H市110KV降压变电站二次设计

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摘要

变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，骑着变换和发配电能的作用。

本次设计的题目是“H市110KV降压变电站二次设计”。设计的内容主要包括变电站的总体分析、主变的选择、电气主接线的确定、短路电流的计算、线路保护、变压器的保护、防雷设计等。对于变电站二次设计来说，本次设计的重中之重是保护。

本次设计任务旨在体现对本专业各科知识的掌握程度，同时检验本专业的学习结果。首先根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，分析负荷发展趋势。从负荷增长方面阐明了建站的必要性，然后通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，确定了110kV，10kV以及站用电的主接线，然后又通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数，容量及型号，同时也确定了站用变压器的容量及型号，最后，根据最大持续工作电流及短路计算的计算结果，做出线路保护，变压器保护，母线保护,防雷保护。从而完成了110kV电气二次部分的设计。

关键词：电力系统，负荷分析，短路电流计算，继电保护

ABSTRACT

Substation is an important part of power system, which directly affects the safety and economic

operation of the whole power system, is the intermediate link between power plants and users, riding a transformation and distribution of electricity.

The design is entitled \110KV step-down substation design two times\design content mainly includes the overall analysis of main transformer substation, the selection of main electrical wiring, determined, short-circuit current calculation, line protection, transformer protection, lightning protection design. Two for the substation design, priority among priorities of this design is to protect.

The design task to reflect on the major branches of the master degree of knowledge, and to test the professional learning results. Firstly, according to the mandate given by the system parameters

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and the load line and all, the analysis of load development trend. From the load increasing illustrates the necessity of the site, and then summarized by the proposed substation and outlet to consider, and through the analysis of data of load, safety,economy and reliability into consideration, determine the 110kV, 10kV and station using the connection of electricity, and then through the load calculation and determined the scope of the main electricity transformer number, capacity and models, also define the station transformer capacity and models, finally, according to the calculated results of maximum continuous operating current and short circuit calculation, make line protection, transformer protection, bus protection, lightning protection. To complete the 110kV electrical two part design.

Keywords: analysis of power system, load, short-circuit current calculation,relay protection

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目 录

摘 要 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 绪 论 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 第1章 变电站的总体分析 .......................................................... 错误！未定义书签。

1.1总体分析 .................................... 错误！未定义书签。 1.2负荷分析 .................................... 错误！未定义书签。 第2章 变电站主变压器的选择 .................................................. 错误！未定义书签。

2.1变压器的选择原则 ............................ 错误！未定义书签。 2.2 主变压器调压方式的确定 ............................................ 错误！未定义书签。 第3章 电气主接线设计 .............................................................. 错误！未定义书签。

3.1电气主接线设计的重要性 ............................................. 错误！未定义书签。 3.2 电气主接线接线形式的确定 ........................................ 错误！未定义书签。 第4章 短路电流的计算 .............................................................. 错误！未定义书签。

4.1 短路电流的危害 ............................................................ 错误！未定义书签。 4.2 计算短路电流的目的 .................................................... 错误！未定义书签。 4.3 短路电流的计算 ............................................................ 错误！未定义书签。 第5章 线路保护 .......................................................................... 错误！未定义书签。

5.1 电力系统继电保护的作用 ............................................ 错误！未定义书签。 5.2继电保护的基本要求 ..................................................... 错误！未定义书签。 5.3线路保护整定计算 ......................................................................................... 14 第6章 变压器保护 ...................................................................... 错误！未定义书签。

6.1变压器装设的保护 ......................................................... 错误！未定义书签。 6.2 纵联差动保护 ................................................................ 错误！未定义书签。 6.3瓦斯保护 ......................................................................................................... 15 第7章 防雷设计 .......................................................................... 错误！未定义书签。

7.1变电站防雷保护 ............................................................. 错误！未定义书签。 7.2避雷针保护范围的计算 ................................................. 错误！未定义书签。 第8章 展 望 .............................................................................. 错误！未定义书签。 致 谢 ............................................................................................ 错误！未定义书签。

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参考文献 ........................................................................................ 错误！未定义书签。 附录I 短路电流计算 ................................................................. 错误！未定义书签。 附录II 线路保护计算 ................................................................. 错误！未定义书签。

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绪论

变电站是电力网中线路的连接点，作用是变换电压、变换功率和汇集、分配电能。通常分为电气一次和电气二次部分。本次设计为H市110KV降压变电站二次设计，即保护设计。

此次设计的H市110KV降压变电站，可以满足市郊区生产及生活的供电要求，在设计过程中考虑到该区工业生产和人民生活的发展，并可满足5-10年的远景供电需求。

本次设计通过负荷分析、计算，确定了主变的容量，经校验，满足一台停运时另一台不小于全部容量的60%，也满足一台停运时另一台满足全部一、二级负荷。再结合所选用主变的调压方式、冷却方式、绕组数、电压等级等方面的因素，最终确定了主变的型号。对于各电压等级电气主接线方案的确定，分别从可靠性、灵活性、经济性等方面对几种主接线进行对比分析，最终确定了110KV、10KV侧均采用单母分段的电气主接线形式。

