繼電保護設計

1、摘 要電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要的供電元件，為了供電的可靠性和系統(tǒng)正常運行，就必須視其容量的大小、電壓的高低和重要程度，設置相應的繼電保護裝置。本設計結合電力變壓器運行中的故障，分析了電力變壓器縱聯(lián)差動保護、瓦斯保護及過電流保護等繼電保護裝置配置原則和設計方案。關鍵詞：電力變壓器 繼電保護裝置 保護配置Abstract Power transformer is very important in power system,power components in order to power supply reliability and system normal operation,you

2、 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 prot

3、ection rely protection device configuration principle and design scheme.Keywords: Power transformer Relay protection device Protection configuration目 錄1 概述11.1變壓器的基本概念11.2變壓器的故障和不正常運行狀態(tài)11.3變壓器的保護配置12 110/35/10KV電力變壓器繼電保護設計32.1設計基本資料32.2本系統(tǒng)故障分析32.3本設計繼電保護裝置原理概述43短路電流計算和繼電保護設計整定93.1初始數(shù)據(jù)93.2設計計算93.3 保護

4、配置圖16總 結18致 謝19參考文獻20110/35/10KV電力變壓器繼電保護設計1 概述1.1變壓器的基本概念電力變壓器是一種靜止的電氣設備，是用來將某一數(shù)值的交流電壓（電流）變成頻率相同的另一種或幾種數(shù)值不同的電壓（電流）的設備。當一次繞組通以交流電時，就產生交變的磁通，交變的磁通通過鐵芯導磁作用，就在二次繞組中感應出交流電動勢。二次感應電動勢的高低與一二次繞組匝數(shù)的多少有關，即電壓大小與匝數(shù)成正比。主要作用是傳輸電能，因此，額定容量是它的主要參數(shù)。額定容量是一個表現(xiàn)功率的慣用值，它是表征傳輸電能的大小，以kVA或MVA表示，當對變壓器施加額定電壓時，根據(jù)它來確定在規(guī)定條件下不超過溫升

5、限值的額定電流。1.2變壓器的故障和不正常運行狀態(tài)電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設備，在發(fā)電、輸電、配電環(huán)節(jié)中起著提高電壓以便于遠距離輸送電能以及降低電壓給負荷供電等關鍵作用。其故障對供電可靠性和系統(tǒng)安全運行帶來嚴重影響，同時大容量的電力變壓器本身也是十分貴重的設備。因此應根據(jù)變壓器容量和電壓等級及其重要程度，裝設性能良好、動作可靠的繼電保護裝置。 電力變壓器主要由鐵心及繞在鐵心上的繞組構成。為保證各繞組之間的絕緣，以及鐵心、繞組的散熱需要，將鐵心及繞組置于裝有變壓器油的油箱中。而變壓器各繞組的兩端則通過絕緣套管引到變壓器的殼體之外。 1.變壓器的故障 變壓器的故障可分為油箱內部故障和油箱外

6、部故障兩類。油箱內的故障包括各相繞組之間發(fā)生的相間短路、單相繞組通過外殼發(fā)生的單相接地短路、單相繞組部分線匝之間發(fā)生的匝間短路以及鐵心燒損等故障。變壓器油箱內的故障產生的電弧，將引起絕緣物質的劇烈汽化，從而可能引起油箱的爆炸，因此，這些故障應該盡快加以切除。油箱外部故障指的是絕緣套管及其引出線上發(fā)生的相間短路和接地短路故障等。2. 變壓器的不正常運行狀態(tài)變壓器的不正常運行狀態(tài)主要包括變壓器外部短路故障引起的過電流、負荷長時間超過額定容量引起的過負荷、風扇故障或漏油等原因引起冷卻能力的下降等。對于中性點非直接接地運行的變壓器，外部接地短路時可能造成變壓器中性點過電壓，威脅變壓器的絕緣。對于大容量

