某35kV变电所主变压器继电保护设计毕业设计.docx

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某35kV变电所主变压器继电保护设计毕业设计

成都电子机械高等专科学校

课程设计说明书

设计题目：

某35kV变电所主变压器继电保护设计

专业：

供用电技术

班级学号：

学生姓名：

指导教师：

2012年12月

电力系统继电保护课程设计任务书

一、设计题目：

某35kV变电所主变压器继电保护设计

二、原始数据

（1）电压等级35/6kV

（2）系统参数：

本矿35KV变电所是留庄镇变电所提供供电，两回路是直接从留新线线路引入，长度都是4.605km，中间有母线相连。

上级的35kV母线的最大及最小短路容量分别为1200MV•A和800MV•A，线路选的型号为LGJ-240型。

变电所提供电源的定时限过电流保护动作时限均为2.0s。

（3）变电所主接线形式

35kV全桥式接线，6kV单母线分段接线。

主变压器两台S11-25000/35kV，Y，d11接线变压器。

（4）运行方式：

以两个主变压器全投入运行，负荷全投，母线分段断路器合闸运行为最大运行方式；以乙主变压器停运，电缆停运，分段断路器断开运行为最小运行方式。

第一章继电保护的概述1

1.1继电保护的概述1

1.2保护装置的作用1

1.3继电保护的基本原理2

1.4对保护装置的要求3

第二章本系统故障分析3

2.1系统线路主要的故障3

2.2电力变压器的故障3

2.3变压器的不正常情况4

2.410KV线路继电保护装置4

2.4.1单回出线保护4

2.4.2双回路出线保护4

2.5主变压器继电保护装置设置4

2.5.1主保护4

2.5.2后备保护5

2.5.3异常运行保护和必要的辅助保护5

2.6变电所的自动装置5

2.6.1瞬时故障的继电保护5

2.6.2提高供电可靠性5

2.6.3保证系统电能质量5

2.7本设计继电保护装置原理概述6

2.7.110KV线路过电流保护6

2.7.2变压器瓦斯保护6

2.7.3变压器纵联差动保护6

第三章短路电流计算7

3.1系统电路图7

第四章主变继电保护整定计算及继电器选择10

4.2纵联差动保护11

4.2.1原理图如图所示11

4.2.2计算Ie及电流互感器变比11

4.2.3确定基本侧动作电流12

4.2.4确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流13

4.2.5灵敏度的校验13

4.2.6初步确定短路线圈的抽头14

4.3定时限过流保护计算14

第五章各种继电器的选择15

5.1电流继电器的选择15

5.2时间继电器的选择16

5.3中间继电器的选择16

5.4信号继电器的选择16

5.5电流互感器的选择16

第六章设计总图17

第七章总结17

参考文献17

某35kV变电所主变压器继电保护设计

第一章继电保护的概述

1.1继电保护的概述

继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量（电流、电压、功率、频率等）的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。

大多数情况下，不管反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分（和定值调整部分）、逻辑部分、执行部分。

继电保护及自动化是研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。

因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以沿称继电保护。

基本任务是：

当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。

1.2保护装置的作用

在企业供配电系统中，无论是系统还是设备有时都会出现不正常的工作状态。

因此，在供配电系统中一旦发生短路故障，必须尽快的将故障元器件切离电源。

还应及时发现和消除对系统或用电设备有危害的不正常工作状态，从而保证电气设备的可靠运行。

保护装置是能及时发现各种故障和不正常工作状态，并能根据工作性质准确切除故障和将不正常工作状态通过信号装置报警的一种自动装置。

1）当故障发生时，保护装置动作，并借助断路器自动的，快速的，有选择性的将故障元件迅速的从供电系统中切除，避免事故的扩大，保证其他电气设备继续正常运行。

2）当出现不正常工作状态时，保护装置动作，及时发出报警信号，以便引起运行人员的注意并及时处理。

3）保护装置还可以和供电系统的其他自动装置，如备用电源自动投入装置，自动重合闸装置等配合，大大的缩短了短路故障停电时间，及时恢复正常供电，从而提高了供电系统的运行的可靠性。

