输电线路整定计算及变压器保护方案设计Word文档格式.docx
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选择性、速动性、灵敏性、可靠性。
这几个之间，紧密联系，既矛盾又统一，必须根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置、配合、整定每个电力原件的继电保护。
充分发挥和利用继电保护的科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性、稳定性和经济性发挥最大效能。
（1）可靠性
可靠性是指保护该动作时应动作，不该动作时不动作。
为保证可靠性，宜选用性能满足要求、原理尽可能简单的保护方案。
（2）选择性
选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。
为保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如起动与跳闸元件、闭锁与动作元件），其灵敏系数及动作时间应相互配合。
（3）灵敏性
灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，灵敏性通常用灵敏系数或灵敏度来衡量，增大灵敏度，增加了保护动作的信赖性，但有时与安全性相矛盾。
对各类保护的的灵敏系数的要求都作了具体规定，一般要求灵敏系数在1.2-2之间。
（4）速动性
速动性是指保护装置应能尽快地切除故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围。
110kV及以上电压等级的线路，由于其负荷电流大，距离长，用电流保护往往不能满足技术要求，而需要采用距离保护。
这是因为与电流保护相比，距离保护有以下优点：
①灵敏度较高。
因为阻抗
，阻抗继电器反映了正常情况与短路时电流、电压值的变化，短路时电流
增大，电压
降低，阻抗
减小得多。
②保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。
由于短路点至保护安装处的阻抗取决于短路点至保护安装处的电距离，基本上不受系统运行方式的影响，因此，距离保护的保护范围与选择性基本上不受系统运行方式的影响。
③迅速动作的范围长。
距离保护第一段的保护范围比电流速断保护范围长，距离保护第二段的保护范围比限时电流速断保护范围长，因而距离保护迅速动作的范围较长。
距离保护比电流保护复杂，投资多。
但由于上述优点，在电流保护不能满足技术要求的情况下应当采用距离保护。
2.距离保护的说明
图1.1距离保护装置逻辑框图
由图1.1可知：
正常运行时，起动元件不动作，保护装置处于被闭锁状态；
当正方向发生短路故障时，起动元件动作，如果故障位于距离你Ⅰ段范围内，则ZⅠ动作，并与起动元件一起经与门瞬间时作用于出口跳闸回路；
如果故障位于距离Ⅱ段范围内，则ZⅠ不动ZⅡ动作，随即起动Ⅱ段的时间元件tⅡ，待tⅡ延时到达后，通过与门起动出口回路动作于距离Ⅲ段范围内，则ZⅢ动作后起动tⅢ，在tⅢ延时之内，若故障未被其他的保护动作切除，则在tⅢ延时到达后，任然通过与门和出口回路动作于跳闸，起到后备保护的作用。
1．距离保护的基本概念距离保护是反应故障点至保护安装处之间的距离或阻抗，并根据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置。
距离保护测量的核心元件为阻抗继电器。
阻抗继电器可以根据被保护线路上的电压和电流计算保护安装处至故障点之间的阻抗值，该值称为阻抗继电器的测量阻抗，用
表示。
由于线路阻抗的大小，反应线路的长度，因此测量故障点至保护安装处的阻抗，实际上是测量故障点至保护安装处的线路距离。
当故障点到保护安装处的距离近时，阻抗继电器的测量阻抗小，故动作时间短；
当故障点到保护安装处的距离远时，阻抗继电器的测量阻抗大，故其动作时间长，这样就可以实现保护有选择性地切除故障线路。
距离保护的选择性配合是通过选取合适的保护整定值和动作时限来实现。
2．距离保护的时限特性距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间距离的关系
，称为距离保护的时限特性。
为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，使用具有三段动作范围的阶梯型时限特性，分别称为距离保护的I、II、Ⅲ段。
距离保护是反应于测量阻抗数值的下降而动作。
