某电力变压器继电保护设计.doc

中北大学信息商务学院课程设计说明书
1 引言
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本设计的重点。通过分析，找到符合电网要求的继电保护方案。
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。因此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，本设计从装置的选型、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。
在电力系统发生故障中，继电保护装置能够及时地将故障部分从系统中切除，从而保证电力设备安全和限制故障波及范围，最大限度地减少电力元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，从而满足电力系统稳定性的要求，改善继电保护装置的性能，提高电力系统的安全水平。

2 课程设计任务和要求
通过本课程设计，巩固和加深在《电力系统基础》、《电力系统分析》和《电力系统继电保护与自动化装置》课程中所学的理论知识，基本掌握电力系统继电保护设计的一般方法，提高电气设计的设计能力，为今后从事生产和科研工作打下一定的基础。
要求完成的主要任务:
要求根据所给条件确定变电所整定继电保护设计方案，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。
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。（请把图中的L1的参数改为L1=20km）

图2.1变电所的电气主接线图
3 继电保护的组成以及原则
在电力系统发生故障中，继电保护装置能够及时地将故障部分从系统中切除，从而保证电力设备安全和限制故障波及范围，最大限度地减少电力元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，从而满足电力系统稳定性的要求，改善继电保护装置的性能，提高电力系统的安全水平。
3.1 继电保护的基本概念和组成
继电保护泛指继电保护的技术和由各种继电保护设备组成的保护系统。具体包括：继电保护的设计、配置、整定、调试等技术；从获取电量信息的互感器二次回路、经过继电保护装置、至断路器跳闸线圈的一整套设备。

图3.1 继电保护的组成
测量部分：测量从被保护对象输入的有关电气量，适当处理后并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果，给出逻辑信号。判断保护装置是否应该动作。逻辑部分：根据测量部分的输出，使保护装置按照一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号。
执行部分：根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。
对作用于跳闸的继电保护，在技术上有5 个基本原则：可靠性、灵敏性、选择性、速动性以及经济性。
1.可靠性 可靠性指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该误动作。可靠性主要指保护装置本身的质量和运行维护水平而言，可以用拒动率和误动率来衡量。当两者愈小，则保护的可靠性愈高。为保证可靠性，应采用由可靠的硬件和软件构成的装置，并应具有必要的自动监测、闭锁、报警等措
2.灵敏性 灵敏性是指保护装置对其保护区内发生故障或不正常运行状态的反应能力，用灵敏系数来衡量。
3.选择性 选择性是指当供电系统发生故障时，首先由故障设备或线路本身保护且出故障，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。如下图所示，k 处故障时QF2 动作。

图3.2 k 处故障时QF2 动作图示
4.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，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。一般从装置速动保护、充分发挥零序瞬时段保护及相间速断保护的作用，减少继电器固有动作时间和断路器跳闸时间等方面入手来提高速动性。故障切除时间=保护装置动作时间+断路器动作时间不同电压等级和不同结构的电网切除故障最小时间如下表：
电网类型 切除故障最小时间
35kV~60kV 配电网络 0.5s-0.7S
110kV~330kV 高压电网 0.15s-0.3S
500kV 及以上超高压电网 0.1s-0.12s
5.经济性 经济性是指在经济上以最少的投资达到最高程度的保护原则。
3.2 继电保护可靠运行的措施
继电保护已经在电力系统中微机化普及，可靠性、灵敏性等显著提高。尽管如此，微机保护的误动作还是存在的，所以需要采取如下措施限制误动作在最小范围内。
1.认真检查继电保护装置， 保证整组试验和电流回路升流试验完成后整定值、整定值区以及二次回路接线固定。
2.采用严格的管理和相应的技术手段来确保定值区正确性。
3.定期检查：首先清点连接件是否紧固、焊接点是否虚焊、机械特性等，一个不漏地紧固螺丝，防止拒动、误动的发生；其次将装置的所有插件拔下检查一遍，同时将所有芯片按紧等。
4 某电力变压器继电保护设计
4.1 基本参数
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。（请把图中的L1,L2的参数改为L1=20km，L2=20km）

