继电保护课程设计广石化陈金鹏

1、广东石油化工学院电气工程专业综合课程设计题目：电力变压器继电保护综合设计专业：电气工程及其自动化班级：电气 12-4姓名：学号：120344704指导老师：陈金鹏完成时间：2016年 1 月 15日1电气工程综合课程设计任务书一、设计目的和要求电气工程综合课程设计是电力系统自动化技术专业重要的实践性教学环节。通过课程设计使学生进一步加深对电力系统理论知识的理解，培养理论联系实际的科学作风，增强相关知识点的贯穿能力。通过该课程设计，培养学生使用图书馆和网络搜集和查阅资料，进行方案论证与设计、总结设计成果，撰写学术论文等，为今后工作打下良好基础。二、 课程设计题目：电力变压器继电保护综合设计三、

2、设计内容及步骤掌握电力变压器的保护原理， 学会正确选择保护方式、 保护设备，熟悉电力变压器的保护整定原则和整定方法，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。1. 设计内容原始资料：一台双绕组降压变压器，容量为30MVA，电压比为110±2×2.5%/6.6kV,Yd11接线，UK%=10.5, 归算到平均电压6.6kV 的系统最大阻抗和最小阻抗分别为 0.4 和 0.2 。3KV侧最大负荷电流为1kA 。已知： 110kV 侧电流互感器变比为300/5,6.6kV侧电流互感器变比为3000/5 。1确定变压器的保护方案；2. 根据原始资料进行保护的整定计算；3

3、 设计出变压器保护的展开式原理图。2设计步骤1技术方案的论证；2相关量的定量计算；3最终成果；24用标准电气符号绘制展开式原理图；5完成设计说明书。四、进度安排1. 课程设计进程及内容序号时间（天）课程设计内容12熟悉课题、收集和消化资料、总体方案设计、论证24整定计算32绘制展开式原理图42整理课程设计报告、答辩五、课程设计报告设计报告内容包括：摘要、关键词、目录、正文、参考文献。其中，正文部分包括：（包括封面、目录、设计任务书、方案论证、整定计算、继电器保护回路展开式原理图、所用器件型号、设计总结、参考文献） 。六、答辩与成绩评定按广东石油化工学院有关教学实训的考核标准和成绩评定办法综合评

4、定成绩。七、参考文献1 贺家李 宋从矩 . 电力系统继电保护原理（增订版） . 北京：中国电力出版社， 2007.2 张宝会 尹向根 . 电力系统继电保护（第三版） . 北京：中国电力出版社， 2011.3 刘学军 . 继电保护原理 . 北京：中国电力出版社， 2010.4 孙丽华 . 电力工程基础（第二版） . 北京：机械工业出版社， 2013.5 杨晓敏 . 电力系统继电保护原理及应用 . 北京：机械工业出版社， 2006.3目录1设计原则及规程 .51.1保护方式 .51.2设计原始资料 .61.2.1设计题目 .62本设计的保护配置 .72.1主保护配置 .72.2后备保护配置 .83

5、保护的配合及整定计算 .83.1主保护的整定计算 .83.1.1 额定值计算 .83.1.2纵差动保护动作电流整定 .93.1.3 灵敏度校验 .103.2后备保护的整定计算 .113.2.1过电流保护 .113.2.2低电压启动的过电流保护 .114结果分析.124.1对主保护的评价 .124.2对后备保护的评价 .135二次回路展开式原理图及设备选型. 135.1变压器瓦斯保护原理图 .135.2变压器纵差动保护原理图 .145.3低电压启动的过电流保护原理图.155.4设备选型如下表 .155.5电力变压器继电保护展开图.165总结体会.176 参考文献174摘要电力变压器是电力系统中极

6、其重要的电气设备, 它在整个电力系统中起转换枢纽的作用, 变压器的安全运行与否 , 直接关系到电力系统能否连续稳定地工作。因此 , 为了供电的可靠性和系统正常运行 , 就必须视其容量的大小、 电压的高低和重要程度 , 设置相应的继电保护装置。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。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

