武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 1 110KV系統(tǒng)接地保護的設(shè)計 1 繼電保護 1.1介紹原理 1.1.1基本概念 繼電保護是研究電力系統(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。因在其發(fā)展過程中曾主要用有觸點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。其基本任務(wù)是當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)自動將故障設(shè)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避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。 1.1.2繼電保護分類 繼電保護可以按以下4種方式分類。 1按被保護對象分類。有輸電線路保護和主設(shè)備保護如發(fā)電機、變壓器、母線、電抗器、電容器等保護。 2按保護功能分類。有短路故障保護和異常運行保護。前者又分為主保護、后備保護和輔助保護后者又分為過負荷保護、低頻保護、非全相運行保護等。 3按保護裝置進行比較和運算處理的信號量分類有模擬式保護和數(shù)字式保護。一切電機型、整流型、晶體管型和集成電路型保護裝置屬模擬式保護采用微處理機和微型計算機的保護裝置這是數(shù)字式保護。 4按保護動作原來分類。有過電流保護、低電壓保護、過電壓保護、功率方向保護、距離保護、差動保護、高頻載波保護等。 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 2 1.2接地短路 1.2.1基本概念 短路是指電源的相線和中性線或者相線之間無負載或無阻抗連接。接地短路是指用電器件或者線路經(jīng)由接地產(chǎn)生的短路現(xiàn)象。在電源端中性線接地的系統(tǒng)即TT、TN等T系統(tǒng)中線路中相線因為裸露、受潮、絕緣損壞、碰殼等事故使得用電器件可導(dǎo)電外殼或其他金屬器件帶電而此類器件又經(jīng)與地連接做有接地保護。此時電流經(jīng)過相線-外殼-接地線-大地-電源中性線接地線-電源中性線形成短路回路接地短路出現(xiàn)。 接地短路是電力系統(tǒng)中架空線路上出現(xiàn)最多的一類故障尤其是單相接地短路故障占所有故障的90左右。完全星形接線的相間電流電壓保護對于大地電流系統(tǒng)中的單相接地短路可能會不滿足靈敏性要求因此必須裝設(shè)專門的接地短路保護。反映接地短路保護主要有反映零序電流、零序電壓和零序功率方向的電流電壓保護接地距離保護及縱聯(lián)保護等。 1.2.2繼電保護的配置方式 對于單回線路接地短路可裝設(shè)帶方向性或不帶方向性的多段式零序電流保護在終端線路保護段數(shù)可適當減少。對環(huán)網(wǎng)或電網(wǎng)中某些短線路宜采用多段式接地距離保護有利于提高保護的選擇性及縮短切除故障時間。 對于平行線路的接地短路一般可裝設(shè)零序電流橫差動保護作為主保護裝設(shè)接于每一回線路的帶方向或不帶方向元件的多段式零序電流保護作為后備保護。 1.3 零序電流保護 1.3.1基本概念 利用接地時產(chǎn)生的零序電流使保護動作的裝置叫零序電流保護。在電纜線路上都采用專門的零序電流互感器來實現(xiàn)接地保護。 中性點直接接地系統(tǒng)發(fā)生接地短路將產(chǎn)生很大的零序電流利用零序電流分量構(gòu)成武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 3 保護可以作為一種主要的接地短路保護。零序過流保護部反應(yīng)三相和兩相短路在正常運行哦那個和系統(tǒng)發(fā)生震蕩時也沒有零序分量產(chǎn)生所以它有較好的靈敏度。但零序過流保護受電力系統(tǒng)運行方式變換影響較大靈敏度因此降低特別是短距離線路上以及復(fù)雜的環(huán)網(wǎng)中由于速動段的保護范圍太小甚至沒有保護范圍致使零序電流保護各段的性能嚴重惡化使保護動作時間很長靈敏度很低。 中性點直接接地系統(tǒng)中發(fā)生接地短路將產(chǎn)生很大的零序電流分量利用零序電流分量構(gòu)成保護可作為一種主要的接地短路保護。因為它不反映三相和兩相短路在正常運行和系統(tǒng)發(fā)生振蕩時也沒有零序分量產(chǎn)生所以它有較好的靈敏度。另一方面零序電流保