1.3继电保护的基本原理

继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。

故障后，工频电气量变化的主要特征及可以构成的保护

（1）电流增大，构成电流保护。

（2）电压降低，构成低电压保护。

（3）电流与电压之间的相位角改变，构成功率方向保护。

（4）测量阻抗发生变化，构成距离保护。

（5）故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化，构成差动保护。

（6）不对称短路时，出现相序分量，构成零序电流保护、负序电流保护和负序功率方向保护。

电力系统的继电保护根据被保护对象不同，分为发电厂、变电所电气设备的继电保护和输电线路的继电保护。

前者是指发电机、变压器、母线和电动机等元件的继电保护，简称为元件保护；后者是指电力网及电力系统中输电线路的继电保护，简称线路保护。

按作用的不同继电保护又可分为主保护、后备保护和辅助保护。

主保护是指被保护元件内部发生的各种短路故障时，能满足系统稳定及设备安全要求的、有选择地切除被保护设备或线路故障的保护。

后备保护是指当主保护或断路器拒绝动作时，用以将故障切除的保护。

后备保护可分为远后备和近后备保护两种。

远后备是指主保护或断路器拒绝时，由相邻元件的保护部分实现的后备；

近后备是指当主保护拒绝动作时，由本元件的另一套保护来实现的后备，当断路器拒绝动作时，由断路器失灵保护实现后备。

继电保护装置需有操作电源供给保护回路，断路器跳、合闸及信号等二次回路。

按操作电源性质的不同，可以分为直流操作电源和交流操作电源。

通常在发电厂和变电所中继电保护的操作电源是由蓄电池直流系统供电，因蓄电池是一种独立电源，最大的优点是工作可靠，但缺点是投资较大、维护麻烦。

交流操作电源的优点是投资少、维护简便，但缺点是可靠性差。

因此，交流操作电源的继电保护适合于小型变电所使用。

1.4对保护装置的要求

1）选择性：

当电力系统发生故障时，只让离故障点最近的保护装置动作，切除故障元件，保证其他电气设备的正常运行，

2）快速性：

当电力系统发生故障时，快速切除故障可以减轻短路电流对电气设备的破坏程度，尽快回复供电系统的正常运行。

3）可靠性：

保护装置必须经常处于准备状态，一旦在本保护区发生短路故障或不正常工作状态时，它都不该拒绝动作或误动作，而必须可靠动作。

4）灵敏性：

保护装置对其在本保护区发生故障或不正常工作状态，无论其位置如何，程度轻重，均有足够的反应能力，保证动作。

各种保护装置的灵敏性用“灵敏度”来衡量。

第二章本系统故障分析

2.1系统线路主要的故障

本设计中的电力系统具有非直接接地的架空线路及中性点不接地的电力变压器等主要设备。

就线路来讲，其主要故障为单相接地、两相接地和三相接地。

2.2电力变压器的故障

分为外部故障和内部故障两类。

1）变压器的外部故障常见的是高低压套管及引线故障，它可能引起变压器出线端的相间短路或引出线碰接外壳。

2）变压器的内部故障有相间短路、绕组的匝间短路和绝缘损坏。

2.3变压器的不正常情况

变压器的不正常运行过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及不允许的油面下降。

2.46KV线路继电保护装置

根据线路的故障类型，按不同的出线回路数，设置相应的继电保护装置如下：

2.4.1单回出线保护

采用两段式电流保护，即电流速断保护和过电流保护。

其中电流速断保护为主保护，不带时限，0S跳闸。

2.4.2双回路出线保护

采用平行双回线路横联方向差动保护加电流保护。

其中横联方向差动保护为主保护。

电流保护作为横联方向差动保护的后备保护。

2.5主变压器继电保护装置设置

变压器为变电所的核心设备，根据其故障和不正常运行的情况，从反应各种不同故障的可靠、快速、灵敏及提高系统的安全性出发，设置相应的主保护、异常运行保护和必要的辅助保护如下：

2.5.1主保护

瓦斯保护（以防御变压器内部故障和油面降低）、纵联差动保护（以防御变压器绕组、套管和引出线的相间短路）。

2.5.2后备保护

过电流保护（以反应变压器外部相间故障）、过负荷保护（反应由于过负荷而引起的过电流）。

2.5.3异常运行保护和必要的辅助保护

温度保护（以检测变压器的油温，防止变压器油劣化加速）和冷却风机自启动（用变压器一相电流的70%来启动冷却风机，防止变压器油温过高）。

2.6变电所的自动装置

2.6.1瞬时故障的继电保护

针对架空线路的故障多系雷击、鸟害、树枝或其它飞行物等引起的瞬时性短路，其特点是当线路断路器跳闸而电压消失后，随着电弧的熄灭，短路即自行消除。

若运行人员试行强送，随可以恢复供电，但速度较慢，用户的大多设备（电动机）已停运，这样就干扰破坏了设备的正常工作，因此本设计在6KV各出线上设置三相自动重合闸装置（CHZ），即当线路断路器因事故跳闸后，立即使线路断路器自动再次重合闸，以减少因线路瞬时性短路故障停电所造成的损失。

