110KV变电所二次系统的设计

题目110KV变电所二次系统的设计

电气与自动化工程

电气工程及其自动化

摘要

在《大定坊110KV变电所二次系统的设计》论文中主要包括下面几个部分内容，110kv变电所主接线的设计、互感器相关知识、继电保护配置、自动重合闸的配置、中央信号回路、以及结合上述知识进行的大定坊110kv变电所的电气主接线设计和某条35kv线路的继电保护设计。

在论文里，110kv变电所主接线的设计、互感器的相关知识都是一次部分的基本知识。继电保护配置、自动重合闸的配置和中央信号回路则是二次回路部分的基本内容，只有在这些内容的基础上才能进行大定坊110kv变电所的电气主接线设计和某条35kv 线路的继电保护设计。

《大定坊110KV变电所二次系统的设计》论文的编排是很合理的，即先有基础再有应用。

目录

绪论 (1)

第一章. 大定坊110kv变电所电气主接线设计 (2)

1、概述 (2)

2、设计中主接线的基本形式 (2)

3. 内桥接线与外桥接线的特点 (3)

第二章．二次保护基本知识 (4)

1、概述 (5)

2、电压互感器 (5)

第三章．继电保护配置 (10)

1. 继电保护装置的基本任务 (10)

2. 继电保护的基本原理 (10)

3、对继电保护装置的基本要求 (11)

4、各种继电器 (13)

5．三段式电流保护 (16)

5.1 无时限电流速断保护 (16)

5.2 限时速断电流保护 (19)

5.3．定时限过流保护 (24)

6.三段式电流保护的构成原理 (26)

7.电流保护的评价的应用 (27)

8.电流保护的接线方式 (28)

第四章．自动重合闸配置 (32)

1. 瞬时性故障和永久性故障 (32)

2.自动重合闸的产生 (32)

3.对自动重合闸的基本要求 (32)

4.自动重合闸类型 (33)

5.选用重合闸方式的一般原则： (34)

6.自动重合闸主要部分介绍 (34)

7.电容式的重合闸只能重合一次的原因： (35)

8.自动重合闸配置原则 (36)

9.自动重合闸特点 (36)

10.自动重合闸后加速保护 (36)

11．重合闸后加速原理接线图： (37)

第五章．中央信号回路 (38)

1.中央信号系统的作用： (39)

2.中央信号系统的组成： (39)

3.中央信号系统类型： (39)

4.对中央信号回路的要求 (40)

5.中央事故信号回路 (40)

6、中央预告信号回路 (41)

第六章．设计的图纸及介绍 (45)

(一).大定坊110kv变电所电气主接线图 ....................................... 错误！未定义书签。

1. 电气主接线图...................................................................... 错误！未定义书签。

2.对电气主接线的基本要求： (45)

3. 电网的接地保护 (46)

4. 避雷器 (47)

(二).35kv1＃线路三段式电流保护二次回路 (48)

1. 35kv1＃线路三段式电流保护接线图： (48)

2. 35kv1＃线路三段式电流保护动作过程 (48)

3. 主保护及后备保护 (49)

(三).35kv1＃线路自动重合闸二次回路 (49)

1.自动重合闸后加速回路接线图及工作原理 (50)

2.动作过程 (50)

3.自动重合闸线路设计介绍 (51)

(四).35kv1＃线路中央信号二次回路 (52)

1.中央信号二次回路接线图及工作原理 (52)

2.中央信号二次回路工作原理 (54)

第七章．电力系统发展前景 (57)

致谢 (58)

参考文献 (58)

绪论

电力系统部门是国民经济的重要部门之一，现代工业、农业等行业需要依靠电作为动力进行生产发展，在我们的日常生活中大量的使用家用电器，这些都离不开电，随着现代化程度的不断提高，尤其是社会信息化的的推动，各行各业的电气化的程度越来越高，各个部门对电力系统的依赖性都将提高，所以电能供应的质量将直接影响社会各个行业的发展以及人民生活的和谐与稳定，以此同时，一次次的电力系统事故也进一步表明：保证供电的稳定是电力系统的一项重要任务。