護仍有電流保護的某些弱點即它受電力系統(tǒng)運行方式變化的影響較大靈敏度將因此降低特別是在短距離的線路上以及復(fù)雜的環(huán)網(wǎng)中由于速動段的保護范圍太小甚至沒有保護范圍致使零序電流保護各段的性能嚴重惡化使保護動作時間很長靈敏度很低。 當零序電流保護的保護效果不能滿足電力系統(tǒng)要求時則應(yīng)裝設(shè)接地距離保護。接地距離保護因其保護范圍比較固定對本線路和相鄰線路的保護效果都會有所改善。 零序電流保護接?詰緦骰ジ釁韉牧閾虻緦髀斯鶻酉嘸虻タ煽苛閾虻緦鞅;ねǔ,啥嘍巫槌梢話閌僑問講?篩菰誦行枰黽醵問,聳視δ承?誦星榭齙男枰部繕柚昧礁鲆歡位蚨我愿納票;さ男計算方式 根據(jù)接地短路故障的計算方法可知接地短路是相當于在正序網(wǎng)絡(luò)的短路點增加額外附加電抗的短路。這個額外附加電抗就是負序和零序綜合電抗。各序的電流分配只決定該序網(wǎng)中各只路電抗的反比關(guān)系而各序電流的絕對值要受其它序電抗的影響。 計算分支零序電流的分布時例如計算電流分支系數(shù)只須研究零序序網(wǎng)的情況當要計算零序電流絕對值大小時必須同時分析正、負、零三個序網(wǎng)的變化。零序電壓的特點類似零序電流的情況。零序電壓分布在短路點最高隨著距短路點的距離而逐漸降低在變壓器中性點接地處為零。 在電力系統(tǒng)架空線路上零序電流一般用零序電流濾過器獲得。當架空線路發(fā)生接地故障時零序電流濾過器將輸出03I電力系統(tǒng)中獲取零序電壓03U的方法一般有以下幾種將三個單相電壓互感器的副方繞組接成開口三角形繞組來獲取將三相五柱式電武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 4 壓互感器的二次繞組接成開口三角形繞組來獲取將電源中性點的電壓互感器或消弧線圈接地再在副方繞組中獲取零序電壓利用加法器來獲得零序電壓。此外利用對稱分量濾過器也可以得到保護中常用到的各種序分量包括零序電流、零序電壓分量。 1.4 變壓器中性點接地 1.4.1中性點接線方式 變壓器中性點接地方式與電網(wǎng)的安全運行有密切關(guān)系。在系統(tǒng)正常運行時中性點對地電壓為零接地方式對系統(tǒng)沒有影響。當發(fā)生一相接地或人身觸電事故時各種接地方式的差別就出現(xiàn)了。那么采用哪種方法最佳是值得討論的問題。 變壓器中性點接線方式一般分為以下五種 1 中性點不接地方式 2 中性點經(jīng)高電阻接地方式 3 中性點直接接地方式 4 中性點經(jīng)低電阻接地方式 5 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式 1.4.2中性點接線原則 系統(tǒng)中變壓器中性點是否接地運行的原則是應(yīng)盡量保持變電所零序阻抗基本不變以保持系統(tǒng)中零序電流的分布不變并使零序電流電壓保護具有足夠的靈敏度和變壓器不致于產(chǎn)生過電壓危險。一般變壓器中性點接地有如下原則 1電源端的變電所只有一臺變壓器時其變壓器中性點應(yīng)直接接地運行。 2變電所有兩臺及以上變壓器時應(yīng)只將一臺變壓器中性點直接接地運行當該變壓器停運時再將另一臺中性點不接地變壓器改為中性點直接接地運行。若由于某些原因變電所正常運行下必須有兩臺變壓器中性點直接接地運行則當其中一臺變壓器停運時應(yīng)將第三臺變壓器改為中性點直接接地運行。 3雙母線運行的變電所有三臺及以上變壓器時應(yīng)按兩臺變壓器中性點直接接地的方式運行并把它們分別接于不同的母線上。當其中一臺中性點直接接地的變壓器停運時應(yīng)將另一臺中性點不接地變壓器改為中性點直接接地運行。 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 5 4低電壓側(cè)無電源的變壓器中性點應(yīng)不接地運行以提高保護的靈敏度個簡化保護接線。 5對于其它由于特殊原因不滿足上述條件規(guī)定著應(yīng)按特殊情況臨時處理例如可采用改變保護定植停用保護或增加變壓器接地運行臺數(shù)等方法進行處理以保證保護和系統(tǒng)的正常運行。 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電
