电力系统继电保护课程设计

电力系统继电保护课程设计第1页共34页前言《电力系统继电保护》作为电气工程及其自动化专业的一门主要课程,主要包括课堂讲学、课程设计等几个主要部分。在完成了理论的学习的基础上，为了进一步加深对理论知识的理解，本专业特安排了本次课程设计。电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他形式的能量。在输送电能的过程中,电力系统希望线路有比较好的可靠性,因此在电力系统受到外界干扰时,保护线路的各种继电装置应该有比较可靠的、及时的保护动作,从而切断故障点极大限度的降低电力系统供电范围。电力系统继电保护就是为达到这个目的而设置的。本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。其中短路电流的计算和电气设备的选择是本设计的重点。通过此次线路保护的设计可以巩固我们本学期所学的《电力系统继电保护》这一课程的理论知识，能提高我们提出问题、思考问题、解决问题的能力。电力系统继电保护课程设计第2页共34页1所做设计要求1.1电网接线图××××cosφ=0.85X〃＝0.129X〃＝0.132cosφ=0.85cosφ=0.8cosφ=0.8cosφ=0.8图示110kV单电源环形网络：（将AB线路长度改为45km,CD长度改为20km）（1)所有变压器和母线装有纵联差动保护，变压器均为Ｙn，d11接线；（2）发电厂的最大发电容量为（2×25+50）ＭＷ，最小发电容量为2×25ＭＷ；（3）网络的正常运行方式为发电厂发电容量最大且闭环运行；（4）允许的最大故障切除时间为0.85s；（5)线路AC、BC、AB、CD的最大负荷电流分别为250、150、230和140Ａ，负荷自起动系数5.1ssK；（6）时间阶梯△t＝0.5s；（7）线路正序电抗每公里为0.4Ω；1.2任务1、kI计算结果，计算结果用表格列出。必须说明系统运行方式、短路点与短路类型的决定原则或依据，以及计算时考虑的其他因素。2、保护方式的选择及整定计算结果1.3要求要求说明选用保护方式的原则，各保护的整定计算条件，并用表格列出整定计算结果。整定计算时所采用的公式及各种系数的数值也应列出。电力系统继电保护课程设计第3页共34页2运行方式的选择2.1运行方式的选择原则2.1.1发电机、变压器运行方式选择的原则(1)一个发电厂有两台机组时，一般应考虑全停方式，一台检修，另一台故障；当有三台以上机组时，则选择其中两台容量较大机组同时停用的方式。对水电厂，还应根据水库运行方式选择。(2)一个发电厂、变电站的母线上无论接几台变压器，一般应考虑其中容量最大的一台停用。2.1.2变压器中性点接地选择原则(1)发电厂、变电所低压侧有电源的变压器，中性点均要接地。(2)自耦型和有绝缘要求的其它变压器，其中性点必须接地。(3)T接于线路上的变压器，以不接地运行为宜。(4)为防止操作过电压，在操作时应临时将变压器中性点接地，操作完毕后再断开，这种情况不按接地运行考虑。2.1.3线路运行方式选择原则(1)一个发电厂、变电站线线上接有多条线路，一般考虑选择一条线路检修，另一条线路又故障的方式。(2)双回路一般不考虑同时停用。2.1.4流过保护的最大、电小短路电流计算方式的选择(1)相间保护对单侧电源的辐射形网络，流过保护的最大短路电流出现在最大运行方式；而最小短路电流，则出现在最小运行方式。对于双电源的网络，一般（当取Z1=Z2时）与对侧电源的运行方式无关，可按单侧电源的方法选择。对于环状网络中的线路，流过保护的电大短路电流应选取开环运行方式，开环点应选在所整定保护线路的相邻下一线线路上。而对于电小短路电流，则应选闭环运行方式，同时再合理停用该保护背后的机组、变压器及线路。电力系统继电保护课程设计第4页共34页(2)零序电流保护对于单侧电源的辐射形网络，流过保护的最大零序短路电流与最小零序电流，其选择方法可参照相间短路中所述，只需注意变压器接地点的变化。