對變壓器進行相關保護的課程設計.doc

電氣工程系繼電保護課程設計電力系統(tǒng)繼電保護課程設計題目：對變壓器進行相關保護的設計班級：電氣081班 姓名： 洪長亮 學號：200809017指導教師： 王思華設計時間：2012.03.02 評語：成績xii電氣工程系繼電保護課程設計1 設計原始資料1.1 具體題目 一臺雙繞組牽引變壓器的容量為15mva，電壓比11022.5%/27.5kv，y，d11接線；已知：27.5kv外部短路的最大短路電流為2400a、最小短路電流為2000a，110kv側電流互感器變比為300/5，27.5kv側電流互感器變比為900/5；可靠系數取=1.3。試對牽引變壓器進行相關保護的設計。1.2 要完成的內容電力系統(tǒng)中廣泛地用變壓器來升高或降低電壓。變壓器是電力系統(tǒng)不可缺少的重要電氣設備。它的故障將對供電可靠性和系統(tǒng)安全運行帶來嚴重的影響，同時大容量的電力變壓器也是十分貴重的設備。因此應根據變壓器容量等級和重要程度裝設性能良好、動作可靠的繼電保護裝置。本設計要完成的主要內容是對變壓器進行主保護和后備保護的選擇，并根據給定的原始資料對所選擇的各種保護進行整定及算。使之最終達到變壓器在任何故障下都能迅速的切斷故障，快速恢復運行。變壓器的主保護，電力變壓器的主保護均采用瓦斯保護，當殼內故障產生輕瓦斯或油面下降時，應瞬時動作于信號；當產生大量瓦斯時，應動作于斷開變壓器各側斷路器。對于6.3mva及以上變壓器和并列運行的變壓器，應裝設縱聯(lián)差動保護。縱聯(lián)差動保護應能躲過勵磁涌流和外部產生的不平衡電流，應在變壓器過勵磁時不誤動。變壓器的后備保護，變壓器的相間短路后備保護首先考慮采用過電流保護，當過電流保護滿足不了靈敏度要求時，可采用復合電壓啟動的過電流保護，若仍不滿足靈敏度的要求。則可選擇阻抗保護。雙繞組變壓器，后備保護應裝在主電源側，根據主接線情況，保護可帶一段或兩端時限，以較短的時限縮小事故影響范圍，跳母聯(lián)或分段斷路器；較長的時限斷開變壓器各側斷路器。2 分析要設計的課題內容2.1 設計規(guī)程電網、變壓器等對繼電保護的基本要求是可靠性、選擇性、快速性、靈敏性，即通常所說的“四性”，這些要求之間，有的相輔相成、有的相互制約，需要對不同的使用條件分別進行協(xié)調。對于可靠性即對，對繼電保護最基本的性能要求，它又可分為可信賴性和安全性2個方面?？尚刨囆砸罄^電保護在異常或故障情況下，能準確地完成設計所要求的動作；安全性要求繼電保護在非設計所要求動作的所有情況下，能夠可靠地不動作。對于選擇性，是指在對電網影響可能最小的地方，實現(xiàn)斷路器的控制操作，以終止故障或電網事故的發(fā)展。對于速動性，是指繼電保護應以允許的可能最快的速度動作于斷路器跳閘，以斷開故障或終止異常狀態(tài)的發(fā)展。對于靈敏性，是指繼電保護對設計規(guī)定要求動作的故障和異常狀態(tài)能夠可靠動作的能力。變壓器是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的主要設備之一。電力變壓器運行的可靠性很高。由于變壓器發(fā)生故障時造成的影響很大，因此應加強其繼電保護裝置的功能，以提高電力系統(tǒng)的安全運行。按技術規(guī)程的規(guī)定電力變壓器繼電保護裝置的配置原則一般為：針對變壓器內部的各種短路及油面下降應裝設瓦斯保護，其中輕瓦斯瞬時動作與信號，重瓦斯瞬時動作于斷開各側斷路器。應裝設反應變壓器繞組和引出線的多相短路及繞組匝間短路的縱聯(lián)差動保護或電流速斷保護作為主保護，瞬時動作與斷開各側斷路器。