电力变压器瓦斯和纵差动保护系统设计计划书

1 电力变压器瓦斯和纵差动保护系统设计计划书 1 概述 在电力系统中广泛地用变压器来升高或降低电压。变压器是电力系统不可缺少的重要电气设备。它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的设备。因此应根据变压器容量等级和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。 而电力系统的保护主要包括输电线的纵联保护， 所谓输电线的纵联保护，就是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外， 从而决定是否切断被保护线路。因此，理论上这种纵联保护具有绝对的选择性 。 差动保护是一种依据被保护电气设备进出线两端电流差值的变化构成的对电气设备的保护装置，一般分为纵联差动保护和横联差动保护。变压器的差动保护属纵联差动保护，横联差动保护则常用于变电所母线等设备的保护。 纵联差动保护装置由变压器两侧的电流互感器和继电器等组成，两个电流互感器串联形成环路，电流继电器并接在环路上。因此，流经继电器的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差。在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧电流大小相等 ，相位相同，因此流经继电器的差电流为零，但如果在保护区内发生短路故障，流经继电器的差电流不再为零，因此继电器将动作，使断路器跳闸，从而起到保护作用。 所谓变压器的纵联差动保护，是指由变压器的一次和二次电流的数值和相位进行比较而构成的保护。纵联差动保护装置，一般用来保护变压器线圈及引出线上发生的相间短路和大电流接地系统中的单相接地短路。对于变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常只作后备保护。变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的 变压器纵差保护的原理要求变压器在正常运行和纵差保护区外故障时，流入差动继电器中 的电流为零，保证纵差保护不动作。但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。 2 2 原理说明 电力变压器保护分为主保护和后备保护。主保护能够满足系统稳定和设备安全要求 ,能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障；后备保护是在 当主保护因为各种原因没有动作，在延时 较 短时间后启动并动作将故障回路跳开。 主保护和后备保护相互配合可以有选择、可靠地跳开故障回路。 保护配置 为了满足电力系统稳定性方面的要 求，当变压器发生故障时，要求保护装置快速切除故障，通常用变压器的瓦斯保护和纵差动保护构成双重化快速保护来作为系统的主保护。 斯保护 变电所的主变压器和动力变压器，都是用变压器油作为绝缘和散热的。当变压器内部故障时，由于短路电流和电弧的作用，故障点附近的绝缘物和变压器油分解而产生气体，同时由于气体的上升和压力的增大会引起油流的变化。利用这个特点构成的保护，叫做瓦斯保护。瓦斯保护主要由瓦斯继电器、信号继电器、保护出口继电器等构成，瓦斯继电器装在变压器油箱和油枕的连接管上。瓦斯继电器的上触点为轻瓦斯 保护，由上开口杯控制，整定值为当瓦斯继电器内上部积聚250300 3 气体时动作，动作后发信号。下触点为重瓦斯保护，由下开口杯控制，整定值为当油流速度达到 1.0 m/s 时动作，动作值后一方面发信号，另一方面启动出口继电器，使其触点闭合，并通过继电器本身的电流线圈自保持，一直到变压器各侧的断路器跳闸完成为止。 联差动保护 所谓变压器的纵联差动保护，是指由变压器的一次和二次电流的数值和相位进行比较而构成的保护。纵联差动保护装置，一般用来保护变压器线圈及引出线上 3 发生的相间短路和大电流接地系统 中的单相接地短路。对于变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常只作后备保护。 纵联差动保护装置由变压器两侧的电流互感器和继电器等组成，两个电流互感器串联形成环路，电流继电器并接在环路上。因此，流经继电器的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差。在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧电流大小相等，相位相同，因此流经继电器的差电流为零，但如果在保护区内发生短路故障，流经继电器的差电流不再为零，因此继电器将动作，使断路器跳闸，从而起到保护作用。其中双绕组单相变压器纵联差动保护的原理接线图如下图 2示。 图 2绕组单相变压器纵联差动保护的原理接线图 变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的 变压器纵差保护的原理要求变压器在正常运行和纵差保护区（纵差保护区为电流互感器 间的范围）外故障时，流入差动继电器中的电流为零，保证纵差保护不动作。