某電力變壓器繼電保護設(shè)計

1、中北大學信息商務(wù)學院課程設(shè)計說明書1 引言繼電保護是保障電力設(shè)備安全和防止及限制電力系統(tǒng)長時間大面積停電的最基本、最重要、最有效的技術(shù)手段。許多實例表明，繼電保護裝置一旦不能正確動作，就會擴大事故，釀成嚴重后果。因此，加強繼電保護的設(shè)計和整定計算，是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要工作。實現(xiàn)繼電保護功能的設(shè)備稱為繼電保護裝置。本次設(shè)計的任務(wù)主要包括了六大部分，分別為運行方式的選擇、電網(wǎng)各個元件參數(shù)及負荷電流計算、短路電流計算、繼電保護距離保護的整定計算和校驗、繼電保護零序電流保護的整定計算和校驗、對所選擇的保護裝置進行綜合評價。其中短路電流的計算和電氣設(shè)備的選擇是本設(shè)計的重點。通過分析，找到符合電網(wǎng)

2、要求的繼電保護方案。繼電保護技術(shù)的不斷發(fā)展和安全穩(wěn)定運行，給國民經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來了巨大動力和效益。但是，電力系統(tǒng)一旦發(fā)生自然或人為故障，如果不能及時有效控制，就會失去穩(wěn)定運行，使電網(wǎng)瓦解，并造成大面積停電，給社會帶來災難性的后果。因此電網(wǎng)繼電保護和安全自動裝置應符合可靠性、安全性、靈敏性、速動性的要求。要結(jié)合具體條件和要求，本設(shè)計從裝置的選型、配置、整定、實驗等方面采取綜合措施，突出重點，統(tǒng)籌兼顧，妥善處理，以達到保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的目的。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障中，繼電保護裝置能夠及時地將故障部分從系統(tǒng)中切除，從而保證電力設(shè)備安全和限制故障波及范圍，最大限度地減少電力元件本身的損壞，降低對電力

3、系統(tǒng)安全供電的影響，從而滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，改善繼電保護裝置的性能，提高電力系統(tǒng)的安全水平。2 課程設(shè)計任務(wù)和要求 通過本課程設(shè)計，鞏固和加深在電力系統(tǒng)基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)分析和電力系統(tǒng)繼電保護與自動化裝置課程中所學的理論知識，基本掌握電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)計的一般方法，提高電氣設(shè)計的設(shè)計能力，為今后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。要求完成的主要任務(wù): 要求根據(jù)所給條件確定變電所整定繼電保護設(shè)計方案，最后按要求寫出設(shè)計說明書，繪出設(shè)計圖樣。設(shè)計基本資料: 某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

4、，110kV側(cè)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。（請把圖中的L1的參數(shù)改為L1=20km） 圖2.1變電所的電氣主接線圖3 繼電保護的組成以及原則 在電力系統(tǒng)發(fā)生故障中，繼電保護裝置能夠及時地將故障部分從系統(tǒng)中切除，從而保證電力設(shè)備安全和限制故障波及范圍，最大限度地減少電力元件本身的損壞，降低對電力系統(tǒng)安全供電的影響，從而滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，改善繼電保護裝置的性能，提高電力系統(tǒng)的安全水平。3.1 繼電保護的基本概念和組成 繼電保護泛指繼電保護的技術(shù)和由各種繼電保護設(shè)備組成的保護系統(tǒng)。具體包括：繼電保護的設(shè)計、配置、整定、調(diào)試等技術(shù)；從獲取

5、電量信息的互感器二次回路、經(jīng)過繼電保護裝置、至斷路器跳閘線圈的一整套設(shè)備。 圖3.1 繼電保護的組成測量部分：測量從被保護對象輸入的有關(guān)電氣量，適當處理后并與已給定的整定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，給出邏輯信號。判斷保護裝置是否應該動作。邏輯部分：根據(jù)測量部分的輸出，使保護裝置按照一定的邏輯關(guān)系工作，最后確定是否應該使斷路器跳閘或發(fā)出信號。 執(zhí)行部分：根據(jù)邏輯部分傳送的信號，最后完成保護裝置所擔負的任務(wù)。對作用于跳閘的繼電保護，在技術(shù)上有5 個基本原則：可靠性、靈敏性、選擇性、速動性以及經(jīng)濟性。1.可靠性 可靠性指在該保護裝置規(guī)定的保護范圍內(nèi)發(fā)生了它應該動作的故障時，它不應該拒絕動作，而在任何其