二次部分设计主要是计算线路的短路电流，再由短路电流的计算作线路保护。作线路保护时首先采用了三段式电流保护，但经过校验，灵敏度不满足要求，故采用了距离保护。最后对变电站做了防雷保护。

保护是本次设计的重中之重，在整个电力系统运行中，由于人为因素或大自然的原因，会发生各种各样的故障和不正常运行状态。短路是一种非常危险的故障，同时也是最常见的故障。短路较严重的后果是因电压下降可能导致电力系统发电厂之间并列运行的稳定性遭到破坏，引起系统振荡，甚至是整个系统瓦解。因此对继电保护装置的要求很严格，要满足四性，即可靠性、选择性、灵敏性和速动性。本次设计线路保护首先采用了电流保护，但由于不满足要求，故采用了距离保护。

变电所是电力系统防雷的重要保护设施，如果发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会和人民生活。在运行中的电器设备，可能受到来自外部的雷电过电压和内部操作过电压的作用，因此对过电压的保护也是不可或缺的因此要求变电所的防雷措施必须十分可靠。此次设计在每一段母线上选用氧化锌避雷器用于防护线路出现的过电压，另设置四支独立式避雷针用于直击雷防护。

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1.1 变电站的总体分析

第1章 变电站的设计分析

为了满足市区生产和生活的供电要求，决定要在H市新建一所110KV降压变电站。变电站的站址选择在市区内部，靠近负荷中心，有利于系统运行性能的提高，降低损耗，提高经济效益；站址选择靠近公路，其附近还有铁路穿越，有良好的交通运输条件，同时也为变电站职工的生活提供了方便；站址选择的南部有河流通过，有充足的水源条件，满足生产和生活用水的需要；变电站所处区域平均海拔为200m，年平均气温为15度，地势平坦、土质为黏土，地震烈度为7级，避开了滑坡、滚石、洞穴、明暗河塘、岸边冲刷区等不良的地质条件，有利于线路架设和电气设备的安装；有利于变电站的经济运行。另外，也降低对防雷保护装置的要求；变电站选址避开了大气严重污秽和严重盐雾地区及冬季主导风向的影响，即避开了工业电力负荷，如纺织厂、冶炼厂、农机厂等污染企业的影响。此外，这些电力负荷位于变电站的北部，变电站设在污染源的下风口（冬季主导风向为西北风），受到轻微污染，影响电力系统的运行性能。变电站东部没有重要的电力负荷，这为进出线提供了广阔的线路走廊，还有利于变电站的扩建 ，另外，变电站选址还考虑了变电站与附近设施的影响。 根据电力系统规划，本变电所的规模如下: 电压等级：110/10KV

线路回数：110KV： 3回，备用1回；

10KV ：16回， 备用2回。

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图1-1 电力系统接线简图

变电站的选择在市区内，十分靠近负荷中心，不仅提高了可靠性而且还十分经济降低损耗，由于变电站位于有轻微污染源的风向下侧（该地区主导风为西北风），所以应该选用屋内配电装置。总的来说变电站内的总体布置合理，便于设备的操作、搬运、检修、巡视以及将来的扩建。

1.2 变电站的负荷分析 根据负荷允许停电程度的不同，可以将负荷分为三个等级，也就是一级负荷、 二级负荷和三级负荷。等级不同，对电力系统供电可靠性与稳定性的要求也不同。一级负荷是指将遭成人身伤亡或引起对周围环境严重污染对工业将造成经济的巨大损失，如重要的大型的设备损坏，重要产品或用重要原料生产的产品大量报废，还可能引起社会秩序混乱或严重的政治影响；二级负荷是指回造成较大的经济损失，产品大量报废或减产，还可能引起社会秩序的混乱或较严重的政治影响；三级负荷指造成的损失不大或者直接的经济损失。负荷的等级不同，对供电的要求也不同。对于一级负荷，必须有两个独立电源供电，且任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电；对二级负荷，一般要有两个独立电源供电，且一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷供电；对于三级负荷一般只需要一个电源供电。

对于110KV侧，有市级甲侧、市系I线市系II线，通过变电站和SII相连，构

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成了电力系统环网。如果有任何一条线路发生故障，会直接影响电力系统环网运行的稳定性。由于各条线路的最大穿越功率的不同，对电力系统造成的破坏程度也有所不同。但是它们都会影响变电站的稳定运行，电能质量下降，导致变、电站变压器容量在三相不平衡负荷下运行，产生谐波电流，造成严重后果。

对于10KV侧，我们将所有的负荷分为工业电力负荷和非工业电力负荷，其中工业负荷包括：水厂、冶炼厂、制药厂、农机厂和纺织厂；非工业负荷包括：医院和市政。

工业电力负荷，出线回路为2回，10KV直接供电，以制药厂为例进行说明：其中一级负荷包括各种车间，大约占负荷的25%；二级负荷约占负荷的45%；三级负荷包括其他的车间及辅助设备等，约占负荷的30%。非工业电力负荷，出线回路数均为1回，10KV直接供电，另外，还有2条备用线路，供扩展备用，以为医院为例说明负荷分析情况。一级负荷如：手术室、急诊室等占负荷总数的40%；二级负荷如：消防设备占负荷总数的20%；三级负荷：其他的辅助科室及设备，占负荷总数的40%。

