电力变压器继电保护设计

1、中北大学课程设计说明书目录1引言 12继电保护相关理论知识 22.1 继电保护的概述 22.1.1 继电保护的任务 22.1.2 继电保护基本原理和保护装置的组成 23变电所继电保护和自动装置规划 43.1 系统分析及继电保护要求： 43.2 本系统故障分析： 43.3 本设计继电保护装置原理概述： 43.3.1 110KV 线路电流速断保护 43.3.2 110KV 线路过电流保护 43.3.3 平行双回线路横联方向差动保护 43.3.4 变压器瓦斯保护 53.3.5 变压器纵联差动保护 54短路电流计算 64.1 画出短路等值电路 64.2 短路电流计算 74.3 保护装置的配置（表4.1

2、 ） 85各保护装置的整定计算 95.1 纵差保护的整定计算 95.2 110kV侧复合电压启动过电流保护整定计算 115.3 38.5kV侧方向过流保护 125.4 110kV零序过电流保护 125.5 变压器气体保护的整定 126课程设计心得与体会 14附录A三段式电流保护接线图 15附录B保护配置原理接线图 16参考文献 17I中北大学课程设计说明书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。应根据审定的电力系统设计（二 次部分）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。设计应满足继电保护和安

3、全自动装置技术规程（SDJ6-83）、110220kV电网 继电保护与安全自动装置运行条例等有关专业技术规程的要求。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。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

4、进行综合 评价。其中短路电流的计算和电气设备的选择是本设计的重点。通过此次线路保护的设计可以巩固我们本学期所学的电力系统继电保护这一课程的理论知识， 能提高我们提出问题、思考问题、解决问题的能力。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。电网继电保护和安全自动装置应符合可靠性、安全性、灵敏性、速动性的要求。要结合具体条件和要求，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，

5、以达到保证电网安全经济运行的目的。2继电保护相关理论知识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。2.2.1 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，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。2.2.2 继电保护基本原理和保护装置的组成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

6、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： 反映电气量的保护电力系统发生故障时，通常伴有电流增大、电压降低以及电流与电压的比值 （阻抗）和它们之间的相位角改变等现象。因此，在被保护元件的一端装没的种种 变换器可以检测、比较并鉴别出发生故障时这些基本参数与正常运行时的差 别.就可以构成各种不同原理的继电保护装置。例如：反映电流增大构成过电流保护；反映电压降低（或升高）构成低电压（或过电压）保护；反映电流与电压间的相位角变化构成方向保

7、护；反映电压与电流的比值的变化构成距离保护。除此以外.还可根据在被保护元件内部和外部短路时， 被保护元件两端电流 相位或功率方向的差别，分别构成差动保护、高频保护等。同理，由于序分量保护灵敏度高，也得到广泛应用。新出现的反映故障分量、突变量以及自适应原理的保护也在应用中。（2）反映非电气量的保护如反应温度、压力、流量等非电气量变化的可以构成电力变压器的瓦斯保护、温度保护等。继电保护相当于一种在线的开环的自动控制装置， 根据控制过程信号性质的 不同，可以分模拟型（它又分为机电型和静态型）和数字型两大类。对于常规的模 拟继电保护装置，一般包括测量部分、逻辑部分和执行部分。测量部分从被保护 对象输入

8、有关信号，再与给定的整定值比较，以判断是否发生故障或不正常运行 状态；逻辑部分依据测量部分输出量的性质、 出现的顺序或其组合，进行逻辑判 断，以确定保护是否应该动作；执行部分依据前面环节判断得出的结果子以执行： 跳闸或发信号。第20页共17页3变电所继电保护和自动装置规划3.1 系统分析及继电保护要求：本设计110/35KV系统为双电源35KV单母线分段接线，110KV侧单母线分段 接线，所接负荷多为化工型，属一二类负荷居多。为保证安全供电和电能质量，继电保护应满足四项基本要求，即选择性、速 动性、灵敏性和可靠性。3.2 本系统故障分析：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

9、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。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。变压器的不正常运行过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及不允 许的油面下降。3.3 本设计继电保护装置原理概述：3.3.1 110KV线路电流速断保护110KV 线路电流速断保护是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

10、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。3.3.2 110KV线路过电流保护110KV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。3.3.3 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