在这次毕业设计里我学习研究的课题是大定坊110kv变电所二次系统的设计，主要的任务是设计大定坊110kv变电所电气主接线、设计某35kv线路继电保护二次回路以及该线路自动重合闸、中央信号二次回路，在这样的一个课题中充分体现了电力系统的安全可靠性因为在设计电气主接线设计过程中考虑了系统两侧的不同电压等级应采取不同的继电保护，考虑了主接线应采用110kv内桥结构，而且自动重合闸二次回路部分采用的是自动重合闸后加速，在中央信号二次回路设计中包含了事故及预告两个部分，在这样课题设计中将要求我很好的把电力工程及继电保护知识结合起来，在设计的过程中时刻注意线路的安全可靠性，以及发生事故及不正常状态后利用中央信号二次回路发出事故或预告信号。通过这样的设计使我对变电所的设计有了更好的理解，同时也加深了我对电力系统中安全性、可靠性的认识。

随着科技的不断进步社会的不断发展，对电力系统提出了更新更高的要求，要求电力系统能够实现大容量远距离输电，能够更好的利用资源，开发新能源而且要注意对环境的保护，同时现在的电力系统有向大电网互联、跨国联网发展的趋势

第一章. 大定坊110kv变电所电气主接线设计：

1、概述：

发电厂和变电所的电气主接线图是由各种电气设备的图形符号和连接线所组成的表示电能生产流程的电路图。从主接线图可以了解各种电气设备的规范、数量、连接方式和作用，以及各电力回路的相互关系和运行条件等，因而，它代表了电力系统的各个重要环节。主接线选择的正确与否，对电气设备选择，配电装置布置，运行的可靠性、灵活性和经济性等都有重大的影响。通常，发电厂和变电所的主接线应该满足下列的基本要求：

（1）根据系统和用户的要求，保证必要的供电的可靠性和电能的质量。在运行中供电被迫中断的机会越少或事故后22影响的范围越小，则主接线的可靠性就越高；

（2）主接线应具有一定的运行调度的灵活性，以适应电力系统及主要设备的各种运行情况的要求，此外还要便于检查；

（3）主接线应简单明了、运行方便，使主要元件或切除时所需要的操作步骤最少；

（4）在满足上述要求的条件下，力求做到投资和运行费用最少；

（5）具有扩建的可能性

2、设计中主接线的基本形式：

（1）双母线接线方式和特点：

①相当于单母线的运行方式

正常运行时，工作母线带电，备用母线不带电，所有电源和出线回路连接到工作母线上（工作母线隔离开关在合上位置，备用母线隔离开关在断开位置），母联断路器亦断开，这是一种相当于单母线的运行方式。若工作母线发生故障，将导致全部回路停电，

性，

的母联断路器跳开，接于故障母线的回路经过短时停电后也能迅速转移到完好母线上恢复供电。

③双母线接线方式

双母线接线方式是针对单母线接线的缺点提出来的,其基本形式如下图所示,即除了工作母线W1之外还增设了一组备用母线W2.由于它有两组母线,可以做到相互备用.两组母线之间用母线联络断路器QF连接起来,每一个回路都通过一个断路器和两个隔离开关接到两组母线上,运行时接到工作母线上的隔离开关接通,接至备用母线上的隔离开关.

当有了两组母线后,就可以通过切换两组母线隔离开关做到:

i 轮流检修母线而不致使供电中断;

ii 当修理任一回的母线隔离开关时只断开该回路;

iii 工作母线故障时,可以将全部回路转移到备用母线上,从而使装置迅速恢复供电;

iv 修理任何一个回路的断路器时,不致使该回路的供电长期中断;

v 在个别回路需要单独进行实验时,可以将该回路分出来,并单独接至备用母线上.

并联运行

3.

较方便的,

以继续工作,但是,

短路时退出工作.因此,

要断开断路器1QF和2QF,

变压器的运行.因而这种接线方式适用于线路较短且需要经常切换变压器的情况,一般在降压变压所应用较多,此外,当系统有穿越功率流经本厂时,也以采用外桥式接线较为适宜.

