl2••3QFl3Ⅰ-ⅠⅠ..Ⅱ..Ⅲ.. l1 图4.4 母线完全电流差动保护的原理接线图
其中Iumb是电流互感器特性不一致而产生的不平衡电流。
(2)母线故障时,所有有电源的线路,都向故障点供给故障电流,即:
••1••1•(IⅠIⅡ)IK (4.10) Ie nTAnTA其中IK是故障点的总短路电流,此电流数值很大,足以使差动继电器动作。 电流差动保护整定的原则: 按躲开母线外部的最大不平衡电流:
IdzKKKLHKfzqId.max (4.11)
式中 KK—可靠系数,这里取1.3; KLH—电流互感器变比误差;
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Kfzq—非周期分量系数。
二次侧启动元件的灵敏度校验: KlmId.min (4.12) Idz 式中 Id.min—后备保护范围末端金属性不对称短路时,通过保护的最小一次 稳态短路电流。
4.2.2母线保护装置选型
随着电力系统对自动化程度要求的不断提高,微机型母线保护投入现场运行的数量也不断增多,特别是无人值班变电站的建设,如何与自动化系统实现数据通信,对母线保护各种附加功能的要求越来越高。本次设计中采用DMP351型微机母线保护装置,DMP351型微机母线保护装置适用于220kV及以下各种电压等级的单母线、单母分段、双母线以及分段断路器或母联断路器兼做旁路断路器的各种主接线方式的母线,母线上允许所接的线路与元件数最多为20个(包括母联)。
DMP351型微机母线保护装置配置有:母线差动保护,母联死区保护、母联失灵保护,母联充电保护、母联过流保护以及线路失灵保护。
DMP351型微机母线保护装置基于DSP(主频达到100M)和32位单片机的双
CPU硬件平台、高精度的A/D确保了测量精度。 装置采用整面板,背插式机箱结
构型式,强弱电完全分开,多层布线印刷电路板工艺,抗干扰能力强。装置具有友善的人机接口,大屏幕液晶显示器能实时显示一次接线图、装置运行状态和保护动作信息。
功能特点:
(1)采用带比率制动特性的完全电流差动判据实现快速母线差动护,抗TA饱和能力强。系统发生区内故障时,保护迅速出口,不受TA饱和影响;区外故障
TA饱和时,保护可靠不误动;当系统发生相继故障或故障发展时,保护均能正确而
快速地反应。
(2)自动跟踪、识别双母线运行方式。为防止主变压器内部故障时,复合电压元件可能不启动,从而导致该线路失灵保护拒动,可通过投退控制字将对应线路设为主变支路,则该线路失灵保护不经复合电压闭锁。对系统并列、解列运行或支路倒闸过程中的各种运行状态,均能确保母线可靠安全运行。
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(3)在双母线(单母分段)运行方式下,如一段TV检修可利用装置的开入接点TV1,TV2将退出运行TV的电压切至完好的TV上。对主TA特性无特殊要求,主TA变比不一致时,用户在现场可设置解决。
(4)汉化液晶显示,菜单化操作,可方便地查看不平衡电流等运行状态。 (5)配置中文打印机,便于打印定值报告,采样报告,自检报告及故障报告。 (6)多种可选的通讯接口(CAN/RS485/RS422/RS232)。 (7)机柜正面设置模拟系统一次主接线图,运行方式一目了然。 (8)整面板,背插式机箱结构型式,强弱电完全分开。 (9)多层布线印刷电路板工艺,抗干扰能力强。 (10)调试简单,维护方便[19]。
4.3 线路保护配置及选型
为了提高系统运行的稳定性,本设计参考《电力工程电气设计手册—电气二次部分》中的规程规定,对110kV线路采用高频相差保护作为主保护,高频闭锁距离保护和高频闭锁零序电流保护作为后备保护;对35kV线路相间故障采用三段式电流保护以及距离保护作为主保护,接地故障采用零序电流保护。
4.3.1 110kV线路保护配置
(1)高频相差保护
高频相差保护一般用于双侧电源无分支线路的送电线,线路的长度一般不大于
250km。当用于有分支线,但无分支电源的送电线时,应校验分支负荷的影响,必
要时在分支线侧装设防御低压侧外部故障的高频闭锁发信装置。
①高频相差保护的基本原理是比较被保护线路两端短路电流的相位。即把两端
的工频电流变成高频电流送到对端去进行相位比较(直接比较式),若保护判为内部故障,则瞬时动作于跳闸,否则可靠不动作(在理想情况下当线路内部故障时,两侧的电流相位相同;当外部故障时,两侧的电流相位相差1800。其工作原理图见图4.5
②技术原理及特性
通常采用复合对称分量滤过器将三相电气量变换为单一的复合对称分量(如
I1KI2)以反应各种短路故障。利用电力线载波或其他无线通信(微波等)在故障
••时比较被保护线路两侧电流的相位,以判别是保护区内还是区外故障。
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不受系统振荡及负荷影响,在非全相运行及单相重合闸周期内保证不会误动作,同时在内部再发生故障可以动作。
图4.5 高频相差保工作的基本原理
③相差高频保护的特点
在被保护线路两侧各装半套高频保护,通过高频信号的传送和比较,以实现保护的目的。它的保护区只限于本线路,其动作时限不需与相邻元件保护相配合,在被保护线路全长范围内发生各类故障,均能无时限切除。
因高频保护不反应被保护线路以外的故障,不能作下一段线路的后备保护,所以线路上还需装设其他保护作本线及下一段线路的后备保护。
相差高频保护选择性好、灵敏度高,广泛应用在110~220kV及以上高压输电
线路上作主保护。
④整定的原理包括不对称起动元件的整定,对称起动元件的整定,阻抗继电器动作阻抗的整定,操作滤过器K的选择,闭锁角的整定。 (2)高频闭锁距离保护
电流保护的主要优点是简单,可靠,经济,但它的灵敏性受系统运行方式变化的影响较大,特别是在重负荷,长距离,电压等级高的复杂网络中,很难满足选择性,灵敏性以及快速切除故障的要求,为此,必须采用性能完善的保护装置,因而就引入
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了“距离保护”。
距离保护是反馈故障点至保护安装点之间的距离或阻抗,并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置的主要元件为距离或阻抗继电器,它可根据其端子所加的电压和电流侧知保护安装处至短路点之间的阻抗值,此阻抗称为阻抗继电器的测量阻抗。其主要特点是:短路点距离保护安装点越近,其测量阻抗越小;相反地,短路点距离保护安装点越远,其测量阻抗越大,动作时间就越长。如图4.5(a)所示,K点短路时,保护1的测量阻抗是ZK,保护2的测量阻抗是(ZABZK)。由于保护1距离短路点较近,而保护2距离短路点较远,所以,保护1的动作时间就比保护2的短。这样故障就由保护1动作切除,不会引起保护2的误动作。这种选择性的配合是靠适当的选择各保护的整定阻抗值和动作时限来完成的。
目前在110kV及以上的中性点直接接地电网采用的距离保护有两段式和三段式,在110kV线路上宜采用三段式,因为三段式不仅适应电网的发展与变化,而且在运行整定只能够,易与相邻线路保护保持严格配合关系。并易于构成方向闭锁式高频保护,同时保留了快速的Ⅰ、Ⅱ段独立工作;
整定的原理:
距离Ⅰ段:①按躲线路末端故障整定
ZdzKKZL1 (4.13)
②按躲线路—变压器(一台)组其他侧母线故障整定
ZdzKKZL1KKBZB (4.14)
式中 KK—可靠系数; ZB—变压器阻抗。
距离Ⅱ段:单回线路末端有变压器,按躲变压器其他侧母线故障整定
' Zdz.KKZL1KKBKZZB (4.15)
式中 Kk—可靠系数,一般取0.8~0.85,这里取0.8; KKB—一般取0.75;
KZ—由于是系统为单侧电源,故KZ1;
'—变压器中压侧等值正序阻抗。 ZB灵敏度的校验:
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KlmZdz. (4.16) ZL1 式中 Klm—灵敏系数,一般取1.3~1.5,这里取1.5;
ZL1—线路正序阻抗。 (3)高频闭锁零序电流保护
零序电流保护属于小接地电流系统的保护方式,它利用当系统发生故璋时零序电流比正常运行时较大的特点,来实现有选择性地发出信号或瞬时切断主回路电源避免事故的发生.尽管此种保护方式属于小接地电流系统,但早已在发电厂、变电站和配电系统中得到较广泛的应用。
零序分量的特点,假设A相发生金属性单相接地短路时,可利用对称分量的方法将电流、电压分解为正序、负序和零序分量,并利用复合序网来表示它们之间的关系.零序电流可看成是在故障点出现一个零序电压亡,而产生的,零序电流经过变压器接地中性点构成回路.零序电流的正方向规定从母线流向故障点,零序电压的正方向是线路指向大地,其主要特点如下:
①线路中任何一点发生接地短路时,该点的三倍零序电流(或电压)都等于该点的三相电流(或电压)的向t和,即:
3I0IAIBIC (4.17) 3U0UAUBUC (4.18) 当系统中A相发生接地短路时,故障点D的电压UDA0,故障点D处的零序
