kV變電站短路電流計算及繼電保護整定計算(整理)

1、目錄1 前 言 12 任務(wù)變電站原 始資料 32. 1 電力系統(tǒng)與 本所的連接 方式 32. 2 主變壓器型 號及參數(shù) 32. 3 負荷及出線 情況 33 短 路 電流 計算 43. 1 基 本 假 定 43. 2 基準(zhǔn)值的選 擇 43. 3 各元件參數(shù) 標(biāo)么值的計 算 53. 4 短路電流的 計算 71. 5 短路電流計 算結(jié)果 94 繼電保護的配 置 104. 1 繼電保護的 基本知識 104. 2 變壓器保護 配置及整定 計算 134. 3 10kV 線路 保護配 置及整定計算 155 結(jié) 論 206 總 結(jié) 與體 會 207 謝 辭 218 參 考 文獻 21- 、八1 前言由于電力系

2、統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要 求，電子技術(shù)，計算機技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼 電保護技術(shù)的發(fā)展不斷注入新的活力.未來繼電保護的發(fā)展 趨勢是向計算化，網(wǎng)絡(luò)化及保護，控制，測量，數(shù)據(jù)通信 一體化智能化發(fā)展.電能是 一種 特殊的 商 品, 為了遠 距離 傳 送, 需要 提高 電 壓, 實施高壓輸電, 為了分配和使用, 需要降低電壓, 實施低 壓配電, 供電和用電. 發(fā)電- - - - 輸電- - - - 配電- - - - 用電構(gòu) 成了一個有機系統(tǒng). 通常把由各種類型的發(fā)電廠, 輸電設(shè)施 以及用電設(shè)備組成的電能生產(chǎn)與消費系統(tǒng)稱為電力系統(tǒng).電力系統(tǒng)在運行中, 各種電氣設(shè)備可能出現(xiàn)故障和不正

3、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, 但是沒有發(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, 兩相接地短路, 單相接地 短路, 單相斷線和兩相斷線等.本次畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容是對 110kV 企業(yè)（ 水泥廠） 變電站進行短路電流的計算、保護的配置及整定值的計算. 參照電力系統(tǒng)繼電保護配置及整定計算，并依據(jù)繼電 保護配置原理，對所選擇的保護進行整定和靈敏性校驗從 而來確定方案中的保護是否適用來編寫的.設(shè)計分五大章節(jié)，其中第三章是計算

4、系統(tǒng)的短路電 流，確定各點短路電流值；第四章是對各種設(shè)備保護的配 置 ， 首 先 是對 保 護 的 原理進 行 分 析 , 保護 的整 定 計算 及 靈 敏性校驗，其后是對變壓器保護配置及整定計算以及 10kV 線路保護 配置 及整定計算.由于編者水平有限，設(shè)計之中難免有些缺陷或錯誤， 望批評指正.2 任務(wù)變電站原始資料2. 1 電力 系統(tǒng)與本 所的連接方 式本 110kV 企業(yè)（ 水泥廠） 變電站，采用 110kV 電壓 等 級供 電，其110kV 電源來自 220kV 樞紐變電站，采用架 空導(dǎo) 線，系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示.圖 1 ：2. 2 主 變壓器型號 及參數(shù)型 號 ： SZ1 0

5、- 2 5 00 0 / 1 1 0，額定電壓：1 10 士 8X1. 25%/ 10. 5容量比： 1 00/ 1 00短路電 壓 ： Uk%=1 0. 5接 線 方 式 ： YN， d 1 12. 3 負荷 及出線情 況2. 3. 1 1 1 0kV 進 線 1 回 ， 采 用 LGJ- 1 50 架 空 導(dǎo) 線 ， Pmax=1 6MW,Pmi n=1 MW, =0. 86, L=1 1 km.2. 3. 2 10kV 出線 2 回 ， 全部 為 三 芯電 力 電 纜出 線 .2. 3. 3 原 料 磨 配 電 站 采 用 4 根 三 芯 YJV- 120 電 纜 ， Pma x= 9

