40MVA三绕组变压器纵差动保护设计.docx

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40MVA三绕组变压器纵差动保护设计

电力系统继电保护课程设计（论文）

题目40MVA三绕组变压器纵差动保护设计

（2）

院（系）：

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

院（系）：

课程设计（论文）任务及评语

教研室：

专业班级

学生姓名

40MVA三绕组变压器纵差动保护设计

（2）

课程设

计（论

文）题目

设计技术参数

系统接线如上图所示，参数如下:

系统：

最大短路容量Sma>=1269MVA,最小短路容量Smin=811MVA

变压器T1和T2型号：

SFSL-40000/121kVYo/Y/A-11接线，短路电压百分数为

U（i-2）%=18.25%Ud（i-3）%=10.36%

U（2-3）%=6.5%

输电线路线路电抗为0.4Q/km,

110KV线路2条，长度分别为42km60km

35KV线路6条，长度分别为16km14.2km、10.6km、15km16km、10.6km。

10KV线路6条，长度分别为2.5km、

3.8km、3.4km、2.5km、3.6km、4.7km。

工作量

1•计算各元件的等值模型，确定该电力系统的等值电路。

2•短路电流计算。

3.确定系统的最大运行方式和最小运行方式。

4.对变压器T1进行保护配置，说明都设置哪些保护形式。

5.整定计算变压器T1的纵差动电流保护的整定电流值。

6.整定计算变压器T1的纵差动保护动作线圈的匝数，校验相对误差和灵敏度。

7.绘制变压器保护的原理接线图。

并分析动作过程。

8.采用MATLA建立系统模型进行仿真分析。

续表

进度计划

«c限。

、■^斤O计式数狛切

O一丄o八兀oO白仿确流运置流圈理模50迎，电的配电线原建书，料路统划作作护AB明结资短系规动动保TT说宏>算定护宀归宀归制A写设收计确保整整绘M撰课二三四応六七八;A;+第第第第第第第第第第

指导教师评语及成绩

日

月

年

指:

_11

辩

昔

:

轨时成平总

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可

靠的继电保护装置。

而变压器一直采用差动保护作为内部故障的主保护，因此差动保

护的好坏直接关系到系统的安全可靠运行和供电的可靠性。

对于2000KVA以上的变压

器，电流速断保护的灵敏性不能满足要求，要装设纵差动保护。

本次课程设计就是有关于变压器的纵差动保护整定计算，涉及到正序、负序、零

序网络的建立、保护原理图的绘制与动作过程分析，变压器在最大及最小运行方式下短路电流的计算以及对变压器纵差保护继电器的整定、计算及校验，紧扣电力系统继

电保护课程的重点内容，加深了对变压器保护知识的理解，并联系其他科目的内容，加强了对各学科间的融会贯通，最后利用MATLAB!

立了仿真模型，对于不同工作条件下的变压器做了大量的仿真，仿真结果表明，阻抗继电器与变压器纵差动保护相配合的方式在检测变压器内部故障时有很高的灵敏度，在外部故障时又有很强的制动作用，具有一定的实用价值，最后分析动作过程并采用MATLAB建立系统模型进行仿

真分析输出系统正常状态和故障状态下的电流和电压波形，判断系统是否会出现继电

器的误动作并分析其动作，用准确的数据来验证计算的准确性和实用性。

关键词：

变压器；纵差动保护；灵敏度；MATLA仿真；

第1章绪论

1.1纵差动保护的适用范围及基本原则4

1.2纵差保护不平衡电流分析5

第2章变压器纵差动保护整定计算6

2.1系统标幺值计算6

2.2系统最大运行方式和最小运行方式等值电路图7

2.3动作电流整定计算及校验8

第3章保护原理图的绘制与动作过程分析11

第4章MATLAB建模仿真分析14

第5章课程设计总结16

参考文献17

第1章绪论

1.1纵差动保护的适用范围及基本原则

1、纵差动保护适用于：

（1）并列运行的变压器，容量为6300千伏安以上时。

（2）单独运行的变压器，容量为10000千伏安以上时。

（3）发电厂厂用工作变压器和工业企业中的重要变压器，容量为6300千伏安以上时。

2、纵差动保护的基本原则：

对双绕组和三绕组变压器实现纵差动保护的原理接线如图1.1所示，它用以保护

变压器绕组和引出线的相间短路，中性点直接接地电网侧绕组和引出线的接地短路以及绕组的匝间短路。

由于变压器高压倒和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当的选择两侧电流互感器的变比，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等。

