某35kV变电所主变压器继电保护设计

1、成都电子机械高等专科学校课程设计说明书设计题目：某35kV变电所主变压器继电保护设计专 业： 供用电技术 班级学号： 10261 04 学生姓名： 尹荣超 指导教师： 张祥军 2012 年 12 月 电力系统继电保护课程设计任务书适用专业：供用电技术 指导教师：张祥军一、设计题目：某35kV变电所主变压器继电保护设计二、原始数据（1）电压等级35/6kV（2）系统参数：本矿35KV变电所是留庄镇变电所提供供电，两回路是直接从留新线线路引入，长度都是4.605km，中间有母线相连。上级的35kV母线的最大及最小短路容量分别为1200MVA和800MVA，线路选的型号为LGJ-240型。变电所提供

2、电源的定时限过电流保护动作时限均为2.0s。（3）变电所主接线形式35kV全桥式接线，6kV单母线分段接线。主变压器两台S11-25000/35kV，Y，d11接线变压器。（4）运行方式：以两个主变压器全投入运行，负荷全投，母线分段断路器合闸运行为最大运行方式；以乙主变压器停运，电缆停运，分段断路器断开运行为最小运行方式。第一章 继电保护的概述11.1继电保护的概述11.2保护装置的作用11.3继电保护的基本原理21.4对保护装置的要求3第二章 本系统故障分析32.1系统线路主要的故障32.2电力变压器的故障32.3变压器的不正常情况42.4 10KV线路继电保护装置42.4.1 单回出线保护

3、42.4.2双回路出线保护42.5 主变压器继电保护装置设置42.5.1主保护42.5.2后备保护52.5.3 异常运行保护和必要的辅助保护52.6 变电所的自动装置52.6.1瞬时故障的继电保护52.6.2 提高供电可靠性52.6.3 保证系统电能质量52.7本设计继电保护装置原理概述62.7.1 10KV线路过电流保护62.7.2 变压器瓦斯保护62.7.3 变压器纵联差动保护6第三章 短路电流计算73.1 系统电路图7第四章 主变继电保护整定计算及继电器选择104.2纵联差动保护114.2.1原理图如图所示114.2.2计算Ie及电流互感器变比114.2.3 确定基本侧动作电流124.2

4、.4确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流134.2.5灵敏度的校验134.2.6初步确定短路线圈的抽头144.3定时限过流保护计算14第五章 各种继电器的选择155.1电流继电器的选择155.2时间继电器的选择165.3中间继电器的选择165.4信号继电器的选择165.5电流互感器的选择16第六章 设计总图17第七章 总结17参 考 文 献17某35kV变电所主变压器继电保护设计第一章 继电保护的概述1.1继电保护的概述继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流、电压、功率、频率等)的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量

5、瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。大多数情况下，不管反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分(和定值调整部分)、逻辑部分、执行部分。继电保护及自动化是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。基本任务是：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。1.2保护装置的作用在企业供配电系统中，无论是系统还是设

6、备有时都会出现不正常的工作状态。因此，在供配电系统中一旦发生短路故障，必须尽快的将故障元器件切离电源。还应及时发现和消除对系统或用电设备有危害的不正常工作状态，从而保证电气设备的可靠运行。 保护装置是能及时发现各种故障和不正常工作状态，并能根据工作性质准确切除故障和将不正常工作状态通过信号装置报警的一种自动装置。1） 当故障发生时，保护装置动作，并借助断路器自动的，快速的，有选择性的将故障元件迅速的从供电系统中切除，避免事故的扩大，保证其他电气设备继续正常运行。2） 当出现不正常工作状态时，保护装置动作，及时发出报警信号，以便引起运行人员的注意并及时处理。3） 保护装置还可以和供电系统的其他自

7、动装置，如备用电源自动投入装置，自动重合闸装置等配合，大大的缩短了短路故障停电时间，及时恢复正常供电，从而提高了供电系统的运行的可靠性。1.3继电保护的基本原理继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。故障后，工频电气量变化的主要特征及可以构成的保护 （1）电流增大，构成电流保护。（2）电压降低，构成低电压保护。（3）电流与电压之间的相位角改变 ，构成功率方向保护。（4）测量阻抗发生变化，构成距离保护。（5）故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化 ，构成差动保护 。（6）不对称短路时，出现相序分量，

