110kv变电站设计及保护-毕业论文

'毕业设计（论文）任务书题目110KV变电站设计及保护学生姓名王星学号200905080708专业班级电气0903设计（论文）内容及基本要求1．巩固并充实所学基本理论和专业知识，初步掌握电气工程专业工程设计的流程和方法。了解110KV变电所在电力系统中的作用、地位、运行方式，深入理解变压器、线路的继电保护配置原则，掌握各种保护的基本原理。2．确定变电所主接线方案。3．确定短路点，计算短路电流。4．完成主变压器的保护方案设计，保护动作值的整定及校验。5．完成各电压等级线路的短路电流计算、保护方案设计、整定计算。6.完成母线的保护说明。7．按照规定撰写符合规范要求的毕业设计论文。8．翻译相关英文资料。设计（论文）起止时间年月日至年月日设计（论文）地点西安石油大学指导教师签名年月日系（教研室）主任签名年月日学生签名年月日 110KV变电站设计及保护摘要:变电站是电力系统的一个重要组成部分，它起着对电能汇集和分配的重要作用，是全系统安全、可靠、经济运行的重要一环。本次设计的电力变电所有3个电压等级，110KV/35KV/10KV。高压侧采用双母带旁母的接线方式，中压侧采用单母线分段的接线方式，低压侧也采用单母线分段的接线方式。主变为两台SFSZ10型三绕组变压器。本设计是对110KV变电站主接线和继电保护的配置，整定计算进行设计。根据毕业设计任务书所给出的变电站的原始资料，确定110KV电气主接线图，主变压器的容量。重点介绍变压器的差动保护和瓦斯保护，及线路的速断保护和过流保护，及其整定计算内容。关键词：110KV变电站；电气主接线；继电保护；整定计算 Thedesignandprotectionfor110KVsubstationAbstract:Substationisanimportantpartofthepowersystem.itplaysanimportantroleinthecollectionanddistributionofelectricity,itisanimportantannulusinthewholesystem’ssafe,reliableandeconomicoperation.Thedesignoftheelectricsubstationhasthreevoltagelevels,110KV/35KV/10KV.High-voltagesidehas theconnectionofdoublebusbarwithbypass,Medium-voltagesidehas theconnectionofsinglebusbarwithbreaker,andlow-voltagesidealsohas theconnectionofsinglebusbarwithbreaker.Twothree-windingtransformersmarkedSFSZ10areusedinthesubstation.Inthispaper,thedesignof110KVsubstation,relayprotectionconfigurationandsettingcalculationisdiscussed.Accordingtothesubstationoftheoriginaldatagiveninthedesignplandescriptionsofthegraduation,todeterminemaincircuitdiagram,thecapacityofthemaintransformer.Itfocusesonthetransformer’sdifferentialprotectionandgasprotection,andthelinequick-breakprotectionandover-currentprotectionandsettingcalculation.Keywords：110KVsubstation;maincircuit;relayprotection;settingcalculation 目录1绪论11.1课题的研究意义11.2国内外研究现状及发展前景11.2.1国内外变电站的研究现状及发展前景11.2.2国内继电保护技术的研究现状11.2.3国外继电保护技术的研究现状21.2.4微机继电保护技术的主要特点31.2.5微机继电保护技术的发展前景31.3原始资料分析51.3.1主变压器资料51.3.2主接线资料51.3.3电力系统接线简图51.3.4线路各侧出线参数62电气主接线设计72.1电气主接线设计概述72.1.1对电气主接线的基本要求72.1.2变电站电气主接线的设计原则72.1.3电气主接线设计步骤72.2电气主接线的基本形式82.3本次设计的电气主接线方案82.3.1110KV侧采用双母带旁母接线的优点92.3.2110KV侧采用双母带旁母接线的接线图92.3.335KV和10KV侧采用单母线分段接线的优点92.3.435KV和10KV侧采用单母线分段接线的接线图92.3.5电气主接线图103变电站主变压器的选择113.1主变压器的选择113.1.1主变压器台数的选择113.1.2主变压器容量的选择113.1.3主变压器型号的选择123.2主变压器的选择结果124短路电流计算134.1短路的原因及类型134.2短路的后果13III 4.3短路电流计算的目的134.4短路电流计算的假定条件134.5短路电流计算的方法144.6短路电流的计算144.6.1计算最小运行方式下的短路电流154.6.2计算最大运行方式下的短路电流184.6.3短路电流计算的结果225互感器的选择235.1电流互感器的基础知识235.2电流感器的选择235.2.1额定电压与电流的选择原则235.2.2型式的选择235.3电压互感器的基础知识235.4电压感器的选择245.4.1额定电压的选择原则245.4.2型式的选择246变压器的继电保护256.1继电保护设的基本知识256.1.1继电保护的基本原理256.1.2继电保护的基本任务256.1.3继电保护的基本要求256.2变压器的继电保护设计256.2.1变压器的故障256.2.2变压器的保护设计配置266.3变压器的电流速断保护266.3.1电流速断保护的原理266.3.2电流速断保护的整定计算原则276.3.3电流速断保护的整定计算结果276.4变压器的纵联差动保护286.4.1纵联差动保护的原理286.4.2本次设计的纵联差动保护296.4.3纵差保护的整定计算原则296.4.4保护整定的计算过程316.5变压器的瓦斯保护346.6变压器的后备保护35III 6.6.1低电压启动的过电流保护原理356.6.2低电压起动过流保护整定计算及结果366.7变压器的过负荷保护376.7.1过负荷保护配置原则376.7.2过负荷保护整定计算及结果387母线的保护397.1母线的故障397.2　对母线保护的要求397.3母线保护的分类397.4母线完全差动保护的原理397.5母线完全差动保护的分类408线路的保护418.1线路的保护设计418.1.1线路的故障418.1.2线路的保护设计配置418.1.3线路保护设计的分类418.2三段式电流保护418.2.1瞬时电流速断保护418.2.2限时电流速断保护428.2.3定时限过电流保护428.335KV线路的保护428.3.1保护整定的原则428.3.2保护整定的计算及结果428.410KV线路的保护438.4.1保护整定的原则438.4.2保护整定的计算及结果438.5110KV线路的保护449总结45参考文献46致谢46III 1绪论1.1课题的研究意义变电站是电力系统的一个重要组成部分，它起着对电能的汇集和分配等重要作用，是全系统安全、可靠、经济运行的重要一环。近年来110KV变电站的建设迅猛发展，科学的变电站设计方案能够提升配电网的供电能力和适应性，降低配电网损耗和供电成本，减少电力设施占地资源，体现“增容、升压、换代、优化通道”的技术改造思路。同时可以增加系统的可靠性，节约占地面积，使变电站的配置达到最佳，不断提高经济效益和社会效益[1]。如果变电站的设备在运行中出现故障将危及整个系统持续稳定运行，可能出现系统解列，致使用户断电，造成巨大的经济损失。对变电站进行的继电保护设计是保证系统安全稳定运行，保证供电质量，防止故障的扩大和事故的发生的重要环节。当电力系统发生故障时，继电保护装置能自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证系统其余部分迅速恢复正常运行，防止故障进一步扩大。当发生不正常工作情况时，继电保护装置能自动、及时地选择信号上传给运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。1.2国内外研究现状及发展前景1.2.1国内外变电站的研究现状及发展前景为了保障我国经济的高速发展，以及持续的城镇化进程，我国电力系统进入了一个快速发展阶段，电网建设得到进一步完善。由于我国电力建设起步比较晚，目前我国变电站主要现状是老设备向新型设备转变，有人值班向无人值班变电站转变，交流传输向直流输出转变，在城市变电站建设中，户内型变电站大幅增加。国外变电站主要是交流输出向直流输出转变。