1、目錄1 前 言 12 任務變電站原 始資料 32. 1 電力系統與 本所的連接 方式 32. 2 主變壓器型 號及參數 32. 3 負荷及出線 情況 33 短 路 電流 計算 43. 1 基 本 假 定 43. 2 基準值的選 擇 43. 3 各元件參數 標么值的計 算 53. 4 短路電流的 計算 71. 5 短路電流計 算結果 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 論 206 總 結 與體 會 207 謝 辭 218 參 考 文獻 21- 、八1 前言由于電力系

2、統的飛速發展對繼電保護不斷提出新的要 求，電子技術，計算機技術與通信技術的飛速發展又為繼 電保護技術的發展不斷注入新的活力.未來繼電保護的發展 趨勢是向計算化，網絡化及保護，控制，測量，數據通信 一體化智能化發展.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. 發電- - - - 輸電- - - - 配電- - - - 用電構 成了一個有機系統. 通常把由各種類型的發電廠, 輸電設施 以及用電設備組成的電能生產與消費系統稱為電力系統.電力系統在運行中, 各種電氣設備可能出現故障和不正

3、常運行 狀態. 不正常運行狀態是指電力系統中電氣元件的正常工作 遭到破壞, 但是沒有發生故障的運行狀態, 如: 過負荷, 過電 壓 , 頻 率 降 低, 系統 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.本次畢業設計的主要內容是對 110kV 企業（ 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. 參照電力系統繼電保護配置及整定計算，并依據繼電 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.設計分五大章節，其中第三章是計算

4、系統的短路電 流，確定各點短路電流值；第四章是對各種設備保護的配 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，設計之中難免有些缺陷或錯誤， 望批評指正.2 任務變電站原始資料2. 1 電力 系統與本 所的連接方 式本 110kV 企業（ 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 線，系統示意圖如圖 1 所示.圖 1 ：2. 2 主 變壓器型號 及參數型 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 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 中 各元 件 呈 線 性 ，參數恒定，可以運用疊加原理.3. 1. 3 在 系 統 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 果 影 響 較 小 的 參 數 ， 如 元 件 的 電 阻 、線路的電容以及網內的電容器、感性調和及高壓電 機向主電網的電能反饋等.3. 1. 5 短 路性 質 為 金屬 性 短 路， 過 渡 電阻 忽 略 不計 .3. 1. 6 系 統中 的 同 步和 異 步 電機 均 為 理想 電 機 .3. 2 基 準 值 的選 擇為了計算方便，通常取基準容量Sj=100MVA;基準電壓Uj取各級電壓的平均電壓，即Uj=Up=1. 05Ue；基準電流；基準電抗常用基準值如表 1 所示.表 1常用基準值表(Sj=10

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

9、么值計算公式元件名稱標 么 值備注發電機 調相機 電動機為發電機次暫態 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阻抗Skd為與系統連接的斷 路器的開斷容量；S 為 已知系統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（水泥廠）變電站各元件參數標么值計算如下：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 網絡變換計算公式串聯阻抗合成：并聯阻抗合成：，當只有兩支時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，可按表 3 選用.表 3不同短路點的沖擊系數短路點推薦值發電機端1. 902. 69發電廠高壓側母線及發電機電抗器 后1. 852. 62遠離發電廠的地點1. 802. 55注：表中推薦的數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 方式下等值電路標么阻抗圖見圖 3.圖 3d1：d2 :d3 :d4 :1. 5 短路電流計算結果1 10kV 企業(水泥廠)變電站相關短路電流計算結果見下表 4.表 4短路電流計算結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.發電- 輸電-配電-用電構成了一個有機系統.通常把由各種類型的發電廠，輸電設施 以及用電設備組成的電能生產與消費系統稱為電力系統. 電力系統在運行中，各種電氣設備可能出現故障和不正常 運行狀態.不正常運行狀態是指電力系統中電氣元件的正 常工作遭到破壞，但是沒有發生故障的運行狀態，如：過負 荷，過電壓，頻率降低，系

13、統振蕩等.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，電力系統的短路故障會產生如下后 果：(1)故障點的電弧使故障設備損壞;(2)比正常工作電流大許多的短路電流產生熱效應和 電動力效應, 使故障回路中的設備遭到破壞；(3)部分電力系統的電壓大幅度下降, 使用戶的正常工 作遭到破壞, 影響企業的經濟效益和人們的正常生活；(4)破壞電力系統運行的穩定性, 引起系統振蕩, 甚至 使電力系統瓦解,造成大面積停電的惡性循環；故 障或 不 正 常 運 行狀 態 若 不 及時 正 確 處 理 , 都可

14、 能 引 發事故. 為了及時正確處理故障和不正常運行狀態, 避免事 故發生, 就產生了繼電保護, 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 電 力系 統 中 電 氣 元 件 發生 故 障 和 不正 常 運 行 狀 態, 并 動作 于 斷路 器 跳 閘或發出信號的一種自動裝置.繼電保護的任務是:(1)當電力系統中某電氣元件發生故障時, 能自動, 迅 速, 有選擇地將故障元件從電力系統中切除, 避免故障元件 繼續遭到破壞, 使非故障元件迅速恢復正常運行.(2)當電力系統中某電氣元件出現不正