11电压为:UD0(UDBUDC),即故障点的零序电压等于非故障相电压向量和的。
3311故障点的电流ID0ID,即故障点的零序电流等于故障点电流的,并且相位相同。
33 ②故障点的零序电压最高,其值为UD0,距故障点的距离越远,零序电压就越低;变器中性点处,零序电压为零。
③零序电流超前零序电压90o,零序电流的分布,主要决定于线路和中性点接地变压器的零序阻杭,而与电源的数目和位里无关。
④零序功率S0I0U0,由于故障点零序电压最高,所以,故障点的零序功率也
最大,距故障点越远零序功率越小。 整定的原理:
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零序Ⅰ段:按躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0.max,即:
‘ I dzKK3I0.max (4.19)
式中 Kk—可靠系数,一般取 1.2~1.3,这里取1.2。
零序Ⅱ段:由于本变电站为单侧电源供电,故分支系数Kfz1,则零序Ⅱ段的起动电流应整定为:
I''dz''KK'Idz (4.20) Kfz'' 式中 KK—可靠系数,取1.3。
零序Ⅱ段灵敏系数为:
Klm3I0.min (4.21) ''Idz 零序Ⅲ段:按躲开下一线路出口处相见短路时所出现的最大不平衡电流来整定,即:
''' Idz KKIbp.maxKKKfzqKtxfId.max (4.22)
本次设计在110kV线路上装设功能齐全、性能良好的故障录波装置。故障录波屏是对电力系统运行状况进行监控的一种自动化设备。系统正常运行时,录波装置不启动录波,当系统发生故障时,通过启动装置迅速启动录波器录波,自动地、准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况,通过这些电气量的分析、比较,对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平均有着重要作用。 。第Ⅰ段为无时限电流速断保护或无时限电流闭锁电压速断保护;第Ⅱ段为带时限电流速断保护或带时限电流闭锁电压速断保护;第Ⅲ段为过电流保护或低电压闭锁的过电流保护。但根据被保护线路在电网中的地位,在能满足选择性、灵敏性和速动性的前提下,也可只装设Ⅰ、Ⅲ段,Ⅱ、Ⅲ段或只装设第Ⅲ段保护。
4.3.2 35kV线路保护配置
(1)参考《电力工程电气设计手册—二次部分》中的规程规定,本变电所35kV线路的主保护三段式电流保护。其瞬时电流速断保护动作特性分析图以及保护原理接线图分别如图4.6、4.7所示;定时限过电流保护单相原理接线图以及保护工作原理
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图分别如图4.8、4.9所示。
QFYT+KA+KAM+KSTA
图4.6 瞬时电流速断保护原理接线图
QFYT +KA+KT+KS信号-TA-
图4.7 定时限过电流保护单相原理接线图
GA1K1L1l1B2K2L2CIK12NMIKB.maxIop1lminlmaxl
图4.8 瞬时电流速断保护动作特性分析图
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GA1QF1BL1l12QF2CL23QF3L3K1tΔtt1t2Δtt30l
图4.9 定时限过电流保护工作原理图
整定的原则:
①瞬时(无时限)电流速断保护
瞬时电流速断保护(又称第Ⅰ段电流保护)它是反映电流升高,不带时限动作的一种电流保护。
在单侧电源辐射形电网各线路的始端装设有瞬时电流速断保护。当系统电源电势一定,线路上任一点发生短路故障时,短路电流的大小与短路点至电源之间的电抗(忽略电阻)及短路类型有关,三相短路和两相短路时,流过保护安装地点的短路电流为: Ik3 Ik2Es (4.23)
XsX1lEs3 (4.24) 2XsX1l 式中 Es—系统等效电源相电势;
Xs—系统等效电源到保护安装处之间的电抗; X1—线路单位公里长度的正序电抗; l—短路点至保护安装处的距离。
电流速断保护的动作电流可按大于本线路末端短路时流过保护安装处的最大短路电流来整定,即
'' Iop(4.25) K1KIKB.max
' 式中 Iop 1—保护装置Ⅰ段瞬时电流速断保护的动作电流,又称一次动作电流;
' KK—可靠系数,考虑到继电器的整定误差、短路电流计算误差和非周期
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分量的影响等而引入的大于1的系数,一般取1.2~1.3; IkB.max—被保护线路末端发生三相短路时流过保护安装处的最大短路 电流,一般取次暂态短路电流周期分量的有效值。 ②灵敏系数的校验
瞬时电流速断保护的灵敏系数,是用其最小保护范围来衡量的,规程规定,最小保护范围lmin不应小于线路全长的15%~20%。得最小保护长度为: lmin13E ('sXs.max) (4.26)
X12Iop1式中 Xs.max—系统最小运行方式下,最大等值电抗,; X1—输电线路单位公里正序电抗,/km。 同理,得最大保护区为: lmax1Es ('Xs.min) (4.27)
X1Iop1 式中 Xs.min—系统最大运行方式下,最小等值电抗
通常规定,最大保护范围lmax50%l(l为被保护线路长度),最小保护范围
lmin(15%~20%)l时,才能装设瞬时电流速断保护。
③限时电流速断保护
由于瞬时电流速断保护不能保护线路全长,因此可增加一段带时限的电流速断保护(又称第Ⅱ段电流保护)。用以保护瞬时电流速断保护保护不到的那段线路,因此,要求限时电流速断保护应能保护线路全长。
'' 限时电流速断保护的动作电流Iop1应大于相邻支路的瞬时电流速断保护的动作电''''流Iop,即II2op1op2,写成等式为
''''' Iop 1KKIop2 (4.28)
'' 式中KK—配合系数,因考虑短路电流非周期分量已经衰减,一般1.1~1.2。
④灵敏系数的校验
KsemIk.min (4.29) ''Iop式中 Ik.min—在被保护线路末端短路时,流过保护安装处的最小短路电流;
'' Iop—被保护线路的限时电流速断保护的动作电流。
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规程规定,Ksen1.3~1.5。 ⑤时限整定
为了保证选择性,保护1的限时电流速断保护的动作时限t1'',还要与保护2的瞬
''时电流速断保护、保护3的差动保护(或瞬时电流速断保护)动作时限t2、t3相配合,
即:
't t1''t2(4.30)
' t1''t3(4.31) t
式中 t—时限级差。
对于不同型式的断路器及保护装置,t在0.3~0.6s范围内。 ⑥定时限过电流保护
定时限过电流保护动作电流整定一般应按以下两个原则来确定:
A.在被保护线路通过最大正常负荷电流时,保护装置不应动作,即:
''' Iop 1IL.max (4.32)
B.为保证在相邻线路上的短路故障切除后,保护能可靠地返回,保护装置的返回
电流Ire应大于外部短路故障切除后流过保护装置的最大自起动电流Is.max,即:
IreIs.max (4.33) 根据第B条件,过电流保护的整定式为:
I'''op1'''KrelKss IL.max (4.34)
Kre''' 式中 Krel—可靠系数,取1.15~1.25
Kss—负荷自起动系数,由电网电压及负荷性质所决定,取2~5 Kre—返回系数,与保护类型有关。电流继电器的返回系数一般取 0.85~0.95 IL.max—最大负荷电流。 ⑦灵敏系数的校验
KsemIk.min (4.35) '''Iop 30
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当过电流保护作为本线路主保护的近后备保护时,Ik.min应采用最小运行方式下,本线路末端两相短路的短路电流来进行校验,要求Ksen1.3~1.5;当过电流保护作为相邻线路的远后备保护时,Ik.min应采用最小运行方式下,相邻线路末端两相短路时的短路电流来进行校验,要求Ksen1.2;作为y,d连接的变压器远后备保护时,短路类型应根据过电流保护接线而定。 ⑧时限整定
为了保证选择性,过电流保护的动作时限按阶梯原则进行整定,这个原则是从用户到电源的各保护装置的动作时限逐级增加一个t。
在一般情况下,对于线路Ln的定时限过电流保护动作时限整定的一般表达式为 tnt(n1).maxt (4.36) 式中 tn—线路Ln过电流保护的动作时间
t(n1).max—由线路Ln供电的母线上所接的线路、变压器的过电流保护最长动 作时间[1]。
(2)零序保护