6、他該保護不應該動作的情況下，則不應該誤動作?？煽啃灾饕副Ｗo裝置本身的質(zhì)量和運行維護水平而言，可以用拒動率和誤動率來衡量。當兩者愈小，則保護的可靠性愈高。為保證可靠性，應采用由可靠的硬件和軟件構(gòu)成的裝置，并應具有必要的自動監(jiān)測、閉鎖、報警等措 2.靈敏性 靈敏性是指保護裝置對其保護區(qū)內(nèi)發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)的反應能力，用靈敏系數(shù)來衡量。 3.選擇性 選擇性是指當供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，首先由故障設(shè)備或線路本身保護且出故障，當故障設(shè)備或線路的保護或斷路器拒動時，應由相鄰設(shè)備或線路的保護將故障切除。如下圖所示，k 處故障時QF2 動作。 圖3.2 k 處故障時QF2 動作圖示4.速動性 速動性是指繼

7、電保護裝置應能盡快地切除故障，以減少設(shè)備及用戶在大電流、低電壓運行的時間，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，縮小故障波及范圍，提高自動重合閘和備用電源或備用設(shè)備自動投入的效果等。一般從裝置速動保護、充分發(fā)揮零序瞬時段保護及相間速斷保護的作用，減少繼電器固有動作時間和斷路器跳閘時間等方面入手來提高速動性。故障切除時間=保護裝置動作時間+斷路器動作時間不同電壓等級和不同結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)切除故障最小時間如下表： 電網(wǎng)類型 切除故障最小時間 35kV60kV 配電網(wǎng)絡(luò) 0.5s-0.7S 110kV330kV 高壓電網(wǎng) 0.15s-0.3S 500kV 及以上超高壓電網(wǎng) 0.1s-0.12s5.

8、經(jīng)濟性 經(jīng)濟性是指在經(jīng)濟上以最少的投資達到最高程度的保護原則。3.2 繼電保護可靠運行的措施 繼電保護已經(jīng)在電力系統(tǒng)中微機化普及，可靠性、靈敏性等顯著提高。盡管如此，微機保護的誤動作還是存在的，所以需要采取如下措施限制誤動作在最小范圍內(nèi)。1.認真檢查繼電保護裝置， 保證整組試驗和電流回路升流試驗完成后整定值、整定值區(qū)以及二次回路接線固定。 2.采用嚴格的管理和相應的技術(shù)手段來確保定值區(qū)正確性。3.定期檢查：首先清點連接件是否緊固、焊接點是否虛焊、機械特性等，一個不漏地緊固螺絲，防止拒動、誤動的發(fā)生；其次將裝置的所有插件拔下檢查一遍，同時將所有芯片按緊等。4 某電力變壓器繼電保護設(shè)計4.1 基本

9、參數(shù)某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(cè)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。（請把圖中的L1,L2的參數(shù)改為L1=20km，L2=20km） 圖4.1 變電所電氣主接線圖4.2 繼電保護裝置原理4.2.1 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(gòu)成的。正常運行和外部短路時，三繞組變壓器三側(cè)電流向量和（折算至同一電壓等級）為零。它可能是一側(cè)流入另兩側(cè)流出，也可能由兩側(cè)流入，而從第三側(cè)流出。所以，若將任何兩側(cè)電流相

10、加再和第三側(cè)電流相比較，就構(gòu)成三繞組變壓器的縱差動保護。其原理接線如圖3-1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。即R=I2+2+2=0。當內(nèi)部短路時，流入繼電器的電流則為R=I2+2+2=K/na即等于各側(cè)短路電流（二次值）的總和?？梢娫谡＜皡^(qū)外短路時，保護不會動作，而發(fā)生內(nèi)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(cè)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

11、，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(cè)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(cè)。4.2.2 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(nèi)部故障；當變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，電弧使油及絕緣物分解產(chǎn)生氣體。故障輕微時，油箱內(nèi)氣體緩慢的產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)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

12、，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.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(jīng)信號繼電器KS、連接片XE起動出口中間繼電器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(cè)斷路器，即直流+ KGKSXE 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。4.2.3 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

13、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(nèi)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。圖4.2 變壓器瓦斯保護原理接線圖4.2.4 復合電壓啟動的過電流當保護區(qū)內(nèi)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(jīng)過整定時限后，跳開兩