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第2章变电站主变压器的选择

2.1 变压器的选择原则

根据变电所的实际情况，应根据以下的原则进行选择：

1）主变得容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷选择

2）根据电压网络的结构和变电所所带的负荷的性质来确定主变压器的容量， 对于有重要用户的变电所应考虑当一台主变停运时其余变压器在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级的负荷，对一般性变电站，一台机停用时，应使其余变压器保证全部负荷的70%～80%。

3）同级电压的降压变压器容量的级别不宜过多，应系列化，标准化 4）对于大城市市郊的一次变电站，在中低压侧已构成环网的基础上，变电所以装设两台变压器为宜。 2.2 主变压器调压方式的确定

因为本次设计对象为降压变电站，故采用降压变压器。

近年来随着电压质量的提高和有载调压变压器质量的提高，然而为了保证二次端电压在允许范围之内,通常在变压器的高压侧设置抽头,并装设分接开关,调节变压器高压绕组的工作匝数,来调节变压器的二次电压。而且分接开关有两种形式：

一种只能在断电情况下进行调节，称为无载分接开关-----这种调压方式无载调压、也称为无励磁调压；

另一种可以在带负荷的情况下进行调节，称为有载分接开关-----这种调压方式称为有载调压。无载调压就是开路，他接入负载会有电压降，（不包括稳压电源）有载调压，带负载调压，辟免空载电压降。

本次设计作为城市变电站，所以一般采用有载调压方式。

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2.3 主变压器的冷却方式

电力变压器常用的冷却方式一般分为三种：油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环。

油浸自冷式就是以油的自然对流作用将热量带到油箱壁和散热管，然后依靠空气的对流传导将热量散发，它没有特制的冷却设备。

而油浸风冷式是在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风机帮助冷却。加装风冷后可使变压器的容量增加30%～35%。

强迫油循环冷却方式，又分强油风冷和强油水冷两种。它是把变压器中的油，利用油泵打入油冷却器后再复回油箱。油冷却器做成容易散热的特殊形状，利用风扇吹风或循环水作冷却介质，把热量带走。这种方式若把油的循环速度比自然对流时提高3倍，则变压器可增加容量30%。

由于本次设计选用110KV的主变，容量较小，且两台主变并列运行，电流相对较小，温升相对较低，再结合经济因素考虑，选用自然风冷式。 2.4 自耦变压器的选择

选择自耦变压器有许多好处，但是自耦变适用于两个电压级中性点都直接接地的系统中，而本站只有110KV是中性点直接接地系统，且其多用于220KV及以上变电所，发电机升压及联络变压器。它经小阻抗接地，短路电流大，造成设备选择困难和对通信线路的危险干扰，且考虑到现场维护等问题，故不采用自耦变压器。

2.5 变压器各侧电压的选择

作为电源侧，为保证向线路末端供电的电压质量，即保证在10%电压损耗的情况下，线路末端的电压应保证在额定值，所以，电源侧的主变电压按10%额定电压选择，而降压变压器作为末端，可按照额定电压选择。所以，对于110KV的变电站，考虑到要选择节能新型的，110KV侧应该选121KV, 10KV侧选10.5KV。

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2.6 全绝缘、半绝缘、绕组材料等问题的解决

在110KV中性点直接接地系统中，为减小单相接地时的短路电流，有一部分变压器的中性点采用不接地的方式，因而需要考虑中性点的绝缘保护问题。110KV侧采用分级绝缘的经济效益比较显著，并且选用与中性点绝缘等级相当的避雷器加以保护。10KV侧为中性点不直接接地系统中的变压器，其中性点都采用全绝缘。因此本次设计110KV侧采用分级绝缘，10KV侧采用全绝缘。 2.7 变压器容量的选择

1）只装一台主变压器的变电所

主变压器容量SN.T应满足全部用电设备总计算负荷S30的需求

SN.T?S30 （2-1）

2）装有两台变压器的变电所

每台变压器的容量SN.T应同时满足以下两个条件

I.任一台变压器单独运行时，易满足总计算负荷S30的大约60%~70%

即： S30?(60%~70%)S30 （2-2）

II.任一台变压器单独运行时，应满足全部一二级负荷的需求 即： S30?S30?? （2-3）

3）车间变电所主变压器的单台容量选择

车间变电所主变压器的单台容量一般不宜大于1000KVA，对装设在二层以上的电力变压器，应考虑其垂直与水平运输对通道及楼板载荷的影响。如果用干式变压器时，其容量不易大于630 KVA，对居住小区变电所内的油浸式变压器单台容量不易大于630 KVA。适应考虑负荷的发展，应考虑今后五到十年电力负荷的增长，留有一定的余地，干式变压器的过负荷能力较小，更易留有较大的裕量。变电站主变压器的台数和容量的最后确定，应结合主接线方案，经技术经济比较择优而定，根据以上对主变压器的分析，该变电站负荷大多为一二级负荷，主变压器选为两台主变。

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2.8 变压器型号及联接组别的选择 2.8.1 变压器型号选择