8、构成零序电流保护、负序电流保护和负序功率方向保护 。电力系统的继电保护根据被保护对象不同，分为发电厂、变电所电气设备的继电保护和输电线路的继电保护。前者是指发电机、变压器、母线和电动机等元件的继电保护，简称为元件保护；后者是指电力网及电力系统中输电线路的继电保护，简称线路保护。 按作用的不同继电保护又可分为主保护、后备保护和辅助保护。主保护是指被保护元件内部发生的各种短路故障时，能满足系统稳定及设备安全要求的、有选择地切除被保护设备或线路故障的保护。后备保护是指当主保护或断路器拒绝动作时，用以将故障切除的保护。后备保护可分为远后备和近后备保护两种。远后备是指主保护或断路器拒绝时，由相邻元件的保

9、护部分实现的后备；近后备是指当主保护拒绝动作时，由本元件的另一套保护来实现的后备，当断路器拒绝动作时，由断路器失灵保护实现后备。 继电保护装置需有操作电源供给保护回路，断路器跳、合闸及信号等二次回路。按操作电源性质的不同，可以分为直流操作电源和交流操作电源。通常在发电厂和变电所中继电保护的操作电源是由蓄电池直流系统供电，因蓄电池是一种独立电源，最大的优点是工作可靠，但缺点是投资较大、维护麻烦。交流操作电源的优点是投资少、维护简便，但缺点是可靠性差。因此，交流操作电源的继电保护适合于小型变电所使用。 1.4对保护装置的要求1） 选择性：当电力系统发生故障时，只让离故障点最近的保护装置动作，切除故

10、障元件，保证其他电气设备的正常运行，2） 快速性：当电力系统发生故障时，快速切除故障可以减轻短路电流对电气设备的破坏程度，尽快回复供电系统的正常运行。3） 可靠性：保护装置必须经常处于准备状态，一旦在本保护区发生短路故障或不正常工作状态时，它都不该拒绝动作或误动作，而必须可靠动作。4） 灵敏性：保护装置对其在本保护区发生故障或不正常工作状态，无论其位置如何，程度轻重，均有足够的反应能力，保证动作。各种保护装置的灵敏性用“灵敏度”来衡量。第二章 本系统故障分析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、

11、两相接地和三相接地。2.2电力变压器的故障分为外部故障和内部故障两类。1)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。2)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。2.3变压器的不正常情况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。2.4 6KV线路继电保护装置根据线路的故障类型，按不同的出线回路数，设置相应的继电保护装置如下：2.4.1 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。2.4.2双回路出线保护采用平行双回线路横联方向差动

12、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。2.5 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：2.5.1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）。2.5.2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）。2.5.3 异常运行保护和必要的辅助保护温度保护（以检测变压器的油温，防止变压器油劣化加速）和

13、冷却风机自启动（用变压器一相电流的70%来启动冷却风机，防止变压器油温过高）。2.6 变电所的自动装置2.6.1瞬时故障的继电保护针对架空线路的故障多系雷击、鸟害、树枝或其它飞行物等引起的瞬时性短路，其特点是当线路断路器跳闸而电压消失后，随着电弧的熄灭，短路即自行消除。若运行人员试行强送，随可以恢复供电，但速度较慢，用户的大多设备（电动机）已停运，这样就干扰破坏了设备的正常工作，因此本设计在6KV各出线上设置三相自动重合闸装置（CHZ），即当线路断路器因事故跳闸后，立即使线路断路器自动再次重合闸，以减少因线路瞬时性短路故障停电所造成的损失。2.6.2 提高供电可靠性针对变电所负荷性质，缩短备用