为了区分故障点在保护范围内还是在保护范围外，根据选择性和灵敏度要求，事先给定一个保护范围，那么与保护范围对应的保护安装处至保护范围末端的线路阻抗，称为距离保护的整定阻抗，用
表示；
当保护的测量阻抗
，保护动作。
距离保护的第I段动作时间为瞬时动作，为保护本身固有的动作时间。
为了保证继电保护动作的选择性，距离保护I段的阻抗整定值必须躲开相邻线路出口处故障时的测量阻抗。
由于距离保护I段只能够保护本线路全长的80％～85％，为了切除本线路末端l5％～20％范围内的故障，必须设定距离保护第II段。
可见，为了保护本线路的全长，必须通过距离I段和距离II段共同构成本线路的主保护。
距离保护第1II段可以作为距离I、II段的后备保护。
对距离Ⅲ段的整定值，其整定阻抗按照躲开正常运行时的最小负荷阻抗来选择。
1.2阻抗继电器
1.阻抗继电器的动作特性
图1.2阻抗继电器的测量阻抗及其动作特性
2.全阻抗继电器
（a）（b）
图1.3全阻抗继电器的动作特性
（a）比幅式；
（b）比相式
全阻抗继电器的动作特性是以保护安装点为圆心、以整定阻抗
为半径所作的一个圆内为动作区，圆外为非动作区，圆周是动作边界。
其动作特性是以整定阻抗
为直径，通过复平面坐标原点的圆。
当测量阻抗五位于圆内时，继电器动作，即圆内为动作区；
当测量阻抗
位于圆外时，继电器不动作，即圆外为非动作区；
位于圆上时，则继电器刚好能动作。
1.3距离保护的整定计算
图1.4线路接线图
1.主保护配置
距离保护Ⅰ段和距离保护Ⅱ段构成距离保护的主保护
（1）距离保护的Ⅰ段
瞬时动作，
是保护本身的固有动作时间。
保护1的整定值应满足：
考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，引入可靠系数
（一般取0.8—0.85），则
（1-1）
同理，保护2的Ⅰ段整定值为：
（1-2）
如此整定后，保护的Ⅰ段就只能保护线路全长的80%—85%，这是一个严重的缺点。
为了切除本线路末端15%—20%范围以内的故障，就需要设置距离保护第Ⅱ段。
（2）距离Ⅱ段
整定值的选择和限时电流速断相似，即应使其不超出下一条线路距离Ⅰ段的保护范围，同时带有高出一个
的时限，以保证选择性,例如在图1.4中，当保护2第Ⅰ段末端短路时，保护1的测量阻抗为：
（1-3）
引入可靠系数
（一般取0.8），则保护1的Ⅱ段的整定阻抗为：
（1-4）
2.后备保护配置
为了作为相邻线路的保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离Ⅰ段与距离Ⅱ段的后备保护，还应该装设距离保护第Ⅲ段。
距离Ⅲ段：
整定值与过电流保护相似，其启动阻抗要按躲开正常运行时的负荷阻抗来选择，动作时限还按照阶梯时限特性来选择，并使其比距离Ⅲ段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个
。
3.保护配置相关参数如下：
线路阻抗
km，
，
km，
1.3.1距离保护第Ⅰ段的整定
（1）线路L1的I段的整定阻抗为
（1-5）
=0.85×
50×
0.4
=17
式中
—距离I段的整定阻抗；
—被保护线路L1的长度；
—被保护线路单位长度的阻抗；
—可靠系数；
（2）动作时间
（第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间）。
1.3.2距离保护第Ⅱ段的整定
（1）与相邻线路
距离保护I段相配合，线路L1的Ⅱ段的整定阻抗为
（1-6）
—采用开环运行，线路
对线路L1的最小分支系数，其求法如下，如图1.5所示
图1.5等效电路图
（1-7）
于是
（2）灵敏度校验
距离保护Ⅱ段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。
考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足
满足要求
（3）动作时间，与相邻线路
距离I段保护配合，则，
它能同时满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合的要求。
1.3.3距离保护第Ⅲ段的整定
（1）整定阻抗：
按躲开被保护线路在正常运行条件下的最小负荷阻抗
来整定计算的，所以有
（1-8）
其中
，于是
（1-9）
距离保护Ⅲ段，即作为本线路I、Ⅱ段保护的近后备保护，又作为相邻下级线路的远后备保护，灵敏度应分别进行校验。
作为近后备保护时，按本线路末端短路进行校验，计算式为
作为远后备保护时，按相邻线路末端短路进行校验，计算式为