一般正常环境的变电所，可选用油浸式变压器，则优先选用SL9,S7,S9系列低损耗电力变压器，在多尘或有腐蚀性气体严重影响变压器安全运行的场所，先选用防尘或防腐型变压器，例如SL14等系列全密封式变压器，且有防震，防尘，防腐蚀的性能，并可与爆炸性气体相隔离。多雷地区以及土壤电阻率较高的山区，宜选用防雷型变压器。例如一些变压器，其二次绕组采用同一铁心，柱上的两半，绕组的两部分感应电动势正好相互抵消，因此不会在变压器低压侧线路上感应出危险的过电压，从而有利于防雷。供电电压偏低或电压波动严重，而用电设备对电压质量要求又较高的场所，可选用有载调压型变压器，如SZL7，SZ9等。 2.8.2 连接组别的选择

三相负荷基本平衡，其低压中性点电流不致超过额定电流25%，且供电系统中，谐波干扰不严重时，三相配电变压器的连接组可选用Yyn0。

当单相不平衡负荷引起的中性点电流超过变压器低压绕组额定电流25%时或供电系统中存在较大的谐波源，以及高次谐波比较突出时，三相配电变压器的联接组别宜选YN,d11。

综合考虑，本电站宜选用YN,d11型。

依据变电所所处市区的情况，变电所的电力负荷中含有大量的一级、二级负荷，基于对经济状况、占地面积及变电站位于负荷中心等诸多因素的考虑，选择两台主变电压器。按照规定，装有一台主变压器的变电站，当一台主变压器运行时，其余主变压器的容量应不小于60%的全部负荷，并且尽可能保证对一级、二级电力负荷不间断供电，即(n?1)Sn?0.6Sjs （这里的n代表变压器的台数，Sjs表示按远景负荷计算的最大综合负荷）

Sjs远景计算的公式为

Sjs?Kt(?Pimax)(1??%)） （2-4）

i?1COS?in其中Kt表示同时率；a%表示线损率；COS?i表示各功率因数；Pimax表示各出

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线最大负荷。

10KV侧近期总负荷功率

pimax)(1??%)i?1COS? ?0.85(1?5%)[0.8?0.4?1.5?1.2?2.5?3.5?0.4?1.3?1.5?1.2]

0.750.80.90.780.80.780.80.720.720.72?0.85(1.05?22.955)S?Kt(??20.49MV?An且

SN??SI??SII?0.8?70%?4?85%?1.5?80%?1.2?70%?2.5?80%?3.5?70%?0.4?60%?10.45MV?A?n?1?Sn?80%?S?0.8?20.49M?VA?16.392M?VA

10KV侧远景负荷总功率

Sjs?Kt(?pimax)(1??%)cos?i?11521.5340.51.521.511?0.85(1?5%)[???????????0.750.80.90.780.80.780.80.720.720.720.850.85?0.85(1?5%)?30.525?27.24MV?An 且

SN??SI??SII?1?70%?5?85%?2?80%?1.5?70%?3?80%?4?70%?0.5?60%?1?70%?1?70%?14.5MV?A同理可得：

?n?1?Sn?80%?S?0.8?30.525M?VA?24.42M?VA

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由以上分析计算可确定主变的容量为20M·VA

本变电站选择两台变压器。根据以上原则及计算数据，可确定本变电站主变压器如下：

电力变压器型号 SFL1-20000 /110 20000 121±2×2.5% 10.5 135 22 10.5 0.8 Y?,d11 额定容额定电压（KV） 量（KVA） 高压 低压 短路 空载 损耗（KW） 短路电压空载电流连接组别（%） （%） 号

表2-1 变压器的选择数据

综合各方面的选择，选用SFL1-20000/110系列的变压器，在损耗和重量上较有优势，并且生产商家众多，还有较大的选择性等。因此选择SFL1-20000/110型变压器为该变电站变压器。

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第3章电气主接线的设计

3.1 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。它与电力系统、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的影响。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，正确处理它们之间的关系，经过技术、经济比较，合理地选择主接线方案。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、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，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。

电气主接线的基本要求有：可靠性、灵活性、安全性、经济性

1）可靠性：根据用电负荷的等级，保证在各种运行方式下提高供电的连续性，力求可靠供电。

2）灵活性：主接线应力求简单、明显、没有多余的电气设备；投入或切除某些设备或线路的操作方便。

3）安全性：保证在进行一切操作的切换时工作人员和设备的安全，以及能在安全条件下进行维护检修工作。

4）经济性：应使主接线的初投资与运行费运达到经济合理 此外，变电站的主接线还必须满足以下基本要求：

1）根据发电厂变电站在电力系统中的地位，作用和用户性质,保证必要的供电可靠行和电能质量的要求；

2）应力求接线简单，运行灵活和操作方便，保证运行，维护和检修的安全和方便；

3）应尽量降低投资，节省运行费用；

我们在比较各种电气主接线的优劣时，主要考虑其可靠性、灵活性、经济性三个方面。我们可以遵循以下原则来满足其可靠性、灵活性及经济性。首先，在比较主接线可靠性的时候，应从以下几个方面考虑：