14、电源的切换时间，提高供电的不间断性，保证人身设备的安全等，本设计在35KV母联断路器（DL1）6KV母联断路器（DL8）处装设备用电源自动投入装置（BZT）。2.6.3 保证系统电能质量频率是电能质量的基本指标之一,正常情况下,系统的频率应保持在50Hz，运行频率和它的额定值见允许差值限制在0.5Hz内，频率降低会导致用电企业的机械生长率下降，产品质量降低，更为严重的是给电力系统工作带来危害，而有功功率的缺额会导致频率的降低，因此，为保证系统频率恒定和重要用户的生产稳定，本设计6KV出线设置自动频率减负荷装置（ZPJH），按用户负荷的重要性顺序切除。2.7本设计继电保护装置原理概述2.7.1

15、6KV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。2.7.2 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

16、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。2.7.3 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，使继电器内有电流流过。但实

17、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。第三章 短路电流计算3.1 系统电路图如图所示 基准参数的选定： Sd=100MVA UC1=37KV Uc2=6.3KV Id1=Sd/UC1=100/*37=1.56KA Id2=Sd/UC2 =100/*6.3=9.16KA阻抗计算：系统： X1=100/1200=0.083 X2=

18、100/800=0.125线路： X3=X0LSd/UC12=0.4*4.065*100/372=0.135变压器T1,T2: X5=X6=Uk%Sd/(SN100)=0.075*100/6.3=1.19短路电流的计算：最大运行方式下：1) 绘制等效电路如图所示，图上标出各元器件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点如下所示SK=1200MVALGJ-2404.605KM X0=0.4/KM35KV6KVK-1K-2T1T2S11-25000/35KV UK%=7.5S11-25000/35KV UK%=7.510.08320.13531.1941.19K-1K-2XK-1=X1+X3=0.08

19、3+0.135=0.218IK-1(3)=Id1/XK-1=1.56/0.218=7.16KAIsh=2.55IK-1(3)=2.55*7.16=18.25KAXK-2=X1+X3+ X5/X6=0.218+1.19/2=0.813IK-2(3)=Id2/XK-2=5.5/0.813=6.77KA6KV侧短路时，折算到35KV侧的三相短路电流:Ik21max=Id1/XK-2=1.56/0.813=1.92KA最小运行方式下:以乙主变停运，电缆停运，分段断路器断开运行为最小运行方式。 绘制等效电路如图所示，图上标出各元器件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点如下所示SK=800MVALGJ-2

20、404.065KM X0=0.4/KM35KV6KVK-1K-2T1S11-25000/35KV UK%=7.5 10.08320.13531.19K-1K-2 X7=X1+X3=0.083+0.135=0.218 X11= X7+X5=0.218+1.19=1.40835KV上的短路电流: Ik1min=Id1/X7=1.56/0.218=7.5KA10KV上的短路电流： Ik2min=Id2/X11=5.5/1.408=3.91KA折算到35KV侧： Ik21min=Id1/X11=1.56/1.408=1.11KA第四章 主变继电保护整定计算及继电器选择4.1瓦斯保护 轻瓦斯保护的动作值

21、按气体容积为250-300cm2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0.6-1.5 cm2整定本，本设计采用0.9 cm2。瓦斯继电器选用FJ3-80型。4.2纵联差动保护选用BCH-2型差动继电器。4.2.1原理图如图所示4.2.2计算Ie及电流互感器变比列表如下：名 称各侧数据Y（35KV）（6KV）一次侧额定电流I1e=S/ UN=412.4AI2E=S/ UN=2405.6A变压器接线方式YCT接线方式YCT计算变比I1e/5=714.3/5I2e/5=2405.6/5实选CT变比n800/52800/5二次侧额定电流I1e/160=4.46AI2e/

22、540=4.30A不平衡电流Ibp4.46-4.30=0.16A确定基本侧基本侧非基本侧4.2.3 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:IOPKrelIbpIOP=Krel(10%Kst+U+fN)Ik21maxKrel可靠系数，采用1.3;Kst非同期分量引起的误差，两侧电流互感器型号相同时取0.5，不同时取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；fN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。IOP=1.3*（0.5*0.1+0.05+0.05）*1.92=0.3744KV=374.4A2) 躲过