15、常運行狀態時, 能及時反應并根據運行維護的條件發出信號或跳閘.繼電保護裝置的基本原理:我 們知 道 在 電 力 系統 發 生 短 路故 障 時 , 許 多 參量 比 正 常時候都了變化，當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，構成 保 護 . 比 如 ：根 據 短 路 電 流較正 常 電流升 高 的 特 點， 可 構 成過電流保護；利用短路時母線電壓降低的特點可構成低 電壓保護；利用短路時線路始端測量阻抗降低可構成距離 保護；利用電壓與電流之間相位差的改變可構成方向保護. 除此之外，根據線路內部短路時，兩側電流相位差變化可 以 構 成 差 動原 理 的

16、保 護. 當然 還可 以 根據 非 電 氣 量的 變 化 來構成某些保護，如反應變壓器油在故障時分解產生的氣 體而構成的氣體保護.原則上說：只要找出正常運行與故障時系統中電氣量 或非電氣量的變化特征（差別），即可形成某種判據，從 而構成某種原理的保護，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，根據比較結果給出邏輯信號，從而判 斷保護是否該起動.邏輯元件：其作用是根據測量部分輸出量的大小，性 質，輸出的邏輯狀態，出現的

17、順序或它們的組合，使保護 裝置按一定邏輯關系工作，最后確定是否應跳閘或發信 號，并將有關命令傳給執行元件.執行元件：其作用是根據邏輯元件傳送的信號，最后 完成保護裝置所擔負的任務. 如：故障時跳閘，不正常運 行時發信號，正常運行時不動作等.對繼電保護的基本要求： 選擇性：是指電力系統發生故障時，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：是指在規定的保護范圍內，保護對故障情況 的反 應能力. 滿足靈敏性 要求的保護裝置應在區內故障 時，不論短路點的位置與短路的類

18、型如何，都能靈敏地正 確地反應出來.可靠性：是指發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 生拒 絕 動 作也不發生錯誤動作.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中十分重要的供電元件，它的 故障將對供電可靠性和系統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，以便采取相應的保護措施.變壓器的故障可以分為油箱外和油箱內兩種故障.油 箱外的故障，主要是套管和引出線上發生相間短路以及中 性 點 直 接 接地 側 的 接 地短 路 . 這些 故 障的 發

19、生 會 危害 電 力 系 統 的 安 全 連 續 供 電 . 油 箱 內 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.油箱內故障 時產生的電弧，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 發生變壓器的過勵磁，引起鐵芯和其它金屬構件的過熱.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、后備保護分開設置(2)成套保護裝置，重要變壓器雙重化配置4. 2.2 縱聯差動保護以雙繞組變壓器為例來說明實現縱差動保護的原理，圖 4 變壓器縱差動保護的原理接線由于變壓器高壓側和低壓側的額定電流不同，因此， 為了保證縱差動保護的正確工作，就必須適當選擇兩側電 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，應使式中高壓側電流互感器的變比；低壓側電流互感器的變比；變壓器的變比（即高、低壓側額定電 壓之比）.由此可知，要實現變壓器的縱差動保護， 就必須適當地選擇兩側電流互感器的變比，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. 這個區別是由于線路的縱差動保護可以直接比較兩側電流 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 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 兩側電流差動， 其中高電壓側電流引自高壓側電流互感器，低壓側電流引 自變壓 器低壓側電流互感器，這樣使差動保護的 保護范圍 為 二組電流互感器所限定的 區域，從而可以更好地反映這 些區域內相間短路，高壓側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，變比誤差等影響導致不平衡電流的產生，故 Ir不等 于 0 ， 針對 不 平衡 電流 產生的 原因 不 同 可以 采 取 相應的措施來減

23、小.盡管縱聯差動保護有很多其它保護不具備的優點，但 當大型變壓器內部產生嚴重漏油或匝數很少的匝間短路故 障以及繞組斷線故障時，縱聯差動保護不能動作，這時我 們還需對變壓器裝設另外一個主保護瓦斯保護.圖 5 縱聯差動 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部故障，它由于一 方面簡單，靈敏，經濟；另一方面動作速度慢，且僅能反 映變壓器油箱內部故障，就注定了它只有與差動保護配合 使用才能做到優勢互補，效果更佳.瓦斯保護的工作原理：當變壓器內部發生輕微故障時，有輕瓦斯產生，瓦斯 繼 電器 KG 的 上觸 點閉 合，作 用于預 告信 號； 當發生嚴重 故障時，重瓦斯沖出，瓦

24、斯繼電器的下觸點閉合，經中間 繼電器 KC 作用于信號繼電器 KS,發出警報信號，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，它們裝設于油箱與 油枕之間的連接導管上.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計來說，變壓器的主保護有縱聯差動保護 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