题目：对变压器进行相关保护的设计继电保护课程设计.doc

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标题：大学生究竟难在哪？—创业要迈五道坎 2004年3月23日
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1、荣晓华、孙喜林《消费者行为学》东北财经大学出版社 2003年2月
营销环境信息收集索引
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电力系统继电保护课程设计

题目：对变压器进行相关保护的设计
班级：　　　电气081班
姓名：　　　
学号：　　　200809 7　
指导教师：　 　　
设计时间：　2012.03.02

评语：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　成绩　　　　　

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1 设计原始资料
1.1 具体题目
一台双绕组牵引变压器的容量为15MVA，电压比110±2×2.5%/27.5kV，Y，d11接线；已知：27.5kV外部短路的最大短路电流为2400A、最小短路电流为2000A，110kV侧电流互感器变比为300/5，27.5kV侧电流互感器变比为900/5；可靠系数取=1.3。试对牵引变压器进行相关保护的设计。
1.2 要完成的内容
电力系统中广泛地用变压器来升高或降低电压。变压器是电力系统不可缺少的重要电气设备。它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的设备。因此应根据变压器容量等级和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。
本设计要完成的主要内容是对变压器进行主保护和后备保护的选择，并根据给定的原始资料对所选择的各种保护进行整定及算。使之最终达到变压器在任何故障下都能迅速的切断故障，快速恢复运行。
变压器的主保护，电力变压器的主保护均采用瓦斯保护，当壳内故障产生轻瓦斯或油面下降时，应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，应动作于断开变压器各侧断路器。对于6.3MVA及以上变压器和并列运行的变压器，应装设纵联差动保护。纵联差动保护应能躲过励磁涌流和外部产生的不平衡电流，应在变压器过励磁时不误动。
变压器的后备保护，变压器的相间短路后备保护首先考虑采用过电流保护，当过电流保护满足不了灵敏度要求时，可采用复合电压启动的过电流保护，若仍不满足灵敏度的要求。则可选择阻抗保护。双绕组变压器，后备保护应装在主电源侧，根据主接线情况，保护可带一段或两端时限，以较短的时限缩小事故影响范围，跳母联或分段断路器；较长的时限断开变压器各侧断路器。
2 分析要设计的课题内容
2.1 设计规程
电网、变压器等对继电保护的基本要求是可靠性、选择性、快速性、灵敏性，即通常所说的“四性”，这些要求之间，有的相辅相成、有的相互制约，需要对不同的使用条件分别进行协调。对于可靠性即对，对继电保护最基本的性能要求，它又可分为可信赖性和安全性2个方面。可信赖性要求继电保护在异常或故障情况下，能准确地完成设计所要求的动作；安全性要求继电保护在非设计所要求动作的所有情况下，能够可靠地不动作。对于选择性，是指在对电网影响可能最小的地方，实现断路器的控制操作，以终止故障或电网事故的发展。对于速动性，是指继电保护应以允许的可能最快的速度动作于断路器跳闸，以断开故障或终止异常状态的发展。对于灵敏性，是指继电保护对设计规定要求动作的故障和异常状态能够可靠动作的能力。