6、MW,=0. 8, L=0. 2k m.2. 3. 4 窯 頭 配 電 站 采 用 4 根 三 芯 YJV- 120 電 纜 ， Pma x=6MW, =0.85 , L =0. 8 k m.2. 3. 5 電 容 補償 回 路 采用 YJV- 70 電 纜， Q=8400kvar ， L=0. 02km.3 短路電流計算3. 1 基 本 假 定3. 1. 1 系 統(tǒng)運 行 方 式為 最 大 運行 方 式 .3. 1. 2 磁 路 飽 和 、 磁 滯 忽略 不 計 .即 系 統(tǒng) 中 各元 件 呈 線 性 ，參數(shù)恒定，可以運用疊加原理.3. 1. 3 在 系 統(tǒng) 中 三 相 除 不 對 稱 故

7、障 處 以 外 ， 都 認 為 是 三相 對稱的.3. 1. 4 忽 略 對 計 算 結(jié) 果 影 響 較 小 的 參 數(shù) ， 如 元 件 的 電 阻 、線路的電容以及網(wǎng)內(nèi)的電容器、感性調(diào)和及高壓電 機向主電網(wǎng)的電能反饋等.3. 1. 5 短 路性 質(zhì) 為 金屬 性 短 路， 過 渡 電阻 忽 略 不計 .3. 1. 6 系 統(tǒng)中 的 同 步和 異 步 電機 均 為 理想 電 機 .3. 2 基 準(zhǔn) 值 的選 擇為了計算方便，通常取基準(zhǔn)容量Sj=100MVA;基準(zhǔn)電壓Uj取各級電壓的平均電壓，即Uj=Up=1. 05Ue；基準(zhǔn)電流；基準(zhǔn)電抗常用基準(zhǔn)值如表 1 所示.表 1常用基準(zhǔn)值表(Sj=10

8、0MVA )基準(zhǔn)電壓 Uj(kV)3. 156. 310.53711 5230基準(zhǔn)電流 Ij(kA)18.339. 165. 501. 560. 5020. 251基準(zhǔn)電抗 Xj(Q)0. 09920. 3971. 1 013. 71325303. 3 各元件參數(shù)標(biāo)么值的計算電路元件的標(biāo)么值為有名值與基準(zhǔn)值之比，計算公式如下：采用標(biāo)么值后，相電壓和線電壓的標(biāo)么值是相同的， 單相功率和三相功率的標(biāo)么值也是相同的，某些物理量還 可以用標(biāo)么值相等的另一些物理量來代替，如 I*二二 S*. .電抗標(biāo)么值和有名值的變換公式如表 2 所示.表 2 中各元件的標(biāo)么值可由表 1 中查得.表 2各電氣元件電抗標(biāo)

9、么值計算公式元件名稱標(biāo) 么 值備注發(fā)電機 調(diào)相機 電動機為發(fā)電機次暫態(tài) 電抗的百分值變壓器為變壓器短路電壓百 分值，為最大容量線 圈額定容量電抗器為電抗器的百分電抗值線路線路長度系統(tǒng)阻抗Skd為與系統(tǒng)連接的斷 路器的開斷容量；S 為 已知系統(tǒng)短路容量其中線路電抗值的計算中，為：6220kV 架空線取 0.4Q/ kM35kV 三芯電纜取 0. 12Q/kM610kV 三芯電纜 取 0. 08Q/ kM表 2 中 SN、Sb單位為 MVA, UN、Ub單位為 kV, IN、Ib單位為 kA.本 1 1 0k V 企業(yè)（水泥廠）變電站各元件參數(shù)標(biāo)么值計算如下：3. 3. 1 主變壓器:3. 3.2

10、 原料磨配電站線路:3. 3. 3 窯頭配電站線路:3.4 短路電流的計算3.4. 1 網(wǎng)絡(luò)變換計算公式串聯(lián)阻抗合成：并聯(lián)阻抗合成：，當(dāng)只有兩支時3. 4. 2 短路電流計算公式短路電流周期分量有效值：短路沖擊電流峰值：短路全電流最大有效值： 式中為沖擊系統(tǒng)，可按表 3 選用.表 3不同短路點的沖擊系數(shù)短路點推薦值發(fā)電機端1. 902. 69發(fā)電廠高壓側(cè)母線及發(fā)電機電抗器 后1. 852. 62遠離發(fā)電廠的地點1. 802. 55注：表中推薦的數(shù)值已考慮了周期分量的衰減.3. 4.3 最大運行方式下短路電流的計算最大運行方式下等值電路標(biāo)么阻抗圖見圖 2.d1： d2： d3： d4：3. 4.

