繼電保護課程設(shè)計---對變壓器進行相關(guān)保護的設(shè)計

1、<p>　　電力系統(tǒng)繼電保護課程設(shè)計</p><p>　　題目：對變壓器進行相關(guān)保護的設(shè)計</p><p><b>　　班級：　　　 </b></p><p>　　姓名：　　　 </p><p><b>　　學(xué)號：　　　 </b></p><p>　　指

2、導(dǎo)教師：　 　 　</p><p>　　設(shè)計時間： </p><p>　評語：成績　　　　　</p><p><b>　　1 設(shè)計原始資料</b></p><p><b>　　1.1 具體題目</b></p><p>　　一臺雙繞組牽引變壓器的容量為15MVA，

3、電壓比為110±2×2.5%/27.5kV，Y，d11接線；已知：27.5kV外部短路的最大短路電流為2400A、最小短路電流為2000A，110kV側(cè)電流互感器變比為300/5，27.5kV側(cè)電流互感器變比為900/5；可靠系數(shù)取=1.3 。試對牽引變壓器進行相關(guān)保護的設(shè)計。</p><p>　　1.2 要完成的內(nèi)容</p><p>　　電力系統(tǒng)中廣泛地用變壓器來升高

4、或降低電壓。變壓器是電力系統(tǒng)不可缺少的重要電氣設(shè)備。它的故障將對供電可靠性和系統(tǒng)安全運行帶來嚴重的影響，同時大容量的電力變壓器也是十分貴重的設(shè)備。因此應(yīng)根據(jù)變壓器容量等級和重要程度裝設(shè)性能良好、動作可靠的繼電保護裝置。</p><p>　　本設(shè)計要完成的主要內(nèi)容是對變壓器進行主保護和后備保護的選擇，并根據(jù)給定的原始資料對所選擇的各種保護進行整定及算。使之最終達到變壓器在任何故障下都能迅速的切斷故障，快速恢復(fù)運行。

5、下面就分別對其主保護和后備保護做一簡單介紹。</p><p>　　變壓器的主保護，電力變壓器的主保護均采用瓦斯保護，當(dāng)殼內(nèi)故障產(chǎn)生輕瓦斯或油面下降時，應(yīng)瞬時動作于信號；當(dāng)產(chǎn)生大量瓦斯時，應(yīng)動作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。對于6.3MVA及以上變壓器和并列運行的變壓器，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。縱聯(lián)差動保護應(yīng)能躲過勵磁涌流和外部產(chǎn)生的不平衡電流，應(yīng)在變壓器過勵磁時不誤動。</p><p>　　變壓器的

6、后備保護，變壓器的相間短路后備保護首先考慮采用過電流保護，當(dāng)過電流保護滿足不了靈敏度要求時，可采用復(fù)合電壓啟動的過電流保護，若仍不滿足靈敏度的要求。則可選擇阻抗保護。雙繞組變壓器，后備保護應(yīng)裝在主電源側(cè)，根據(jù)主接線情況，保護可帶一段或兩端時限，以較短的時限縮小事故影響范圍，跳母聯(lián)或分段斷路器；較長的時限斷開變壓器各側(cè)斷路器。</p><p>　　2 分析要設(shè)計的課題內(nèi)容</p><p>&

7、lt;b>　　2.1 設(shè)計規(guī)程</b></p><p>　　電網(wǎng)、變壓器等對繼電保護的基本要求是可靠性、選擇性、快速性、靈敏性，即通常所說的“四性”，這些要求之間，有的相輔相成、有的相互制約，需要對不同的使用條件分別進行協(xié)調(diào)。對于可靠性即對，對繼電保護最基本的性能要求，它又可分為可信賴性和安全性2個方面。可信賴性要求繼電保護在異?；蚬收锨闆r下，能準確地完成設(shè)計所要求的動作；安全性要求繼電保護在非

8、設(shè)計所要求動作的所有情況下，能夠可靠地不動作。對于選擇性，是指在對電網(wǎng)影響可能最小的地方，實現(xiàn)斷路器的控制操作，以終止故障或電網(wǎng)事故的發(fā)展。對于速動性，是指繼電保護應(yīng)以允許的可能最快的速度動作于斷路器跳閘，以斷開故障或終止異常狀態(tài)的發(fā)展。對于靈敏性，是指繼電保護對設(shè)計規(guī)定要求動作的故障和異常狀態(tài)能夠可靠動作的能力。</p><p>　　變壓器是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一。電力變壓器運行的可靠性很高。由于變壓器發(fā)

