电气工程及其自动化毕业设计-20kV中性点接地和继电保护改造.docx

1、i本科毕业论文（20 届）20kV 中性点接地和继电保护改造所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii目 录摘要 .I关键词 .IAbstract .IIKeywords .II1 绪论 .11.1 配电网采用 10kV 等级供电的局限性 .11.2 配电网为什么采用 20kV 等级供电 .21.3 20kV 中压配电的发展前景 .31.3.1 国外使用 20kV 的配电电压 .31.3.2 国内采用 20kV 配电电压的情况 .31.4 本文的研究内容 .42 20kV 配电网的模型和中性点接地的方式的概述 .42.1 电网的参数 .42.2 220kV 配电网的电容电

2、流的计算问题 .52.3 20kV 配电网的不同的线路类型中性点的接地方式的选择 .52.4 本章小结 .63 配电网的中性点的电阻的接地的方式的相关的理论 .73.1 单相接地故障问题 .73.2 通信的干扰 .73.3 接地电阻的选择原则 .83.3.1 间歇性电弧接地的过电压限制取值 .83.3.2 继电保护的整定 .83.3.3 通信的干扰 .93.4 本章小结 .94 灵活的接地方式在 20kV 配电网中的延伸及应用 .104.1 20kV 的配电网的中性点灵活接地方式基本构成 .114.2 20kV 配电网中性点的灵活接地方式工作状态 .114.2.1 稳态分析 .114.2.2

3、单相接地时电弧消灭的原理和分析 .124.3 单相接地故障时的故障点的定位的数值和分析 .134.4 文章的小结 .135 结论与展望 .135.1 结论 .135.2 展望 .14参考文献 .15致 谢 .16iiiivContentsAbstract .IIKeywords .II1.1 Introduction.11.1 The limitation of 10kV power supply for distribution network .11.2 Why distribution network is powered by 20kV grade.21.3 Development p

4、rospect of 20kV MV distribution .31.3.1 Distribution voltage of foreign 20kV .31.3.2 The use of 20kV distribution voltage in China.31.4 The contents of this research .42 Overview of the 20kV distribution network model and neutral point grounding .42.1 Parameters of the network .42.2 Calculation of t

5、he capacitance current for 220kV distribution network .52.3 The choice of grounding mode for different line type of 20kV distribution network.52.4 Summary of this chapter.63. The theory of the grounding of the neutral point resistance of the distribution network is related to the theory .73.1 Single

6、 phase earth fault problem .73.2 Communication interference .73.3 Grounding resistance selection principle.83.3.1 The value of overvoltage limit for intermittent arc grounding .83.3.2 Setting of relay protection .83.3.3 Communication interference .93.4 Summary of this chapter.94 The extension and ap

7、plication of flexible grounding mode in 20kV distribution network.104.1 The neutral point of the 20kV distribution network is basically constituted of flexible grounding mode.114.2 Flexible grounding mode of neutral point in 20kV distribution network.114.2.1 Steady state analysis .114.2.2 The princi

8、ple and analysis of arc elimination in single phase grounding.124.3 Numerical and analysis of the fault points of single phase earth fault .134.4 Summary of the article.135 Conclusions and Prospect .135.1 Conclusion .135.2 Prospect.14References .15Appreciation .16I20kV 中性点接地和继电保护改造【摘要】 随着我国国民经济的持续发展

9、，同时也加剧了电力的供需矛盾，现行的 10kV 配电网在供电能力等方面就存在了很多的不足之处。依据我国的实际情况已得到论证，20kV 的电压从技术上来看是可以行的通的，在经济上也是优越的。本文将会这一课题进行全面而深刻的研究，主要体现如下几方面：1 建立了 5 种 20kV 配电网系统，这当中既包含以电缆出线为主的负荷密度比较高的城市的电网，也有以架空出线为主的负荷密度比较低的农村的电网。并且根据变电站 20kV 侧出线的类型，最终给出了不同电网结构的配电电网的中性点接地方式的选择方案。而且也研究了配电网经中电阻接地系统的电阻的阻值的选取以及继电保护改造的问题。并且综合考虑了过电压、继电保护、

10、中电阻的热容量、通讯的干扰等很多危及人身安全的很多个因素，并且提出了改造方法对于升压改造为的混合出线配电网，也提出了应用新型灵活接地的方式。2 提出了零序电流有功增量作为判据的故障点定位是行的通的。关键词： 20kV 的配电网 中电阻接地新型灵活接地方式 升压改造 继电保护II20kV Neutral Point Earthing and Relay Protection ReformAbstract Along with the continuous development of our national economy, but also aggravate the contradicti

