電網繼電保護和安全自動裝置系統(tǒng)設計

...wd......wd......wd...電網繼電保護和安全自動裝置系統(tǒng)設計目錄1引言12繼電保護相關理論知識22.1繼電保護的概述22.2繼電保護的任務22.3繼電保護基本原理22.3.1反映電氣量的保護22.3.2反映非電氣量的保護32.4對繼電保護裝置的要求32.5繼電保護裝置的組成52.6工作回路53某電力變壓器繼電保護設計63.1設計基本資料63.2本系統(tǒng)故障分析63.3本設計繼電保護裝置原理概述73.3.1縱差動保護73.3.2變壓器瓦斯保護83.3.3平行雙回線路橫聯方向差動保護93.3.4復合電壓啟動的過電流93.3.5變壓器中性點直接接地零序電流保護工作原理103.3.6過電流保護的構成及工作原理114短路電流計算和繼電保護設計整定134.1初始數據134.2設計計算134.2.1畫出短路等值電路144.2.2短路電流計算154.2.3保護裝置的配置164.2.4各保護裝置的整定計算164.3保護配置圖214.3.1三段式電流保護接線圖214.3.2差動保護單相原理圖224.3.3復合電壓啟動的過電流保護原理圖224.3.4零序電流保護和中性點間隙接地保護原理圖235課程設計心得與體會24參考文獻251引言電網繼電保護和安全自動裝置是電力系統(tǒng)的重要組成局部，對保證電力系統(tǒng)的正常運行，防止事故發(fā)生或擴大起了重要作用。繼電保護是對電力系統(tǒng)中發(fā)生的故障或異常情況進展檢測，從而發(fā)出報警信號，或直接將故障局部隔離、切除的一種重要措施。應根據審定的電力系統(tǒng)設計〔二次局部〕原則或審定的系統(tǒng)接線及要求進展電網繼電保護和安全自動裝置設計。設計應滿足《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程〔SDJ6-83〕》、《110~220kV電網繼電保護與安全自動裝置運行條例》等有關專業(yè)技術規(guī)程的要求。繼電保護是保障電力設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、最有效的技術手段。許多實例說明，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，加強繼電保護的設計和整定計算，是保證電網安全穩(wěn)定運行的重要工作。實現繼電保護功能的設備稱為繼電保護裝置。本次設計的任務主要包括了六大局部，分別為運行方式的選擇、電網各個元件參數及負荷電流計算、短路電流計算、繼電保護距離保護的整定計算和校驗、繼電保護零序電流保護的整定計算和校驗、對所選擇的保護裝置進展綜合評價。其中短路電流的計算和電氣設備的選擇是本設計的重點。通過分析，找到符合電網要求的繼電保護方案。電力系統(tǒng)和繼電保護技術的不斷開展和安全穩(wěn)定運行，給國民經濟和社會開展帶來了巨大動力和效益。但是，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，使電網瓦解，并造成大面積停電，給社會帶來災難性的后果。因此電網繼電保護和安全自動裝置應符合可靠性、安全性、靈敏性、速動性的要求。要結合具體條件和要求，本設計從裝置的選型、配置、整定、實驗等方面采取綜合措施，突出重點，統(tǒng)籌兼顧，妥善處理，以到達保證電網安全經濟運行的目的。2繼電保護相關理論知識2.1繼電保護的概述研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運行的異常工況，以探討其對策的反事故自動化措施。