畢業(yè)設(shè)計1最終

1、畢 業(yè) 論 文 某樞紐變電站繼電保護設(shè)計學生姓名：學 號：所在系部：專業(yè)班級：指導教師：日 期：二一三年六月 A hub substation relay protection designJune 2012 摘 要 隨著電力負荷的增長，各地電網(wǎng)出現(xiàn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、輸送容量不足、運行方式不靈活等問題。因此，在我的畢業(yè)設(shè)計中，我主要解決上述等問題，以完成對于某樞紐變電站的構(gòu)架。根據(jù)變電站的特點，對系統(tǒng)進行基本的設(shè)計，其設(shè)計主要包括對于變電站設(shè)備進行一次接線處理，并考察出短路點進行短路電流計算，同時選擇一次設(shè)備對變電站進行構(gòu)架，最后對于變電站經(jīng)常出現(xiàn)的問題，實施有效的保護措施。 通過本次設(shè)計，學習了

2、設(shè)計的基本方法，鞏固四年以來學過的知識，培養(yǎng)獨立分析問題的能力，而且加深對變電站的全面了解。關(guān)鍵詞：一次接線 短路電流 一次設(shè)備 變電站 Abstract As the growth of the power load, power grid around the weak power grid structure, transmission capacity is insufficient, operation mode is not flexible, and other issues. Therefore, in my graduation design, I mainly solve

3、the above problems, to finish for a hub substation architecture. According to the characteristics of the transformer substation, the system of basic design, the design mainly includes a connection for the substation equipment processing, and the short circuit point short circuit current calculation,

4、 at the same time, select a device for substation framework, finally for substation often appear problem, implement effective protective measures. Through this design, learning the basic design method, consolidate three years learned knowledge, independent analysis question ability, and to deepen co

5、mprehensive understanding of the substation.Keywords：A connection short-circuit current primary equipment converting station目 錄摘要 iAbstract ii1緒論11.1 國內(nèi)外電力系統(tǒng)的發(fā)展11.2 電力系統(tǒng)的最新技術(shù)21.2.1靈活交流輸電系統(tǒng)21.2.2 分頻輸電系統(tǒng)32 某樞紐變電站設(shè)計及計算42.1工程建設(shè)概括42.1.1變電部分52.1.2 線路部分62.2 短路計算62.3 導線及主要設(shè)備選型93 某樞紐變電站繼電保護設(shè)計133.1 過電壓保護133.2

6、 系統(tǒng)繼電保護133.2.1 主變繼電保護整定計算及繼電器選擇14 計算電流互感器變比153.2.3 確定基本側(cè)動作電流163.2.4 確定基本側(cè)差動線圈的匝數(shù)和繼電器的動作電流173.2.5 確定非基本側(cè)平衡線圈和工作線圈的匝數(shù)18初步確定短路線圈的抽頭18保護裝置靈敏度校驗183.3 安全自動裝置193.4 一次設(shè)備布置193.5 過負荷保護19結(jié)論20參考文獻21致謝221 緒論1.1 國內(nèi)外電力系統(tǒng)的發(fā)展1.2 電力系統(tǒng)的最新技術(shù)1.2.1 靈活交流輸電系統(tǒng) 電力系統(tǒng)中廣泛使用的具有機械傳動部分的斷路器, 例如油斷路器、空氣斷路器等, 不僅動作速度慢, 而且遮斷容量也受到限制, 不能滿

7、足現(xiàn)代龐大電力系統(tǒng)高度自動控制的要求. 這時可采用一系列電力電子可控設(shè)備, 對電網(wǎng)的阻抗參數(shù)、電壓、相角、功率潮流等實現(xiàn)快速的、靈活的控制。這種新型的輸電系統(tǒng)稱為靈活交流輸電系統(tǒng)( flexible AC transmission system, FACTS) 1, 2。1.2.1.1 靈活交流輸電技術(shù)的優(yōu)越性（1） 快速性：快速控制的實現(xiàn), 有效地改善了被控系統(tǒng)的穩(wěn)定和動態(tài)品質(zhì)。（2） 靈活性：被控參數(shù)既可以斷續(xù), 也可以連續(xù)調(diào)節(jié)。由于操作采用的是電子式開關(guān), 導通時壓降很小, 關(guān)斷時漏電流很小, 是十分理想的無觸點開關(guān)元件, 理論上可以無限次操作而沒有磨損.。因而, 可以根據(jù)系統(tǒng)控制的需要

