kV变电站短路电流计算及继电保护整定计算

目录

1前言

由于电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术，计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断注入新的活力。未来继电保护的发展趋势是向计算化，网络化及保护，控制，测量，数据通信一体化智能化发展。

电能是一种特殊的商品,为了远距离传送,需要提高电压,实施高压输电,为了分配和使用,需要降低电压,实施低压配电,供电和用电。发电----输电----配电----用电构成了一个有机系统。通常把由各种类型的发电厂,输电设施以及用电设备组成的电能生产与消费系统称为电力系统。电力系统在运行中,各种电气设备可能出现故障和不正常运行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏,但是没有发生故障的运行状态,如:过负荷,过电压,频率降低,系统振荡等。故障主要包括各种类型的短路和断线,如:三相短路,两相短路,两相接地短路,单相接地短路,单相断线和两相断线等。

本次毕业设计的主要内容是对110kV企业(水泥厂)变电站进行短路电流的计算、保护的配置及整定值的计算。参照《电力系统继电保护配置及整定计算》，并依据继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏性校验从而来确定方案中的保护是否适用来编写的。

设计分五大章节，其中第三章是计算系统的短路电流，确定各点短路电流值；第四章是对各种设备保护的配置，首先是对保

护的原理进行分析,保护的整定计算及灵敏性校验，其后是对变压器保护配置及整定计算以及10kV线路保护配置及整定计算。

由于编者水平有限，设计之中难免有些缺陷或错误，望批评指正。

2任务变电站原始资料

电力系统与本所的连接方式

本110kV企业(水泥厂)变电站，采用110kV电压等级供电，其110kV电源来自220kV枢纽变电站，采用架空导线，系统示意图如图1所示。

图1：

主变压器型号及参数

型号：SZ10-25000/110，

额定电压：110±8×%/

容量比：100/100

短路电压：U k%=

接线方式：Y N，d11

负荷及出线情况

110kV进线1回，采用LGJ-150架空导线，P m a x=16MW,P m i n=1MW,?

cos=,L=11km。

2.3.2 10kV出线2回，全部为三芯电力电缆出线。

2.3.3原料磨配电站采用4根三芯YJV-120电缆，P m a x=9MW,

?

cos=,L=0.2km。

2.3.4窑头配电站采用4根三芯YJV-120电缆，P m a x=6MW,

?

cos=,L=0.8km。

2.3.5 电容补偿回路采用YJV-70电缆，Q=8400kvar，L=0.02km。

3短路电流计算

基本假定

3.1.1系统运行方式为最大运行方式。

3.1.2磁路饱和、磁滞忽略不计。即系统中各元件呈线性，参数

恒定，可以运用叠加原理。

3.1.3在系统中三相除不对称故障处以外，都认为是三相对称的。 3.1.4忽略对计算结果影响较小的参数，如元件的电阻、线路的

电容以及网内的电容器、感性调和及高压电机向主电网的电能反馈等。

3.1.5短路性质为金属性短路，过渡电阻忽略不计。 3.1.6系统中的同步和异步电机均为理想电机。 基准值的选择

为了计算方便，通常取基准容量S j ＝100MVA ； 基准电压U j 取各级电压的平均电压，即U j ＝U p ＝； 基准电流j j j U S I 3=；

基准电抗j

j j

j j S U I U X 23==

常用基准值如表1所示。

表1 常用基准值表（S j ＝100MVA ）

各元件参数标么值的计算

电路元件的标么值为有名值与基准值之比，计算公式如下：采用标么值后，相电压和线电压的标么值是相同的，单相功率和三相功率的标么值也是相同的，某些物理量还可以用标么值相等的另一些物理量来代替，如I*=S*。

电抗标么值和有名值的变换公式如表2所示。

表2中各元件的标么值可由表1中查得。

表2 各电气元件电抗标么值计算公式

其中线路电抗值的计算中，0X 为： 6～220kV 架空线 取 Ω/kM 35kV 三芯电缆 取 Ω/kM 6～10kV 三芯电缆 取 Ω/kM

表2中S N 、S b 单位为MVA ，U N 、U b 单位为kV ，I N 、I b 单位为kA 。 本110kV 企业(水泥厂)变电站各元件参数标么值计算如下： 3.3.1主变压器：

3.3.2原料磨配电站线路： 3.3.3窑头配电站线路： 短路电流的计算

3.4.1网络变换计算公式

串联阻抗合成：n X X X X +++=∑ 21 并联阻抗合成：n

X X X X 1

111

21+++=

∑ ，

当只有两支时2

12

1X X X X X +=

∑

3.4.2短路电流计算公式

短路电流周期分量有效值：∑

=

*X I I j d

短路冲击电流峰值：d ch ch I K i 2=

短路全电流最大有效值：()2121-+=ch d ch K I I

式中ch K 为冲击系统，可按表3选用。 表3 不同短路点的冲击系数

短路点 ch K 推荐值

发电机端

发电厂高压侧母线及发电机电抗器

后

远离发电厂的地点

注：表中推荐的数值已考虑了周期分量的衰减。 3.4.3最大运行方式下短路电流的计算

最大运行方式下等值电路标么阻抗图见图2。

图2

d1：09678.0*=∑X

d2：51678.042.009678.0*=+=∑X

d3：531292.0014512.042.009678.0*=++=∑X d4：57483.005805.042.009678.0*=++=∑X 3.4.4最小运行方式下短路电流的计算

