220KV中性点直接接地电网继电保护设计解析.docx
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1、摘要在电力系统中,电力系统中性点的接地方式一般是指供电或者配电端电力变压器中 性点的接地方式,接地方式的选择直接影响到电力运行的安全性,稳定性和经济性.随着 电力科学技术的不断发展和我国电网结构的日趋复杂,出现了许多新型的接地技术以及 新的接地标准.。本设计对220KV电网进行了继电保护和自动装置整定计算,根据本在 满足继电保护“四性”要求的前提下,求得最佳方案,电网的特点和运行要求分别配置 了零序、距离、高频以及横差保护,最后对全套保护进行了评价.1概述在我国中压电网的供电系统中,大部分为小电流接地系统(即中性点不接地或经消 弧线圈或电阻接地系统)。我国采用经消弧线圈接地方式已运行多年,但近
2、几年有部分 区域采用中性点经小电阻接地方式,为此对这两种接地方式作以分析,对于中性点不接 地系统,因其是一种过度形式,其随着电网的发展最终将发展到上述两种方式。1.1中性点经小电阻接地方式世界上以美国为主的部分国家采用中性点经小电阻接地方式,原因是美国在历史上 过高的估计了弧光接地过电压的危害性,而采用此种方式,用以泄放线路上的过剩电荷, 来限制此种过电压。中性点经小电阻接地方式中,一般选择电阻的值较小。在系统单相 接地时,控制流过接地点的电流在500A左右,也有的控制在100A左右,通过流过接地 点的电流来启动零序保护动作,切除故障线路。其优缺点是:(1)系统单相接地时,健全相电压不升高或升
3、幅较小,对设备绝缘等级要求较低, 其耐压水平可以按相电压来选择。(2)接地时,由于流过故障线路的电流较大,零序过 流保护有较好的灵敏度,可以比较容易检除接地线路。(3)由于接地点的电流较大,当 零序保护动作不及时或拒动时,将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害,导致相间故 障发生。(4)当发生单相接地故障时,无论是永久性的还是非永久性的,均作用与跳闸, 使线路的跳闸次数大大增加,严重影响了用户的正常供电,使其供电的可靠性下降。1.2大电流接地我国220kV及以上电网一般采用大电流接地方式,即中性点直接接地方式,中性点 电位固定为地电位,发生单相接地故障时,通过大地形成回路,就形成单相短路.发生单
4、相故障时非故障相电压不会升太高,暂态过电压水平也较低,故障电流很大, 继电保护能迅速动作于跳闸,切除故障,系统设备承受过电压时间较短.大电流接地系 统系统产生的内过电压最低,因此,大电流接地系统可使整个系统设备绝缘水平降低,从 而大幅降低造价。但是大电流接地系统在发生单相接地时所产生的大电流对通讯系统的 干扰影响很大,当电力线路与通讯线路平行走向时,由于耦合产生感应电压,会对通讯 造成干扰。1.3小电流接地635kV配电网一般采用小电流接地方式,即中性点非直接接地方式。中性点非直接 接地方式主要可分为以下三种:不接地、经消弧线圈接地及经电阻接地.1.4中性点不接地方式适用于单相接地故障电容电流
5、低于10A以下的线路,以架空线路为主,尤其是农村 10kV配电网,此类型电网瞬间单相接地故障率占60%70%.发生单相接地故障时故障相电流仅为电容电流且小于10A.因此当发生单相接地故障时 故障点电弧可以自熄,线路不跳闸,只报异常信号,可带故障运行一段时间,以保证供电 连续性.且对通讯的干扰也比较小.发生单相接地故障时非故障相电压升高至线电压.因此对电气设备绝缘要求较高,一般 都按线电压等级设计.在电容电流大于10A的情况下,极容易产生过电压等级相当高的间 歇性弧光接地过电压,且持续时间较长,危及网内绝缘薄弱设备,继而引发两相接地故 障,引起停电事故.中性点经电阻接地适于瞬间性单相接地故障较少
