110kV三卷变压器继电保护设计

课程设计（实训）报告

题目UOkV三卷变压器继电保护设计

专业电气工程及其自动化

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指导教师

目录

第一章：概述......................................................................3

1.1继电保护的概述...........................................................3

1.2继电保护的要求...........................................................3

1.3继电保护装置的组成......................................................3

第二章：短路计算.................................................................4

2.1等效网络图...............................................................4

2.2短路电流计算.............................................................6

第三章：保护整定设计.............................................................7

3.1主保护...................................................................7

3.1.1—变压器瓦斯保护................................................7

3.1.2——纵联差动保护..............................................8

3.3复合电压启动的过电流保护..............................................11

3.3.1110kv侧的低压启动过电流保护.....................................12

3.4变压器中性点直接接地零序电流保护......................................13

3.5设备选型...............................................................14

附录一；变压器瓦斯保护接线图...................................................15

附录二：三绕组变压器差动保护单相原理图.........................................15

附录三：复合电压启动的过电流保护原理图.........................................16

2

第一章：概述

1.1继电保护的概述

当电力系统发生故障或异常工况时，保护装置在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，避免故障区域扩大，最快地恢复供电。

1.2继电保护的要求

(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

速动性是指继电俣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。

(4)可靠性

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。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。

1.3继电保护装置的组成

一般情况而言，整套继电保护装置由测量元件、逻辑环节和执行输出三部分

3

图2.1

根据电气主接线画出等效正序如图2.2所示。

计算各元件电抗参数，取基准容量枭=100基准电压为

5

（1）变压器标幺值计算

^1%=l(10.5+17-6)=l0.75,t/A2%=-110.5-17+6)=-0.25

22

八%=l(-10.5+17+6)=6.25

高中低压侧阻抗标幺值分别为:

X3需率甯燃二。•却3

X-鬻尹鬻X果—007937

XTD

100SN

（线路的基准电抗标幺值

V|(¥)

x-x-X7/72^_=0.4x15=5.442

"/222Ul，10.52

Xn=X/4==0.4x15x129.=1.023

,3,4'3u\372

2.2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）k3点短路电流计算

Sp100000

Z<3)二E百xl0.5

1A3.maxy二84654

"ZM3).min0.11+0.3413+0.1984

SB100000

■⑶_V3xl0.5

«3min-二7435A

Xz(i3)max0.20+0.3413+0.1984

=0866x7435=64394

KniinKnIin

6

(2)求kl点短路电流

SB100000

/⑶二电,.6x37

"maX0.11+0.3413-0.1984

SB100000

用u6,=6x10.5

=2533A

Fornax_0.20+0.3413-0.0079

喘M=%*n=0.866x7435=6439A

(3)求k2点短路电流

V3SR

X2-

—~~^^=868A

'⑵=

大2min-

Xz(A2)m;»x

(4)求k4点短路电流

V3

2、®J

UV=5964

Xg"4)max

(5)求K5点短路电流

8*-

(2)

K5min——-=783A

Xz(*5)max

第三章：保护整定设计

3.1主保护

3.1.1—变压器瓦斯保护

变压器瓦斯保护的主要元件就是瓦斯继电器，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。

7

图3.1.1变压器瓦斯保护接线图

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

%,=250cm3

重瓦斯按汽油流的流速整定：

Vsel=1.\m/s（对导油管直径。=8O//7W）

3.1.2—纵联差动保于

三绕组变压器差动保护的动作原理是按循环电流原理构成的。正常运行和外

部短路时，三绕组变压器三侧电流向量和（折算至同一电压等级）为零。它可能

是一侧流入另两侧流出，也可能由两侧流入，而从第三侧流出。所以，若将任何

两侧电流相加再和第三侧电流相比较，就构成三绕组变压器的纵差动保护。

8

(1)计算变压器差动臂中电流，由表3.1计算可知，UOkV侧差动臂中的

电流最大，故UOkV侧为计算的基本侧。

表3.1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

31500IZC自迎_二47331500…

~i=-----=165~i=---=1650

(A)73x11073x38.5V3xll

TA接线方式(△氏(“Mi(尤瓦

73x165300_瓜4731000_2000/5

选择TA的标准变比5555

=400

60200

1650-r

差动臂中的电流(A)73x1652^73=4.12----=4.12

--------=4.75400

60200

(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)计算差动保尹的一侧动作电流。

1)按躲过UOkV外部故障的最大不平衡电流整定，即

Iop=Krel(K“Kcrr+AU+加加/ax=13(1x0.1+0.1+0.05)x785=0.325x785=255A

9

嘿“虾瑞T黑"85A

2）按躲过变压器励磁涌流计算，即

/=长也/次,〃=1.5x165=2#A

3）按躲过电流互感器二次回路断线，即

/卬=《自/川.〃=1.3x165=214.5A

4）取上述各条件口最大的作为基本侧一次动作电流即Iop255A,差动继电

器基本侧动作电流为

KcoJop73x255

=--------=------------=7.36A

'K仇〃60

AN60±4

确定差动绕组匝数：1%——=--------=8.15匝

op.r7.36

取整定匝数叱…=匝，则继电器动作电流为1吁=竺

87.5A,保护装置

8

实际动作电流为：〃二早x60=259.8A。

*V3

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

N2(110)-&(38.5)