而数字化智能变电站也是国内外变电站未来发展趋势。而随着智能化开关，光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测及自诊断、变电站运行操作培训仿真这些新技术的日趋成熟以及广泛应用，必将对现有变电站自动化技术产生深刻的影响，带来全数字化的变电站新概念，使数字化智能变电站得到更迅速的发展[2]。1.2.2国内继电保护技术的研究现状继电保护装置是保证电力系统安全运行的重要设备；满足电力系统安全稳定运行的要求是继电保护发展的基本动力；快速性、灵敏性、选择性和可靠性是对继电保护的四项基本要求。为达到这个目标，继电保护专业技术人员借助各种先进科学技术手段做出不懈的努力。经过近百年的发展，在继电保护原理完善的同时，构成继电保护装置的元件、材料等也发生了巨大的变革。继电保护装置经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微处理机式等不同的发展阶段[3]。47 50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当时国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业。因而50年代是我国机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。自50年代末，晶体管继电保护已在开始研究。60年代中到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。在此期间，从70年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到80年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到90年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。国内微机保护的研究开始于70年代末期，起步较晚，但发展很快。1984年我国第一套微机距离保护样机在试运行后通过鉴定并批量生产，以后每年都有新产品问世；1990年第二代微机线路保护装置正式投入运行。目前，高压线路、低压网络、各种主电气设备都有相应的微机保护装置在系统中运行，特别是线路保护已形成系列产品，并得到广泛应用。我国在2000年，220KV及以上系统的微机保护率为43.99%，线路微机保护占86%；到2003年底，220KV以上系统的微机保护已占到70.29%，线路的微机化率达到97.6%。实际运行中，微机保护的正确动作率要明显高于其他保护，一般比平均正常动作率高0.2～0.3个百分点。国产微机保护经过多年的实际运行，依靠先进的原理和技术及良好的工艺已全面超越进口保护。从80年代220KV及以上电压等级的电力系统全部采用进口保护，到现在220KV系统继电保护基本国产化，反映了继电保护技术在我国的长足发展和国产继电保护设备的明显优势[3][4]。微机继电保护技术的成熟与发展是近三十年来继电保护领域最显著的进展。经过长期的研究和实践，现在人们已普遍认可了微机保护在电网中无可替代的优势。微机保护具有自检功能，有强大的逻辑处理能力、数值计算能力和记忆能力，并且具备很强的数字通信能力，这一切都是电磁继电器、晶体管继电器所难以匹敌的。计算机技术的进步，更高性能、更高精度的数字外围器件的采用，一直是微机继电保护不断发展的强大动力。1.2.3国外继电保护技术的研究现状国外的继电保护已经走过了一个多世纪的历程。上世纪90年代，随着微机保护的发展，不断有新的改善继电保护性能的原理和方案出现，这些原理和方案同时也对微机保护装置硬件提出了更高的要求。由于集成电路和计算机技术的飞速发展，微机保护装置硬件的发展也十分迅速，结构更加合理，性能更加完善。近年来，与微机保护领域密切相关的其它领域的飞速发展给微机保护带来了全新的革命。国外微机保护发展了近十五年，经历了三代保护设计上的更新换代，并以微处理器技术与多种已被提出并被可靠证明和广泛应用的算法相结合为基础，不断为新型微机保护的开发和完善创造着良好的实现条件。47 1.2.4微机继电保护技术的主要特点微机保护充分利用了计算机技术上的两个显著优势：高速的运算能力和完备的存贮记忆能力，以及采用大规模集成电路和成熟的数据采集，A/D模数变换、数字滤波和抗干扰措施等技术，使其在速动性、可靠性方面均优于以往传统的常规保护，而显示了强大生命力。与传统的继电保护相比，微机保护有许多优点，主要特点如下：(1)改善和提高继电保护的动作特征和性能，正确动作率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术，如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高，已在运行实践中得到证明。(2)可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。(3)工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低。(4)使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。(5)可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性[3]。1.2.5微机继电保护技术的发展前景微机继电保护技术未来发展趋势是向计算机化、网络化、智能化和保护、控制、测量、数据通信一体化发展。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用,新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中,以期取得更好的效果,从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展,出现了一些引人注目的新趋[5]。1.2.5.1保护、控制、测量、数据通信一体化在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下,保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机,是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据,也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此,每个微机保护装置不但可完成继电保护功能,而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能,亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。47 目前,为了测量、保护和控制的需要,室外变电站的所有设备,如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但要大量投资,而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测量、数据通信一体化的计算机装置,就地安装在室外变电站的被保护设备旁,将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后,通过计算机网络送到主控室,则可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质,还可免除电磁干扰。现在光电流互感器（OTA）和光电压互感器（OTV）已在研究试验阶段,将来必然在电力系统中得到应用。在采用OTA和OTV的情况下,保护装置应放在距OTA和OTV最近的地方,亦即应放在被保护设备附近。OTA和OTV的光信号输人到一体化装置中并转换成电信号后,一方面用作保护的计算判断；另一方面作为测量量,通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到一体化装置,由一体化装置执行断路器的操作[6]。1992年天津大学提出了保护、控制、测量、通信一体化问题,并研制了以TMS320C25数字信号处理器(DSP)为基础的一个保护、控制、测量、数据通信一体化装置。1.2.5.2人工神经网络在继电保护中的应用近年来,人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用,在继电保护领域应用的研究也已开始[7]。神经网络是一种非线性映射的方法,很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题,应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题,距离保护很难正确作出故障位置的判别,从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法,经过大量故障样本的训练,只要样本集中充分考虑了各种情况,则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。