1.4本章小结
根据整定计算我们能够清晰地得出结果的可行性，由题设我们可以得出测量阻抗的值
，而输电线路
距离保护第Ⅰ段的动作阻抗为
，通过我所选择的全阻抗继电器可以表明，当短路点在3M母线上时，动作阻抗小于测量阻抗，即保护1可以再规定的范围内动作，同时，保护各段灵敏度也符合相应的要求，充分说明本次距离保护整定计算的正确性。
第二章变压器的保护
2.1变压器的保护配置方案
电力变压器在电力系统中的地位非常重要，它的故障对供电可靠性和系统的正常运行带来严重后果。
由于绝大部分安装在户外，受自然条件的影响较大，同时受到连接负荷的影响和电力系统短路故障的威胁，变压器在运行中有可能出现各种类型的故障和不正常运行状态。
因此，必须根据变压器容量和重要程度装设性能良好、动作可靠的保护。
变压器的故障分为内部故障和外部故障。
内故障指的是变压器油箱内绕组之间发生相间短路、一相绕组中发生的匝间短路、绕组与铁芯或引出线与外壳发生的单项接地短路。
外部故障指的是油箱外部引出线之间发生的各种相间短路、引出线因绝缘套管闪落或破碎通过油箱外壳发生的单项接地短路。
变压器发生故障，必将对电网或变压器带来危险，特别是发生内部故障，短路电流产生发高温电弧不仅烧坏绕组绝缘和铁芯，而且使绝缘材料和变压器油受热分解产生大量气体，导致变压器外壳局部变形、破坏甚至引起爆炸。
因此，变压器发生故障时，必须将其从电力系统中切除。
变压器不正常运行状态主要指过负荷、油箱漏油造成的油面降低以及外部短路引起的过电流。
对于大容量变压器，因其铁芯额定工作磁通密度与饱和磁通密度比较接近，所以系统电压过高或系统频率降低时，容易过励磁。
过励磁也是变压器的一种不正常运行状态，变压器处于不正常运行状态时，应发出信号。
为了保证电力系统安全稳定运行，并将故障或不正常运行状态的影响限制到最小范围，按照GB14258—1993《继电保护和安装自动装置技术规程》的规定，变压器应装设以下保护装置。
对电力变压器的下列故障及异常运行状态，应按本节的规定装设相应的保护装置。
（1）绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路;
（2）绕组的匝间短路；
（3）外部相间短路引起的过电流；
（4）中性点直接接地电力网中，外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；
（5）过负荷；
（6）过励磁；
（7）油面降低；
（8）变压器温度及油箱压力升高和冷却系统故障；
上述第一、第二款的保护装置应瞬时动作于跳闸，第三、第四的保护装置应带时限动作于跳闸，第五、第六款的保护装置一般作用于信号。
对变压器温度升高和冷却系统故障，应按现行电力变压器的标准规定，装设信号装置。
变压器保护部分：
装设方案（变压器T1）：
主保护：
瓦斯保护﹑纵差动保护
后备保护：
复合电压起动的过电流保护﹑过负荷保护、变压器接地保护
2.2变压器主保护
2.2.1瓦斯保护
根据GB14285—1993《继电保护和安装自动装置技术规程》4.3.2的要求：
对于0.8MVA及以上油侵式变压器和0.4MVA及以上车间内侵式变压器，均应装设气体保护。
当壳内故障产生轻微气体或油面下降时，应瞬时动作于信号；
当产生大量气体时，应动作于断开变压器各侧断路器。
带负荷调压的油侵式变压器的调压装置，亦应装设气体保护。
（1）瓦斯保护工作原理
瓦斯保护是反应变压器油箱内部气体的数量和流动的速度而动作的保护，保护变压器油箱内各种短路故障，特别是对绕组的相间短路和匝间短路。
由于短路点电弧的作用，将使变压器油和其他绝缘材料分解，产生气体。
气体从油箱经连通管流向油枕，利用气体的数量及流速构成瓦斯保护。
瓦斯继电器是构成瓦斯保护的主要元件，它安装在油箱与油枕之间的连接管道上，如下图所示。
图2.1瓦斯继电器安装位置图
为了不妨碍气体的流通，变压器安装时应使顶盖沿瓦斯继电器的方向与水平面具有1％～1.5％的升高坡度，通往继电器的连接管具有2％～4％的升高坡度。
开口杯挡板式瓦斯继电器，其内部结构如下图所示。
正常运行时，上、下开口杯2和l都浸在油中，开口杯和附件在油内的重力所产生的力矩小于平衡锤4所产生的力矩，因此开口杯向上倾，干簧触点3断开。
油箱内部发生轻微故障时，少量的气体上升后逐渐聚集在继电器的上部，迫使油面下降。
而使上开口杯露出油面，此时由于浮力的减小，开口杯和附件在空气中的重力加上杯内油重所产生的力矩大于平衡锤4所产生的力矩，于是上开口杯2顺时针方向转动，带动永久磁铁10靠近干簧触点3，使触点闭合，发生“轻瓦斯”保护.
