某35kV變電站繼電保護設(shè)計

1、1 前言在如今隨著科學(xué)的發(fā)展,電力系統(tǒng)的能否安全穩(wěn)定運行,會直接影響國民經(jīng)濟和社會發(fā)展。電力系統(tǒng)一旦發(fā)生自然或人為故障,如果不能及時有效控制,就會失去穩(wěn)定運行,使電網(wǎng)瓦解,并造成大面積停電,給社會帶來災(zāi)難性的后果。繼電保護(包括安全自動裝置是保障電力設(shè)備安全和防止及限制電力系統(tǒng)長時間大面積停電的最基本、最重要、最有效的技術(shù)手段。許多實例表明,繼電保護裝置一旦不能正確動作,就會擴大事故,釀成嚴重后果。因此,加強繼電保護的設(shè)計和整定計算,是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要工作。為滿足電網(wǎng)對繼電保護提出的可靠性、選擇性、靈敏性、速動性的要求,充分發(fā)揮繼電保護裝置的效能,必須合理的選擇保護的整定值,以保持各

2、保護之間的相互配合關(guān)系。做好電網(wǎng)繼電保護定值的整定計算工作是保證電力系統(tǒng)安全運行的必要條件。繼電保護裝置的基本任務(wù)是:自動,迅速,有選擇性將系統(tǒng)中故障部分切除,使故障元件損壞程度盡量可能降低,并保證該系統(tǒng)無故障部分迅速恢復(fù)正常運行。反映電器元件的不正常運行狀態(tài),并根據(jù)運行維護的具體條件和設(shè)備的承受能力,發(fā)出信號,減負荷或者延時跳閘。2繼電保護的介紹2.1繼電保護結(jié)構(gòu)原理繼電保護主要利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常情況時的電氣量,電流、電壓、功率、頻率等的變化,構(gòu)成繼電保護動作的原理,也有其他的物理量,如變壓器油箱內(nèi)故障時伴隨產(chǎn)生的大量瓦斯和油流速度的增大或油壓強度的增高。大多數(shù)情況下,不管反應(yīng)

3、哪種物理量,繼電保護裝置都包括測量部分和定值調(diào)整部分、邏輯部分、執(zhí)行部分。繼電保護原理結(jié)構(gòu)方框圖如下:故障容量測量部分邏輯部分執(zhí)行部分整定值跳閘或信號脈沖圖2.1繼電保護原理結(jié)構(gòu)方框圖2.2繼電保護的基本組成測量比較部分:測量所要保護的電氣元件上的電氣參數(shù)并與標準值比較。邏輯判斷部分:由以上比較結(jié)果判斷系統(tǒng)是在正常運行狀態(tài),還是發(fā)生故障或是在不正常運行狀態(tài)。執(zhí)行部分:根據(jù)判斷出的運行狀態(tài)去動作或不動作。2.3繼電保護的基本要求在技術(shù)上必須滿足選擇性、速動性、靈敏性、可靠性四個基本要求。對于作用于斷路器跳閘的繼電保護,應(yīng)同時滿足這四個基本要求,對于作用于信號以及只反應(yīng)不正常運行情況的繼電保護裝置

4、,這四個基本要求中有些要求如速動性可以降低。選擇性:所謂繼電保護裝置的動作選擇性就是指當系統(tǒng)中的設(shè)備或線路發(fā)生短路時,其繼電保護僅將故障的設(shè)備和線路從電力系統(tǒng)中切除,當故障設(shè)備或線路的設(shè)備或斷路器拒絕動作時,應(yīng)由相鄰的設(shè)備或線路的保護將故障切除。雖然擴大了停電范圍,但控制了故障的擴大,它起著對下一段線路的后備保護作用。速動性:快速切除故障,可以提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,減輕故障設(shè)備的損壞程度,防止故障的擴展,提高自動重合閘的成功率,減少對用電單位的影響,迅速恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。故障切除的時間等于繼電保護裝置動作時間與斷路器跳閘時間之和,對于反應(yīng)故障的繼電保護,要求快速動作的主要理由和必要性在于

