煤矿110KV变电所主变监控系统设计().doc

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1、安徽理工大学毕业设计煤矿110kV变电所主变监控系统设计摘要本次设计的主要内容是变电所的主变压器的选择、主接线的选择、短路计算、变电所保护及监控装置等的选定进行设计，通过对变压器以及线路保护配置的选择，来保证电力系统的安全运行。 其主要采用的保护有继电保护、过电压保护、瓦斯保护、变压器差动保护。 本次设计是我们在校期间进行的最后一个非常重要的综合性实践教学环节，也是我们学生全面运用所学基础理论、专业知识对实际问题进行设计（或研究）的综合性训练，同时还是我们将来走向工作岗位而奠定的基本实践。通过本次设计可以增强我们运用所学知识解释实际问题的能力和创新能力，以便更好地适应工作的需要。电力系统继电保

2、护的设计与配置是否合理，直接影响电力系统的安全运行，故选择保护方式时，满足继电保护的基本要求。选择保护方式和正确的计算，以保证电力系统的安全运行。关键词：电气主设备，继电保护，监控系统COAL MINE 110 KV SUBSTATION MAIN TRANSFORMER MONITORING SYSTEM DESIGNABSTRACTThis important task of this design is protective relaying design of sabstation through the protective distribution of the transform

3、er and lines. Ensure the Electric power systems safe operation. Mainly uses the protection has the gas to protect, the transformer differential motion protection, the electric current, the load, the distance protection. This design is we in school period carries on last the count for much comprehens

4、ive practice teaching link, also is our student comprehensively utilizes studies the basic theory, the specialized knowledge carry on the design to the actual problem (or research) the comprehensive training, simultaneously or we future will move towards the basic practice which the work post will e

5、stablish. May strengthen us through this design to utilize studies the knowledge explanation actual problem the ability and the innovation ability, in order to meets the work need well. The Electric power systems protective relaying design and distribution whether is rational directly affect safe op

6、eration who selecting protective duty. Should satisfy basic requires of protective relaying selecting protective duty and right calculated setting ensures the electric power systems safe operation。KEYWARDS： electric apparatus，relay protection，monitored control systemii目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 变电所监控系

7、统概述11.2 变电所监控系统的特点及功能21.2.1 变电所监控系统的特点21.2.2变电所监控系统的功能22 变电所负荷计算和变压器的选择32.1计算负荷定义32.1.1计算负荷目的32.1.2计算负荷的方法32.2矿井用电负荷计算（需要系数法）32.3功率因数补偿的目的和方案62.4无功补偿的计算及设备选择62.5主变压器的选型和损耗计算72.5.1变压器的选型72.5.2变压器的损耗计算73 变电所主接线方案的确定及短路电流的计算93.1变电所主接线的基本要求93.2变电所的主接线设计方案和分析93.3 110kV架空线的选择和校验103.3.1 110kV架空线的选择103.3.2

8、110kV架空线的校验103.4短路电流及其计算113.4.1短路电流的种类113.4.2计算短路电流的目的113.4.3短路电流的计算114 变电所电气设备选择144.1 母线的选择144.1.1 110kV母线的选择及校验144.1.2 10kV母线的选择及校验154.2 变电所一次设备的选择和校验164.2.1 高压断路器的选择和校验164.2.2 高压隔离开关的选择和校验174.2.3电流互感器的选择和校验184.2.4 电压互感器的选择和校验195 变电所主变压器继电保护方案205.1 电力变压器故障类型和不正常运行状态205.2 电力变压器继电保护的配置205.3 电力变压器瓦斯保

9、护205.4 电力变压器纵联差动保护205.5 电力变压器过电流保护225.6 电力变压器过负荷保护235.7 电力变压器电流速断保护236 可编程控制器实现变压器的保护246.1可编程控制器的概述246.1.1可编程控制器的定义246.1.2可编程控制器的特点246.1.3 PLC的基本结构256.1.5 可编程控制器的应用领域276.1.6 S7-200系统概述276.2 变电所PLC保护系统设计296.2.1 硬件分析与设计296.2.2 PLC程序的设计317 变电所主变监控系统的设计337.1 变电所监控系统原理337.2 微机监控系统简介337.3 微机监控系统的选择及设计34总结

