电力变压器继电保护设计-学位论文.doc

摘 要电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，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。本设计结合电力变压器运行中的故障，分析了电力变压器纵联差动保护、瓦斯保护及过电流保护等继电保护装置配置原则和设计方案。关键词：电力变压器 继电保护装置 保护配置Abstract Power transformer is very important in power system,power components in order to power supply reliability and system normal operation,you must see the size of its capacity,voltage and important degree of on any account,set up corresponding relay protection device.This paper according to the operation of power transformer fault and analyzed the power transformer longitudinal differential peotection,gas protection and over-current protection rely protection device configuration principle and design scheme.Keywords: Power transformer Relay protection device Protection configuration目 录1 概述11.1变压器的基本概念11.2变压器的故障和不正常运行状态11.3变压器的保护配置12 110/35/10KV电力变压器继电保护设计32.1设计基本资料32.2本系统故障分析32.3本设计继电保护装置原理概述43短路电流计算和继电保护设计整定93.1初始数据93.2设计计算93.3 保护配置图16总 结18致 谢19参考文献20110/35/10KV电力变压器继电保护设计1 概述1.1变压器的基本概念电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。二次感应电动势的高低与一二次绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比。主要作用是传输电能，因此，额定容量是它的主要参数。额定容量是一个表现功率的惯用值，它是表征传输电能的大小，以kVA或MVA表示，当对变压器施加额定电压时，根据它来确定在规定条件下不超过温升限值的额定电流。1.2变压器的故障和不正常运行状态电力变压器是电力系统中的重要电气设备，在发电、输电、配电环节中起着提高电压以便于远距离输送电能以及降低电压给负荷供电等关键作用。其故障对供电可靠性和系统安全运行带来严重影响，同时大容量的电力变压器本身也是十分贵重的设备。因此应根据变压器容量和电压等级及其重要程度，装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。 电力变压器主要由铁心及绕在铁心上的绕组构成。为保证各绕组之间的绝缘，以及铁心、绕组的散热需要，将铁心及绕组置于装有变压器油的油箱中。而变压器各绕组的两端则通过绝缘套管引到变压器的壳体之外。 1.变压器的故障 变压器的故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障两类。油箱内的故障包括各相绕组之间发生的相间短路、单相绕组通过外壳发生的单相接地短路、单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路以及铁心烧损等故障。变压器油箱内的故障产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈汽化，从而可能引起油箱的爆炸，因此，这些故障应该尽快加以切除。油箱外部故障指的是绝缘套管及其引出线上发生的相间短路和接地短路故障等。2. 变压器的不正常运行状态变压器的不正常运行状态主要包括变压器外部短路故障引起的过电流、负荷长时间超过额定容量引起的过负荷、风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等。对于中性点非直接接地运行的变压器，外部接地短路时可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘。对于大容量变压器，因铁心额定工作磁通密度与饱和磁通密度比较接近，所以当外部电压过高或频率降低时容易发生过励磁。1.3变压器的保护配置根据上述故障类型和不正常运行状态，变压器应装设下列保护。1. 瓦斯保护瓦斯保护反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作，它可防御变压器油箱内的各种短路故障和油面的降低，且具有很高的灵敏度。瓦斯保护有重、轻之分，一般重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧的断路器，轻瓦斯保护动作于信号。容量在800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器应装设瓦斯保护。同样对带负荷调压的油浸式变压器的调压装置也应装设瓦斯保护。2. 纵联差动保护和电流保护纵联差动保护和电流保护可用于防御变压器绕组和引出线的各种相间短路故障、绕组匝间短路故障以及中性点直接接地系统侧绕组和引出线的单相接地故障。纵联差动保护不能反映绕组匝数很少的匝间短路故障，油面降低等，因此存在一定的保护死区。而瓦斯保护不能反映油箱外部的短路故障。因此，纵联差动保护和瓦斯保护共同构成变压器的主保护。当上述保护动作后，均应跳开变压器各电源侧断路器。3. 反映外部相间短路故障的后备保护对于外部相间短路引起的变压器过电流，同时作为变压器瓦斯保护、纵差动保护的后备保护，可采用的保护有过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流及单相式低电压起动的过电流保护以及阻抗保护等。4. 反映外部接地短路故障的后备保护对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行应装设零序电流保护。零序电流保护可由两端组成，每段可各带两个时限，并均以较短的时限动作于缩小故障影响范围，或动作于本侧断路器，以较长的时限动作于断开变压器各侧断路器。5. 过负荷保护对400kVA以上的变压器，当数台变压器并列运行，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。过负荷保护经延时作用于信号。对于无人值守的变电站，必要时过负荷保护可动作于自动减负荷或跳闸。6. 过励磁保护超高压大型变压器需要装设过励磁保护，由于变压器铁心中的磁通密度B与电压和频率内的比值U/f成正比，因此当电压升高和频率降低时会引起变压器过励磁，使得励磁电流增大，造成铁损耗增加，铁心和绕组温度升高，严重时要造成局部变形和损伤周围的绝缘介质。过励磁保护反映于实际工作磁密和额定工作磁密之比而动作。在变压器允许的过励磁范围内，过励磁保护作用于信号，当过励磁超过允许值时可动作于跳闸。7. 其他非电量保护 除了上述反应电气量特征的保护之外，变压器通常还装设反应油箱内油、气、温度等特征的非电量保护，主要包括变压器本体和有载调压部分的油温保护、变压器的压力释放保护、变压器带负荷后起动风冷的保护、过载闭锁带负荷调压的保护等。2 110/35/10KV电力变压器继电保护设计2.1设计基本资料某变电所的电气主接线如图所示。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2.1 变电所电气主接线图2.2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。