(1)断路器检修时，能否不影响供电；

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S? X1?0.7?100?0.127 550 S?? X8?0.55? T1 X6? T2 X7?100?0.04 135010.5?100?0.525

100?2010.5?100?0.525

100?20110.5?100???0.263 T X6、72100?20 L1 X23?0.4?39? L2 X4?0.4?17? L3 X5?0.4?20?100?14.15 10.52100?6.168 210.5100?7.256 210.5将X2、3、X4、X5组成的三角形转化为星形

19810116、7K2

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X9?X10?X11?X23X4?3.166X23?X4?X5X23X5?3.723

X23?X4?X5X4X5?1.633X23?X4?X5X1、X9串联得X12，X8、X10串联得X13，X11、X6、7串联得X14

121314K2

X12?3.293X13?3.763 X14?1.896X12、X13并联后与X14串联得X?

jX∑K2

X??X12X13?X14?3.646

X12?X13??1?1??j0.274IfjX?j3.64610KV侧短路电流为

10KV侧短路冲击电流 iM?2kM?If?0.697 （kM取1.8）

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母线残余电压的计算

??I?IS?f??I?IS??fX133.763??j0.274???j0.146

X12?X133.293?3.763X123.293??j5.556???j0.128X12?X133.293?3.769??1?jX?I??1?j0.127?(?j0.146)?0.981U 11S???1?jX?I??1?j0.04?(?j0.128)?0.995U28S??转化为有名值得

100?1.507(KA)3?10.5100iM?0.697??3.833(KA)

3?10.5U1?0.981?10.5?10.3005(KV)If?0.274?U2?0.995?10.5?10.4475(KV)

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附 录（III）

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第5章 线路保护

5.1 电力系统机电保护的作用

系统的设备和线路应有主保护和后备保护以及必要的辅助保护。 主保护——能快速并有选择地切除被保护区域内的故障。

后备保护——在主保护或断路器拒动时，切除故障。后备保护又分为近后备保护和远后备保护两种形式：

远后备保护是指当主保护或断路器拒动作时，由相邻设备或线路的保护实现后备。

近后备指当主保护拒动作时，由本设备或线路的另一套保护实现后备，当断路器拒动作时由断路器失灵保护实现后备。

辅助保护——当需要另外切除线路故障或消除方向功率死区时可采用由电流速断保护构成的辅助保护。

保护装置的装设原则：

1.当被保护元件发生短路或是破坏系统正常运行的情况，保护装置应动作于跳闸，当发生不正常动作时，保护装置应动作于信号。

2.为保障系统非故障部分的正常供电，保护装置应以足够小的动作时限去切除故障。

3.系统故障时保护装置应有选择性地动作于跳闸，在必须加速时，可无选择性地跳闸而由自动重合闸装置来纠正保护的无选择性动作。

4.满足要求上述第二条原则或用作后备保护时，保护装置容许带有一定的时限切除故障。

5.保护装置所用的继电器越少越好，并使其接线简单可靠。

6.保护装置电压回路断线时，如可能造成保护装置的误动作则应装设电压回路断线监视或闭锁装置。

7.在表示保护装置动作的出口上应装设信号继电器，以利于运行人员分析和统计保护的动作情况。

8.主保护装置除了完成主保护任务外，如有可能还应作为相邻元件的后备保护。

9.当保护装置因动作原理不能起相邻元件的后备保护作用时，应在所有或部分断路器上装设单独的后备保护。

10.为了起到相邻元件后备保护的作用而使保护装置复杂化，或不能达到完全

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的后备保护作用时，允许缩短后备范围。

11.在实际可能出现最不利的运行方式和故障类型下，保护装置应有足够的灵敏系数；

对反应电气量上升的保护装置：

灵敏系数?保护范围内发生金属性短路故障参数的最小计算值

保护装置的动作参数保护装置的动作参数

保护范围内发生金属性短路故障参数的最大计算值对反应电气量下降的保护装置：

灵敏系数?各种保护装置的灵敏系数应满足电力系统《继电保护和安全自动装置技术规程》（SDJ—83）的规定。

12.保护装置的灵敏性还应该与相邻设备或线路配合。

13.保护装置所用电流互感器在最不利的条件下其误差应小于10%。 它的基本任务是：

1）当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求(如保持电力系统的暂态稳定性等)。

2）反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同(例如有无经常值班人员)发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。

5.2 继电保护的基本要求

继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求：这四“性”之间紧密联系，既矛盾又统一。

1）可靠性是指保护该动作时应可靠动作，不该动作时应可靠不动作。可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。

2）选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护切除故障。为保证对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合

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要求的两元件（如启动与跳闸元件或闭锁与动作元件）的选择性，其灵敏系数及动作时间，在一般情况下应相互配合。

3）灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数，各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。继电保护的可靠性主要由配置合理、质量和技术性能优良的继电保护装置以及正常的运行维护和管理来保证。任何电力设备(线路、母线、变压器等)都不允许在无继电保护的状态下运行。220KV及以上电网的所有运行设备都必须由两套交、直流输入、输出回路相互独立，并分别控制不同断路器的继电保护装置进行保护。当任一套继电保护装置或任一组断路器拒绝动作时，能由另一套继电保护装置操作另一组断路器切除故障。在所有情况下，要求这套继电保护装置和断路器所取的直流电源都经由不同的熔断器供电。