5、:(1快速切除故障可以提高電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性;(2快速切除故障可以防止故障的擴大,提高自動重合閘和備用電源或設(shè)備自動投入成功率,因為快速切除故障,對提高故障點餓滅弧速度,縮小短路持續(xù)時間,防止出現(xiàn)接地故障發(fā)展為相間故障;兩相短路發(fā)展為三相短路;暫時性故障發(fā)展為永久性故障等。(3快速切除故障可以減少發(fā)電廠廠用電及用戶電壓降低的時間,加速恢復(fù)正常運行的過程,保證廠用電及用戶工作的穩(wěn)定性。(4快速切除故障可以減輕電氣設(shè)備和線路的損壞程度,短路電流通過的時間愈長,則設(shè)備損壞的程度就愈嚴重,甚至燒毀,特別在發(fā)電機變壓器的內(nèi)部短路時,是不允許帶時限切除故障的。從上述理由可知,快速切除故障,對提高電力

6、系統(tǒng)運行的可靠性具有重大意義。一般快速保護的動作時間為0.080.12s,一般斷路器的跳閘時間為0.10.27s,因此,一般快速保護切除故障的時間為0.180.27s;最快速保護的動作時間為0.020.03s,最小的斷路器跳閘時間為0.040.05s,所以最快速保護切除故障的時間為0.060.08s。靈敏性:所謂靈敏性,即在保護范圍內(nèi)發(fā)生故障和不正常工作情況下,繼電保護裝置的反應(yīng)能力,也就是在保護范圍內(nèi)故障時,不論短路點的位置以及短路的類型如何,都能敏銳且正確的反應(yīng)。K來衡量。繼電保護的靈敏性以靈敏系數(shù)sen(1對于反應(yīng)故障時參數(shù)量增加的保護裝置。靈敏系數(shù)=保護區(qū)末端金屬性短路時故障參數(shù)的最小

7、計算值保護裝置動作參數(shù)的整定值如:過電流保護的靈敏系數(shù)為a c tK K s e n I I K .m i n .式中 min .K I 保護區(qū)末端金屬性最小短路電流二次值act K I .保護裝置的二次動作電流(2對于反應(yīng)故障時參數(shù)量降低的保護裝置靈敏系數(shù)=保護裝置動作參數(shù)的整定值保護區(qū)末端金屬性短路時故障參數(shù)的最大計算值?？煽啃?繼電保護裝置對它所保護的范圍內(nèi)發(fā)生各種故障和不正常運行狀態(tài)時,不應(yīng)該拒絕動作。而在保護范圍內(nèi)之外發(fā)生的各種故障和不正常運行狀態(tài)時,不應(yīng)該誤動作。這種性能稱為可靠性。在實際的運行中,可靠性用動作正確率來表示。由上述可知,對繼電保護裝置的四個基本要求籌兼顧,相互聯(lián)系且

8、又相互制約的。2.4繼電保護的任務(wù)電力系統(tǒng)動行中,各種電氣設(shè)備可能出現(xiàn)故障和不正常運行狀態(tài)。不正常運行狀態(tài)是指電力系統(tǒng)中電氣元件的正常工作遭到破壞,但沒有發(fā)生故障的運行狀態(tài)。如過負荷、過電壓、頻率降低、系統(tǒng)振蕩等。故障主要包括各種類型的短路和斷線,如三相短路、兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路、發(fā)電機和電動機以及變壓器繞組間的匝間短路、單相為線、兩相斷線等。當被保護的電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時,應(yīng)該由該元件的繼電保護裝置迅速準確地給脫離故障元件最近的斷路器發(fā)出跳閘命令,使故障元件及時從電力系統(tǒng)中斷開,以最大限度地減少對電力系統(tǒng)元件本身的損壞,降低對電力系統(tǒng)安全供電的影響,并滿足電力系統(tǒng)的某些特定