11、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。3.3.4 变压器瓦斯保护变压器瓦斯保护是利用安装在变压器油箱与油枕间的瓦斯继电器来判别变 压器内部故障；当变压器内部发生故障时，电弧使油及绝缘物分解产生气体。 故 障轻微时，油箱内气体缓慢的产生，气体上升聚集在继电器里，使油面下降，继 电器动作，接点闭合，这时让其作用于信号，称为轻瓦斯

12、保护；故障严重时，油 箱内产生大量的气体，在该气体作用下形成强烈的油流， 冲击继电器，使继电器 动作，接点闭合，这时作用于跳闸并发信，称为重瓦斯保护。3.3.5 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，具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问短路时，从电流互感器流入继电器的电流大小 不等，相位相同，使继电器内有电流流过。但实际上由于变压器的励

13、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，变压器差动 保护需解决这些问题，方法有： 靠整定值躲过不平衡电流 采用比例制动差动保护。 采用二次谐波制动。 采用间歇角原理。 采用速饱和变流器。本设计采用较经济的BCH-1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短路电流计算用标幺值计算短路电流参数，确定短路计算点，计算短路电流值。4.1 画出短路等值电路如图4.1所示，图4.1 短路等值电路图计算各元件电抗参数，取基准容量Sd 100MVA ,基准电压为U d1 10.5kV ,U d237kV ;基准电流为:I d13100 10-5500

14、A ,.3 10.5(1)(2)I d23100 103 371560 A计算电源系统基准电抗的标幺值。Xs.minX八 s.maxSd100Sk.maxSdSk. min9001005000.1111 ,0.2变压器各侧阻抗标幺值。c 11Uk1%- 10.5 17 610.75, Uk200 - 10.5 17 60.251，八Uk30o110.5 17 66.25, Xt.hUk1 00Sd100 Stn10.75 10010031.50.3413Xt.mU k 2 0 0 Sd100 Stn0.25 10010031.50.007937T.LUk3 00 Sd100 Stn6.25 1

15、00100 31.50.1984(3)Id1k1 .maxX (k1).min(3)k1 .minI d1X (k1).max55000.2 0.3413 0.19845500人7435A0.7397(3)线路的基准电抗标幺值。Xl1 X1I1 斗 0.4 15 -0025.4422Ud110.5Sd100X|2X1I2 升 0.4 252 9.0703Ud110.5X13 X14X1I3-S- 0.4 35 100 1.0226Ud23724.2 短路电流计算由主接线分析可知，变压器的主保护为一台变压器单独运行为保护的计算方式，保护时，变压器后备保护作保护线路的远后备保护时，要校验k3、k4

16、两点的灵敏系数，因此，除需要计算 k1、k2两点最大、最小运行方式短路电流外，还需计算k3、k4两点的最小短路电流(1) k1点短路电流计算8451A55000.1111 0.3413 0.1984一(2)33_ 一 一 一一一IYmin Ik1.min 0.866 74356439A2(2)求k2点短路电流(3)I d2k2.maxX (k2).min15600.1111 0.3413 0.007915600.43343510Ak2.min156015600.2 0.3413 0.00790.53342925AI d2X (k2).max(2) k2.min0.866 15600.2 0.3

17、413 0.007913510.53342533A(3)求k3点最小短路电流(2)k3. min0.866Id2X (k3).max1560 0.8660.2 0.3413 0.0079 1.02261560 0.866 868A1.5560(4)求k4点最小短路电流(2)k4. min0.866Id1X (k4).max5500 0.8660.1111 0.3413 0.1984 5.44225500 0.8666.093782A4.3 保护装置的配置(表4.1 )表4.1变压器保护装置的配置序号保护名称选择继电器型号1纵差保护BCHH12110kV侧复合电压启动的过流保护DA4, DL11

18、, DY 25335kV侧方向过流保护LG11, DL114110kV侧零序过电流保护DL 135气体保护QA 805各保护装置的整定计算5.1纵差保护的整定计算（1）计算变压器差动臂中电流，由表 5.1计算可知，110kV侧差动臂中的 电流最大，故110kV侧为计算的基本侧。表5.1 计算结果名称变压器各侧数据额定电压（kV）11038.511变压器的额定电流（A）31500 165V3 11031500473<3 38.531500十 165033 11TA接线方式duduy y0选才i TA的标准变比近 16530055庭 473 1000552000/5差动臂中的电流（A）为 1