在中性点非直接接地电网(又称小接地电流系统)中发生单相接地时,由于故 障点的电流很小,而且三相之间的线电压仍然保持对称,对负荷的供电没有影响,因 此,在一般情况下都允许再继续运行1~2小时,而不必立即跳闸。但是在单相接地以后,其他两相的对地电压要升高3倍,为了防止故障的进一步扩大成两点或多点接地短路,就应及时发出信号,以便运行人员采取措施予以消除。因此,在本设计中需对35kV线路装设零序保护。
零序电流保护保护是利用故障线路零序电流较非故障线路大的特点来实现有选择性地发出信号或动作于跳闸。一般使用在有条件安装零序电流互感器的线路上(如电缆线路或经电缆引出的架空线路);当单相接地电流较大,足以克服零序电流过滤器中不平衡电流的影响时,保护装置也可以接于三个电流互感器构成的零序回路中。
整定的原理:为了保证动作的选择性,保护装置的起动电流Idz应大于本线路的电容电流,即:
IdzKK3UC0 (4.37) 式中 C0被保护线路每相的对地电容。
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灵敏系数的校验:由于流经故障线路上的零序电流为全网络中非故障线路的电容电流的总和,可用3U(CC0),因此灵敏系数为:
Klm3U(CC0)KK3UC0CC0 (4.38) KKC0式中 C为同一电压等级网络中,各元件每相对地电容之和[5]。 (3)距离保护
距离保护的采用原则:
对于35kV及以上中性点非直接接地电网,在下述情况下可以考虑采用距离保护。
①结构简单的双侧电源辐射状和单侧电源环状电网的非电源侧,采用无时限和带
时限的电流、电压保护不能满足选择性、灵敏系数和快速动作的要求时; ②结构复杂的多侧电源辐射状,双侧电源环状电网和单侧电源环状电网;
ZKZAB+ZKt2'''t2''t2't1' t1'''t1''Z'op2Z'op1Z\"op1Z\"op2'
图4.10 距离保护的基本原理
③ 双侧电源的平行线路(包括带分支线的平行线路)采用无时限和带时限的电
流、电压保护作为单回线运行的主保护不能满足选择性、灵敏系数和快速动作的要时;
④双侧电源辐射状线路装设有纵联差动保护时;
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0.1~0.3SI2ⅠZKⅡZKⅢZK 5~7S0d启动回路逻辑回路t0tt跳闸0
图4.11 距离保护原理接线图
⑤在某些情况下,为了给与相邻的保护的整定配合创造有利条件,也可以根据实际系统特点采用距离保护作为相间故障和两点接地短路的主要保护。
在中性点非直接接地电网中,通常选用具有阶梯时限特性构成的三段式距离保护,第一、二段为本线路的主保护,第三段为后备保护。
4.3.3 自动重合闸
自动重合闸的采用是系统安全经济运行的客观要求。架空线路绝大多数的故障都是瞬时的,主要是由雷电等所引起的闪络,永久故障一般不到10%。因此,采用自动重合闸,不仅提高供电的安全性,减少停电损失,自动恢复整个电力系统的正常运行状态,而且对高压电网还提高了其暂态稳定水平,增大送电容量。
在本次设计中,由于110kV线路在电气上联系不是很紧密,同时结合三相自动重合闸各种方式的特点,经分析对110kV侧线路的三相重合闸采用具有同步检定和无压检定的重合闸[3]。
4.3.4 输电线路保护装置选型
110kV
线路
本次设计110kV线路采用DMP9100成套保护装置。DMP9100产品为由微机实现的数字式输电线路快速保护装置,适用于110kV电压等级的输电线路,满足变电站综合自动化系统的要求,可作为110kV输电线路的主保护或后备保护。 DMP9100包括完整的三段相间距离和接地距离、高频相差保护、零序过流反时限、四段零序方向过流保护、变压器远后备保护、不对称相继速动保护、双回线相继速动保护、低周保护、双回线跨线不接地保护、TV断线后紧急状态保护,配置有三相一次重合闸、重合闸后加速、故障测距、故障选相、和过负荷告警等功能,装置还带有跳合闸操作回路和电压切换回路。
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性能特点:
(1)动作速度快,距离一段动作时间t≤30ms。32位的高速DSP保证了高精度的快速计算,每周波32点采样,并能在每个采样间隔对所有继电器实现实时计算,提高了采样的精度,保证了保护的可靠性和速动性可靠的振荡闭锁功能,保证距离保护在系统振荡加区外故障时能可靠闭锁不误动,而在振荡加区内故障时能可靠切除故障。
(4)距离保护能够可靠切除区内高阻接地故障。
(5)在手动和自动合闸时,如果合闸于故障,则保护加速动作。 (6)起动元件对各种故障有很高的灵敏度,同时又不会频繁起动。 (7)一侧电源为弱电源时双回线横联保护仍能可靠动作。 (8)提供复故障保护功能。
(9)MP9100对系统中造价昂贵的变压器能够起到可靠的远后备保护作用 (10)与其他厂家产品相比,MP9100针对系统中出现的由于农用薄膜导致的跨线不接地故障引入保护功能。
(11)完善的事故分析功能,包括保存最新的128次动作报告,24次故障录波报告,以及对保护投退、装置运行和开入的记录。
(12)就地打印功能可以打印事件记录、定值单、录波记录等信息,同时支持共享打印机配置接口。
(13)通信基本配置为:打印机接口,Modem或IAP下载电缆接口,
RS485/RS232接口,差分GPS脉冲对接口和异步广播通信接口。可选配置为:Ethernet接口,支持10M和100M自动协商及全双工和半双工的10/100base-T双
绞线接口,支持多模和单模的100base-F光纤接口,CAN总线接口,提供符合
CAN2.0B接口,传输速率为60Kbps,传输距离1km。
(14)支持多种电力行业通用的标准通信规约(IEC60870-5-101、
IEC60870-5-103、IEC60870-5-104)。
(15)高分辨率、抗噪声好的交流采样系统:模拟输入回路的零漂抑制、EMI抑制。全差分输入,能有效抑制二阶交调干扰和共模干扰。高灵敏度脉冲成形电路和硬件测频。同步跟踪电网频率变化,自动实现同步采样和定时采样切换。
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(16)完善的软硬件自检体系和冗余设计,提高软硬件可靠性。 (17)大屏幕彩色液晶使得显示界面更加美观、实用[5]。
35kV线路
35kV线路部分采用TSR 611L线路成套保护装置。TSR 611L线路保护装置
是由距离保护、零序保护和三相一次重和闸等构成的保护装置,并集成了电压切换和三相操作箱,适用于110kV及以下输配电系统的线路保护。TSR 611L线路保护装置既适用于使用架空线路也适用于地下电缆。
装置配置的主要保护有三段式相间距离、三段式接地距离、三段式零序电流保护、 三段式相电流保护、三相一次重合闸、失灵保护、双母线电压切换回路、故障录波、故障测据、TV断线检测、手动检同期。 主要技术参数
(1)额定直流电源:电压为0.4V-70V,电流为0.031In20In。 (2)模拟量回路精度:电流、电压:0.5级。 (3)接点容量:信号回路接头载流容量400VA。
(4)跳合闸电流:本装置跳和闸电流采用自适应模式,无需选择。
(5)整组动作时间:相间和接地距离Ⅰ断的动作时间0.7倍整定值时测量,不大于30ms。
(6)零序Ⅰ段的动作时间:1.2倍整定值时测量,不大于30ms。
(7)暂态超越:距离保护Ⅰ段、零序保护Ⅰ段和过流Ⅰ段均不大于5%。最小整定阻抗(不包括因装置外部原因造成的误差),暂态超越不大于5%的最小整定二次侧阻抗值为0.01Ω。
(8)环境温度:工作温度为-10℃~+55℃,贮存温度为-25℃~+85℃,在极限值下不施加激励量,装置不出现不可逆的变化,温度恢复后,装置应能正常工作。 (9)相对湿度:最湿月的平均最大相对湿度为90%,同时该月的月平均最低温度为25℃且表面无凝露。最高温度为+40℃时,平均最大相对温度不超过50%。 (10)大气压力为86-106Kpa(相对海拔高度2km以下)。 装置主要特点
(1)采用距离保护、零序电流保护重合闸等作为线路保护元件。
(2)动作速度快,线路70%处故障典型动作时间小于15ms,线路其他处的故
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障小于30ms。
(3)完善可靠的振荡闭锁功能,能快速区分系统振荡于故障,在振荡闭锁期间,
系统无论发生不对称故障还是发生三相故障,保护都能可靠快速地动作。 (4)完善的自动重合闸功能。
(5)采用多CPU结构,各CPU相互独立。 (6)全汉化显示操作界面。
(7)透明化设计,保护在系统故障时的动作过程可以全息再现,便于分析保护装置的性能和动作结果。
(8)强大的故障录波功能,可以保存960次事件,最多48次故障录波报告(包括内部动作过程),故障时有重要开关量变化时,会自动多次启动录波并且记录重要开关量(如跳闸、合闸)的变化。录波数据可以转为COMTRADE格式。 (9)配有双以太网通讯接口,通讯规约支持IEC 60870-5-103,装置外形尺寸
6英寸高,19英寸宽。
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5 操作电源的设计