9、要求,如保持電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性等。反應(yīng)電氣設(shè)備的不正常工作情況,并根據(jù)不正常工作情況和設(shè)備運行維護條件的不同,例如有無經(jīng)常值班人員,發(fā)出信號,以便值班人員進行處理,或由裝置自動地進行調(diào)整,或?qū)⒛切├^續(xù)運行會引起事故的電氣設(shè)備予以切除。反應(yīng)不正常工作情況的繼電保護裝置允許帶一定的延時動作。3 35KV電網(wǎng)保護配置概述3.1 35KV保護配置的一般設(shè)計原則電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)計與配置是否合理直接影響電力系統(tǒng)的安全運行。若設(shè)計與配置不當,在出現(xiàn)保護不正確動作的情況時,會使得事故停電范圍擴大,給國民經(jīng)濟帶來程度不同的損失,還可能造成設(shè)備或人身安全事故。因此,合理地選擇繼電保護的配置主案正確地進行整定計

10、算,對保護電力系統(tǒng)安全運行具有十分重要的意義。選擇繼電保護配置方案時,應(yīng)盡可能全面滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。當存在困難時允許根據(jù)具體情況,在不影響系統(tǒng)安全運行的前提下適當?shù)亟档湍承┓矫娴囊?。選擇繼電保護裝置方案時,應(yīng)首先考慮采用最簡單的保護裝置,以求可靠性較高、調(diào)試較方便和費用較省。只有當最簡單的保護裝置滿足不了四個方面的基本要求時,才考慮近期電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點、可能的發(fā)展情況、經(jīng)濟上的合理性和國內(nèi)外已有的成熟經(jīng)驗。所選定的繼電保護配置方案還應(yīng)能滿足電力系統(tǒng)和各站、所運行方式變化的要求。35千伏及以上的電力系統(tǒng),所有電力設(shè)備和輸電線路均應(yīng)裝設(shè)反應(yīng)于短路故障和異常運行狀況的繼電

11、保護裝置。一般情況下應(yīng)包括主保護和后備保護。主保護是能滿足從穩(wěn)定及安十要求出發(fā),有選擇性地切除被保護設(shè)備或全線路故障設(shè)備或線路的保護。后備保護可包括近后備和遠后備兩種作用。主保護和后備保護都應(yīng)滿足電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的對短路保護的最小靈敏系數(shù)的要求。3.2 35KV電網(wǎng)的繼電保護配置原則3.2.1相間短路保護保護電流回路的電流互感器采用不完全星形接線,各線路保護均裝在相同的A、C 兩相上。以保證在大多數(shù)兩點接地的情況下只切除一個故障點。在線路上發(fā)生短路時,會引起廠用電或重要用戶母線的電壓低于5060%Ue時,應(yīng)快速切除故障,以保證無故障的電動機能繼續(xù)運行。在單側(cè)電源的單回

12、線路上,可裝設(shè)不帶方向元件的一段或兩段式電流、電壓速斷保護和定時限過電流保護。在多電源的單回線路上,可裝設(shè)一段或兩段式電流、電壓速斷保護和定時限過電流保護。必要時保護應(yīng)加裝方向元件。如果仍然不能滿足選擇性和靈敏性或速動性的要求,或保護裝置的構(gòu)成過于復(fù)雜時,宜采用距離保護。34公里及以下的短線路宜采用縱聯(lián)導(dǎo)引線保護作主保護,以帶方向或不帶方向元件的電流保護作后備保護。為簡化環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的保護,可采用故障時先將網(wǎng)絡(luò)自動解列,故障切除后再自動復(fù)原的辦法來提高保護的靈敏度。對平行線路,一般宜裝設(shè)橫差動電流方向保護或電流平衡保護作主保護。以接兩回線電流和的兩段式電流保護或距離保護作為雙回線運行時的后備保護以

13、及單回線運行時的主保護和后備保護。3.2.2單相接地保護對電纜線路或經(jīng)電纜引出的架空線路,宜裝設(shè)由零序電流互感器構(gòu)成的帶方向或不帶方向元件的零序電流保護。對架空線路,宜裝設(shè)由零序電流濾過器構(gòu)成的帶方向或不帶方向元件的零序電流保護。在線路的回路數(shù)不多,或零序電流大小,零序電流保護的靈敏度達不到要求時,可利用在母線上裝設(shè)的反應(yīng)于零序電壓的絕緣監(jiān)視裝置兼作線路的單相接地保護。3.2.3過負荷保護經(jīng)常出現(xiàn)過負荷的電纜線路或電纜與架空的混合線路應(yīng)裝設(shè)過負荷保護。保護宜帶時限動作于信號,必要時也可動作于跳閘。4 短路計算4.1 系統(tǒng)等效圖 如圖4.1所示 圖4.1系統(tǒng)等效圖4.2基準參數(shù)選定本設(shè)計中選B