10、39参考文献40致谢411 绪论1.1 变电所监控系统概述在我国,微机继电保护的发展大体上经历了三个阶段:第一阶段为以单CPU硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式的AD574芯片构成，硬件及软件的设计符合我国高压线路保护装置的“四统一”设计标准，特点是采用单CPU结构及多路转换的ADC模数转换模式，以1984年华北电力学院研制的MDP-1型微机保护为代表；第二阶段为以多个单片机构成的多CPU硬件结构为主，数据采集系统为VFC电压一频率转换原理的计数式数据采集系统硬件，软件的设计方面，利用多CPU的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可定位到插件，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施防

11、止拒动和误动，代表产品为华北电力学院研制的WXH-11和WXB-11型保护；第三阶段为以高性能的16位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不引出芯片，电路简单的特点，抗干扰能力进一步加强，完善了通信功能，为变电站综合自动化系统的实现提供了强有力的环境，其代表产品为北京四方公司开发的CSL-101系列的线路保护和CST-200系列的变压器保护。目前我国众多大中型企业都面临技术改造问题，随着监控的覆盖面的扩大，监控系统的任务也日益繁重，系统技术改造是一项重要的技改工作。此微机远程监控系统的主要任务就是监视变电站运行生产过程,实现各类操作控制，完成变电站生产过程的监测与控制。所以该系统首先要能够实时采

12、集全站生产过程中的各种实时信息，更新数据库，为监控系统提供真实可靠的运行信息。能提供正常情况下的运行显示，调用所有的数据，完成各种管理提示及统计报表等工作。实时监视生产过程中的各类异常报警(如短路、过载、过压、欠压、过电流等)信号，并做出相应的处理。针对110kV变电所，对变电站中各种主要设备和二次保护进行研究和设计。涉及的主要包括：负荷计算与无功补偿、主变压器的选型、110kV架空线和母线的选型及校验、10kV母线的选型、短路电流的计算、并联电容器和高压开关柜的选择、继电保护的整定计算等，其中以变电所主变压器的微机监控作为重点。110kV变电所采用微机远程监控系统后，对于一次系统没有影响，一

13、次设计仍按常规设计。二次系统的设计除保护外，在开关柜上有测量与控制信号，控制室的控制与信号屏上仍有一套测量与控制信号，这两套测量信号与控制都进入计算机，为了减小二次回路的负担，减少事故隐患，设计的工作量，工程投资及日后的维护工作，取消了保护屏、信号屏、控制屏及测量表计，仅保留开关柜上的一部分。通过对设计任务的分析，结合目前国内110kV变电站设计的规则以及已有的成熟经验，最终理清了设计的思路，该变电站的系统框图如图所示。 本设计主要包括了三部分的设计，即电气一次部分、PLC控制系统、人机界面等设计。现场设备运行时可通过上位机界面进行监控，通过PLC对现场设备进行开、断的控制，现场的运行信息也可

14、以通过PLC传至上位机进行显示，各部分之间可以进行双向的通信。本变电站设计满足可靠性和经济性要求。1.2 变电所监控系统的特点及功能1.2.1 变电所监控系统的特点110KV变电所采用微机远程监控系统后，对于一次系统没有影响，一次设计仍按常规设计。二次系统的设计除保护外，在开关柜上有测量与控制信号，控制室的控制与信号屏上仍有一套测量与控制信号，这两套测量信号与控制都进入计算机，为了减小二次回路的负担，减少事故隐患，设计的工作量，工程投资及日后的维护工作，取消了保护屏、信号屏、控制屏及测量表计，仅保留开关柜上的一部分。变电所二次系统功能在采用微机监控后没有发生改变，而且在某些方面还得到加强。在采