11、on between supply and demand of power supply and demand,the existing 10kV distribution network in the power supply capacity, there are many inadequacies. According to the actual situation of our country has been demonstrated, the voltage of 20kV from the technical point of view is can line, in the e

12、conomy is also superior. This will be the subject of comprehensive and profound research,mainly reflected in several aspects as follows: 1.the establishment of the five of 20 kV distribution network system, which includes not only to cable outlet load density is relatively high in the city power gri

13、d,to overhead outlet load density is relatively low in the rural power grid. And according to the type of substation 20kV side, the selection scheme of the neutral point grounding mode for distribution network with different power distribution network is given. It is necessary to study the distribut

14、ion network by the resistance in resistance grounding system resistance selection and relay protection modification problem. And comprehensive consideration of the over voltage,relay protection and resistance of heat capacity, communication interference etc. many endanger the personal safety of many

15、 factors,and put forward the reconstruction method for boost transformation to the mixed outlet distribution network, also proposed the application of a new type of flexible grounding way. 2. The fault point locating of zero sequence current active increment as the criterion is the line of the pass.

16、Keywords 20kV distribution network; the new type of resistance grounding mode; boost transformation; relay protection11 绪论1.1 配电网采用 10kV 等级供电的局限性（1）随着我国经济的快速发展，电力的需求也大大提升，特别是城市地区和一些大的乡镇，导致了用电量的提升。目前 10kV 配电网也有一些不足之处，供电的范围也没达到需求。线路的供电范围，在负荷密度为 25-35 千瓦每平方千米为 10-13 千米，然而在我国农村的东部地区的用电负荷的密度大约为 65-75千瓦每平

17、方千米，一个县几乎几百平方千米，用 10kV 的供电线路供电时，因为供电半径的限制，将会建设发电厂几十余座，需要花费许多投资，每一年光主变压器的消损就百万千瓦时那么多，不管从各个方面来看，都存许多问题。（2）网络消损大，电能的质量也差。就目前来看农村的配网线路消损率基本都在百分之十几以上，线路比较长，末端的线路电压过比较低，配变长时间低负荷运行，所以农网在很早就提出应用 20kV 电压 10kV 等级代替来完成的。所以，在用电负荷的持续增加、每行每业对用电质量的要求越来越严格的状况下，应用 20kV 电压等级和把城市电网和农村电网放在一起的创新和改造，应该把他放入工程项目的设计里面。（3）高负

18、荷密度的供电很难得到满足。伴随经济的持续增长，呈现出很多比如机场、车站、及商融中心等比较高负荷密度的用户，其中这部分用户采用 110kV 或 35kV 供电问题都得不到很合理的解决。现在的城市大部分采用供电，变电把电送人市区，110kV 的供电范围 1-2km，供电的面积为 2-4 平方千米，导致变电所过多，耗费也太多。但是 20kV可以比较顺利的解决远距离和占地等各种各样的难题。（4）输变电的工程用地限制。从改革开放往后，快速发展的经济建设和不断提高的市民生活水准，城市的用电量增长的，比较客观的展现出我国的大中型企业已经赶不上快速发展的经济建设了。现在，我国的大中型城市，负荷密度已经 30-

19、50 千瓦每平方千米或者更高。在这个形式下，配电网供电就有些不太好。开始，若采用 110kV 降到城市10kV 配电，负荷密度和供电半径限制，每平方千米都得建一座降压的变电所。假如把220kV 降低 10kV 为配电，那么出线回路数就会多至数十回，导线的截面积和电缆的截面积就会变粗，导致出线不能布置。出线和电缆数量太多，就会产生道路困难的情形，与此同时造价大大增加，自身的消损也很难降低。第二，由于供电电压和导线的截面制约，导致线路比较多。所以根据设备的投资、基建占地、线路的走廊、等一系列方面都产生了许多问题。在比较大的城市找到高电压变电所变的越来越难。（5）短路容量和网络消损持续增高。城乡用户

20、增加，变配电的负荷密度大大增加，导致电网消损严重。即使国家对城乡电网加大了投资，大多数大中型城市 110kV 与220kV 进入负荷中心，这些举措即使对供电能力减小消损等方面有好处，但是 10kV 短路容量也大幅度上升。一自从将高压引入负荷中心，在 10kV 侧频频有大面积开关燃烧事故，是什么原因导致的呢，可以说是在城市与农村电网的开发建设中，只顾提高输电电压，2对电压电网的升压没有重视。在高用电时刻，直接给用户配网 110kV 的电流很大，电压比较低。这样通常会导致中低压配电和用电设备热稳定不足产生的故障。与此同时一次侧电源容量加大，如果二次侧产生短路，其电流超越了断路器开断的能力，这样会对

