某电力变压器继电保护设计

1、 中北大学信息商务学院继电保护课程设计说明书 1 引言电网继电保护和安全自动装置是电力系统的重要组成部分，对保证电力系统的正常运行，防止事故发生或扩大起了重要作用。继电保护是对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施。应根据审定的电力系统设计原则或审定的系统接线及要求进行电网继电保护和安全自动装置设计。继电保护是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。许多实例表明，继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。因此，加强继电保护的设计和整定计算，是保证电网安全稳定运行的重要工作

2、。实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。其中短路电流的计算和电流整定计算是重点。通过分析，找到符合电网要求的继电保护方案。电力系统和继电保护技术的不断发展和安全稳定运行，给国民经济和社会发展带来了巨大动力和效益。但是，电力系统一旦发生自然或人为故障，如果不能及时有效控制，就会失去稳定运行，使电网瓦解，并造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。因此电网继电保护和安全自动装置应符合可靠性、安全

3、性、灵敏性、速动性的要求。要结合具体条件和要求，本设计从装置的选型、配置、整定、实验等方面采取综合措施，突出重点，统筹兼顾，妥善处理，以达到保证电网安全经济运行的目的。2 继电保护的相关知识2.1 继电保护的概述  研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以沿称继电保护。 2.2 继电保护的任务 当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，

4、以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。2.3 继电保护基本原理   继电保护装置的作用是起到反事故的自动装置的作用，必须正确地区分“正常”与“不正常”运行状态、被保护元件的“外部故障”与“内部故障”，以实现继电保护的功能。因此，通过检测各种状态下被保护元件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别。依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护。2.4 对继电保护装置的要求 继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的

5、运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低。  （1）选择性   选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。  （2）速动性   速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。（3）灵敏性   灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置

6、的反应能力。保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。  能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。系统最大运行方式：被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；  系统最小运行方式：在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。（4）可靠性  可靠性包括安全性

7、和信赖性，是对继电保护最根本的要求。  安全性：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。  信赖性：要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。   以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。3 概述3.1 设计原始资料3.1.1 35KV变电站主接线图 图3.1 35KV变电站主接线图3.1.2主要参数C1 系统： X1= 0.06/0.1

8、2； X2=X1 ； X1 以1000kVA，37KV为基准的标幺值，分子为最大方式，分母为最小方式的阻抗标幺值。 C2系统： X1= 0.1/0.15； X2=X1 ； X1 以1000kVA，37KV为基准的标幺值，分子为最大方式，分母为最小方式的阻抗标幺值。 A 站：有两台双卷变压器 容量为2×400kVA 35±4×2.5%/11kv ；Uk%=6.5%。35KV线路X1=0.4/km ；10KV电缆线路R=0.45/km ，X=0.08/km。XL-1 最大负荷130kVA ；XL-2最大负荷100kVA；XL-3最大负荷80kVA ； XL-4最大负荷

9、100kVA ；XL-5最大负荷110kVA ；XL-6最大负荷150kVA 。其中一类负荷45%；二类负荷25%；三类负荷30%。 XL-6为双回线。3.2 本系统故障分析3.2.1系统线路主要的故障本设计中的电力系统具有非直接接地的架空线路及中性点不接地的电力变压器等主要设备。就线路来讲，其主要故障为单相接地、两相接地和三相接地。3.2.2电力变压器的故障 电力变压器的故障分为外部故障和内部故障两类。变压器的外部故障常见的是高低压套管及引线故障，它可能引起变压器出线端的相间短路或引出线碰接外壳。变压器的内部故障有相间短路、绕组的匝间短路和绝缘损坏。3.310KV线路继电保护装置根据线路的故

10、障类型，按不同的出线回路数，设置相应的继电保护装置如下：3.3.1单回出线保护 采用两段式电流保护，即电流速断保护和过电流保护。其中电流速断保护为主保护，不带时限，0S跳闸。3.3.2双回路出线保护 采用平行双回线路横联方向差动保护加电流保护。其中横联方向差动保护为主保护。电流保护作为横联方向差动保护的后备保护。3.4主变压器继电保护装置设置 变压器为变电所的核心设备，根据其故障和不正常运行的情况，从反应各种不同故障的可靠、快速、灵敏及提高系统的安全性出发，设置相应的主保护、异常运行保护和必要的辅助保护如下： 变压器为变电所的核心设备，根据其故障和不正常运行的情况，从反应各种不同故障的可靠、快

