电力变压器继电保护设计 (二)

目录

1弓I言.................................................................1

2继电保护相关理论知识................................................2

2.1继电保护的概述..............................................2

2.2.1继电保十的任务..........................................2

2.2.2继电保护基本原理和保护装置的组成.......................2

3变电所继电保护和自动装置规划.......................................4

3.1系统分析及继电保护要求：......................................4

3.2本系统故障分析：..............................................4

3.3本设计继电保护装置原理概述：.................................4

3.3.111OKV线路电流速断保护................................4

3.3.2110KV线路过电流保护..................................4

3.3.3平行双回线路横联方向差动保护..........................4

3.3.4变压器瓦斯保护.........................................5

3.3.5变压器纵联差动保护.....................................5

4短路电流计算........................................................6

4.1画出短路等值电路.............................................6

4.2短路电流计算..................................................7

4.3保护装置的配置（表4.1）.............................................................................8

5各保护装置的整定计算................................................9

5.1纵差保护的整定计算............................................9

5.2llOkV侧复合电压启动过电流保护整定计算.......................11

5.338.5kV侧方向过流保护........................................12

5.4llOkV零序过电流保护..........................................12

5.5变压器气体保护的整定........................................12

6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.............................................................17

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《继电保护和安全自动装置技术规程（SDJ6-83）》、《110〜220kV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进行综合

评价。其中短路电流的计算和电气设备的选择是木设计的重点。通过此次线珞保

护的设计可以巩固我们本学期所学的《电力系统绝电保护》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，以达到保证电网安全经济运行的目的。

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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

当电力系统发生故隙或异常工况时，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：

⑴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、

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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，i股包括测量部分、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it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。

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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11035KV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本设计继电保护袋置原理概述：

3.3.111OKV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。

3.3.211OKV线路过电流保护

HOKV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

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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OS,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变压器瓦斯保井

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周成。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，从电流互感滞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BCHT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。

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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＞=100M侬，基准电压为4“=10.5kV,

Ud2=37ZV；基准电流为：/华xlO,=55OOA,

73x10.5

平小。60A

V3x37

（1）计算电源系统基准电抗的标幺值。

Sd_100

X$.max=0.2

（2）变压器各侧阻抗标幺值。

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%=1(10.5+17-6)=10.75,^.2%=-(10.5-17+6)=-0.25

%%=%-6)3,X~鬻力器馈—

力2%S,,_-0.25100

XX=-0.007937

TI.MAr100-1003L5

二皿旦也川984

XT.L

1(X)S欣l(X)31.5

(3)线路的基准电抗标幺值。

qinn

X.,=X./,^-=0.4x15x-^=5.4422

"11t/j,10.52

V|(Y)

=XJ，W=0.4x25x——-=9.0703

/212(/；,I0.52

qion

X/3=X/4=*=0.4X35X号■=1.0226

/31413%372

4.2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、k4两点

的灵敏系数，因此，除需要计算kl、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)kl点短路电流计算

5500

=8451A

0.1111+0.3413+0.1984

1小二5500二5500

=7435A

-0.2+0.3413+0.1984—0.7397

设min=等嵋=0-866X7435=6439A

(2)求k2点短路电流

%L—二--------强--------二坐

Xy(Jt2).minO.llil+0.3413-0.00790.4334

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/⑶_/"21560”二2925A

1A2.min—y

^E(Jl2).niax0.2+0.3413-0.00790.5334

0.866x15601351

，fmin=2533A

0.2+0.3413-0.00790.5334

(3)求k3点最小短路电流

，⑵0.86651560x0.8661560x0.866。,

*3.min-x-0.2+0.3413-0.0079+1.0226—1.5560

乙IAJ.llldA

(4)求k4点最小短路电流

/(2)_0.866*____________5500X0366___________5500x0.866

Umin-Ximax-0.1111+0.3413+0.1984+5.4422-6.093

A、J•11141X

4.3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BCH—1

2UOkV侧复合电压启动的过流保护DY—4,DL—11,DY—25

335kV狈!方向过流保护LG—11,DL—11

4llOkV侧零序过电流保护DL—13

5气体保护QJ—80

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5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，llOkV侧差动臂中的

电流最大，故llOkV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

31500…萼”二47331500-

变压器的额定电流（A）—f=-----=1OJ—f=----=103()