因在其開展過程中曾主要用有觸點的繼電器來保護電力系統(tǒng)及其元件〔發(fā)電機、變壓器、輸電線路等〕，使之免遭損害，所以沿稱繼電保護。2.2繼電保護的任務當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現的最短時間和最小區(qū)域內，自動將故障設備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或防止設備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。2.3繼電保護基本原理繼電保護裝置的作用是起到反事故的自動裝置的作用，必須正確地區(qū)分“正常〞與“不正常〞運行狀態(tài)、被保護元件的“外部故障〞與“內部故障〞，以實現繼電保護的功能。因此，通過檢測各種狀態(tài)下被保護元件所反映的各種物理量的變化并予以鑒別。依據反映的物理量的不同，保護裝置可以構成下述各種原理的保護。2.3.1反映電氣量的保護電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，通常伴有電流增大、電壓降低以及電流與電壓的比值(阻抗)和它們之間的相位角改變等現象。因此，在被保護元件的一端裝沒的種種變換器可以檢測、對比并鑒別出發(fā)生故障時這些基本參數與正常運行時的差異，就可以構成各種不同原理的繼電保護裝置。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：〔1〕電流增大：短路時故障點與電源之間的電氣設備和輸電線路上的電流將由負荷電流增大至大大超過負荷電流?！?〕電壓降低：當發(fā)生相間短路和接地短路故障時，系統(tǒng)各點的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點，電壓越低?！?〕電流與電壓之間的相位角改變：正常運行時電流與電壓間的相位角是負荷的功率因數角，一般約為20°，三相短路時，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60°～85°，而在保護反方向三相短路時，電流與電壓之間的相位角則是180°〔-60°～-85°)?！?〕測量阻抗發(fā)生變化：測量阻抗即測量點(保護安裝處)電壓與電流之比值，正常運行時，測量阻抗為負荷阻抗；金屬性短路時，測量阻抗轉變?yōu)榫€路阻抗，故障后測量阻抗顯著減小，而阻抗角增大?！?〕不對稱短路時，出現相序分量，如兩相及單相接地短路時，出現負序電流和負序電壓分量；單相接地時，出現負序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運行時是不出現的。利用短路故障時電氣量的變化，便可構成各種原理的繼電保護。2.3.2反映非電氣量的保護如反響溫度、壓力、流量等非電氣量變化的可以構成電力變壓器的瓦斯保護、溫度保護等。2.4對繼電保護裝置的要求繼電保護裝置為了完成它的任務，必須在技術上滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個基本要求。對于作用于繼電器跳閘的繼電保護，應同時滿足四個基本要求，而對于作用于信號以及只反映不正常的運行情況的繼電保護裝置，這四個基本要求中有些要求可以降低?！?〕選擇性選擇性就是指當電力系統(tǒng)中的設備或線路發(fā)生短路時，其繼電保護僅將故障的設備或線路從電力系統(tǒng)中切除，當故障設備或線路的保護或斷路器拒動時，應由相鄰設備或線路的保護將故障切除?！?