7、變壓器，因鐵心額定工作磁通密度與飽和磁通密度比較接近，所以當外部電壓過高或頻率降低時容易發(fā)生過勵磁。1.3變壓器的保護配置根據(jù)上述故障類型和不正常運行狀態(tài)，變壓器應裝設下列保護。1. 瓦斯保護瓦斯保護反應于油箱內部所產生的氣體或油流而動作，它可防御變壓器油箱內的各種短路故障和油面的降低，且具有很高的靈敏度。瓦斯保護有重、輕之分，一般重瓦斯保護動作于跳開變壓器各電源側的斷路器，輕瓦斯保護動作于信號。容量在800kVA及以上的油浸式變壓器和400kVA及以上的車間內油浸式變壓器應裝設瓦斯保護。同樣對帶負荷調壓的油浸式變壓器的調壓裝置也應裝設瓦斯保護。2. 縱聯(lián)差動保護和電流保護縱聯(lián)差動保護和電流保

8、護可用于防御變壓器繞組和引出線的各種相間短路故障、繞組匝間短路故障以及中性點直接接地系統(tǒng)側繞組和引出線的單相接地故障?？v聯(lián)差動保護不能反映繞組匝數(shù)很少的匝間短路故障，油面降低等，因此存在一定的保護死區(qū)。而瓦斯保護不能反映油箱外部的短路故障。因此，縱聯(lián)差動保護和瓦斯保護共同構成變壓器的主保護。當上述保護動作后，均應跳開變壓器各電源側斷路器。3. 反映外部相間短路故障的后備保護對于外部相間短路引起的變壓器過電流，同時作為變壓器瓦斯保護、縱差動保護的后備保護，可采用的保護有過電流保護、低電壓起動的過電流保護、復合電壓起動的過電流保護、負序電流及單相式低電壓起動的過電流保護以及阻抗保護等。4. 反映外

9、部接地短路故障的后備保護對中性點直接接地電力網(wǎng)內，由外部接地短路引起過電流時，如變壓器中性點接地運行應裝設零序電流保護。零序電流保護可由兩端組成，每段可各帶兩個時限，并均以較短的時限動作于縮小故障影響范圍，或動作于本側斷路器，以較長的時限動作于斷開變壓器各側斷路器。5. 過負荷保護對400kVA以上的變壓器，當數(shù)臺變壓器并列運行，或單獨運行并作為其他負荷的備用電源時，應根據(jù)可能過負荷的情況裝設過負荷保護。過負荷保護經延時作用于信號。對于無人值守的變電站，必要時過負荷保護可動作于自動減負荷或跳閘。6. 過勵磁保護超高壓大型變壓器需要裝設過勵磁保護，由于變壓器鐵心中的磁通密度B與電壓和頻率內的比值

10、U/f成正比，因此當電壓升高和頻率降低時會引起變壓器過勵磁，使得勵磁電流增大，造成鐵損耗增加，鐵心和繞組溫度升高，嚴重時要造成局部變形和損傷周圍的絕緣介質。過勵磁保護反映于實際工作磁密和額定工作磁密之比而動作。在變壓器允許的過勵磁范圍內，過勵磁保護作用于信號，當過勵磁超過允許值時可動作于跳閘。7. 其他非電量保護 除了上述反應電氣量特征的保護之外，變壓器通常還裝設反應油箱內油、氣、溫度等特征的非電量保護，主要包括變壓器本體和有載調壓部分的油溫保護、變壓器的壓力釋放保護、變壓器帶負荷后起動風冷的保護、過載閉鎖帶負荷調壓的保護等。2 110/35/10KV電力變壓器繼電保護設計2.1設計基本資料某

11、變電所的電氣主接線如圖所示。已知兩臺變壓器均為三繞組、油浸式、強迫風冷、分級絕緣，其參數(shù)：，電壓：，接線：。短路電壓：；。兩臺變壓器同時運行，110kV側的中性點只有一臺接地；若只有一臺運行，則運行變壓器中性點必須接地，其余參數(shù)如圖所示。圖2.1 變電所電氣主接線圖2.2本系統(tǒng)故障分析本設計中的電力系統(tǒng)具有非直接接地的架空線路及高壓側中性點接地的電力變壓器等主要設備。就線路來講，其主要故障為單相接地、兩相接地和三相接地。電力變壓器的故障，分為外部故障和內部故障兩類。變壓器的外部故障常見的是高低壓套管及引線故障，它可能引起變壓器出線端的相間短路或引出線碰接外殼。變壓器的內部故障有相間短路、繞組的