在变电站中,为了供给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵和交流不停电电源装置等的用电,要求有可靠的直流电源。为此,110kV及以上变电站通常用蓄电池做直流电源,其电源必须有高度的可靠性和稳定性,电源容量和电压质量均应在最严重的事故情况下保证用电设备的可靠工作。
5.1 常用的操作电源的类别
(1)由蓄电池组供电的直流操作电源,具有可靠性高和容量较大的突出优点,但投资较大,运行维护也较复杂。
(2)整流操作电源,目前应用最为广泛,常用的有硅整流电容储能的和带镉镍蓄电池的硅流的两种。
(3)交流操作电源,具有简单经济、便于运行维护的突出优点,在小型变电所中应用很广。
(4)直流混合操作电源,例如合闸采用交流操作电源,而继电保护、自动装置和跳闸采用蓄电池组供电。
5.2 直流操作电源设计的基本要求
(1)变电站的直流母线,宜采用单母线或分段单母线的接线。采用分段单母线时,蓄电池应能切换到任意母线。
(2)重要变电站的操作电源,宜采用一组110V或220V固定铅酸蓄电池组或镉镍蓄电池组。作为充电、浮充电用的硅整流装置宜用一套。其他变电站的操作电源,宜采用成套的小容量镉镍电池装置或电容器储能装置。
(3)供一级负荷的变电站,当装有电磁操动机构的断路器时,应采用220V或
110V蓄电池组作为合、分闸的直流操作电源;当装有弹簧储能操动机构的断路器时,
应采用小容量镉镍电池装置租租作为合、分闸的操作电源。
(4)中型变电站当装有电磁操动机构的断路器时,合闸电源宜采用硅整流,分闸电源宜采用小容量镉镍电池装置或电容储能。采用硅整流作为电磁操动机构合闸电源时,应校核该整流合闸电源能保证断路器在事故情况下可靠合闸。
(5)蓄电池组的容量,应满足下列要求:①根据DL/T5044-2004电力工程直
流系统设计技术规程,应满足全站事故停电1h的放电容量,在无人值守的变电站为
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2h。②事故放电末期最大的冲击负荷容量。③小容量镉镍电池装置中的镉镍电池容
量,应满足分闸、信号和继电保护的要求。
(6)当采用蓄电池组作为直流电源时,由浮充电设备引起的波纹系数不应大于
5%;电压波动应控制在额定电压的5%以内。放电末期直流母线电压下限不应低于
额定电压的85%,充电末期直流母线电压上限不应高于额定电压的115%。 (7)接线方式采用单母线分段接线,变电站的蓄电池组均不设端电池。 (8)事故照明采用由直流母线引出事故馈线直接供电的方式,变电站不装设事故切换装置。
5.3 充电装置选择
(1)蓄电池的充电装置宜选用高频开关整流装置或晶闸管式整流装置,应满足蓄电池充电和浮充电要求。
充电装置应具有稳压、稳流及限流性能,宜采用微机型。具有浮充电、自动均衡充电和手动稳流充电等功能:应为长期连续工作制。
充电装置的交流输入宜为三相制,额定频率为50Hz,额定电压为380V±10%。小容量充电装置的交流输入可采用单相220V±10%。
(2)在选择充电装置时,充电装置的额定电流的选择应满足满足浮充电流要求,大于初充电电流,大于均衡充电电流。浮充电的输出电流应按经常负荷电流与蓄电池自放电流之和选择。
(3)充电装置的输出电压调节范围应满足蓄电池放电末期和充电末期电压的要求。浮充电装置直流侧的长期工作电压对于220V和110V蓄电池组分别为230V和
115V。
(4)高频开关充电装置的谐波干扰、电磁兼容•、均流系数、功率因数等指标应符合有关标准。
(5)直流屏上的设备及导体选择。
①直流屏和充电装置屏宜采用柜式加强型结构,其防护等级不低于IP20。 直流屏正面仪表板应能开启,屏后宜开门,前门下部和后门上部宜设百叶窗。外形尺寸宜采用800mm×600mm×2200mm(宽×深×高)。
②直流屏主母线宜采用阻燃绝缘铜母线,应按1h放电率或充电设备的额定电流计算长期允许载流量,并应进行短路电流热稳定校验和按短时最大负荷,校验其温度
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不超过绝缘体的允许事故过负荷温度。单体蓄电池之间宜采用绝缘软导线连接。 ③蓄电池出口回路的保护电器的额定电流,应按蓄电池1h放电率电流再加大一级选择,并应与直流馈线回路保护电器相配合。 ④操作电器应按回路额定电压和额定电流选择。 ⑤直流馈线的动开关和熔断器的选择应符合下列规定: a.额定电压应大于或等于回路的工作电压。
b.对于直流电动机馈线应考虑电动机启动电流;对于控制、信号馈线应按短时最大工作电流选择。
c.电磁型操动机构合闸线圈回路的自动开关或熔断器熔件,可按0.2~0.3倍的额定合闸电流选择,但自动开关过载脱扣时间或熔件的熔断时间应大于断路器固有合闸时间。
d.自动开关应选择直流空气开关,其过载保护应满足干线较支线大2~4级的要求;依据短路电流计算,还应保证短路时的选择性及可靠动作。 ⑥蓄电池与直流屏
a.蓄电池与直流屏之间的联络电缆长期允许载流量的选择应按蓄电池lh放电率电流或事故放电初期1min放电电流二者取大者。电压降应不大于计算允许值,宜取额定电压的1%。
b.直流动力馈线电缆截面应根据最大负荷电流,并按直流母线计算的最低电压和用电设备的允许电压选择。
c.直流屏与直流分电屏电缆截面应根据最大负荷电流选择。电压降宜取额定电压的0.5%。
⑦合闸回路电缆截面的选择应符合下列规定:
a.当蓄电池浮充运行时,应保证最远1台断路器可靠合闸所需的电压(合闸网络为环状供电时,应按任一电源侧电缆断开的条件)。
b.当事故放电直流母线电压在最低电压值时,应保证恢复供电的断路器能可靠合闸所需的电压。
5.4 直流设备布置
(1)蓄电池组宜布置在电气控制楼底层或电气控制室附近。不同容量、不同电压的蓄电池可以同室布置,但酸性蓄电池和碱性蓄电池不应在同一室内。
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(2)直流系统充电装置和直流屏(柜)宜布置在控制室内,也可布置在专用的电源室内。
(3)蓄电池室内应有运行检修通道。通道一侧装设蓄电池时,通道宽度不应小于800mm;两侧均装设蓄电池时,通道宽度不应小于1000mm。 (4)直流屏(柜)的布置,应考虑运行维护及调试方便。
(5)碱性镉镍蓄电池可安装在屏(柜)内,也可在室内成架排列,应保证蓄电池组的绝缘性能,并便于观察液面,便于维护与检修。阀控式密封铅酸蓄电池应根据出厂要求,采用立式或卧放方式安装在蓄电池屏(柜)或架上。
5.5 直流系统绝缘监测装置的选择及配置要求
(1)为防止由于直流系统两点接地造成继电保护和自动装置的误动作,直流系统中必须装设能连续工作且足够灵敏的绝缘状态监视装置。直流系统的绝缘监察装置采用直流绝缘监测继电器,当直流系统中任一极绝缘降低到允许值以下时,继电器动作发出信号。
(2)电压监察装置由两只电压继电器组成,当直流系统出出电压或过电压时,发出信号。
5.6 交流操作电源的设计要求
(1)小型配电所宜采用弹簧储能操作机构合闸和去分流分闸的全交流操作。 (2)当采用交流操作的保护装置时,短路保护可由被保护元件的电流互感器取得操作电流。变电器的瓦斯保护和中性点非直接接地电力网的接地保护,可由电压互感器或所用变压器取得操作电源,亦可增加电容储能电源作为跳闸的后备电源。 (3)保护装置由在线式UPS装置取得操作电源[1]。
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第二部分 设计计算书
6参数计算
系统各参数基准值的选取如表6.1:
表6.1 各参数基准值
电气量
关系式
基准值
100
Sj(MVA) Uj(kV)
Ij(kA)
UjUav
115 0.502
37 1.56
10.5
5.50
IjSj3Uj
计算各电抗标幺值(以下电抗标幺值均省去下标“*”符号)得:
L46.8km, L119.5km, L2L310km,L5L75km,L66.5km L83.9km,
Sj100MVA,UjUav1.05UN
(Sj—基准容量,Uj—基准点压,Uav—平均电压,UN—额定电压) (不考虑负荷对短路电流的影响): 110kV侧线路:选取XL0.4/km X1XLL1SjU2j0.419.51000.06 2115 主变压器:
11 UK1%(UK12%UK13%UK23%)(10.517.56.5)10.75
2211 UK2%(UK12%UK23%UK13%)(10.56.517.5)0.25
2211 UK3%(UK13%UK23%UK12%)(17.56.510.5)6.75
222Sj10.751102100UK1%VN X20.34
100SNVj210031.511522Sj0.251102100UK2%VN X320.008 2100SNVj10031.51152Sj6.751102100UK3%VN X40.21
100SNVj210031.51152 41