桥形接线的优点是高压电器少，布置简单，造价低，经适当布置可较容易地过渡成单母线或双母线接线，其缺点是可靠性不是太高，切换操作比较麻烦。桥形接线多用于容量较小的发电厂或变电所中，或作为发电厂、变电所建设初期的一种过渡性接线。

第二章．二次保护基本知识

发电厂或变电所的电气设备分为一次设备和二次设备两大类。一次设备是指直接用于生产、输送和分配电能的设备，如发电机、变压器、断路器等。一次设备一般属于高电压、大电流的特性，运行人员直接对其进行测量、控制和调节既不安全，也不方便，为此，电力系统常常通过二次设备和由二次设备相互连接构成的二次系统实现对一次设备的测量、控制、监视和保护等功能。

二次设备是指对一次设备的工作进行测量、控制、监视和保护，以及为运行人员提供运行工况及其他一些信息所需的低压电气设备，如测量仪表、继电保护及各种自动装置等。二次设备一般属于低压、小电流的设备。

由二次设备按照一定的顺序通过导体相互连接起来，构成对一次设备进行测量、控制、监视和保护等功能的电气回路称为二次回路或二次接线。表明二次回路连接关系的图纸称为电气二次图。

二次回路包括测量、监察回路，控制、信号回路，继电保护和自动装置回路，以及操作电源回路等

1、概述

为了了解电气设备在运行过程中的情况，需要测量各种电气参数，如电流、电压等；为了保证电力系统的安全、可靠运行，预防电气设备的的损坏和事故的扩大，需要设置一系列的保护装置，而许多保护装置也需要电气参数的输入。在电力系统中，一次回路的电气参数往往是高电压、大电流，直接测量既不安全，也不方便。互感器就是把一次回路的高电压、大电流变换为统一标准的二次低电压、小电流，以供给连接于互感器二次回路的测量仪表、继电保护和自动装置等的一种电气设备。

互感器虽然归类于一次设备，但却连接在一、二次回路之间，在一、二次回路之间起着桥梁的作用。互感器的作用有：

①电量变换。互感器将一次回路的高电压、大电流变换为二次回路标准的低电压、小电流供给二次设备，从而使二次设备实现标准化、小型化；

②电气隔离。互感器是根据电磁感应的原理进行工作的，因此，其一、二次绕组间只有磁的联系而没有电的直接联系，从而实现了一、二次电气设备之间的电气隔离。

此外，为了确保二次设备和在二次回路上工作的人员的安全，要求互感器二次侧均要设置安全接地，这样即使互感器一、二次间发生电气击穿，也能将一次回路的高电压、大电流引入大地，保证二次设备和在二次回路上工作的人员的安全。互感器分为电压互感器（TV、YH、PT）和电流互感器（TA、LH、CT）两种，电压互感器的二次额定电压为100V，电流互感器的二次额定电流为5A或1A。

2、电压互感器

电压互感器是一种将一次回路的高电压变换为二次回路标准的低电压（额定二次侧

100V）的电气设备。对二次电压回路来说，电压互感器相当于电压通常为100KV或3

一个输出电压正比于一次回路电压、内阻很小（相对于二次回路的负载来说）的电压源。电压互感器一次绕组匝数很多，二次绕组匝数较少（相对于一次绕组而言）

2.1 电压互感器接线原则

①电压互感器一、二次侧均采用并联连接方式

电压互感器的一次绕组必须以并联连接方式接入一次主回路；电压互感器二次回

路上连接的设备也必须采用并联连接的方式接入由其二次绕组供电的二次回路。

②电压互感器一、二次侧必须设置保护电器

一般情况下，电压互感器的一、二次侧均采用熔断器或自动开关作为保护电器。对于110KV及以上电压等级的电网，电压互感器一次绕组经电容分压式接入一次主回路时，其一次侧不设置熔断器。

③电压互感器的二次侧必须有一点接地

为了防止电压互感器一、二次绕组间发生绝缘击穿，从而使一次系统的高电压、大电流串入二次回路，可能造成二次设备损坏和人员伤亡的事故，电压互感器的二次侧必须设置一点接地作为保护接地，其一次侧的接地情况根据具体接线方式有不同要求。

电压互感器二次绕组的接地方式有两种：中性点接地方式和B相接地方式。当采用B相接地方式时，中性点需要装设击穿保险丝

在我国，110KV及以上电压等级的电网均为大接地电流系统，电源中性点直接接地。这类电网中的电压互感器二次侧通常采用中性点接地方式，这类电网一旦发生了单相接地故障，保护直接动作于跳闸，因此不需要装绝缘监察装置