天津大学从1996年起进行神经网络式继电保护的研究,已取得初步成果。可以预见,人工智能技术在继电保护领域必将得到应用,并解决用常规方法难以解决的问题。1.2.5.3自适应控制技术在继电保护中的应用自适应继电保护的概念始于20世纪80年代，它可定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型继电保护。自适应继电保护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。这种新型保护原理的出现引起了人们的极大关注和兴趣，是微机保护具有生命力和不断发展的重要内容。自适应继电保护具有改善系统的响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，在输电线路的距离保护、变压器保护、发电机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。针对电力系统频率变化的影响、单相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统振荡的影响以及故障发展问题，采用自适应控制技术，从而提高保护的性能。对自适应保护原理的研究已经过很长的时间，也取得了一定的成果，但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须获得更多的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这一点[3]。1.2.5.4变电所综合自动化技术现代计算机技术、通信技术和网络技术为改变变电站目前监视、控制、保护和计量装置及系统分割的状态47 提供了优化组合和系统集成的技术基础。高压、超高压变电站正面临着一场技术创新。实现继电保护和综合自动化的紧密结合，它表现在集成与资源共享、远方控制与信息共享。以远方终端单元（RTU）、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。随着微机性能价格比的不断提高,现代通信技术的迅速发展,以及标准化规约的陆续推出,变电站综合自动化成了热门话题。1.3原始资料分析本次设计的变电站是焦作市110KV变电站，位于焦作市中部，在本地区占有很重要地位。该变电站，主要是对本区中部用户供电，尤其是对本地区大用户进行供电。1.3.1主变压器资料型号：SFSZ1063000/110(两台)额定电压：容量比：100/100/50参数：，，接线方式：YN，yn0，d111.3.2主接线资料(1)110KV接线,进线4回,采用双母带旁母接线；(2)35KV接线,出线9回,3回备用,采用单母线分段接线；(3)10KV接线,出线9回,1回备用,采用单母线分段接线；(4)系统参数(电源):110KV侧MVA,等值电抗；35KV侧MVA,等值电抗(取MVA,)。1.3.3电力系统接线简图图1-1是焦作变电站简图，并表明短路点。图1-1焦作变电站简图47 1.3.4线路各侧出线参数线路各侧出线参数见表1-1，表1-2，表1-3。表1-1110KV侧出线参数线型PmaxPminCOSΦL1LGJ-400200MW150MW0.8660KM2LGJ-300210MW160MW0.8650KM3LGJ-300220MW170MW0.8675KM4LGJ-150100MW70MW0.8630KM表1-235KV侧出线参数线型Pmax回路数COSΦL供电方式1LGJ-12014MW10.810KM架空2LGJ-12012MW10.812KM架空3LGJ-12026.8MW10.856KM架空4LGJ-12018.6MW10.858KM架空5LGJ-12016.7MW10.88KM架空6LGJ-12027MW10.859KM架空7、8、9备用表1-310KV侧出线参数线型Pmax回路数COSΦL供电方式1LGJ-1204MW10.88KM架空2LGJ-1203MW10.853KM架空3LGJ-1202MW10.855KM架空4LGJ-1204MW10.86KM架空5LGJ-1202MW10.859KM架空6LGJ-1204MW10.857KM架空7LGJ-1202MW10.856KM架空8LGJ-1204MW10.856KM架空9备用47 2电气主接线设计2.1电气主接线设计概述电气主接线的设计是发电厂或变电站电气设计的主体。他与电力系统、电厂动能参数、基本原始资料以及电厂运行可靠性、经济性的要求等密切相关，并对电气设备选择和布置、继电保护和控制方式等都有较大影响。因此，主接线设计，必须结合电力系统和发电厂或变电站的具体情况，全面分析有关影响因素，正确处理他们之间的关系，合理的选择主接线方案[8]。2.1.1对电气主接线的基本要求(1)运行的可靠性断路器检修时是否影响供电；设备和线路故障检修时，停电数目的多少和停电时间的长短，以及能否保证对重要用户的供电。(2)具有一定的灵活性主接线正常运行时可以根据调度的要求，灵活的改变运行方式，达到调度的目的。而且在各种事故或设备检修时，使由于切除故障而造成停电时间缩短，使其影响范围达到最小，并且再检修时可以保证检修人员的安全。(3)操作应尽可能简单、方便主接线应简单清晰、操作方便，尽可能使操作步骤简单，便于运行人员掌握。复杂的接线不但不便于操作，还往往会造成运行人员的误操作而发生事故。但接线过于简单，可能又不能满足运行方式的需要，而且也会给运行造成不便或者不必要的停电。(4)经济上合理主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上，还应使投资和年运行费用小，占地面积最少，使其尽可能的发挥经济效益。(5)具有扩建的可能性由于我国工农业的高速发展，电力负荷增加很快，因此，在选择主接线时还应考虑到具有扩建的可能性[9]。2.1.2变电站电气主接线的设计原则电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行和维护的方便，尽可能地节省投资，就进取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。2.1.3电气主接线设计步骤2.1.3.1分析原始资料(1)本工程情况47 包括变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。(2)电力系统状况包括电力系统近期及远景规划（5～10年），变电站在电力系统中的位置（地理位置和容量位置）和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。(3)负荷情况包括负荷的性质及地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。电力负荷的原始资料是设计主接线的基础数据，电力负荷预测工作是电力规划工作的重要组成部分，也是电力规划的基础。对电力负荷的预测不仅应有短期负荷预测，还应有中长期负荷预测，对电力负荷预测的准确性，直接关系着发电厂和变电站电气主接线设计成果的质量，一个优良的设计，应能经受当前及较长远时间（5～10年）的检验。(4)设备制造情况这往往是设计能否成立的重要前提，为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电气设备的性能、制造能力和供货情况、价格等质量汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可靠性。2.1.3.2主接线方案的拟定与选择根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等不同的考虑，可拟定出若干个主接线方案（近期和远景）。依据对主接线的基本要求，从技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终保留2～3个技术上相当，有能满足任务书要求的方案，再进行经济比较，结合最新技术，最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方案。2.1.3.3短路电流计算和主要电气设备选择对选定的电气主接线进行短路电流计算，并选择合理的电气设备。2.1.3.4绘制电气主接线对最终确定的电气主接线，按照要求，绘图。2.2电气主接线的基本形式主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种接线方式，它以电源和出线为主体。由于各个发电厂或变电站的出线回路数和电源回路数不同。且各回馈线中所传输的容量也不一样，因而为便于电能的汇集和分配，再进出线较多（一般超过4回），采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。而与有母线的接线相比，无汇流母线的接线使用电气设备较少，配电装置占地面积较小，通常用于进出线回路少，不再扩建和发展的发电厂和变电站。