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35kV线路侧:选取XL0.4/km X5X6XLL2SjU2j0.4101000.29 372 10kV侧的电缆选取XL0.08/km
X7XLL4SjU2j0.086.8SjU2j1000.49 210.51000.36 10.52X8X10XLL5SjU2jSjU2j0.085X9XLL60.086.51000.47 210.51000.28 210.5X11XLL80.083.9 由以上可得,各元件的参数列表如表6.1所示。
表6.1 各元件阻抗值的计算公式
计算公式
序号
元件名称
给定参数
(Sj=100MVA)
2N计算值 高压侧:0.34
阻抗电压百分
1
变压器
比UK%
X=
SjUK%V××2 中压侧:-0.008 100SNVj低压侧:0.21
2 110kV侧线路 线路长度L1
XX0LSjU2j
0.06
3 35kV侧线路 线路长度L2、L3
XX0LSjU2j
0.29
4 10kV侧线路
线路长度L4、L5、L6、L7、L8
XX0LSjU2j
0.49、0.36、0.47、
0.36、0.28
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7短路电流计算
7.1 110kV母线发生故障的短路电流计算
作出正序等值网络图如下:
X5X1X2X3X6E1+-+-X4Va(1)X7X8X9X10X11
图7.1 正序等值网络图
X12 X131X50.145 2110.075
1111111111X7X8X9X10X110.490.360.470.360.28 X14X13X40.0750.210.285 X15X12X30.145-0.0080.137 等值电路图可简化为:
X1X2X15+EVa(1)+-X14-
图7.2 正序等值网络简化图
X16X14X150.2850.137X20.340.43
X14X150.2850.137E1X160.0610.88 X1X160.060.4343
Eeq
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Xff(1)X1X160.060.430.053 X1X160.060.43 Xff(2)Xff(1)0.053 零序阻抗网络图如下:
3X1X2+-
Va(0)
图7.3 零序等值网络图
Xff(0)3X1X230.060.340.118
3X1X230.060.34 由此可得三相短路电流为:
I3fa(1)EeqXff(1)Ij0.880.5028.34kA 0.053 两相接地短路电流的正序、负序和零序分量分别为:
I(1,1)fa(1)Xff(1)EeqIjXff(2)Xff(0)Xff(2)Xff(0)1,1)I(fa(1)0.880.5024.91kA
0.0530.1180.0530.0530.118 I(1,1)fa(2)Xff(0)Xff(0)Xff(2)Xff(2)Xff(0)Xff(2)0.1184.913.39kA
0.0530.1180.0534.911.52kA
0.0530.1181,1) I(fa(0)1,1)I(fa(1) 故两相接地短路的全电流为:
I(1,1)fa31Xff(2)Xff(0)(Xff(2)Xff(0))21,1)I(fa31(1)0.0530.1184.917.53kA
(0.0530.118)2 两相短路电流的正序分量和负序分量为:
2 I2fa(1)Ifa(2)EeqXff(1)Xff(2)Ij0.880.5024.16kA
0.0530.053 故两相短路的全电流为:
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2 I2fa3Ifa(1)34.167.22kA
单相接地短路电流的正序、负序和零序电流分量为:
11I1fa(1)Ifa(2)Ifa(0)EeqXff(1)Xff(2)Xff(0)Ij0.880.5021.97kA20.0530.118 单相接地短路的全电流为:
1 I1fa3Ifa(1)31.975.91kA
7.2 35kV母线发生故障的短路电流计算
作出正序等值网络图如下:
X5X1X2X3X6+E1X4+-Va(1)-X7X8X9X10X11
图7.4 正序网络图
X12 X131X50.145 2110.075
1111111111X7X8X9X10X110.490.360.470.360.28 X14X13X40.0750.210.285
X15
E2(X1X2)X14(0.060.34)0.2850.17
X1X2X140.060.340.285E1X1410.2850.42
X1X2X140.060.340.285E2X120.420.1450.198
X3X120.170.0080.145 EeqX15 Xff(1)
(X15X3)X12(0.170.008)0.1450.076
X15X3X120.170.0080.14545
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网络图化简为:
X15X3X12+E2+Va(1)--
图7.5 网络简化图
同理负序电抗:Xff(2)Xff(1)0.076 零序等值网络图为:
x3 +-
图7.6 零序网络图
Va(0)3x12 Xff(0)3X12X330.145(0.008)0.008
3X12X330.1450.008 由此可得三相短路电流为:
I3fa(1)EeqXff(1)Ij0.1981.564.06kA 0.076 两相接地短路电流的正序、负序和零序分量分别为:
I(1,1)fa(1)Xff(1)1,1) I(fa(2)EeqIjXff(2)Xff(0)Xff(2)Xff(0)1,1)I(fa(1)0.1981.564.63kA
0.076(0.008)0.0760.0760.008Xff(0)Xff(0)Xff(2)Xff(2)Xff(0)Xff(2)0.0084.630.55kA
0.076-0.0080.0764.635.17kA
0.0760.008 I(1,1)fa(0)1,1)I(fa(1) 故两相接地短路的全电流为:
1,1)31 I(faXff(2)Xff(0)(Xff(2)Xff(0))21,)I(fa31(1)0.076(0.008)4.638.53kA 2(0.0760.008) 46
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两相短路电流的正序分量和负序分量为:
I2fa(1)I2fa(2)EeqXff(1)Xff(2)Ij0.1981.562.03kA
0.0760.076 故两相短路的全电流为:
2 I2fa3Ifa(1)32.033.52kA
单相接地短路电流的正序、负序和零序电流分量为:
I1fa(1)I1fa(2)I1fa(0)EeqXff(1)Xff(2)Xff(0)Ij0.1981.562.145kA20.0760.008 单相接地短路的全电流为:
1 I1fa3Ifa(1)32.1456.44kA
7.3 10kV母线发生故障
作出正序等值网络图如下:
X5X6E1X1X2X3X4X7X8+Va(1)X9X10X11-+-
图7.7 正序等值网络图
X12 X131X50.145 2110.075
1111111111X7X8X9X10X110.490.360.470.360.28 X14X12X30.1450.0080.137
X15
E2(X1X2)X14(0.060.34)0.1370.102
X1X2X140.060.340.137E1X1410.1370.255
X1X2X140.060.340.137 47
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X16X15X40.1020.210.312 等值网络图化简为:
X16X13+E2+Va(1)--
图7.8 正序等值网络简化图
EeqE2X130.2550.0750.05
X16X130.3120.075 Xff(2)Xff(1)0.06 零序等值网络图如下:
x13 +-
图7.9 零序等值网络图
Va(0) Xff(0)X130.075
由此可得三相短路电流为:
I3fa(1)EeqXff(1)Ij0.055.54.58kA 0.06 两相接地短路电流的正序、负序和零序分量分别为:
I(1,1)fa(1)Xff(1)1,1) I(fa(2)EeqIjXff(2)Xff(0)Xff(2)Xff(0)1,1)I(fa(1)0.055.52.96kA
0.060.0750.060.060.075Xff(0)Xff(0)Xff(2)Xff(2)Xff(0)Xff(2)0.0752.961.64kA
0.0750.060.062.961.32kA
0.0750.0648
I
(1,1)fa(0)1,1)I(fa(1)邵阳学院毕业设计(论文)