要实现变压器的纵差动保护，就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比，这个不同是由于发电机的纵差动保护比较的是两侧电流的幅值和相位，而变压器纵差动保护比较的则是两侧磁势的幅值和相位。

1.2纵差保护不平衡电流分析

1.2.1稳态情况下的不平衡电流

（1）变压器两侧的电流相位不同而产生的不平衡电流。

当变压器采用两侧电流相位差

为30度的接线方式时，两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于

相位不同，会有一个差电流流入继电器。

（2）计算变比与实际变比不同而引起的不平衡电流。

因为两侧的电流互感器都是根据产品目录选取标准的变比，而变压器的变比也是一定的。

因此，三者的关系很难满足ni2/ni1=nB的要求，此时差动回路中将有电流流过。

（3）变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流。

带负荷调整变压器的分接头，是

电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的方法，实际上改变分接头就是改变变压器的变比。

如果差动保护已按照某一变比调整好（如利用平衡线圈）则当分接头改换时，就会产生一个不平衡电流流入继电器。

1.2.2暂态情况下的不平衡电流

（1）变压器的励磁涌流所产生的不平衡电流。

变压器的励磁电流仅流经变压器接

入电源的一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的2〜10%。

在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响就更小。

（2）两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流。

由于两侧电流互感器的型号不同，它们的饱和特性、励磁电流（归算至同一侧）也就不同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。

第2章变压器纵差动保护整定计算

2.1系统标幺值计算

变压器T1、T2的标幺值计算:

Uk1%=

1

.36

-6.5）=

11.055

Uk2

%=

1

（18.25

2

+6.

5-

10.36）

=7.195

Uk3

%=

1

（10.36

+6.

5-

18.25）=

-0.695

11.055

100

X1*=

X:

=0.276375

100

40

6.75

100

X2*:

-X

0.16875

100

40

-0.695

100

X3*:

-X

--0.017375

100

40

X60=

0.4x60X100

1152

0.1815

0.4X42X100

0.1270

X42=2

1152

35KV线路标幺值计算：

0.4X16X100

X16-

372=

0.4675

X14.2:

0.4

X14.2

3T2

X100

-0.4149

X10.6:

0.4

X10.6

X100

-0.3097

37"

X15

0.4X15X100

S72

0.4383

10KV线路标幺值计算:

0.4X3.8X100

X3.8

10.52

=1.3787

X3.4:

0.4X3.4X100

=1.2336

_10.52=

X2.5:

0.4X2.5X100

:

0.9070

2—

10.52

X3.6:

0.4X3.6X100

=1.3061

2=

10.52

X4.7:

0.4X4.7X100

=1.7052

2=

10.52

2.2系统最大运行方式和最小运行方式等值电路图

系统最大运行方式如图2.1所示:

图2.1系统最大运行方式等值电路图

系统最小运行方式如图2.2所示:

XI

X2

XT1

XT2

XT3

XT4

XT5

X3

XT6

X9

图22系统最小运行方式等值电路图

2.3动作电流整定计算及校验

1由短路电流计算结果比较可得：

最大外部短路电流为三相外部短路时d2点的短路电流：

100

Idmax=2.13265汉=10707A

&115

最小内部短路电流为最小方式1时在d2点发生的两相短路时的短路电流:

100

ldmin=6.0102沃=330475A

心10.5

2、确定保护的动作电流

〈1〉躲开变压器投入，切除外部短路后及电压恢复时的励磁涌流：

4-心・=1.3—4°一=27294A

13"10

〈2〉躲开电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷：

Idz=Kgle=1.3272.94A

®110

〈3〉躲开变压器外部短路时的最大不平衡电流：

IHHI

1dz-KkIbp-1.3（1bp1bp1bp）

=1.3（GqKtxfwc*U*fph）Idjmax

Kk为可靠系数，取1.3

Ibp电流互感器的误差引起的不平衡电流

Ibp变压器电压分接头改变引起的不平衡电流

HI

Ibp平衡线圈不能对变压器I与U侧电流差值进行完全补偿引起的不平衡电流

Kfzq非同期分量引起的误差，取1

Ktx电流互感器的同型系数

当电流互感器型号相同且处于同一情况下，Ktx二0.5

当电流互感器型号不同时，Ktx=1

wc电流互感器容许最大相对误差，取0.1

fph继电器整定匝数与计算匝数不等而引起的相对误差

•••Idz-1.3（KfzqKtxfw^U■fph）Idmax

=1.3（1X1X0.1+0.05+0.05）X1070.7

=278.38A

因此，保护的基本侧的动作电流取上述三者中最大值:

•••ldz=278.38A

3、确定继电器基本侧线圈匝数及各线圈接法

〈1〉基本侧继电器动作电流

Idzjbjs—

H=278.383.3467=4.64A

200.8

〈2〉基本侧线圈匝数（差动线圈匝数）

取Wgjb<=13匝

〈3〉确定基本侧线圈接入匝数

Wg”=13二妮dz=112

继电器实际动作电流:

SWcd.

6060=4.62A

13

保护一次动作电流为:

]dz如hjb=丨dz«jjb~

Ie2«jb

=4.62200.8=277.2A

3.3467

〈4〉确定非基本侧平衡线圈及工作线圈匝数

Wphz刊g—甘-Wcd厂13黎一12~82匝

e2fj

确定平衡线圈U实用匝数为

Wph&z=3匝

〈5〉计算由实用线圈与计算匝数不等引起的相对误差

■fph

邑8口=0.049v0.05

3.8212

•••动作电流满足要求。

〈6〉灵敏度:

Km

1dminK

型d=2.38>2

4.62300

第3章保护原理图的绘制与动作过程分析

变压器各侧功率因数角相等；变压器与电流互感器的角误差为o，这样虽与设

备实际情况和运行条件存在差异，但不影响对差动保护的具体结线作出正确的分析和判断。

图3.1变压器纵差动保护的原理接线图

变压器在正常运行和区外故障时，任一侧CT流入差动回路的电流与其他两侧（或一侧）电流的相位差为180度，继差动继电器工作在“差”工作状态下，或此时任一侧的二次电流的大小又恰巧等于其它两侧（或一侧）的二次电流相量（或相量）的大小，从而使差动回路的电流为零即Ijz=EI2-0（电平衡）

（1）正常运行和区外故障时，流入继电器的电流为

继电器不动作

（2）区内故障时，流入继电器的电流为

此时为两侧电源提供的短路电流之和，电流很大，故继电器动作，跳开两侧的断

路器。

由上分析可知，纵联差动保护的范围就是两侧电流互感器所包围的全部区域，即

被保护元件的全部，而在保护范围外故障时，保护不动作。

变压器在正常负荷状态下，差动回路中的不平衡电流很小，但当发生区外短路故障时，由于电流互感器可能饱和等等因素，会使不平衡电流增大，当不平衡电流超过了保护动作电流时，差动保护就会误动。

比率差动保护就是用来区分差流是由内部故障还是不平衡输出（特别是外部故障）弓I起的，它引入了外部短路电流作为制动电流，当外部短路电流增大时，制动电流随之增大，使得继电器的动作电流也相应增大，这样就可以有效的躲过不平衡电流，避免误动的出现。