8、可靠地調(diào)節(jié)控制變量, 大大提高了系統(tǒng)控制的靈活性。（3） 可控性. 靈活交流輸電技術(shù)可以通過在線、實時地對一個或多個交流系統(tǒng)參數(shù)( 如阻抗、相角、電壓) 的快速、精確控制, 改善和提高電力系統(tǒng)潮流變化、功率流向、輸送能力、阻尼振蕩以及防止事故擴大等多方面的運行性能, 大大增強了系統(tǒng)的可控性, 為提高系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟運行水平提供了嶄新、強有力的控制手段。1.2.1.2 靈活交流輸電技術(shù)的發(fā)展狀況 靈活交流輸電技術(shù)是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的重要方面, FACTS裝置的應(yīng)用可實現(xiàn)對交流輸電功率潮流的靈活控制, 大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平. 和其它輸電型FACTS控制器相比, 統(tǒng)一潮流控制器在

9、阻尼振蕩、提高暫態(tài)穩(wěn)定等方面具有優(yōu)越的性能, 多研究都已證明了改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面的重要作用3。但總體而言, 這方面的工作還處于起步階段, 許多研究仍集中在利用NETOMAC等仿真系統(tǒng)對統(tǒng)一潮流控制器( UPFC) 、靜止無功補償器( SVC) 做仿真4。對于UPFC控制策略現(xiàn)在也進行了一定的研究 5, 6， 有的提出了FACTS的最優(yōu)控制策略，有的提出了面向目標的FACTS設(shè)備智能預(yù)估控制策略 7, 8。1.2.2 分頻輸電系統(tǒng)1.2.2.1 分頻輸電系統(tǒng)的構(gòu)成 分頻輸電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1.1所示，圖中，水輪發(fā)電機發(fā)出分頻(如50/3Hz) 電力， 經(jīng)變壓器升壓后由輸電線路輸送至末端，再經(jīng)倍頻變

10、壓器將分頻電力轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl電力向工頻電力系統(tǒng)供電。 圖1.1 分頻輸電系統(tǒng)的構(gòu)成1.2.2.2 分頻輸電系統(tǒng)的發(fā)展狀況 分頻輸電是一種全新的輸電方式,還需從理論到實踐作更深入、全面的研究和探索. 如系統(tǒng)中由于非線性元件所產(chǎn)生的電壓、電流波形嚴重畸變,需在非線性理論的基礎(chǔ)上,同時考慮各次諧波的影響,建立更精確的電力系統(tǒng)數(shù)學模型和分析方法,用以研究各種運行狀態(tài)下的特性。同時還需開發(fā)分頻輸電系統(tǒng)的保護與控制系統(tǒng); 研制分頻輸電系統(tǒng)所需的關(guān)鍵電力設(shè)備,如倍頻變壓器、開關(guān)設(shè)備等, 優(yōu)化其設(shè)計,改善其結(jié)構(gòu),提高其性能指標,以滿足分頻輸電系統(tǒng)的需要。 某樞紐變電站設(shè)計及計算 新建110KV某樞紐變電站，變電站

11、的最終規(guī)模為：110kV 出線回數(shù)為1回；35kV 出線回數(shù)為4回與四個工廠相連；10kV出線回數(shù)為2回供兩生活區(qū)供電。根據(jù)變電站的初步構(gòu)想，設(shè)計出變電站的初步布圖，如圖2.1所示。 圖2.1 變電站平面初步布置圖（1） 主變?nèi)萘考皡?shù)選擇 根據(jù)變電站的附和預(yù)測數(shù)據(jù)，本次設(shè)計主變最終容量為 2X30MVA。為了更好的適應(yīng)用戶對電能質(zhì)量的要求，主變壓器采用有載調(diào)壓變壓器，三側(cè)抽頭電壓為 110±3×2.5%或-2 +4×2.5%kV。（2） 電氣主接線及出線安排 系統(tǒng)采用單母線分段接線，本期單母線，最終出線1 回，出線方案詳見表2.2。表2.2出線方案表擬建110k