4）速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。一般从装设速动保护(如高频保护、差动保护)、充分发挥零序接地瞬时段保护及相间速断保护的作用、减少继电器固有动作时间和断路器跳闸时间等方面入手来提高速动性。

5.3 向冶炼厂供电的母线短路的保护整定计算 5.3.1 电流速断保护

输电线路发生短路时，电流突然增大，电压降低。利用电流突然增大使保护动作而构成的保护装置，称为电流保护。利用电压降低构成的保护，称为电压保护。

电流保护分为瞬时电流保护（又称为第Ⅰ段电流保护）、限时电流速断保护（又称为第Ⅱ段电流保护）、定时限过电流保护（又称为第Ⅲ段保护）三段，所以电流保护又成为电流三段式保护。

（1）短路电流计算

)Ik(3?max?Es10.5??1360(A)Xs?min?X1l3(3.659?0.8)Es3310.5??1181(A)2Xs?max?X1l23(3.646?0.8)19

)Ik(?2min?

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（2）整定计算 Ⅰ段定值

?Iop?krel?Ik(3)?max?1.25?1360?1700(A)

lmin10.5???1?31?3Es3?3.646??13.09?3.646 ???X????s?max???0.4??0.4?2X1?2I1.7op??????lmin为负值，不能满足要求

5.3.2 距离保护

距离保护就是反映故障点子保护安装处之间的距离，并根据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置。当故障点距保护安装处越近时，保护装置感受的距离越短，保护的动作时限就越短；反之，当故障点距保护安装处越远时，保护装置感受的距离就越长，保护的动作时限就越长。这样，故障点总是由离故障点近的保护装置首先动作切除，从而保证了在任何形状的电网中，故障线路都能有选择性地被切除。

目前相间距离保护多采用阶段式保护，三段式距离保护（包括姐弟距离保护）的整定计算原则与三段式电流保护的计算原则基本相同。 相间距离保护的第Ⅰ段的整定

?Iop?krel?Z?0.8?0.45?2?0.72?/km

因为本线路已是末端，不存在与下一级线路配合的问题，因此不再考虑距离保护的Ⅱ段、Ⅲ段。

5.4 向纺织厂供电的母线短路的保护整定计算 5.4.1 电流速断保护

输电线路发生短路时，电流突然增大，电压降低。利用电流突然增大使保护动作而构成的保护装置，称为电流保护。利用电压降低构成的保护，称为电压保

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护。

电流保护分为瞬时电流保护（又称为第Ⅰ段电流保护）、限时电流速断保护（又称为第Ⅱ段电流保护）、定时限过电流保护（又称为第Ⅲ段保护）三段，所以电流保护又成为电流三段式保护。

（1）短路电流计算

)Ik(3?max?Es10.5??1423(A)Xs?min?X1l3(3.659?0.6)Es3310.5??1236(A)2Xs?max?X1l23(3.646?0.6)

)Ik(?2min?（2）整定计算 Ⅰ段定值

?Iop?krel?Ik(3)?max?1.25?1423?1778.75(A)lmin?1?3Es????Xs?max???X1?2Iop??10.5??1?33?3.646????0.4??21.77875???1??2.952?3.646?0.4

lmin为负值，不能满足要求

5.4.2 距离保护

距离保护就是反映故障点子保护安装处之间的距离，并根据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置。当故障点距保护安装处越近时，保护装置感受的距离越短，保护的动作时限就越短；反之，当故障点距保护安装处越远时，保护装置感受的距离就越长，保护的动作时限就越长。这样，故障点总是由离故障点近的保护装置首先动作切除，从而保证了在任何形状的电网中，故障线路都能有选择性地被切除。

目前相间距离保护多采用阶段式保护，三段式距离保护（包括姐弟距离保护）的整定计算原则与三段式电流保护的计算原则基本相同。

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相间距离保护的第Ⅰ段的整定

?Iop?krel?Z?0.8?0.45?1.5?0.54?/km

因为本线路已是末端，不存在与下一级线路配合的问题，因此不再考虑距离保护的Ⅱ段、Ⅲ段。

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第6章变压器保护

6.1 电力变压器的故障类型及其保护措施

变压器是电力系统中的重要电器设备之一。变压器故障对电力系统的影响是很大的，因此，对变压器应装设必要的保护装置，包括主保护和变压器后备保护。 变压器一般装设下列继电保护装置：

1.变压器油箱内部故障和油面下降的瓦斯保护。容量为800KV，A及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时作用于信号；当产生大量的瓦斯时，瓦斯保护应动作于断开变压器各电源侧断路器。容量为400KV，A及以上的车间内油浸式变压器，也应装设瓦斯保护。 瓦斯保护整定：

（1）一般气体继电器气体容积整定范围为250-300立方厘米，变压器容积在1000KVA以上时，一般正常整定为250立方厘米，气体容积整定值是利用调节重锤的位置来改变的。