15、用变电站成套微机保护后，二次回路设计变化较大。微机保护以一个配电回路为单位，把这一回路的测量、保护及控制信号由一个独立的PLC来完成，形成一个独立完整的微机监控单元。此外，系统抗干扰能力强，可扩展性好。可对全厂供电系实现远距离测量、监控，值班人员可以随时观察到整个供电系统的运行情况，出现事故时监控系统能立即报警并进行打印记录，工作人员可以通过这些信息迅速判断事故发生地点、查找事故发生原因 ，并及时做出相应的处理，从而减少停电的时间。日常工作时微机监控系统还可以根据要求打印出各种测量数据，而不必像以前需要人工抄表记录，减轻了工作人员的劳动强度，更为重要的是通过测控可合理地进行负荷调配、节约电能、

16、降低能耗、优化运行。1.2.2变电所监控系统的功能随着微机技术的不断发展，特别是网络技术的应用，变电所远程监控系统的范围越来越广，功能也越来越强大。此变电所微机远程监控系统有如下功能：a)数据采集功能：系统对所有的模拟量、开关量进行实时和定时数据采集，定时数据可根据设定的时间间隔自动转存于硬盘作为历史记录，并能报表打印。b）数据处理功能：系统能对模拟量进行合理性的校验和上下限比较，对开关量进行实时扫描，对事件记录输出并报警，对重要的历史数据进行处理并存盘。c)可通过监控主机的键盘和鼠标对断路器进行控制操作。2 变电所负荷计算和变压器的选择2.1计算负荷定义所谓负荷计算，是指对某一线路中的实际用

17、电负荷的运行规律进行分析，从而求出该线路的计算负荷的过程。负荷计算与计算负荷，是两个不同的概念，不可混淆。在现行的设计规范中，负荷计算的内容不仅包括确定计算负荷，还包括确定尖峰电流和确定一极、二级负荷的容量已及季节性负荷的容量。2.1.1计算负荷目的计算负荷是供电设计计算的基本依据，计算负荷确定的是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。如一计算负荷确定过大，将使电器和异线选得过大，造成投资和有色金属的消耗浪费，如计算负荷确定过小又将使电器和导线电缆处子过早老化甚至烧毁，造成重大损失，由此可见正确确定计算负荷重要性。2.1.2计算负荷的方法目前供配电系统的负荷计算方法一般有需要

18、系数法、单位指标法、二项式法、综合系数法、利用系数法。前二种方法在国内设计单位的使用最为普遍，而且需要系数法以其计算简单、适用面广、需要系数数据齐全等特点，在用户供电系统设计中应用广泛，尤其适用于变（配）电所的负荷计算。采用需用系数法计算用电设备组的负荷时，应将性质相同的用电设备划作一组，并根据该组用电设备的类别，查出相应的需用系数K!，然后按照表一给出的公式求出该组用电设备的计算负荷。因此此设计采用的是需用系数法来对电力负荷计算的。2.2矿井用电负荷计算（需要系数法）1、单个用电设备组的计算负荷公式如下： kW kvar kVA A2、配电干线或者分变电所的计算负荷公式如下： kW kvar

19、 kVA式中，、该用电设备组的有功，无功和视在计算负荷；用电设备组的设备有功功率，kW； 需要系数； 用电设备组功率因数角对应的正切值； 、有功功率、无功功率同时系数，分别取0.9和0.95； 用电设备组额定电压（线电压），kV； 取 ，计算负荷 使用容量Sj（kva）4222.2258502473.331833.3316001866.678533.336857.1433236.02Qj（kvar）18244668.3-1068.48-792105612325632489617447.82Pj（kW）3800351022261650120014006400480024986tan0.481.3

20、3-0.48-0.480.880.880.881.02Cos0.90.6-0.9-0.90.750.750.750.7需用系数（Ox）0.950.90.7420.750.750.70.80.8表2-1 110kV煤矿变电所负荷统计表设备容量工作容量(kVA)40003900300022001600200080006000总容量(kVA)400039006000275032002000总台数/工作台数1/12/22/15/44/2高压电动机额定容量(kVA)40001700/22003000550800型式同步直流同步同步异步电压（kV）1010101010100.3810设备负荷名称主井提升机