%38,5)=8=1.22匝

%2(38.5)Ml廿

UkV侧的平衡绕线为

^2(110)~2(11)4.75-4.1

W2x81.27匝

4.1

取平衡绕组整定匝数：叱收匝

取工作绕组匝数：/38.5"=%…=8+1=9匝

6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为

4二%")-%""=L22-1=0024<005

°°啊⑴一卬2L22+8

10

4%38.5)M(38.5"=L27-1=()029<005

()%38.5)一%,皿1.27+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

res=Kf(Kw+Kerr+At70|O)+△L(38.5)+△叫38.5))

二1.3(1X0.1+0.1+0.05+0.029)=0.363

0363x9

制动绕组的计算匝数：卬…=Kres旦==3.63匝

tga0.9

取整定匝数：匕„皿=4匝

8)校验灵敏系数

kl点最小短路电流折算到UOkV基本侧为

以小骨二制=588A

A^v(H)=Win==135.2匝

对llkV侧工作安匝

KTA.H60

A%叱5)=名占x4+0=10.38匝

由继电器特性曲线查得人叫⑴=135.2匝，AW,,.=10.38安匝时，动作安匝整

定为A叱=66安匝，则灵敏性K,“面=空二=2.()5>2满足要求。

3.Ill111

3.3复合电压启动的过电流保护

当保护区内发生不对称故障，系统出现负序电压，负序过滤器13有电压输

出使继电器7常闭触点打开，欠压继电器8失压，常闭触点闭合，接通中间继电

器9,若电流继电器4、5、6任何一个动作，则启动时间继电器10,经过整定时

限后，跳开两侧断路器。在对称短路情况下，电压继电器7不启动，但欠压继电

器8因电压降低，常闭触点接通，保护启动。

负序电压整定值，可取额定电压的6%；电流整定值，可取大于变压器额定

电流，但不必大于最大电流。

11

o

图4.3复合电压启动的过电流保护原理图

3.3.1110kv侧的低压启动过电流保护

（1）电流元件的动作电流

set*心=—xl65=252.35A

Krcn0.85

252.35

=4.2A

60

（2）按躲过电动机自启动的电压整定

当低压继电器由变压器低压侧互感器供电时，计算式为

Usel=(0.5-0.6"2=(0.5-0.6)xWOKV=55KV-66kVf取60AV

当低压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为

U；,­=FKV

（3）按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定

低电压继电器的动作电压按（2）（3）条件整定，并取最小值。

（4）负序电压元件的动作电压

^2,v,=（0.06-1.2）UN2=6-12KV,取10KV

（5）校验灵敏系数

12

心：二墨=2.33X5

作UkV线路后备保护（…山二型皿596=2.3>1.3满足要求。

.V.HIinj

1°P252.35

电压元件装设在IlkVtt，故仅需校验作为线路的后备保护即可

K=70x11(X)00/10077000

==1.64>1.3,满足要求。

vmin_15x0.4x783x110/11-46980

需要说明，若UOkV侧仅采用单独过电流保护，则

/=L2r2xl65=504.7A,则灵敏系数&*=*=L17<1.3,不满足要求,

“0.85»n504.7

这正说明采用复合电压启动过流保护可提高保护的灵敏性。

3.3.238.5kv侧低压启动过电流保护

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

13x13

I心”=x473=4.74

KreKTA0.85X200

息而“=等=禹=鬻=2.69>「5

作线路13后备保/灵敏系数Kf*="蚤然7.3不合要求。

叩

3.4变压器中性点直接接地零序电流保护

中性点直接接地零序电流保护：中性点直接接地零序电流保护一般分为两

段，第一段由电流继电器1、时间继电器2、信号继电器3及压板4组成，其定

值与出线的接地保护第一段相配合,0.5s切母联断路器。第二段由电流继电器5、

时间继电器6、信号继电器7和8压板9和10等元件组成，。定值与出线接地保

护的最后一段相配合，以短延时切除母联断路器及主变压器高压侧断路器，长延

时切除主变压器三侧断路器。

中性点间隙接地保护：当变电站的母线或线路发生接地短路，若故隙元件的

保护拒动，则中性点接地变压器的零序电流保护动作将母联断路器断开，此时中

性点的电位将升至相电压，分级绝缘变压器的绝缘会遭到破坏，中性点间隙接地

13

保护的任务就是在中性点电压升高至危及中性点绝缘之前，可靠地将变压器切

除，以保证变压器的绝缘不受破坏。间隙接地保护包括零序电流保护和零序过电

压保护，两种保护互为备用。

大电流接地系统普遍采用分级绝缘的变压器，当变电站有两台及以上的分级

绝缘的变压器并列运行时，通常只考虑一部分变压器中性点接地，而另一部分变

压器的中性点则经间隙接地运行，以防止故障过程中所产生的过电压破坏变压器

的绝缘。为保证接地点数目的