14、側(cè)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（例如并聯(lián)運行的變壓器斷開一臺時）。4.2.5 變壓器中性點直接接地零序電流保護工作原理中性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

15、及主變壓器高壓側(cè)斷路器，長延時切除主變壓器三側(cè)斷路器。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(jīng)0.5s延時切變壓器三側(cè)斷路器。 圖4.3 復合電壓啟動的過電流保護原理圖零序電壓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，110

16、kV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4.4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4.2.6 過電流保護的構(gòu)成及工作原理 （1）一套裝于負荷側(cè)，如繞組，其動作時限t最小，保護動作僅跳開QF3。另一套裝在電源側(cè)，如繞組，它設(shè)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(cè)斷路器。 （2）對兩端或三端電源的變壓器，三側(cè)均應設(shè)過電流保護，并根據(jù)計算值在動作時限小的電源側(cè)加裝方向元件，以保證動作的選擇性。5 短路電流計算 用標幺值計算短路電流參數(shù)，確定短路計算點

17、，計算短路電流值。5.1 畫出短路等值電路圖5.1 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(cè)阻抗標幺值。 ， ， (3)線路的基準電抗標幺值。 5.2 短路電流計算的過程由主接線分析可知，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點短路電流計算 (2)求k2點短路電流 （3）求k3點短路電流 （4）求k

18、4點短路電流 5.3 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BCH12110kV側(cè)復合電壓啟動的過流保護DY4，DL11，DY25335kV側(cè)方向過流保護LG11，DL114110kV側(cè)零序過電流保護DL135氣體保護QJ80表5.1 變壓器保護裝置的配置6 各保護裝置的整定計算6.1 縱差保護的整定計算 （1）計算變壓器差動臂中電流，由表5.1計算可知，110kV側(cè)差動臂中的電流最大，故110kV側(cè)為計算的基本側(cè)。名稱變壓器各側(cè)數(shù)據(jù)額定電壓（kV）11038.511 變壓器的額定電流TA接線方式 選擇TA的標準變比 差動臂中的電流（A）2 表6.1 計 算 結(jié) 果（2）確定制動

19、繞組的接線方式，制動繞組接入38.5kV側(cè)，因為，該側(cè)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(cè)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(cè)一次動作電流即,差動繼電器基本側(cè)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）其他各側(cè)工作繞組和平衡繞組的匝數(shù)。38.5kV側(cè)的平衡繞組為 匝11kV側(cè)的平衡繞組為 匝取平衡繞組整定匝數(shù) 匝去工作繞組匝數(shù) 匝6）整定匝數(shù)與計算匝數(shù)不等引起的相對誤差為 7

20、）制動系數(shù)和制動繞組匝數(shù)計算。由于系單側(cè)電源，故制動系數(shù)計算為 = 制動繞組的計算匝數(shù) 匝 取整定匝數(shù) 匝8）校驗靈敏系數(shù)k1點最小短路電流折算到110kV基本側(cè)為 對11kV側(cè)工作安匝 匝 匝由繼電器特性曲線查得匝，安匝時，動作安匝整定為安匝，則靈敏性滿足要求。6.2 110kV側(cè)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） 電壓元件的動作電壓 ，取 （3）負序電壓元件的動作電壓 ，取 （4）校驗靈敏系數(shù) 作11kV線路后備保護 滿足要求。6.3 38.5kV側(cè)方向過流保護 功率方向元件的動作方向，為自變壓器指向35kV母線方向，方向元件的動作電流為 作線路l3后備保護靈敏系數(shù) 不合要求。6.4 110kV零序過電流保護 由主接線圖可知，該變電所為終端變電所，接地保護不需要與下級配合，故零序過電流保護的動作值按躲開最大不平衡電流，即 電壓元件的動作電壓為 動作時限整定：以跳中性點不接地運行的變壓器；以跳中性點接地運行的變壓器。6.5 變壓器氣體保護的整定 采用QJ80型開口杯擋板式氣體繼電器，輕瓦斯按氣體容量整定 重瓦斯按汽油流的流速整定： （對導油管直徑）7 總結(jié)我們剛開始做實驗的時候，出現(xiàn)了嚴重的準備不足，只有設(shè)計原理圖沒有展開圖，致使接線出現(xiàn)了極大的困難。在