2.6.2提高供电可靠性

针对变电所负荷性质，缩短备用电源的切换时间，提高供电的不间断性，保证人身设备的安全等，本设计在35KV母联断路器（DL1）6KV母联断路器（DL8）处装设备用电源自动投入装置（BZT）。

2.6.3保证系统电能质量

频率是电能质量的基本指标之一,正常情况下,系统的频率应保持在50Hz，运行频率和它的额定值见允许差值限制在0.5Hz内，频率降低会导致用电企业的机械生长率下降，产品质量降低，更为严重的是给电力系统工作带来危害，而有功功率的缺额会导致频率的降低，因此，为保证系统频率恒定和重要用户的生产稳定，本设计6KV出线设置自动频率减负荷装置（ZPJH），按用户负荷的重要性顺序切除。

2.7本设计继电保护装置原理概述

2.7.16KV线路过电流保护

是利用短路时的电流比正常运行时大的特征来鉴别线路发生了短路故障，其动作的选择性由过电流保护装置的动作具有适当的延时来保证，有定时限过电流保护和反时限过电流保护；本设计与电流速断保护装置共用两组电流互感器，采用二相二继电器的不完全星形接线方式，选用定时限过电流保护，作为电流速断保护的后备保护，来切除电流速断保护范围以外的故障，其保护范围为本线路全部和下段线路的一部分。

2.7.2变压器瓦斯保护

是利用安装在变压器油箱与油枕间的瓦斯继电器来判别变压器内部故障；当变压器内部发生故障时，电弧使油及绝缘物分解产生气体。

故障轻微时，油箱内气体缓慢的产生，气体上升聚集在继电器里，使油面下降，继电器动作，接点闭合，这时让其作用于信号，称为轻瓦斯保护；故障严重时，油箱内产生大量的气体，在该气体作用下形成强烈的油流，冲击继电器，使继电器动作，接点闭合，这时作用于跳闸并发信，称为重瓦斯保护。

2.7.3变压器纵联差动保护

是按照循环电流的原理构成。

在变压器两侧都装设电流互感器，其二次绕组按环流原则串联，差动继电器并接在回路壁中，在正常运行和外部短路时，二次电流在臂中环流，使差动保护在正常运行和外部短路时不动作，由电流互感器流入继电器的电流应大小相等，相位相反，使得流过继电器的电流为零；在变压器内部发生相间短路时，从电流互感器流入继电器的电流大小不等，相位相同，使继电器内有电流流过。

但实际上由于变压器的励磁涌流、接线方式及电流互感器误差等因素的影响，继电器中存在不平衡电流，变压器差动保护需解决这些问题，方法有：

·靠整定值躲过不平衡电流

·采用比例制动差动保护。

·采用二次谐波制动。

·采用间歇角原理。

·采用速饱和变流器。

本设计采用较经济的BCH-2型带有速饱和变流器的继电器，以提高保护装置的励磁涌流的能力。

第三章短路电流计算

3.1系统电路图

如图所示

基准参数的选定：

Sd=100MVAUC1=37KVUc2=6.3KV

Id1=Sd/

UC1=100/

*37=1.56KA

Id2=Sd/

UC2=100/

*6.3=9.16KA

阻抗计算：

系统：

X1=100/1200=0.083X2=100/800=0.125

线路：

X3=X0LSd/UC12=0.4*4.065*100/372=0.135

变压器T1,T2:

X5=X6=Uk%Sd/（SN100）=0.075*100/6.3=1.19

短路电流的计算：

最大运行方式下：

1）绘制等效电路如图所示，图上标出各元器件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点如下所示

XK-1=X1+X3=0.083+0.135=0.218

IK-1（3）=Id1/XK-1=1.56/0.218=7.16KA

Ish=2.55IK-1（3）=2.55*7.16=18.25KA

XK-2=X1+X3+X5//X6=0.218+1.19/2=0.813

IK-2（3）=Id2/XK-2=5.5/0.813=6.77KA

6KV侧短路时，折算到35KV侧的三相短路电流:

Ik21max=Id1/XK-2=1.56/0.813=1.92KA

最小运行方式下:

以乙主变停运，电缆停运，分段断路器断开运行为最小运行方式。

绘制等效电路如图所示，图上标出各元器件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点如下所示

X7=X1+X3=0.083+0.135=0.218

X11=X7+X5=0.218+1.19=1.408

35KV上的短路电流:

Ik1min=Id1/X7=1.56/0.218=7.5KA

10KV上的短路电流：

Ik2min=Id2/X11=5.5/1.408=3.91KA

折算到35KV侧：

Ik21min=Id1/X11=1.56/1.408=1.11KA

第四章主变继电保护整定计算及继电器选择

4.1瓦斯保护

轻瓦斯保护的动作值按气体容积为250-300cm2整定，本设计采用280cm2。

重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为0.6-1.5cm2整定本，本设计采用0.9cm2。

瓦斯继电器选用FJ3-80型。

4.2纵联差动保护

选用BCH-2型差动继电器。

4.2.1原理图如图所示

4.2.2计算Ie及电流互感器变比

列表如下：

名称

各侧数据

Y（35KV）

Δ（6KV）

一次侧额定电流

I1e=S/

UN=412.4A

I2E=S/

UN=2405.6A

变压器接线方式

Y

Δ

CT接线方式

Δ

Y

CT计算变比

I1e/5=714.3/5

I2e/5=2405.6/5

实选CT变比n

800/5

2800/5

二次侧额定电流

I1e/160=4.46A

I2e/540=4.30A

不平衡电流Ibp

4.46-4.30=0.16A

确定基本侧

基本侧

非基本侧

4.2.3确定基本侧动作电流

1）躲过外部故障时的最大不平衡电流:

IOP≥KrelIbp

IOP=Krel（10%Kst+ΔU+ΔfN）Ik21max

Krel—可靠系数，采用1.3;

Kst—非同期分量引起的误差，两侧电流互感器型号相同时取0.5，不同时取1；

ΔU—变压器调压时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，本设计取0.05；ΔfN—继电器整定匝书数与计算匝数不等而产生的相对误差，暂无法求出，先采用中间值0.05。

IOP=1.3*（0.5*0.1+0.05+0.05）*1.92=0.3744KV=374.4A

2）躲过变压器空载投入或外部故障后电压恢复时的励磁涌流

IOP=KrelI1e=1.3*412.4=536.1A

综上：

IOP=910.5A

4.2.4确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流

1）差动继电器基本侧（35KV侧）的二次动作电流

IOP。

KD=IOPKCON/KTA=374.4*1/（800/5）=2.34A

KCON—基本侧电流互感器接线系数，取1。

2）基本侧继电器差动线圈匝数

Nop.cal=AN0/IOP。

KD=60/2.34=25.6匝

AN0为继电器动作安匝，应采用实际值，本设计中采用额定值，取得60安匝。

选用实用整定匝数为Nop.。

Set=匝。

为平衡得更精确,可将基本侧平衡线圈Nb1作为动作匝数的一部分，基本侧工作线圈的匝数Nop.。

Set等于差动线圈Nd.set和平衡线圈Nb1。

Set之和，选取差动线圈Nd.与平衡线圈Nb1的整定匝数Nd.set=20匝，Nb1。

Set=6匝。

即：

Nop.。

Set=Nd.set+Nb1。

Set

根据选取的基本侧工作线圈匝数，算出继电器的实际动作电流和一次动作电流分别为

IOP。

KD=AN0/Nop.。

Set=60/26=2.31A

IOP=KIOP。

KDKTA/KCON=800/5*2.31=369.2A

3）确定非基本侧平衡线圈Nb2的计算匝数

Nb2。

Cal=I2N/I1N（Nb1+Nd.set）-Nd.set=4.46/4.30（20+6）-20=6.97匝

故，取平衡线圈实际匝数Nb2。

Set=6

ΔfN=（Nb2。

Cal-Nb2。

Set）/（Nb2。

Cal+Nd.set）=（6.97-6）/（6.97+20）=0.035

因|ΔfN|

0.05,取法合适，不需重新计算。

4.2.5灵敏度的校验

以最小运行方式下10KV侧两相短路反映到电源侧35KV侧进行校验

Ikmin.KD

（2）=

/2（

Ik21min/KTA）=1.5*1100/160=10.31A

电源侧BCH-2继电器的动作电流

IOP。

KD=AN0/（Nb2。

Set+Nd.set）=60/26=2.31A

Ksn=Ikmin.KD

（2）/IOP。

KD=10.31/2.31=4.46>2

所以满足要求

4.2.6初步确定短路线圈的抽头

根据前面对BCH-2差动继电器的分析，考虑到本系统主变压器容量较小，励磁涌流较大，故选用较大匝数的“C-C”抽头，实际应用中，还应考虑继电器所接的电流互感器的型号、性能等，抽头是否合适，应经过变压器空载投入试验最后确定。

