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1、南华大学电气工程学院课程设计1 前言 电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是各种形式的短路，它严重的危及设备的安全和系统的可靠运行。此外，电力系统还会出现各种不正常的运行状态，最常见的如过负荷等。在电力系统中，除了采取各项积极措施，尽可能地消除或减少发生故障的可能性以外，一旦发生故障，如果能够做到迅速地、有选择性地切除故障设备，就可以防止事故的扩大，迅速恢复非故障部分的正常运行，使故障设备免于继续遭受破坏。然而，要在极短的时间内发现故障和切除故障设备，只有借助于特别设置的继电保护装置才能实现。电力系统继电保护的基本作用是：在全系统范围内，按指定分区实时
2、地检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或报警等措施，以求最大限度地维持系统的稳定，保持供电的连续性，保障人身的安全，防止或减轻设备的损坏。继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信号量，当突变量到达一定值时，启动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。对电力系统继电保护的基本性能要求是有选择性、速动性、灵敏性、可靠性。这次课程设计以最常见的110kV电网线路保护设计为例进行分析设计，要求对整个电力系统及其自动化专业方面的课程有综合的了解。特别是对继电保护、电力系统、电路、发电厂的电气部分有一定的研究。重点进行了电路的化简，短路电流的求法，继电保护中电流保护
3、、距离保护的具体计算。2 设计资料分析与参数计算2.1 参数分析与计算本设计所用发电机参数如下：表2.1 发电机各项参数编号额定容量额定电压功率因数G1G350MW6.3kV 0.850.129本设计所用变压器参数如下：表2.2 变压器各项参数编号额定容量变比T1T360MW10.5%T420MVA10.5%基准值选取：， ，线路正、负、零序等值阻抗：，变压器等值阻抗：发电机等值阻抗：表2.3 电力系统设备参数表正负序阻抗（有名值）正负序阻抗（标幺值）零序阻抗（标幺值）160.1260.378240.1890.567200.1580.474200.1580.474120.0950.285290
4、.219323.140.17569.4310.5252.2 系统运行方式和变压器中性点接地方式的确定2.2.1 发电机、变压器运行变化限度的选择原则（1）发电厂有两台机组时，一般应考虑全停方式，即一台机组在检修中另一台机组又出现故障；当有三台以上机组时，则应选择其中两台容量较大机组同时停用的方式。（2）发电厂、变电站的母线上无论接有几台变压器，一般应考虑其中最大的一台停用。因变压器运行可靠性较高，检修与故障出现的几率很小。但对于发电机变压器组来说，应服从发电机的投停变化。2.2.2 中性点直接接地系统中变压器中性点接地的选择原则（1）发电厂及变电所低压侧有电源的变压器，中性点均应接地运行，以防
5、出现不接地系统的工频过电压状态。如事前确定不能接地运行，则应采取其他防止工频过电压的措施。（2）自耦型和有绝缘要求的其他型变压器，其中性点必须接地运行。（3）110kV一下的变压器，以不接地运行为宜。当T接变压器低压侧有源时，则应采取防止工频过电压的措施。（4）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。综上所述，本次设计中变压器T1-T3均应中性点接地，T4中性点不接地。2.2.3 线路运行变化限度的选择（1）母线上有多条线路，一般应考虑一条线路检修，另一条线路又遇故障的方式。（2）双回线一般不考虑同时停用。（3）相隔一个厂、站的线路必要时，可考虑与
6、上述（1）的条件重叠。2.2.4 流过线路的最大、最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下，即选择所有机组、变压器、线路全部投入运行的方式。而最小短路电流，则出现在最小运行方式下。对于双侧电源的网络，一般（当取时）与对侧电源的运行变化无关，可按单侧电源的方法选择。对于环状网络中的线路，流过保护的最大短路电流应选开环运行方式，开环点应选在所整定保护线路的相邻下一级线路上。而对于最小短路电流，则应选闭环运行方式。同时，再合理地停用该保护背后的机组、变压器及线路。（2）零序电流保护 对于单侧电源的辐射网络，流过保护的最大零序电流与最小
7、零序电流，其选择方法可参照（1）中所述。只是要注意变压器接线点的变化。对于双侧电源的网路及环状网路，同样参照（1）中所述。其重点也是考虑变压器接线点的变化。2.2.5 流过保护最大负荷电流的方法按负荷电流整定的保护，需要考虑各种运行方式变化时出现的最大负荷电流考虑到以下的运行变化：备用电源自投引起的负荷增加；并联运行线路的减少，负荷转移；环状网路的开环运行，负荷转移；对于双侧电源的线路，当一侧电源突切除发电机，引起另一侧负荷增加。3 线路保护的配置3.1 线路保护配置的一般原则在110-220kV中性点直接接地电网中，线路的相间短路保护及单相接地保护均应动作于断路器跳闸。在下列情况下，应装设全
8、线任何部分短路时均能速动的保护：（1）根据系统稳定要求有必要时；（2）线路发生三相短路，使厂用电或重要用户母线电压低于60%额定电压，且其保护不能无时限和有选择地切除短路时；（3）如某些线路采用全线速动保护能显著简化电力系统保护，并提高保护的选择性、灵敏性和速动性。在110-220kV中性点直接接地电网中，线路的保护以以下原则配置：（1）对于相间短路，单侧电源单回线路，可装设三相多段式电流电压保护作为相间短路保护。如不满足灵敏度要求，应装设多段式距离保护。双电源单回线路，可装设多段式距离保护，如不能满足灵敏度和速动性的要求时，则应加装高频保护作为主保护，把多段式距离保护作为后备保护。（2）对于
