可再生能源发电接入系统的变压器保护配置与整定--本科毕业设计(论文).doc
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1、可再生能源发电接入系统的变压器保护配置与整定上海电力学院本科毕业设计(论文) 题目:可再生能源发电接入系统的变压器保护配置与整定院部:电气工程学院专业年级:电气工程及其自动化 2014届学生姓名:姚金剑学号:20101216指导教师:高亮2013年6月16日【摘 要】 本文基于教科书上的内容,基于继电保护整定配置的基本原则和要求,对中小容量可再生能源并网发电系统设计选择一次系统的运行方式;利用电力仿真软件ETAP,仿真出各短路点的短路电流,选择二次继电保护,主变、配变保护配置,继电保护的整定计算原则;变压器主保护为电流差动保护,做出整定计算,后备保护为复合电压启动的过电流保护,并作出整定计算;
2、对变压器保护计算实例进行整定计算,填写保护定值单,在RCS-9671及RCS-9682变压器保护测试装置上分别对主保护和后备保护进行测试分析。并在最后对本次设计进行总结,展望继电保护整定计算未来的发展方向。关键词:继电保护;保护原理;保护配置;整定计算【Abstract】 Based on the content of textbooks, based on the basic principles and requirements relay setting configurations ,designing and choosing primary system operation mod
3、e for small and medium capacity for renewable energy and power generation system , using the ETAP simulation software for electricity , simulating out short-circuit current is calculated for each point of the short circuit, select a kind of secondary relay protection, transformer, distribution trans
4、former, segmented protection configuration; the current differential protection is transformer primary protection, and setting calculations, overcurrent protection of composite voltage start is the back-up protection, and setting calculation; make protection calculation to fill in the protection set
5、ting list,and make analyses and tests for primary protection and back-up protection on RCS-9671 and RCS-9682 transformer protection testing device. Finally,there will be a summary for this design, prospecting the future direction of relay protection calculation.Key Words: Protection; Protection calc
6、ulation; Protection configuration; Theoretical ProtectionI目录1绪论11.1选题背景与意义11.2国内外研究现状51.3本文的主要工作71.4继电保护整定计算的目的及基本要求82原理102.1纵差保护整定计算内容102.2短路电流计算112.3纵差保护动作特性参数的计算112.4 过电流保护132.5 复合电压启动的过电流保护152.6变压器瓦斯保护163变电站设计173.1系统图173.2选择运行方式183.3短路电流的仿真计算183.3.1大方式183.3.2小方式183.4保护配置183.5保护定值计算193.5.1相关参数计算1
7、93.5.2主变纵差动保护193.5.3主变复合电压启动的过电流保护213.5.4配变纵差动保护223.5.5配变复合电压启动的过电流保护244RCS9671变压器差动保护测试实验264.1RCS-9671CS变压器差动保护逻辑框图264.2 比例制动式差动保护计算274.3 装置接线端子及说明274.4装置参数及整定说明294.5保护定值列表304.6运行方式控制字314.7变压器差动保护测试实验315RCS9682变压器后备保护测试实验325.1RCS9682装置逻辑框图325.2装置背板端子及说明335.3保护定制表345.4RCS9682变压器后备保护测试实验366总结376.1对本次
8、整定分析的总结376.2继电保护整定计算的发展展望37致谢39参考文献40附录整定计算实例及详细仿真过程41附录2上机实验报告491.RCS9671上机实验报告492.RCS9682上机实验报告52III1绪论1.1选题背景与意义能源是一个国家、地区经济发展的重要基础。可再生能源等分布式能源是智能电网建设的一个重要组成部分。智能电网包括电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度6大环节,其中发电机环节是智能电源的源头。加快智能电网建设,提高电网的资源优化配置能力,以满足国家快速增长的能源需求,保障能源安全,由于我国能源消耗70%以上为化石能源煤炭,煤炭的过量消耗必然会产生环境污染等诸多问题,