11、4 最小運行方式下短路電流的計算最小運行 方式下等值電路標(biāo)么阻抗圖見圖 3.圖 3d1：d2 :d3 :d4 :1. 5 短路電流計算結(jié)果1 10kV 企業(yè)(水泥廠)變電站相關(guān)短路電流計算結(jié)果見下表 4.表 4短路電流計算結(jié)果表短路點短路電流周期分 量(有效值)Id(kA)短路沖擊電流 (峰值)ich(kA)短路全電流最大 有效值I ch(kA)最大運行方式下di5. 1 8713. 2277. 832d210. 64327. 1416. 071d310. 35226. 39815. 632d49.56824. 39814. 448最小運行方式下di3. 639. 2575.481d29.85

12、125. 1214. 875d39.60224. 48514. 499d48.92422. 7561 3. 4754 繼電保護的配置4. 1 繼電保護的基本知識電能是一種特殊的商品，為了遠距離傳送，需要提高電 壓，實施高壓輸電，為了分配和使用，需要降低電壓，實施低 壓配電，供電和用電.發(fā)電- 輸電-配電-用電構(gòu)成了一個有機系統(tǒng).通常把由各種類型的發(fā)電廠，輸電設(shè)施 以及用電設(shè)備組成的電能生產(chǎn)與消費系統(tǒng)稱為電力系統(tǒng). 電力系統(tǒng)在運行中，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，但是沒有發(fā)生故障的運行狀態(tài)，如：過負 荷，過電壓，頻率降低，系

13、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，兩相接地短路，單 相接地短路，單相斷線和兩相斷線等.其中最常見且最危險 的是各種類型的短路，電力系統(tǒng)的短路故障會產(chǎn)生如下后 果：(1)故障點的電弧使故障設(shè)備損壞;(2)比正常工作電流大許多的短路電流產(chǎn)生熱效應(yīng)和 電動力效應(yīng), 使故障回路中的設(shè)備遭到破壞；(3)部分電力系統(tǒng)的電壓大幅度下降, 使用戶的正常工 作遭到破壞, 影響企業(yè)的經(jīng)濟效益和人們的正常生活；(4)破壞電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性, 引起系統(tǒng)振蕩, 甚至 使電力系統(tǒng)瓦解,造成大面積停電的惡性循環(huán)；故 障或 不 正 常 運 行狀 態(tài) 若 不 及時 正 確 處 理 , 都可

14、 能 引 發(fā)事故. 為了及時正確處理故障和不正常運行狀態(tài), 避免事 故發(fā)生, 就產(chǎn)生了繼電保護, 它是一種重要的反事故措施. 繼電保護包括繼電保護技術(shù)和繼電保護裝置,且繼電保護 裝 置 是 完 成繼 電 保 護 功能 的 核 心 , 它 是能 反應(yīng) 電 力系 統(tǒng) 中 電 氣 元 件 發(fā)生 故 障 和 不正 常 運 行 狀 態(tài), 并 動作 于 斷路 器 跳 閘或發(fā)出信號的一種自動裝置.繼電保護的任務(wù)是:(1)當(dāng)電力系統(tǒng)中某電氣元件發(fā)生故障時, 能自動, 迅 速, 有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除, 避免故障元件 繼續(xù)遭到破壞, 使非故障元件迅速恢復(fù)正常運行.(2)當(dāng)電力系統(tǒng)中某電氣元件出現(xiàn)不正

15、常運行狀態(tài)時, 能及時反應(yīng)并根據(jù)運行維護的條件發(fā)出信號或跳閘.繼電保護裝置的基本原理:我 們知 道 在 電 力 系統(tǒng) 發(fā) 生 短 路故 障 時 , 許 多 參量 比 正 常時候都了變化，當(dāng)然有的變化可能明顯，有的不夠明 顯，而變化明顯的參量就適合用來作為保護的判據(jù)，構(gòu)成 保 護 . 比 如 ：根 據(jù) 短 路 電 流較正 常 電流升 高 的 特 點， 可 構(gòu) 成過電流保護；利用短路時母線電壓降低的特點可構(gòu)成低 電壓保護；利用短路時線路始端測量阻抗降低可構(gòu)成距離 保護；利用電壓與電流之間相位差的改變可構(gòu)成方向保護. 除此之外，根據(jù)線路內(nèi)部短路時，兩側(cè)電流相位差變化可 以 構(gòu) 成 差 動原 理 的