变压器是现代电力系统中的主要设备之一。电力变压器运行的可靠性很高。由于变压器发生故障时造成的影响很大，因此应加强其继电保护装置的功能，以提高电力系统的安全运行。按技术规程的规定电力变压器继电保护装置的配置原则一般为：
⑴针对变压器内部的各种短路及油面下降应装设瓦斯保护，其中轻瓦斯瞬时动作与信号，重瓦斯瞬时动作于断开各侧断路器。
⑵应装设反应变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护作为主保护，瞬时动作与断开各侧断路器。
⑶对由外部相间短路引起的变压器过电流，，根据变压器容量和运行情况的不同以及变压器灵敏度的要求不同，可以采用过电流保护、复合电压启动的过电流保护、负序电流和单相式低电压启动的过电流保护或阻抗保护作为后备保护，带时限动作与跳闸。
⑷对110kV以上中性点直接接地的电网，应根据变压器中性点接地运行的具体情况和变压器的绝缘情况装设零序电流保护和零序电压保护，带时限动作于跳闸。
⑸为防止长时间的过负荷对设备的损坏，应根据可能的过负荷情况装设过负荷保护，带时限动作于信号。
⑹对变压器温度升高和冷却系统的故障，应按变压器标中的规定，装设作用于信号或动作于跳闸装置。
⑺为了防止变压器外部故障引起的过电流即作为变压器之后备保护，在变压器上装设带低压或不带低电压闭锁的过电压保护装置。
⑻对于单侧电源的变压器。后备保护装设于电源侧，作为差动保护，瓦斯保护的后备或相邻元件的后备保护。
⑼对于多测电源的变压器。后备保护应装设于变压器各侧。其作用为作为差动保护的后备。要求它动作后启动总出口继电器。对于零序过电流保护，由于变压器中性点接地而是零序电流分布发生变化，往往会使零序电流保护的灵敏度降低，因此需要在变压器的两侧均装设能动作于总出口的零序电流保护段。对于相间过电流保护，则一般只在主电源侧装设动作与总出口的保护段，但该保护段对变压器各电压侧的故障均能满足灵敏度要求。
⑽变压器各侧装设的后备保护，主要作为各侧母线和线路的后备保护，故要求只动作于跳开本侧的断路器。
2.2 本设计的保护配置
2.2.1 主保护配置
变压器的主保护通常采用差动保护和瓦斯保护。
⑴瓦斯保护
电力变压器通常是利用变压器油作为绝缘和冷却介质。当变压器油箱内故障时，在故障电流和故障点电弧的作用下，变压器油和其他绝缘材料会因受热而分解，产生大量气体。气体排出的多少以及排出的速度，与变压器故障的严重程度有关。利用这种气体来实现保护的装置，称为瓦斯保护。瓦斯保护能够保护变压器油箱内的各种轻微故障，但像变压器绝缘子闪络等油箱外面的故障，瓦斯保护不能反应。
瓦斯保护的主要元件是气体继电器，它安装在油箱和油枕之间的连接管道上。气体继电器有两个输出触点：一个称为“轻瓦斯”；另一个称为“重瓦斯”。轻瓦斯动作于信号，使运行人员能够迅速发现故障并及时处理；重瓦斯动作于跳开变压器各侧断路器。其工作原理图如图1所示。大致的工作原理如下：
变压器发生轻微故障时，油箱内产生的气体较少且速度较慢，由于油枕处在油箱的上方，使气体继电器内的油面下降，当下降到动作门槛时，轻瓦斯动作，发出警告信号。发生严重故障时，故障点周围的温度剧增而迅速产生大量的气体，变压器内部压力升高，迫使变压器油从油箱从油箱经过管道向油枕方向冲去，气
体继电器感受到的油速达到动作门槛时，重瓦斯动作，瞬时作用于跳闸回路，切除变压器，以防事故扩大。