〕速動性速動性是指繼電保護裝置應能盡快地切除故障，以減少設備及用戶在大電流、低電壓運行的時間，降低設備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性。一般必須快速切除的故障有：1)使發(fā)電廠或重要用戶的母線電壓低于有效值(一般為0.7倍額定電壓)。2)大容量的發(fā)電機、變壓器和電動機內部故障。3)中、低壓線路導線截面過小，為防止過熱不允許延時切除的故障。4)可能危及人身安全、對通信系統(tǒng)或鐵路信號造成強烈干擾的故障。故障切除時間包括保護裝置和斷路器動作時間，一般快速保護的動作時間為0.04s～0.08s，最快的可達0.01s～0.04s，一般斷路器的跳閘時間為0.06s～0.15s，最快的可達0.02s～0.06s。對于反響不正常運行情況的繼電保護裝置，一般不要求快速動作，而應按照選擇性的條件，帶延時地發(fā)出信號。〔3〕靈敏性靈敏性是指電氣設備或線路在被保護范圍內發(fā)生短路故障或不正常運行情況時，保護裝置的反響能力。保護裝置的靈敏性是用靈敏系數來衡量。能滿足靈敏性要求的繼電保護，在規(guī)定的范圍內故障時，不管短路點的位置和短路的類型若何，以及短路點是否有過渡電阻，都能正確反響動作，即要求不但在系統(tǒng)最大運行方式下三相短路時能可靠動作，而且在系統(tǒng)最小運行方式下經過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時也能可靠動作。系統(tǒng)最大運行方式：被保護線路末端短路時，系統(tǒng)等效阻抗最小，通過保護裝置的短路電流為最大運行方式；系統(tǒng)最小運行方式：在同樣短路故障情況下，系統(tǒng)等效阻抗為最大，通過保護裝置的短路電流為最小的運行方式?！?〕可靠性可靠性包括安全性和信賴性，是對繼電保護最基本的要求。安全性：要求繼電保護在不需要它動作時可靠不動作，即不發(fā)生誤動。信賴性：要求繼電保護在規(guī)定的保護范圍內發(fā)生了應該動作的故障時可靠動作，即不拒動。繼電保護的誤動作和拒動作都會給電力系統(tǒng)帶來嚴重危害。即使對于一樣的電力元件，隨著電網的開展，保護不誤動和不拒動對系統(tǒng)的影響也會發(fā)生變化。以上四個基本要求是設計、配置和維護繼電保護的依據，又是分析評價繼電保護的根基。這四個基本要求之間是相互聯系的，但往往又存在著矛盾。因此，在實際工作中，要根據電網的構造和用戶的性質，辯證地進展統(tǒng)一。繼電保護相當于一種在線的開環(huán)的自動控制裝置，根據控制過程信號性質的不同，可以分模擬型(它又分為機電型和靜態(tài)型)和數字型兩大類。對于常規(guī)的模擬繼電保護裝置，一般包括測量局部、邏輯局部和執(zhí)行局部。測量局部從被保護對象輸入有關信號，再與給定的整定值對比，以判斷是否發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)；邏輯局部依據測量局部輸出量的性質、出現的順序或其組合，進展邏輯判斷，以確定保護是否應該動作；執(zhí)行局部依據前面環(huán)節(jié)判斷得出的結果子以執(zhí)行：跳閘或發(fā)信號。2.5繼電保護裝置的組成一般情況而言，整套繼電保護裝置由測量元件、邏輯環(huán)節(jié)和執(zhí)行輸出三局部組成?！?〕測量對比局部：測量對比局部是測量通過被保護的電氣元件的物理參量，并與給定的值進展對比，根據對比的結果，給出“是〞“非〞性質的一組邏輯信號，從而判斷保護裝置是否應該啟動。〔2〕邏輯局部：邏輯局部使保護裝置按一定的邏輯關系判定故障的類型和范圍，最后確定是應該使斷路器跳閘、發(fā)出信號或是否動作及是否延時等，并將對應的指令傳給執(zhí)行輸出局部。