牽引變壓器相關保護的設計

1、 自動化與電氣工程學院繼電保護課程設計 電力系統(tǒng)繼電保護課程設計題目： 牽引變壓器相關保護的設計班級： 姓名： 學號： 指導教師： 設計時間： 評語：成績- 12 -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，電壓比為110±2×2.5%/27.5kV，Y，d11接線；：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。試對牽引變壓器進行相關保護的設計。1.2 要完成的內容(1) 保護的配置及選擇； (2) 保護配合及整定計算； (

2、3) 保護原理展開圖的設計； (4) 對保護的評價。 2.保護方式確實定2.1 設計規(guī)程2.1.1 保護分類電力系統(tǒng)中的電力設備和線路，應裝設短路故障和異常運行的保護裝置。電力設備和線路短路故障的保護應有主保護和后備保護，必要時可增設輔助保護。(1) 主保護主保護是滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和設備平安要求，能以最快速度有選擇地切除被保護設備和線路故障的保護。(2) 后備保護后備保護是主保護或斷路器拒動時，用以切除故障的保護。后備保護可分為遠后備和近后備兩種方式。2.1.2 異常運行保護異常運行保護是反響被保護電力設備或線路異常運行狀態(tài)的保護。2.1.3 對繼電保護性能的要求繼電保護裝置應滿足可靠性、選擇性、

3、靈敏性和速動性的要求。(1) 可靠性可靠性是指保護該動作時應動作，不該動作時不動作。為保證可靠性，宜選用性能滿足要求、原理盡可能簡單的保護方案，應采用由可靠的硬件和軟件構成的裝置，并應具有必要的自動檢測、閉鎖、告警等措施，以及便于整定、調試和運行維護。(2) 選擇性選擇性是指首先由故障設備或線路本身的保護切除故障，當故障設備或線路本身的保護或斷路器拒動時，才允許由相鄰設備、線路的保護或斷路器失靈保護切除故障。(3) 靈敏性靈敏性是指在設備或線路的被保護范圍內發(fā)生故障時，保護裝置具有的正確動作能力的裕度，一般以靈敏系數來描述。(4) 速動性速動性是指保護裝置應能盡快地切除短路故障，其目的是提高系

4、統(tǒng)穩(wěn)定性，減輕故障設備和線路的損壞程度，縮小故障涉及范圍，提高自動重合閘和備用電源或備用設備自動投入的效果等。2.2 本設計的保護配置2.2.1 牽引變壓器的運行狀態(tài)牽引變壓器存在空載合閘、正常運行、短路故障、不正常運行幾種狀態(tài)。分析牽引變壓器的運行狀態(tài)是為了更好地研究繼電保護裝置的構成原理及其整定計算。(1) 牽引變壓器的空載合閘牽引變電所建成投運、變壓器檢修后投運及采用固定備用方式的運行變壓器故障后備用變壓器的投入，均進行空載合閘。 變壓器空載合閘時，有如下特點。 產生較大的沖擊性勵磁電流，簡稱為勵磁涌流。勵磁涌流只流過變壓器電源側繞組。 勵磁涌流的大小，與變壓器合閘瞬間電源電壓的初相角及

5、鐵芯中的剩磁大小有關，嚴重時可達變壓器額定電流的68倍。 勵磁涌流波形的波寬較窄，且有很大的間斷區(qū)80電角度以上，并含有大量的二次諧波電流分量和衰減性直流分量非周期分量。(2) 變壓器的短路故障 根據短路地點的不同，分為油箱內部短路故障和油箱外部套管及引出線上的短路故障。當油箱內部出現各種類型的短路故障時，短路點處的高溫電弧將會損壞線圈的絕緣，也會使絕緣物劇烈氣化，產生大量的瓦斯氣體，造成油箱內壓力劇增。當發(fā)生油箱外短路故障時，將導致供電電壓的嚴重降低并導致變壓器線圈的過熱，加速線圈絕緣老化。(3) 變壓器的不正常運行狀態(tài) 包括變壓器過負荷運行、變壓器外部負荷側短路故障引起的線圈過電流、油箱嚴

6、重漏油、變壓器過熱等。2.2.2 牽引變壓器的保護方式牽引變壓器在牽引供電系統(tǒng)中具有十分重要的作用，運行中會發(fā)生危害特別嚴重的短路故障，因此必須對牽引變壓器設置性能完善的保護裝置。牽引變壓器保護裝置的設置必須滿足以下要求：(1) 當變壓器正常運行和空載合間以及外部故障被切除時，保護裝置不應動作。(2) 當變壓器發(fā)生短路故障時，保護裝置應可靠而迅速地動作。(3) 當變壓器出現不正常運行狀態(tài)時，保護裝置應能給出相應的信號。根據電力設計規(guī)程的規(guī)定，牽引變壓器應設置主保護、后備保護和輔助保護。2.2.3 主保護配置主保護由瓦斯保護和縱聯(lián)差動保護構成，用于反響變壓器上的短路故障。瓦斯保護用于反響變壓器油