16、保 護. 當(dāng)然 還可 以 根據(jù) 非 電 氣 量的 變 化 來構(gòu)成某些保護，如反應(yīng)變壓器油在故障時分解產(chǎn)生的氣 體而構(gòu)成的氣體保護.原則上說：只要找出正常運行與故障時系統(tǒng)中電氣量 或非電氣量的變化特征（差別），即可形成某種判據(jù)，從 而構(gòu)成某種原理的保護，且差別越明顯，保護性能越好.繼電保護裝置的組成：被測物理量一7測量一7邏輯一7執(zhí)行一7跳閘或信號整定值 測量元件：其作用是測量從被保護對象輸入的有關(guān)物 理量（如電流，電壓，阻抗，功率方向等），并與已給定 的整定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果給出邏輯信號，從而判 斷保護是否該起動.邏輯元件：其作用是根據(jù)測量部分輸出量的大小，性 質(zhì)，輸出的邏輯狀態(tài)，出現(xiàn)的

17、順序或它們的組合，使保護 裝置按一定邏輯關(guān)系工作，最后確定是否應(yīng)跳閘或發(fā)信 號，并將有關(guān)命令傳給執(zhí)行元件.執(zhí)行元件：其作用是根據(jù)邏輯元件傳送的信號，最后 完成保護裝置所擔(dān)負的任務(wù). 如：故障時跳閘，不正常運 行時發(fā)信號，正常運行時不動作等.對繼電保護的基本要求： 選擇性：是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置僅將故 障元件切除，而使非故障元件仍能正常運行，以盡量減小 停電范圍.速動性：是指保護快速切除故障的性能，故障切除的 時間包括繼電保護動作時間和斷路器的跳閘時間.靈敏性：是指在規(guī)定的保護范圍內(nèi)，保護對故障情況 的反 應(yīng)能力. 滿足靈敏性 要求的保護裝置應(yīng)在區(qū)內(nèi)故障 時，不論短路點的位置與短路的類

18、型如何，都能靈敏地正 確地反應(yīng)出來.可靠性：是指發(fā)生了屬于它該動作的故障，它能可靠 動 作 ， 而 在不該 動 作 時， 它 能 可 靠 不動 . 即不 發(fā) 生拒 絕 動 作也不發(fā)生錯誤動作.4.2 變壓器保護配置及整定計算4.2.1 變壓器保護配置 電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要的供電元件，它的 故障將對供電可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴重的影響. 因此， 我們必須研究變壓器有哪些故障和不正常運行狀 態(tài)，以便采取相應(yīng)的保護措施.變壓器的故障可以分為油箱外和油箱內(nèi)兩種故障.油 箱外的故障，主要是套管和引出線上發(fā)生相間短路以及中 性 點 直 接 接地 側(cè) 的 接 地短 路 . 這些 故 障的 發(fā)

19、生 會 危害 電 力 系 統(tǒng) 的 安 全 連 續(xù) 供 電 . 油 箱 內(nèi) 的故 障 包 括 繞 組 的 相 間 短 路、接地短路、匝間短路以及鐵心的燒損等.油箱內(nèi)故障 時產(chǎn)生的電弧，不僅會損壞繞組的絕緣、燒毀鐵芯，而且 由于絕緣材料和變壓器油因受熱分解而產(chǎn)生大量的氣體，有可能引起變壓器油箱的爆炸.變壓器外部短路引起的過電流、 負荷長時間超過額定 容量引起的過負荷、風(fēng)扇故障或漏油等原因引起冷卻能力 的下降等，這些運行狀態(tài)會使繞組和鐵芯過熱.此外，對 于中性點不接地運行的星形接線方式變壓器，外部接地短 路時有可能造成變壓器中性點過電壓，威脅變壓器的絕 緣；大容量變壓器在過電壓或低頻率等異常運行方式

20、下會 發(fā)生變壓器的過勵磁，引起鐵芯和其它金屬構(gòu)件的過熱.主保護：電流差動保護、瓦斯保護后備保 護： 過電流 保護 / 低壓 閉鎖過電流 保護 / 復(fù)合電 壓 閉 鎖 過流保護 / 阻 抗 保護 / 零 序 過電流 保 護 / 零 序 過電 壓 保護 / 過負荷保護/ 過激磁保護.兩種配置模式：(1)主保護、后備保護分開設(shè)置(2)成套保護裝置，重要變壓器雙重化配置4. 2.2 縱聯(lián)差動保護以雙繞組變壓器為例來說明實現(xiàn)縱差動保護的原理，圖 4 變壓器縱差動保護的原理接線由于變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的額定電流不同，因此， 為了保證縱差動保護的正確工作，就必須適當(dāng)選擇兩側(cè)電 流互感器的變比，使得在正常運行