9、但是可再生能源是取之不尽用之不竭的,因此我国未来能源消费机构将朝清洁化、低碳化方向发展,以可再生能源为主体的分布式能源系统将具有更广阔的发展空间。可再生能源是指自然界中可以不断利用、循环再生的一种能源,例如太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能、潮汐能、地热能等。太阳能一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应,不停地释放出巨大的能量,并不断向宇宙空间辐射能量,这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应,可以维持几十亿至上百亿年的时间。太阳能的利用已日益广泛,它包括太阳能的光热利用,太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。
10、太阳能热水器是利用太阳光的热量加热水的装置,是目前应用最普遍的太阳能光热利用方式之一。太阳能发电是一种新兴的可再生能源利用方式。使用太阳电池,通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能。风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。依据目前的风车技术,大约是每秒三米(微风的程度)以上的风速,便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮,为风力发电没有燃料问题,也不会产生辐射或空气污染。风力发电机因风量大小不稳定,故其输出的是1325V变化的交流电,须经充电器整流,再对蓄电瓶充电,使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源,把电瓶
11、里的化学能转变成交流220V市电,才能保证稳定使用。以光伏发电为例,光伏发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电,并且实现既向负载供电,又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏列阵、并网逆变器、控制器、继电保护装置组成。大规模的光伏并网电站不能像目前已投入的屋顶光伏系统一样,通过380V低压配电线路直接接入本地配电网,而是要通过升压变压器,以中压或高压接入输电网络,结构如图1:DC/DCDC/DCPVDC/DCPV输电网PVDC/DC PVDC/DCDC/DC 变压器图1-1 大型光伏系统结构 随着电力用户对供电的要求越来越高,尤其是近几年来世界范围内接连几次发
12、生大面积停电事故以后,在保证可靠性和电能质量方面,集中式大电网逐渐呈现出自身的一些弊端。同时,各国现在越来越重视环境保护,能源短缺致使各国的能源显得更加珍贵,在这种状况下,分布式电源由于清洁无污染、较高的供电可靠性和经济性等优点获得了飞速发展,是大电网的有力补充和有效支撑。但是在分布式电源并网运行后,配电网原有的结构会发生变化,配电网中的潮流分布以及故障时短路电流的方向、大小和持续时间等也都将发生变化。因此保护装置的配备和整定动作值会受到影响2。大电网在过去数十年里体现出来的优势使其得以快速发展,成为主要的电力供应渠道。然而,集中式大电网也存在一些弊端:成本高、运行难度越来越大。全球发生了几次
13、大面积停电事故,表明大电网在安全性和可靠性方面己经不能满足社会日益增长的需求。最严重的是,当发生自然灾害或者大面积电网故障的紧急情况下,医疗、金融、军事等系统突然中断电力供应,不论是经济方面还是社会的稳定方面,都会遭受一定的破坏。因此,人们开始对电力系统的发展模式另辟蹊径。2003年美加大停电以后,国际上的专家们得出了一个结论一一发展分布式电源比通过改造电网来加强安全更加简便、快捷。2008年冬天我国南部发生的雪灾也透露了一个信号,在全面建设比较集中的大电网的时候,也应该发展一些分布式电源,这些分布式电源作为大电网的后备电源,在大电网发生故障的时候可以为附近用户提供基本的电力供应。同时,各国现
14、在越来越重视环境保护,能源短缺致使各国的能源显得更加珍贵,在这种状况下,分布式电源由于清洁无污染、经济性良好及可靠性比较高等优点在近年来发展迅速,很好地支撑了大电网的运行,弥补了大电网的部分缺陷。全世界大部分的国家在面临着同样困境的时候,都逐渐开始重视发展分布式电源技术。然而分布式电源也存在一些缺点。首先,分布式电源对大电网来说是一个不可控源,因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源,以期减小它对大电网的冲击。其次,目前配电系统多为单电源辐射状结构,功率流动也为单向固定路径,因此分布式电源在并网运行时就会和负荷较类似,即它的装机容量很小,这就极大限制了分布式电源的特点和优势。然而随着