油箱内部发生严重故障时，大量气体和油流直接冲击挡板8，使下开口杯l顺时针方向旋转，带动永久磁铁靠近下部干簧的触点3使之闭合，发出跳闸脉冲，表示“重瓦斯”保护动作。
当变压器出现严重漏油而使油面逐渐降低时，首先是上开口杯露出油面，发出报警信号，继之下开口杯露出油面后亦能动作，发出跳闸脉冲。
图2.2瓦斯继电器结构图
上面的触点表示“轻瓦斯保护”，动作后经延的发出报警信号。
下面的触点表示“重瓦斯保护”，动作后起动变压器保护的总出口继电器，使断路器跳闸。
图2.3瓦斯保护原理接线图
（2）瓦斯保护评价
主要优点：
动作迅速、灵敏度高、安装接线简单、能反应油箱内部发生的各种故障。
主要缺点：
不能反应油箱以外的套管及引出线等部位上发生的故障。
因此瓦斯保护可作为变压器的主保护之一，与纵差动保护相互配合、相互补充，实现快速而灵敏地切除变压器油箱内、外及引出线上发生的各种故障。
（3）瓦斯保护的反事故措施
瓦斯保护动作，轻者发出保护动作信号，提醒维修人员马上对变压器进行处理；
重者跳开变压器开关，导致变压器马上停止运行，不能保证供电的可靠性，对此提出了瓦斯保护的反事故措施：
1将瓦斯继电器的下浮筒改为档板式，触点改为立式，以提高重瓦斯动作的可靠性。
2为防止瓦斯继电器漏水而短路，应在其端子和电缆引线端子箱上采取防雨措施。
3瓦斯继电器引出线应采用防油线。
4瓦斯继电器的引出线和电缆应分别连接在电缆引线端子箱内的端子上。
（4）瓦斯保护原理电路
图2.4变压器瓦斯保护原理图
工作原理（如图2.4）：
1是瓦斯继电器；
2是信号继电器；
3是出口继电器；
4是联片。
当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生，瓦斯继电器的上触点闭合，作用于至延时信号；
发生严重故障时，重瓦斯冲出，瓦斯继电器的下触点闭合，经信号继电器，发出报警信号，同时通过联片使出口继电器动作使断路器跳闸。
瓦斯继电器的下触点闭合，也可以利用切换片XB切换位置，只给出报警信号。
为了消除复合式瓦斯继电器的下触点在发生重瓦斯时可能有跳动（接触不稳定）现象，出口继电器有自保持触点。
只要瓦斯继电器的下触点一闭合，CKJ就动作并自保持。
当断路器跳闸后，断路器的辅助触点断开自保持回路，使CKJ恢复起始位置。
瓦斯保护的整定：
轻气体保护的动作值采用气体容积表示。
通常气体容积的整定范围为250－300立方厘米。
对于容量在10MVA以上变压器，多采用250－300立方厘米。
气体容积的调整可通过改变重锤位置来实现。
重气体保护的动作值采用油流流速表示。
一般整定范围在0.6－1.5m/s，该流速指的是导油管中油流速度。
2.2.2变压器纵差动保护
对变压器引出线、套管及内部的短路故障，应按下列规定，装设相应的保护作为主保护，保护瞬时动作于断开变压器的各侧断路器。
对6.3MVA以下厂用工作变压器和并列运行的变压器，以及10MVA以下厂用备用变压器和单独运行的变压器，当后备保护时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。
对6.3MVA以上厂用工作变压器和并列运行的变压器，10MVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器，以及2MVA及以上用电流速断保护灵敏性不负荷要求的变压器，应装设纵联差动保护。
对于高压侧电压为330kV及以上的变压器，可装设双重差动保护。
用于10000千伏安以下的变压器，且其过电流保护时限大于0.5s时，2000千伏安及以上的变压器，如电流速断灵敏性不符合要求，则宜装设差动保护。
上述各种保护装置动作后，应断开变压器各电源侧的断路器。
查《继电保护和安装自动装置技术规程》的规定，第2.3.3条。
变压器纵联差动保护是一种比较完善的快速保护。
它能反映变压器绕组的相间短路、匝间短路、引出线的相间短路以及中性点直接接地、系统侧绕组和引出线上的接地短路、是大、中型电力变压器的主要保护方式。
电力变压器纵联差动保护的基本原理用辅助导线或引出线将变压器两侧电流引入差动继电器，比较两端电流的大小和方向，从而判断被保护的变压器是否发生短路，以决定保护是否动作。
变压器纵差动保护单相原理接线图所示。
在变压器纵差动保护外部保护时一次侧流入的电流等于流出变压器的电流所以不平衡电流很小。
差动继电器不动作。
当D2点短路时此时流过差动回路的电流为