故两相接地短路的全电流为: I(1,1)fa31Xff(2)Xff(0)(Xff(2)Xff(0))21,)I(fa31(1)0.060.0752.964.44kA 2(0.060.075) 两相短路电流的正序分量和负序分量为:
2I I2fa(1)fa(2)EeqXff(1)Xff(2)Ij0.055.52.29kA
0.060.06 故两相短路的全电流为:
2 I23Ifafa(1)32.293.97kA
单相接地短路电流的正序、负序和零序电流分量为:
11I1fa(1)Ifa(2)Ifa(0)EeqXff(1)Xff(2)Xff(0)Ij0.055.51.41kA
20.060.075 单相接地短路的全电流为:
1 I13Ifafa(1)31.414.23kA
7.4 35kV线路末端发生故障
作出正序等值网络图如下:
X5X1X2X3X6+E1X4Va(1)X7X8X9X10X11+--
图7.10 正序等值网络图
X12X131X50.145 2110.075
1111111111X7X8X9X10X110.490.360.470.360.28 X14X13X40.0750.210.285 X15
(X1X2)X14(0.060.34)0.2850.17
X1X2X140.060.340.28549
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EeqE1X1410.2850.42
X1X2X140.060.340.285 Xff(1)X15X3X120.1700.0080.1450.307 同理负序电抗:Xff(2)Xff(1)0.307 零序等值网络图为:
X5X3X6+Va(0)-
图7.11 零序等值网络图
Xff(0)X12X30.1450.0080.137
由此可得三相短路电流为:
I3fa(1)EeqXff(1)Ij0.421.562.13kA 0.307 两相接地短路电流的正序、负序和零序分量分别为:
I(1,1)fa(1)Xff(1)1,1) I(fa(2)EeqIjXff(2)Xff(0)Xff(2)Xff(0)1,1)I(fa(1)0.421.561.64kA
0.3070.1370.3070.3070.137Xff(0)Xff(0)Xff(2)Xff(2)Xff(0)Xff(2)0.1371.640.51kA
0.3070.1370.3071.641.13kA
0.3070.137 I(1,1)fa(0)1,1)I(fa(1) 故两相接地短路的全电流为: I(1,1)fa31Xff(2)Xff(0)(Xff(2)Xff(0))21,)I(fa31(1)0.3070.1371.642.52kA
(0.3070.137)2 两相短路电流的正序分量和负序分量为:
I
2fa(1)I2fa(2)EeqXff(1)Xff(2)Ij0.421.561.07kA
0.3070.30750
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故两相短路的全电流为:
2 I2fa3Ifa(1)31.071.84kA
单相接地短路电流的正序、负序和零序电流分量为:
I1fa(1)I1fa(2)I1fa(0)EeqXff(1)Xff(2)Xff(0)Ij0.421.560.87kA
20.3070.137 单相接地短路的全电流为:
1 I1kA fa3Ifa(1)30.872.61 列出各点短路电流计算结果如下表。
表7.1 各点短路电流值
短路点
三相短路
110kV母线上
短路类型
两相接地短路
1,1)I(fa(1)4.91kA1,1)I(fa(2)3.39kA1,1)I(fa(0)1.52kA
两相短路 单相短路
I3fa(1)8.34kA
II2fa(1)2fa(2)4.16kA4.16kA
I1fa(1)1.97kAI1fa(2)1.97kAI1fa(0)1.97kA
35kV母线上
I3fa(1)4.06kA 1,1)I(fa(1)4.63kA1,1)I(fa(2)0.55kA1,1)I(fa(0)5.17kA
II2fa(1)2fa(2)2.03kA2.03kA
I1fa(1)2.45kAI1fa(2)2.45kAI1fa(0)2.45kA
35kV线路末端
I3fa(1)2.13kA 1,1)I(fa(1)1.64kA1,1)I(fa(2)0.51kA1,1)I(fa(0)1.13kA
II2fa(1)2fa(2)1.07kA1.07kA
I1fa(1)0.87kAI1fa(2)0.87kAI1fa(0)0.87kA
10kV母线上
I3fa(1)4.58kA 1,1)I(fa(1)2.96kA1,1)I(fa(2)1.64kA1,1)I(fa(0)1.32kA
II2fa(1)2fa(2)2.29kA2.29kA
I1fa(1)1.41kAI1fa(2)1.41kAI1fa(0)1.41kA
51
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8互感器的选型 8.1 电流互感器的选型
根据电压器的变比以及接线方式得知:110kV侧装设的电压互感器的一次侧额定电流为IeSe3ue315003110,其接线方式为三角形接线。 165.337(A)互感器的计算变比为:互感器二次额定电流Ie3003165.337286,故互感器选择的变比为。电流5552864.7(7A)。 60 35kV侧装设的电压互感器的一次额定电流Ie其接线方式为三角形接线。
互感器的计算变比为:互感器二次额定电流IeSe3ue31500338.5,742.4( A)15003742.41285,故互感器选择的变比为。电流55512854.28 (A)。 30010kV侧装设的电压互感器一次额定电流为Ie其接线方式为星形接线。 互感器的计算变比为:流互感器二次额定电流IeSe3ue31500310.5,1732.1( A)3000400031732.1,故互感器选择的变比为。电 55517322.1(6A)。 800由于电流互感器主要用于差动保护,准确级宜选用D级。
8.2 电压互感器的选型
110000,35kV侧的电压互感器选择的变10010000350000比为,10kV侧的电压互感器选择的变比为。
100100 110kV侧的电压互感器选择的变比为
同理,电压互感器主要用于保护,其准确级选3S。
52
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9整定计算
9.1变压器保护整定计算 9.1.1 纵联差动保护整定
对本次设计来说,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,所以对纵联差动保护进行整定如下:
根据已知的参数,可得变压器差动保护参数结果,见表9.1。选取110kV侧为基本侧(采用BCH-2型差动继电器计算)。
表9.1 电流互感器变比的计算
名称 额定电压(kV) 额定电流Ie(A) TA接线方式 TA一次侧电流(A) 选用TA变比 标准变比 TA二次侧电流Ie2(A) 各侧数值
110 38.5 10.5
315003110165.33731500338.5d
742.4 31500310.5y
1732.1D
3165.337286
286 5300 53742.41285
1285 51500 531732.130003000 54000 52864.77 300512854.28 1500517322.16 40005 (1)避越变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时的励磁电流:
5A) IdzKKIe1.3165214.(
其中KK为可靠系数,取1.3,而Ie定电流。
Se3Ue315003110为变压器的额165(A) (2)避越外部短路时的最大不平衡电流:
''''''IdzKKIbpKK(IbpIbpIbp)
' IbpKfzqKtxfiId.max110.13.40.34(kA)'' Ibp(UU)Id.max(0.050.05)3.40.3(4kA) 53
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''' Ibp (fzdⅠ(kA).fzd.Ⅱ)Id.max(0.050.05)3.40.34得:
'''''' IdzKKIbpKK(Ibp IbpIbp)1.3(0.340.340.34)1.326(kA)'式中 Ibp—电流互感器的误差引起的不平衡电流; '' Ibp—变压器调压分接头改变时引起的不平衡电流;
''' Ibp—平衡线圈不能对变压器各侧之间电流差值进行完全补偿引
起的不平衡电流;
fi—电流互感器容许最大相对误差,采用0.1;
Ktx—电流互感器同型系数,型号相同时取0.5,型号不同时取1; Kfzq—非周期分量引起的误差,取为1;