21、和外部故障時，兩個二 次電流相等，亦即在正常運行和外部故障時，差動回路的 電流等于零.例如在圖 4 中，應(yīng)使式中高壓側(cè)電流互感器的變比；低壓側(cè)電流互感器的變比；變壓器的變比（即高、低壓側(cè)額定電 壓之比）.由此可知，要實現(xiàn)變壓器的縱差動保護， 就必須適當(dāng)?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，這是與前述送電線路的縱差動保護不同的. 這個區(qū)別是由于線路的縱差動保護可以直接比較兩側(cè)電流 的幅值和相位，而變壓器的縱差動保護則必須考慮變壓器 變比的影響.本次設(shè)計所采用的變壓器型號為：SZ- 25000/ 1 1 0.對 于這種大型 變壓器而言，它都必需裝設(shè) 單獨的 變 壓器 差動 保護，

22、這是因為 變壓器差動保護通常采 用 兩側(cè)電流差動， 其中高電壓側(cè)電流引自高壓側(cè)電流互感器，低壓側(cè)電流引 自變壓 器低壓側(cè)電流互感器，這樣使差動保護的 保護范圍 為 二組電流互感器所限定的 區(qū)域，從而可以更好地反映這 些區(qū)域內(nèi)相間短路，高壓側(cè)接地短路以及主變壓器繞組匝 間短路故障. 所以我們用 縱聯(lián)差動保護作為變 壓 器的 主保 護，其接線原理圖如圖 5 所示. 正常情況下, =即：（變壓器變比）所以這時 1=0,實際上，由于電流繼電器接線方式，變壓 器勵磁電流，變比誤差等影響導(dǎo)致不平衡電流的產(chǎn)生，故 Ir不等 于 0 ， 針對 不 平衡 電流 產(chǎn)生的 原因 不 同 可以 采 取 相應(yīng)的措施來減

23、小.盡管縱聯(lián)差動保護有很多其它保護不具備的優(yōu)點，但 當(dāng)大型變壓器內(nèi)部產(chǎn)生嚴重漏油或匝數(shù)很少的匝間短路故 障以及繞組斷線故障時，縱聯(lián)差動保護不能動作，這時我 們還需對變壓器裝設(shè)另外一個主保護瓦斯保護.圖 5 縱聯(lián)差動 保護原理示意圖4. 2. 3 瓦斯保護瓦斯保護主要用來保護變壓器的內(nèi)部故障，它由于一 方面簡單，靈敏，經(jīng)濟；另一方面動作速度慢，且僅能反 映變壓器油箱內(nèi)部故障，就注定了它只有與差動保護配合 使用才能做到優(yōu)勢互補，效果更佳.瓦斯保護的工作原理：當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生輕微故障時，有輕瓦斯產(chǎn)生，瓦斯 繼 電器 KG 的 上觸 點閉 合，作 用于預(yù) 告信 號； 當(dāng)發(fā)生嚴重 故障時，重瓦斯沖出，瓦

24、斯繼電器的下觸點閉合，經(jīng)中間 繼電器 KC 作用于信號繼電器 KS,發(fā)出警報信號，同時斷 路 器 跳閘. 瓦 斯繼 電 器 的下 觸點閉 合， 也可利用 切換片 XB 切換 位置， 只給出 報 警 信 號.瓦斯保護的整定：瓦斯保護有重瓦斯和輕瓦斯之分，它們裝設(shè)于油箱與 油枕之間的連接導(dǎo)管上.其中輕瓦斯按氣體容積進行整 定，整定范圍為：250300cmF, 般整定在 250cm3.重 瓦斯按油流速度進行整定，整定范圍為：0. 61. 5m/ s, 一般整定在 1mYs .瓦斯保護原理如圖 6 所示.圖 6 瓦斯保護原理示意圖4.2.4 保護配置的整定對于本次設(shè)計來說，變壓器的主保護有縱聯(lián)差動保護 和瓦斯保護，其中瓦斯保護一般不需要進行整定計算，所 以僅對縱聯(lián)差動保護進行整定如下：(1)避越變壓器的勵磁涌流：其中為可靠系