21、副井提升机通风机压风机瓦斯泵制冷降温系统地面低压负荷井下高压负荷变电所总计顺序123456789422.3功率因数补偿的目的和方案功率因数是用电的一项重要电气指标。提高负荷的功率因数可以使发、变电设备和输电线路的供电能力得到充分发挥，并能降低各级线路和供电变压器的功率损失和电压损失，因而具有重要意义。若功率因数偏低，在保证供用电设备的有功功率不便的前提下，电流将增大。这样电能损耗和导线截面增加，提高了电网初期投资的运行费用。电流增大同样会引起电压损失的增大。为了减少电能转化的损耗，降低投资，一般采用电力电容器进行补偿。2.4无功补偿的计算及设备选择由负荷表2-1得，计算有功负荷为，计算视在负荷

22、为。由公式得，22487.4/27936.14=0.80，=0.74则功率因数=0.80 符合条件。(2)按电压损失校验根据煤矿电工手册可得110kV架空线LGJ-150在cos=0.988时电压损失百分数0.05，因此符合校验要求。（3）按机械强度校验110kV钢芯铝绞线最小允许截面为16，所选LGJ-150完全符合要求。（4）按电晕校验导线查阅煤矿电工手册，因为所设计的煤矿110kV变电所所在地海拔不超过1000m，并且导线直径不小于9.6，一般不要验算电晕。3.4短路电流及其计算3.4.1短路电流的种类 在供电系统中，可能发生的主要短路种类有四种:三相回路、两相回路、两相接地短路和单相接

23、地短路。三相短路是指供电系统中三相导体间的短路，用表示。两相短路是指供电系统中任意两导体的短路，用表示。单相接地短路是指供电系统中任意一相导体经大地与中性点或中性线发生的短路，用表示。两相接地短路是指中性点直接接地系统中，任意两相在不同地点发生单相接地而产生的短路，用表示。在供电系统中，出现单相短路故障的机率最大，但是由于三相短路所产生的的短路电流最大，危害最严重，因而短路电流计算的重点是三相短路电流的计算。3.4.2计算短路电流的目的短路产生的后果很严重，为了限制短路的危害和缩小故障影响的范围，在供电系统的设计和运行中，必须进行短路电流计算，以解决下列技术问题:选择电气设备和载流导体，必须用

24、短路电流校验其热稳定性和机械强度。设置和整定继电保护装置，使之能正确地切除短路故障。确定限流措施，当短路电流过大造成一设备选择困难或不经济时候，可以采取限制短路电流的措施。确定合理的主接线方案和主要运行方式等。3.4.3短路电流的计算短路电流计算需计算主变压器两侧110kV和10kV母线处短路点的短路电流。取，。图3-2 短路电流计算系统图 图3-3 短路电流计算等效电路图由于电源、是无限容量，不必计算其电抗。110kV架空线的电抗标幺值：，L=30km（取架空线30km）主变压器的电抗标幺值：点短路时： 短路电流 短路容量冲击电流 短路电流的有效值为点短路时：最大运行方式，即两台变压器并列运

25、行短路电流短路容量冲击电流短路电流的有效值为最小运行方式下,即变压器分裂运行短路电流短路容量冲击电流短路电流的有效值为表3-2 短路电流的计算结果短路点三相短路电流(kA)短路容量(MVA)（kA）（kA）（kA）（kA）点11.1711.1728.486.97222点最大运行21.621.655.0832.8392最小运行10.7810.7827.4916.381964 变电所电气设备选择4.1 母线的选择4.1.1 110kV母线的选择及校验母线截面按允许载流量选择，由计算负荷可得其最大持续电流为： 母线的选择正常工作时允许载流量选择： 查煤矿电工手册选管形铝母线（圆形可以防电晕的产生），