12、V變電站系統(tǒng)采用雙母線接線；35kV系統(tǒng)采用單母線分段接線，最終出線 4回；10kV出線回數(shù)為2回。（3） 無功補償選擇 依據(jù)城市電路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導則中無功補償配制原則和要求，每臺主變安排2X4200kvar的無功補償容量，安裝于變壓器低壓側(cè)10kV母線上。（4） 消弧線圈選擇 10kV每段母線最終配制容量為310kVA的消弧線圈，補償電流10-50A。 表2.2出線方案表項目名稱最終規(guī)模110KV出線220kV變110KV 2回35kV出線35kV工廠1變 1回35kV工廠2變 1回35kV工廠3變 1回35kV工廠4變 1回10kV出線10kV生活區(qū)1變 1回10kV生活區(qū)2變 1回2.1.

13、2 線路部分(1)線路建設(shè)規(guī)模 本次設(shè)計線路部分做了從變電站至工廠到生活區(qū)的接線工作，工廠的備用發(fā)電站的工作另外單獨考慮。(2) 導線選擇 本次工程線路導線截面按照選擇經(jīng)濟實用的電流密度選擇。2.2 短路計算 短路電流根據(jù)系統(tǒng)的正序阻抗進行計算,標幺阻抗等效示意圖如圖2.3所示，圖中阻抗均為歸算至基準容量為100MVA情況下的標幺值。（1） 基準值的選取及基準電流計算取基準容量=100MVA。系統(tǒng)基準電壓為=115kV，則基準電流為 系統(tǒng)基準電壓為=36.5kV,則基準電流為 系統(tǒng)基準電壓為=10.5kV,則基準電流為 （2） 各元件參數(shù)標準值的計算1)220kV變電站110kV母線：短路阻抗

14、標幺值大方式為0.03191；小方式為0.06937，本次計算采用大方式下的阻抗標幺值。2） 根據(jù)實際資料可知，110kV架空線路長度為50kM，線路單位阻抗為0.378，其標準值為0.09372。3） 變壓器參數(shù)。設(shè)、分別為變壓器110kV、35kV、10kV側(cè)繞組的短路電壓百分比，=10.5，=17.5，=6.5。 =（+-）=10.75 =（+-）=-0.25 =（+-）=6.75變壓器阻抗標幺值的計算公式為 計算得, 圖 2.3 標幺阻抗等效示意圖短路電流計算公式為 其中為電源到短路點的標幺阻抗之和。根據(jù)圖，短路結(jié)果見表2.4. 表2.4 110kV變電站短路計算結(jié)果表母線名稱 大方式

15、 短路電流 短路電容110kV母線5.482kA1096MVA36kV母線5.902kA375MVA10kV母線8.503kA147MVA2.3 導線及主要設(shè)備選型（1） 導線選擇 不同的類型及不同年的最大負荷利用小時數(shù)對應(yīng)不同的經(jīng)濟電流密度，各種導體經(jīng)度如表2.5所示。 表2.5 導線經(jīng)濟電流密度（A/mm2）導體材料 最大負荷利用小時數(shù)小于3000h3000-5000h大于5000h鋁導線1.651.150.90銅導線3.002.251.75導體經(jīng)濟截面的計算公式為= 線路長時間最大工作電流按最大負荷功率來取，那么 線路年最大負荷利用小時數(shù)大于 5000小時，導線選取鋁材料，則經(jīng)濟電流密度