14、S =1000MVA ,B U =av U ,那么35kv 側(cè)1B U =37kv ,10kv 側(cè)2B U =10.5kv 。4.3阻抗計算C1系統(tǒng):最大方式X 1=0.06 最小方式X 1=0.12 C2系統(tǒng):最大方式X 2=0.1最小方式X 2=0.15 線路:L1:X 3=l 1X 1S B /V B 2=0.4101000/372=2.92 L2:X 4=l 3 X 1S B /V B 2=0.4131000/372=3.8變壓器: X 5=X 6=(U k %/100S B /S=0.065/1001000/31.5=0.0214.4短路電流計算1最大運行方式,系統(tǒng)化簡如下圖其中:

15、X 7=X 1+X 3=2.98 X 8= X 2+X 4=3.9X 9=X7X8=1.69 X10=X9+X5=1.711 圖4.2最大運行圖故知35KV母線上短路電流:Id1max =IB1/X9=1.56/1.69=0.923kA10KV母線上短路電流: Id2max =IB2/X10=5.5/1.711=3.214kA折算到35KV側(cè): Id21max =IB1/X10=1.56/1.711=0.912kA對于d3點以XL 計算:Id3max=5.5/(1.711+0.126=2.994kA2 最小運行方式下:系統(tǒng)化簡如圖4.3所示。圖4.3 最小運行圖因C1停運,所以僅考慮C2單獨運

16、行的結(jié)果;X11=X8+X5=3.921所以35KV母線上短路電流:Id1min =IB1/X8=1.56/3.9=0.4kA所以10KV母線上短路電流:Id2min =IB2/X11=5.5/3.921=1.4kA折算到35KV側(cè):Id2lmin = IB1/X11=1.56/3.921=0.39kA對于d3以XL 進行計算:Id3min=5.5/(3.921+1.37=1.039kA折算到35KV側(cè):Id3lmin = 1.56/(3.921+1.37=0.295kA 5 主變繼電保護整定計算5.1 瓦斯保護變壓器瓦斯保護是用來反應(yīng)變壓器內(nèi)部的故障,當變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障,油分解產(chǎn)生氣體

17、或當變壓器油面降低時,瓦斯保護應(yīng)動作。油浸式變壓器是利用變壓器油作為絕緣和冷卻介質(zhì)的,當變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障,由于短路電流所產(chǎn)生的電弧使變壓器的絕緣材料和變壓器油分解而產(chǎn)生大量氣體。這些大量氣體形成氣流并與油流混合沖向油枕的上部。故障愈嚴重,產(chǎn)生的氣體越多,油流速度越快。利用這種氣體來實現(xiàn)的保護,稱為瓦斯保護。輕瓦斯保護的動作值按氣體容積為250300cm2整定,本設(shè)計采用280cm2。重瓦斯保護的動作值按導(dǎo)油管的油流速度為0.61.5cm2整定本,本設(shè)計采用0.9cm2。瓦斯繼電器-80型。選用FJ35.2 縱聯(lián)差動保護變壓器差動保護能正確區(qū)分被保護元件的保護區(qū)內(nèi)、外故障,并能瞬時切除保護

18、區(qū)內(nèi)的短路故障。變壓器的縱聯(lián)差動保護用來反應(yīng)變壓器繞組、套管及引出線上的各種短路故障,是變壓器的主保護。應(yīng)用輸電線路縱聯(lián)差動保護原理,可以實現(xiàn)變壓器的縱聯(lián)差動保護,對于變壓器縱聯(lián)差動保護,比較兩側(cè)有關(guān)電氣量更容易實現(xiàn),所以變壓器的縱聯(lián)差動保護得到了廣泛的應(yīng)用。5.2.1 變壓器縱聯(lián)差動保護的原理變壓器縱聯(lián)差動保護通常采用環(huán)流法接線,如下圖所示,為雙繞組變壓器縱聯(lián)差動保護的原理接線圖。 圖5.1 縱聯(lián)差動保護的原理接線圖要實現(xiàn)變壓器的縱聯(lián)差動保護,就必須適當?shù)剡x擇兩側(cè)電流互感器的變比,使其比值等于變壓器的變比。此時變壓器兩側(cè)電流互感器的二次側(cè)電流21I I 。正常運行和外部短路時,流過差動繼電器

