变电所主变压器继电保护.docx
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变电所主变压器继电保护
变电所主变压器继电保护
摘要：
变压器是电力系统的重要组成部分。
它的正常与否直接关系到电力系统的安全和经济运行。
本次设计是变压器继电保护的初步设计。
根据短路计算的结果，选择了短路器，隔离开关，母线电气设备。
为了保护变压器内部和引出线套管的故障，选择了纵联差动保护作为变压器的主保护。
影响差动保护可靠性是电路中由于各种原因产生的不平衡电流。
通过计算，选择躲过外部短路时产生的最大不平衡电流作为纵联差动保护的动作电流。
本设计还选择了瓦斯保护作为变压器油箱内发生故障时的主保护。
定时限过电流保护作为变压器纵联差动保护的后备保护。
本设计要保护的变压器是处在中性点直接接地的电力系统中，所以采用零序过电流作为变压器接地的后备保护。
在本次设计中，我还选择了过负荷保护作为变压器的后备保护并对以上保护进行了整定。
关键词：
变压器差动保护瓦斯保护励磁涌流
TheRelayofMainTransformerinSubstation
hujianbin
College:
InformationEngineeringCollegeClass:
Electric04-2NO.:
200440509208
Abstract:
Transformerisanimportantpartofpowersystem.It'snormalornotdirectlyrelatedtothepowersystemofsecurityandeconomicoperations.Thedesignisthepreliminarydesignoftransformerrelay.Accordingtoshort-circuitcalculation,wearechoiceofshort-circuit,isolatingswitch,busandotherelectricalequipment.
Inordertoprotecttheinternaltransformeranddrawsoutlinedrivepipecasingfailuresandchoseapilotdifferentialprotectionasthemaintransformerprotection.Theinfluencedifferentialmotionprotectionreliabilityisinanelectriccircuit,becauseeachkindofreasonproducescirculatingcurrent.Throughthecomputation,thechoicesofexternalshort-circuitthelargestimbalanceinthecurrentlongitudinaldifferentialprotectionasthecurrentaction.Thisdesignalsochosentoprotectthegastankasatransformerinthefailureofthemainprotection.Atimelimitforthecurrentprotectionasatransformerlongitudinaldifferentialprotectionoftheback-upprotection.Thedesignistoprotectthetransformerintheneutralgrounddirectlyinthepowersystem,soazero-sequenceovercurrenttransformergroundingasaback-upprotection.Inthisdesign,Ihavealsochosentooverloadprotectionasareservetoprotectthetransformerandhavecarriedontheinstallationtotheaboveprotection
Keywords:
TransformerDifferentialProtectionGasprotectionInrushcurrent
正文:
1.1短路电流计算相关参数的计算原则
（1）选择并标记设计中的短路点
（2）画等值电路图
（3）求计算电抗xjs
（4）由汽轮发电机的运算曲线查出各电源的短路电流周期分量的标幺值
（5）计算无限大系统的电源供给的短路电流的周期分量
（6）计算短路电流周期分量的有名值
（7）计算短路电流的冲击值
（8）绘制短路电流计算结果表
1.2近似计算的标幺值的计算公式
变压器的标幺值计算公式
XT*=
式中UK%----阻抗电压的百分值
SN------额定容量
SB------基准容量
线路参数的计算
Xl=XOLXL*=
=X0L×
式中X0为没千米的阻抗，本设计中取0.4
1.3相关参数的计算
短路电流的计算利用标幺值来计算，选择基准容量为SB=100MVA,,各电压等级的平均值取为基准电压值【8】，即有：