6、的电力电缆线路。 该电阻与系统对地电容构成并联回路,由于电阻是耗能元件,也是电容电荷释放元件和 谐振的阻压元件,对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压,有一定优越性。中性点 经电阻接地的方式有高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地等三种方式.1.5中性点经电阻接地运行方式的特点:降低操作过电压,中性点经电阻接地的配网发生单相接地故障时,零序保护动作,可准确判断并快速 切断故障线路;可有效降低工频过电压,单相接地故障时非故障相电压不升高,对设备 绝缘等级要求较低,其耐压水平可以按相电压来选择;当发生单相接地故障时,无论是 永久性的还是非永久性的,均作用与跳闸,使线路的跳闸次数大大增加,严重影响了用
7、户的正常供电,使其供电的可靠性下降;有效地限制弧光接地过电压,当电弧熄灭后,系统对地电容中的残余电荷将通过接 地电阻泄放掉,下次电弧重燃时,不会叠加形成过电压;可有效消除系统内谐振过电压, 中性点电阻接地相当于在谐振回路中并接阻尼电阻,试验表明,只要中性点电阻1500 Q,就可以消除各种谐振过电压,电阻越小,消除谐振的效果越好;对电容电流变化的 适用范围较大,简单、可靠、经济。中性点经消弧线圈接地.适用于单相接地故障电容 电流大于10A,瞬间性单相接地故障较多的架空线路为主的配电网。其特点为:利用消 弧线圈的感性电流补偿接地点流过的电网容性电流,使故障电流10A,电弧自熄,熄弧 后故障点绝缘自
8、行恢复;减少系统弧光接地过电压的概率;线路发生单相接地时,可不 立即跳闸,按规程规定电网可带单相接地故障运行2小时;消弧线圈无法补偿谐波电流,在某些谐波电流所占比重较大的场所中,消弧线圈很 难起到作用;当系统发生接地时,由于接地点残流很小,且根据规程要求消弧线圈必须 处于过补偿状态,接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同,故零序过流、零序 方向保护无法检测出已接地的故障线路;目前运行的消弧线圈大多为手动调匝的结构, 必须在退出运行才能调整,也没有在线实时检测电网单相接地电容电流的设备,故在运 行中不能根据电网电容电流的变化及时进行调节,所以不能很好的起到补偿作用,仍出 现弧光不能自灭及过电
9、压问题.国内运行的消弧线圈分手动调节和自动跟踪补偿两类:前一种手动调节时,消弧线圈需 退出运行,且人为估算电容电流值,误差较大,现已较少使用;后一种是微机控制消弧 装置人工调谐的消弧线圈,因不能随着电网的运行实时调整补偿量,这样就不能保证电网始 终处于过补偿状态,甚至导致系统谐振,并难以将故障发生时入地电流限制到最小。 我国研制微机自动跟踪消弧装置始于80年代,现已不断完善形成系列产品,并配套接 地自动选线环节,有效的解决了中性点经消弧线圈接地方式的电网,长期难以解决的技 术问题。该装置的Z型结构接地变压器,具有零序阻抗小,损耗低,并可带二次负荷, 其可调电抗器为无级连续可调铁芯全气隙结构,具
10、有调节特性好、线性度高、噪声低等 特点,装置采用消弧线圈串电阻接地方式,以抑制消弧线圈导致谐振的问题,其微机控 制单元是实现自动跟踪检测、调节、选线的核心,系统的响应时间小于20 s,由过补、 欠补、最小残流三种运行方式。2.220kv中性点直接接地电网的继电保护设计2.1线路继电保护配置保护方式的选择对电力系统的安全运行有直接的影响。选择保护方式时,在满足继 电保护“四性”要求的前提下,应力求采用简单的保护装置来达到系统提出的要求,只 有当简单的保护不能满足要求时,才采用较复杂的保护。对110220kV中性点直接接地电网中的线路,应装置反应接地短路和相间短路的 保护。电力设备和线路的短路保护
11、应有主保护和后备保护,必要时可再增设辅助保护。在110220kV中性点直接接地的电网中,线路的相间短路保护及单相接地短路保 护均应动作于断路器使其跳闸。220kV线路则宜采用近后备方式,如能实现远后备方式时,则宜采用远后备方式或 同时采用远、近后备结合的方式。220kV线路的保护可按以下原则配置。对于单侧电源单回路线路,可装设三相多段式电流电压保护作为相间短路的保护。 但若不能满足灵敏度要求,则应装设多段式距离保护。对于接地短路,宜装设带方向性元件或不带方向性元件的多段式零序电流保护,对 某些线路,若装设带方向性接地距离保护可以明显改善整个电力系统接地保护性能时, 可装设接地距离保护,并辅之以