比率差动元件采用初始带制动的变斜率比率制动特性，由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成。

为了保证区内故障的快速切除，只有低值比率差动元件（灵敏）设有TA饱和判据，高值比率差动元件（不灵敏）不设TA饱和判据。

三折线比率差动保护的动作特性如图所示。

图3.2三折线比率差动保护的动作特性

ld>0.2r+|cdqd0.5I

1d>Km【I「_0.5e"r+0"1r十1cdqd0.51eVIr<61e

Id0.75lr-6le〕lr©5.5」0乙"cdqdlr0.6Ie

m

lr二0.5、Ii

1

m

Id八Ii

i_1

式中：

le为变压器额定电流；Ii~lm分别为变压器各侧电流；Icdqd为稳态比率差动起动电流；ld为差动电流；lr为制动电流；Kbl为比率制动系数整定值

0.2：

：

：

Kb「：

0.75。

比率差动保护按相判别，满足以上条件时动作。

但是保护出口必须还要经过TA的饱和判别，TA断线判别（可选），励磁涌流判别。

可知，具有比率制动特性差动元件的动作特性主要由起动电流，拐点电流，比率

制动系数（即特性曲线的斜率）决定，而动作特性又决定了差动元件的动作灵敏度和躲区外故障的能力，当这三个量中的两个固定以后，比率制动系数越小，或拐点电流越大，或初始动作电流越小，差动元件的动作灵敏度越高，而此时躲区外故障的能力越差。

第4章MATLAB建模仿真分析

基于MATLA的一次系统暂态计算结果通过互感器模型后送入四种电流纵差保护模块中来仿真当前运行方式、运行情况下全电流差动、故障分量相量差动、故障分量瞬时值差动和零序差动的动作情况，保护的响应信号还可以迸一步反馈给一次系统来控制一次系统的运行，这样也可实现闭环仿真，但鉴于更好地观察判据的响应信号的目的，本文所做的大部分仿真都是在开环状态下进行的，闭环仿真仅在特殊分析时使

用。

以下是对纵差动保护的影响因素进行MATLA仿真

图a无电容电流补偿图b有电容电流补偿

图4.1正常情况下全电流差动保护的差动制动电流图

图c无电容电流补偿图d有电容电流补偿

图4.2区外故障下全电流差动保护的差动制动电流图

本文进行了大量的仿真，发现备用变压器次边励磁涌流中二次谐波的含量比较大,会引起差动保护误动作。

图4.3备用变压器次边励磁涌流波形图4.4主变压器波形

图4.5备用变压器次边励磁涌流波形谐波分析

可以看出，真空断路器的间隙击穿，备用变压器产生了励磁涌流，从其谐波

分析的结果可得，此时励磁涌流中的二次谐波含量低于15%可能使备变压器的差动保护误动，但此种情况下得到的主变压器的差流却很小，小于主变压器差动保护的动作电流，主变压器的差动保护不会动作。

综合来看，利用二次谐波电流来鉴别励磁涌流的方法是有缺陷的，有可能导致变压器差动保护的误动作，有必要研究新的鉴别励磁涌流的方法。

第5章课程设计总结

这次课程设计主要对继电保护中变压器纵差动保护的整定计算进行了综合的考查，综合性强，知识考查面广，极大地提高了变压器继电保护的设计能力而且对所学的知识有了全面地结合和应用。

本文首先详细介绍了变压器差动保护的基本原理，阐述了差动回路中的不平衡电流对变压器差动保护的影响，重点在于最大最小运行系统的确定，以单相变压器为例，分析了变压器励磁涌流的产生机理，进行了短路电流的计算，以及对变压器纵差保护继电器的整定及计算及校验，最后运用MATLABS立了仿真模型，在不同工作条件下对变压器进行了大量的仿真，分析得到最后结果。

本次课程设计的主要针对变压器的纵差动保护，这对电力系统的稳定性至关重要。

因为系统在正常运行时，不可能总工作于最大运行方式下，所以当运行方式变小时，电流保护的保护范围将缩短，灵敏度降低；而距离保护测量的是短路点至保护安装处的距离，受系统运行方式影响较小，保护范围稳定因此常用于线路保护。

灵敏度的计算影响到所得的灵敏度是否满足系统的要求。

计算灵敏度时由于对概念和动作过程了解的不够详细出现了错误，导致后续的分析出了很大的问题。

及时的修正线路数据，才避免了后面的计算错误。

计算出来的数据一定要留出一定的裕量，有利于实际中的断路器和其他元件电气参数的合理选取，使系统运行的更方便、灵活、有效。

参考文献

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华中理科技学出版社，2002.3

[4]于海生编著《微型计算机控制技术》清华大学出版社2003.4

⑸王士政主编《电网调度自动化与配网自动化技术》中国水利水电出版社2007.3

[6]梅丽凤等编著《单片机原理及接口技术》清华大学出版社2009.7

[7]许建安编著《电力系统微机继电保护》中国水利水电出版社2003.6