9、生故障時造成的影響很大，因此應(yīng)加強其繼電保護裝置的功能，以提高電力系統(tǒng)的安全運行。按技術(shù)規(guī)程的規(guī)定電力變壓器繼電保護裝置的配置原則一般為：</p><p>　　（1）針對變壓器內(nèi)部的各種短路及油面下降應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護，其中輕瓦斯瞬時動作與信號，重瓦斯瞬時動作于斷開各側(cè)斷路器。</p><p>　?。?）應(yīng)裝設(shè)反應(yīng)變壓器繞組和引出線的多相短路及繞組匝間短路的縱聯(lián)差動保護或電流速斷保護作為主保護

10、，瞬時動作與斷開各側(cè)斷路器。</p><p>　　（3）對由外部相間短路引起的變壓器過電流，，根據(jù)變壓器容量和運行情況的不同以及變壓器靈敏度的要求不同，可以采用過電流保護、復(fù)合電壓啟動的過電流保護、負序電流和單相式低電壓啟動的過電流保護或阻抗保護作為后備保護，帶時限動作與跳閘。</p><p>　?。?）對110kV以上中性點直接接地的電網(wǎng)，應(yīng)根據(jù)變壓器中性點接地運行的具體情況和變壓器的絕

11、緣情況裝設(shè)零序電流保護和零序電壓保護，帶時限動作于跳閘。</p><p>　?。?）為防止長時間的過負荷對設(shè)備的損壞，應(yīng)根據(jù)可能的過負荷情況裝設(shè)過負荷保護，帶時限動作于信號。</p><p>　?。?）對變壓器溫度升高和冷卻系統(tǒng)的故障，應(yīng)按變壓器標中的規(guī)定，裝設(shè)作用于信號或動作于跳閘裝置。</p><p>　?。?）為了防止變壓器外部故障引起的過電流即作為變壓器之后

12、備保護，在變壓器上裝設(shè)帶低壓或不帶低電壓閉鎖的過電壓保護裝置。</p><p>　?。?）對于單側(cè)電源的變壓器。后備保護裝設(shè)于電源側(cè)，作為差動保護，瓦斯保護的后備或相鄰元件的后備保護。</p><p>　?。?）對于多測電源的變壓器。后備保護應(yīng)裝設(shè)于變壓器各側(cè)。其作用為作為差動保護的后備。要求它動作后啟動總出口繼電器。對于零序過電流保護，由于變壓器中性點接地而是零序電流分布發(fā)生變化，往往會

13、使零序電流保護的靈敏度降低，因此需要在變壓器的兩側(cè)均裝設(shè)能動作于總出口的零序電流保護段。對于相間過電流保護，則一般只在主電源側(cè)裝設(shè)動作與總出口的保護段，但該保護段對變壓器各電壓側(cè)的故障均能滿足靈敏度要求。</p><p>　?。?0）變壓器各側(cè)裝設(shè)的后備保護，主要作為各側(cè)母線和線路的后備保護，故要求只動作于跳開本側(cè)的斷路器。</p><p>　?。?1）作為變壓器斷路器與其電流互感器之間死

14、區(qū)故障的后備保護。</p><p>　　2.2 本設(shè)計的保護配置</p><p>　　2.2.1 主保護配置</p><p>　　變壓器主保護通常采用差動保護和瓦斯保護，下面分別對兩者做簡單介紹。</p><p><b>　　（1）瓦斯保護</b></p><p>　　電力變壓器通常是利用變壓器油

15、作為絕緣和冷卻介質(zhì)。當(dāng)變壓器油箱內(nèi)故障時，在故障電流和故障點電弧的作用下，變壓器油和其他絕緣材料會因受熱而分解，產(chǎn)生大量氣體。氣體排出的多少以及排出的速度，與變壓器故障的嚴重程度有關(guān)。利用這種氣體來實現(xiàn)保護的裝置，稱為瓦斯保護。瓦斯保護的主要元件是氣體繼電器，它安裝在油箱和油枕之間的連接管道上。氣體繼電器有兩個輸出觸點：一個反應(yīng)變壓器內(nèi)部的不正常情況和輕微故障，稱為“輕瓦斯”另一個反應(yīng)變壓器的嚴重故障，稱為“重瓦斯”輕瓦斯動作于信號，使