12、匝間短路和絕緣損壞。變壓器的不正常運行、過負荷、由于外部短路引起的過電流、油溫上升及油面下降、產生氣體等故障都有可能會讓繼電保護動作。2.3本設計繼電保護裝置原理概述2.3.1縱差動保護三繞組變壓器差動保護的動作原理是按循環(huán)電流原理構成的。正常運行和外部短路時，三繞組變壓器三側電流向量和（折算至同一電壓等級）為零。它可能是一側流入另兩側流出，也可能由兩側流入，而從第三側流出。所以，若將任何兩側電流相加再和第三側電流相比較，就構成三繞組變壓器的縱差動保護。其原理接線如圖2-1所示。當正常運行和外部短路時，若不平衡電流忽略不計，則流入繼電器的電流為零?？梢娫谡＜皡^(qū)外短路時，保護不會動作，而發(fā)生內

13、部故障時，保護將靈敏動作。為保證三繞組變壓器差動保護的可靠性和靈敏性，應注意以下幾點（1）各側電流互感器的變比應統(tǒng)一按變壓器最大額定容量來選擇。（2）外部短路時的三繞組變壓器比雙繞組變壓器的不平衡電流大，宜采用帶制動特性的BCH-1型差動繼電器，若BCH-1型仍不滿足靈敏度要求，可采用二次諧波制動的差動保護。（3）為解決實際變比與計算變比不一致而引起的不平衡電流，以保證每兩側線圈之間的平衡，對BCH-1型差動保護，應將兩組平衡線圈分別接在二次電流較小的兩側。圖2.2 三繞組變壓器差動保護單相原理圖 本設計采用較經濟的BCH-1型帶有速飽和變流器的繼電器，以提高保護裝置的勵磁涌流的能力。2.3.

14、2 變壓器瓦斯保護 變壓器瓦斯保護的主要元件就是瓦斯繼電器，變壓器瓦斯保護是利用安裝在變壓器油箱與油枕間的瓦斯繼電器來判別變壓器內部故障；當變壓器內部發(fā)生故障時，電弧使油及絕緣物分解產生氣體。故障輕微時，油箱內氣體緩慢的產生，氣體上升聚集在繼電器里，使油面下降，繼電器動作，接點閉合，這時讓其作用于信號，稱為輕瓦斯保護；故障嚴重時，油箱內產生大量的氣體，在該氣體作用下形成強烈的油流，沖擊繼電器，使繼電器動作，接點閉合，這時作用于跳閘并發(fā)信，稱為重瓦斯保護。其原理接線圖如圖3-2. 圖中：瓦斯繼電器KG的上觸點接至信號，為輕瓦斯保護；下觸點為重瓦斯保護，經信號繼電器KS、連接片XE起動出口中間繼電

15、器KOM，KOM的兩對觸點閉合后，分別使斷路器QF1、QF2、跳閘線圈勵磁。跳開變壓器兩側斷路器，即直流+ KGKS XE KOM 直流-，起動KOM。直流+ KOM QF1 YT 直流-，跳開斷路器QF1。 直流+ KOM QF2 YT直流-，跳開斷路器QF2。再有，連接片XE也可接至電阻R，使重瓦斯保護不跳閘而只發(fā)信號。圖2.3 變壓器瓦斯保護原理接線圖2.3.3平行雙回線路橫聯(lián)方向差動保護平行雙回線路橫聯(lián)方向差動保護是通過比較兩線路的電流相位和數(shù)值相同與否鑒別發(fā)生的故障，由電流起動元件、功率方向元件和出口執(zhí)行元件組成，電流起動元件用以判斷線路是否發(fā)生故障，功率方向元件用以判斷哪回線路發(fā)生