19、的電流為:210KD I I I =- 差動繼電器KD 不動作。當變壓器內(nèi)部發(fā)生相間短路時,在差動回路中由于2I改變了方向或等于零(無電源側(cè),這時流過差動繼電器的電流為21KD I I I =+,該電流為流過短路點的短路電流,使差動繼電器KD 可靠動作,并動作于變壓器兩側(cè)斷路器跳閘。由此可知,變壓器縱聯(lián)差動保護的保護范圍是構(gòu)成變壓器差動保護的兩側(cè)電流互感器之間的范圍。在保護范圍之外發(fā)生故障時,保護不動作,一側(cè)不需要與保護區(qū)外相鄰元件的保護在整定和整定時限上相互配合,所以在區(qū)內(nèi)故障時,可瞬時動作。 5.2.2 變壓器差動保護的計算 確定基本側(cè)變壓器容量 31.5N S MVA = 變壓器額定電壓

20、(H 側(cè) H N U .=35kV變壓器額定電壓(L 側(cè) L N U .=10kV 變壓器各側(cè)額定電流的計算:高壓側(cè) .31.50.523335N N H N H S I KA U = 低壓側(cè) .31.51.8173310N N L N LS I KA U = 電流互感器的計算變比:電流互感器的接線方式高壓側(cè)為,低壓側(cè)為Y 。高壓側(cè) .520900.733551850.1N H TA H I N = 低壓側(cè) .1817536.453N L TA LI N = 電流互感器的變比標準化高壓側(cè) .10005200TA H N = 低壓側(cè) .20004005TA L N =電流互感器二次連接臂電流高壓

21、側(cè) .1.35204.50200con N H N H TA H K I I A N = 低壓側(cè) .2.118174.54400con N L N L TA L K I I A N = 其中con K 為接線系數(shù)。電流互感器為接線時取3;電流互感器為Y 接線時取1 基本側(cè)的確定2. 2. 4.54 4.500.04N L N H I I -=-= 故選取低壓側(cè)為基本側(cè) 數(shù)據(jù)如下表所示:數(shù)據(jù)名稱各側(cè)數(shù)據(jù)35kV 側(cè)10kV 側(cè) 變壓器額定電流(kA 0.520 1.817 變壓器連接方式 Y 電流互感器接線方式 Y電流互感器的計算變比H TA N .=35.H N I =57.900=180.1

22、 L TA N .=5.L N I =51817=363.4 電流互感器的變比標準化H TA N .=51000=200 L TA N .=52000=400 電流互感器二次連接臂電流H N I .2=HTA HN con N I K .=4.50AL N I .2=LTA LN con N I K .=4.54A確定基本側(cè)非基本側(cè)基本側(cè)表5-1 變壓器差動保護計算結(jié)果5.2.3確定基本側(cè)動作電流1 躲過外部故障時的最大不平衡電流(3.max za np 1(f U 0.1set rel unb rel st K I K I K K K I =+式中 rel K 可靠系數(shù),本設(shè)計取1.3;za

23、 f 由于電流互感器計算變比和實際變比不一致引起的相對誤差,本設(shè)計取0.05;U由變壓器分接頭改變引起的相對誤差,一般可取調(diào)整范圍的一半,本設(shè)計取0.05;0.1電流互感器容許的最大穩(wěn)態(tài)誤差;st K 電流互感器同型系數(shù),接線方式相同時取0.5,不同時取1,本設(shè)計取1; np K 非周期分量系數(shù),取1.52,當采用速飽和變流器時,由于非周期分量會使其飽和,抑制不平衡輸出,可取為1,本設(shè)計取1。(31K I 折算到10KV 側(cè)三相短路電流;代入數(shù)據(jù)計算得.max 1.3(0.050.050.111118103070.6set rel unb I K I A =+=取這三個計算值中最大者為差動保護