7、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。关键词：电力变压器、继电装置保护、安全运行1 设计原则及规程1.1 保护方式根据规程规定，变压器一般应装设下列保护：（1）瓦斯保护瓦斯保护能够保护变压器油箱内的各种轻微故障，例如绕组轻微的匝间短路、铁芯烧损等，但像变压器绝缘子闪络等油箱外的故障， 瓦斯保护不能反应。 规程规定对于容量为 800kV·A 以上的油浸式变压器和 400kV·A 及以上的车间内油浸式变压器 , 应装设瓦斯保5护。电力变压

8、器通常是利用变压器油作为绝缘和冷却介质。 当变压器油箱内故障时， 在故障电流和故障点电弧的作用下， 变压器油和其他绝缘材料会因受热而分解， 产生大量气体。气体排出的多少以及排出速度， 与变压器故障的严重程度有关。 利用这种气体来实现保护的装置，称为瓦斯保护。 瓦斯保护能够保护变压器油箱内的各种轻微故障 （例如绕组轻微的匝间短路、铁芯烧损等） ，但像变压器绝缘子闪络等油箱外面的故障，瓦斯保护不能反应。（2）纵差动保护或电流速断保护对于容量为 6300kVA及以上的变压器，以及发电厂厂用变压器和并列运行的变压器， 10000kVA 及以上的发电厂厂用备用变压器和单独运行的变压器，应装设纵差动保护。

9、电流速断保护用于对于容量为 10000kVA以下的变压器，当后备保护的动作时限大于 0.5s 时，应装设电流速断保护。对 2000kVA以上的变压器，当电流速断保护的灵敏性不能满足要求时，也应装设纵差动保护。变压器的纵差保护的特点1. 由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流不难发现，理想情况下变压器变比以及各侧电流互感器的变比之间必须保持固定关系，才能够使在正常和区外故障时流入差动继电器的电流为零。 而实际情况是正常和区外故障时差动继电器也存在电流，该电流为不平衡电流。稳态情况下的不平衡电流。a. 各侧电流互感器的实际变比与计算变比可能不相同。b. 各侧电流互感器存在变比误差和相位误差。c. 变压

10、器调节绕组分接头后实际变比与标准变比不同。暂态过程的不平衡电流。主要是非周期分量的影响。综合考虑稳态和暂态的影响总的最大不平衡电流（3）外部相间短路和接地短路时的后备保护变压器的相间短路后备保护通常采用过电流保护、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）。发生接地故障时， 变压器中性点将出现零序电流，母线将出现零序电压， 变压器的接地后备保护通常都是反应这些电气量构成的。（4）过负荷保护变压器长期过负荷运行时，绕组会因发热而受到损伤。对400kV·A 以上的变压器，当数台并列运行，或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，

11、应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。（5）过励磁保护高压侧电压为 500kV 及以上的变压器， 应装设过励磁保护， 在变压器允许的过励磁范围内，保护作用于信号，当过励磁超过允许值时，可动作于跳闸。（6）其他非电量保护6对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应按现行有关变压器的标准要求，专设可作用于信号或动作于跳闸的非电量保护。1.2 设计原始资料1.2.1 设计题目一台双绕组降压变压器，容量为30MVA，电压比为110± 2× 2.5%/6.6KV,Yd11 接线，U K %10.5, 归算到平均电压6.6KV 的系统最大阻抗和最小阻抗分别为0.4和 0.2。3K

12、V侧最大负荷电流为1KA。已知： 110KV侧电流互感器变比为300/5,6.6KV侧电流互感器变比为 3000/5 。1.3.2 设计内容及要求1. 确定变压器的而保护方案；2. 根据原始资料进行保护的整定计算；3.设计出变压器保护的展开式原理图（包括设备表）2 本设计的保护配置2.1 主保护配置为了满足电力系统稳定方面的要求，当变压器发生故障时， 要求保护装置快速切除故障。根据规程，通常变压器的瓦斯保护和纵差动保护构成双重化快速保护。（1）瓦斯保护变压器差动保护接线较复杂，可靠性相对较低，在内部轻微故障时的灵敏度较低，快速性较差，因此采用瓦斯保护对变压器油箱内部故障构成双重主保护。当变压器