（2）重瓦斯保护油流速度的整定

重瓦斯保护动作的油流速度整定范围为0.6-1.5m/s，再整定流速均导油管中的流速为准，而不依据继电器处的流速。

根据运行经验管中油流速整定为0.6-1.5m/s时，保护反映内部故障是相当灵敏的。但是，在变压器外部故障时，由于穿越性故障电流的影响，在导油管中油流速度约为0.4-0.5m/s。因此，为了防止穿越性故障时瓦斯保护误动作，可将油流速度整定在1m/s左右。

2.纵差动保护：

反映变压器绕组和引出线相间短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护。

a)容量为6300KVA以下的变压器，可装设电流速断保护作为变压器相间短路保护的主保护。

b)容量为6300KVA以上的变压器，应装设纵联差动保护作为变压器的主保护而以过电流保护作为其后备保护。

3.后备保护：

a)过电流保护，用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑短路时可能出现

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的过负荷。

b)复合电压（包括负序电压及线电压）启动的过电流保护。

c)负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护，用于6300KVA及以上的升压变压器。

当选择以上保护灵敏性、选择性不能满足要求时，可选择阻抗保护作后备保护。

d)接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护。110KV及以上中性直接接地电网中，如果变压器中性点接地运行，应装设反映外部接地短路的变压器零序电流保护。

4.过负荷保护

反映变压器过负荷的过负荷保护。 变压器电流速断保护:

对于2000-10000KVA及以下较小容量的变压器，可采用电流速断保护作变压器的主保护。电流速断保护装设在变压器的电源侧，当电网为中性点不直接接地系统时，电流速断保护按两相式接线；否则按三相式接线。为了提高保护对变压器高压侧因出线接地故障的灵敏系数，可采用两相三继电器式接线。

变压器纵联差动保护:

变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，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，使差动继电器中有不平衡电流流过，且这仪不平衡电流远比发电机及线路差动保护的大。因此，减小或消除不平衡电流对差动保护的影响是变压器差动保护中很重要的问题之一。

目前广泛采用的差动继电器如： 带短路先匝的BCH-2型差动继电器； 带磁制动特性的BCH-1型差动继电器； 多侧磁制动特性的BCH-4型差动继电器； 鉴别涌流间断角的差动继电器； 二次谐波制动的差动继电器。 变压器后备保护:

1.相间后备保护配置方式及接线。为防止变压器外部故障引起的过电流及作为变压器主保护的后备，变压器应装设后备保护。保护采用带低电压或不带低电压闭锁的过电流保护。如果灵敏度不够，可采用带复合电压闭锁的过电流保护。 （1）对于单侧电源的变压器。后备保护装设于电源侧，作为差动保护、瓦斯保护的后备或相邻元件的后备。

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（2）对于多侧电源的变压器，各侧均应装设后备保护。其作用为：作为变压器差动保护的后备，要求它动作后启动总出口继电器；作为各侧母线和线路的后备保护，要求它动作后跳开本侧的断路器；作为变压器断路器与其电流互感器之间死区故障的后备保护。

2、压器过负荷保护。由于变压器的过负荷一般是三相对称的，因此，过负荷保护只需接入一项电流，各侧的过负荷保护均经过同一时间继电器延时发出信号。

保护的安装地点应能够反应变压器所有绕组的过负荷情况，对于双绕组升压变压器，过负荷保护通常装设在低压侧。对于双绕组降压变压器，过负荷保护装设在高压侧。

6.2 纵联差动保护

nl2I1\I1'I1\ I?I?或??'?nB

nl1nl2nl1I1'2\2上式中nl1—高压侧电流互感器的变比；nl2—低压侧电流电流互感器的变比；

nB—变压器的变比（高低压侧额定电压之比）。

?1′

nl 1 nB nl 2 ?2′ I- I ?2′- ?2′′ ?2?1′′

′′

图6.1变压器纵联差动保护

I1'I1\I1\ ??\?nT(变压器变比）

nl1nl2I1所以这时Ir=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Ir不等于0 ，针对不平衡电流产生的原因

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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6.2纵联差动保护原理图

6.3瓦斯保护

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：250～300cm3,一般整定在250cm3 。重瓦斯按油流速度进行整定，整定范围为：0.6～1.5m/s,一般整定在1m/s 。瓦斯保护原理如图6.3所示。

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图6.3瓦斯保护原理示意图

6.4 变压器保护整定计算

变压器的纵联差动保护用来反映变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护。

纵联差动保护是按比较被保护的变压器两侧电流的大小和相位的原理是实现的。

变压器励磁涌流中含有大量的非周期分量，采用带加强型速饱和变流器的差动继电器，能更有效地躲开励磁涌流。实际中常用DCD-2型继电器构成变压器的差动保护。因此，本次设计也采用DCD-2型继电器构成变压器的纵联差动保护，其整定计算如下：

6.4.1 基本侧的确定

算出变压器的各侧额定电流，选用电流互感器的变比，确定二次回路额定电流，计算结果如表6-1。

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数值名称 变压器侧额定电流 电流互感器接线方式 电流互感器的计算变比 选用电流互感器的变比 二次回路额定电流 110KV 20000?95(?) 3?12110KV 20000?1100(?) 3?10.5Y △ 1100 3?95?165 300?60 5165?4.125 601500?300 51100?3.67 300

表6-1 变压器各侧额定电流的计算

由表6-1可以看出110KV侧的二次回路额定电流大于10KV侧，因此选用110KV侧为基本侧。

6.4.2 保护装置动作电流的确定

1）躲过变压器的励磁涌流，即

Iop?cal?krelI??1.3?4.125?5.3625(?) 2）躲开电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷电流，即

Iop?cal?krelIl?max?1.3?4.125?5.3625(?) 3）躲开外部短路时的最大不平衡电流，即

Iop?cal?krel?Iunb?max?1.3(ktsfer??U??fer)?1.3(0.1?1?0.05?0.05)?2789?725.14取上述最大值作为保护动作电流计算值，即Iop?cal?725.14(?)