保護及其自動化》課程設(shè)計 6 2計算原理 2.2保護?段的整定計算 2.2.1電流速斷保護工作原理 對于反應(yīng)于短路電流幅值增大而瞬時動作的電流保護稱為電流速斷保護。為了保證其選擇性一般只能保護線路的一部分。為了解決這個矛盾可以有兩種辦法。通常都是優(yōu)先保證動作的選擇性即從保護裝置啟動參數(shù)的整定上保證下一條線路出口處短路時不啟動在繼電保護技術(shù)中這又稱為按躲開下一條線路出口處短路的條件整定。 另一種辦法就是在個別情況下當快速切出故障是首要條件時就采用無選擇性的速斷保護而以自動重合閘來糾正這種無選擇性動作。 對反應(yīng)電流升高而動作的電流速斷保護而言能使該保護裝置啟動的最小電流值稱為保護裝置的整定電流以Iset表示顯然必須當實際的短路電流IKgtIset時保護裝置才能動作。 保護裝置的整定電流Iset是用電力系統(tǒng)一次側(cè)的參數(shù)表示的所代表的意義是當在被保護線路的一次側(cè)電流達到這個數(shù)值時安裝在該處的這套保護裝置就能夠動作。 2.2.2零序電流保護?段的整定 1按躲開本線路末端接地短路的最大零序電流整定即 IKIrelopmax013 1 式中 Krel——可靠系數(shù)取1.21.3計算時取1.3 Imax0——線路末端
零序電流保護?段的保護最小保護范圍亦接地短路時流過保護的最大零序電流。 2
要求不小于本保護線路長度的15。 3 整定的動作延時為0。 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 7 2.3保護?段的整定計算 2.3.1限時電流速斷保護工作原理 由于有選擇性的電流速斷保護不能保護本線路的全長因此可考慮增加一段帶時限動作的保護用來切除本線路上速斷保護范圍以外的故障同時也能作為速斷保護的后備這就是限時電流速斷保護。 對這個保護的要求首先是在任何情況下能保護本線路的全長并且具有足夠的靈敏性其次是在滿足上述要求的前提下力求具有最小的動作時限在下級線路短路時保證下級保護優(yōu)先切除故障滿足選擇性要求。 2.3.2零序電流保護?段的整定 此段保護按滿足以下條件整定 1按與相鄰下一級線路的零序電流保護?段配合整定即 KIKIboprelopmin21 2 式中 Krel—— 可靠系數(shù)取1.2。 Kbmin—— 分支系數(shù)按實際情況選取可能的最小值 Iop2—— 相鄰下一級線路的零序電流保護?段整定值。 2當按此整定結(jié)果達不到規(guī)定靈敏系數(shù)時可改為與相鄰下一級線路的零序電流保護?段配合整定 KIKIboprelopmin21 3 3零序?段的靈敏度校驗 IIKopsen1min03? 1.31.5 4 4保護?段的動作時間 當動作電流按式2-3-1計算時stop0.11 當動作電流按式2-3-2計算時tttopop21。 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 8 2.4保護?段保護的整定計算 2.4.1無時限過電流保護工作原理 作為下級線路主保護拒動和斷路器拒動時的遠后備保護也作為過負荷時的保護一般采用過電流保護。過電流保護通常是指其啟動電流按照躲開最大負荷電流來整定的保護當電流的幅值超過最大負荷電流值時啟動。過電流保護有兩種一種是保護啟動后出口動作時間是固定的整定時間稱為定時限過電流保護另一種是出口動作時間與過電流的倍數(shù)相關(guān)電流越大出口動作越快稱為反時限過電流保護。過電流保護在正常運行時不啟動而在電網(wǎng)發(fā)生故障時則能反應(yīng)于電流的增大而動作。在一般情況下它不僅能夠保護本線路的全長而且保護相鄰線路的全程可以起到遠后備保護的作用。 為保護在正常情況下各線路上的過電流保護絕對不動作顯然保護裝置的啟動電流必須大于該線路上出現(xiàn)的最大負荷電流ILmax同時還必須考慮在外部故障切除后電壓恢復(fù)負荷自啟動電流作用下保護裝置必須能夠返回。其返回電流應(yīng)大于負荷自啟動電流。一般考慮后一種情況往往為保證可靠返回從而決定啟動電流。 2.4.2零序電流保護?段保護的整定 此段保護一般是起后備保護作用。?