35KV及以下电压等级的电网（400V电网除外）均为小接地电流系统，电源中性点不接地或经消弧线圈。这类电网发生单相接地故障时，允许继续运行不超过两个小时。在这类电网中，电压互感器的二次侧有些采用中性点接地方式，当需要考虑同期并网也可以采用B相接地方式。小接地电流系统需要装绝缘监察装置来反映单相接地故障。

2.2 电压互感器的接线方式

①一台单相电压互感器接线方式

图2－1所示为由一台单相电压互感器组成的单相接线方式。其中图2－1(a)所示为该接线方式原理图，图2－1(b)所示为该接线方式在一次系统图（电气主接线图等）上的表示方法。

这种接线方式中，电压互感器的一次侧中性点直接接地，二次侧中性点也直接接地。这种接线方式既适用于中性点非直接接地系统，也适用于中性点直接接地系统。当用于中性点直接接地系统时，这种接线方式既能测量线电压，也能测量相电压；当用于中性点非直接接地系统，这种接线方式只能测量线电压，而不能测量相电压，但能供一次系统的绝缘监察装置使用。这种接线方式中，电压互感器一次绕组的额定电压为所接入一

100V。

次系统的额定相电压，二次绕组的额定电压为3

第三章．继电保护配置

1. 继电保护装置的基本任务：

⑴自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，并保证其他无故障元件迅速恢复正常运行。

⑵反应电气元件不正常运行情况，并根据不正常运行情况的种类和电气元件维护条件，发出信号，由运行人员进行处理或自动地进行调整或将那些继续运行会引起事故的电气元件予以切除。反应不正常运行情况的继电保护装置允许带有一定的延时动作。

⑶继电保护装置还可以和电力系统中其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可靠性综上所述，继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运行的可靠性，继电保护装置是电力系统中重要的组成部分，是保证电力系统安全和可靠运行的重要技术措施之一。在现代化的电力系统中，如果没有继电保护装置，就无法维持电力系统的正常运行。

2.继电保护的基本原理：

当电力系统发生故障时，总是伴随有电流的增大、电压的降低以及电流电压间相位角的变化等物理现象，因此利用这些物理量的变化，就能正确地区分系统是处于正常运行、发生故障或出线不正常的工作状态，从而实现保护。例如，利用短路时电流增大的特征，可构成过电流保护；利用电压降低的特征，可构成低压保护；利用电压和电流比值的变化，可构成阻抗保护（又称距离保护）；利用电压和电流之间相位关系的变化，

输入信号

整定值输出信号

测量逻辑执行部分部分部分

继电保护装置的原理结构图图2－14

3

当线路L3的K3点短路时，倘若由于某种原因断路器6QF拒绝动作，则应由5QF 跳闸，将故障切除。这种因某段线路的保护装置或断路器拒绝动作而由其上一段线路的保护装置动作使断路器跳闸将故障切除的情况，对保护5而言，称它为相邻元件的后备保护，当后备保护动作时，停电范围虽然扩大，但这种动作仍然是有选择性的。若不装后备保护装置，当保护装置或断路器拒绝动作时，则故障无法消除，后果将极其严重。保护装置的选择性，是依靠选择适当类型的继电保护装置和正确地选择整定值从而使各级保护相互配合来实现的。

②快速性

快速性就是要求继电保护快速动作，以尽可能短的时间将故障从电网中切除。继电保护的快速动作可以限制故障扩大、减轻设备损坏程度，提高系统的稳定性和供电可靠性。动作迅速而同时又能满足选择形要求的保护装置，一般结构都比较复杂，价格也比较贵，在一些情况下，允许保护装置带有一定时限切除故障的元件。因此，对继电保护快速性的具体要求，应根据电力系统的接线以及被保护元件的具体情况来确定。下面举一些必须快速切除的故障。