16、故障，雙回線路運行時能保證有選擇的動作。該保護動作時間0S，由于橫聯(lián)保護在相繼動作區(qū)內短路時，切除故障的時間將延長一倍，故加裝一套三段式電流保護，作為后備保護。2.3.4復合電壓啟動的過電流當保護區(qū)內發(fā)生不對稱故障，系統(tǒng)出現(xiàn)負序電壓，負序過濾器13有電壓輸出使繼電器7常閉觸點打開，欠壓繼電器8失壓，常閉觸點閉合，接通中間繼電器9，若電流繼電器4、5、6任何一個動作，則啟動時間繼電器10，經過整定時限后，跳開兩側斷路器。在對稱短路情況下，電壓繼電器7不啟動，但欠壓繼電器8因電壓降低，常閉觸點接通，保護啟動。負序電壓整定值，可取額定電壓的6%；電流整定值，可取大于變壓器額定電流，但不必大于最大電流

17、（例如并聯(lián)運行的變壓器斷開一臺時）。圖2.4 復合電壓啟動的過電流保護原理圖2.3.5變壓器中性點直接接地零序電流保護工作原理目前大電流接地系統(tǒng)普遍采用分級絕緣的變壓器，當變電站有兩臺及以上的分級絕緣的變壓器并列運行時，通常只考慮一部分變壓器中性點接地，而另一部分變壓器的中性點則經間隙接地運行，以防止故障過程中所產生的過電壓破壞變壓器的絕緣。為保證接地點數(shù)目的穩(wěn)定，當接地變壓器退出運行時，應將經間隙接地的變壓器轉為接地運行。由此可見并列運行的分級絕緣的變壓器同時存在接地和經間隙接地兩種運行方式。為此應配置中性點直接接地零序電流保護和中性點間隙接地保護。這兩種保護的原理接線如圖E-127所示中性

18、點直接接地零序電流保護：中性點直接接地零序電流保護一般分為兩段，第一段由電流繼電器1、時間繼電器2、信號繼電器3及壓板4組成，其定值與出線的接地保護第一段相配合，0.5s切母聯(lián)斷路器。第二段由電流繼電器5、時間繼電器6、信號繼電器7和8壓板9和10等元件組成，。定值與出線接地保護的最后一段相配合，以短延時切除母聯(lián)斷路器及主變壓器高壓側斷路器，長延時切除主變壓器三側斷路器。中性點間隙接地保護：當變電站的母線或線路發(fā)生接地短路，若故障元件的保護拒動，則中性點接地變壓器的零序電流保護動作將母聯(lián)斷路器斷開，如故障點在中性點經間隙接地的變壓器所在的系統(tǒng)中，此局部系統(tǒng)變成中性點不接地系統(tǒng)，此時中性點的電位

19、將升至相電壓，分級絕緣變壓器的絕緣會遭到破壞，中性點間隙接地保護的任務就是在中性點電壓升高至危及中性點絕緣之前，可靠地將變壓器切除，以保證變壓器的絕緣不受破壞。間隙接地保護包括零序電流保護和零序過電壓保護，兩種保護互為備用。零序電流保護由電流繼電器12、時間繼電器13、信號繼電器14和壓板15組成。一次啟動電流通常取100A左右，時間取0.5s。110kV變壓器中性點放電間隙長度根據(jù)其絕緣可取115158mm，擊穿電壓可取63kV（有效值）。當中性點電壓超過擊穿電壓（還沒有達到危及變壓器中性點絕緣的電壓）時，間隙擊穿，中性點有零序電流通過，保護啟動后，經0.5s延時切變壓器三側斷路器。零序電壓

20、保護由過電壓繼電器16、時間繼電器17、信號繼電器18及壓板19組成，電壓定植按躲過接地故障母線上出現(xiàn)的最高零序電壓整定，110kV系統(tǒng)一般取150V；當接地點的選擇有困難、接地故障母線3Uo電壓較高時，也可整定為180V，動作時間取0.5s。圖2.5 變壓器中性點直接接地零序電流保護和中性點間隙接地保護的原理接線圖2.3.6過電流保護的構成及工作原理三繞組變壓器外部故障時，其過電流保護應有選擇性地斷開故障側斷路器。而使其余兩側繼續(xù)正常運行，為此，應按如下原則來實現(xiàn)過流保護。（1）對單側電源三繞組變壓器（如圖E-111所示），應裝設兩套過電流保護。一套裝于負荷側，如繞組，其動作時限t最小，保護