段保護通常是作為零序電流保護?段保護的補充作用。零序電流保護?段保護按滿足以下條件整定 1按躲開下一條線路出口處發(fā)生三相短路時流過保護裝置的最大不平衡電流來整定 IKIanbrelopmax.1 5 式中 Kk —— 可靠系數(shù)取1.25。 Ianbmax. —— 最大不平衡電流。 其中 3max.max.derstnpanbIKKKI 6 式中 npK——非周期分量系數(shù)取12 stK——電流互感器的同性系數(shù)取0.5 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 9 erK——電流互感器的10誤差取0.1 3max.dI——本線路末端三相短路的最大短路電流。 2零序?段的靈敏度校驗 當作為近后備保護時 IIKopsen1min03 1.31.5 7 當作為遠后備保護時 IKIKbopsenmax31min1 1.2 8 式中 Imin0——本線路末端短路時在最小方式運行下的最小零序電流。 Imin1——下一級線路末端短路時在最小方式運行下的最小零序電流。 Kbmax——最大分支系數(shù)。 3零序電流保護?段的動作時間 時限的確定:對于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)若按階梯原則與相鄰線路配合時會產(chǎn)生斷路器誤動的現(xiàn)象因此應(yīng)找出解環(huán)點所以必須選出某一線路的保護?段與其相鄰的保護?段配合此即環(huán)網(wǎng)保護?段的動作時限的起始點此起始點的選擇原則是應(yīng)考慮盡可能使整個環(huán)網(wǎng)中保護三段的保護靈敏度較高。 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 10 3設(shè)計過程 系統(tǒng)運行圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)運行圖 3.1 無時限零序電流保護 無時限零序電流保護應(yīng)躲過相鄰的下一線路出口即本線路末端亦即圖中B點單相或亮相接地短路時可能出現(xiàn)的最大3倍零序電流max03I即 IKIrelopmax013 1對于AB線路應(yīng)躲過B點的最大3倍零序短路電流
10XX因此當出現(xiàn)單相接地短路故障時零序電3max0BI 50203021XX 555050X 由于
流有最大值max0BI。 021max0XXXEIsB 5550503/115 kA 0.428 kA
IKIrelopmax013428.032.1 KA 1.541 kA 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 11 靈敏度校驗 設(shè)保護范圍為L則有 1.541LL605230203/1153 L70.22 gt 15 滿足靈敏度的要求。 01opt 2對于BC線路應(yīng)躲過C點的最大3倍零序短路電流3max0CI 7030202021XX 105406050X 由于10XX因此當出現(xiàn)單相接地短路故障時零序電流有最大值max0CI。 021max0XXXEIsC 10570703/115 kA 0.271 kA
IKIrelopmax023271.032.1 KA 0.976kA 靈敏度校驗 設(shè)保護范圍為L則有
0.976LL6060523030203/1153 L32.57 gt 15 滿足靈敏度的要求。 02opt 3對于BC線路應(yīng)躲過D點的最大3倍零序短路電流3max0DI 1406040202021XX 18580406050X
由于10XX因此當出現(xiàn)單相接地短路故障時零序電流有最大值max0CI。 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 12 021max0XXXEIsC 1851401403/115
kA 0.143 kA IKIrelopmax033143.032.1 kA 0.515kA 靈敏度校驗 設(shè)保護范圍為L則有 0.515LL100406052403020203/1153 L78.77 gt 15 滿足靈敏度的要求。 03opt 3.2 帶時限零序電流保護 當AB線路的?段保護應(yīng)與相鄰下一線路即BC線路的零序電流保護?段配合即 KIKIboprelopmin21 其中KbminABBABBABABBCIIIIIII1 設(shè)發(fā)電機至母線A的等效零序阻抗為XAB母線經(jīng)變壓器到地的零序等效阻抗為XB則 KbminBAXX1 由上式可以看出當AX取最小值BX取最大值時即在最大運行方式下單臺變壓器中性點接地運行時minbK有最小值。此時AX35BX60如圖2所示。 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 13 圖2 最大運行方式下單臺變壓器中性點接地運行零序等值網(wǎng)絡(luò)圖 Kbmin606512.01 Iop108.2976.02.1 kA