但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。 电流纵差动保护不但能区分区内外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时的切除区内各种 故障，具有明显的优点。本设计中变压器主保护主要选电流纵差动保护，差动保护是变压器内部、套管及引出线上发生相间短路的主保护，同时也可以保护单相层间短路和接地短路，不需与其他保护配合，可无延 4 时的切断内部短路，动作于变压器高低压两侧断路器跳闸。为了保证动作的选择性，差动保护动作电流应躲开外部短路电流时的最大不平衡电流。 备保护配置 除了主保护配置外，变压器还应该装设相间短路和接地短路的后备保护。后备保护的作用是为了防止由外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻元件（母线或线路）保护的后备以及在可能的条 件下作为变压器内部故障时主保护的后备。变压器的相间短路后备的采用过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护以及负序过电流保护等，也有采用阻抗保护作为后备保护的情况。 此次变压器的后备保护选择过电流保护和低电压启动的过电流保护以及过负荷保护。低电压启动的过电流保护主要是为了保护外部短路引起的变压器过电流，同时也可以作为变压器差动保护以及馈线保护的后备保护。变压器的不正常工作包括过负荷运行，对此配置过负荷保护。正常时，变压器不过负荷，电流小于整定值，过负荷保护不动作。当三相负荷对称时，可仅在 一相装设过负荷保护。 5 3 参数计算 联保护计算 题目要求的计算主要包括 确定变压器保护线圈的动作电流 动线圈匝数衡线圈匝数 灵敏度 关参数计算 1) 计算变压器一次额定电流 对于 35（ A 侧）一次额定电流为： 对于 （ B 侧）一次额定电流为： 2) 电流互感器变比的确定 变比的确定原则如下：由于电流互感器二次侧的电流额定一般为有两种 1A 和 5A，强电系统都选择 5A 的，另外在当电流互感器用于测量时，其一次额定电流尽量选择的比回路 正常工作电流大 1/3 左右。其中由于变压器是， 接线方式，故有在 35需要有电流 的转化的问题需要注意。 对于 35（ A 侧）的电流计算变比及选用变比： 错误 !未找到引用源。 在一定的裕量下可以选择变比为 800/5=160 的电流互感器。 对于 （ B 侧）的电流计算变比及选用变比： 错误 !未找到引用源。 在一定的裕量下可以选择变比为 2000/5=400 的电流互感器。 3) 电流互感器二次电流 对于 35： 6 对于 ： 4) 线路三相短 路归算到基本侧的短路电流： 变压器的阻抗为： 错误 !未找到引用源。 总的阻抗有最大值和最小值： 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 =则有最大的短路电流： 本侧动作电流计算 计算基本侧动作电流整定原则如下： 1) 躲过外部短路故障时的最大不平衡电流，整定式为 式中 可靠系数，取 外部短路故障时的最大不平衡电流，其中 括电流互感器和变压器变比不 完全匹配产生的最大不平衡电流和互感器传变误差引起的最大不平衡电流。 在本题目中可以得到 式中取 U= 错误 !未找到引用源。 则有 2) 躲过变压器的最大励磁涌流，整定式为 错误 !未找到引用源。 =中有 ) 躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流 错误 !未找到引用源。 7 按照上面三个条件计算差动保护的动作电流，并选取大者 本侧线圈的匝数计算 确定基本侧工作线圈的匝数： 1) 二次动作电流： 错误 !未找到引用源。 A 错误 !未找到引用源。 匝 四舍五入后得到 错误 !未找到引用源。 匝，差动线圈匝数 错误 !未找到引用源。 匝，平衡线圈匝数 错误 !未找到引用源。 2) 继电器实际动作电流： 错误 !未找到引用源。 A 确定 35平衡线圈及工作线圈匝数： 错误 !未找到引用源。 匝 四舍五入后得到 错误 !未找到引用源。 工作线圈为 错误 !未找到引用源。 匝 3) 计算 以不必重算动作电流 4) 主保护动作时间 由于是主保护，为速段保护，动作时间应为 t=0s。 敏度校验 灵 敏度校验应该满足的条件是 式子中 各种运行方式下变压器区内端部故障时，流经差动继电器的最下差动电流。当按照上述整定原则整定动作电流不能满足灵敏度时，需要采用具有制动特性的差动继电器。 在 两相短路最小短路电流为： 8 归算至 35的短路电流为： 错误 !未找到引用源。 5流入继电器的电流为： 错误 !未找到引用源。 5继电器动作电流： 错误 !未找到引用源。 A 灵敏系数： 错误 !未找到引用源。 2 灵敏度符合要求。 备 保护计算 此次变压器的后备保护选择过电流保护和低电压启动的过电流保护以及过负荷保护。 作电流计算 过电流保护采用三相式接线，且保护应安装在电源侧，保护的动作电流 按躲过变压器可能出现的最大负荷电流 Il整定，即 式中 可靠系数，一般取 误 !未找到引用源。 返回系数 在本题中有 后备保护动作时间 由于需要与主保护配合，使跳开故障具有选择性，动作时间应该比为 t= 后备保护灵敏度校验 灵敏度需要满足： 9 在之前计算有得到中 可以得到 误 !