繼電保護(hù)電力變壓器課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì) 題 目： 電力變壓器保護(hù)設(shè)計(jì) 系（部）院： 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 電氣101班 作者姓名： 肖鋒銘 指導(dǎo)教師： 陳強(qiáng)老師 完成日期： 2013 年 1 月 7 前言電力系統(tǒng)繼電保護(hù)作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門主要課程,主要包括課堂講學(xué)、課程設(shè)計(jì)等幾個(gè)主要部分。在完成了理論的學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步加深對(duì)理論知識(shí)的理解，本專業(yè)特安排了本次課程設(shè)計(jì)。電能是現(xiàn)代社會(huì)中最重要、也是最方便的能源。而發(fā)電廠正是把其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能，電能經(jīng)過(guò)變壓器和不同電壓等級(jí)的輸電線路輸送并被分配給用戶，再通過(guò)各種用電設(shè)備轉(zhuǎn)換成適合用戶需要的其他形式的能量。在輸送電能的過(guò)程中,電力系統(tǒng)希望線

2、路有比較好的可靠性,因此在電力系統(tǒng)受到外界干擾時(shí),保護(hù)線路的各種繼電裝置應(yīng)該有比較可靠的、及時(shí)的保護(hù)動(dòng)作,從而切斷故障點(diǎn)極大限度的降低電力系統(tǒng)供電范圍。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)就是為達(dá)到這個(gè)目的而設(shè)置的。本次設(shè)計(jì)的任務(wù)主要包括了六大部分，分別為運(yùn)行方式的選擇、電網(wǎng)各個(gè)元件參數(shù)及負(fù)荷電流計(jì)算、短路電流計(jì)算、繼電保護(hù)距離保護(hù)的整定計(jì)算和校驗(yàn)、繼電保護(hù)零序電流保護(hù)的整定計(jì)算和校驗(yàn)、對(duì)所選擇的保護(hù)裝置進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其中短路電流的計(jì)算和電氣設(shè)備的選擇是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。通過(guò)此次線路保護(hù)的設(shè)計(jì)可以鞏固我們本學(xué)期所學(xué)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)這一課程的理論知識(shí)，能提高我們提出問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。 目 錄前 言11.

3、變壓器的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)及保護(hù)方式11.1 變壓器的故障11.2 變壓器不正常運(yùn)行狀態(tài)11.3 主要的變壓器保護(hù)22 變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理22.1 變壓器的縱差保護(hù)的基本原則22.2 變壓器的縱差保護(hù)的特點(diǎn)33 變壓器瓦斯保護(hù)43.1 瓦斯保護(hù)的原理與設(shè)計(jì)44 變壓器后備保護(hù)54.1 電流速斷保護(hù)54.2 過(guò)流保護(hù)65 電力變壓器的整定計(jì)算實(shí)例與校驗(yàn)65.1 整定計(jì)算65.2 校驗(yàn)靈敏度計(jì)算11參考資料13附錄：電力變壓器保護(hù)的展開圖14一、 變壓器的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)及保護(hù)方式（一）變壓器的故障分為油箱內(nèi)故障和油箱外故障。油箱內(nèi)故障主要有：繞組相間短路；繞組匝間短路；直接接地系統(tǒng)側(cè)繞組

4、接地短路。油箱內(nèi)故障是很危險(xiǎn)的，不但會(huì)燒壞繞組、絕緣和鐵芯，而且可能在油箱內(nèi)產(chǎn)生大量氣體引起爆炸。油箱外故障主要是絕緣套管引出線相間短路或單相接地短路。實(shí)踐表明，變壓器套管和引出線上的相間短路、接地短路、繞組的匝間短路時(shí)比較常見(jiàn)的故障形式；而變壓器油箱內(nèi)發(fā)生相間短路的情況比較少。（二）變壓器不正常運(yùn)行狀態(tài)過(guò)負(fù)荷；外部短路引起的過(guò)電流和中性點(diǎn)過(guò)電壓；油箱漏油引起的油位下降；繞組過(guò)電壓或頻率降低引起的過(guò)勵(lì)磁；變壓器油溫過(guò)高和冷卻系統(tǒng)故障。上述這些不正常運(yùn)行狀態(tài)會(huì)使繞組和鐵芯過(guò)熱。此外，對(duì)于中性點(diǎn)不接地運(yùn)行的星形接線變壓器，外部接地短路時(shí)有可能造成變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓，威脅變壓器的絕緣；大容量變壓器在