图4.1 变电所电气主接线图
4.2 继电保护装置原理
4.2.1 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3-1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。即ⅰR=ⅰI2+ⅰⅡ2+ⅰⅢ2=0。
当内部短路时，流入继电器的电流则为ⅰR=ⅰI2+ⅰⅡ2+ⅰⅢ2=ΣⅰK/na即等于各侧短路电流（二次值）的总和。
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。
4.2.2 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.
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+ KG KS 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。
4.2.3 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。

图4.2 变压器瓦斯保护原理接线图
4.2.4 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）。
4.2.5 变压器中性点直接接地零序电流保护工作原理
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。
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115~158mm，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。

图4.3 复合电压启动的过电流保护原理图
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4.4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
4.2.6 过电流保护的构成及工作原理
（1）一套装于负荷侧，如绕组ⅠⅡⅢ，其动作时限tⅢ最小，保护动作仅跳开QF3。另一套装在电源侧，如绕组Ⅰ，它设两级时限tⅠ和tⅡ，tⅡ= tⅢ+Δt，用以切除QF2；而tⅠ= tⅡ+Δt，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。
5 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。
5.1 画出短路等值电路

图5.1 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。

5.2 短路电流计算的过程
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

5.3 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
2
110kV侧复合电压启动的过流保护
DY—4，DL—11，DY—25
3
35kV侧方向过流保护
LG—11，DL—11
4
110kV侧零序过电流保护
DL—13
5
气体保护
QJ—80
表5.1 变压器保护装置的配置
6 各保护装置的整定计算
6.1 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，110kV侧差动臂中的电流最大，故110kV侧为计算的基本侧。
名称
变压器各侧数据
额定电压（kV）
110
38.5
11

变压器的额定电流

TA接线方式

选择TA的标准变比

差动臂中的电流（A）

2

表6.1 计 算 结 果
（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）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
去工作绕组匝数 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
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。
6.2 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） 电压元件的动作电压
，取
（3）负序电压元件的动作电压
，取
（4）校验灵敏系数

作11kV线路后备保护 满足要求。
6.3 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 不合要求。
6.4 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：①以跳中性点不接地运行的变压器；②以跳中性点接地运行的变压器。
6.5 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

重瓦斯按汽油流的流速整定：
（对导油管直径）

7 总结
我们刚开始做实验的时候，出现了严重的准备不足，只有设计原理图没有展开图，致使接线出现了极大的困难。在组员们的齐心协力下终于作出了展开图，感觉电路清晰多了接线也方便了。由于在平时的学习中不够扎实，在实验过程中明显感觉到理论知识的匮乏，出现了一些让人感到不可思议的错误。
在接线的过程中，由于自己平时很少接触这个，动手能力不是很好，往往一个小小的接线就需要花费更多的时间。随着接线的增加也逐渐熟练起来，最后和大家一起顺利完成了接线。在最后的调试中，我主要是控制闸刀，我们测动作电流的时候总是时大时小，还出现了继电器不能正常动作的情况。在老师的反复测试中才发现是由于我合闸的时候没有到位，导致接触不良，有时三相，有时两相。最后我注意了这方面的情况，问题迎刃而解。
这次继电保护综合实验使我对继电保护思想基本要求，即可靠性，选择性，快速性，灵敏性有了新的认识，提高了理论结合实际的能力，巩固了书本知识，提高了动手能力，发现问题和解决问题的能力。但是这次实验还是暴露了自己理论知识的不足，以后还要加强这方面的学习。

附录1 三段式电流保护接线原理图以及展开图

图 1 三段式电流保护接线原理图

n 图2 三段式电流保护接线展开图

附录2 零序电流保护和中性点间隙接地保护原理图
图3 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. 张保会 尹项根.电力系统继电保护.第二版.北京：中国电力出版社
2. 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
3. 刘介才．工厂供电设计指导．北京：机械工业出版社
4. 孙力华．电力工程基础．北京：机械工业出版社
5. 陈 珩．电力系统稳态分析．北京：中国电力出版社
6.李光琦．电力系统暂态分析．北京：中国电力出版社
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