15、电力电子接口技术的不断发展,又出现了一个新兴的概念:微型电网。微型电网简称微电网或者微网,它将分布式电源、负荷、控制元件及储能元件等结合,形成一个单一的整体,这个整体是可控的,向用户供给电能和热能。微电网比传统的发电系统距离负荷更近,不存在远距离高压以及超高压输电情况,输电线路上的损耗大大降低,具有很好的经济性。由于兼具发电、供热、制冷等多种服务功能,分布式发电可以有效实现能源的阶梯利用。微电网可以很好地协调控制分布式电源,使分布式电源的优势完全被挖掘出来,减轻了大电网对分布式电源的控制负担。针对我国国情,对比与集中大电网的独立运行,建设微电网优势显著:可以提高电力系统的安全性和可靠性,有利于
16、电力系统抗灾能力建设;可以促进可再生能源分布式发电的并网,有利于可再生能源的发展;可以提高供电可靠性,保证电能质量,有利于提高电网企业服务质量;可以延缓电网投资,降低网损,有利于节约型社会建设;可以扶贫,有利于社会主义新农村建设3。配电网一般是单电源、辐射状网络,配电网的继电保护也是以此为基础设计的。分布式电源并网运行后,配电网的结构将发生改变,在配电网发生短路时,除了系统向短路点提供短路电流外,分布式电源也将向短路点提供短路电流,因此改变了配电网的节点短路水平。分布式电源的类型、安装位置和容量等因素都将对配电网继电保护的正常运行造成影响。具体表现在:改变线路的保护范围,导致保护误动作,影响重
17、合闸,影响分支线路重合器、分段器和熔断器动作。我国具有特殊国情,尤其是在党的第十八次代表大会闭幕后,在我国进行含分布式电源的配电网继电保护技术的研究是十分必要的,也是十分迫切的4。可再生能源发电的间歇性主要反应在其出力一般是不可预测和不完全可控的。不可预测意味着发电机的出力不能事前被精确的评估,原因在于它们的出力强烈依赖于天气等条件。比如对于风电和太阳能发电,它们分别受风速和太阳辐射强度的影响。目前己有不少方法预测可再生能源发电的出力情况,但所得结果仍不够乐观;不完全可控性则意味着可再生能源发电的出力不能像传统电厂一样可以有目的地调节出力大小,其随机性比较大。目前,风力发电是可再生能源中发展最
18、快、最有前景的能源。常用的风力发电机主要有如下三种:鼠笼式感应电机、同步电机和双馈感应电机(Doubly-Fed Induction Machine, DFIM)。在比较旧的风电场中,常常使用传统的鼠笼式感应电机,而近代则倾向于采用兆瓦级的同步电机或者双馈感应电机。与其它传统发电技术不同,风力发电的突破并不是由于科学和技术的先进,而是许多国家的政策所驱,风力发电被看作是减少温室气体排放的一个低成本的有效途径。然而风速的变化常使得风力发电的出力波动较大,影响继电保护的正常运作。方向过电流继电器常用于保护配电系统以解决潮流反向问题,如何为该类继电器选择合适的整定值来清除各种系统故障是项十分重要的工
19、作。为了解决上述可再生能源间歇性出力所引起的相关保护问题。变压器保护的整定计算:1.11、变压器纵差保护纵差保护是变压器内部故障的主保护,主要反应变压器油箱内部、套管和引出线的相间和接地短路故障,以及绕组的匝间短路故障。对220500kV变压器纵差保护的技术要求:a)在变压器空载投入或外部短路切除后产生励磁涌流时,纵差保护不应误动作。b)在变压器过励磁时,纵差保护不应误动作。c)为提高保护的灵敏度,纵差保护应具有比率制动或标积制动特性。在短路电流小于起始制动电流时,保护装置处于无制动状态,其动作电流很小(小于额定电流),保护具有较高的灵敏度。当外部短路电流增大时,保护的动作电流又自动提高,使其
20、可靠不动作。d)在最小运行方式下,纵差保护区内各侧引出线上两相金属性短路时,保护的灵敏系数不应小于2。e)在纵差保护区内发生严重短路故障时,为防止因电流互感器饱和而使纵差保护延迟动作,纵差保护应设差电流速断辅助保护,以快速切除上述故障。1.12、纵差保护整定计算内容a)与纵差保护有关的变压器参数计算,包括变压器的各侧额定电流,电流互感器和中间电流互感器的变比选择等。b)短路电流计算。c)纵差保护动作特性参数的整定。d)纵差保护灵敏系数的校验。e)其他辅助验算和经验数据的推荐,包括谐波制动比(对谐波制动原理的差动保护)和闭锁角 (对间断角原理的差动保护)的推荐。1.13、变压器分侧差动保护分侧差
21、动保护是将变压器的各侧绕组分别作为被保护对象,在各绕组的两端装设电流互感器,实现差动保护。这种分侧差动保护,如同发电机定子绕组差动保护一样,无须考虑绕组的励磁涌流、过励磁、调压等的影响。两侧电流互感器取相同变比并按星形接线。分侧差动保护接线简单、可靠,对相间和单相短路灵敏度高,但对匝间短路无保护作用。1.14、变压器零序差动保护220500kV变压器,单相接地短路是主要故障型式之一。特别是单相变压器组,变压器油箱内部相间短路不可能发生。变压器零序差动保护就是保护变压器单相接地短路而设置的。零序差动保护各侧采用变比相同的电流互感器,采用比率制动式或标积制动式差动继电器或差电流继电器。1.15、变
22、压器瓦斯保护瓦斯保护是反应变压器油箱内各种故障的主保护。当油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时,瓦斯保护应瞬时动作于信号;当产生大量瓦斯时,应瞬时动作于断开变压器各侧断路器。瓦斯保护动作于信号的轻瓦斯部分,通常按产生气体的容积整定。对于容量10MVA以上的变压器,整定容积为250300ml。瓦斯保护动作于跳闸的重瓦斯部分,通常按通过气体继电器的油流流速整定。流速的整定与变压器的容量、接气体继电器的导管直径、变压器冷却方式、气体继电器的型式等有关。1.16、过电流保护过电流保护主要用于降压变压器,作为防御外部相间短路引起的变压器过电流和变压器内部相间短路的后备保护。过电流保护的动作电流计算。为了保
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