5、過(guò)電壓或低頻率等異常運(yùn)行工況下會(huì)使變壓器過(guò)勵(lì)磁，引起鐵芯和其他金屬構(gòu)件的過(guò)熱。變壓器處于不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，繼電保護(hù)應(yīng)根據(jù)其嚴(yán)重程度，發(fā)出告警信號(hào)，使運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，以確保變壓器的安全。（三）主要的變壓器保護(hù)瓦斯保護(hù)電力變壓器通常是利用變壓器油作為絕緣和冷卻介質(zhì)。當(dāng)變壓器油箱內(nèi)故障時(shí)，在故障電流和故障點(diǎn)電弧的作用下，變壓器油和其他絕緣材料會(huì)因受熱而分解，產(chǎn)生大量氣體。氣體排出的多少以及排出速度，與變壓器故障的嚴(yán)重程度有關(guān)。利用這種氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的裝置，稱為瓦斯保護(hù)。瓦斯保護(hù)能夠保護(hù)變壓器油箱內(nèi)的各種輕微故障（例如繞組輕微的匝間短路、鐵芯燒損等），但像變壓器絕緣子閃絡(luò)等油箱外面的

6、故障，瓦斯保護(hù)不能反應(yīng)。 差動(dòng)保護(hù)或電流速斷保護(hù)對(duì)容量為6300kVA及以上的變壓器，以及發(fā)電廠廠用變壓器和并列運(yùn)行的變壓器，10 000kVA及以上的發(fā)電廠廠用備用變壓器和單獨(dú)運(yùn)行的變壓器，應(yīng)裝設(shè)縱差動(dòng)保護(hù)。電流速斷保護(hù)用于對(duì)于容量為10 000kVA及以下的變壓器，速斷保護(hù)。對(duì)2000kVA以上的變壓器，當(dāng)電流速斷保護(hù)的靈敏性不能滿足要求時(shí)，也應(yīng)裝設(shè)縱差動(dòng)保護(hù)。外部相間短路和接地短路時(shí)的后備保護(hù)變壓器的相間短路后備保護(hù)通常采用過(guò)電流保護(hù)、低電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)、復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)以及負(fù)序過(guò)電流保護(hù)等（也有采用阻抗保護(hù)作為后備保護(hù)的情況）。發(fā)生接地故障時(shí)，變壓器中性點(diǎn)將出現(xiàn)零序電流，母

7、線將出現(xiàn)零序電壓，變壓器的接地后備保護(hù)通常都是反應(yīng)這些電氣量構(gòu)成的。 二、 變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理（一）變壓器的縱差保護(hù)的基本原則 變壓器縱差保護(hù)是按照循環(huán)電流原理構(gòu)成的,主要是用來(lái)反應(yīng)變壓器繞組、引出線及套管上的各種短路故障，是變壓器的主保護(hù)。對(duì)雙繞組變壓器實(shí)現(xiàn)縱差保護(hù)的原理接線如圖所示 雙繞組變壓器正常運(yùn)行時(shí)的電流分布由于變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的額定電流不同，因此，為了保證縱差保護(hù)的正確工作，就必須適當(dāng)?shù)倪x擇兩側(cè)電流互感器的變比，使得在正常運(yùn)行和故障時(shí)，兩個(gè)二次電流相等。（2） 變壓器的縱差保護(hù)的特點(diǎn)1. 由變壓器勵(lì)磁涌流所產(chǎn)生的不平衡電流不難發(fā)現(xiàn)，理想情況下變壓器變比以及各側(cè)電流互感器的變比

8、之間必須保持固定關(guān)系，才能夠使在正常和區(qū)外故障時(shí)流入差動(dòng)繼電器的電流為零。而實(shí)際情況是正常和區(qū)外故障時(shí)差動(dòng)繼電器也存在電流，該電流為不平衡電流。穩(wěn)態(tài)情況下的不平衡電流。a.各側(cè)電流互感器的實(shí)際變比與計(jì)算變比可能不相同。b.各側(cè)電流互感器存在變比誤差和相位誤差。c.變壓器調(diào)節(jié)繞組分接頭后實(shí)際變比與標(biāo)準(zhǔn)變比不同。暫態(tài)過(guò)程的不平衡電流。主要是非周期分量的影響。綜合考慮穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的影響總的最大不平衡電流 （7.2.2）式中，是區(qū)外最大短路電流；是電流互感器誤差，取0.1；是各側(cè)電流互感器的同型系數(shù)，取1；是非周期分量影響系數(shù)，取1.52，；是變壓器調(diào)壓范圍，取0.050.15；是電流互感器變比不完全匹