有汇流母线的接线方式可概括为单母线接线和双母线接线两大类，无汇流母线的接线形式主要有桥形接线、角形接线和单元接线[9]。2.3本次设计的电气主接线方案47 本次设计中110KV侧接线采用双母带旁母接线，如图2-1示；35KV侧接线采用单母线分段接线，如图2-2所示；10KV侧接线采用单母线分段接线，如图2-2所示。2.3.1110KV侧采用双母带旁母接线的优点(1)提高供电可靠性，便于断路器检修时供电；(2)检修任意母线，不会停止对用户的供电；(3)运行调度灵活，通过到闸操作可形成不同的运行方式，倒匝操作要遵守“先合后断”顺序；(4)便于扩建，双回线不会有交叉跨越。2.3.2110KV侧采用双母带旁母接线的接线图图2-1双母线带旁路母线接线2.3.335KV和10KV侧采用单母线分段接线的优点(1)调度灵活；(2)检修一段母线不会造成全所停电；(3)可以保证对重要用户的供电，提高了供电的可靠性；(4)经济上占地面积少，所用设备数量少。2.3.435KV和10KV侧采用单母线分段接线的接线图图2-2单母线分段接线47 2.3.5电气主接线图本设计的电气主接线图如图2-3所示：图2-3变电站主接线图47 3变电站主变压器的选择3.1主变压器的选择主变压器的选择，一般包括变压器台数，容量，型号的选择等内容。3.1.1主变压器台数的选择在变电站设计过程中，一般需要装设两台主变压器，防止其中一台出现故障或检修时中断对用户的供电。对110KV及以下的终端或分支变电站，如果只有一个电源，或变电所的重要负荷有中、低压侧从电网取得备用电源时，可只装设一台主变压器，对大型超高压枢纽变电站，可根据具体情况装设2～4台主变压器，以便减小单台容量。因此，在本次设计中装设两台主变压器。3.1.2主变压器容量的选择(1)主变容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发展。对于城郊变电所，主变压器容量应与城市规划相结合。(2)根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量。对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余主变压器的容量一般应满足60%(220KV及以上电压等级的变电所应满足70%）的全部最大综合计算负荷，以及满足全部I类负荷和大部分II类负荷(220KV及以上电压等级的变电所，在计及过负荷能力后的允许时间内，应满足全部I类负荷和II类负荷)[8]。即：和（3-1）最大综合计算负荷的计算：（3-2）式中，—各出线的远景最大负荷；m—出线回路数；—各出线的自然功率因数；—同时系数，其大小由出线回路数决定，出线回路数越多其值越小，一般在0.8～0.95之间；—线损率，取5%。因此，由原始材料可得：35KV侧：10KV侧：47 则总的负荷为：取=0.85，则由公式3-2可得：则由公式3-1可得，3.1.3主变压器型号的选择主变压器型号的选择一般包括相数的选择，绕组数和连接方式的选择，以及冷却方式的选择等内容。3.1.3.1相数的选择变压器有单相变压器组和三相变压器组。在330KV及以下的发电厂和变电站中，一般选择三相变压器。单相变压器组由三个单相的变压器组成，造价高、占地多、运行费用高。只有受变压器的制造和运输条件的限制时，才考虑采用单相变压器组，因此在本次设计中采用三相变压器组。3.1.3.2绕组数选择在具有三种电压等级的变电所中，如果通过主变各绕组的功率达到该变压器容量的15%以上，或在低压侧虽没有负荷，但是在变电所内需要装无功补偿设备时，主变压器宜选用三绕组变压器。3.1.3.3绕组连接方式的选择变压器常采用的绕组联结方式有星形“Y”和三角形“d”两种，且变压器绕组的连接方式应根据具体的工程来确定。变电站中，对于三绕组变压器，一般为了限制三次谐波磁通的影响等因素，一般总有一个绕组是连成三角形的，以提供三次谐波电流的通路，故主变压器联结组号一般选用YNyn0d11的常规接线方式[9]。3.1.3.4冷却方式油浸式电力变压器的冷却方式随其形式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却等。本次设计的变电站的变压器选择采用自然风冷却方式。即通常采用依靠装在变压器油箱上的片状或管形辐射式冷却器及电动风扇的自然风冷却方式散发热量。3.2主变压器的选择结果根据变压器额定容量，主变压器选择两台型号为SFSZ10-63000/110的变压器可满足要求。47 4短路电流计算4.1短路的原因及类型短路是系统常见的故障。所谓短路，就是系统中各种类型不正常的相与相之间或相与地之间的连接。系统发生短路的原因很多，主要有：(1)电气设备、元件的损坏。如：设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺陷，正常运行时被击穿短路；及设计、安装、维护不当所造成的设备缺陷最终发展成短路等。(2)自然的原因。如：由于大风等原因引起架空线倒杆断线；因遭受直击雷或雷电感应，设备过电压，绝缘被击穿等。(3)人为事故。如：工作人员违反操作规程带负荷拉闸，造成相间弧光短路；违反电业安全工作规程带接地刀闸合闸，造成金属性短路，人为疏忽接错线造成短路或运行管理不善造成小动物进入带电设备内形成短路事故等等。在三相系统中，可能发生的短路故障分为对称短路和不对称短路。对称短路即三相短路()，其造成的危害最为严重，但发生三相短路的机会较少。不对称短路包括两相短路()，单相接地短路()和两相接地短路()。其中单相接地短路发生的机会最多，约占短路总数的70%以上[10]。4.2短路的后果供电系统发生短路后，会带来以下严重的后果：(1)巨大的短路电流通过导体，短时间内产生很大热量，形成很高温度，极易造成设备过热而损坏。(2)由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的电动力。如果电动力过大或设备构架不够坚韧，则可能引起电气设备机械变形甚至损坏，使事故进一步扩大。(3)短路时系统电压突然下降，对用户带来很大影响。(4)短路时会造成停电事故，给国民经济带来损失。并且短路越靠近电源，停电波及的范围越大。4.3短路电流计算的目的在发电厂和变电所的电气设计中，短路电流计算的目的主要有以下几方面：(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)在选择变压器的继电保护方式和进行变压器的继电保护整定计算时，需以短路时计算的短路电流为依据。(3)在选择线路及母线的继电保护方式和进行相关整定计算时，需以短路时计算的短路电流为基准。4.4短路电流计算的假定条件47 短路过程是一种暂态过程。影响电力系统暂态过程的因素很多，若在实际计算中把所有因素都考虑进来，将是十分复杂也是不必要的，因此，在实际工程计算中，在满足工程要求的前提下，为了简化计算，通常采取一些合理的假设，采用近似的方法对短路电流进行计算。基本假设条件如下：(1)计算中，所有发电机电势的相位及大小均相同。亦即在发电机间没有电流交换，发电机供出的电流全部流向短路点。而所有负荷支路则认为都已断开。(2)系统中各元件的感抗都是恒定的，线性的。(3)不计变压器励磁电流。(4)系统中所有元件只计入电抗。但若是计算电压低于1KV以下的低压系统计算短路电流时，则须计及元件电阻。(5)短路皆为金属性短路，不计短路点过渡电阻的影响。以上假设，使短路电流计算结果稍偏大一些，但是最大误差不超过10%～15%，这对于工程设计所要求的准确度来说是允许的[9]。4.5短路电流计算的方法本次设计通过对焦作110KV变电站的基本资料和参数的了解，计算此变电站发生三相短路时的短路电流。三相短路时的三相回路依旧是对称的，也称为对称短路。在计算三相短路电流时采用标幺值的计算方法，即。在计算本次设计的三相短路电流时所采用是将变压器参数的有名值转化为标幺值，有利于进一步分析比较，在本次设计中计算短路电流时对电源采取无穷大的处理方式更加有利于短路电流的计算。把线路简化成电抗形式有利于计算110KV、35KV、10KV侧分别于母线处发生短路时所得到的短路电流[10]。发生三相短路时的短路电流计算公式见式4-1：（4-1）4.6短路电流的计算将变电站转化为等值电抗形式的电路图，如图4-1示。47 图4-1变电站等值电抗图4.6.1计算最小运行方式下的短路电流做出最小运行方式下变电站的简化等值电抗图,如图4-2示：图4-2最小运行方式下的变电站简化等值电抗图4.6.1.1主变电抗标幺值的计算在MVA,,MVA标准下计算变压器电抗标幺值：(1)计算各绕组的短路电压(2)计算各绕组的标幺电抗4.6.1.2线路电抗标幺值的计算根据已知条件分别在三个电压等级下选择一条阻抗值最大线路，则在110KV侧选择出线L-3(LGJ-300,L=75KM)；在35KV侧选择出线L-2(LGJ-120,L=12KM)；在10KV侧选择出线L-5(LGJ-120,L=9KM)。查表得到线路侧单位长度电抗值:,[9]。47 在MVA，标准下计算线路电抗标幺值：则标幺值换算如下：则由公式4-1，计算最小运行方式下,,点短路电流。