UB（10）=10.5KVUB（110）=115KV
根据电力系统规划中确定的系统接线图，求出各元件的阻抗值，为了计算方便，一般均计算成标幺值，通常选取基准容量SB=100MVA基准电压一般取各级的额定平均电压计算基本关系如下【4】：
SB=
UBIBIB=
ZB=
UB=Uav式中：
SB——基准容量（MVA）
UB——基准电压（KV）
Uav——电网各级平均额定电压（KV）
IB——基准电流（KA）
ZB——基准阻抗
1.4.1原始资料
发电机为容量为100MVA，Xd〞=0.183,额定电压为10.5KV，变压器T1，T2为SF7-12500/110，US%=10.5，变压器T3，T4型号为SFP7-50000/110，US%=10.5，110KV侧的进线长度为10KM。
145基准值的选择和近似计算
选取基准容量SB=100MVA，则UB1=10.5KV，IB1=5
=.5KA，ZB1=2UB2=115KV，IB2=0.5KA。
则各元件的标幺值如下：
XT1*=XT2*=
=0.105×
=0.087
XL*=XL0*L*
=0.4×10×
=0.03
当K1点短路时
XJS=Xd〞+XT1*+XL*
=0.183+0.03+0.087
=0.301
查汽轮发电机的运算曲线得
T=0S时I*=3.6短路电流IG0=3.6×IB1=19.8KA
T=1SI*=2.4短路电流IG1=2.4×IB1=13.2KA
无限大系统送到短路点的电流为
I=
=27.5KA
所以总的短路电流在最大运行方式下为
IK0=I+2×IG0=27.5+2×IG0=67.1KA
IK1=I+2×IG1=27.5+2×13.2=53.6KA
在最小方式下短路电流为：
IK0=I+IG0=27.5+19.8=47.3KAIK1=40.7KA
当K2点发生短路时
XIS=Xd+XT1*+XL*+XT3*
=0.183+0.087+0.03+0.21
=0.510
查汽轮机的运算曲线得
T=0S时I*=2.1
短路电流.IG3=2.1×5.5=11.5KA
T=1S时I*=1.7
短路电流为IG4=9.35KA
变压器T3、T4的电抗实际值为：
XT3=XT4=2×0.21=0.42
所以无限大系统送到短路处的电流为
I=
=22.72KA
在T=0S时总的短路电流为
IK2O=I+2×IG3
=22.72+2×11.5=45.7KA
在T=1S时总的短路电流为：
IK21=22.7+2×9.35=41.42KA
1.6正常运行的电流
由于正常运行时负荷为主变压器容量的80%，最大负荷为变压器容量的1.2倍
所以：
主变压器10KV侧的正常负荷电流为
I2=
=
=2.309KA
主变压器110KV侧的电流为
I1=
×I2=210A
10KV侧的最大负荷电流为
Imax2=
=3.46KA
110KV侧的最大负荷电流Imax1=0.315KA
2.1变压器纵差保护基本原理
纵差保护在发电机上的应用比较简单，但是作为变压器内部故障的主保护，纵差保护将有许多特点和困难。
变压器具有两个或更多个电压等级，构成纵差保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的纵差保护不平衡电流将比发电机的大得多，纵差保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成的，根据KCL基本定理，即：
当被保护设备无故障时恒有：
，即各流入电流之和必等于各流出电流之和。
当被保护设备内部本身发生故障时，短路点成为一个新的端子，此时
，但是实际上在外部发生短路时还存在一个不平衡电流，所以纵差保护的动作判据应改写为：
=Id>Iunb.max
式中Id——差动回路的差动电流
Iunb.max——纵差保护的最大不平衡电流
以双绕组变压器为例说明纵差保护原理。
由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此为了保证纵差保护的正确工作，就必须适当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。
例如在图中应使：
I1′=I2〞或
=
=
——高压侧电流互感器的变比；
——低压侧电流互感器的变比；
——变压器的变比；
′——变压器高压侧一次电流；
〞——变压器低压侧一次电流；
′——高压侧电流互感器二次电流；
〞——低压侧电流互感器二次电流。
纵差保护动作判据用下式表示：
|
′+
〞|
Iset
式中：
Id——纵差保护动作整定电流。
当变压器正常运行及外部故障时，
′
〞即：
|
′+
〞|
0
此时差电流小于动作整定电流，保护不动作。
当变压器内部故障时，继电器反应两侧电流之和，此时差电流大于动作整定电流。
2.2纵差保护动作电流的整定原则
（1）躲过外部故障时的最大不平衡电流，整定式
Iset=KrelIunb.max式中
Krel----可靠系数，取1.3。
Iunb.max-----外部故障时的最大不平衡电流。