9、配產(chǎn)生的誤差，取0.05。2、勵(lì)磁涌流當(dāng)變壓器空載投入和區(qū)外故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，在變壓器的受電一側(cè)會(huì)出現(xiàn)數(shù)值很大的電流，這種暫態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)的勵(lì)磁電流稱為勵(lì)磁涌流，數(shù)值約為額定電流的68倍。勵(lì)磁涌流只出現(xiàn)在變壓器的一側(cè)，所以流入差動(dòng)繼電器的電流很大，如不采取措施在此時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)將會(huì)誤動(dòng)。勵(lì)磁涌流的大小和衰減時(shí)間與外加電壓的相位、剩磁大小和方向、回路阻抗、電源容量、變壓器容量有關(guān)?？蛰d投入電壓幅值最?。榱悖?，勵(lì)磁涌流最大。令，根據(jù)，則。再根據(jù)合閘瞬間時(shí)磁通等于剩磁，可知。變壓器空載合閘時(shí)的磁通為，半個(gè)周期后（），磁通最大達(dá)，如圖7.2.2所示是此情況下的勵(lì)磁涌流?？蛰d投入電壓幅值最

10、大，勵(lì)磁涌流最小。令，根據(jù)，則。再根據(jù)合閘瞬間時(shí)磁通等于剩磁，可知。變壓器空載合閘時(shí)的磁通為。勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)。a.包含大量的非周期分量，約占基波60%，勵(lì)磁涌流偏向時(shí)間軸的一側(cè)。b.包含大量的高次諧波，且以二次諧波為主，約占基波30%40%。c.波形之間出現(xiàn)間斷角，可達(dá)800以上。防止勵(lì)磁涌流的影響。a.采用具有速飽和鐵芯的差動(dòng)繼電器，消除非周期分量的影響。b.采用二次諧波制動(dòng)，躲開勵(lì)磁涌流。，一般取0.15。c.采用波形制動(dòng)，即利用波形間斷角、對(duì)稱性鑒別勵(lì)磁涌流。三、變壓器瓦斯保護(hù)（一）瓦斯保護(hù)的原理變壓器差動(dòng)保護(hù)接線較復(fù)雜，可靠性相對(duì)較低，在內(nèi)部輕微故障時(shí)的靈敏度較低，快速性較差，因此采用

11、瓦斯保護(hù)對(duì)變壓器油箱內(nèi)部故障構(gòu)成雙重主保護(hù)。當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)產(chǎn)生大量的氣體將聚集在瓦斯繼電器的上部，使油下降，當(dāng)油面降低到一定程度時(shí)，上浮筒下沉使水銀接點(diǎn)接通，發(fā)輕瓦斯動(dòng)作信號(hào)。如果是嚴(yán)重的故障時(shí)，油箱內(nèi)的壓力增大使油流沖擊擋板，擋板克服彈簧阻力，帶動(dòng)磁鐵向干簧觸點(diǎn)方向移動(dòng)使水銀接點(diǎn)閉合接通跳閘回路。瓦斯保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)均為變壓器主保護(hù)，在較大容量變壓器上應(yīng)該同時(shí)采用。瓦斯保護(hù)接線簡(jiǎn)單，靈敏度高，它能夠快速反應(yīng)于油箱內(nèi)部故障，但對(duì)油箱外部變壓器套管和引出線上的故障靈敏性和快速性相對(duì)較差，所以瓦斯保護(hù)不能夠單獨(dú)作為變壓器的主保護(hù)。四、變壓器后備保護(hù)（一）電流速斷保護(hù)變壓器電流速斷保護(hù)裝設(shè)在電