12、多段式零序电流保护。对于双电源单回路线路,可装设多段式距离保护,若不能满足灵敏度和速动性要求 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。在正常运行方式下,若保护安装处短路且无时限电流速断保护装置能够动作时,可 装设此种保护作为辅助保护。选择220kV线路保护时作了如下考虑:由于本系统允许切除故障的时间为0.ls,为 保证系统运行稳定,当220kV输电线路任何地点发生短路故障时,继电保护切除故障线 路的时间都必须小于0.ls,因而,凡是不能在0.ls内切除全线路故障的保护装置都不 宜作为主保护。基于这种考虑,对双电源供电的单回路线路和环网内的线路,宜采用高 频保护作为主保护。
13、具体而言,环网内的线路AB、AE、BE,双电源供电线路的CD线、 DE线、EF线、FG线、GH线均采用高频保护作为主保护。后备保护采用距离保护作为相 间短路保护,零序电流保护作为接地短路保护,对单侧电源的辐射线路HI线可按线路- 变压器组考虑,从而可以采用较简单的保护,因此.对线路扣可选用距离保护作为相间 短路保护,零序电流保护作为接地短路保护。2.2自动重合闸的配置在电力系统的故障中,大多数是送电线路(特别是架空线路)的故障。架空线路故 障大都是“瞬时性”的,在线路被断开以后再进行一次合闸能大大提高供电的可靠性。 为此,在电力系统中采用了自动重合闸。即当断路器跳闸以后,这种装置能够自动地将
14、断路器重新合闸。自动重合闸装置应按下列规定装设: 在lkV及以上的架空线路和电缆与架空的混合线路中,当具有断路器时,应装设 自动重合闸装置; 旁路断路器和兼作旁路的母线联络断路器或分段断路器,宜装设自动重合闸装 置; 低压侧不带电源的降压变压器,应装设自动重合闸装置; 必要时母线可装设自动重合闸装置。各种自动重合闸装置中,综合重合闸为较先进的一种。本设计采用微机保护装置, 系统中所有线路均装设综合重合闸。线路配置:主保护采用方向高频;后备保护一一距离保护作为相间短路保护,零序 电流保护作为接地短路保护。2.3微机保护装置简介本系统采用WXB-15型微机高压线路保护装置。WXB-15型系列装置是
15、使用硬件实现的成套微机高压线路保护装置,适用于110kV500kV 各电压等级的输电线路。主保护为快速方向高频保护。WXB-15型微机方向高频保护的推 出,为同一回路配置相同硬件不同原理的双套主保护提供了可能。a. 本装置硬件特点 采用了多单片机并行工作的硬件结构,装置设置了四个硬件完全相同的CPU插件,每 个插件独立完成一种保护功能。 采用电压一频率转换原理构成的模数转换器,它具有工作稳定、精度高、接口简单和 调试方便等优点。 跳闸出口回路采用三取二方式,提高了整套保护装置的可靠性。 采用液晶显示、菜单操作、使人一机对话更加简单、灵活。 具有RS232接口,可将全站微机保护就地联网。保护配置
16、示意图如表1所示。CPUCPU1CPU2CPU3保护高频高频高频方向相间接地零序功能广、距离零序负序高频距离距离综重CPU4型号WXB-15WXB-15A表1保护配置示意图b. 各种保护配置及其特点 快速方向高频保护它是由突变量方向元件、零序和负序方向元件完成的快速方向高频保护构成WXB-15系 列微机保护装置的主保护,由CPU实现保护功能,可选用允许式或闭锁式。突变量方向 元件具有明确的方向性且动作迅速。 距离保护它是由三段式相间距离和接地距离构成的距离保护作为各套保护的基本配置,由CPU, 实现。用于切除出口短路故障的快速I段的距离元件动作时间不大于11ms,当系统发生 第一次故障时,采用
17、电压记忆保证方向性。若在振荡期间发生故障,刚采用负序方向元 件把关,仅在出口完全三相对称短路时采用偏移特性。阻抗特性采用四边形特性。 零序保护零序保护由CPU实现,由四段全相运行时的零序保护和两段非全相运行时的不灵敏段零 序保护构成。装置设置了 3U0零序保护突变量闭锁元件,以防止CT断线时零序保护误动。 综合重合闸综合重合闸由CPU.实现,设有单重、三笪、综重和停用四种方式,装置还设有M、N、P 端子,以供外部不能选相的保护经本装置综重的选相元件选相跳闸。本装置各套保护均设有独立的选相元件,由相电流差突变量选相元件及阻抗选相元件来 实现。综重的选相元件仅供外部无选相能力的保护经本装置出口处时