16、運行人員能夠迅速發(fā)現(xiàn)故障并及時處理；重瓦斯動作于跳開變壓器各側(cè)斷路器。其工作原理圖如圖1所示。大致的工作原理如下：</p><p>　　變壓器發(fā)生輕微故障時，油箱內(nèi)產(chǎn)生的氣體較少且速度較慢，由于油枕處在油箱的上方，使氣體繼電器內(nèi)的油面下降，當(dāng)下降到動作門檻時，輕瓦斯動作，發(fā)出警告信號。發(fā)生嚴重故障時，故障點周圍的溫度劇增而迅速產(chǎn)生大量的氣體，變壓器內(nèi)部壓力升高，迫使變壓器油從油箱從油箱經(jīng)過管道向油枕方向沖去，氣體

17、繼電器感受到的油速達到動作門檻時，重瓦斯動作，瞬時作用于跳閘回路，切除變壓器，以防事故擴大。</p><p><b>　　圖1 瓦斯保護原理</b></p><p>　　-瓦斯繼電器；-信號繼電器；-切換片；-出口繼電器</p><p><b>　　（2）差動保護</b></p><p>　　由于變

18、壓器的瓦斯保護不能反應(yīng)變壓器油箱外部套管和引出線上的故障 ，故還需增加差動保護，以保護套管以及引出線上的故障，同時差動保護也可以保護單相層間短路和接地短路。其原理接線圖如圖2所示。</p><p>　　正常運行或保護范圍外部短路時，如圖2（a）所示，，，流入差動繼電器的電流為，繼電器不動作。</p><p>　　保護范圍內(nèi)部短路時，如圖2（b）所示，流過繼電器的電流（在變壓器副邊沒有電源的

19、情況下，，），數(shù)值很大，繼電器動作。</p><p>　　實際上，變壓器的變壓比一般不等于1，因而；當(dāng)變壓器采用Y，d接線時，原副邊電流的相位也不同。這時，應(yīng)選取合理的電流互感器電流比和接線方式使。</p><p>　?。╝）正常運行或外部短路時 （b）內(nèi)部短路時</p><p>　　圖2 變壓器差動保護單相原理接線圖</p>&l

20、t;p>　　2.2.2 后備保護的配置</p><p>　　后備保護的作用是防止有外部故障引起的變壓器繞組過電流，并作相鄰原件保護的后備以及在可能的條件下作為變壓器內(nèi)部故障時主保護的后備。變壓器的相間短路后備保護首先考慮采用過電流保護，當(dāng)過電流保護滿足不了靈敏度要求時，可采用復(fù)合電壓啟動的過電流保護，若仍不滿足靈敏度的要求。則可選擇阻抗保護。雙繞組變壓器，后備保護應(yīng)裝在主電源側(cè)，根據(jù)主接線情況，保護可帶一段

21、或兩端時限，以較短的時限縮小事故影響范圍，跳母聯(lián)或分段斷路器；較長的時限斷開變壓器各側(cè)斷路器。</p><p>　　圖3 變壓器過電流保護的單相原理接線圖</p><p>　　3 變壓器短路點選取</p><p>　　3.1 等效電路的建立</p><p>　　在電力系統(tǒng)中廣泛的用變壓器升高或降低電壓，變壓器是電力系統(tǒng)重要的原件，在其故障狀態(tài)

22、時，需要對其建立等效電路來計算其相關(guān)參數(shù)，和配備相應(yīng)的保護。在求得變壓器的阻抗、導(dǎo)納后，即可作出變壓器的等值電路。變壓器的等值電路通常做成形的，且將勵磁支路接在電源側(cè)，如圖3所示。</p><p>　　3.2 保護短路點的選取</p><p>　　在進行整定保護及計算時，往往要考慮短路點的位置，在本題中，短路點的選擇如圖2所示。</p><p>　　4 保護的配合及

23、整定計算</p><p>　　4.1 主保護的整定計算</p><p>　　4.1.1 差動保護動作電流的整定原則</p><p>　?。?）躲過外部短路故障時的最大不平衡電流，整定式為：</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　其中,—可靠系數(shù)，取1.3.</p&g

24、t;<p>　　—外部短路故障時的最大不平衡電流。</p><p>　　包括電流互感器和變壓器變比不完全匹配產(chǎn)生的最大不平衡電流和互感器傳遍誤差引起的最大不平衡電流。</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中, —外部短路故障時最大短路電流 ；</p><p>　　—由于電流互感