4.3定时限过流保护计算

4.3.1原理图如图所示：

1）整定原则：

线路的最大工作电流应该小于保护装置的返回电流，即：

Irel≥Ilmax

Ilmax=（1.5-3）I30=2*412.4=824.8A

保护装置一次侧动作电流

IOP1=Krel/Kre*Ilmax=1.2*824.8/0.85=1164.4A

Krel取1.2，Kre取0.85。

继电器的动作电流

IOP。

KA=KW/KiIOP1=1*1164.4/160=7.28A

KW取1，Ki取800/5。

整定为7.5A，选定为DL-21C/10型继电器。

IOP1=Ki/KW*IOP。

KA=160*7.5=1200A

2）动作时限的整定

时限整定原则：

应比变压器二次母线出线定时限过流最大的时限大一个时限阶段（Δt=0.5S）

Δt=0.5S

t=t1+Δt

由题意可知，甲乙两个变电所提供电源的定时限过电流保护动作时限均为2S；又考虑到输电线路需要装设保护装置，故需要为输电线路预留0.5S的时间余量，

t1=2-0.5-0.5=1S

整定为1S，整合为范围在0.2-1.5S的DS型时间继电器。

3）灵敏度校验

KP=Ikmax2）/IOP1=（

/2*1920）/1200=1.39>1.2

所以满足要求

4.4过负荷保护：

其动作电流按躲过变压器额定电流来整定。

动作带延时作用于信号。

Idz=KkIe1/Kf=1.05×412.4/0.85=368.1（A）

IdzJ=Idz/n=368.1/160=2.30（A）

延时时限取10s，以躲过电动机的自起动。

当过负荷保护起动后，在达到时限后仍未返回，则动作ZDJH装置。

4.5冷却风扇自起动：

Idz=0.7Iel=0.7×412.4=288.68（A）

IdzJ=Idz/nl=288.68/160=1.80（A）

即，当继电器电流达到1.80A时，冷却风扇自起动

第五章各种继电器的选择

选择原则，变压器继电保护装置一般用220V的直流电源对控制母线进行供电，故

5.1电流继电器的选择

选取动作电流整定范围为2.5-10A的DL—12型电流继电器；

5.2时间继电器的选择

选取动作时间整定范围为0.2-1.5S的DS—21C型时间继电器；

5.3中间继电器的选择

中间继电器的结构和工作原理与交流接触器基本相同，与交流接触器的主要区别是触点数目多些，且触点容量小，只允许通过小电流。

在选用中间继电器时，主要是考虑电压等级和触点数目。

故触点额定电压为直流DC220V，触点额定发热电流为5A，触点数目为两个常开和两个常闭的DZ—15型中间继电器。

5.4信号继电器的选择

可选工作电压为直流220V的DX—30型的信号继电器。

5.5电流互感器的选择

电流互感器应按装置地点的条件及额定电压、一次电流、二次电流（一般为5A）准确度级等条件进行选择，并校验其短路时的动稳定度和热稳定度。

1）按正常工作条件选

额的电流：

ITN≥IN=103.9KA

饿的电压：

UTN≥UN=35KV

装置类别：

户内设备

准确度级：

3级（过电流保护一般用3级）

2）按短路条件校验

动稳定度

Kes*ITN*10（-3）≥ish=9.99KA

热稳定度Kt*ITN≥I（3）

*

注意：

Kes表示电流互感器的动稳定倍数ITN（对）

ITN表示电流互感器的额定一次侧电流（单位A）

Kt表示电流互感器的热稳定倍数（对ITN）

表示电流互感器的热稳定试验时间，一般取1S

根据以上计算数据且从经济方面考虑：

可选LCZ-35型电流互感器（ITN=160A）,经查阅对比校验，LCZ-35型电流互感器满足各项要求。

第六章设计总图

设计总图见附图

第七章总结

在本次课程设计中，巩固和加深在《供配电应用技术》和《供电系统继电保护》课程中所学的理论知识，在这次课程设计中，发现有时对基础知识的认识不是很清楚，不能很快对这个课程设计的各种数据认识清楚。

通过老师讲解和同学讲解下顺利完成了这次设计。

同时加强了对Word和AutoCAD的应用。

电网在发生故障后会造成很严重的后果,我们要学好继电保护知识，积极发挥我们在工作中的主动性，尽量避免各种故障。

参考文献

刘介才《工厂供电设计指导》：

机械工业出版社

李晶、路文梅《供电系统继电保护》中国电力出版社

张祥军、关大陆《供配电应用技术》科学出版社