〔3〕執(zhí)行輸出局部：執(zhí)行輸出局部根據邏輯傳過來的指令，最后完成保護裝置所承當的任務。如在故障時動作于跳閘，不正常運行時發(fā)出信號，而在正常運行時不動作等。2.6工作回路要完成繼電保護任務，除了需要繼電保護裝置外，必須通過可靠的繼電保護工作回路的正確工作，才能完成跳開故障元件的斷路器、對系統(tǒng)或電力元件的不正常運行發(fā)出警報、正常運行狀態(tài)不動作的任務。繼電保護工作回路一般包括：將通過一次電力設備的電流、電壓線性地傳變?yōu)檫m合繼電保護等二次設備使用的電流、電壓，并使一次設備與二次設備隔離的設備，如電流、電壓互感器及其與保護裝置連接的電纜等；斷路器跳閘線圈及與保護裝置出口間的連接電纜，指示保護動作情況的信號設備；保護裝置及跳閘、信號回路設備的工作電源等3某電力變壓器繼電保護設計3.1設計基本資料某變電所的電氣主接線如以以下圖。兩臺變壓器均為三繞組、油浸式、強迫風冷、分級絕緣，其參數：，電壓：，接線：。短路電壓：；。兩臺變壓器同時運行，110kV側的中性點只有一臺接地；假設只有一臺運行，則運行變壓器中性點必須接地，其余參數如以以下圖。圖3.1變電所電氣主接線圖3.2本系統(tǒng)故障分析本設計中的電力系統(tǒng)具有非直接接地的架空線路及高壓側中性點接地的電力變壓器等主要設備。就線路來講，其主要故障為單相接地、兩相接地和三相接地。電力變壓器的故障，分為外部故障和內部故障兩類。變壓器的外部故障常見的是上下壓套管及引線故障，它可能引起變壓器出線端的相間短路或引出線碰接外殼。變壓器的內部故障有相間短路、繞組的匝間短路和絕緣損壞。變壓器的不正常運行、過負荷、由于外部短路引起的過電流、油溫上升及油面下降、產生氣體等故障都有可能會讓繼電保護動作。3.3本設計繼電保護裝置原理概述3.3.1縱差動保護三繞組變壓器差動保護的動作原理是按循環(huán)電流原理構成的。正常運行和外部短路時，三繞組變壓器三側電流向量和〔折算至同一電壓等級〕為零。它可能是一側流入另兩側流出，也可能由兩側流入，而從第三側流出。所以，假設將任何兩側電流相加再和第三側電流相對比，就構成三繞組變壓器的縱差動保護。其原理接線如圖3-1所示。當正常運行和外部短路時，假設不平衡電流忽略不計，則流入繼電器的電流為零。即ⅰR=ⅰI2+ⅰⅡ2+?、?=0。當內部短路時，流入繼電器的電流則為ⅰR=ⅰI2+?、?+ⅰⅢ2=ΣⅰK/na即等于各側短路電流〔二次值〕的總和。可見在正常及區(qū)外短路時，保護不會動作，而發(fā)生內部故障時，保護將靈敏動作。為保證三繞組變壓器差動保護的可靠性和靈敏性，應注意以下幾點〔1〕各側電流互感器的變比應統(tǒng)一按變壓器最大額定容量來選擇。〔2〕外部短路時的三繞組變壓器比雙繞組變壓器的不平衡電流大，宜采用帶制動特性的BCH-1型差動繼電器，假設BCH-1型仍不滿足靈敏度要求，可采用二次諧波制動的差動保護。〔3〕為解決實際變比與計算變比不一致而引起的不平衡電流，以保證每兩側線圈之間的平衡，對BCH-1型差動保護，應將兩組平衡線圈分別接在二次電流較小的兩側。圖3.2三繞組變壓器差動保護單相原理圖本設計采用較經濟的BCH-1型帶有速飽和變流器的繼電器，以提高保護裝置的勵磁涌流的能力。3.3.2變壓器瓦斯保護變壓器瓦斯保護的主要元件就是瓦斯繼電器，變壓器瓦斯保護是利用安裝在變壓器油箱與油枕間的瓦斯繼電器來判別變壓器內部故障；當變壓器內部發(fā)生故障時，電弧使油及絕緣物分解產生氣體。故障輕微時，油箱內氣體緩慢的產生，氣體上升聚集在繼電器里，使油面下降，繼電器動作，接點閉合，這時讓其作用于信號，稱為輕瓦斯保護；故障嚴重時，油箱內產生大量的氣體，在該氣體作用下形成強烈的油流，沖擊繼電器，使繼電器動作，接點閉合，這時作用于跳閘并發(fā)信，稱為重瓦斯保護。