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6.4.3 确定基本侧工作线圈匝数

Ww?cal?AW0

Iop?r?cal其中

Iop?r?cal?则

kconIop?caln???1?725.14?2.42(?) 300Ww?cal?60?24.79(匝） 2.42选用实际整定匝数Ww?set?24(匝）

在实际整定匝数下，110KV侧继电器的动作电流为

Iop?r?AW0?2.5(?) Ww?set29

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第7章 防雷设计

7.1 变电站的防雷保护

电力系统中的雷电过电压虽大多起源于架空线路，但因过电压波会沿着线路传播到变电所和发电厂，而且变电所和发电厂本身也有遭受雷击的可能性，因而电力系统的防雷保护包括了线路、变电站、发电厂等各个环节。

如果让雷电直接击中变电所设施的导电部分(例如母线),则出现的雷电过电压很高,一般都会引起绝缘的闪落或击穿,所以必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行防护,让变电所中需要保护的设备和设施均处于其保护范围之内.我国大多数变电所采用的是避雷针,但近年来国内外新建的500KV变电所也有一些采用的是避雷线.

按照安装方式的不同,可将避雷针分为独立避雷针和装设在配电装置构架上的避雷针(以后简称构架避雷针)两类.从经济观点出发,当然希望采用构架避雷针,因为它既能节省支座的钢材,又能省去专用的接地装置,但对绝缘水平不高的35KV以下的配电装置来说,雷击构架避雷针时很容易导致绝缘逆闪落(反击),这显然是不能容许.独立避雷针是指具有自己专用的支座和接地装置的避雷针,其接地电阻一般超过10欧。 我国规程规定:

（1）110KV及以上的配电装置,一般将避雷针装在构架上.但在土壤电阻率大于1000欧每米的地区,仍宜装设独立避雷针,以免发生反击;

（2）35KV及以下的配电装置应采用独立避雷针来保护;

（3）60KV的配电装置,在土壤电阻率大于500欧每米的地区宜采用独立避雷针,在土壤电阻率小于500欧每米的地区容许采用构架避雷针.

变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等.对于独立避雷针,则还有一个验算它对相邻配电装置构价及其接地装置的空气距离及地下距离的问题,因为雷击于独立避雷针上,但继而仍然反击到配电装置构架或在地下造成土壤击穿而与装置的接地装置连载一起,岂不有违选用独立避雷针的初衷?

如图7-2所示,当独立避雷针遭受雷击时,雷电流将在避雷针电感L和接地电阻R上造成压降,结果形成:

避雷针支座上高度为H处的对地电压(H为相邻配电装置构架的高度)

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u A =RI1+Loh (dI /dt ) (KV) （7-7） 接地装置上的对地电压：

uB =RI1 ( KV ) （7-8） 式中 RI1—独立避雷针的冲击接地电阻，?； Loh—避雷针单位高度的等值电感，μf / m

如果空气间隙的平均冲击击穿场强为E1（KV/m），为了防止避雷针对构架发生反击，其空气间距S1应满足下式要求：

S1≥UA/E1（m） （7-9）

与此相似，如果土壤的平均冲击击穿场强为E2（KV/m），为了防止避雷针接地装置与变电所接地网之间因土壤击穿而连在一起，其地下距离S2应满足下式要求： S2≥UB/E2（m） （7-10） 我国标准取雷电流 I 的幅值I=100KA， LO≈1.55μH/m， E1≈500KV/m；E2≈300KV/m， 平均波前陡度:

( dI / dt ) av ≈ 100/2.6

= 38.5KA/μS。 （7-11）

将以上取值代入式（5-7）-（5-9）中，并按实际运行经验进行校验后，我国标准最后推荐用下面两个公式校核独立避雷针的空间距离S1和地中距离S2： S1 ≥0.2RI + 0.1h （7-12） S2 ≥0.3RI （7-13） 在一般情况下，S1不应小于5m，S2不应小于3m。

7.2 避雷针保护范围的计算 7.2.1 单支避雷针

它的保护范围是一个以其本体为轴线的曲线圆锥体，像一座圆帐篷。它的侧面边界线实际上是曲线，但我国故一定建议近似地用折线来拟合，以简化计算。

设避雷针的高度为h(m),被保护的物体的高度为hx(m),则避雷针的有效高度为ha?h?hx，在hx高度上避雷针保护范围的半径rx由下式计算： 当hx?h/2时， rx?(h?hx)P

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