最小运行方式下等值电路标么阻抗图见图3。

图3

d1：138292.0*=∑X

d2：558292.042.0138292.0*=+=∑X d3：572804.0014512.042.0138292.0*=++=∑X d4：616342.005805.042.0138292.0*=++=∑X

短路电流计算结果

110kV企业(水泥厂)变电站相关短路电流计算结果见下表4。表4 短路电流计算结果表

4继电保护的配置

继电保护的基本知识

电能是一种特殊的商品,为了远距离传送,需要提高电压,实施高压输电,为了分配和使用,需要降低电压,实施低压配电,供电和用电。发电----输电----配电----用电构成了一个有机系统。通常把由各种类型的发电厂,输电设施以及用电设备组成的电能生产与消费系统称为电力系统。电力系统在运行中,各种电气设备可能出现故障和不正常运行状态。不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏,但是没有发生故障的运行状态,如:过负荷,过电压,频率降低,系统振荡等。故障主要包括各种类型的短路和断线,如:三相短路,两相短路,两相接地短路,单相接地短路,单相断线和两相断线等。其中最常见且最危险的是各种类型的短路,电力系统的短路故障会产生如下后果:

(1)故障点的电弧使故障设备损坏；

(2)比正常工作电流大许多的短路电流产生热效应和电动力效应,使故障回路中的设备遭到破坏；

(3)部分电力系统的电压大幅度下降,使用户的正常工作遭到破坏,影响企业的经济效益和人们的正常生活；

(4)破坏电力系统运行的稳定性,引起系统振荡,甚至使电力系统瓦解,造成大面积停电的恶性循环；

故障或不正常运行状态若不及时正确处理,都可能引发事故。为了及时正确处理故障和不正常运行状态,避免事故发生,就产生

了继电保护,它是一种重要的反事故措施。继电保护包括继电保护技术和继电保护装置,且继电保护装置是完成继电保护功能的核心,它是能反应电力系统中电气元件发生故障和不正常运行状态,并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

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。

继电保护装置的基本原理:

我们知道在电力系统发生短路故障时,许多参量比正常时候都了变化，当然有的变化可能明显，有的不够明显，而变化明显的参量就适合用来作为保护的判据，构成保护。比如：根据短路电流较正常电流升高的特点，可构成过电流保护；利用短路时母线电压降低的特点可构成低电压保护；利用短路时线路始端测量阻抗降低可构成距离保护；利用电压与电流之间相位差的改变可构成方向保护。除此之外，根据线路内部短路时，两侧电流相位差变化可以构成差动原理的保护。当然还可以根据非电气量的变化来构成某些保护，如反应变压器油在故障时分解产生的气体而构成的气体保护。

原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电

气量的变化特征（差别），即可形成某种判据，从而构成某种原理的保护，且差别越明显，保护性能越好。

继电保护装置的组成：

被测物理量－→测量－→逻辑－→执行－→跳闸或信号

↑

整定值

测量元件：其作用是测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流，电压，阻抗，功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出逻辑信号，从而判断保护是否该起动。

逻辑元件：其作用是根据测量部分输出量的大小，性质，输出的逻辑状态，出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定逻辑关系工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。

执行元件：其作用是根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时跳闸，不正常运行时发信号，正常运行时不动作等。

对继电保护的基本要求：

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。

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。

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。

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。

变压器保护配置及整定计算

4.2.1变压器保护配置

电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。因此，我们必须研究变压器有哪些故障和不正常运行状态，以便采取相应的保护措施。

变压器的故障可以分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路以及中性点直接接地侧的接地短路。这些故障的发生会危害电力系统的安全连续供电。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸。

变压器外部短路引起的过电流、负荷长时间超过额定容量引起的过负荷、风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等，这些运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线方式变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性

点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行方式下会发生变压器的过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。

主保护：电流差动保护、瓦斯保护

后备保护：过电流保护/低压闭锁过电流保护/复合电压闭锁过流保护/阻抗保护/零序过电流保护/零序过电压保护/过负荷保护/过激磁保护。

两种配置模式：

（1）主保护、后备保护分开设置

（2）成套保护装置，重要变压器双重化配置 4.2.2纵联差动保护

以双绕组变压器为例来说明实现纵差动保护的原理，如图4所示。

图4变压器纵差动保护的原理接线

1

′′

1

′

由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等，亦即在正常运行和外部故障时，差动回路的电流等于零。例如在图4中，应使

'

2I ='

'2I =

1'