21、开关造成无选择性的动作更严重时会发生爆炸，因此配电二次侧电压不提高，即便是将变电站的线路放入市区中心，那也只不过是提高了电源的供电能力，降低线路损坏没有多大作用。（6）国际上的对接问题。在我国很多都是中性点不接地，绝缘水平也比较高，通常进口 15kV 到 24kV 电压等级的产品作用于 10kV 的电网，生产成本和投资利润都加大了。另外，在外国中压电网基本上都采用 20kV 的电压，法国，德国，美国还有日本印度这些国家电网都运行了很长时间。为了挺进国际市场，我们国家应该生产 20kV 电压设备，并且设计 20kV 的电网，这样才能把本地区供电问题解决好，设备的外贸出口也将挺进国际市场。1.2

22、配电网为什么采用 20kV 等级供电在我国采用 20kV 的配电电压进行了研究和学习，表明加电压制技术是通过的的，从经济上来看也是很好的。就理论上看，20kV 的优越性主要表现为：（1）线路的输送功率提升，同时有色金属也得到节约。当导线的截面积一定，电流不变的情况下，电压跟输送容量成正比，电压越高，容量越大。这样把输送容量提高 1倍，即使要输送一样的容量，20kV 导线截面跟 10kV 的相比可以减少一半多，有色金属也会节省下来。（2）中压网络半径的提高。如果电压的消损率不变，电力的负荷距离和电压的平方有一定的线性关系，具体来说是成正比。20kV 相比 10kV 的供电距离提高了很多。那么电压

23、的提高，供电半径也会大大提升。（3）将功率消损减小。在输送相同的功率的情况下 20kV 和 10kV 的差别在于，20kV 是 10kV 的一半，但是功损为其四分之一。但是在农村，电网的供电半径增大一倍，电能的消损大约能降低一半。（4）将电压的消损降低，将电能的质量提升。电压从 10kV 到 20kV，假如负荷不发生变化，电压降减小四分之三；将负荷增加，电压降减小一半，相比 10kV 而言。（5）将变压器的空载负载消损减小。变压器的空载消损在额定运行时决定电网的空载损耗，但是同容量不一样电压等级的变压器，其空载消损的数值基本上是一样的从10kV 到 20kV 的电压范围内，容量相同的变压器的空

24、载消损总体是不变的，但是负载的消损很大程度上减少，那么总的损耗就会降低这样更加节能，更加利于经济。根据外国的电压等级及其改造，我国的重压配电电压是可取的。原来法国的电压为380，225，150，20，5，0.38kV，现在改造成为 380，225，90，20，0.38kV 总五级；德国早在 1860 年前将配电电压改造成口等级 10kV。但是不久改变了这种做法，并把6，10，15kV 改为 20kV，而且这种 20kV 被大部分欧洲国家使用作为配电网，比如意大3利，波兰等国家。俄罗斯小部分是 10kV，绝大部分是 20kV 等级的；在亚洲，有一部分国家如韩国都将 20kV 作为配电电压。60

25、年代早期，韩国城网线损率很高，甚至达到百分之三十，后经过一系列措施提高输电的电压，但 70 年代线损还仍维持在百分之一左右。倘若在继续采取那样的措施看上去无济于补，这么长时间线损率仅仅下降百分之零点五。韩国在 80 年代又开始采取措施进一步的提高配电电压，并把原来的 3.3，6.6kV 配电电压改为 22kV 以后，从 1985 年线损率降低到了一个新的水平。新加坡城网原来的配电电压为英制，配电电压为 11kV 左右，到了 80 年代改造后，一次配电电压升高为 22kV 甚至更高。日本于 1980 年把电压改为 20kV，33kV，此外线路也采取了低压三相制，线损率降低至百分之五点七。以后的亚

26、洲国家大多都采用这种电压等级，可见其优越性所在。研究表明，20kV 的电压等级比较适合高负荷的密度，一些密度较大的市区中心，也适合偏远的农村地区，由此看来，它也适合我们国家社会主义初级阶段。在一些条件合适的地区，城镇配电电网的发展趋势也必然是 20kV 的电压等级。将电压等级从 10kV 过渡到 20kV 将会是一项巨大的任务。1.3 20kV 中压配电的发展前景1.3.1 国外使用 20kV 的配电电压国际上通常将 20kV 的电压等级规定为标准中压。美国，俄罗斯，加拿大和日本等国家将 20kV 电压等级列为国家标准。各个国家基本上朝着大城市用四级电压，小城市用三级电压的这个趋势发展。美国在