此时电流大于差动继电器动作电流，继电器动作跳闸。
在实现变压器差动保护时，应考虑变压器高、低压两侧电流的大小和相位，一般讲它们都不同。
故在实现变压器差动保护时，应先考虑对两侧电流进行相位补偿，再进行数值补偿，都能保证正常运行和外部短路时继电器中的电流等于零（理想）。
此外，在实现差动保护时，还应考虑两个特点，一个是变压器励磁涌流，另一个是变压器差动保护的不平衡保护。
按环流法接线变压器纵差是利用比较变压器的高压侧和低压侧的电流和幅值和相位的原理构成的。
它主要是由接于差动回路的三个差动继电器组成。
为了扩大纵差保护范围，电流互感器应尽量靠近断路器。
它主要是用于两绕组或三绕组电力变压器以及变流发电机的单相差动保护线路中作为主保护，继电器能预防在非故障状态时出现的暂态电流的作用。
BCH-2型差动继电器由两部分组成：
DL-11型电流继电器和中间速饱和变流器。
当变压器正常运行或外部故障时，注入差动继电器的电流为不平衡电流。
由于预先选择好两侧电流互感器的变比和接线方式，故该不平衡电流值很小，注入电流继电器内的电流（为两侧电流互感器二次侧电流之差），保护不动作。
当保护区内发生故障时，只要不平衡电流大雨继电器的启动电流，则继电器动作，瞬时使变压器的两侧断路器19DL和20DL跳闸。
由于变压器各侧额定电压和额定电流不同，故须适当选择两侧电流互感器的变比，使它们的变比等于变压器的变比。
此外，在实现变压器差动保护时，还应考虑变压器励磁涌流和变压器差动保护的不平衡电流。
变压器的励磁涌流只在电源侧流过，它反应倒变压器差动保护中，就构成不平衡电流不过正常运行时励磁电流只不过时额定电流的3％－5％。
当外部短路时由于电压下降。
则此时的励磁电流也相应的减少，其影响就变小。
故可不考虑。
图2.5变压器纵差动保护原理接线
在变压器空载投入或外部故障切除后，电压恢复时的励磁电流很大。
可达额定电流的5－10倍。
所以。
必须考虑励磁涌流的影响以便更好的躲过励磁涌流。
励磁涌流含有很大的非周期分量。
并且偏向时间轴一侧。
励磁涌流中含有大量的高次谐波分量，其中2次谐波占较大比例，额短路电流中2次谐波成分很小。
变压器差动保护中不平衡电流主要由电流互感器误差不一致、电流互感器和自耦变压器变比标准化等因素产生。
注意：
由于本设计变压器为两绕组变压器，接法为Y/D-11。
所以变压器角型侧电流互感器为星型接法，变压器星型测侧电流互感器为角型接法。
这样做可以补偿幅值和相位。
1.变压器差动保护的方式（采用BCH－2型差动保护）
BCH－2型差动继电器由一个执行元件DL－11/0.2型电流继电器和一个带短路绕组的三柱铁芯速饱和变流器组成。
平衡绕组的作用：
由于差动保护中两侧电流互感器的磁路不可能完全相同，且计算变比与选用变比不相同，所以平时总有不平衡电流流过继电器，为了减少它的影响，可把平衡绕组接入差动保护的一臂中，起到电流数值的补偿作用。
有了短路绕组后，当差动绕组中通过含有非周期分量电流时，能自动增大继电器动作电流的程度将比没有短路绕组时更显著，这就是BCH－2型可靠地躲过外部短路时暂态不平衡电流或变压器空载投入时的励磁涌流的原因。
2.BCH―2型差动继电器的工作原理
图2.6BCH-2型差动继电器结构原理图
图2.6示出了BCH-2型差动继电器结构原理图。
它是由一个DL/0.2型电流继电器和一个带短路线圈的速饱和变流器组成。
中间B柱上绕有差动线圈Nd、平衡线圈Nb1、Nb2和短路线圈Nk’；
左边A柱上绕有一个短路线圈
，其中
和
间的连接是同向串联的，右边C柱上绕有一个二次线圈N2，N2接有作为执行元件的电流继电器。
当差动电流
通过差动线圈时，在B柱中产生磁通
，经A柱、C柱构成回路，其中在A柱中的磁通为
，在C柱中的磁通为
与
在短路线圈中感应出电动势，并产生电流
磁动势在B中的磁通为
，经A柱、C柱构成回路，C柱中的磁通为
；
磁动势在A柱中的磁通
，经B柱、C柱构成回路，C柱中的磁通为
于是C柱中合成磁通可表示为
（2-1）
在合成磁通
中，
的方向相反，起到去磁作用；
而
的方向相同，起到助磁作用。
如果不计铁芯磁轭绕组，B柱截面积是A柱、B柱的两倍，在铁芯未饱和时，A、B、C柱的磁阻关系为
于是，在不计N2线圈负载的情况下，可推出
（2-2）
（2-3）
所以，C
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