Iunb.max包过电流互感器和变压器变比不完全匹配产生的最大不平衡电流和电流互感器传变误差引起的最大不平衡电流。
可按下式算：
Iunb·max=（0.1KstKnp+ΔＵ+Δfza）Ik.max
Ik.max--------外部故障时最大的短路电流；
Δfza--------由于电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差，单相变压器可按∣Δfza=1－
∣计算，y,d11,接线三相变压器的计算式为：
Δfza=︱1—
︱
当采用中间变流器进行补偿时，取补偿后剩余的相对误差；
ΔU--------由变压器分接头引起的相对误差，一般可取可调整范围的一半；
0.1---------电流互感器容许的最大稳态相对误差；
Kst-----电流互感器同型系数，取为1；
Knp-----非周期分量系数，取1.5～2，当采用速饱和变流器时，由于非周期分量能引起的饱和，抑制不平衡输出，可取为1。
（2）躲过变压器最大励磁涌流，整定式为
Iset=KrelKuIN式中
Krel----------可靠系数，取1.3～1.5；
IN-----------变压器的额定电流；
Ku----------励磁涌流的最大倍数，取4～8，可以根据变压器的额定容量按张保会和尹项根主编的《电力系统继电保护》一书上图6.8的上限来选择。
（3）躲过电流互感器二次回路引起的差动电流
变压器某侧电流互感器二次回路断线时，另一侧的电流互感器二次电流全部流入差动继电器中，要引起保护的误动。
有的差动保护采用断线的识别的辅助措施，在互感器二次回路断线时将差动保护闭琐。
若没有断线的识别措施，则差动保护的动作电流必须大于正常运行情况下变压器的最大负荷电流，即
Iset=KrelIl.max式中
Krel---------可靠系数，取1.3；
Il.ma---------变压器的最大负荷电流。
在最大负荷电流不能确定时，可取变压器的额定电流。
按上面的三个条件计算纵差动保护的动作电流，并选取最大者所有电流都是折算到电流互感器的二次侧的数值。
2.3纵差动保护灵敏系数的效验
纵差动保护灵敏系数的可效验式为
Ksen=
式中
为各种方式下变压器区内端部故障时的，流经差动继电器的最小的差动电流；灵敏系数Ksen一般不应低于2。
因此，按躲过变压器最大励磁涌流的整定值为：
110KV侧电流互感器
Iset=1.3×5×
=21.3A
10KV侧电流互感器Iset=1.3×5×
=31.25A
按躲过电流互感器二次回路短线引起的差动电流
110KV侧电流互感器
Iset=1.3×
=5.11A
10KV侧电流互感器
Iset=1.3×
=7.5A
所以110KV的纵差动保护的动作电流为21.3A，10KV的纵差动保护的动作电流为31.25A。
=0.5×IN
110KV侧的
=0.5×
=131.21A，灵敏系数
Ksen=
=6﹥2，满足要求。
10KV侧的
=0.5×
=1443.42A，灵敏系数
Ksen=
=
=45.8，满足要求。
2.4具有制动特性的差动继电器的整定计算
设变压器的穿越电流等于最大外部故障最大电流Ik.max时，差动继电器动作电流和制动电流分别为Iset.max和Ires.max，显然，此时的差动继电器的不平衡电流就是按上式整定的。
即
Iset.max=KrelIunb.max
理论上Ik.max=Ires.max，但制动电流Ires也要进过电流互感器的测量，互感器饱和会使制动电流Ires减小.故
Ires.max=Ik.max—Iunb.max令
Kres.max=
Kres.max称为制动特性的最大制动比。
继电器的整定计算就是拐点电流Ires.g，最小动作电流Iset.min和制动特性的斜率K（或最大制动比Kres.max）。
这些参数的精确计算往往比较困难，在实际运算中一般有运行经验来确定。
故
拐点电流Ires.g的选取范围为
Ires.g=（0.2—0.6）IN
有时按公式计算出来的Iset.min会很小，对纵差保护的安全性不利。
在这种情况下Iset.min可按下式选取
Iset.min=（0.2—0.5）IN
制动特性斜率K，对于变压器保护，通常取0.4~1。
2.5变压器的瓦斯保护
在油浸式变压器油箱内发生故障时，由于故障点的局部高温是变压器油温升高油内空气被排出形成上升起泡，若故障点产生电弧，则变压器油和其他绝缘材料分解出大量气体，这些气体自油箱流向油枕上部，故障越严重，产生的气体越多，流向油枕气流速度越快。
利用这种气体实现的保护称为瓦斯保护。
瓦斯保护的测量元件是气体继电器。
气体继电器安装在变压器油箱与油枕间的连接管上。
为使气体能够顺利进入瓦斯继电器和油枕，变压器的顶盖与水平面之间夹角应有1％～1.5％的坡度。
连接管道应有2％～4％的坡度。
以保证气体继电器可靠灵敏的工作。
当变压器内部发生轻微故障时，产生少量气体，汇集在气体继电器上部，迫使气体继电器内油面下降，使开口油杯露出水面，因物体在气体中比在油中受到的浮力小，因此开口杯失去平衡，绕轴落下，永久磁铁随之落下，接通干簧触点，发出轻瓦斯动作信号。