对于双电源的网络及环状网，同样参照相间短路中所述，其重点也是考虑变压器接地点的变化。2.1.5选取流过保护的最大负荷电流的原则选取流过保护的最大负荷电流的原则如下：(1)备用电源自动投入引起的增加负荷。(2)并联运行线路的减少，负荷的转移。(3)环状网络的开环运行，负荷的转移。(4)对于双侧电源的线路，当一侧电源突然切除发电机，引起另一侧增加负荷。2.2本次设计的具体运行方式的选择电力系统运行方式的变化，直接影响保护的性能。因此，在对继电保护进行整定计弊之前，首先应该分析运行方式。这里要着重说明继电保护的最大运行方式是指电网在某种连接情况下通过保护的电流值最大，继电保护的最小运行方式是指电网在某种连接情况下通过保护的电流值最小。因此，系统的最大运行方式不一定就是保护的最大运行方式；系统的最小运行方式也不一定就是保护的最小运行方式。现结合本次设计具体说明如下，系统的最大运行方式是所有设备全部投入运行；系统的最小运行方式为发电机G1和G2投入，发电机G3停运。对保护1而言，其最大运行方式应该是在系统最大运行方式下线路L1回路断开，其他设备全投；保护1的最小运行方式应该是：在系统的最小运行方式下线路L1+L2与L3并联运行。3电网各个元件参数计算及负荷电流计算3.1基准值选择基准功率：SB=100MV·A，基准电压：VB=115V。基准电流：IB=SB/1.732VB=100×103/1.732×115=0.502KA；基准电抗：ZB=VB/1.732IB=115×103/1.732×电力系统继电保护课程设计第5页共34页502=132.25Ω；电压标幺值：E=E(2)=1.053.2电网各元件等值电抗计算3.2.1输电线路等值电抗计算(1)线路L1等值电抗计算正序以及负序电抗：XL1=X1L1=0.4×50=20ΩXL1*=XL1/ZB=20/132.25=0.1512零序电抗：XL10=X0L1=3X1L1=3×0.4×50=60ΩXL10*=XL10/ZB=60/132.25=0.4537(2)线路L2等值电抗计算正序以及负序电抗：XL2=X1L2=0.4×40=16ΩXL2*=XL2/ZB=16/132.25=0.121零序电抗：XL20=X0L2=3X1L2=3×0.4×40=48ΩXL20*=XL20/ZB=48/132.25=0.363(3)线路L3等值电抗计算正序以及负序电抗：XL3=X1L3=0.4×90=36ΩXL3*=XL3/ZB=36/132.25=0.2722零序电抗：XL30=X0L3=3X1L3=3×0.4×90=108ΩXL30*=XL30/ZB=108/132.25=0.8166(4)线路L4等值电抗计算正序以及负序电抗：XL4=X1L4=0.4×25=10ΩXL4*=XL4/ZB=10/132.25=0.0756零序电抗：XL40=X0L4=3X1L4=3×0.4×25=30ΩXL40*=XL40/ZB=30/132.25=0.22683.2.2变压器等值电抗计算(1)变压器T1、T2等值电抗计算XT1=XT2=(UK%/100)×(VN2×103/SN)≈40.333ΩXT1*=XT2*=XT1/ZB=40.333/132.25=0.3050电力系统继电保护课程设计第6页共34页(3)变压器T4、、T6、等值电抗计算XT4==XT6==(UK%/100)×(VN2×103/SN)≈63.5ΩXT6*=XT7*=XT4*=XT5*=0.48023.2.3发电机等值电抗计算(1)发电机G1、G2电抗标幺值计算XG1*=XG2*=Xd1SB/SG1=Xd1SBCOSφ/PG1=0.132×100×0.8/25=0.4224(2)发电机G3电抗标幺值计算XG3*=Xd3SB/SG3=Xd3SBCOSφ/PG3=0.129×100×0.8/50=0.20643.2.4最大负荷电流计算(1)B、C母线最大负荷电流计算最大负荷电流计算(拆算到110KV)IfhB·max=IfhC·max=PfhBmaxVav2/1.732UCOSφ=20×103/1.732×115×0.8≈0.1255KA；3.2.5各线路运行方式下流过断路器的最大负荷电流(2)保护2的最大运行方式：发电机Fl、P2、F3全投入，断开L3回路；通过保护2最大负荷电流为AIfh34179131131max。