11、速、灵敏及提高系统的安全性出发，设置相应的主保护、异常运行保护和必要的辅助保护如下：3.4.1主保护 瓦斯保护（以防御变压器内部故障和油面降低）、纵联差动保护（以防御变压器绕组、套管和引出线的相间短路）。3.4.2后备保护 过电流保护（以反应变压器外部相间故障）、过负荷保护（反应由于过负荷而引起的过电流）。3.5 本设计继电保护装置原理概述3.5.1 10KV线路电流速断保护 根据短路时通过保护装置的电流来选择动作电流的，以动作电流的大小来控制保护装置的保护范围；有无时限电流速断和延时电流速断，采用二相二电流继电器的不完全星形接线方式，本设计选用无时限电流速断保护。3.5.2 10KV线路过电

12、流保护 10KV线路过电流保护是利用短路时的电流比正常运行时大的特征来鉴别线路发生了短路故障，其动作的选择性由过电流保护装置的动作具有适当的延时来保证，有定时限过电流保护和反时限过电流保护；本设计与电流速断保护装置共用两组电流互感器，采用二相二继电器的不完全星形接线方式，选用定时限过电流保护，作为电流速断保护的后备保护，来切除电流速断保护范围以外的故障，其保护范围为本线路全部和下段线路的一部分。3.5.3 平行双回线路横联方向差动保护 平行双回线路横联方向差动保护是通过比较两线路的电流相位和数值相同与否鉴别发生的故障;由电流起动元件、功率方向元件和出口执行元件组成，电流起动元件用以判断线路是否

13、发生故障，功率方向元件用以判断哪回线路发生故障，双回线路运行时能保证有选择的动作。该保护动作时间0S，由于横联保护在相继动作区内短路时，切除故障的时间将延长一倍，故加装一套三段式电流保护，作为后备保护。3.5.4 变压器纵联差动保护 变压器纵联差动保护是按照循环电流的原理构成。在变压器两侧都装设电流互感器，其二次绕组按环流原则串联，差动继电器并接在回路壁中，在正常运行和外部短路时，二次电流在臂中环流，使差动保护在正常运行和外部短路时不动作，由电流互感器流入继电器的电流应大小相等，相位相反，使得流过继电器的电流为零；在变压器内部发生相间短路时，从电流互感器流入继电器的电流大小不等，相位相同，使继

14、电器内有电流流过。但实际上由于变压器的励磁涌流、接线方式及电流互感器误差等因素的影响，继电器中存在不平衡电流。 本设计采用较经济的BCH-2型带有速饱和变流器的继电器，以提高保护装置的励磁涌流的能力。4 短路电流计算4.1 系统等效电路图： 4.2 基准参数选定： SB=1000KVA，UB=Uav即：35kV侧UB=37KV，10kV侧UB=10.5KV。4.3 阻抗计算（均为标幺值）：1）C1系统：最大方式X1=0.06 最小方式X1=0.12 C2系统：最大方式X2=0.1 最小方式X2=0.152)线路：L1：X3=l1X1SB/VB2=0.4×10×1/372=0

15、.00292 L2：X4=l3X1SB/VB2=0.4×13×1/372=0.00383） 变压器： X5=X6=（Uk%/100）SB/S=6.5/100×1/0.4=0.16254) 10KV侧线路： XL1= l1X2SB/VB2 =0.45×3×1/10.52=0.012 XL2= l1X2SB/VB2 = 0.45×2×1/10.52=0.0082 XL3= l1X2SB/VB2 = 0.45×1.5×1/10.52=0.0061 XL4= l1X2SB/VB2 =0.45×1

16、5;1/10.52 =0.0041 XL5= l1X2SB/VB2 = 0.45×2×1/10.52=0.0082 XL6= l1X2SB/VB2 = 0.45×3×1/10.52/2=0.006 4.4 短路电流计算： 1） 最大运行方式：其中： X7=X1+X30.063 X8= X2+X40.104X9=X7X80.039 X10=X9+X50.202 据此，系统化简如图4.2和4.3所示。故知35KV母线上短路电流：Id1max=IB1/X9=0.0156/0.183=0.4(KA) 10KV母线上短路电流: Id2max=IB2/X10=0.0

17、55/0.202=0.272(KA)折算到35KV侧: Id21max=IB1/X10=0.0156/0.202=0.077(KA)对于d3点以XL6计算 Id3max=5.5/(0.202+0.006)=0.208(KA)最大运行方式图： 图4.2 最大运行方式图 图4.3 最大运行方式图2) 最小运行方式下:系统化简如图4.4所示。因C1停运,所以仅考虑C2单独运行的结果；X11=X8+X5=0.267所以35KV母线上短路电流：Id1min=IB1/X8=0.0156/0.104=0.15(kA)所以10KV母线上短路电流：Id2min=IB2/X11=0.055/0.267=0.206