2.3本设计继电保护装置原理概述2.3.1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。其原理接线如图2-1所示。当正常运行和外部短路时，若不平衡电流忽略不计，则流入继电器的电流为零。可见在正常及区外短路时，保护不会动作，而发生内部故障时，保护将灵敏动作。为保证三绕组变压器差动保护的可靠性和灵敏性，应注意以下几点（1）各侧电流互感器的变比应统一按变压器最大额定容量来选择。（2）外部短路时的三绕组变压器比双绕组变压器的不平衡电流大，宜采用带制动特性的BCH-1型差动继电器，若BCH-1型仍不满足灵敏度要求，可采用二次谐波制动的差动保护。（3）为解决实际变比与计算变比不一致而引起的不平衡电流，以保证每两侧线圈之间的平衡，对BCH-1型差动保护，应将两组平衡线圈分别接在二次电流较小的两侧。图2.2 三绕组变压器差动保护单相原理图 本设计采用较经济的BCH-1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。2.3.2 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。其原理接线图如图3-2. 图中：瓦斯继电器KG的上触点接至信号，为轻瓦斯保护；下触点为重瓦斯保护，经信号继电器KS、连接片XE起动出口中间继电器KOM，KOM的两对触点闭合后，分别使断路器QF1、QF2、跳闸线圈励磁。跳开变压器两侧断路器，即直流+ KGKS XE KOM 直流-，起动KOM。直流+ KOM QF1 YT 直流-，跳开断路器QF1。 直流+ KOM QF2 YT直流-，跳开断路器QF2。再有，连接片XE也可接至电阻R，使重瓦斯保护不跳闸而只发信号。图2.3 变压器瓦斯保护原理接线图2.3.3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。2.3.4复合电压启动的过电流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（例如并联运行的变压器断开一台时）。图2.4 复合电压启动的过电流保护原理图2.3.5变压器中性点直接接地零序电流保护工作原理目前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。这两种保护的原理接线如图E-127所示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，如故障点在中性点经间隙接地的变压器所在的系统中，此局部系统变成中性点不接地系统，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。零序电流保护由电流继电器12、时间继电器13、信号继电器14和压板15组成。一次启动电流通常取100A左右，时间取0.5s。110kV变压器中性点放电间隙长度根据其绝缘可取115158mm，击穿电压可取63kV（有效值）。当中性点电压超过击穿电压（还没有达到危及变压器中性点绝缘的电压）时，间隙击穿，中性点有零序电流通过，保护启动后，经0.5s延时切变压器三侧断路器。零序电压保护由过电压继电器16、时间继电器17、信号继电器18及压板19组成，电压定植按躲过接地故障母线上出现的最高零序电压整定，110kV系统一般取150V；当接地点的选择有困难、接地故障母线3Uo电压较高时，也可整定为180V，动作时间取0.5s。图2.5 变压器中性点直接接地零序电流保护和中性点间隙接地保护的原理接线图2.3.6过电流保护的构成及工作原理三绕组变压器外部故障时，其过电流保护应有选择性地断开故障侧断路器。而使其余两侧继续正常运行，为此，应按如下原则来实现过流保护。（1）对单侧电源三绕组变压器（如图E-111所示），应装设两套过电流保护。一套装于负荷侧，如绕组，其动作时限t最小，保护动作仅跳开QF3。另一套装在电源侧，如绕组，它设两级时限t和t，t= t+t，用以切除QF2；而t= t+t，用以切除高、中、低三侧断路器。（2）对两端或三端电源的变压器，三侧均应设过电流保护，并根据计算值在动作时限小的电源侧加装方向元件，以保证动作的选择性。图2.6 单电源三绕组过电流保护原理接线图3短路电流计算和继电保护设计整定3.1初始数据 某变电所的电气主接线如图3-1所示。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4-1所示。图3.1 变电所主接线图3.2设计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。3.2.1画出短路等值电路图3.2 短路等值电路图计算各元件电抗参数，取基准容量，基准电压为，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 3.2.2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 3.2.3保护装置的配置表3.1 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 BCH12 110kV侧复合电压启动的过流保护 DY4，DL11，DY253 35kV侧方向过流保护LG11，DL114 110kV侧零序过电流保护 DL135 气体保护 QJ803.2.4各保护装置的整定计算1、 纵差保护的整定计算 （1）计算变压器差动臂中电流，由表3.2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3.2 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 差动臂中的电流（A） （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）制动系数计算。由于系单侧电源，故制动系数计算为 = 6）校验灵敏系数k1点最小短路电流折算到110kV基本侧为 则灵敏性满足要求。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11kV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。3、38.5kV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 作线路l3后备保护灵敏系数不符合要求。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、变压器气体保护的整定采用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）3.3 保护配置图3.3.1三段式电流保护接线图图3.3 三段式电流保护接线原理图3.3.2差动保护单相原理图 图3.4 三绕组变压器差动保护单相原理图3.3.3复合电压启动的过电流保护原理图图3.5 复合电压启动的过电流保护原理图3.3.4零序电流保护和中性点间隙接地保护原理图 图3.6 变压器中性点直接接地零序电流保护和中性点间隙接地保护的原理接线图参考文献1 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,2004.2 刘介才.工厂供电设计指导北京：机械工业出版社3 孙力华.电力工程基础北京：机械工业出版社4 陈 珩.电力系统稳态分析北京：中国电力出版社5 李光琦.电力系统暂态分析北京：中国电力出版社6 许正亚.变压器及中低压网络数字式保护.北京:中国电力出版社，2003.7 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.2版.北京：中国电力出版社，2002.8 朱声石.高压电网继电保护原理与技术.3版.北京：中国电力出版社，2005.9 王梅义.高压电网继电保护运行与设计.北京：中国电力出版社，2007.10王祖光.间断角原理的变压器差动保护.电力系统自动化，1979,3（1）：18-3017