未找到引用源。 ，满足灵敏度校验要求。 10 4 设备选型 护装置选型 在电力系统中，为了保证正常供电以及保护贵重设备的安全，都有一套由各继电器控制设备组成的继电保护线路。当电力系统中发生故障时，这些保护装置就会动作，切断故障的线路，如果是偶然的故障，还能够自动合闸，保证正常供电。 流互感器选型 保护用电流互感器，就是将线路上的电流变为一定大小的电流。给继电器等保护装置供电。当线路上发生短 路或其它故障，使线路上电流剧增时，通过电流互感器供给继电器等保护装置的电流也剧增，使继电保护装置动作，切断故障线路。另外，在考虑电流互感器选择时主要考虑如下原则： 1) 电路互感器的二次额定电流有 1A 和 5A 两种，强电系统用 5A； 2) 当电流互感器用于测量时，其一次额定电流尽量选择的比回路正常工作电流大1/3 左右，以满足在在二次侧能够不超过其额定电流； 3) 35以上配电装置一般采用油侵瓷箱式式绝缘结构的独立电流互感器，常用 列； 4) 电力变压器中性点电流互感器的一次额定电流应大于变压器允许的不平衡电流的 选择，一般情况下，可以按照变压器额定电流的 1/3 进行选择； 5) 关于准确度，用于电度计量的电流互感器，准确度不应低于 ，用于电流电压测量的准确度不低于 1 级，非重要回路可采用 3 级；用于继电保护的电流互感器，应用 D 级 B 级。 相关电流互感器的选择及其参数如表 示。 表 流互感器的选择型号及其参数 型号 额定电流比 准确级组合 二次额定输出 额定绝缘水平 错误 !未找到引用源。 10 0 30 402 级 302/42/7511 2000/5A 错误 !未找到引用源。1000/5A ( 3010P 级 505、 185本设计中两端的电路计算可以得到相应的变比分别为： 35为 600/5； 000/5。综合其他参数可以得到选用型号为 电流互感器。 另外，在变压器差动保护用的电流互感器，在最大穿越性短路电流时其误差超过 10，此时应采取下列措施： （ 1）适当地 增加电流互感器的变流比； （ 2）将两组电流互感器按相串联使用； （ 3）减小电流互感器二次回路负载； （ 4）在满足灵敏度要求的前提下，适当地提高保护动作电流 电器选型 本设计选用 差动继电器，继电器的选择及其参数如表 示。 表 2 型继电器相应参数 额定电流 动作安匝 可靠系数 整定范围（ A） 动作时间（ s） 功率消耗 触点型式 5A（ 50 60错误 !未找到引用源。 4 5 倍动作电流错误 !未找到引用源。2 倍动作电流 错误 !未找到引用源。 绕 组变压器 3 倍动作电流错误 !未找到引用源。额定电压下，平衡绕组合部接入单相功耗 错误 !未找到引用源。 16 动合 该差动继电器，作为两绕组电力变压器和交流发电机的单相差动保护。继电器可以预防由非故障状态（穿越短路电流或变压器空载合闸时）的不稳定的过渡电流而使保护非选择性地动作。该继电器由执行元件电磁式电流继电器 中间速饱和变流器组成。继电器具有短路绕组，它构成差动继电器的一些主要技术 12 性能，速饱和变流器的所有绕组都是制 成带有抽头的，这样就可以对继电器的参数进行阶梯性调整。当用 继电器来保护电力变压器时，平衡绕组的圈数根据这样的条件来选择，即当发生穿越短路时，所有绕组的匝数应相等。当用继电器保护两绕组变压器时，动作电流可以在更细致的范围内进行调整，因为这时可以利用两个平衡绕组。变流器和执行元件放在一个外壳内，为了便于对执行元件进行单独的校验调整和试验变流器特性时的须要，执行元件的线圈与变流器的二次绕组，平衡绕组与工作绕组是通过连接板相互连接的，因而可以在调整试验时接通或断开相应的电路。 动装置 在电力 系统中的绝大部分输电线路的故障是瞬时性的，而对于这种故障在跳开相关的故障后再次合上可以大大的提高供电的可靠性。为此在电力系统中广泛的采用当断路器跳闸以后能够自动地将断路器重新合闸的自动重合闸装置。 对于本系统可以采用前加速重合闸装置，在线路中线路上均装设有过电流保护，其动作时限按照阶梯型的整定原则来配合。因而，在靠近电源端的保护时限很长。为了加速故障的切除在靠近电源端的保护采用前加速保护。 采用前加速的优点如下： 1) 能够快速地切除瞬时性故障； 2) 可能使瞬时性故障来不及发展成永久性故障，从而提高重合闸的成功率； 3) 能保证发电厂和重要变电所的母线在 额定电压以上，从而保证厂用电和重要用户的电能质量； 4) 使用设备少，只需装设一套重合闸装置，简单，经济 13 5 电气原理图 Y,线变压器差动保护的三相原理接线图如下图 5示图 5绕组三相变压器纵联差动保护原理接线图 变压器保护的原理接线图如下图 5示 14 图 5压器保护的原理接线图 6 总结与体会 本次设计是针对 电网变压器 的设计，基于题目所给要求进行分析，对原理加以理解，然后根据所已知的条件计算相关的参数如整定电流、线圈匝数以及相 关灵敏系数。再根据选用的结果得到相应的电流互感器和继电器，同时采用了前加速的自动重合闸，从而提高系统的稳定性。 本课程设计综合运用了电力系统继电保护的变压器保护的相关知识，由于此部分的内容不是前期课程学习的内容，为了更好的完成此次设计，我学习了一遍此章节的全部内容，加深了对知识的理解，提高了对知识的应用能