7、箱內部的短路故障?？v聯(lián)差動保護既能反響變壓器油箱內的短路故障，也能反響油箱外引出線及母線上發(fā)生的短路故隱。 主要保護為瞬時動作，且動作后變壓器各側斷路器均跳閘，變壓器退出運行。2.2.4 后備保護配置 (1) 過電流保護作為變壓器短路故障的后備保護。當主要保護拒動時，由后備保護經一定延時后動作，變壓器退出運行。過電流后備保護包括變壓器110kV側過電流保護和中性點零序過電流保護。 110kV側過電流保護實際采用低電壓起動的過電流保護，以提高過電流保護的靈敏度。中性點零序過電流保護作為變壓器高壓側接地短路故障及相鄰元件110kV進線接地短路故障的后備保護。(2) 變壓器外部短路故障的電流保護該保

8、護設于變壓器的275kV側，作為275kV母線短路故障的保護和牽引網短路故障的后備保護。為提高過電流保護的靈敏度，實際也采用低電壓啟動的過電流保護。需要指出的是，當變壓器外部發(fā)生短路故障時，主要保護是不動作的，假設27.5kV側低壓起動過電流保護拒動，那么可由110kV側低壓起動過電流保護經延時后動作，變壓器退出運行。但故障影響范圍擴大了。2.2.5 輔助性保護 輔助性保護包括變壓器的過負荷保護。過熱保護和輕瓦斯保護。保護動作后，只發(fā)出相應的信號。過負荷保護用于監(jiān)視變壓器的過負荷運行，設于變壓器110kV側兩重負荷相上。過熱保護用于監(jiān)視變壓器油箱內上層的油溫。當油溫超過允許值時，過熱保護動作，

9、發(fā)出“變壓器過熱信號。輕瓦斯保護用于反響變壓器油箱內的輕微短路故障和油面的嚴重降低。由瓦斯繼電器的“輕瓦斯接點實現。輕瓦斯保護動作后，發(fā)公“輕瓦斯動作信號。3.保護的配合及整定計算3.1 主保護的整定計算3.1.1 動作電流計算值確實定(1) 躲開變壓器的勵磁涌流 (3.1)式中：為可靠系數，取=1.3；為變壓器根本側額定電流。(2) 躲開電流互感器二次回路斷線時變壓器的最大負荷電流： (3.2)式中：為可靠系數，取=1.3；為變壓器根本側的最大負荷電流，當無法確定時，可用變壓器的額定電流。(3) 躲開外部短路時的最大不平衡電流 (3.3)其中： 式中：為最大外部短路電流周期分量；為電流互感器

10、相對誤差，取=0.1；為非周期分量系數；為電流互感器同型系數；、為變壓器高、中壓側分接頭改變而引起的誤差；、為在外部短路情況下，流經相應調壓側最大短路電流的周期分量；、為在外部短路時流過所計算的、側相應電流互感器的短路電流；、為繼電器整定匝數與計算匝數不等引起的相對誤差。題目所計算變壓器為雙繞組變壓器所以上式可改為： (3.4)式中：為外部短路時流過根本側的最大短路電流； 為同型系數；為電流互感器10%誤差；為繼電器整定匝數與計算匝數不等而產生的相對誤差，求計算動作電流時先用0.05進行計算。(4) 根本側工作線圈的匝數 根本側工作線圈匝數的計算公式為 (3.5)式中：為根本工作線圈計算匝數；

11、 為繼電器動作安匝；為繼電器動作電流；為根本側電流互感器變比；按繼電器實際抽頭選用差動線圈的整定匝數時應該。根據選用的根本側工作線圈匝數算出繼電器的實際動作電流和保護的一次動作電流： (3.6) (3.7)工作線圈匝數等于差動線圈和平衡線圈之和，即： (3.8)式中 為差動線圈整定匝數； 為平衡線圈整定匝數。(5) 非根本側平衡線圈匝數確實定 題目所給變壓器為雙繞組變壓器所以有： (3.9)式中 、為根本側、非根本側流入繼電器的電流； 非根本側的平衡線圈按四舍五入計算；(6) 確定相對誤差 相對誤差的計算公式如下： (3.10)假設計算有效那么應根據的實際值帶入式中重新計算動作電流。(7) 校