图1 瓦斯保护原理
-瓦斯继电器；-信号继电器；-切换片；-出口继电器
⑵差动保护
由于变压器的瓦斯保护不能反应变压器油箱外部套管和引出线上的故障 ，故还需增加差动保护，以保护套管以及引出线上的故障，同时差动保护也可以保

（a）正常运行或外部短路时 （b）内部短路时
图2 变压器差动保护单相原理接线图

护单相层间短路和接地短路。其原理接线图如图2所示。
正常运行或保护范围外部短路时，如图2（a）所示，，，流入差动继电器的电流为，继电器不动作。
保护范围内部短路时，如图2（b）所示，流过继电器的电流（在变压器副边没有电源的情况下，，），数值很大，继电器动作。
实际上，变压器的变压比一般不等于1，因而；当变压器采用Y，d接线时，原副边电流的相位也不同。这时，应选取合理的电流互感器电流比和接线方式使。
2.2.2 后备保护的配置
后备保护的作用是为了防止有外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻原件保护的后备以及在可能的条件下作为变压器内部故障时主保护的后备。变压器的相间短路后备保护首先考虑采用过电流保护，当过电流保护满足不了灵敏度要求时，可采用复合电压启动的过电流保护，若仍不满足灵敏度的要求。则可选择阻抗保护。双绕组变压器，后备保护应装在主电源侧，根据主接线情况，保护可带一段或两端时限，以较短的时限缩小事故影响范围，跳母联或分段断路器；较长的时限断开变压器各侧断路器。如图3所示为变压器过电流保护的单相原理接线图。

图3 变压器过电流保护的单相原理接线图

3 变压器短路点选取
3.1 保护短路点的选取
在进行整定保护及计算时，往往要考虑短路点的位置，在本题中，短路点的选择如图2所示。
4 保护的配合及整定计算
4.1 主保护的整定计算
4.1.1 差动保护动作电流的整定及校验原则
（1）躲过外部短路故障时的最大不平衡电流，整定式为：
（1）
式中 —可靠系数，取1.3.
—外部短路故障时的最大不平衡电流。
包括电流互感器和变压器变比不完全匹配产生的最大不平衡电流和互感器传遍误差引起的最大不平衡电流。
（2）
式中 —外部短路故障时最大短路电流 ；
—由于电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差，Y，d11接线三相变压器的计算式为；
—由变压器分接头改变引起的相对误差；
—电流互感器同型系数，取为1；
—非周期分量系数，取1.5～2,当采用速饱和变流器时，由于非周期分量能引起其饱和，抑制不平衡输出，可取为1。
（2）躲过变压器最大的励磁涌流，整定式为：
（3）
式中 —可靠系数，取；
—变压器的额定电流；
—励磁涌流的最大倍数，取4～8。对于速饱和变压器取1。
（3）躲过电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷电流：
（4）
式中 —可靠系数，取1.3；
—变压器的最大负荷电流，当无法确定时，可用变压器的额定电流。
按上面三个条件计算纵差动保护的动作电流，并选取最大者。
（4） 校验原则：
纵差保护校验公式为 （5）
在实际中一般不低于2。
4.1.2 计算
基本项：
变压器额定电流
110kV侧： 27.5kV侧：
电流互感器变比
110kV侧： 27.5kV侧：
电流互感器二次侧电流
110kV侧： 27.5kV侧：
最大负载电流

动作电流：
（1）按躲过外部最大电流计算
由题：

（2）按躲过变压器最大励磁电流计算
由题：
（3）按二次断线计算
由题：
灵敏度：
基本满足要求，可以用纵差保护做主保护。
4.2 后备保护的整定计算
4.2.1 变压器过电流保护的整定及校验原则
（1）起动电流的计算
保护的启动电流按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即
（6）
式中 —可靠系数，取1.3；
—返回系数取=0.85～0.95；
—变压器器可能出现的最大负荷电流。
对降压变压器，应考虑电动机自启动时的最大电流，计算式为
（7）
式中 —正常工作时的最大负荷电流（一般为变压器的额定电流）；
—综合负荷的自启动系数，对于110kV的降压变电所，低压6～10kV侧取=1.5～2.5，中压35kV侧取=1.5～2。
（2）校验原则
纵差保护校验公式为
（8）
在后备保护中一般大于1.25。
4.2.1 计算
动作电流： 由题：
灵敏度：
大于1.25，满足要求。
5 继电保护设备的选择
5.1 互感器的选择
保护用电流互感器，就是将线路上的电流变为一定大小的电流。给继电器等保护装置供电。当线路上发生短路或其它故障，使线路上电流剧增时，通过电流互感器供给继电器等保护装置的电流也剧增，使继电保护装置动作，切断故障线路。保护用电流互感器的准确级用5P和10P表示，即其允许误差为5%和10%。
电流互感器选择原则：
（1）电路互感器的二次额定电流有1A和5A两种，强电系统用5A；
（2）当电流互感器用于测量时，其一次额定电流尽量选择的比回路正常工作电流大1/3左右；
（3）35kV及以上配电装置一般采用油侵瓷箱式式绝缘结构的独立电流互感器，常用LCC7系列；
（4）电力变压器中性点电流互感器的一次额定电流应大于变压器允许的不平衡电流的选择，一般情况下，可以按照变压器额定电流的1/3进行选择。
（5）关于准确度，用于电流电压测量的准确度不低于1级，非重要回路可采用3级；用于继电保护的电流互感器，应用D级B级；
电流互感器的选择及其参数如表5.1所示。
表5.1 电流互感器的选择型号及其参数
型 号
额定电流比
准确级组合
二次额定输出
额定绝缘水平
LZZBW-10
5～2000／5
0.5/、10P10、0.2/10P10
0.2（0.2S）级30VA；P1级40 VA；P2级30 VA
12/42/75KV
LCWD2-35
5～1000／5
0.2（0.2S）／10P
0.2（0.2S）级30VA；10P级50VA
40.5/95/185KV