27、 1948 年就用 20.8-24.9kV 的电压；然而法国和德国从 20世纪 60 年代发展 20kV 的电压。五分之四的欧洲国家，比如意大利，都用的是 20kV-25kV 的配电电压。在 20 世纪 60 年代前苏联大部分城市都从 10kV 改为 20kV。其中 14个亚洲国家中就有 9 个亚洲国家用的是 20kV 中压配电电压的等级，包括我国台湾，新加坡等。1.3.2 国内采用 20kV 配电电压的情况在我国用 20kV 配电的城市:（1）苏州的工业园。这个工业园区是苏州与新加坡一起开发的区域。这个园区人口较为密集，电力负荷也较为密集。总体上来看，它的平均负荷密度能达到 50 兆瓦每平方

28、千米。重新规划的电网，高质量的供电，甚至满足全电缆配电。变电站内的主变压器大约 220、110、20kV，并且每台 220、110、20kV 的变压器的容量是 180MVA，每台110、20 的为 63MVA。变电站内的母线大部分为单母线四母线或者是单母线六分段环形的接线。它的工业园区的 20kV 配电网的中性点经过一个 7.7 欧母的电阻接地。主变压器的低压侧的绕组侧大都用的是星型接线，在变压器的内部另设了平衡的绕组，将绕组接成一个开口三角形形状，这样就给 3 次谐波开通了道路。（2）辽宁本溪市南芬的一个供电公司。它的特点是给距离较远的农村和矿区提供电能，它的配电线路大都以架空线路为主。本溪

29、市的供电公司下属公司自己设计出 S-315/20的配电器并且通过了检验。南芬地区受自然环境的制约，负荷密度较小，配电的线路也4比较长，中性点用的是调匝式消弧线圈，这样它能进行自动的跟踪和补偿。主变压器用的是 Yyd 的接线，20kV 侧用电是 Y 接线，这样就比较直接的引出了中性点。（3）在云南昆明的“世纪城”的中压配电电网。因为“世纪城”的开发面积达 2.4平方千米，住在，共建，商贸这三个成为了用电负荷的主要形式。估计这个工程建设成功后使用负荷将会有 8.65 万 kw，配电变压器的装机容量也将达到 13.75 万 kVA。为了节约投资，也为了该片区域的正常使用，片区的中压配电网将采用的是

30、20kV 的电压等级，并且是否使用 10kV 也是个值得商讨的难题。1.4 本文的研究内容配电网的电压的等级从 10kV 到 20kV 以后，就要再重新选择中性点的接地方式和继电保护的一些合理的措施。20kV 系统的中性点还有许多问题需要处理，运行经验的积累以及运行标准制定和完善。现阶段我国没有 20kV 配电网的专门的标准和量程，仅仅是在一些己经实施过的地区有了一些经验而已。在我国有关配电网的科学研究，很少给出明确的结论，有也只是关于基本理论和优越性的分析而已。所以本文将从以下几个方面对20kV 配电网的中性点接地问题进行讨论和研究：（1）建立 20kV 的配电网的 5 种最基本的模型，其中

31、有负荷密度比较高的城市电网，这些电网通常以电缆出线为主，也包含负荷密度比较低的农村电网，而这些电网通常以架空线路为主要的形式。我们依据 20kV 侧的出线分析出不一样结构的 20kV 配电网的中性点接地的不同方案类型。（2）通过研究配电网经过电阻接地时系统的电阻阻值的选取和继电保护的改造问题等。我们从过电压、继电保护等或伤及人身安全的多个因素考虑，制定了电阻的阻值选取规则，那就是基于 PSCAD/EMTDC 的仿真计算，对很多种 20kV 系统在特定的电流范围进行电阻的阻值选取与此同时也电阻的技术指标提出了基本的要求；也研究了 20kV 中性点经电阻接地条件下的继电保护特性，并且提出了改进的方

32、法。（3）将 10kV 升压为 20kV 的配电网，应该把 20kV 的中性点接地方式用 10kV 的替代。在这种方式下，能够达到电气设备的要求，同时也能达到线路绝缘水平的要求，而且单相接地的故障选线也比较方便，这样也更利于供电的连续性和安全性。基于PSCAD/EMTDC 对灵活接地方式的单相接地的故障的数值分析计算，关联的中性点接地的电阻的合理的阻值，验证出这种方法是可行的。2 20kV 配电网的模型和中性点接地的方式的概述2.1 电网的参数（1）主变压器的参数和联结的组别每台主变压器的容量大体上是 100MVA，变比是 110/20，它的空载损耗为 70kw，它的短路损耗为 340kw。110/20 的主变压器的组别用的是 Y0y0，把铁心柱上增添三角形的绕组，这样就会给三次谐波的电流开通道路。