110kv电力变压器继电保护设计.doc

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1、中北大学课程设计说明书1 前言作为电气工程及其自动化专业的一门主要课程,电力系统继电保护主要包括课堂讲学、课程设计等几个主要部分。电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他形式的能量。在输送电能的过程中,电力系统希望线路有比较好的可靠性,因此在电力系统受到外界干扰时,保护线路的各种继电装置应该有比较可靠的、及时的保护动作,从而切断故障点极大限度的降低电力系统供电范围。电力系统继电保护就是为达到这个目的而设置的。通过此次线路保护的设计可以巩固我们本学期所学的

2、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。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。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。电网继电保护和安全自动装置应符合可靠性、安全性

3、、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。2 设计内容及要求2.1 设计基本资料已知两台变压器均为三绕组、油浸式、强迫风冷、分级绝缘，其参数：，电压：，接线：。短路电压：；。两台变压器同时运行，110kV侧的中性点只有一台接地；若只有一台运行，则运行变压器中性点必须接地，其余参数如图所示。（图中的L1的参数改为L1=20km）2.2 电气主接线图图2.1 电气主接线图2.3 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

4、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。3 继电保护理论知识3.1 继电保护概述 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，使之免遭损害，所以沿称继电保护。3.2 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

5、各种原理的保护：(1)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。 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

6、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。3.3 对继电保护装置的要求继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。（1）选择性 选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生

7、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 速动性是指继电保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。 对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。 （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。 系统最大运行方式：被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电

8、流为最大运行方式； 系统最小运行方式：在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。 （4）可靠性 可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。 安全性：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。 信赖性：要求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。 以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。4 电力变压器继电保护设计4.1 故障分析本设计中的电力系统具有非直

9、接接地的架空线路及高压侧中性点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、油温上升及油面下降、产生气体等故障都有可能会让继电保护动作。4.2 本设计继电保护装置原理概述4.2.1 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；

10、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。图4.1 变压器瓦斯保护接线图4.2.2 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

11、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。4.2.3 纵差动保护 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。图4.2 三绕组变压器差动保护单相原理图4.2.4 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

12、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。图4.3 复合电压启动的过电流保护原理图4.2.5 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

13、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，若故障元件的保护拒动，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

14、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稳定，当接地变压器退出运行时，应将经间隙接地的变压器转为接地运行。由此可见并列运行的分级绝缘的变压器同时存在接地和经间隙接地两种运行方式。为此应配置中性点直接接地零序电流保护和中性点间隙接地保护。5 短路电流计算和继电保护设计整定51 短路电流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。5.1.1 画出短路等值电路图5.1 短路等值电路计算各元件电抗参数，取基准容量，基准电压为

15、，基准电流为： ， （1） 计算电源系统基准电抗的标幺值 ， （2） 变压器各侧阻抗标幺值，（3） 线路的基准电抗标幺值5.1.2 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（2）求k2点短路电流（3）求k3点短路电流（4）求k4点短路电流（5）求K5点短路电流5.1.3 保护装置的配置表5.1 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BC

16、H12110kV侧复合电压启动的过流保护DY4，DL11，DY25335kV侧方向过流保护LG11，DL114110kV侧零序过电流保护DL135气体保护QJ8052 各保护装置的整定计算5.2.1 纵差保护的整定计算（1）计算变压器差动臂中电流，由表4.2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5.2 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)TA接线方式选择TA的标准变比=60=200=400差动臂中的电流（A）2（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

17、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2）按躲过变压器励磁涌流计算，即3）按躲过电流互感器二次回路断线，即4）取上述各条件中最大的作为基本侧一次动作电流即,差动继电器基本侧动作电流为 确定差动绕组匝数：匝取整定匝数匝，则继电器动作电流为A，保护装置实际动作电流为：。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 匝11kV侧的平衡绕组为 匝取平衡绕组整定匝数：匝取工作绕组匝数:匝6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为 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 = 制动绕组的计算匝数:匝

18、取整定匝数：匝8）校验灵敏系数k1点最小短路电流折算到110kV基本侧为对11kV侧工作安匝 匝 匝由继电器特性曲线查得匝，安匝时，动作安匝整定为安匝，则灵敏性满足要求。5.2.2 110kv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 （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，取当低压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为（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 ，取（5）校验灵敏系数 作11kV线路后备保护 满足要求。电压元件装设在11k

19、V侧，故仅需校验作为线路的后备保护即可，满足要求。需要说明，若110kV侧仅采用单独过电流保护，则，则灵敏系数，不满足要求，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。5.2.3 38.5kv侧方向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 作线路l3后备保护灵敏系数 不合要求。5.2.4 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 电压元件的动作电压为 动作时限整定：以跳中性点不接地运行的变压器；以跳中性点接地运行的变压器。5.2.5 变压器气体保

20、护整定采用QJ80型开口杯挡板式气体继电器，轻瓦斯按气体容量整定 重瓦斯按汽油流的流速整定： （对导油管直径）6 心得体会通过这次设计，在获得知识之余，还加强了个人的独立提出问题、思考问题、解决问题能力，从中得到了不少的收获和心得。在思想方面上更加成熟，个人能力有进一步发展，本次课程设计使我对自己所学专业知识有了更新、更深层次的认识。在这次设计中，我深深体会到理论知识的重要性，只有牢固掌握所学的知识，才能更好的应用到实践中去。这次设计提高了我们思考问题、解决问题的能力，它使我们的思维更加缜密，这将对我们今后的学习、工作大有裨益。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从

21、事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础 此次课程设计能顺利的完成与同学和老师的帮助是分不开的，在对某些知识模棱两可的情况下，多亏有同学的热心帮助才可以度过难关；更与老师的悉心教导分不开，在有解不开的难题时，多亏老师们的耐心指导才使设计能顺利进行。附录 保护配置原理接线图参 考 文 献1 张宝会，尹项根.电力系统继电保护.北京.中国电力出版社.2009:1661922 陈 珩电力系统稳态分析北京：中国电力出版社3 刘介才. 工厂供电设计指导.北京.机械工业出版社.2008:931104 李光琦电力系统暂态分析北京：中国电力出版社5 孙丽华. 电力工程基础.北京.机械工业出版社.2010:2042186 贺家李，宋从矩电力系统继电保护原理第三版北京：中国电力出版社第 18 页 共 18 页