其原理接線圖如圖3-2.圖中：瓦斯繼電器KG的上觸點接至信號，為輕瓦斯保護；下觸點為重瓦斯保護，經信號繼電器KS、連接片XE起動出口中間繼電器KOM，KOM的兩對觸點閉合后，分別使斷路器QF1、QF2、跳閘線圈勵磁。跳開變壓器兩側斷路器，即直流+KGKSXEKOM直流-，起動KOM。直流+KOMQF1YT直流-，跳開斷路器QF1。直流+KOMQF2YT直流-，跳開斷路器QF2。再有，連接片XE也可接至電阻R，使重瓦斯保護不跳閘而只發(fā)信號。圖3.3變壓器瓦斯保護原理接線圖3.3.3平行雙回線路橫聯方向差動保護平行雙回線路橫聯方向差動保護是通過對比兩線路的電流相位和數值一樣與否鑒別發(fā)生的故障，由電流起動元件、功率方向元件和出口執(zhí)行元件組成，電流起動元件用以判斷線路是否發(fā)生故障，功率方向元件用以判斷哪回線路發(fā)生故障，雙回線路運行時能保證有選擇的動作。該保護動作時間0S，由于橫聯保護在相繼動作區(qū)內短路時，切除故障的時間將延長一倍，故加裝一套三段式電流保護，作為后備保護。3.3.4復合電壓啟動的過電流當保護區(qū)內發(fā)生不對稱故障，系統(tǒng)出現負序電壓，負序過濾器13有電壓輸出使繼電器7常閉觸點翻開，欠壓繼電器8失壓，常閉觸點閉合，接通中間繼電器9，假設電流繼電器4、5、6任何一個動作，則啟動時間繼電器10，經過整定時限后，跳開兩側斷路器。在對稱短路情況下，電壓繼電器7不啟動，但欠壓繼電器8因電壓降低，常閉觸點接通，保護啟動。負序電壓整定值，可取額定電壓的6%；電流整定值，可取大于變壓器額定電流，但不必大于最大電流〔例如并聯運行的變壓器斷開一臺時〕。圖3.4復合電壓啟動的過電流保護原理圖3.3.5變壓器中性點直接接地零序電流保護工作原理目前大電流接地系統(tǒng)普遍采用分級絕緣的變壓器，當變電站有兩臺及以上的分級絕緣的變壓器并列運行時，通常只考慮一局部變壓器中性點接地，而另一局部變壓器的中性點則經間隙接地運行，以防止故障過程中所產生的過電壓破壞變壓器的絕緣。為保證接地點數目的穩(wěn)定，當接地變壓器退出運行時，應將經間隙接地的變壓器轉為接地運行。由此可見并列運行的分級絕緣的變壓器同時存在接地和經間隙接地兩種運行方式。為此應配置中性點直接接地零序電流保護和中性點間隙接地保護。這兩種保護的原理接線如圖E-127所示中性點直接接地零序電流保護：中性點直接接地零序電流保護一般分為兩段，第一段由電流繼電器1、時間繼電器2、信號繼電器3及壓板4組成，其定值與出線的接地保護第一段相配合，0.5s切母聯斷路器。第二段由電流繼電器5、時間繼電器6、信號繼電器7和8壓板9和10等元件組成，。定值與出線接地保護的最后一段相配合，以短延時切除母聯斷路器及主變壓器高壓側斷路器，長延時切除主變壓器三側斷路器。中性點間隙接地保護：當變電站的母線或線路發(fā)生接地短路，假設故障元件的保護拒動，則中性點接地變壓器的零序電流保護動作將母聯斷路器斷開，如故障點在中性點經間隙接地的變壓器所在的系統(tǒng)中，此局部系統(tǒng)變成中性點不接地系統(tǒng)，此時中性點的電位將升至相電壓，分級絕緣變壓器的絕緣會遭到破壞，中性點間隙接地保護的任務就是在中性點電壓升高至危及中性點絕緣之前，可靠地將變壓器切除，以保證變壓器的絕緣不受破壞。間隙接地保護包括零序電流保護和零序過電壓保護，兩種保護互為備用。零序電流保護由電流繼電器12、時間繼電器13、信號繼電器14和壓板15組成。一次啟動電流通常取100A左右，時間取0.5s。110kV變壓器中性點放電間隙長度根據其絕緣可取115~158mm，擊穿電壓可取63kV〔有效值〕。