19、65 4.7560V3 473 4.1220016504.12400（2）确定制动绕组的接线方式，制动绕组接入 38.5kV侧，因为，该侧的外部 发生故障时，穿越变压器的短路电流很大。（3）计算差动保护的一侧动作电流。1）按躲过110kV外部故障的最大不平衡电流整定，即I 3'kl. maxIkl.max 8451Kav11510.5845110.95772AI opKrel KstKerr,3 'm I kl .max=1.31 0.1 0.1 0.05 772 0.325 772 251A式中：Krel 一可靠系数，采用1.3;K err电流互感器容许的最大稳态相对误差，取

20、 0.1 ；K st 同型系数，本设计取1;A 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 ;A F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。2）按躲过变压器励磁涌流计算，即Iop K/tn.h 1.5 165248A式中：Krel一可靠系数，采用1.5；I TN.H变压器额定电流。3）按躲过电流互感器二次回路断线，即Iop KrellTN.H 1.3 165214.5A式中：Krel一可靠系数，采用1.3；ITN.H一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。4）取上述各条件中最大的作为基本侧一次动作电流即

21、Iop251A,差动继电器基本侧动作电流为确定差动绕组匝数取整定匝数Wop.set动作电流为Iop p1 op.rWopK2onk .2±J5J 7.25AKTA.H60”6008.27匝Iop.r 7.258匝，则继电器动作电流为Iop.r7.560 259.8 Ao6087.5A,保护装置实际5）其他各侧工作绕组和平衡绕组的匝数。38.5kV侧的平衡绕组为I N2 110 I n2 38.5Wb 38.5Wop.setI N2 38.54.754.124.128 1.22 匝11kV侧的平衡绕组为Wb 11N2 1101 n2 11I N 2 11op.set4.75 4.124

22、.121.22 匝取平衡绕组整定匝数Wb 38.5 setWb 11 set 1 匝去工作绕组匝数Ww 38.5 setWw 11 set 816）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为Wb 11Wb 11 .setmnWb 11Wop.set1.22 11.22 80.024 0.05Wb 38.5Wb 38.5 .setm 38.5Wb 38.5Wop.set1.22 1- 0.024 0.051.22 87）制动系数和制动绕组匝数计算。由于系单侧电源，故制动系数计算为Kres Krel KstKerr U 110 U 38.5 m 38.5=1.3(1 0.10.1 0.05 0.024

23、) 0.356制动绕组的计算匝数WresKresWtg0.356 90.93.56 匝取整定匝数Wres.set4 匝8）校验灵敏系数k1点最小短路电流折算到110kV基本侧为i，2 .1 k1 .mini，2 .k1. minKtv6439115/10.56439588A10.95KsenI RnI set(1)电流元件的动作电流Iset AtnK re1.30.85165 252.35A(2)电压元件的动作电压Uop.r 0.6 0.7Un20.6 0.7 110KV66 KV 77KV ,取 70KV(3)负序电压元件的动作电压U2.op 0.06 0.12 Un20.06 0.12 1

24、10KV0.66KV 13.2KV,取 10KV(4)校验灵敏系数i，2 .k1.minKs.min1 set588252.352.33 1.55882.34251则灵敏性Ksen 2.34 2满足要求。5.2 110kV侧复合电压启动过电流保护整定计算作11kV线路后备保护Ksmin s. MinI .2 k4.min1 set7823.09 1.3 辆足要求。252.355.3 38.5kV侧方向过流保护功率方向元件的动作方向，为自变压器指向35kV母线方向，方向元件的动作电流为IKrelKSSITN 1.3 2473 7.23AKre Kta0.85 200.2 Kln25332533K

25、s.min1.75 1 .5lop 7.23 2001446作线路13后备保护灵敏系数Ksmin 竺8 0.6 1.3不合要求。 lop 14465.4 110kV零序过电流保护由主接线图可知，该变电所为终端变电所，接地保护不需要与下级配合，故零序过电流保护的动作值按躲开最大不平衡电流，即I -loprKrelKstKerr Uk2max1.5 0.5op.ii es eiiKTA.H0.1 鬻 0.075鬻 4.388 45A电压元件的动作电压为3UONUop.r0.05 0.01 -ON 20Vs. min3Eph 2Z1 Z。4.5 60KTV3 38.5 1033 2 0.5318 0.539714.827