21、動作僅跳開QF3。另一套裝在電源側，如繞組，它設兩級時限t和t，t= t+t，用以切除QF2；而t= t+t，用以切除高、中、低三側斷路器。（2）對兩端或三端電源的變壓器，三側均應設過電流保護，并根據(jù)計算值在動作時限小的電源側加裝方向元件，以保證動作的選擇性。圖2.6 單電源三繞組過電流保護原理接線圖3短路電流計算和繼電保護設計整定3.1初始數(shù)據(jù) 某變電所的電氣主接線如圖3-1所示。已知兩臺變壓器均為三繞組、油浸式、強迫風冷、分級絕緣，其參數(shù)：，電壓：，接線：。短路電壓短路電壓：；。兩臺變壓器同時運行，110kV側的中性點只有一臺接地；若只有一臺運行，則運行變壓器中性點必須接地，其余參數(shù)如圖4

22、-1所示。圖3.1 變電所主接線圖3.2設計計算用標幺值計算短路電流參數(shù)，確定短路計算點，計算短路電流值。3.2.1畫出短路等值電路圖3.2 短路等值電路圖計算各元件電抗參數(shù)，取基準容量，基準電壓為，基準電流為： ， （1） 計算電源系統(tǒng)基準電抗的標幺值 ， （2） 變壓器各側阻抗標幺值（3） 線路的基準電抗標幺值 3.2.2短路電流計算由主接線分析可知，變壓器的主保護為一臺變壓器單獨運行為保護的計算方式，保護時，變壓器后備保護作保護線路的遠后備保護時，要校驗k3、k4兩點的靈敏系數(shù)，因此，除需要計算k1、k2兩點最大、最小運行方式短路電流外，還需計算k3、k4兩點的最小短路電流。（1）k1點

23、短路電流計算 （2）求k2點短路電流 （3）求k3點短路電流 （4）求k4點短路電流 （5）求K5點短路電流 3.2.3保護裝置的配置表3.1 變壓器保護裝置的配置序號保護名稱選擇繼電器型號1 縱差保護 BCH12 110kV側復合電壓啟動的過流保護 DY4，DL11，DY253 35kV側方向過流保護LG11，DL114 110kV側零序過電流保護 DL135 氣體保護 QJ803.2.4各保護裝置的整定計算1、 縱差保護的整定計算 （1）計算變壓器差動臂中電流，由表3.2計算可知，110kV側差動臂中的電流最大，故110kV側為計算的基本側。表3.2 計 算 結 果名稱變壓器各側數(shù)據(jù) 額定

24、電壓（kV）11038.511 變壓器的額定電流(A) TA接線方式 選擇TA的標準變比 差動臂中的電流（A） （2）確定制動繞組的接線方式，制動繞組接入38.5kV側，因為，該側的外部發(fā)生故障時，穿越變壓器的短路電流很大。（3） 計算差動保護的一側動作電流。 1）按躲過110kV外部故障的最大不平衡電流整定，即 2）按躲過變壓器勵磁涌流計算，即 3）按躲過電流互感器二次回路斷線，即 4）取上述各條件中最大的作為基本側一次動作電流即,差動繼電器基本側動作電流為 確定差動繞組匝數(shù)：匝取整定匝數(shù)匝，則繼電器動作電流為A，保護裝置實際動作電流為：。 5）制動系數(shù)計算。由于系單側電源，故制動系數(shù)計算為 = 6）校驗靈敏系數(shù)k1點最小短路電流折算到110kV基本側為 則靈敏性滿足要求。2、110kV側復合電壓啟動過電流保護整定計算 （1） 電流元件的動作電流 （2）按躲過電動機自啟動的電壓整定當?shù)蛪豪^電器由變壓器低壓側互感器供電時，計算式為 ，取當?shù)蛪豪^電器由變壓器高壓側互感器供電時，計算式為 （3）按躲過正常運行時可能出現(xiàn)的最低工作電壓整定低電壓繼電器的動作電壓按（2）（3）條件整定，并取最小值。 （4）負序電壓元件的動作電壓 ，取 （5）校驗靈敏系數(shù) 作11kV線路后備保護滿足要求。電壓元件裝設在11kV側，故僅需校驗作為線路的后備保護即可，滿足要求