26、其具体参数见下表：表4-1 管形铝母线水平放置参数内径/外径截面（）载流量（A）（）抗弯矩（）惯性半径（cm）肌肤效应系数54/6053910857.422.021(1) 热稳定校验A A-所选母线截面积mm；C -材料热绝缘系数；k-集肤效应系数；I-短路电流；t-短路电流作用的假想时间。C、k、I查煤矿电工手册可知C取87，k取1，I取33.5 kA。假想断路器固有分闸时间为0.15s,电弧燃烧持续时间为0.05s,主保护动作时间为0.05s,所以t=0.15+0.05+0.05=0.25s所以 = 所选母线截面积A=539 mm mm，满足热稳定要求。(2) 动稳定校验查煤矿电工手册母线

27、的动稳定简化计算表可知，当所选矩形铝母线水平放置时，支持点间距离为100CM，相间距离为25CM时，母线允许通过的短路冲击电流为：86kA，大于可能通过的三相短路冲击电流28.48kA，所以所选母线规格以及放置要求满足动稳定要求。4.1.2 10kV母线的选择及校验按长期发热允许电流选择母线截面，由计算负荷可得其最大持续电流为： 母线的选择正常工作时允许载流量选择： 查煤矿电工手册选矩形铝母线尺寸 。其具体参数见下表：表4-2 矩形铝母线水平放置参数导体尺寸截面（）载流量（A）机械强度要求最大跨距（cm）机械共振允许最大跨距（cm）截面系数（）惯性半径（cm）肌肤效应系数80014271611

28、0.672.3121.05(1) 热稳定校验 A-所选母线截面积mm；C -材料热绝缘系数；k-集肤效应系数；I-短路电流；t-短路电流作用的假想时间。C、k、I查煤矿电工手册可知C取87，k取1.05，I取12.65 kA。假想断路器固有分闸时间为0.5s,电弧燃烧持续时间为0.05s,主保护动作时间为0.05s,所以t=0.15+0.05+0.05=0.25s所以= 所选母线截面积A=962.1 mm mm，满足热稳定要求。(2) 动稳定校验查煤矿电工手册母线的动稳定简化计算表可知，当所选矩形铝母线水平放置，支持点间距离为100CM，相间距离为25CM时，母线允许通过的短路冲击电流为：10

29、2kA，大于可能通过的三相短路冲击电流55.08kA，所以所选母线规格以及放置要求满足动稳定要求。4.2 变电所一次设备的选择和校验4.2.1 高压断路器的选择和校验高压断路器(QF)除在正常情况下通断电路外，主要是在发生故障时，自动而快速的将故障切除，以保证设备的安全运行。常用的高压断路器有油断路器、六氟化硫断路器和真空断路器。（1）高压断路器的开断电流选择 校验断路器的断流能力时，宜选取断路器实际开断时间的短路电流作为校验条件。因此，高压断路器允许的开断电流和开断容量应该满足: 其中制造保证的最高工作电压，kV 电路正常工作电压，kV设备的额定电流，A正常工作持续电流，A设备额定断流容量，

30、MVA次暂态三相短路容量，MVA结合第三章短路电流的计算所得数据，根据煤炭电工手册选择户外少油断路器为110kV高压侧断路器。具体参数如下：表4-3 户外少油断路器具体参数型 号额定电压（kV）额定电流（kA）额定短路容量（MVA）动稳定热稳定极限通过电流（kA）允许通过的短路稳态电流（kA）峰值有效值假想时间(0.11.75s)110120030004123.623.6（2）高压断路器的热稳定校验 式中： 设备在内的热稳定电流，kA 三相短路稳态电流，kA设计中110kV侧三相短路电流为11.17kA，参考煤矿电工手册中关于热稳定校验的简化算法，当假想时间在（0.11.75s）时，允许通过的

31、短路稳态电流为23.6kA，该值远大于通过线路的最大短路稳态电流。所以校验合格。（3）高压断路器的动稳定校验须满足式中：设备极限通过的电流峰值，kA 三相短路冲击电流，kA设计中110kV侧三相短路冲击电流为28.48kA，远小于高压断路器极限通过电流41kA，所以校验合格。4.2.2 高压隔离开关的选择和校验高压隔离开关是在无载情况下断开或接通高压线路的输电设备，以及对被检修的高压母线、断路器等电器设备与带电的高压线路进行电气隔离的设备。（1）高压隔离开关的选择 高压隔离开关依据允许的额定电压和额定电流的要求选择: 其中制造保证的最高工作电压，kV 电路正常工作电压，kV设备的额定电流，A正