對由外部相間短路引起的變壓器過電流，根據變壓器容量和運行情況的不同以及變壓器靈敏度的要求不同，可以采用過電流保護、復合電壓啟動的過電流保護、負序電流和單相式低電壓啟動的過電流保護或阻抗保護作為后備保護，帶時限動作與跳閘。對110kv以上中性點直接接地的電網，應根據變壓器中性點接地運行的具體情況和變壓器的絕緣情況裝設零序電流保護和零序電壓保護，帶時限動作于跳閘。為防止長時間的過負荷對設備的損壞，應根據可能的過負荷情況裝設過負荷保護，帶時限動作于信號。對變壓器溫度升高和冷卻系統(tǒng)的故障，應按變壓器標中的規(guī)定，裝設作用于信號或動作于跳閘裝置。為了防止變壓器外部故障引起的過電流即作為變壓器之后備保護，在變壓器上裝設帶低壓或不帶低電壓閉鎖的過電壓保護裝置。對于單側電源的變壓器。后備保護裝設于電源側，作為差動保護，瓦斯保護的后備或相鄰元件的后備保護。對于多測電源的變壓器。后備保護應裝設于變壓器各側。其作用為作為差動保護的后備。要求它動作后啟動總出口繼電器。對于零序過電流保護，由于變壓器中性點接地而是零序電流分布發(fā)生變化，往往會使零序電流保護的靈敏度降低，因此需要在變壓器的兩側均裝設能動作于總出口的零序電流保護段。對于相間過電流保護，則一般只在主電源側裝設動作與總出口的保護段，但該保護段對變壓器各電壓側的故障均能滿足靈敏度要求。變壓器各側裝設的后備保護，主要作為各側母線和線路的后備保護，故要求只動作于跳開本側的斷路器。2.2 本設計的保護配置2.2.1 主保護配置變壓器的主保護通常采用差動保護和瓦斯保護。瓦斯保護電力變壓器通常是利用變壓器油作為絕緣和冷卻介質。當變壓器油箱內故障時，在故障電流和故障點電弧的作用下，變壓器油和其他絕緣材料會因受熱而分解，產生大量氣體。氣體排出的多少以及排出的速度，與變壓器故障的嚴重程度有關。利用這種氣體來實現(xiàn)保護的裝置，稱為瓦斯保護。瓦斯保護能夠保護變壓器油箱內的各種輕微故障，但像變壓器絕緣子閃絡等油箱外面的故障，瓦斯保護不能反應。瓦斯保護的主要元件是氣體繼電器，它安裝在油箱和油枕之間的連接管道上。氣體繼電器有兩個輸出觸點：一個稱為“輕瓦斯”；另一個稱為“重瓦斯”。輕瓦斯動作于信號，使運行人員能夠迅速發(fā)現(xiàn)故障并及時處理；重瓦斯動作于跳開變壓器各側斷路器。其工作原理圖如圖1所示。大致的工作原理如下：變壓器發(fā)生輕微故障時，油箱內產生的氣體較少且速度較慢，由于油枕處在油箱的上方，使氣體繼電器內的油面下降，當下降到動作門檻時，輕瓦斯動作，發(fā)出警告信號。發(fā)生嚴重故障時，故障點周圍的溫度劇增而迅速產生大量的氣體，變壓器內部壓力升高，迫使變壓器油從油箱從油箱經過管道向油枕方向沖去，氣體繼電器感受到的油速達到動作門檻時，重瓦斯動作，瞬時作用于跳閘回路，切除變壓器，以防事故擴大。圖1 瓦斯保護原理-瓦斯繼電器；-信號繼電器；-切換片；-出口繼電器差動保護由于變壓器的瓦斯保護不能反應變壓器油箱外部套管和引出線上的故障 ，故還需增加差動保護，以保護套管以及引出線上的故障，同時差動保護也可以保 （a）正常運行或外部短路時 （b）內部短路時 圖2 變壓器差動保護單相原理接線圖護單相層間短路和接地短路。其原理接線圖如圖2所示。正常運行或保護范圍外部短路時，如圖2（a）所示，流入差動繼電器的電流為，繼電器不動作。保護范圍內部短路時，如圖2（b）所示，流過繼電器的電流（在變壓器副邊沒有電源的情況下，），數值很大，繼電器動作。實際上，變壓器的變壓比一般不等于1，因而；當變壓器采用y，d接線時，原副邊電流的相位也不同。這時，應選取合理的電流互感器電流比和接線方式使。2.2.2 后備保護的配置后備保護的作用是為了防止有外部故障引起的變壓器繞組過電流，并作為相鄰原件保護的后備以及在可能的條件下作為變壓器內部故障時主保護的后備。