变压器差动保护用的电流互感器，在最大穿越性短路电流时其误差超过10％，此时应采取下列措施：
（1）适当地增加电流互感器的变流比；
（2）将两组电流互感器按相串联使用；
（3）减小电流互感器二次回路负载；
6 二次展开原理图的绘制
6.1 保护测量电路
保护测量电路如图4所示。

图4 保护测量电路

6.2保护跳闸电路
保护跳闸电路如图5和图6所示。

图5保护接线电路

图6保护跳闸电路
7 保护的评价
一旦变压器内部出现故障时，差动与瓦斯保护能否正确反映出来，这与它们的设计原理是密切相关的。主变差动保护是按循环电流原理设计制造的，而瓦斯保护是根据变压器的内部故障时会产生或分解出气体，针对这一点设计制造的。两种保护由于基本原理不一样，因而在作用和保护范围上也有所不同。它们的区别为：差动保护是变压器的主保护，瓦斯保护为变压器内部故障时的主保护。差动保护的保护范围为主变各侧差动TA之间的一次电气部分，即：①主变引出线及变压器线圈发生多相短路；②单相严重的匝间短路；③在大电流接地系统中保护线圈及引出线上的接地故障。瓦斯的保护范围是：①变压器内部多相短路； ②匝间短路，匝间与铁芯或外皮短路；③铁芯故障(发热烧损)；④油面下降或漏油；⑤分接开关接触不良或导线焊接不良。另一个区别是差动保护可装在变压器、发电机、分段母线线路上，而瓦斯保护为变压器独有的保护。
差动保护的优点是能够迅速有选择地切除保护范围的故障，接线正确调试得当不发生误动。其缺点是对变压器内部不严重的匝间短路反映不够灵敏。
瓦斯保护的优点是，瓦斯保护不仅能反映变压器的油箱和内部各种故障，而且还能反映出差动保护反映不出来的不严重的匝间短路，和任何继电器不能发觉的铁芯故障，及内部进入空气等，因此是灵敏度高、结构简单，且是动作迅速的保护。其缺点是：①它不能反映变压器外部故障(套管和引出线)，因此瓦斯保护不能作为变压器各种故障的唯一保护；②瓦斯保护抵抗外界干扰的性能较差，比如：地震时就容易造成误动作；③如果装置瓦斯电缆时，不能很好处理防油或瓦斯继电器不能很好处理防水的问题，有可能因漏油腐蚀电缆绝缘或漏水造成误动作。
差动和瓦斯保护一般是相互配合来完成保护主变任务的。在变压器内部故障时(除不严重的匝间短路)，差动和瓦斯保护都能反映出来。至于哪种保护首先动作还须看故障的性质。

参考文献
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