18、使用。c. 主要技术数据额定数据 直流电压:220V或110V (订货注明)交流电压:相电压:100A,3 V,开口电压:100V交流电流:5A或lA (订货注明),频率:50Hz整定范围,距离元件:0.05。99.9。电流元件:0.05A99.9A时词元件:保护跳闸时间:接地故障为0l2s;相间故障为04.5s (其他为015.9s)。精确工作范围距离元件:精确工作电压0. 5V;.精确工作电流(0.120)In或(0.240) In。零序方向元件,最小动作电压2V (固定);最小动作电流0.1In。突变量方向元件:最小动作电压4V;最小动作电流0.3In。2.4电器主接线及主要电气设备的选
19、择2.4.1 220KV电压级接线方式220KV有五回线路,预留一回备用,因而220KV母线的接线形式可选用双母线接线 形式,双母线分段接线,双母线带旁母(设有专门旁路断路器)的接线形式。双母线特点双母线接有两组母线,并且可以互为备用。每一电源和出线的回路,都装有一台断 路器,有两组母线隔离开关,可分别与两组母线连接。两组母线之间的联络,通过母线 联络断路器来实现。采用双母线接线,有两组母线后,使运行的可靠性和灵活性大为提 高。其特点有:(1)供电可靠。(2)调度灵活。(3)扩建方便。双母线分段接线比双母线接线的可靠性更高,当一段工作母线发生故障后,在继电 保护作用下,分段断路器先自动跳开,而
20、后将故障段母线所连的电源回路的断路器跳开, 该段母线所连的出线回路停电;随后,将故障母线所连的电源回路和出线回路切换备用 母线上,即可恢复供电。这样,只是部分短时停电,而不必全部短期停电。虽然这种接 线具有很高的可靠性和灵活性,但增加了母联断路器和分段断路器的数量,配电装置接 资较大。双母线带旁母的特点带有专门旁路断路器的接线,多装了价高的断路器和隔离开关,增加了投资,然而 这对于接入旁路母线的一路回数较多,且对供电可靠性有特殊需要的场合是十分必要 的。不采用专用旁路母线的接线,虽然可以节约建设投资,但是检修出线断路器的倒闸 操作十分繁杂,而且对于无论是单母线分段接线还是双母线接线,在检修期间
21、均处于单 母线不分段运行状况,极大地降低了可靠性。2.4.2所用电接线所用电接线的原则是:所用电接线应保证对所用负荷可靠和连续供电;接线能灵活地适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求;设计时还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重地采用新技术、新设备, 使所用接线具有可行性和先进性;在设计所用电接线时,还应对所用电的电压等级、中性点接地方式、所用电源及其 引接和所用电接线形式等问题进行分析和论证。所用负荷根据供电重要性可分为三类:经常连续、短时不经常、连续不经常。所用 电系统接线通常都采用单母线分段接线形式,并多以成套配电装置接受和分配电能。2.5高压断路器及隔离开关的选择2.5.1变压
22、器220KV侧断路器及隔离开关的选择最大持续工作电流为Im =1.05Sn/3i/2/Un=1.05X 150/3i/2/220=0.41KA查表可选SW6220/1200型少油断路器短路时间:tk=0.06+0.06+0.06=0.18A2.5.2 220KV进线断路器及隔离开关选择最大负荷电流为:Im =1.05Sn/3i/2Un=1.05X213/3i/2/220=0.58KA查表可选SW6220/1200型少油断路器2.5.3母线的选择220KV侧母线的选择最大工作电流为:0.41KAJ=1.07S=410X2/1.07=766mm2故可选择2根型号为LGJ400/20的导线,其载流量
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