24、基本側(cè)的一次動作電流,根據(jù)以上計算結(jié)果可以確定set I =3070.6A2 差動繼電器基本側(cè)動作電流 .3070.61407.67650set r A I = 確定差動繼電器各繞組的匝數(shù).6077.6.8161765set set r AN W I = 式中 AN 繼電器動作額定安匝 實際取為8匝,即1.178set b set d set W W W =+=+=式中 set b W .平衡線圈實用匝數(shù) set d W .基本側(cè)差動線圈實用匝數(shù) 確定非基本側(cè)平衡線圈匝數(shù)2,0.2. 4.54874.501.07N L setb d set N HI W W W I =-=-= 實際取為0.s

25、et 1b W =匝。由電流互感器計算變比和實際變比不一致引起的相對誤差為00.set 0. 1.071f 0.008670.051.077b b b d set W W W W -= 故滿足靈敏度要求。5.3過電流保護5.3.1過電流繼電器的整定及繼電器選擇 1 保護動作電流按躲過變壓器額定電流來整定I dz =K k I e1/K h式中:K k 可靠系數(shù),采用1.2;K h 返回系數(shù),采用0.85;代入數(shù)據(jù)得 I dz =1.2363.4/0.85=513.04A 繼電器的動作電流 Idzj=I dz /n l =513.04/400=1.28A選用DL-11/2型電流繼電器,其動作電流

26、的整定范圍為0.52A ,故動作電流整定值為2。2 靈敏度按保護范圍末端短路進行校驗。 以線路L1計算靈敏系數(shù):.min 125795.026513.04con k sen set K I K I = 滿足要求。5.4 過負荷保護過負荷保護原理接線圖如下: 圖5.2過負荷保護的原理接線圖繼電器動作電流整定計算,按躲過變壓器額定電流整定1.0518170.854005.61rel set N i re K I K A I K = 選用DL-11/6型電流繼電器,其動作電流的整定范圍為1.5-6A ,故動作電流整定值為6A 。動作時限的整定,按躲過允許的短時最大負荷時間整定,一般此時間取9-15s

27、 ,本設(shè)計取10s 。延時時限取10s ,以躲過電動機的自起動。當過負荷保護起動后,在達到時限后仍未返回,則動作ZDJH 裝置。6 輸電線路的距離保護距離保護是通過測量被保護線路始端電壓和線路電流的比值而動作的一種保護,這個比值被稱為測量阻抗Z m ,用來完成這一測量任務(wù)的元件稱為阻抗繼電器KI 。6.1 距離保護的時限特性距離保護的動作時間與保護安裝點至短路點之間的距離的關(guān)系稱為距離保護的時限特性。為了滿足速動性、選擇性和靈敏性的要求,目前廣泛采用具有三段動作范圍的階梯型時限特性。距離保護的動作時間t 與保護安裝處到故障點之間的距離l 的關(guān)系稱為距離保護的時限特性,目前獲得廣泛應(yīng)用的是階梯型

28、時限特性,如圖31所示。這種時限特性與三段式電流保護的時限特性相同,一般也作成三階梯式,即有與三個動作范圍相應(yīng)的三個動作時限:t 、t 、t 。圖6.1 距離保護的時限特性6.2 距離保護的組成距離保護的主要由三段式距離保護裝置一般由以下元件組成。 (1起動元件Z Z Z 321保護3的段保護3的段保護3的段圖3-1 距離保護的時限特性2t 3t 3t l2t 2t t3t 1t 起動元件的主要作用是在發(fā)生故障的瞬間起動整套保護,并和阻抗測量元件(Z I、Z、Z組成與門,起動出口回路動作于跳閘,以提高保護裝置動作的可靠性。起動元件可由過電流繼電器、低阻抗繼電器或反應(yīng)于負序和零序電流的繼電器構(gòu)成。(2阻抗測量元件(Z I、Z、