保护2的最小运行方式；F3停，线路全部运行。(3)保护4的最大运行方式：Fl、F2、F3全投，继开线路L3；通过保护4的最大负荷电流为AIfh21079131max。保护4的最小运行方式：F3停，线路全部运行。(6)保护6因正常运行时不可能有正向电流通过，要是有正向电流通过，一定是线路发生故障。为此，在保护3和保护7上只需判别电流(功率)的方向即可，故不用分析保护3和保护6的运行方式。4短路电流计算4.1电网等效电路图由于短路电流计算是电网继电保护配置设计的基础,因此分别考虑最大运行方式(三台发电机全部投入,系统环网取开网运行)时各线路未端短路的情况,最小运行方下(三台中最小的一台投入,系统按环网计算)时各线路未端短路的情况。电网等效电路图如图3.1所示电力系统继电保护课程设计第7页共34页图3.1电网等效电路图4.2短路电流计算4.2.1d1点发生短路时流过断路1(1)d1点短路最大运行方式下等值图如图3.2.1(a)XG1XG2XG3XT1XT2XT3XL1XL2XL3G1G2G33.2.1(a)d1点短路时最大运行方式下的等值电路图进一步简化后得图3.2.1(b)XGT3XLG3XGTG123.2.1(b)简化图XGT=(XG1+XT1)×(XG2+XT2)/(XG1+XT1+XG2+XT2)=0.3637XGT3=XG3+XT3=0.2064+0.1601=0.3665XL=XL1+XL2+XL3=0.1512+0.121+0.2722=0.5444XdTXLG图3.2.1(b)正序短路电路图其中：XdT=XGT×XGT3/(XGT+XGT3)=0.3637×0.3665/(0.3637+0.3665)=0.18255电力系统继电保护课程设计第8页共34页Xff1=XdT+XL=0.18255+0.5444=0.72695Id1·max*=E/Xff1=1.05/0.72695≈1.4444Id1·max=Id1·max*IB=1.4444×0.502≈0.725KA(2)最小运行方式两相短路正序短路电流Xff1=Xd1+XT1＋XL=0.4224+0.3050+0.5444=1.2718Xff1(2)(2)=Xff1Ifa(1)(2)=Vf(0)/(Xff1＋Xff1(2)(2))=Vf(0)/2Xff1=1.05/2×1.2718=0.4128If(2)*=1.732Ifa(1)(2)=1.732×0.4128=0.7150If(2)=If(2)*IB=0.7150×0.502=0.3589KA(3)最大运行方式两相短路零序短路电流.XL1(0)XL2(0)XL4(0)XL3(0)XT(0)XTB(0)XTC(0)XT(8)E(0)图3.2.1(c)零序短路电路图XTT(0)=XT1(0)/2=0.1525XT(0)=0.1525×0.1601/(0.1525+0.0.1601)=0.0781XTBL(0)=(0.4536+0.0781)×0.2401/(0.4536+0.0781+0.2401)=0.167XTL(0)=(0.2268+0.6405)×0.2401/(0.2268+0.6405+0.2401)=0.188XTLB(0)=(0.363+0.167)×0.188/(0.363+0.167+0.188)=0.1388Xff1(0)=XL3