当变压器漏油时，同样由于油面下降而发出轻瓦斯信号。
当变压器内部发生严重故障时，油箱内产生大量气体，变压器油箱和油枕之间连接导管中出现强烈的油流，当油流流速达到整定速度值时，油流对挡板冲击力克服弹簧的作用力，挡板被冲动，永磁铁靠近干簧触点，干簧触点闭合，发出跳闸脉冲，断开变压器各电源侧的断路器。
2.6定时限过电流保护【12】
定时限过电流保护是指这种保护的动作时限，经整定计算确定后，即有专门的时间元件给予保证，其动作时限与短路电流无关。
作为变压器的相间短路的后备保护。
保护装置的原理接线图如下：
保护动作后，跳开变压器两侧的短路器。
保护的启动电流按照躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即
Iset=
IL.max式中
——可靠系数，取1.2~1.3；
——返回系数，取0.85~0.95；
IL.max——变压器可能出现的最大负荷电流。
IL.max可按以下情况考虑，并取最大值：
（1）并列运行的变压器，应考虑切除一台最大容量的变压器时，其它变压器出现的过负荷。
当各台变压器的容量相同时，计算式为
IL.max=
In式中
n——并列运行变压器的可能最少台数；
In——每台变压器的额定电流。
（2）对降压变压器，应考虑电动机的自启动系数时的最大电流，计算式为
IL.max=Kss
式中
——正常工作时的最大负荷电流（一般为变压器的额定电流）；
Kss——综合负荷的自启动系数，对于110KV的降压变电所，低压6~10KV侧的取Kss=1.5~2.5，中压35KV侧取Kss=1.5~2。
过电流保护灵敏系数的效验为
Ksen=
过电流保护必须在最小运行方式下最小短路电流
与保护装置的动作值
的比值，为了保证保护装置能正确动作，一般要求Ksen≧1.3～1.5。
IOP=
=6.78A
式中n为电流互感器的变比，为600（3000/5）。
由上可整定继电器的动作电流为大于等于6.78A。
2.7变电所单台变压器的零序电流保护
接与中性点直接接地系统的变压器，一般都毫无例外地都采用零序过电流作为变压器接地的后备保护。
零序过电流保护通常采用两段式。
零序电流保护Ⅰ与相邻元件零序电流保护Ⅰ段配合；零序电流保护Ⅱ段与相邻元件零序电流保护后备段配合。
与三绕组变压器后备保护类似，零序电流保护在配置上要考虑缩小故障范围的问题。
根据需要，每段零序电流保护可设两个时限，并以较短的时限动作于缩小故障的影响范围，以较长的时限断开变压器各侧的断路器。
下图是双绕组变压器零序过电流的保护接线图。
零序电流取自变压器中性点电流互感器的二次侧。
由于是双母线运行，在另一条母线故障时，零序电流保护能跳开母联断路器QF，使变压器能够运行。
所以零序电流保护Ⅰ段和Ⅱ段均采用两个时限，短时限t1、t3跳开母联断路器QF，长时限t2、t4跳开变压器两侧断路器。
零序电流保护段的动作电流按下式整定【14】
=KrelKb
式中
Krel——可靠系数，取1.2；
Kb——零序电流分支系数；
——相邻元件零序电流Ⅰ段的动作电流。
零序电流保护Ⅰ段的短时限取t1=0.5~1S；长时限在t2=t1+△t上在增加一级时限。
零序Ⅱ段的动作电流也按上式整定，只是式中的电流
应理解为相邻元件零序电流保护后备段的动作电流。
2.7.1零序电流保护的整定
一般变压器的零序电流不大于变压器额定电流的0.2%，所以本次设计的零序保护的动作电流整定为大于等于0.2%的零序电流，即：
≥0.002×IN=0.002×210=0.42A
2.8过负荷保护
变压器长期过负荷运行时，绕组会因为发热而受到损伤。
对与400KV.A以上的变压器，当数台并列运行时，或者单独运行并作为其它负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。
过负荷保护接于一相电流上，并延时作用于信号。
对于无经常值班人员的变电所，必要时过负荷保护可动作于自动减负荷或跳闸。
对自耦变压器和多绕组变压器，过负荷保护应能反应公共绕组及各侧绕组过负荷的情况。
本次设计的过负荷动作电流为1.2倍的变压器额定电流。
即
Iset=1.2IN=1.2×
=314.92A
故继电器的动作电流为大于等于3.94A。
结束语:
经过为期一个学期的毕业设计，在老师的指导下，我完成了110KV变电所主变压器的继电保护的初步设计。
不过，在本次设计中，我也发现自己的不足之处。
还有很多东西要学。
参考文献:
[1]张保会主编.电力系统继电保护.北京：
中国电力出版社，2005
[2]柳润.变压器差动保护原理及装置的研究.北京：
电力系统自动化，2004
[3]周瀛.李鸿儒主编.工业企业供电.北京：
冶金工业出版社，2004
[4]邓自力主编.变电设备安装.北京：
化学工业出版社，2006
[5]姚春球编.发电厂电气部分.北京：
中国电力出版社，2004
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