ⅰ根据维持系统稳定的要求，必须快速切除高压输电线路上的故障；

ⅱ使发电厂或重要用户的母线电压低于允许值（一般为0.7倍额定电压）的故障；

ⅲ大容量的发电机、变压器以及电动机内部发生的故障

ⅳ 1～10KV线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障等；

ⅴ可能危及人身安全，对通信系统或铁号志系统有强烈电磁干扰的故障等。

故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和，一般快速保护的动作时间为0.06～0.12s，最快的可达0.02～0.04s；一般断路器动作时间为0.06～0.15s，最快的有0.02～0.06s。

③灵敏性

继电保护的的灵敏性是指对于保护范围内发生故障或非正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部发生故障时，不论短路点的位置，短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻。都能敏锐感觉，正确反应。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数(K sen)来衡量，它决定于被保护元件和电力系统的参数和运行方式。

对于反应故障时参数值增大（如过电流）而动作的保护装置，其灵敏系数为：

保护装置整定动作值值时故障参数的最小计算保护区末端金属性短路=K sen

对于反应故障时参数值减小（如低电压）而动作的保护装置，其灵敏系数为：

值

时故障参数的最小计算保护区末端金属性短路保护装置整定动作值=K sen 考虑到故障可能是非金属性短路等因素，因此要求K sen >1,一般对主保护要求灵敏系数不小于1.5～2，对后备保护则要求不小于1.2～1.5

④可靠性

保护装置的可靠性是指在其规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该错误动作。

4、各种继电器

4.1 电磁型电流继电器

电磁型电流继电器的结构及工作原理：

电磁型电流继电器广泛用作电流保护的启动和测量元件，通常采用转动舌片式的结构，下图为电磁型电流继电器的结构图：

注：1—电磁铁；2—线圈；3—Z 形舌片；4—弹簧；5—动触点；6—静触点；7—整定值调整把手； 8—整定值刻度盘 ；9－轴承；10－止挡.

继电器的转轴上装有Z 形舌片3，弹簧4、动接点桥5、6，由前轴承加以支撑。继电器不通过或通过较小的电流时，由于弹簧力矩的作用，Z 型舌片释放，并被止挡10限制在一个起始位置，增大线圈电流，电磁力矩试图将Z 形舌片吸向电磁铁。如果通过线圈的电流足够大，使所形成的电磁力矩能够克服弹簧和摩擦的反作用力矩，则舌片将被吸持，并同时带动可动部分顺时针旋转，最后使动接点桥和静接点接触，于是继电器的接点闭合，Z 形舌片被吸持并使接点状态改变，这个时称为继电器动作，使继电器动作的最小电流，称为继电器的动作电流，显然，要使继电器动作，必须满足的条件是

M M M

m y dc +≥ 式中 M dc —继电器转轴的电磁力矩 M y －弹簧力矩

M m －摩擦力矩。

这里M dc 是动作力矩，M M m y

+为制动力矩

4.2 时间继电器 时间继电器在继电保护装置中作为时间元件，用来建立必要的动作延时。时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。

在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器 ,它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。

时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。

空气阻尼型时间继电器的延时范围大(有0.4～60s 和0.4～180s 两种) ，它结构简单,但准确度较低。

当线圈通电（电压规格有ac380v 、ac220v 或dc220v 、dc24v 等）时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹, 上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。

吸引线圈断电后，继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。空气经出气孔被迅速排出。

4.3 中间继电器

中间继电器是一般保护装置中必不可少的辅助继电器，它的作用是：

a.提供足够数量的接点，以便同时控制不同的电路

b.增加接点容量，以便接通或断开较大电流的回路，提高灭弧能力；

c．提供必要的延时动作，以满足保护及自动装置的要求。

中间继电器一般采用吸引衔铁结构,中间继电器除了动作线圈外还有自保持线圈。

4.4 信号继电器

信号继电器在继电保护及自动重合闸装置中用作动作指示器。当动作时，一方面信号继电器本身有掉牌或灯光指示，一方面又闭合它的机械保持接点，接通灯光信号或音响信号继电器回路，这些信号均由值班人员手动加以复归。下图所示为信号继电器的结构图：

4.5 继电器技术参数

1.额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。

2.直流电阻,是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。

3.吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。

4.释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。

5.触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。

5．三段式电流保护

输电线路发生短路故障时，其主要特征是电流增大、电压降低，利用这两个特点可

5.1 1.4-1I

K )3(式中 ph E S

X 1X l 逐渐增大。曲线通过保护装置