25、器計算變比和實際變比不一致引起的相對誤差，Y，d11接線三相變壓器的計算式為；</p><p>　　—由變壓器分接頭改變引起的相對誤差，一般可去調(diào)整范圍的一半；</p><p>　　—電流互感器同型系數(shù)，取為1；</p><p>　　—非周期分量系數(shù)，取1.5～2,當(dāng)采用速飽和變流器時，由于非周期分量能引起其飽和，抑制不平衡輸出，可取為1。</p>&

26、lt;p>　?。?）躲過變壓器最大的勵磁涌流，整定式為</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　其中,—可靠系數(shù)，?。?lt;/p><p>　　—變壓器的額定電流；—勵磁涌流的最大倍數(shù)，取4～8。</p><p>　?。?）過電流互感器二次回路斷線時變壓器的最大負荷電流：</p>

27、<p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中,—可靠系數(shù)，取1.3；</p><p>　　—變壓器的最大負荷電流，當(dāng)無法確定時，可用變壓器的額定電流。</p><p>　　按上面三個條件計算縱差動保護的動作電流，并選取最大者。</p><p><b>　　校驗原則：</b>

28、</p><p>　　縱差保護校驗公式為 （5）</p><p>　　在實際中一般不低于2。</p><p><b>　　4.1.2 計算</b></p><p><b>　　基本項：</b></p><p>&l

29、t;b>　　變壓器額定電流</b></p><p>　　110kV側(cè)： 27.5kV側(cè)： </p><p><b>　　電流互感器變比</b></p><p>　　110kV側(cè)： 27.5kV側(cè)：</p><p>　　電流互感器二次側(cè)電流</p><p>　　

30、110kV側(cè)： 27.5kV側(cè)：</p><p><b>　　最大負載電流</b></p><p><b>　　動作電流：</b></p><p>　　（1）按躲過外部最大電流計算</p><p>　　由題： </p><p>　?。?）按躲過變壓器最大勵磁

31、電流計算 </p><p>　　由題： </p><p>　　（3）按二次斷線計算</p><p>　　由題： </p><p>　　靈敏度：

32、 </p><p>　　基本滿足要求，可以用縱差保護做主保護。</p><p>　　4.2 后備保護的整定計算</p><p>　　4.2.1 變壓器過電流保護的整定及校驗原則</p><p>　　（1）起動電流的計算</p><p>　　保護的啟動電流按躲過變壓器可能出現(xiàn)的最大負荷電流來整定，

33、即</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中,—可靠系數(shù)，取1.3；</p><p>　　—返回系數(shù)取=0.85～0.95；</p><p>　　—變壓器器可能出現(xiàn)的最大負荷電流。</p><p>　　對降壓變壓器，應(yīng)考慮電動機自啟動時的最大電流，計算式為</p&

34、gt;<p><b>　　（7）</b></p><p>　　其中,—正常工作時的最大負荷電流（一般為變壓器的額定電流）；</p><p>　　—綜合負荷的自啟動系數(shù)，對于110kV的降壓變電所，低壓6～10kV側(cè)取=1.5～2.5，中壓35kV側(cè)取=1.5～2。</p><p><b>　?。?）校驗原則</b&

35、gt;</p><p>　　縱差保護校驗公式為 （8）</p><p>　　在后備保護中一般大于1.25。</p><p><b>　　4.2.1 計算</b></p><p>　　動作電流： 由題： </p><

36、p><b>　　靈敏度： </b></p><p>　　大于1.25，滿足要求。</p><p>　　5 繼電保護設(shè)備的選擇</p><p>　　5.1 互感器的選擇</p><p>　　在電力系統(tǒng)中，為了保證正常供電以及保護貴重設(shè)備的安全，都有一套由各繼電器控制設(shè)備組成的繼電保護線路。當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生故障

37、時，這些保護裝置就會動作，切斷故障的線路，如果是偶然的故障，還能夠自動合閘，保證正常供電。保護用電流互感器，就是將線路上的電流變?yōu)橐欢ù笮〉碾娏?。給繼電器等保護裝置供電。當(dāng)線路上發(fā)生短路或其它故障，使線路上電流劇增時，通過電流互感器供給繼電器等保護裝置的電流也劇增，使繼電保護裝置動作，切斷故障線路。保護用電流互感器的準確級用5P和10P表示。</p><p>　　電流互感器選擇原則：</p><