13、发生内部故障时产生大量的气体将聚集在瓦斯继电器的上部，使油下降，当油面降低到一定程度时， 上浮筒下沉使水银接点接通， 发轻瓦斯动作信号。 如果是严重的故障时，油箱内的压力增大使油流冲击挡板， 挡板克服弹簧阻力， 带动磁铁向干簧触点方向移动使水银接点闭合接通跳闸回路。瓦斯保护和差动保护均为变压器主保护，在较大容量变压器上应该同时采用。瓦斯保护接线简单， 灵敏度高，它能够快速反应于油箱内部故障，但对油箱外部变压器套管和引出线上的故障灵敏性和快速性相对较差，所以瓦斯保护不能够单独作为变压器的主保护。电力变压器通常是利用变压器油作为绝缘和冷却介质。当变压器油箱内故障时， 在故7障电流和故障点电弧的作用

14、下， 变压器油和其他绝缘材料会因受热而分解， 产生大量气体。气体排出的多少以及排出速度， 与变压器故障的严重程度有关。 利用这种气体来实现保护的装置，称为瓦斯保护。 瓦斯保护的主要元件是气体继电器， 它安装在油箱和油枕之间的连接管道上。气体继电器有两个输出触点： 一个反应变压器内部的不正常情况或轻微故障，称为轻瓦斯；另一个反应变压器的严重故障，称为重瓦斯。轻瓦斯动作于信号，使运行人员跳开电压器各侧断路器。 气体继电器的大致原理如下： 变压器发生轻微故障时， 油箱内产生的气体较少且速度慢， 由于油枕处在油箱的上方， 气体沿管道上升， 使气体继电器内的油面下降，当下降到动作门槛时，轻瓦斯动作，发出

15、警告信号。发生严重故障时，故障点周围的温度剧增而迅速产生大量的气体，变压器内部压力升高， 迫使变压器油从油箱经过管道向油枕方向冲去， 气体继电器感受到油速达到动作门槛时，重瓦斯动作， 瞬时作用于跳闸回路，切除变压器，以防事故扩大。（2）纵差动保护电流纵差动保护不但能正确区分区内外故障， 而且不需要与其它元件的保护配合， 可以无延时的切除区内各种故障， 具有明显的独特的优点。 本设计中变压器的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短路故障时的主保护， 不需与其它保护配合， 可无延时的切断内部短路， 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

16、保护动作电流应躲开外部短路时的最大不平衡电流。 双绕组三相变压器纵差动保护原理图如下图保护回路展开式原理图所示。（3）过负荷保护变压器长期过负荷运行时，绕组会因发热而受到损伤。对400kV·A 以上的变压器，当数台并列运行，或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。2.2 后备保护配置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相互配合。低压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，它同时也可以做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状态包括过负荷运行，对此配置反时限过负荷保护。83 保护的配合及整定计算3.

17、1 主保护的整定计算3.1.1 额定值计算1. 在变压器的各侧中，二次回路中额定电流最大一侧称为基本侧，变压器一、二次回路额定计算值如下表 3-1 所示：表 3-1 变压器一、二次回路电流计算值各侧数值（A）数值名称110kV 侧6.6kV 侧变压器一次额定电流 I N 1 （ A）30000157300002624.4311036.6电流互感器接线方式Y选择电流互感器一次电流计算值（A）31572722624.4电流互感器标准变比（ nTA ）300/5=603000/5=600二次回路额定电流 I N 2 （A）3 1574.532624.44.3760600表 3-1 中按下式计算各侧电

18、流互感器的二次额定电流Kcon I1NI 2N（3-1 ）nTA式（ 3-1 ）中K con 为电流互感器接线系数，星形接Kcon =1；三角形接线 K con =3 。由表 3-1 可以得出 6.6KV 侧的二次回路电流较大，因此确定3.3KV 侧为基本侧。3.1.2纵差动保护动作电流整定（1）按躲过外部短路故障时的最大不平衡电流条件，有I setK rel ( f zaU 0.1K np K st ) I k.max （3-2 ）此处K rel 为可靠系数，由已知条件可知为 1.3 ；9I k .max 应取最大运行方式下，6.6kV 侧母线上三相短路电流，因此，U,I k.maxZk .