16、可取 0.9，取那么導線截面積： 其中為經(jīng)濟截面積，S為變壓器容量。因此截面選 300mm2 ，即導線型號為 LGJ-300。LGJ-300 的載流量I為700A，則 故導線選擇 LGJ-300 能滿足實際要求。（2）主變壓器選擇 主變壓器選用低損耗、檢修周期較長的三相三繞組自冷式全密封有載調(diào)壓變壓器。變電站最終裝設(shè)兩臺容量為 50MVA 三繞組有載調(diào)壓變壓器，本期一臺 31.5MVA 變壓器。變壓器額定電壓比為 110kV/38.5kV/10.5kV，容量比為 100/100/100，短路電壓百分比，=10.5，=17.5，=6.5。主變110kV側(cè)中性點經(jīng)隔離開關(guān)接地。（3）開關(guān)設(shè)備選擇

17、高壓斷路器和高壓隔離開關(guān)是變電站電氣部分的重要開關(guān)設(shè)備。斷路器在系統(tǒng)正常運行時，可斷開負荷電流或投入負荷，當線路或設(shè)備發(fā)生故障時，可以通過繼電保護信號快速切斷回路，隔離故障區(qū)域，使無故障區(qū)繼續(xù)正常運行。隔離開關(guān)主要是提供一個明顯的物理開斷點，在線路或設(shè)備檢修時，保證工作人員的安全，但是其不能斷開負荷電流和短路電流，同時也無法投入負荷。 變電站110kV側(cè)最大負荷功率為130MVA，10kV側(cè)最大負荷電流取為變壓器額定電流，功率因數(shù)以 0.95 計算。那么斷路器和隔離開關(guān)的選擇如下： 110kV 側(cè)斷路器、隔離開關(guān)： 最大工作電流： 短路電流： 沖擊電流最大有效值： 沖擊電流最大值：因此，110

18、kV側(cè)斷路器選 LW35-126/3150A-31.5kA110k側(cè)隔離開關(guān)選擇GW4-126D/1250A。(4）10kV 電氣設(shè)備選用鎧裝移開式戶內(nèi)交流金屬封閉開關(guān)柜，柜中斷路器選用真空斷路器，配置干式電流互感器、交流無間隙金屬氧化鋅避雷器、干式電壓感器、接地刀。（5）無功補償容量選取 無功補償?shù)脑瓌t：無功補償裝置應(yīng)根據(jù)就地平衡和便于調(diào)整電壓的原則進行配置，可采用分散和集中補償相結(jié)合的方式。接近用電端的分散補償裝置主要用于提高功率因數(shù)，降低線路損耗；集中安裝在變電站內(nèi)的無功補償裝置有利于控制電壓水平。 現(xiàn)有無功補償方式主要有靜態(tài)補償方式、動態(tài)補償方式、混合方式等。靜態(tài)補償方式投切依靠于傳統(tǒng)

19、的接觸器的動作，控制方法簡單，但是無法實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，同時要避免接觸器過于頻繁動作，造成電容器損壞，甚至導致供電系統(tǒng)振蕩。動態(tài)補償方式是半導體電力器件與數(shù)字技術(shù)綜合的技術(shù)結(jié)晶，控制器一般能在半個周波至 1個周波內(nèi)完成采樣、計算，通過脈沖信號使晶閘管導通，投切電容器組大約20-30毫秒內(nèi)就完成一個全部動作，這種控制方式是機械動作的接觸器類無法實現(xiàn)的，可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)?；旌贤肚蟹绞绞庆o態(tài)與動態(tài)補償?shù)幕旌?，一部分電容器組使用接觸器投切，而另一部分電容器組使用電力電子器件控制，這種方式在一定程度上可做到優(yōu)勢互補。 10kV 并聯(lián)電容器補償裝置采用屋外集合式成套裝置，電容器組、放電線圈、氧化物避雷器、隔離