變壓器的相間短路后備保護首先考慮采用過電流保護，當過電流保護滿足不了靈敏度要求時，可采用復合電壓啟動的過電流保護，若仍不滿足靈敏度的要求。則可選擇阻抗保護。雙繞組變壓器，后備保護應裝在主電源側，根據主接線情況，保護可帶一段或兩端時限，以較短的時限縮小事故影響范圍，跳母聯(lián)或分段斷路器；較長的時限斷開變壓器各側斷路器。如圖3所示為變壓器過電流保護的單相原理接線圖。圖3 變壓器過電流保護的單相原理接線圖3 變壓器短路點選取3.1 保護短路點的選取 在進行整定保護及計算時，往往要考慮短路點的位置，在本題中，短路點的選擇如圖2所示。4 保護的配合及整定計算4.1 主保護的整定計算4.1.1 差動保護動作電流的整定及校驗原則（1）躲過外部短路故障時的最大不平衡電流，整定式為： （1）式中 可靠系數，取1.3. 外部短路故障時的最大不平衡電流。 包括電流互感器和變壓器變比不完全匹配產生的最大不平衡電流和互感器傳遍誤差引起的最大不平衡電流。（2）式中 外部短路故障時最大短路電流 ； 由于電流互感器計算變比和實際變比不一致引起的相對誤差，y，d11接線三相變壓器的計算式為； 由變壓器分接頭改變引起的相對誤差； 電流互感器同型系數，取為1； 非周期分量系數，取1.52,當采用速飽和變流器時，由于非周期分量能引起其飽和，抑制不平衡輸出，可取為1。 （2）躲過變壓器最大的勵磁涌流，整定式為： （3）式中 可靠系數，取； 變壓器的額定電流； 勵磁涌流的最大倍數，取48。對于速飽和變壓器取1。 （3）躲過電流互感器二次回路斷線時變壓器的最大負荷電流： （4）式中 可靠系數，取1.3； 變壓器的最大負荷電流，當無法確定時，可用變壓器的額定電流。按上面三個條件計算縱差動保護的動作電流，并選取最大者。（4） 校驗原則：縱差保護校驗公式為 （5）在實際中一般不低于2。4.1.2 計算基本項：變壓器額定電流 110kv側： 27.5kv側： 電流互感器變比 110kv側： 27.5kv側：電流互感器二次側電流 110kv側： 27.5kv側：最大負載電流 動作電流：（1）按躲過外部最大電流計算由題： （2）按躲過變壓器最大勵磁電流計算 由題： （3）按二次斷線計算由題： 靈敏度： 基本滿足要求，可以用縱差保護做主保護。4.2 后備保護的整定計算4.2.1 變壓器過電流保護的整定及校驗原則（1）起動電流的計算 保護的啟動電流按躲過變壓器可能出現(xiàn)的最大負荷電流來整定，即（6）式中 可靠系數，取1.3；返回系數取=0.850.95；變壓器器可能出現(xiàn)的最大負荷電流。對降壓變壓器，應考慮電動機自啟動時的最大電流，計算式為 （7）式中 正常工作時的最大負荷電流（一般為變壓器的額定電流）； 綜合負荷的自啟動系數，對于110kv的降壓變電所，低壓610kv側取=1.52.5，中壓35kv側取=1.52。（2）校驗原則縱差保護校驗公式為 （8） 在后備保護中一般大于1.25。4.2.1 計算動作電流： 由題： 靈敏度： 大于1.25，滿足要求。5 繼電保護設備的選擇5.1 互感器的選擇 保護用電流互感器，就是將線路上的電流變?yōu)橐欢ù笮〉碾娏鳌＝o繼電器等保護裝置供電。當線路上發(fā)生短路或其它故障，使線路上電流劇增時，通過電流互感器供給繼電器等保護裝置的電流也劇增，使繼電保護裝置動作，切斷故障線路。保護用電流互感器的準確級用5p和10p表示，即其允許誤差為5%和10%。電流互感器選擇原則：（1）電路互感器的二次額定電流有1a和5a兩種，強電系統(tǒng)用5a；（2）當電流互感器用于測量時，其一次額定電流盡量選擇的比回路正常工作電流大1/3左右；（3）35kv及以上配電裝置一般采用油侵瓷箱式式絕緣結構的獨立電流互感器，常用lcc7系列；（4）電力變壓器中性點電流互感器的一次額定電流應大于變壓器允許的不平衡電流的選擇，一般情況下，可以按照變壓器額定電流的1/3進行選擇。