23、变压器空载投入或外部故障后电压恢复时的励磁涌流IOP=KrelI1e=1.3*412.4=536.1A综上：IOP=910.5A4.2.4确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流1) 差动继电器基本侧（35KV侧）的二次动作电流IOP。KD=IOPKCON/KTA=374.4*1/(800/5)=2.34A KCON基本侧电流互感器接线系数，取1。2） 基本侧继电器差动线圈匝数Nop.cal=AN0/IOP。KD=60/2.34=25.6匝AN0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。选用实用整定匝数为Nop.。Set=匝。为平衡得更精确,可将基本侧平衡线圈Nb1作

24、为动作匝数的一部分，基本侧工作线圈的匝数Nop.。Set等于差动线圈Nd.set和平衡线圈Nb1。Set之和，选取差动线圈Nd.与平衡线圈Nb1的整定匝数Nd.set=20匝，Nb1。Set=6匝。即：Nop.。Set=Nd.set+Nb1。Set根据选取的基本侧工作线圈匝数，算出继电器的实际动作电流和一次动作电流分别为IOP。KD=AN0/Nop.。Set=60/26=2.31AIOP=KIOP。KDKTA/KCON=800/5*2.31=369.2A3) 确定非基本侧平衡线圈Nb2的计算匝数Nb2。Cal=I2N/I1N(Nb1+Nd.set)-Nd.set=4.46/4.30(20+6)

25、-20=6.97匝故，取平衡线圈实际匝数Nb2。Set=6fN=(Nb2。Cal-Nb2。Set)/(Nb2。Cal+Nd.set)=(6.97-6)/(6.97+20)=0.035因|fN|0.05,取法合适，不需重新计算。4.2.5灵敏度的校验以最小运行方式下10KV侧两相短路反映到电源侧35KV侧进行校验Ikmin.KD(2)=/2( Ik21min/KTA)=1.5*1100/160=10.31A电源侧BCH-2继电器的动作电流IOP。KD=AN0/(Nb2。Set+Nd.set)=60/26=2.31AKsn=Ikmin.KD(2)/IOP。KD=10.31/2.31=4.462所以

26、满足要求4.2.6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。4.3定时限过流保护计算4.3.1原理图如图所示：1)整定原则：线路的最大工作电流应该小于保护装置的返回电流，即：IrelIlmaxIlmax=(1.5-3)I30=2*412.4=824.8A保护装置一次侧动作电流IOP1=Krel/Kre*Ilmax=1.2*824.8/0.85=1164.4AKrel取1.2，Kre取0.85。继电

27、器的动作电流IOP。KA=KW/KiIOP1=1*1164.4/160=7.28AKW取1，Ki取800/5。整定为7.5A，选定为DL-21C/10型继电器。IOP1=Ki/KW*IOP。KA=160*7.5=1200A2） 动作时限的整定时限整定原则：应比变压器二次母线出线定时限过流最大的时限大一个时限阶段(t=0.5S)t=0.5St=t1+t由题意可知，甲乙两个变电所提供电源的定时限过电流保护动作时限均为2S；又考虑到输电线路需要装设保护装置，故需要为输电线路预留0.5S的时间余量，t1=2-0.5-0.5=1S整定为1S，整合为范围在0.2-1.5S的DS型时间继电器。3） 灵敏度校

28、验KP=Ikmax2)/IOP1=(/2*1920)/1200=1.391.2所以满足要求4.4 过负荷保护：其动作电流按躲过变压器额定电流来整定。动作带延时作用于信号。Idz=KkIe1/Kf=1.05412.4/0.85=368.1(A)IdzJ= Idz/n=368.1/160=2.30(A)延时时限取10s，以躲过电动机的自起动。当过负荷保护起动后，在达到时限后仍未返回，则动作ZDJH装置。4.5 冷却风扇自起动：Idz=0.7Iel=0.7412.4=288.68(A) IdzJ=Idz/nl=288.68/160=1.80(A)即，当继电器电流达到1.80A时，冷却风扇自起动第五章 各种继电器的选择 选择原则，变压器继电保护