U、U—在变压器高、中压侧由于调压改变分接头引起的相对误差, 一般采用调压范围的一半,这里取0.05;
Id.max—最大外部故障短路电流周期分量,Id.max3.4kA; fzdⅠ采用中 .、fzd.Ⅱ—继电器整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差, 间值0.05(最大值为0.091)。
(3)躲过电流互感器二次回路断线的最大负荷电流:
5A) Idz1.3Ie1.3165214.(
而保护基本侧的动作电流取:Idz.js1326(A)
(4)确定差动继电器的动作电流和基本侧差动线圈的匝数: 差动继电器的动作电流: Idz.j.jb.jsIe2.jbIdz.jb.jsIe.jb4.771326 38(A)165 其中Ie.jbIe165A为电流互感器的一次侧额定电流;Ie2.jb为电流互感器的二次额定电流。
差动线圈匝数: Wcd.jsAW0Idz.j.jb.js1203.16(t) 38 实际整定匝数选用: Wcd.z( 3t)
54
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所以继电器的实际动作电流为: Idz.j.jb120 40(A)Wcd.z保护装置的实际动作电流为: Idz.jbIdz.j.jbIe.jbIe2.jb401651383(A) 4.77 (5)校验保护的灵敏系数:
当35kV侧发生两相短路时,保护装置灵敏系数最低,即:
KlmKjxIdId.Idz.jbmin13(3)3Id14.06222.55>2 Idz.jb1.383 显然灵敏度满足要求。其中Id..min是变压器差动保护范围内短路时总的最小短路电流有名值(归算到基本侧)。Kjx是保护的接线系数,这里取1。
9.1.2 变压器的后备保护的整定
(1)复合电压启动过流保护,下面对它进行整定与灵敏性校验: 过电流元件动作值Idz按躲开站用变额定电流Ie整定,即: 对于: IdzKk1.1531500Ie223(A) Kf0.853110 其中Kk是可靠系数,一般为1.15~1.25,这里取1.15, Kf是返回系数,这里取
0.85。
当35kV侧两相短路时,保护的灵敏性校验:
KlmKjxIdId.Idzmin13(3)3Id14.062215.2>2,满足要求。 Idz0.223 (2)过负荷保护的整定计算:
取可靠系数Kk为1.05,返回系数Kf为0.85,Ie为保护安装侧变压器额定电流。 变压器额定电流为: IeSe3Ue315003110 165(A) 55
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所以: IdzKk1.05165204(A)Ie 0.85Kf9.2 母线保护整定计算 9.2.1 电流差动保护配置的整定
差电流起动元件的动作电流满足两个整定条件: (1)按躲开母线外部的最大不平衡电流整定,即:
(A) IdzKKKLHKfzqId.max1.30.1185301109
Kk—可靠系数,取1.3;
KLH—电流互感器变比误差,取0.1;
Kfzq—非周期分量系数,一般电流继电器取1.5~2; Id.max—母线差动保护外部短路时流过的最大短路电流。
由于起动元件采用BCH—2型差动继电器,故取Kfzq=1,KLH=0.1,Kk=1.3。 二次电流为:Idz.j=
110918.48(A) 3005120AW6.5(t) Idz.j18.48 BCH—2型差动匝数为:Wcd 取Wcd6匝,Idz.j19A。由于母线保护用110kV系统中,故BCH—2短路线匝为“B~B”。
二次侧起动元件灵敏度计算:Klm (2)电压闭锁元件
三个相间电压元件的动作电压按躲开正常运行的最底电压整定,由于母线短路时的电压闭锁元件的灵敏度较高,为简化计算可直接取Udz.j=(0.6~0.65)Ue.2V。 复合电压闭锁元件整定、负序电压元件动作电压按经验公式:Udz.2 =(0.06~
Id.min35403.1>2,满足要求。
300Idz1950.09)Ue,零序电压元件动作电压按经验公式Udz.0=(15~20)V。
负序电压元件和零序电压元件的灵敏度应高于差电流起动元件灵敏度。 负序电压元件 Udz.26.6 Klm3Udo659.8, 满足要求。 Udz.26.656
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零序电压元件 Udz.018 Klm3Udo653.6, 满足要求。 Udz.0189.3 输电线路的保护整定计算 9.3.1 110kV输电线路的高频相差保护
(1)不对称起动元件的整定
①反映不对称故障的起动元件的整定。国产高频相差保护的起动元件分为高定
值(不灵敏)启动元件和低定值(灵敏)起动元件,当高定值起动元件中采用负序电流I2时,其整定值的计算如下:
躲开最大负荷状态下的不平衡电流:
I2DZgKkI2bpKk(0.01~0.02)IF20.028340333.6(A) 式中 Kk—可靠系数1.5~2.5;
I2bp—最大负荷电流下的不平衡电流; IF—负荷电流。
I2.min339010.16>2,满足要求。 I2DZ.g333.6②起动元件灵敏度按线路末端发生接地短路时最小负序电流来效验:
KL式中
I2min—线路末端接地短路时,流过保护装置的最小负序电流;
KL—稳定灵敏度,一般宜大于2。
起动元件暂态灵敏度是指线路末端发生故障时最小负序电流与三相同时短路时保护能可靠动作的等价负序最小电流之比。此值按各保护装置的具体条件决定。 (2)对称起动元件1Ix和2Ix的整定
对称起动元件是一相电流元件,其中1Ix(低定值)的作用是起动发信机发信,
2Ix(高定值)用以开放比相回路。
①1Ix的动作电流计算:
IDZ(1I)KKIfh.maxKB1.2516.5/0.85729A
式中 Kk— 可靠系数1.15~1.25;
KB— 继电器返回系数,取0.85;
57
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Ifh.max—线路可能的最大负荷电流。
为防止当外部故障电流很大时,一侧由于负荷滤过器的不平衡而起动,而另一侧末起动可能引起误跳闸,因此应满足:
IDZ(1I)I2B41602773(A) KK1.5 式中 Kk— 可靠系数,取1.5;
I2B— 负序滤过器的饱和电流。
IDZ(2I)KKIDZ(1I)1.2729874A
②2Ix的动作电流计算:
式中Kk为可靠系数,其值的选取应考虑线路两侧电流互感器误差、整定值误差、返回系数不一致及分布电容的影响等因素。对中短线路,KK取1.6~2;超高压长线路分布电容电流较大而又无补偿措施时,取2.5~3。 (3)操作滤过器K值的选择
一般情况下,Kk值仅选用6或8两个定值,当电流互感器误差很大时才考虑采用K=4。因为采用较小的Kk值后,可降低外部短路时,电流互感器的误差对电流相位的影响。
线路两侧保护装置复式滤过器的Kk值应相等。否则当外部不对称短路时,线路两侧复式电流滤过器出口总电势的相位差不为1800。
9.3.2 110kV输电线路的距离保护
对于110kV电压级的输电线路,我们根据经验可以直接考虑用距离保护,所以这里的110kV侧线路直接进行距离保护的整定计算和灵敏度校验。 距离Ⅰ段,动作阻抗按下述情况计算:
由于单回线路末端有变压器,则按躲线路—变压器其他侧母线故障整定,即:
Zdz。KkZL1KKBZB0.80.060.750.340.303 式中 ZB—变压器高压侧正序阻抗;
ZL1—线路正序阻抗; KK—可靠系数,一般取0.8; KKB—一般取0.75。
58
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第段的动作时限为继电器本身的固定时限,通常tdz0.06s。 距离Ⅱ段:
(1)动作阻抗应按以下条件计算,一般选其中最小者为整定值。
①由于单回线路末端有变压器,按躲变压器其他侧母线故障整定,即:
'Zdz.KKZL1KKBKZZB0.80.060.7510.008 0.042
式中 Kk—可靠系数,一般取0.8~0.85,这里取0.8; KKB—一般取0.75;
KZ—由于是系统为单侧电源,故KZ1;
' ZB—变压器中压侧等值正序阻抗。
②按满足本线路末端发生故障有足够的灵敏度整定,即: Zdz.KlmZL11.50.060.09
式中 Klm—灵敏系数,一般取1.3~1.5,这里取1.5; ZL1—线路正序阻抗。 (2)第段保护的灵敏系数为: KlmZdz.Ⅱ0.091.5, 满足要求。 ZL10.06第Ⅱ段的动作时限为继电器本身的固定时限以及延时时限,通常取tdz0.11s。
9.3.2 35kV线路三段式电流保护
(1)电流速断保护的动作电流可按大于本线路末端短路时流过保护安装处的最大短路电流来整定,即:
‘‘ I (kA)op1KKIK.max1.24.585.5’ 式中 Iop 1—保护装置Ⅰ段瞬时电流速断保护的动作电流,又称一次动作电流;