4.6.1.3短路电流的计算过程(1)点短路时的短路电流计算点短路时的星形转化为三角形的电抗转换图，见图4-3：图4-3点星形化为三角形的电抗转换图星三转换等值电抗为：即47 ∴即∴∴点短路电流标幺值：∴点短路电流有铭值：KA(2)点短路时的短路电流计算点短路时的星形转化为三角形的电抗转换图，见图4-4：图4-4点星形转化为三角形电抗转换图星三转换等值电抗为：47 根据图4-3所得结果：∴∴点短路电流标幺值：∴点短路电流有铭值：KA(3)点短路时的短路电流计算点短路时的星形转化为三角形的电抗转换图，见图4-5：图4-5点星形转化为三角形电抗转换图星三转换等值电抗为：根据图4-3,图4-4所得结果：∴∴点短路电流标幺值：∴点短路电流有铭值：KA4.6.2计算最大运行方式下的短路电流做出最大运行方式下变电站的简化等值电抗图,如图4-6示：47 图4-6最大运行方式下的变电站简化等值电抗图4.6.2.1主变电抗标幺值的计算在MVA,,MVA标准下计算变压器电抗标幺值。根据已知条件计算最大运行方式下变压器短路电压百分数：∴得∴由公式4-1，计算最大运行方式下,,点短路电流。4.6.2.2短路电流的计算过程(1)点短路时的短路短路计算点短路时的星形转化为三角形的电抗转换图，见图4-7：47 图4-7点星形转化为三角形电抗转换图星三转换等值电抗为：∴∴∴点短路电流标幺值为:∴点短路电流有铭值为:KA47 (2)点短路时的短路短路计算点短路时的星形转化为三角形的电抗转换图，见图4-8：图4-8点星形转化为三角形电抗转换图星三转换等值电抗为：根据图4-7所得结果：∴∴点短路电流标幺值：∴点短路电流有铭值：KA(3)点短路时的短路短路计算点短路时的星形转化为三角形的电抗转换图，见图4-9：47 图4-9点星形转化为三角形电抗转换图星三转换等值电抗为：根据图4-7,图4-8所得结果：∴∴点短路电流标幺值：∴点短路电流有铭值：KA4.6.3短路电流计算的结果短路电流计算结果如表4-1所示。表4-1短路电流计算的结果短路点最大运行方式的短路电流KA最小运行方式的短路电流KA2.752.677.1616.2820.3915.4347 5互感器的选择5.1电流互感器的基础知识电流互感器就是把大电流按比例降到可以用仪表直接测量的数值，并作为各种继电保护的信号源。电流互感器具有如下特点：(1)二次侧接的是仪表和继电器的电流线圈，阻抗很小，接近于短路工作状态。(2)二次侧阻抗很小，对一次侧的电流几乎无影响，一次侧电流取决于电网负载。(3)，如测得I2，而N1，N2已知，就可得到I1。(4)电流互感器在正常运行时，二次侧接近于短路状态，故应特别注意防止二次绕组开路。5.2电流感器的选择电流互感器的选择，一般包括额定电压与电流的选择，型式的选择等内容。5.2.1额定电压与电流的选择原则(1)额定电压的选择原则：电流互感器的额定电压不得低于其安装回路的电网额定电压，即:(2)额定电流的选择原则：电流互感器的额定电流不得低于其所在回路的最大持续工作电流，即:为了保证电流互感器的准确级，应尽可能接近。5.2.2型式的选择(1)35KV及以下的屋内配电装置的电流互感器，根据安装使用条件及产品情况，采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构。则有：10KV侧CT可根据安装地点和最大长期工作电流选LMC-10型CT，即带有瓷绝缘的母线式电流互感器。基本参数为:电压等级10KV；额定电流比4000，5000/5；级次组合0.5/3；准确级次3。35KV侧CT可根据安装地点和最大长期工作电流选LCWB-35型CT，即带有瓷绝缘的户外式，支持式的电流互感器。基本参数为：电压等级35KV；额定电流比20～1200/5。(2)110KV侧CT的选择：35KV以上配电装置一般采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器L(C)系列。在有条件时，如回路中有变压器套管，穿墙套管，应优先采用套管电流互感器，以节约投资，减少占地。则综合考虑选择型号为LCWB6-110B型CT，即带有瓷绝缘的户外式，支持式的电流互感器。基本参数为：电压等级为110KV；额定电流比(2×75)～(2×600)/5[9]。5.3电压互感器的基础知识47 电压互感器是隔离高电压，供继电保护、自动装置和测量仪表获取一次电压信息的传感器。是一种特殊型式的变压器。电压互感器具有如下特点：(1)容量小（通常只有几十伏安或几百伏安）。(2)一次电压不受二次电压的影响。(3)正常运行时近似空载，二次电压基本上等于二次感应电动势。(4)二次侧严禁短路，二次一般接有熔断器保护。电压互感器是一个内阻极小的电压源，正常运行时负载阻抗很大，相当于开路状态，二次侧仅有很小的负载电流。当二次侧短路时，负载阻抗为零，将产生很大的短路电流，会将电压互感器烧坏。5.4电压感器的选择电压互感器的选择，一般包括额定电压的选择，型式的选择等内容。5.4.1额定电压的选择原则(1)一次电压：(2)二次电压：V(3)准确等级：1级5.4.2型式的选择(1)6～20KV配电装置一般采用油浸绝缘结构，当需要零序电压是，一般采用三相五柱电压互感器。则选择JSJW-10型电压互感器，即三相五柱式油浸式电压互感器。其电压等级为10KV；电压比为。(2)35～110KV配电装置一般采用油浸绝缘结构电压互感器。则选择JDJJ-35型电压互感器，即带接地保护的油浸式单相电压互感器。其电压等级为35KV；电压比为。(3)接在110KV及以上线路侧的电压互感器，当线路上装有载波通讯，应尽量与耦合电容器结合，统一选用电容式电压互感器。则选择TYD-0.015型互感器。其额定电压为110KV；电压比为。47 6变压器的继电保护6.1继电保护设的基本知识继电保护的基本知识包括继电保护的基本原理，基本任务及基本要求等内容。6.1.1继电保护的基本原理在电力系统发生短路故障时，许多参量比正常时候都有了变化，有的变化明显，有的不明显。明显的有电流剧增、电压大幅下降、线路测量阻抗减少、功率方向变化、负序或零序分量出现等，根据不同电气量的变化，可构成不同原理的继电保护配置。不论哪种电气量变化，当其测量值超过一定数值时，继电保护将有选择地切除故障或显示电气设备的异常情况。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；利用电压与电流之间相位差的改变可构成方向保护等。6.1.2继电保护的基本任务继电保护的任务是：(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。6.1.3继电保护的基本要求根据继电保护任务，对继电保护有选择性、速动性、灵敏性和可靠性的要求。这些要求是相辅相成、相互制约的，需要根据具体的使用环境进行协调保证。(1)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。(2)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。(3)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。(4)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[11][12]。6.2变压器的继电保护设计变压器的继电保护设计就是对变压器在运行中可能出现的不正常运行状态或是故障进行分析，进而对变压器进行保护设计配置。6.2.1变压器的故障变压器是电力系统的重要组成部分，其不正常运行或是47 故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。变压器的不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因引起的油面降低。变压器的故障可以分为油箱内和油箱外故障两种。油箱内的故障包括绕组和相间短路，接地短路，匝数短路以及铁心的绕组等。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。因此为了防止由于变压器的不正常运行或是故障而造成的供电质量下降，甚至是用户断电等一系列严重故障。必须采取一些列有效的措施保证变压器的安全运行。6.2.2变压器的保护设计配置根据上述的变压器不正常运行状态和故障类型，对变压器可以装设下列保护：(1)电流速断保护或者纵联差动保护(2)瓦斯保护(3)外部相间短路时，应该采用的保护1)过电流保护，一般用于降压变压器。2)复合电压起动的过电流保护，一般用于升压变压器以及电流保护灵敏性不满足要求的降压变压器上。3)阻抗保护，对于升压变压器和系统联络变压器中不满足灵敏度和选择性要求时，可采用阻抗保护[13]。(4)外部接地短路时，应采用的保护1)对于中性点直接接地电网内,由外部接地短路引起的过电流时，如果变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。2)对自耦变压器和高,中低压侧中性点都直接接地的三绕组变压器，当有选择性要求时,应增设零序方向元件。(5)过负荷保护(6)过励磁保护6.3变压器的电流速断保护变压器的电流速断保护是反应电流增大而瞬时动作的保护。