32、常工作持续电流，A参考煤炭电工手册中相关信息，选择户外隔离开关,型号为。表4-4 户外高压隔离开关具体参数型 号额定电压（kV）额定电流（kA）动稳定热稳定极限通过电流（kA）允许通过的短路稳态电流（kA）峰值有效值假想时间(0.11.0s)1101000502929（2）高压隔离开关的热稳定校验 式中： 设备在内的热稳定电流，kA 三相短路稳态电流，kA设计中110kV侧三相短路电流为11.17kA，参考煤矿电工手册中关于热稳定校验的简化算法，当假想时间在（0.13.5s）时，允许通过的短路稳态电流最小为16.7kA，该值大于通过线路的最大短路稳态电流。所以校验合格。（3）高压断路器的动稳定

33、校验须满足式中：设备极限通过的电流峰值，kA 三相短路冲击电流，kA设计中110kV侧三相短路冲击电流为28.48kA，远小于高压隔离开关极限通过电流50kA，所以校验合格。4.2.3电流互感器的选择和校验 电流互感器是一次电路与二次电路间的连接元件，用以分别向测量仪表和继电器的电压线圈与电流线圈供电。电流互感器的结构特点是:一次绕组匝数少(有的只有一匝，利用一次异体穿过其铁心)，导体相当粗。而二次绕组匝数很多，导体较细。它接入电路的方式是:将一次绕组串联接入一次电路;而将二次绕组与仪表、继电器等的电流线圈串联，形成一个闭合回路，由于一次仪表、继电器等的电流线圈阻抗很小，所以电流互感器一作时二

34、次回路接近短路状态。二次绕组的额定电流一般为5A。电流互感器的选择条件:(1)额定电压大于或等于线路实际工作电压； (2)额定电流大于或等于长时最大工作电流的1.21.5倍(3)一次侧总容量应不小于该精度等级所规定的额定容量对于35kV以上的室外配电装置一般采用瓷绝缘箱式结构的电流互感器，查煤炭电工手册选择型电流互感器，其额定电流为200A，精确度为0.5/D/D.(4)电流互感器的动稳定和热稳定校验电流互感器选定后需要进行动稳定和热稳定校验，其中电流互感器的热稳定是由一定时间内热稳定倍数来表明，它是互感器的热稳定电流和互感器的原边电流之比值即。查煤炭电工手册关于常用电流互感器热稳定和动稳定简

35、化计算方法，可得在假想时间为3.5s时型电流互感器允许通过的短路稳态电流为12kA大于线路最大短路电流11.17kA，允许通过的短路冲击电流为38.1kA远大于线路中三相短路的冲击电流28.48kA所以校验合格。4.2.4 电压互感器的选择和校验电压互感器一次侧是并接在主接线高压测，二次线圈与仪表和继电器电压线圈串联，一次侧匝数很多，阻抗很大，因而，它的接入对被测电路没有影响。二次侧线圈匝数很少，阻抗很小，而并接的仪表和继电器的线圈阻抗大，在正常运行时，电压互感器接近于空在运行。二次绕组的额定电压一般为110kV。查阅相关技术参数，选取型电压互感器，该电压互感器为单相三绕组户外用串级油浸式全密封性互感器。具体参数：额定电压（一次绕组为kV,二次绕组V，剩余电压绕组100V）；额定频率（50或60HZ）。电压互感器电压为开路运行的仪用变压器，其一次侧、二次侧均采用熔断器保护；因此，电压互感器不需要进行短路动稳定和热稳定校验。表4-5变电所一次设备的选型表序号设备名称具体型号1高压隔离开关2高压断路器3电压互感器4电流互感器5 变电所主变压器继电保护方案5.1 电力变压器故障类型和不正常运行状态变压器的故障分为油