‘ K考虑到继电器的整定误差、短路电流计算误差和非周期 K—可靠系数,
分量的影响等而引入的大于1的系数,一般取1.2~1.3; IK.max—被保护线路末端母线上三相短路时流过保护安装处的最大短路 电流,一般取次暂态短路电流周期分量的有效值。 (2)限时电流速断保护
59
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'' 限时电流速断保护的动作电流Iop1应大于相邻支路的瞬时电流速断保护的动作''''电流Iop1,即Iop1Iop1,写成等式为:
''''''''' Iop (kA)1KKIop2KKKKIop1.151.22.613.6’ 式中 K‘ K—配合系数,因考虑短路电流非周期分量已经衰减,一般取1.1~1.2,
这里取1.15。
(3)灵敏系数的校验
KsemIk.min5.51.53>1.5, 满足要求。 ''Iop3.6 式中 Ik.min—在被保护线路末端短路时,流过保护安装处的最小短路电流;
'' Iop—被保护线路的限时电流速断保护的动作电流。
(4)时限整定
为了保证选择性,保护1的限时电流速断保护的动作时限t1'',还要与保护2的
''瞬时电流速断保护、保护3的差动保护(或瞬时电流速断保护)动作时限t2、t3相配
合,即
''t t1''t3 t1''t2t
式中 t—时限级差,一般取0.5s。
对于不同型式的断路器及保护装置,t在0.3~0.6s范围内。 (5)定时限过电流保护
为保证在相邻线路上的短路故障切除后,保护能可靠地返回,保护装置的返回 电流Ire应大于外部短路故障切除后流过保护装置的最大自起动电流IL.max,即:
I'''op1'''KrelKss1.22 IL.max2.616.2(6kA)Kre0.9''' 式中 Krel—可靠系数,取1.15~1.25;
Kss—负荷自起动系数,由电网电压及负荷性质所决定,取2~5; Kre—返回系数,与保护类型有关。电流继电器的返回系数一般取 0.85~0.95; IL.max—最大负荷电流。 (6)灵敏系数的校验
60
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Ksem (7)时限整定
Ik.min8.341.52>1.2, 满足要求。 '''Iop5.5 在一般情况下,对于线路Ln的定时限过电流保护动作时限整定的一般表达式为 tnt(n1).maxt 式中 tn—线路Ln过电流保护的动作时间;
t(n1).max—由线路Ln供电的母线上所接的线路、变压器的过电流保护最长动 作时间;
t—时限级差,一般取0.5s。
9.3.3 35kV侧线路的距离保护:
距离Ⅰ段:动作阻抗按下述情况计算:
(1)对输电线路L2、L3,按保护范围不伸出线路末端整定:即
ZdzⅠ.KkZL0.80.290.232
式中 Kk—可靠系数,一般取 0.8~0.85,这里取0.8;
ZL—L2、L3线路的正序阻抗。
第段的动作时限为继电器本身的固定时限,通常取tdz0.06s。 距离Ⅱ段:(1)按满足本线路末端发生故障有足够的灵敏度整定,即 Zdz.KlmZL11.50.290.435
式中 Klm—灵敏系数,一般取1.3~1.5,这里取1.5; ZL1—线路正序阻抗。 (2)第段保护的灵敏系数为 KlmZdz.Ⅱ0.4351.5, 满足要求。 ZL10.29 第Ⅱ段的动作时限为继电器本身的固定时限以及延时时限,通常取tdz0.11s。
9.3.4 35kV侧线路零序保护的整定
为了保证动作的选择性,保护装置的起动电流Idz应大于本线路的电容电流,即:
(A) IdzKK3UC0KK3I01.230.873.13
式中 C0被保护线路每相的对地电容。
灵敏系数的校验:由于流经故障线路上的零序电流为全网络中非故障线路的电容
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电流的总和,可用3U(CC0),因此灵敏系数为:
Klm3U(CC0)KK3UC0CC02C021.54>1.2 ,满足要求
KKC0KKC01.3式中 C为同一电压等级网络中,各元件每相对地电容之和[5]。
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总结
本次变电站设计主要是电气二次部分,它主要包括短路电流的计算,互感器的配置,整定计算,变压器保护,母线保护,线路保护等。
电力系统是国民经济的重要能源部门,而变电站的设计是电力工业建设中必不可少的一个项目。由于变电站的设计内容多,范围广,逻辑性强,不同电压等级,不同类型,不同性质负荷的变电站设计时所侧重的方面是不一样的。设计过程中要针对变电站的规模和形式,具体问题具体分析。
变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施,它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。我国电力系统的变电站大致分为四大类:升压变电站,主网变电站,二次变电站,配电站。我国电力工业的技术水平和管理水平正在逐步提高,对变电所的设计提出了更高的要求,更需要我们提高知识理解应用水平,认真对待。从我国用电发展趋势来看,新建变电站应充分体现出安全性、可靠性、经济性和先进性。
通过查阅文献,进行论述,提出设计思路和具体设计内容,以便于为设计工作提供有理可据的参考价值。通过查阅变电站设计规程,了解发变电站设计的一般过程及相关的设计规程,明白了自己要设计一个变电站的设计内容,清楚设计任务,如短路计算,继电保护,防雷接地等,树立了正确的设计思路。变电站设计的内容力求概念清楚,层次分明,结合自己设计的原始资料,参考变电站电气设计规程规范,查阅馆藏书籍,课本和网络资源,了解设计基本过程以及电力工业的有关政策,技术规程等方面知识,从而进一步指导设计内容的开展。
本次毕业设计将是对大学四年来学习的一次综合测试。通过这次设计实践工作,使我巩固了所学知识,掌握变电所初步设计的过程。这是对所学知识进行的一次实践,使电气专业知识得到巩固和加深,独自解决问题的能力得到提高。本说明书在设计过程中汇集了大量的资料,尤其对于现阶段广泛采用电力系统微机保护中线路保护整定计算的新方法和要求,进行了比较详尽的阐述,体现了电力系统综合自动化的发展趋势,但由于时间和能力有限,其中不免有疏漏和不足之处,恳请老师批评指正!
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参考文献:
[1] 能源部西北电力设计院编《电力工程电气设计手册 电气二次部分》,水利电力出版社,1991 [2] 电力工程电气设计手册(上).水利电力部西北电力设计院编,1989 [3] 电力工程电气设计手册(下).水利电力部西北电力设计院编,1989 [4] 《发电厂电气部分》.中国电力出版社. 范锡普编,2004 [5] 《电力系统继电保护原理》.中国电力出版社,1998 [6] 《电力系统分析》.华中科技大学出版社,2002
[7] 《电力系统电气设备选择与实用计算》.中国电力出版社,2004 [8] 《发电厂变电所电气接线和布置》 [9] 典型的工程设计图纸
[10]《微机型继电保护基础》.中国电力出版社. 杨奇逊、黄少峰主编. [11]《电网监控与调度自动化》.中国电力出版社. 张永健主编. [12]《配电网自动化系统》.重庆大学出版社.许克明、熊炜编. [13]《发电厂电气设计与CAD应用》.四川大学出版社.刘继春主编.
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[22]《电力系统继电保护原理与运行分析》.张志竟、黄玉铮主编.中国电力出版社.1995
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致谢
本次接近两个多月的毕业设计能够顺利完成离不开老师的尽责辅导和同学们的热心帮助。在王晓芳老师的悉心辅导下,成功的完成了本次设计。在设计过程中,无论是在构思步骤、绘制系统网络图、配置保护,还是保护的整定计算和灵敏性校验上,王老师都给与了我极大的帮助,在我设计遇到困难无法进行时,给予了帮助和引导。王老师严谨的治学态度、渊博的知识、尽责无私的奉献精神使我深受启迪。我不仅学到了扎实、宽广的专业知识,也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。
四年来,老师们在学习上、生活上给与了我无微不至的关怀和照顾,是他们让我逐步成长起来的,没有他们的帮助就不会有现在今天知性的我,自信的我。没有他们也就不会有我今天的成绩,在这里我表示由衷的感谢。老师,您辛苦了!
最后,衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家!
李朝新
2011年5月20日
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