20、開關(guān)等設(shè)備由廠家成套供貨。依據(jù)城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導則，電容器容量應(yīng)經(jīng)計算確定，一般取主變壓器容量的 10%30%。則 因此本次選擇無功容量為2×4200kvar。 本次設(shè)計選取的無功裝置的補償方式為靜態(tài)無功補償，在變壓器低壓10kV母線上進行補償。（6） 各電壓等級的導體，在滿足動、熱穩(wěn)定、電暈和機械強度等條件下進行選擇，母線允許載流量按發(fā)熱條件考慮。（7） 110kV 母線選用2（NRLH58GJ-400/20）鋼芯鋁絞線；35kV側(cè)選用TMY-80X10硬導體；10kV側(cè)選用 2（TMY-125X10）硬導體。 某樞紐變電站繼電保護設(shè)計3.1 過電壓保護 根據(jù)過電壓規(guī)程要求經(jīng)過計

21、算，主變壓器 110kV、10kV 側(cè)由110kV、10kV母線避雷器進行保護，在35kV側(cè)出口處裝設(shè)交流無間隙金屬氧化鋅避雷器。在 110kV、10kV配電裝置每段母線上均設(shè)置金屬氧化鋅避雷器在110kV配電裝置構(gòu)架上設(shè)置5支架構(gòu)避雷針及3支獨立避雷針聯(lián)合構(gòu)成全站防直擊雷保護，避雷針高均為35m。 35kV、10kV各段母線電壓互感器的中性點裝設(shè)消諧器，消除電力系統(tǒng)諧振損壞電壓互感器，影響電力系統(tǒng)正常運行。3.2 系統(tǒng)繼電保護 本設(shè)計繼電保護及安全自動裝置設(shè)計，是在系統(tǒng)一次推薦方案基礎(chǔ)上進行的，110kV電氣主接線為雙母線接線，最終出線1回。繼電保護和自動裝置按照繼電保護及安全自動裝置技術(shù)規(guī)

22、程的規(guī)定設(shè)計。(1)繼電保護配置方案 110kV線路保護 本設(shè)計110kV線路保護按全線速動保護配置。110kV出線配置光纖縱差保護作為線路的主保護，階段式距離保護作為線路的后備保護，保護通道采用光纖通道，纖芯采用專用纖芯。 110kV母線保護 110kV母線配置一套專用母線保護，按110kV主接線最終規(guī)模配置。具備母線差動保護、母聯(lián)充電保護、母聯(lián)死區(qū)保護等功能；CT變比任意設(shè)定功能、與上位機通訊功能、運行方式自動識辨功能。 母聯(lián)保護 110kV母聯(lián)斷路器配置一面母聯(lián)保護及操作箱柜，母聯(lián)保護應(yīng)具備充電保護、過流保護等功能。 故障錄波裝置 為了正確記錄電力系統(tǒng)故障波形和數(shù)據(jù)，鑒別繼電保護、安全自

23、動裝置的動作行為，正確分析處理事故，本期設(shè)計配置微機型故障錄波裝置。裝置具有78路模擬量、120路開關(guān)量。 重合閘方式 本次110kV出線重合閘全部采用檢無壓和檢同期方式，根據(jù)運行的不同需要進行選擇。 繼電保護和故障錄波信息管理子站系統(tǒng) 110kV變電站配置一套繼電保護及故障錄波信息管理系統(tǒng)子站，負責本站繼電保護裝置、安全自動裝置和故障錄波裝置等信息的采集與處理，主站設(shè)在榆林地調(diào)，完成對各子站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理功能。繼電保護和故障錄波信息管理子站不單獨組屏，由變電站綜自系統(tǒng)實現(xiàn)該功能。3.2.1 主變繼電保護整定計算及繼電器選擇 本設(shè)計采用縱聯(lián)差動保護，選取BCH-2型差動繼電器?？v聯(lián)差動保