當中性點電壓超過擊穿電壓〔還沒有到達危及變壓器中性點絕緣的電壓〕時，間隙擊穿，中性點有零序電流通過，保護啟動后，經0.5s延時切變壓器三側斷路器。零序電壓保護由過電壓繼電器16、時間繼電器17、信號繼電器18及壓板19組成，電壓定植按躲過接地故障母線上出現的最高零序電壓整定，110kV系統(tǒng)一般取150V；當接地點的選擇有困難、接地故障母線3Uo電壓較高時，也可整定為180V，動作時間取0.5s。圖3.5變壓器中性點直接接地零序電流保護和中性點間隙接地保護的原理接線圖3.3.6過電流保護的構成及工作原理三繞組變壓器外部故障時，其過電流保護應有選擇性地斷開故障側斷路器。而使其余兩側繼續(xù)正常運行，為此，應按如下原則來實現過流保護。〔1〕對單側電源三繞組變壓器〔如圖E-111所示〕，應裝設兩套過電流保護。一套裝于負荷側，如繞組ⅠⅡⅢ，其動作時限tⅢ最小，保護動作僅跳開QF3。另一套裝在電源側，如繞組Ⅰ，它設兩級時限tⅠ和tⅡ，tⅡ=tⅢ+Δt，用以切除QF2；而tⅠ=tⅡ+Δt，用以切除高、中、低三側斷路器?！?〕對兩端或三端電源的變壓器，三側均應設過電流保護，并根據計算值在動作時限小的電源側加裝方向元件，以保證動作的選擇性。圖3.6單電源三繞組過電流保護原理接線圖4短路電流計算和繼電保護設計整定4.1初始數據某變電所的電氣主接線如圖4-1所示。兩臺變壓器均為三繞組、油浸式、強迫風冷、分級絕緣，其參數：，電壓：，接線：。短路電壓：；。兩臺變壓器同時運行，110kV側的中性點只有一臺接地；假設只有一臺運行，則運行變壓器中性點必須接地，其余參數如圖4-1所示。圖4.1變電所主接線圖4．2設計計算用標幺值計算短路電流參數，確定短路計算點，計算短路電流值。4.2.1畫出短路等值電路圖4.2短路等值電路圖計算各元件電抗參數，取基準容量，基準電壓為，，基準電流為：，計算電源系統(tǒng)基準電抗的標幺值，變壓器各側阻抗標幺值，，線路的基準電抗標幺值4.2.2短路電流計算由主接線分析可知，變壓器的主保護為一臺變壓器單獨運行為保護的計算方式，保護時，變壓器后備保護作保護線路的遠后備保護時，要校驗k3、k4兩點的靈敏系數，因此，除需要計算k1、k2兩點最大、最小運行方式短路電流外，還需計算k3、k4兩點的最小短路電流?！?〕k1點短路電流計算〔2〕求k2點短路電流〔3〕求k3點短路電流〔4〕求k4點短路電流〔5〕求K5點短路電流4.2.3保護裝置的配置表4.1變壓器保護裝置的配置序號保護名稱選擇繼電器型號1縱差保護BCH—12110kV側復合電壓啟動的過流保護DY—4，DL—11，DY—25335kV側方向過流保護LG—11，DL—114110kV側零序過電流保護DL—135氣體保護QJ—804.2.4各保護裝置的整定計算1、縱差保護的整定計算〔1〕計算變壓器差動臂中電流，由表4.2計算可知，110kV側差動臂中的電流最大，故110kV側為計算的基本側。表4.2計算結果名稱變壓器各側數據額定電壓〔kV〕11038.511變壓器的額定電流(A)TA接線方式選擇TA的標準變比=60=200=400差動臂中的電流〔A〕2〔2〕確定制動繞組的接線方式，制動繞組接入38.5kV側，因為，該側的外部發(fā)生故障時，穿越變壓器的短路電流很大?！?〕計算差動保護的一側動作電流。1〕按躲過110kV外部故障的最大不平衡電流整定，即2〕按躲過變壓器勵磁涌流計算，即3〕按躲過電流互感器二次回路斷線，即4〕取上述各條件中最大的作為基本側一次動作電流即,差動繼電器基本側動作電流為確定差動繞組匝數：匝取整定匝數匝，則繼電器動作電流為A，保護裝置實際動作電流為：。5〕其他各側工作繞組和平衡繞組的匝數。38.5kV側的