当电源侧为中性点不直接接地系统时，电流速断保护为两相式；在中性点直接接地系统中为三相式。为保证选择性，速断保护只能保护变压器的部分。为了提高保护对变压器高压侧引出线接地故障的灵敏度系数，可以采用两相三继电器式接线方式[11]。6.3.1电流速断保护的原理变压器的电流速断保护应该装设于变压器的电源侧，由瞬动的电流继电器构成，对变压器及其引出线上各种型式的短路进行保护。其原理接线如图6-1所示:47 图6-1电流速断保护原理图6.3.2电流速断保护的整定计算原则(1)保护动作电流按避越变压器外部故障的最大短路电流来整定：(6-1)式中：为可靠系数取1.4—1.6；为变压器低压侧母线发生三相短路电流时，流过保护装置的最大短路电流。(2)保护装置的灵敏度系数(6-2)式中为系统最小运行方式下，变压器电源引出端发生两相金属短路时，流过保护装置的最小短路电流。6.3.3电流速断保护的整定计算结果由公式6-1，公式6-2得：KAKA灵敏度校验：取=1.547 由于无法满足灵敏度要求，故必须装设纵联差动保护装置。6.4变压器的纵联差动保护变压器的纵联差动保护反应于被保护元件的流入电流与流出电流之差而动作。其不但能够正确区分区内外故障，且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时地切除区内外各种短路故障，因而变压器的纵联差动保护被广泛的应用为变压器的主保护。对6.3MVA及以上厂用电工作变压器和并列运行的变压器，10MVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器，应装设纵联差动保护。对高压侧电压为330KV及以上的变压器，可装设双重差动保护。纵联差动保护应符合下列要求：(1)应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流；(2)应在变压器励磁时不误动；(3)差动保护范围应包括变压器套管及其引出线。如不能包括引出线时，应采取快速切出故障的辅助措施[13]。变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，理想情况下，流入差动继电器的电流等于零。但实际上由于变压器的励磁电流，接线方式和电流互感器误差等因素的影响，继电器中有不平衡电流流过。由于这些特殊因素的影响，变压器差动保护的不平衡电流远比发电机差动保护大。因此，变压器差动保护需要解决的主要问题之一是采取各种措施避越不平衡电流的影响。在满足选择性的条件下，还要保证内部故障是有足够的灵敏系数和速动性。按照避越励磁涌流方法的不同，变压器差动继电器可按不同的工作原理来实现。目前，国内广泛应用有以下几种类型继电器构成差动保护：(1)带短路线匝的BCH-2型差动继电器；(2)带磁制动特性的BCH-1型差动继电器；(3)多侧磁制动特性的BCH-4型差动继电器；(4)鉴别涌流间断角的差动继电器；(5)二次谐波制动的差动继电器。6.4.1纵联差动保护的原理当变压器绕组和引出线发生相间短路以及变压器匝间短路时，其保护应瞬时动作，这种故障由差动保护来反映，因此差动保护为变压器的主保护。原理见图6-2。如图6-247 所示，将变压器两侧装设的电流互感器串联起来构成环路。如果适当选择电流互感器的变比和接线方式，在正常运行和外部短路时，可使电流互感器二次电流大小相等，相位相同，流入继电器的电流等于零，保护装置不动作。当保护范围内部发生短路时，对于单侧电源供电的变压器，则仅变压器一次侧电流互感器有电流，此时只要此电流大于继电器整定电流，继电器就动作，使变压器两侧断路器跳闸，瞬时切除故障。在供电系统中，如果两台变压器并联运行，当保护范围外部发生故障时，差动保护不动作。而其中一台变压器发生故障时，流过继电器的电流，使故障变压器的差动保护动作，有选择地将故障变压器切除，保证非故障变压器正常运行。图6-2三绕组变压器纵差保护单相原理图6.4.2本次设计的纵联差动保护本次设计纵差保护中选用带短路线匝的BCH-2型差动继电器。(1)BCH-2型差动继电器的用途BCH-2型差动继电器(以下简称继电器)用于双绕组或三绕组电力变压器的差动保护中,并作为主保护。(2)BCH-2型差动继电器的结构差动继电器由两部分组成：DL-11型电流继电器和中间饱和变流器(以下简称变流器)。前者作为执行元件，后者具有短路绕组，它构成差动继电器的一些主要技术性能，如直流偏磁特性消除不平衡电流效应的自耦变流器性能等。6.4.3纵差保护的整定计算原则采用BCH-2型差动继电器构成纵差保护，其整定计算如下[14]：(1)计算变压器两侧的额定电流由变压器的额定容量及平均电压计算出变压器两侧的额定电流Ibe，按kjxIbe选择两侧电流互感器一次侧额定电流，按下式算出两侧电流互感器二次回路的额定电流。（6-3）式中:kjx——接线系数,电流互感器为星形接线时取为1，三角形时取；ni——电流互感器变比。取二次额定电流I2e最大的一侧为基本侧。47 (2)按下述三个条件确定保护装置的动作电流Idz1)躲过变压器的励磁涌流（6-4）式中：kk——可靠系数，取1.3；Ibe——变压器的额定电流。2)躲过外部故障时的最大不平衡电流（6-5）式中：kk——可靠系数，取1.3；Ibp——最大不平衡电流；——外部故障时的最大短路电流周期分量；Klx——电流互感器同型系数，同型号时取0.5，不同时取1；fi——电流互感器的容许最大相对误差，为0.1；——变压器改变分接头调压引起的相对误差，一般采用调压范围的一半，取5%；——由于继电器的整定匝数与计算的不相等而产生的相对误差，初算时可取中间值0.05（最大值为0.091）。3）躲过电流互感器二次回路断线引起的不平衡电流考虑到电流互感器二次回路可能断线，这时应躲过变压器正常运行时的最大负荷电流所造成的不平衡电流（6-6）式中：kk——可靠系数，取1.3；Igmax——变压器的最大工作电流，无法确定时，取变压器的额定电流。根据以上计算的结果，取其最大者作为基本侧的动作电流整定值。(3)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为（6-7）基本侧线圈匝数可按下式计算（6-8）47 式中是BCH-2型继电器的额定制动安匝。由式6-8确定继电器的实际整定匝数。(4)确定继电器实际动作电流和保护装置的实际动作电流继电器实际动作电流（6-9）保护装置的实际动作电流（6-10）(5)确定非基本侧平衡线圈匝数和工作线圈匝数平衡线圈匝数（6-11）（6-12）选取平衡线圈匝数，工作线圈匝数（6-13）(6)计算整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差（6-14）（6-15）实际相对误差时，将实际值带入式6-5重新整定计算。(7)校验保护的最小灵敏系数当系统在最小运行方式下，10KV侧出口处发生两相短路时，保护装置灵敏系数最低，故按此校验。并保证最小灵敏系数。（6-16）6.4.4保护整定的计算过程6.4.4.1差动保护参数的计算算出各侧一次侧额定电流，选出电流互感器，确定二次回路的额定电流，计算结果见表6-1。47 表6-1差动保护参数额定电压（KV）110KV35KV10KV额定电流（A）电流互感器接线方式DyY电流互感器一次电流（A）电流互感器变比电流互感器二次额定电流（A）由表6-1可看出，110KV侧电流互感器二次回路额定电流最大。因此，以110KV侧为基本侧。6.4.4.2计算差动保护的一次动作电流由公式6-4至公式6-16计算如下：(1)按躲过10KV侧故障时的最大不平衡电流整定A(2)按躲过励磁涌流A(3)按躲过电流互感器二次断线变压器的最大工作电流，无法确定，故取变压器的额定电流作为最大工作电流。A综合考虑，应按躲过外部故障不平衡电流条件，选用差动保护的一次动作电流A。6.4.4.3确定差动继电器的动作电流和基本侧差动线圈的匝数47 差动继电器的动作电流为A基本侧线圈匝数可按下式计算匝则继电器的实际整定匝数匝6.4.4.4确定继电器实际动作电流和保护装置的实际动作电流继电器实际动作电流A保护装置的实际动作电流A6.4.4.5确定非基本侧平衡线圈匝数和工作线圈匝数平衡线圈匝数匝匝选取平衡线圈匝数匝则工作线圈匝数匝6.4.4.6计算整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差实际相对误差，将实际值带入式6-5重新计算动作电流，验算保护装置选择性。47 A差动继电器的动作电流为A基本侧线圈匝数可按下式计算精确计算后选取继电器的实际整定匝数匝，故仍可选取匝，满足选择性要求。6.4.4.7校验保护的最小灵敏系数当系统在最小运行方式下，10KV侧出口处发生两相短路时，保护装置灵敏系数最低，故按此校验。并保证最小灵敏系数。最小灵敏系数最小灵敏系数满足要求，则本次设计选用带短路线匝的BCH-2型差动继电器构成的纵差保护满足要求。6.5变压器的瓦斯保护当变压器油箱内部短路时，短路点电弧使变压器油分解形成瓦斯气体，重瓦斯保护作用于断路器跳闸，为变压器主保护；轻瓦斯作用于信号，在保护线路中通常设有切换片QP，也可将重瓦斯保护投入信号。