0.676 kA 靈敏度校驗 IIKopBsen1min03 而在最小運行方式下發(fā)生接地短路時AB線路末端零序短路電流有最小值IBmin0。此時 100604021XX 7060100X 由于0Xlt1X
因此在最小運行方式下發(fā)生單相接地短路時零序電流最小。 021min0XXXEsBI 701001003/115 kA 0.246 kA IIKopBsen1min03 676.0246.03 1.39 gt 1.3 滿足靈敏度的要求。 top1 1.0 s 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 14 3.3 零序過電流保護 按躲開下一條線路出口處發(fā)生三相短路時流過保護裝置的最大不平衡電流來整定 IKIanbrelopmax.1 3max.derstnprelIKKKK 當在最大運行方式下B母線處發(fā)生三相短路時 13max.XEIsd20303/115 kA 1.33 kA Iop1 1.2×1.5×0.5×0.1×1.66
kA 0.15 kA 靈敏度校驗 Ksen15.0390.037.8 gt 1.5 近后備 Ksen15.0255.035.1 gt
1.3 遠后備 top1top2t 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 15 4 110kV電網(wǎng)的保護裝置與自動裝置 4.1 一般裝設(shè)規(guī)定 在電力系統(tǒng)中應(yīng)按照DL 755和DL/T 723標準的要求裝設(shè)安全自動裝置以防止系統(tǒng)穩(wěn)定破壞或事故擴大造成大面積停電或?qū)χ匾脩舻墓╇婇L時間中斷。電力系統(tǒng)安全自動裝置是指在電力網(wǎng)中發(fā)生故障或出現(xiàn)異常運行時為確保電網(wǎng)安全與穩(wěn)定運行起控制作用的自動裝置。如自動重合閘、備用電源或備用設(shè)備自動投人、自動切負荷、低頻和低壓自動減載、電廠事故減出力、切機、電氣制動、水輪發(fā)電機自起動和調(diào)相改發(fā)電、抽水蓄能機組由抽水改發(fā)電、自動解列、失步解列及自動調(diào)節(jié)勵磁等。安全自動裝置應(yīng)滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。 4.2全線速動保護裝置 110kV雙側(cè)電源線路符合下列條件之一時應(yīng)裝設(shè)一套全線速動保護。 1根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定要求有必要時 2線路發(fā)生三相短路如使發(fā)電廠廠用母線電壓低于允許值一般為60額定電壓且其他保
如電力網(wǎng)的某些線路采用全線速動保護后不護不能無時限和有選擇地切除短路時 3
僅改善本線路保護性能而且能夠改善整個電網(wǎng)保護的性能。 4.3其他保護裝置 1 對多級串聯(lián)或采用電纜的單側(cè)電源線路為滿足快速性和選擇性的要求可裝設(shè)全線速動保護作為主保護。 2 10kV線路的后備保護宜采用遠后備方式。 3單側(cè)電源線路可裝設(shè)階段式相電流和零序電流保護作為相間和接地故障的保護如不能滿足要求則裝設(shè)階段式相間和接地距離保護并輔之用于切除經(jīng)電阻接地故障的一段零序電流保護。 4雙側(cè)電源線路可裝設(shè)階段式相間和接地距離保護并輔之用于切除經(jīng)電阻接地故障的一段零序電流保護。 5對帶分支的110kV線路可按4.6.5的規(guī)定執(zhí)行。 武漢理工大學(xué)《電力系統(tǒng)繼電保護及其自動化》課程設(shè)計 16 5 二次回路的設(shè)計 5.1 二次回路概述 二次回路是指用來控制、指示、監(jiān)測和保護一次電路運行的電路。二次回路又稱二次系統(tǒng)。按功能二次回路可分為斷路器控制回路、信號回路、保護回路、監(jiān)測回路和自動化回路為保證二次回路的用電還有相應(yīng)的操作電源回路等。 5.2二次回路設(shè)備的要求 二次回路的工作電壓不宜超過250V最高不應(yīng)超過500V。互感器二次回路連接的負荷不應(yīng)超過繼電保護和安全自動裝置工作準確等級所規(guī)定的負荷范圍。在絕緣可能受到油浸蝕的地方應(yīng)采用耐油絕緣導(dǎo)線。保護和控制設(shè)備的直流電源、交流電流、電壓及人信號引入回路應(yīng)采用屏蔽電纜。在安裝各種設(shè)備、斷路器和隔離開關(guān)的連鎖接點、端子排和接地線時應(yīng)能在不斷開3kV及以上一次線的情況下保證在.
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