12、驗靈敏度 靈敏度校驗公式為 (3.11)式中：為變壓器內部故障時歸算至根本側的最小短路電流； 假設為單電源變壓 器應為歸算至電源側的最小短路電流； 為接線系數；根本側保護一次動作電流；假設為單側電源變壓器應為電源側保護一次動作電流。如果靈敏度約為2，且算出的繼電器整定匝數與計算匝數不等而產生的相對誤差小于1初算時采用的0.05，而動作電流又是按躲過外部短路時的不平衡電流決定，那么可按靈敏度條件選擇動作電流，檢查此電流是否滿足勵磁涌流、電流互感器二次回路斷線的要求。然后確定各線圈的計算匝數和整定匝數。(8) 動作值的計算變壓器額定電流：110kV側27.5kV側電流互感器二次側電流：110kV側

13、：27.5kV側：最大負載電流:動作電流： 按躲過外部最大電流計算由題： 按躲過變壓器最大勵磁電流計算 由題： 按二次斷線計算 由題： 靈敏度： 3.2 后備保護的整定計算3.2.1 過電流保護過電流保護裝置的動作電流，應能躲開變壓器正常運行時的最大負荷電流。過電流保護的靈敏系數按式計算。作為主保護時，用變壓器負荷側母線最小兩相短路電流校驗，應不小于1.5，作為后備保護時，用保護區(qū)末端最小兩相短路電流校驗，應不小于1.25。過電流保護的時限特性應按階梯形原那么確定。滿足靈敏度要求可以使用。3.2.2 低電壓啟動的過電流保護低電壓啟動的過電流保護增加低電壓啟動元件后，只有當電流增大，電壓降低且都

14、到達整定值時，保護裝置才能動作于跳閘。低電壓啟動過電流保護的整定原那么如下：過電流元件：動作電流按式確定。靈敏系數按式計算。低電壓元件：動作電壓按式確定；靈敏系數按校驗，作為主保護時，應不小于1.5；作為后備保護時，應不小于1.2。3.2.3 過負荷保護對于牽引變壓器可按式式中為牽引變壓器過負荷系數。由題可知：。由于牽引負荷的特點，過負荷電流持續(xù)時間很短，通常為0.52min，所以，如果采用普通變壓器作為牽引變壓器，一般可取1.31.5，動作時延t取9s。4.繼電保護設備的選擇4.1 互感器的選擇互感器是電力系統(tǒng)中供測量和保護用的重要設備，分為電流互感器和電壓互感器兩大類，它們的功能是把線路上

15、的高電壓變換成低電壓(100V)，把線路上的大電流變換成小電流(5A)，以便于各種測量儀表和繼電保護裝置使用。4.1.1 電流互感器的選擇(1) 電流互感器的額定頻率應與應用線路電流的頻率相一致。如不一致，就不能準確反映實際電流大小，或發(fā)生事故。(2) 根據被應用線路的電壓等級，選擇電流互感器的額定電壓，這樣才能保護人員和設備的平安使用，絕對不能把額定電壓低的電流互感器安裝使用在電壓等級比它高的線路中使用。但電流互感器的額定電壓高可以使用在低于額定電壓的線路中。(3) 電流互感器在運行中嚴禁二次側開路，因開路時二次側電流就全部為激磁電流，導致激磁電流急速增加，鐵心急速飽和，線圈感應電動勢凈值劇

16、增，可能擊穿互感器絕緣，引起人身和設備事故，因此，電流互感器二次側應裝有開路保護裝置。4.1.2 電壓互感器的選擇(1) 電壓互感器的額定頻率應與使用線路的頻率一致。如不一致，就不能準確反映實際電壓大小，或發(fā)生事故。(2) 根據被使用線路電壓，選擇電壓互感器一次額定電壓。二次額定電壓一般為100V。(3) 如果是用來擴大電壓表或儀表電壓線圈的量程的電壓互感器，其準確度等級應比電壓表或電壓線圈的精度等級高1020級，用來擴大功率表量程的電壓互感器，其準確度應不低于10級，用來擴大電度表量程的其準確度應不低于05級，標準電壓互感的準確度等級應比被檢定的電壓互感器高2級，且不低于0 2級。5.二次展開原理圖的繪制5.1 保護接線和測量電路保護接線電路如圖5.1所示，測量電路如圖5.2所示。 圖5.1保護接線電路 圖5.2保護測量電路5.2 保護跳閘電路保護跳閘電路如圖5.3所示。圖5.3保護跳閘電路6.保護的評價對于一個電路而言尤其是電壓比擬高的一次電路沒有保護是比擬危險的，而對于保護電路而言追求更好的速動性、靈敏性、可靠性是它永恒的主題。在保護的整定計算及設備的選擇過程中我們需要考慮變壓器可能出現的所有的不正常狀況及線路上可能出現的所有狀況。本文對題目所給牽引變壓器的保護