38、;p>　　（1）電路互感器的二次額定電流有1A和5A兩種，強電系統(tǒng)用5A；</p><p>　　（2）當(dāng)電流互感器用于測量時，其一次額定電流盡量選擇的比回路正常工作電流大1/3左右；</p><p>　　（3） 35kV及以上配電裝置一般采用油侵瓷箱式式絕緣結(jié)構(gòu)的獨立電流互感器，常用LCC7系列；</p><p>　　電流互感器的選擇及其參數(shù)如表1所示。<

39、;/p><p>　　表1 電流互感器的選擇型號及其參數(shù)</p><p>　　變壓器差動保護用的電流互感器，在最大穿越性短路電流時其誤差超過10％，此時應(yīng)采取下列措施：</p><p>　?。?）適當(dāng)?shù)卦黾与娏骰ジ衅鞯淖兞鞅龋?lt;/p><p>　?。?）將兩組電流互感器按相串聯(lián)使用，減小電流互感器二次回路負載；</p><p&g

40、t;　?。?）在滿足靈敏度要求的前提下，適當(dāng)?shù)靥岣弑Ｗo動作電流；</p><p>　　6 二次展開原理圖的繪制</p><p>　　6.1 保護測量電路</p><p>　　保護測量電路如圖4所示。</p><p><b>　　圖4 保護測量電路</b></p><p><b>　　6.

41、2保護跳閘電路</b></p><p>　　保護跳閘電路如圖5和圖6所示。</p><p><b>　　圖5保護接線電路</b></p><p><b>　　圖6保護跳閘電路</b></p><p><b>　　7 保護的評價</b></p><

42、p>　　一旦變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時，差動與瓦斯保護能否正確反映出來，這與它們的設(shè)計原理是密切相關(guān)的。主變差動保護是按循環(huán)電流原理設(shè)計制造的，而瓦斯保護是根據(jù)變壓器的內(nèi)部故障時會產(chǎn)生或分解出氣體，針對這一點設(shè)計制造的。兩種保護由于基本原理不一樣，因而在作用和保護范圍上也有所不同。它們的區(qū)別為：差動保護是變壓器的主保護，瓦斯保護為變壓器內(nèi)部故障時的主保護。差動保護的保護范圍為主變各側(cè)差動TA之間的一次電氣部分，即：①主變引出線及變壓器線

43、圈發(fā)生多相短路；②單相嚴重的匝間短路；③在大電流接地系統(tǒng)中保護線圈及引出線上的接地故障。瓦斯的保護范圍是：①變壓器內(nèi)部多相短路； ②匝間短路，匝間與鐵芯或外皮短路；③鐵芯故障(發(fā)熱燒損)；④油面下降或漏油；⑤分接開關(guān)接觸不良或?qū)Ь€焊接不良。另一個區(qū)別是差動保護可裝在變壓器、發(fā)電機、分段母線線路上，而瓦斯保護為變壓器獨有的保護。</p><p>　　差動保護的優(yōu)點是能夠迅速有選擇地切除保護范圍的故障，接線正確調(diào)試得

44、當(dāng)不發(fā)生誤動。其缺點是對變壓器內(nèi)部不嚴重的匝間短路反映不夠靈敏。</p><p>　　瓦斯保護的優(yōu)點是，瓦斯保護不僅能反映變壓器的油箱和內(nèi)部各種故障，而且還能反映出差動保護反映不出來的不嚴重的匝間短路，和任何繼電器不能發(fā)覺的鐵芯故障，及內(nèi)部進入空氣等，因此是靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單，且是動作迅速的保護。其缺點是：①它不能反映變壓器外部故障(套管和引出線)，因此瓦斯保護不能作為變壓器各種故障的唯一保護；②瓦斯保護抵抗外界

45、干擾的性能較差，比如：地震時就容易造成誤動作；③如果裝置瓦斯電纜時，不能很好處理防油或瓦斯繼電器不能很好處理防水的問題，有可能因漏油腐蝕電纜絕緣或漏水造成誤動作。</p><p>　　差動和瓦斯保護一般是相互配合來完成保護主變?nèi)蝿?wù)的。在變壓器內(nèi)部故障時(除不嚴重的匝間短路)，差動和瓦斯保護都能反映出來。至于哪種保護首先動作還須看故障的性質(zhì)。</p><p><b>　　參 考 文

46、 獻</b></p><p>　　[1] 張寶會，尹項根主編.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005.</p><p>　　[2] 崔家佩，孟慶炎，陳永芳等.電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置整定計算[M].北京：中國電力出版社，1993.</p><p>　　[5] 許建安主編.繼電保護整定計算[M].北京：中國水利水電出版社，2001.&