19、minZT其中 ZTU K %U N2=0.152 （）100SN故 I k.max6.6103=18750（ A）0.20.152fza 是由于电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差60 (110nTA1nT)fza1= 16.6 =0.0373nTA 23600U 是由变压器分接头改变引起的相对误差， 一般取为调整范围的一半， 则 U =0.05 ； K np 为非周期分量系数，由于采用 BCH-2型继电器，故取为 1；K st 为电流互感器同型系数，这里取1。将上述取值均带入上式，可得I set =1.3 ×（ 0.037+0.05+0.1 ×1×

20、1）× 18750=4558（A）（2）按躲过励磁涌流条件，有I setK rel K I N =1.3 × 1× 2624.4=3412（A）式中， K 为励磁电流的最大倍数，由于选取BCH-2型继电器，故取1。（3）按躲过电流互感器二次回路断线的条件，有I setK rel I1.max =1.3 × 1000=1300（ A）以第一条件为最大，故取I set =4558（A）3.1.3 灵敏度校验3.3kV 侧两相短路最小电流为6.6103I k.min =11956（A）0.40.152灵敏度校验： K senI k.min. rI set119

21、56即 K sen2.6 2，满足灵敏度要求。4558103.2 后备保护的整定计算3.2.1 过电流保护（1）整定值计算对于降压变压器，考虑电动机自启动时的最大电流I L .maxK ssI 'L.max（3-3）整定条件为按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即I setK relI L.max（3-4）K re式中： K rel 可靠系数，取1.21.3；K re 返回系数，取 0.85 0.95；I 'L . m a变压器可能出现的最大负荷电流x(一般取变压器额定电流 )；K ss 综合负荷的自启动系数，取1.5 。所以整定电流 I set1.25557.6（A ）

22、1.5 2624.40.85（2）灵敏度校验：K senI k.min（3-5）I set即 K sen119561.5，满足要求2.25557.63.2.2低电压启动的过电流保护过电流保护按躲过可能出现的最大负荷电流整定，启动电流比较大，对于升压变压器或容量较大的降压变压器， 灵敏度往往不能满足要求。 为此可以采用低电压启动的过电流保护。电流继电器的整定：采用低电压继电器后， 电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定，即11I setK relI NK re（3-6）低电压继电器的动作电压按以下条件整定，并取最小值。

23、（1）按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定，U L .minU set（3-7 ）K rel K re式中： U L.min 最低工作电压，一般取0.9U N ；K rel 可靠系数，取1.1 1.2 ；K re 低电压继电器的返回系数，取0.85 0.95 。（2）按躲过电动机自启动时的电压整定：当低压继电器由变压器低压侧互感器供电时，计算式为U set(0.5 0.6)U N （3-8 ）当低压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为U set0.7U N（3-9）对于降压变压器， 负荷在低压侧， 电动机自启动时高压侧电压比低压侧高了一个变压器压降（标幺值）。所以高压侧取值比较高，

24、但仍按式U set(0.5 0.6)整定，原因是U N发电机在失磁运行时低压母线电压会比较低。故 U set = 0.6 ×6.6=3.96(kV)电流继电器灵敏度的校验方法与不带低压启动的过电流保护相同。低电压继电器的灵敏系数按下式校验K senU setU k.min（3-10 ）其中，U k.min 灵敏度校验点发生三相金属性短路时，保护安装处感受到的最大残压。要求 K sen 1.25 ，当 6.6kV 侧母线处短路时保护安装处的残压等于零，显然：K senU set 1.25U k.min满足要求，可见用低电压启动的过电流保护可作为后备保护。124 结果分析4.1 对主保护

25、的评价电流纵差动保护不但能正确区分区内外故障，而且不需要与其它元件的保护配合，可以无延时的切除区内各种故障，具有明显的独特的优点。其灵敏度高 选择性好，在变压器保护上运用较为、成功。但是变压器纵差保护一直存在励磁涌流。 难以鉴定的问题， 虽然已经有几种较为有效的闭锁方案，又因为超高压输电线路长度的增加、 静止无功补偿容量的增大以及变压器硅钢片工艺的改进 磁化特性的改善等因素， 变压器纵差、保护的固有原理性矛盾更加突出。4.2 对后备保护的评价后备保护可以防止由外部故障引起的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变压器内部故障时主保护的后备， 他与变压器的主保护一起构成变压器的完整保护。 过电流保护按躲过可能出现最大负荷电流来整定， 启动电流比较大，对于升压变压器或容量较大的降压变压器灵敏度往往不能满足要求。 采用低电压启动的过电流保护可以提高灵敏度。 但是低电压启动的过电流保护中有可能由于电压互感器回路发生断线， 低压继电器将会误动作， 因此在实际装置中还要配置电压回路断线闭锁功能。5 二次回路展开