当变压器内部故障时，故障点的局部温度将使变压器油温上升，体积膨胀，甚至出现沸腾，有热空气被排出而形成上升气流，在故障点产生电弧，则变压器油和绝缘材料将分解出大量气体，这些气体自油箱流向油枕上部，故障程度越严重，产生的气体越多，流向油枕的气流速度越快，甚至气流中还夹杂着变压器油，利用上述气体来实现的保护装置叫瓦斯保护[14]。瓦斯继电器是构成瓦斯保护的主要元件，它安装在油箱和油枕之间的连接管道上，如图6-3所示，这样的油箱内产生的气体必须通过瓦斯继电器的方向和水平面具有1%—1.5%的升高坡度，通往继电器的连接管具有2%—4%的升高坡度。47 瓦斯保护的主要优点是动作迅速，灵敏度高，安装接线简单，能全面反应油箱内部发生的各种故障。其缺点则是不能反映变压器套管及引出线等部位上发生的故障。因此瓦斯保护不可作为变压器唯一的主保护，它应与纵差动保护相互配合，相互补充，实现快速而灵敏的切除变压器油箱内上发生的各种故障。(1)瓦斯保护的整定：250cm3动作于信号。(2)重瓦斯保护的整定：油流速度整定范围为0.6-1.5m/s。1-瓦斯继电器；2-油枕图6-3瓦斯继电器示意图6.6变压器的后备保护为了反映变压器外部相间短路故障引起的过电流以及作为纵联差动保护和瓦斯保护的后备保护，变压器应装设反映相间短路故障的后备保护。根据变压器容量和保护灵敏度要求，后备保护的实现方式有过流保护，低电压启动的过流保护，复合电压启动的过流保护，负序过流保护及阻抗保护等。本次设计采用低电压启动的过流保护来实现变压器的后备保护。6.6.1低电压启动的过电流保护原理(1)在不对称故障时靠负序电压继电器起动低电压继电器；在对称故障时靠负序电压继电器短时间动作来起动低电压继电器，而依靠低电压继电器返回电压较高来维持其动作状态，因此，灵敏度较高，低电压启动的过电流保护原理接线图如图6-4示。(2)电流继电器的动作电流按躲过变压器额定电流整定（6-17）式中:可靠系数1.2,返回系数0.85,变压器的额定二次电流。(3)低电压继电器按在相间电压上的电压继电器的动作电压，按躲过电动机自起动为条件整定：或（6-18）47 (4)灵敏度校验：电流元件（6-19）图6-4低电压启动的过电流保护原理接线图6.6.2低电压起动过流保护整定计算及结果由公式6-17，公式6-18，公式6-19计算如下：；，或；，110KV侧AKVKV因为,所以选此电压为起动电压。35KV侧AKVA因为,所以选此电压为起动电压。47 10KV侧AKVKV因为,所以选此电压为起动电压。将电压归算为二次值：110KV侧KV35KV侧KV10KV侧KV灵敏度校验：110KV侧35KV侧10KV侧则灵敏度符合要求。6.7变压器的过负荷保护电力系统中所有用电设备消耗的功率，简称负荷。变压器的过负荷指的是负载阻抗变小（如远方短路，用电负荷增加等），导致变压器输出电流增大，超过了最大额定电流。变压器的过负荷主要有两方面:(1)输入变压器的负荷增大，其会使电压升高，有功功率变大，损坏变压器原边绕组。(2)用户负荷增大即输出增大，其会使电压降低，随之无功功率增大，从而导致电压进一步降低，形成恶性循环，引起电压崩溃。变压器的过负荷保护就是针对变压器运行中可能出现的过负荷情况而采取的保护措施。6.7.1过负荷保护配置原则47 在经常有人值班的情况下，过负荷保护通常作用于信号。变压器的过负荷电流，在大多数情况下都是三相对称的，因此，过负荷保护只需接入一相电流，各侧的过负荷保护均经过同一时间继电器延时发出信号。所选保护安装地点要能够反应变压器所有绕组的过负荷情况，其配置原则如下：(1)双绕组升压变压器上，过负荷保护常装设在变压器的低压侧，即主电源侧。(2)对于三侧均有电源的升压变压器，各侧均应装过负荷保护。(3)在双绕组降压变压器上，过负荷保护装于高压侧。(4)两侧电源的三绕组降压变压器或联络变压器，在三侧均装设过负荷保护[13]。6.7.2过负荷保护整定计算及结果对称过负荷保护的动作电流，按避越额定电流整定。（6-20）式中——可靠系数，取1.05；——返回系数，取0.85；——保护安装侧的额定电流。由公式6-20计算如下：110KV侧A将电流换算为二次值：A35KV侧A将电流换算为二次值：A10KV侧A将电流换算为二次值：A47 7母线的保护7.1母线的故障母线是发电厂和变电站重要组成部分之一。母线又称汇流排，是汇集电能及分配电能的重要设备。在大型发电厂和枢纽变电站，母线连接元件甚多。主要连接元件除出线单元之外，还有电压互感器、电容器等。运行实践表明：在众多的连接元件中，由于绝缘子的老化，污秽引起的闪路接地故障和雷击造成的短路故障而引起的母线故障次数较多。另外，运行人员带地线合刀闸造成的母线短路故障，也有发生。母线的故障类型主要有单相接地故障，两相接地短路故障及三相短路故障。两相短路故障发生几率较小。当发电厂和变电站母线发生故障时，如不及时切除故障，将会损坏众多电力设备及破坏系统的稳定性，从而造成全厂或全变电站大停电，乃至全电力系统瓦解。因此，设置动作可靠、性能良好的母线保护，使之能迅速检测出母线故障所在并及时有选择性的切除故障是非常必要的。7.2　对母线保护的要求(1)高度的可靠性母线保护的拒动及误动将造成严重的后果。母线保护误动将造成大面积停电；母线保护的拒动更为严重，可能造成电力设备的损坏及系统的瓦解。(2)选择性强、动作速度快母线保护不但要能很好地区分区内故障和外部故障，还要确定哪条或哪段母线故障。由于母线影响到系统的稳定性，尽早发现并切除故障尤为重要。7.3母线保护的分类变电站的母线是电力系统中的最重要元件之一，当母线上发生故障，将使连在故障母线上的所有元件停电。在电力系统枢纽变电所的母线上发生故障，甚至会破坏整个系统的稳定，使故障进一步扩大，因此采用母线差动保护来消除或缩小故障所造成的后果是十分必要的。母线差动保护按母线各元件的电流互感器接线不同可分为母线不完全差动保护和母线完全差动保护；母线不完全差动保护只需将连接于母线的各有电源元件上的电流互感器接入差动回路，在无电源元件上的电流互感器不接入差动回路。母线完全差动保护是将母线上所有的各连接元件的电流互感器连接到差动回路。目前，母线完全差动保护应用较为广泛[11]。7.4母线完全差动保护的原理母线完全差动保护保护原理简单，适用于单母线或双母线经常只有一组母线运行的情况。母线完全差动保护原理接线如图7-1所示。母线完全差动保护是将47 母线上所有的各连接之路的电流互感器的按同名相，同极性相连，构成差动回路，接差动继电器。正常运行或区外故障情况下，母线各元件相量总和等于零或流过的不平衡电流，差动继电器无电流通过保护不动作；当母线故障时，电流相量总和不等于零，差动继电器有电流通过，则保护动作。对并列运行的双母，两条母线各设一组差流继电器（2和1）作为选择元件，3则为起动元件。差流继电器均带有速饱和变流器，用以防止由于短路电流中存在的直流分量引起电流互感器误传变而导致母线保护误动作。任一母线故障时，起动元件3与故障母线选择元件（1和2）同时动作，保护作用用于跳闸。图7-1母线完全差动保护原理接线图7.5母线完全差动保护的分类母线完全差动保护又包括母联电流相位比较式母差保护、带速饱和电流互感器的电流式母线保护等。(1)母联电流相位比较式母线差动保护母联电流相位比较式母线差动保护主要是在母联开关上使用比较两电流相量的方向元件，引入的一个电流量是母线上各连接元件电流的相量和即差电流,引入的另一个电流量是流过母联开关的电流。在正常运行和区外短路时差电流很小，方向元件不动作；当母线故障不仅差电流很大且母联开关的故障电流由非故障母线流向故障母线，具有方向性，因此方向元件动作且具有选择故障母线的能力。母联电流相位比较差动保护适用于并列运行的双母线，不限制元件连接方式，具有较高的可靠性与选择性，目前较广泛的运用于110~220KV的双母线系统上。(2)带速饱和电流互感器的电流差动式母线保护带速饱和电流互感器的电流差动式母线保护是利用母线上各连接元件电流相量作为动作量，它将母线上各元件电流互感器二次按同极性并联构成差电流回路，再经过速饱和变流器后接差电流继电器。正常运行或区外短路时，母线上各元件电流相量和为零，无差电流，保护不动作；母线短路时，母线上各元件电流相量和不为零，差电流很大，保护动作。47 8线路的保护8.1线路的保护设计线路的保护设计就是对线路在运行中可能出现的故障进行分析，进而采取措施对线路设定保护。8.1.1线路的故障线路的故障就是线路的组成部件，如导线、避雷线、绝缘子、金具、杆塔、接地装置等，由于原有的电气性能或机械性能受到损坏，或带电体与接地体之间的距离小于规定值而造成的线路不正常运行状态。一般情况下输电线路可能会出现绝缘子劣化、污闪、杆塔拉线被盗、鸟害、导线弛度下降以及配电线路故障越级等故障。输电线路的故障类型可以分为：雷害故障，污闪故障，绝缘子劣化故障，杆塔结构故障，鸟害故障等等。因此为了防止因为输电线路故障造成的设备损坏，变电站故障等一系列经济损失。必须采取一些列有效的预防措施保证输电线路安全运行。8.1.2线路的保护设计配置(1)对于不带电抗器的单侧电源线路，应装设电流速断保护和过电流保护。(2)对于带电抗器的单侧电源线路，如其短路器不能切断短路，则不应装设电流速断保护，此时应由母线保护或者装设过电流保护来切除故障。(3)对于一般的双侧电源线路，可装设带方向或者不带方向的电流速断保护和过电流保护。