18、(kA)折算到35KV侧： Id2lmin = IB1/X11=0.0156/0.267=0.058(kA)对于d3以XL6进行计算 Id3min=0.055/(0.267+0.006)=0.201(kA)折算到35KV侧：Id3lmin = 0.0156/(0.267+0.201)=0.033(kA)图4.4 最小运行图5 主变继电保护整定计算及继电器选择5.1 瓦斯保护 轻瓦斯保护的动作值按气体容积为250300cm2整定，本设计采用280 cm2。重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为0.61.5 cm2整定本，本设计采用0.9 cm2。瓦斯继电器选用FJ3-80型。5.2 纵联差动保护

19、选用BCH-2型差动继电器。5.2.1 计算Ie及电流互感器变比表5.1 Ie及电流互感器变比名 称各侧数据Y（35KV）（10KV）额定电流I1e=S/ U1e=103.9AI2e=S/ U2e=346.4A变压器接线方式YCT接线方式YCT计算变比I1e/5=180/5I2e/5=346.4/5实选CT变比nl200/5400/5实际额定电流I1e/5=4.50AI2e/5=4.33A不平衡电流Ibp4.50-4.33=0.17A确定基本侧基本侧非基本侧5.2.2 确定基本侧动作电流1） 躲过外部故障时的最大不平衡电流 Idz1KKIbp (1)利用实用计算式： Idz1=KK（KfzqK

20、txfi+U+fza）Id2lmax式中：KK可靠系数，采用1.3； Kfzq非同期分量引起的误差，采用1；Ktx 同型系数，CT型号相同且处于同一情况时取0.5，型号不同时取1，本设计取1。 U变压器调压时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，本设计取0.05。fza继电器整定匝书数与计算匝数不等而产生的相对误差，暂无法求出，先采用中间值0.05。代入数据得 Idz1=1.3×(1×1×0.1+0.05+0.05) ×8.39=218.1（A）2） 躲过变压器空载投入或外部故障后电压恢复时的励磁涌流 Idz1= KK Ie （2）式中：KK可靠系数，

21、采用1.3； Ie变压器额定电流：代入数据得 Idz1= 1.3×103.9=135.1(A)3) 躲过电流互改器二次回路短线时的最大负荷电流 Idz1= KKTfhmax （3） 式中： KK可靠系数，采用1.3； Idz1正常运行时变压器的最大负荷电流；采用变压器的额定电流。代入数据得 Idz1=1.3×103.9=135.1(A)比较上述（1），（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值，即： Idz1=218.1（A）5.2.3 确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流 将两侧电流互感器分别结于继电器的两组平衡线圈，再接入差动线圈，使继电器的实用匝数和动作电流更

22、接近于计算值；以二次回路额定电流最大侧作为基本侧，基本侧的继电器动作电流及线圈匝数计算如下： 基本侧（35KV）继电器动作值 IdzjsI=KJXIdz1/nl 代入数据得 IdzjsI= ×218.1/40=9.44（A） 基本侧继电器差动线圈匝数 WcdjsI=Awo/ IdzjsI 式中：Awo为继电器动作安匝，应采用实际值，本设计中采用额定值，取得60安匝。 代入数据得 WcdjsI=60/9.44=6.35(匝) 选用差动线圈与一组平衡线圈匝数之和较WcdjsI小而相近的数值，作为差动线圈整定匝数WcdZ。 即：实际整定匝数WcdZ=6（匝） 继电器的实际动作电流 Idzj

23、I=Awo/ WcdZ=60/5=12（A） 保护装置的实际动作电流 IdzI= IdzjINl/Kjx=12×40/=277.1A5.2.4 确定非基本侧平衡线圈和工作线圈的匝数 平衡线圈计算匝数 Wphjs=Wcdz/Ie2JI-Wcdz =6×(4.55/4.50-1)=0.06(匝) 故，取平衡线圈实际匝数Wphz=0 工作线圈计算匝数Wgz= Wphz+Wcdz=5(匝)5.2.5 计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差fza fza= (Wphjs- Wphz)/( Wphjs+ Wcdz) =(0.06-0)/(0.06+5)=0.01 此值小于原定值0.05，取法合适，不需重新计算。5.2.6 初步确定短路线圈的抽头 根据前面对BCH-2差动继电器的分析，考虑到本系统主变压器容量较小，励磁涌流较大，故选用较大匝数的“C-C”抽头，实际应用中，还应考虑继电器所接的电流互感器的型号、性能等，抽头是否合适，应经过变压器空载投入试验最后确定。5.2.7 保护装置灵敏度校验 差动保护灵敏度要求值Klm2 本系统在最小运行方式下，10KV侧出口发生两相短路时，保护装置的灵敏度最低。 本装置灵敏度 Klm=0.866KjxIdlmin/Idzl =0