24、護原理圖如下所示 圖3.1縱聯(lián)差動保護原理圖 計算電流互感器變比表3-2 變壓器縱差動保護用互感器變比選擇名 稱各側(cè)數(shù)據(jù)Y（115kV）（35kV）額定電流變壓器接線方式Y(jié)CT接線方式Y(jié)CT計算變比/5=0.85/5/5=1.5/5實選CT變比nl250/5800/5實際額定電流5.365.15不平衡電流Ibp5.36-5.15=0.21A確定基本側(cè)基本側(cè)非基本側(cè)3.2.3 確定基本側(cè)動作電流（1）躲過外部故障時的最大不平衡電流 利用實用計算式 式中 可靠系數(shù)，采用1.3； 非同期分量引起的誤差，采用1； 同型系數(shù)，CT型號相同且處于同一情況時取0.5，型號不同時取1，本設(shè)計取1； 變壓器調(diào)壓

25、時所產(chǎn)生的相對誤差，采用調(diào)壓百分數(shù)的一半，本設(shè)計取0.05；繼電器整定匝書數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差，暫無法求出，先采用中間值0.05。電流互感器的最大相對誤差，取0.1。代入數(shù)據(jù)得（2）躲過變壓器空載投入或外部故障后電壓恢復時的勵磁涌流 式中 可靠系數(shù)，采用1.3。 變壓器額定電流。代入數(shù)據(jù)得 （3) 躲過電流互感器二次回路短路時的最大負荷電流為綜上所述的動作電流，取最大值為計算值，即 3.2.4 確定基本側(cè)差動線圈的匝數(shù)和繼電器的動作電流 將兩側(cè)電流互感器分別結(jié)于繼電器的兩組平衡線圈，再接入差動線圈，使繼電器的實用匝數(shù)和動作電流更接近于計算值；以二次回路額定電流最大側(cè)作為基本側(cè)，基本

26、側(cè)的繼電器動作電流及線圈匝數(shù)計算如下：基本側(cè)（35kV）繼電器動作值 （5.5）代入數(shù)據(jù)得 基本側(cè)繼電器差動線圈匝數(shù) （5.6）式中 為繼電器動作安匝，應(yīng)采用實際值，本設(shè)計中采用額定值，取得60安匝。代入數(shù)據(jù)得 （匝）選用差動線圈與一組平衡線圈匝數(shù)之和較小而相近的數(shù)值，作為差動線圈整定匝數(shù)。即實際整定匝數(shù)5（匝） 繼電器的實際動作電流 保護裝置的實際動作電流 3.2.5 確定非基本側(cè)平衡線圈和工作線圈的匝數(shù)平衡線圈計算匝數(shù) （匝）故，取平衡線圈實際匝數(shù) 工作線圈計算匝數(shù)（匝）計算由于整定匝數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差 此值小于原定值0.05，取法合適，不需重新計算。初步確定短路線圈的抽頭

27、根據(jù)前面對BCH-2差動繼電器的分析，考慮到本系統(tǒng)主變壓器容量較小，勵磁涌流較大，故選用較大匝數(shù)的“C-C”抽頭，實際應(yīng)用中，還應(yīng)考慮繼電器所接的電流互感器的型號、性能等，抽頭是否合適，應(yīng)經(jīng)過變壓器空載投入試驗最后確定。保護裝置靈敏度校驗差動保護靈敏度要求值 本系統(tǒng)在最小運行方式下，6.6KV側(cè)出口發(fā)生兩相短路時，保護裝置的靈敏度最低。 本裝置靈敏度 滿足要求。3.3 安全自動裝置 電力系統(tǒng)的安全運行，除與一次系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，繼電保護的快速、正確動作有關(guān)外，還應(yīng)裝設(shè)安全自動裝置，以防止系統(tǒng)穩(wěn)定破壞或事故擴大所造成的大面積停電，和長時間中斷對重要用戶的供電。依據(jù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導則，變電站設(shè)獨立的低周低壓減載裝置，在事故情況下，按照負荷的重要程度，分輪次斷開次要負荷，保證重要負荷的供電。全站設(shè)電壓無功綜合自動調(diào)整裝置、消弧線圈自動跟蹤補償裝置。35kV、10kV 設(shè)集中式小電流接地選線裝置。配置 110kV、35kV、10kV 電壓并列裝置。3.4 一次設(shè)備布置 對于發(fā)電機、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、自動開關(guān)、接觸器、刀開