V3xll0百x38.5V3xll

TA接线方式

(M(必“0o加）

V3x165_300V3x473_1(X)02(XX)/5

选择TA的标准变比

5555

73x165.^1=4,121^2=4.12

差动臂中的电流（A）--------=4.75

60200400

（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

发生故隙时，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UOkV外部故障的最大不平衡电流整定，即

184518451

嘿”jl/.inax=772/1

115/10.510.95

J=K，K,K.AU+涮增2

=1.3（1x0.1+0.1+0.05）x772=0.325x772=25M

式中：Krel一可靠系数，采用1.3;

Kerr—电流互感器容许的最大稳态相对误差，取0.1;

Kst-同型系数，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，本没计

取0.05；

△m—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0.05o

2）按躲过变压器励磁涌流计算，即

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&==1.5x165=248A

式中：Krel一可靠系数，采用1.5;

ITN.H—变压器额定电流。

3）按躲过电流互感器二次回路断线，即

J=K,/W=1.3X165=214.5A

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/卬=251A,差动继电器基

本侧动作电流为

/幺％=百X251=725A

平〃60

确定差动绕组匝数W（）=—=竺坦=8.27匝

pI…7.25

取整定匝数叱SM=8匝，则继电器动作电流为/少，='=7.54，保护装置实际

8

7.5

X60=259.84。

动作电流为/即3

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

（5），（3、seiJ4-75-4.12]*8=1.22匝

Dyjo.j）jop.seI4[今

I7^2（38.5）JV4-IZ/

11kV侧的平衡绕组为

叱」/，v2（uo「'"2（"）]叱（475-4.12]*8=1.22匝

个”jjop.set4

VZAr2（ll）7\'I』/

取平衡绕组整定匝数%38.加=叱小时=1匝

去工作绕组匝数叱中8.5）皿=%…=8+1=9匝

6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为

加_%1)一%U"1.22-1

=0.024<0.05

00■%厂%皿-1.22+8

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叱(38⑸一叱=L22-1

4%8.5)==0.024<0.05

'%(38.5)VVop.set1.22+8

7）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=xKerr+△t/(uo)十4%85)+A/n(385))

=13(1x0.1+0.1+0.05+0.024)=0.356

制动绕组的计算匝数卬心=勺,外0.356x9

=3.56匝

iga0.9

取整定匝数W0"=4匝

8）校验灵敏系数

kl点最小短路电流折算到110kV基本侧为

/虱n

Mn=6439%=588A

K7V115/10.510.95

X梦嘿=Z34>2

则灵敏性K、en=2.34>2满足要求。

5.211OkV侧复合电压启动过电流保护整定计算

(1)电流元件的动作电流

K।3

皿=一^/川=^X165=252.354

.Kreno.85

电压元件的动作电压

U(>/tr=(0.6-0.7X<V2=(0.6-0.7)x110ATV=66ATV-77ATV,取70AV

(3)负序电压元件的动作电压

U2op=(0.06-0.12)(/N2=(0.06-0.12)110KV=0.66KV-[3.2KV,取10AV

(4)校验灵敏系数

%=萼=彘=2.334

作llkV线路后备保护K、。用=儿皿=782=3.09>1.3满足要求。

smn252.35

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5.338.5kV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

「二KreKss1L3x2x473=7.23A

r

0p-KKm0.85x200

/⑵25332533

/Cvmin=-^-=—=^^=1.75>1.5

口热7.23x2001446

作线路13后备保护灵敏系数除总=盘迎=m=0.6<1.3不合要求。

e51446

5.411OkV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

/⑶35103510

/=KgK加屿=1.5x0.5x0.1x=0.075x$>=4.388工4.5A

如⑻…，Ktah6060

电压元件的动作电压为

4〃=(0.05-0.01)产=20『

_BE/%+Z°_3x38.5x103/5/5/(2x0.5318+0.5397)x14.8

5min—一4.5x60-—270-

66.68x10

/270=10.4>1.5

23.73

3;嗡=14.82。

X〃=

动作时限整定：①以0.5s跳中性点不接地运行的变压潜；②以1s跳中性点

接地运行的变压器。

5.5变压器气体保护的整定

采用QJ-80型开口杯挡板式气体继电器，轻瓦斯按气体容量整定

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Vvt.,=250c〃3

重瓦斯按汽油流的流速整定：

Vset=