12、源側(cè)，在直接接地系統(tǒng)中采用完全星型接線，在非直接接地系統(tǒng)中采用不完全星型接線，保護(hù)動(dòng)作于跳開變壓器各側(cè)斷路器。 按躲過(guò)保護(hù)安裝處對(duì)側(cè)母線短路時(shí)，流過(guò)安裝處最大短路電流整定， 式中，可靠系數(shù)取1.31.4， 按躲過(guò)變壓器空載投入時(shí)的勵(lì)磁涌流整定， 式中，是變壓器額定電流。取兩式數(shù)值較大者為保護(hù)整定值。靈敏度校驗(yàn)： 式中，是最小方式下保護(hù)安裝處對(duì)側(cè)母線兩相短路時(shí)流過(guò)安裝處的短路電流，要求靈敏系數(shù)大于2。（二） 過(guò)流保護(hù)按躲過(guò)變壓器最大負(fù)荷電流整定， 式中，可靠系數(shù)取1.21.3，繼電器返回系數(shù)取0.85?？紤]一下情況確定最大負(fù)荷電流： 對(duì)多臺(tái)并列運(yùn)行的變壓器， 式中，是并列運(yùn)行變壓器的臺(tái)數(shù)。 對(duì)降

13、壓變壓器考慮負(fù)荷自啟動(dòng)系數(shù)， 靈敏度校驗(yàn)： 作近后備按式中計(jì)算靈敏系數(shù)，要求靈敏系數(shù)大于1.52。 作遠(yuǎn)后備取相鄰線路末端兩相短路時(shí)流過(guò)安裝處的短路電流，要求靈敏系數(shù)大于1.2。保護(hù)動(dòng)作時(shí)間比相鄰線路過(guò)流保護(hù)中最大者增加。五、 電力變壓器的整定計(jì)算實(shí)例與校驗(yàn)（一）整定計(jì)算課題：一臺(tái)雙繞組降壓變壓器，容量為20MVA，電壓比為kv，Yd11接線，=10.5%，歸算到平均電壓10.5kv的系統(tǒng)最大電抗和最小點(diǎn)抗分別為0.44和0.22,10kv側(cè)最大負(fù)荷電流為900A。參數(shù)條件：=20MAV 電壓比為11022.5%11KV=10.5% =0.44 =0.22 1.電流計(jì)算 高壓側(cè)的額定電流： 低

14、壓側(cè)的額定電流： 電流互感器高壓側(cè)計(jì)算變比選用變比 ; 在實(shí)際的選取電流互感器時(shí)。選用電流互感器變比為 電流互感器低壓側(cè)計(jì)算變比： ； 在實(shí)際的選取電流互感器時(shí)。選用電流互感器變比為 電流互感器高壓側(cè)的二次額定電流： 電流互感器低壓側(cè)的二次額定電流： 將參數(shù)全歸算到高壓側(cè)，既以高壓側(cè)為基準(zhǔn)側(cè)。 已知： 變壓器的電抗值為： 系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，發(fā)生三相短路時(shí)，產(chǎn)生的最大短路電流： 1、 電流速斷保護(hù)的電流整定按躲過(guò)系統(tǒng)最大短路電流的條件進(jìn)行整定 其中電流速斷的可靠系數(shù)，取為1.2 電流互感器的接線系數(shù)，取為12、 縱差保護(hù)的整定（1）按躲過(guò)最大不平衡電流進(jìn)行整定：其中為縱差保護(hù)的可靠系數(shù)，取為1.3；為兩側(cè)電流互感器電流誤差引起的不平衡電流；為變壓器調(diào)分接頭引起的不平衡電流；（2）按躲過(guò)變壓器的勵(lì)磁涌流進(jìn)行整定：（3）按電流互感器二次回路斷線時(shí)，差動(dòng)保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作的條件進(jìn)行整定：按上述三個(gè)條件進(jìn)行整定計(jì)算的整定電流，取其中的最大值作為縱差保護(hù)動(dòng)作電流的整定值。所以選擇（二） 校驗(yàn)靈敏度計(jì)算在6.6KV側(cè)兩相短路最小短路電流為：歸算至高壓側(cè)的短路電流為：高壓側(cè)流入繼電器的電流為低壓側(cè)繼電器動(dòng)作電流：保護(hù)的靈敏度為2滿足要求。參考資料與文獻(xiàn)【1】: 賀家李、宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理第二版M，水利