1l n I =2

1

''l n I 或 12l l n n 1

'1

''I I =B n 式中1l n —高压侧电流互感器的变比；

2l n —低压侧电流互感器的变比；

B n —变压器的变比（即高、低压侧额定电

压之比）。

由此可知，要实现变压器的纵差动保护， 就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比B n ，这是与前述送电线路的纵差动保护不同的。这个区别是由于线路的纵差动保护可以直接比较两侧电流的幅值和相位，而变压器的纵差动保护则必须考虑变压器变比的影响。

本次设计所采用的变压器型号为：SZ-25000/110。对于这种大型变压器而言，它都必需装设单独的变压器差动保护，这是因为变压器差动保护通常采用两侧电流差动，其中高电压侧电流引自高压侧电流互感器，低压侧电流引自变压器低压侧电流互感器，

这样使差动保护的保护范围为二组电流互感器所限定的区域，从而可以更好地反映这些区域内相间短路，高压侧接地短路以及主变压器绕组匝间短路故障。所以我们用纵联差动保护作为变压器的主保护，其接线原理图如图5所示。正常情况下,2'I =2''I 即：

111

2

2111

''''''n I I I n T n n n I =??→==（变压器变比）

所以这时I r =0，实际上，由于电流继电器接线方式，变压器励磁电流，变比误差等影响导致不平衡电流的产生，故I r 不等于0 ，针对不平衡电流产生的原因不同可以采取相应的措施来减小。

尽管纵联差动保护有很多其它保护不具备的优点，但当大型变压器内部产生严重漏油或匝数很少的匝间短路故障以及绕组断线故障时，纵联差动保护不能动作，这时我们还需对变压器装设另外一个主保护——瓦斯保护。

图5纵联差动保护原理示意图

4.2.3瓦斯保护

瓦斯保护主要用来保护变压器的内部故障，它由于一方面简单，灵敏，经济；另一方面动作速度慢，且仅能反映变压器油箱内部故障，就注定了它只有与差动保护配合使用才能做到优势互补，效果更佳。

瓦斯保护的工作原理：

当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生，瓦斯继电器KG 的上触点闭合，作用于预告信号；当发生严重故障时，重瓦斯冲出，瓦斯继电器的下触点闭合，经中间继电器KC 作用于信号继

电器KS ，发出警报信号，同时断路器跳闸。瓦斯继电器的下触点闭合，也可利用切换片XB 切换位置，只给出报警信号。

瓦斯保护的整定：

瓦斯保护有重瓦斯和轻瓦斯之分，它们装设于油箱与油枕之间的连接导管上。其中轻瓦斯按气体容积进行整定，整定范围为：250～300cm 3,一般整定在250cm 3 。重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：～1.5m/s,一般整定在1m/s 。瓦斯保护原理如图6所示。

图6瓦斯保护原理示意图

4.2.4保护配置的整定

对于本次设计来说，变压器的主保护有纵联差动保护和瓦斯保护，其中瓦斯保护一般不需要进行整定计算，所以仅对纵联差动保护进行整定如下：

(1)避越变压器的励磁涌流： ()1.3165214dz e rel A k I I =?=?=

其中k rel 为可靠系数，取，而

()165e A I =

==为变压器的额定电流。 (2)避越外部短路时的最大不平衡电流：

其中K t x 为电流互感器同型系数，型号相同时取，型号不同时取1，这里为避免以后更换设备的方便故取1；fzq k 为非周期分量引起的误差，取1；f za ?建议采用中间值；110u ?取； (3).max dz I 为变压器外部最大运行方式下的三相短路电流，由前面的计算结果知

(3).max dz I =995。

(3)躲过电流互感器二次回路断线的最大负荷电流： 而保护基本侧的动作电流取：().1296dz js A I =

(4)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：

()2....... 2.381296

18.7165e jb dz jb js dz j jb js e jb

I I A I I ??=

==

其中()165.A I I e jb e ==为电流互感器的一次侧额定电流

；

()2.165

2.38600600

55

e e jb I A I =

==为电流互感器的二次额定电流。 差动线圈匝数： ()120

0 6.4.18.7

.,.A w t w cd js I dz j jb js =

==

实际整定匝数选用： ()6.t w cd z = 所以继电器的实际动作电流为： ()12020...A I dz j jb w cd z

==

保护装置的实际动作电流为： ()20165

...1389. 2.38

.I I e jb dz j jb

A I dz jb I ez jb

??=

=

= 变压器差动保护参数计算结果如下表5-1：

变压器

额定电压/kV 110 110

110 110

额定电流 Ie/A

互感器的接线方式 D d y y

互感器的计算变比

互感器的选择变比100/5 10

0/

5

400/

5

400/

5

电流互感器二次额定电

流58/20= 58

/2

0=

320/

80=4

320/

80=4

(5) 校验保护的灵敏系数:

当系统在最小运行方式下,线路

4

L处开环运行发生两相短路时,保护装置灵敏系数最低,即:

显然灵敏度满足要求。其中..min

I d 是变压器差动保护范围内短路

时总的最小短路电流有名值(归算到基本侧)。

jx

k是保护的接线系数,这里取1 。

10kV线路保护配置及整定计算

4.2.1 10kV线路保护配置原则

4.2.2整定计算