（5）關于準確度，用于電流電壓測量的準確度不低于1級，非重要回路可采用3級；用于繼電保護的電流互感器，應用d級b級；電流互感器的選擇及其參數如表5.1所示。表5.1 電流互感器的選擇型號及其參數型 號額定電流比準確級組合二次額定輸出額定絕緣水平lzzbw-105200050.5/、10p10、0.2/10p100.2（0.2s）級30va；p1級40 va；p2級30 va12/42/75kvlcwd2-355100050.2（0.2s）10p0.2（0.2s）級30va；10p級50va40.5/95/185kv變壓器差動保護用的電流互感器，在最大穿越性短路電流時其誤差超過10，此時應采取下列措施：（1）適當地增加電流互感器的變流比；（2）將兩組電流互感器按相串聯(lián)使用；（3）減小電流互感器二次回路負載；6 二次展開原理圖的繪制6.1 保護測量電路保護測量電路如圖4所示。圖4 保護測量電路6.2保護跳閘電路保護跳閘電路如圖5和圖6所示。圖5保護接線電路 圖6保護跳閘電路 7 保護的評價 一旦變壓器內部出現(xiàn)故障時，差動與瓦斯保護能否正確反映出來，這與它們的設計原理是密切相關的。主變差動保護是按循環(huán)電流原理設計制造的，而瓦斯保護是根據變壓器的內部故障時會產生或分解出氣體，針對這一點設計制造的。兩種保護由于基本原理不一樣，因而在作用和保護范圍上也有所不同。它們的區(qū)別為：差動保護是變壓器的主保護，瓦斯保護為變壓器內部故障時的主保護。差動保護的保護范圍為主變各側差動ta之間的一次電氣部分，即：主變引出線及變壓器線圈發(fā)生多相短路；單相嚴重的匝間短路；在大電流接地系統(tǒng)中保護線圈及引出線上的接地故障。瓦斯的保護范圍是：變壓器內部多相短路； 匝間短路，匝間與鐵芯或外皮短路；鐵芯故障(發(fā)熱燒損)；油面下降或漏油；分接開關接觸不良或導線焊接不良。另一個區(qū)別是差動保護可裝在變壓器、發(fā)電機、分段母線線路上，而瓦斯保護為變壓器獨有的保護。 差動保護的優(yōu)點是能夠迅速有選擇地切除保護范圍的故障，接線正確調試得當不發(fā)生誤動。其缺點是對變壓器內部不嚴重的匝間短路反映不夠靈敏。 瓦斯保護的優(yōu)點是，瓦斯保護不僅能反映變壓器的油箱和內部各種故障，而且還能反映出差動保護反映不出來的不嚴重的匝間短路，和任何繼電器不能發(fā)覺的鐵芯故障，及內部進入空氣等，因此是靈敏度高、結構簡單，且是動作迅速的保護。其缺點是：它不能反映變壓器外部故障(套管和引出線)，因此瓦斯保護不能作為變壓器各種故障的唯一保護；瓦斯保護抵抗外界干擾的性能較差，比如：地震時就容易造成誤動作；如果裝置瓦斯電纜時，不能很好處理防油或瓦斯繼電器不能很好處理防水的問題，有可能因漏油腐蝕電纜絕緣或漏水造成誤動作。 差動和瓦斯保護一般是相互配合來完成保護主變任務的。在變壓器內部故障時(除不嚴重的匝間短路)，差動和瓦斯保護都能反映出來。至于哪種保護首先動作還須看故障的性質。參考文獻1 張寶會，尹項根主編.電力系統(tǒng)繼電保護.北京：中國電力出版社，2005.2 崔家佩，孟慶炎，陳永芳等.電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置整定計算.北京：中國電力出版社，1993.4 于永源，楊綺雯.電力系統(tǒng)分析（第三版）.北京：中國水利水電出版社，2007.5 許建安主編.繼電保護整定計算.北京：中國水利水電出版社，2001.6 呂繼紹主編.電力系統(tǒng)繼電保護設計原理.北京：中國水利水電出版社，1986.7 趙良斌.d，yn11聯(lián)接組配電變壓器繼電保護特點.西北建筑工程學