9、接地短路，可装设带方向性或不带方向性的多段式零序电流保护，在终端线路，保护段数可适当减少。对环网或电网中某些短线路，宜采用多段式接地距离保护，有利于提高保护的选择性及缩短切除故障时间。（3）对于平行线路的相间短路，一般可装设横差动电流方向保护或电流平衡保护作主保护。当灵敏度或速动性不能满足要求时，应在每一回线路上装设高频保护作为主保护。装设带方向或不带方向元件的多段式电流保护或距离保护作为后备保护，并作为单回线运行的主保护和后备保护。（4）对于平行线路的接地短路，一般可装设零序电流横差动保护作为主保护；装设接于每一回线路的带方向或不带方向元件的多段式零序电流保护作为后备保护。（5）对于电缆线路
10、或电缆与架空线路混合的线路，应装设过负荷保护。过负荷保护一般动作于信号，必要时可动作于跳闸。3.2 接地故障采取的措施电力系统中采用的中性点接地方式，通常有中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地和中性点不接地三种。一般110kV及以上电压等级的电网均采用中性点直接接地方式，称为大接地电流系统。110kV以下电压等级的电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，称为小接地电流系统。大接地电流系统中发生单相接地短路时，故障相流过的短路电流较大，对设备造成的危害较大，继电保护必须通过断路器切除故障。小接地电流系统中发生单相接地时，因不能形成短路电流的通道，不会产生大的电流，设备允许继续运行。因此，不要求
11、继电保护快速动作切除故障。但是，由于单相接地后，完好相对地电压升高，往往造成设备绝缘击穿故障扩大。因此，继电保护必须及时发现单相接地故障，发出信号，使运行人员采取措施消除故障。3.2.1 几种接地故障的特征（1）当发生一相（如A相）不完全接地时，即通过高电阻或电弧接地。这时故障相的电压降低，非故障相的电压升高，它们大于相电压，但达不到线电压。电压互感器开口三角处的电压达到整定值，电压继电器动作，发出接地信号。（2）如果发生A相完全接地，则故障相的电压降为0，非故障相的电压升高到线电压。此时电压互感器开口三角处出现100V电压，电压继电器动作，发出接地信号。（3）电压互感器高压测出现一相（如A相
12、）断线或熔断器熔断，此时故障相的指示不为0，这是由于此相电压表在二次回路中经互感器线圈和其他两相电压表形成串联回路，出现比较小的电压指示，但不是该相实际电压，非故障相仍为相电压。互感器开口三角处会出现35V左右电压值，并启动继电器动作，发出接地信号。（4）由于系统中存在容性和感性参数的元件，特别是带有铁芯的铁磁电感元件，在参数组合不匹配时会引起铁磁谐振，并且继电器动作，发出接地信号。（5）空载母线虚假接地现象。在母线空载运行时，也可能会出现三相电压不平衡，并且发出接地信号。但当送上一条线路后接地现象会自行消失。3.2.2 单相接地故障的处理(1)处理接地故障的步骤发生单相接地故障后，值班人员应
13、马上复归音响，作好报告当值调度和有关负责人员，并按当值调度员的命令寻找接地故障，但具体查找方法由现场值班员自己选择。详细检查所内电气设备有无明显的故障迹象，如果不能找出故障点，再进行线路接地的寻找。将母线分段运行，并列运行的变压器分列运行，以判定单相接地区域。再拉开母线无功补偿电容器断路器以及空载线路。对多电源线路，应采取转移负荷，改变供电方式来寻找接地故障点。采用一拉一合的方式进行试拉寻早故障点，当拉开某线路断路器接地现象消失，便可判断它为故障线路，并马上汇报当值调度员听候处理，同时对故障线路的断路器、隔离开关、穿墙套管等设备做进一步检查。（2）处理接地故障的要求寻找和处理单相接地故障时，应
14、作好安全措施，保证人身安全。当设备发生接地时，室内不得接近故障点4m以内，室外不得接近故障点8m以内，进入上述范围的工作人员必须穿绝缘靴，戴绝缘手套，使用专用工具。为了减少停电的范围和负面影响，在寻找单相接地故障时，应先试拉线路长、分支多、历次故障多和负荷轻以及用电性质次要的线路，然后试拉线路短、负荷重、分支少、用电性质重要的线路。双电源用户可先倒换电源再试拉，专用线路应先行通知。若有关人员汇报某条线路上有故障迹象时，可先试拉这条线路。若电压互感器高压熔断器熔断，不得用普通熔断器代替。必须用额定电流为0.5A装填有石英砂的瓷套管熔断器，这种熔断器有良好的灭弧性能和较大的断流容量，具有限制短路电
15、流的作用。3.3 相间短路所采取的措施3.3.1 继电器（1）电磁型继电器电磁型继电器在35kV及以下电网的电力线路和电气设备继电保护装置中大量地被采用，电流继电器是实现电流保护的基本元件。电磁型继电器基本结构型式有螺管线圈式、吸引衔铁式和转动舌片式三种。（2）晶体管继电器晶体管型继电器的功能是有晶体管开关电路完成的。晶体管电流继电器由电压形成回路电流变换器TA将输入电流变换成与之成正比的电压；整流比较回路及执行回路单稳态触发器构成。晶体管型时间继电器由两个三极管及阻容延时电流组成。3.3.2 电流互感器TA电流互感器的作用是将高压设备中的额定大电流变换成5A或1A的小电流，以便继电保护装置或仪表用于测量电流。电流互感器又铁芯及绕组组成。电流互感器将高压回路中的电流变换为低压回路中的小电流，并将高压回路与低压回路隔离，使他们之间不存在电的直接关系。额定的情况下，电流互感器的二次侧电流取为5A，这样可使继电保护装置和其他二次回路