(4)对于双侧电源线路，对于某段线路，以带辅助导线的纵联差动保护作主保护，带方向或不带方向的电流保护作后备保护。8.1.3线路保护设计的分类线路的保护设计按电流可分为：(1)相间短路保护：反映短路电流的全电流，称为电流保护。其包括三段式电流保护，即瞬时电流速断保护，限时电流速断保护，定时限过电流保护；以及电网相间短路的方向电流保护。(2)接地短路保护：反映短路电流的零序分量，称为零序电流保护。其包括零序电流速断保护，零序电流限时速断保护，零序过电流保护；方向性零序电流保护以及距离保护。8.2三段式电流保护8.2.1瞬时电流速断保护瞬时电流速断保护（I段）可作为快速切除被保护元件出口处的严重短路故障保护，其动作不带时限，仅有保护装置固有动作时间。瞬时电流速断不能保护线路全长，只能保护线路首段的一部分，其47 保护范围因系统运行方式和故障形式而改变。电流速断保护的灵敏度用保护范围百分比来表示，一般要求最大保护范围达线路全长的50%，最小保护范围达线路全长的15%～20%。8.2.2限时电流速断保护限时电流速断保护（II段）的保护范围为线路全长，其保护范围可延伸到相邻线路的一部分，并保证其保护范围不超过相邻线路的瞬时电流速断保护，它的动作电流应按躲过相邻线路瞬时电流速断的动作电流来整定。为了保证选择性，限时电流速断应有时限，其动作时限应在相邻线路瞬时电流速断保护的动作时间基础上加上。8.2.3定时限过电流保护定时限过电流保护（III段）通常是指其起动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。它在正常运行时不应该起动，而在电网发生故障时，则能反应于电流的增大而动作，在一般情况下，它不仅能够保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用[11]。8.335KV线路的保护本次设计在35KV线路上采用瞬时电流速断保护和定时限过电流保护。其中瞬时电流速断保护是线路的主保护，定时限过电流保护既能保护本线路全长又能作为相邻线路的后备保护。并在35KV侧选择出线2LGJ-120KM设定保护。8.3.1保护整定的原则(1)瞬时电流速断保护，（8-1）(2)定时限过电流保护，，。（8-2）8.3.2保护整定的计算及结果由公式8-1，公式8-2，整定计算如下：(1)瞬时电流速断保护KA将电流换算为二次值KA灵敏度校验：按线路30%处发生故障时校验47 KA因为，所以灵敏度满足要求。(2)定时限过电流保护KA灵敏度校验，所以灵敏度满足要求。8.410KV线路的保护本次设计在10KV侧采用电流速断保护和过电流保护。并选择出线5LGJ-120KM设定保护。8.4.1保护整定的原则(1)电流速断保护，（8-3）(2)过电流保护为满足灵敏度要求应使得（8-4）式中：为最小运行方式下线路末端故障时流过的最小短路电流；为线路起动电流。8.4.2保护整定的计算及结果由公式8-3，公式8-4，整定计算如下：(1)电流速断保护在本侧线路中KA47 KA将电流换算为二次值KA按线路30%处发生故障时校验KA因为，所以灵敏度满足要求。(2)过流保护KAKA所以灵敏度满足要求。8.5110KV线路的保护110KV线路保护不同于35KV以及10KV线路保护。首先，110KV中性点直接接地电网中的线路保护，可以规定装设反应相间短路和接地短路的保护。其次符合，1)根据系统稳定要求有必要时；2)线路发生三相短路，如使变电站厂用母线电压低于允许值(一般约为70%的额定电压)，且其他保护不能无时限和有选择地切除短路时；3)如电力网的某些主要线路采用全线速动保护后，不仅能改善本线路保护性能，而且能够改善整个电网保护的性能；三个条件之一时，可以选择设一套全线速动保护。在本次设计中在所给条件有限的情况下，并未完整设计110KV侧线路保护，在今后的学习实践过程中一定对此进行仔细的研究和学习，完善这方面的不足，在此就不做叙述。47 9总结为期四个月的毕业设计已经结束了。通过这一段时间的学习让我对课本知识有了更加透彻的了解和领悟，这次设计的过程是一个对大学专业知识整合的过程，让我学会了如何把书本知识和生产实践更加紧密地结合起来，在巩固专业知识的前提下也对一些实际中必须考虑和面对的问题有了认识，也让我受益匪浅。这次设计经历对我以后的工作和学习大有益处，我也很珍惜从中学到的东西，为自己将来的工作和学习打下了坚实的基础。本次我的设计是针对电气二次部分，针对变电站进行设计并对其进行继电保护设计。对主变进行设计并对电气主接线进行设计；对变压器以及各个电压等级下的线路进行继电保护设计，用以保证电力系统安全，可靠，稳定的运行。论文开始对变压器以及线路各端进行了短路电流的计算，得到其参数和结果。通过对这些结果的分析对变压器设置了电流速断保护、纵联差动保护、瓦斯保护、后备保护以及过负荷保护，并进行了整定的计算。而后对各侧线路进行了分析，分别在35KV，10KV侧选出最具代表的一条线路进行了保护设计。在35KV侧线路设置了瞬时电流速断保护和定时限过流保护并进行了整定计算；10KV侧线路设置了电流速断保护以及过电流保护并进行了整定计算；110KV侧线路因为所给条件有限并未做出详细设计过程，给出了针对110KV线路端所能进行的保护设计并将在以后的学习过程中完善这方面的不足。本次设计因为所给的条件有限以及对课本知识的不熟悉，所以还是出现了很多问题和不足，短路阻抗的转换，标幺值和有名值之间的转换等方面都不熟练，设计也还有很多不够完善的地方。在以后的工作学习中我会继续学习改进，进一步加深对知识的理解。47 参考文献[1]饶莹,郭炜,徐鑫乾.110/20kV变电站电气一次部分设计[J].电力设备，2008(9).[2]葛耀中．数字计算机在继电保护中的应用[M].继电器,2003．[3]何卫克.浅谈电力系统微机继电保护技术的现状和发展趋势[J].汕头科技，2005(4).[4]HeJiali，ZhangYuanhui，YangNianci．NewTypePowerLineCarrierRelayingSystemwithDirectionalComparisonforEHVTransmissionLines.IEEETransactionsPAS-103[J],2004．[5]杨奇逊．微型机继电保护基础[M].水利电力出版社,1988．[6]罗勇．变电站继电保护及自动装置管理几点建议[J].贵州电力技术,2006，83(5)：45-49．[7]吴斌，刘沛，陈德树．继电保护中的人工智能及其应用[J].天津市电力学会,2004,5(4):23-25．[8]许珉，孙丰奇.发电厂电气主系统[M].北京：机械工业出版社，2011(1)．[9]王士政，芮新花.电力工程类专题课程设计与毕业设计指导教程[M].北京：中国水利出版社，2007．[10]李光琦．电路系统暂态分析[M].中国电力出版社，2007(3)．[11]贺家李，李永丽，董新洲.电力系统继电保护原理[M].中国电力出版社，2010(1)．[12]刘学军．继电保护原理[M].中国电力出版社，2004(5)．[13]韩笑，宋丽群．电气工程中国专业毕业设计指南继电保护分册[M].中国水力电水电出版社，2008(9)．[14]卓乐友．电力工程设计手册-电气二次部分[M].中国电力出版社，2005(1)．[15]王维俭．电气主设备继电保护原理与应用[M].中国电力出版社,2002．[16]王玉梅，王福忠，邹有明．现代供电技术[M].中国电力出版社，2011(8)．[17]陈珩．电力系统稳态分析[M].中国电力出版社，2007(4)．[18]Luoshanshan，WangGang．ImplementationofaDigitalDistributedBusProtection.IEEETransactionsonPowerDelivery[J],1997,12(4):37-39．[19]王亮.电力系统静态电压稳定性快速评估方法研究[D].山东大学，2007(6).[20]王梅义．高压电网继电保护运行技术[M].北京：电力工业出版社，1981．致谢47 此次毕业设计是在宋楠老师的悉心指导下完成的，尽管宋老师课务繁忙，但她还是很负责任的、细心的指导我。设计中遇到很多繁琐、细小的问题，老师认真的一步一步的给我解答，有时听的并不明白，但老师总是很耐心予以我讲解。老师治学严谨，能够抓住问题的本质和要害。在许多问题上老师都是做到精益求精，对每个问题都是深刻剖析仔细解答。和老师交流过程中老师也是细心的给我讲解和指导。让我在整个设计过程中对知识的掌握能力有了很大的提高。在老师的帮助下，我把很多在课本上没有吃透搞懂的问题都一一的得到了解答，让我进一步的融会贯通了大学的专业知识。在设计中锻炼了我分析实际问题和解决实际问题的能力，很好的为我今后走向的工作打下坚实的基础，同时我也从老师身上学到了很多并非书本上所能学到的经验和方法。在此我要向宋老师致以衷心的感谢，让我在学到知识的同时也懂得了许多道理，也让我从这次设计中受益匪浅。最后还要感谢和我一组并帮助过我的同学。在大家的多次交流下才能使得我这次的设计进行的比较顺利。从他们那里我也学到了很多有用的知识和方法，更好的帮助我完成了这次的毕业设计。在此也向他们表示由衷的感谢。47'