石城4x200MW发电厂主变压器继电保护设计之欧阳化创编.docx
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石城4x200MW发电厂主变压器继电保护设计之欧阳化创编
摘要
时间：
2021.02.06
创作：
欧阳化
此次课程设计的主要内容是石城4*200MW发电厂主变压器继电保护的分析与设计。
其中涉及到主变压器的选择、短路计算、配电装置等的选定进行设计等等。
继电保护是电力系统的一种重要的保障措施，电网要正常运行，就要有继电保护。
保护设备是电力系统的二次设备。
电流互感器和电压互感器从母线，出线等一次设备采集信息，通过电缆，输送到控制室。
一方面实现实时检测，一方面，这些信息提供给保护设备，如果有什么异常，保护设备判断出故障并自动跳闸。
电力系统继电保护的设计与配置是否合理，直接影响电力系统的安全运行，故选择保护方式时，满足继电保护的基本要求。
选择保护方式和正确的计算，以保证电力系统的安全运行。
变压器的主保护通常采用差动保护和瓦斯保护，除了主保护外，还应装设相间短路和接地短路的后备保护。
此次课设中变压器的主保护采用的是差动保护、瓦斯保护，后备保护则采用的是复合电压启动的过电流保护和接地保护。
电力系统继电保护的设计是否合理，直接影响到电力系统的安全运行，故选择保护方式时，应满足继电保护的基本要求。
选择保护方式和正确的计算，以保证电力系统的安全运行。
关键词继电保护差动保护瓦斯保护整定计算
Abstract
Thiscourseisdesignedtointroducetheanalysisanddesignofpowerplant200MWgeneratortransformerrelayprotection,relatestotheparametercalculation,shortcircuitcalculation,settingcalculation,relayselection,sensitivitytestingandsoon,whichdoamoredetailedexpositiononthecalculationofshortcircuitandtransformerdifferentialprotectionsettingcalculation.
Relayprotectionisanimportantantiaccidentmeasures,includingthetechnologyofrelayprotectionandrelayprotectiondevice.Relayprotectiondevicecanreflecttheelectriccomponentsintheelectricpowersystemaccidentsorabnormaloperatingconditions,andtheactionandcircuitbreakersorsendsignalstoanautomaticdevice.Thisdesignmainlyaccordingtotheconfigurationtypepowertransformerfaultcorrespondingprotectiondevice,inordertoachieveaccordingtotransformercapacityandtheimportantdegreeofinstallingrelayprotectionperformanceisgood,reliableactionofpurpose.
Thecurriculumdesign,includingthecalculationofshortcircuitcalculation,eachcomponentreactancetransformerprotectionconfiguration,differentialprotectionsettingcalculationofmaincontent.Themainprotectionoftransformerisusedindifferentialprotectionandgasprotection,backupprotectionisusedinovercurrentprotectionandgroundingprotectioncompositevoltagestart.Intheprocessofdesign,usethe"ElectricEngineeringDesignHandbook"（a）,"electricpowerengineeringdesignmanual"（two）,valleywater"written","relayprotectionofpowersystem220kV~750kVpowersystemrelayprotectionoperationsettingrules,"DL/T559-2007"relayprotectionandsecurityautomaticequipmenttechnicalspecificationfor"GB/T14285-2006,"thelargegeneratortransformerrelayprotectionsettingcalculationfor"DL/T684-2012aswellasalargenumberofprofessionalknowledge,suchaspowersystemrelayprotectionprofessionalknowledgeandprofessional.
Thisdesigniscarriedoninourschoolduringtheperiodofacomprehensivepracticeisveryimportantteachinglink,alsoisouruseoftherelayprotectiontheoryandprofessionalknowledgetopracticalproblemsaredesign（oron）thecomprehensivetraining,isthetestofourknowledgeandapplicationability.Throughthisdesigncanenhanceourabilitytoapplyknowledgetosolvepracticalproblemsandtheabilityofinnovation.
Keywords:
powerrelayprotectionsettingcalculationoftransformerdifferentialprotection
1前言-1-
2原始资料分析-2-
3参数归算-4-
4变压器保护配置方案-6-
4.1电力变压器保护-6-
4.1.1对升压、降压、联络变压器的故障应装设相应的保护装置：
-6-
4.1.20.4MVA及以上车间内油浸式变压器和0.8MVA及以上油浸式变压器-6-
4.1.3变压器的内部、套管及引出线的短路故障-7-
4.1.4纵联差动保护应满足下列要求：
-7-
4.1.5后备保护-7-
5短路电流计算-9-
5.1短路计算步骤-9-
5.2短路计算过程-9-
6保护原理说明-10-
6.1纵联差动保护-10-
6.2变压器瓦斯保护-11-
7整定计算过程-13-
7.1确定基本侧-13-
7.2最大短路电流-13-
7.3确定保护装置一次动作电流-13-
7.4确定基本侧工作绕组的匝数-14-
7.5继电器的实际动作电流及一次动作-14-
7.6确定非基本侧平衡绕组匝数-15-
7.7灵敏度校验-15-
结论-16-
参考文献-18-
1前言
电力变压器是发电厂和变电站的主要电气设备之一，它们对电力系统的安全稳定运行至关重要。
一旦发生故障遭到损坏，其检修难度大、时间长，要造成很大的经济损失；另外，发生故障后突然切除变压器也会对电力系统造成或大或小的扰动。
因此，对继电保护的要求很高。
在设计保护的配置方案时，充分注意到最新的《继电保护和安全自动装置技术规程》中提到建议和要求等，同时，考虑到中、低压电网中保护应用的实际情况，尤其是农用电网中保护的实际情况，而确定采用的保护配置方案。
高压电网的变压器重要程度等因素，要求变压器保护双重化配置，所以采用主后备一体化的双套变压器保护装置是比较好的方式。
中、低压电网中，一方面要求变压器保护装置的可靠工作，另一方面并不要求变压器保护双重化配置，针对这种情况，如果将变压器的全部保护集中在一套保护装置，一旦保护装置故障将失去全部的变压器保护功能，所以采用主后备保护分配到完全独立的不同的保护装置，适当的保护功能独立分担方式是较好的配置方式。
对于农用电网的小型变压器，对保护的要求简单、可靠、经济，而且经济性要求十分明显，采用简单的主后备保护一体化的保护装置是较好的配置方式。
变压器的非电量保护，原则上应该与电气量保护相互独立，真正起到互为备用或补充。
2原始资料分析
根据课程设计任务书提供资料，本电厂为大型电厂，装有4台200MW汽轮发电机（F1~F4），采用发电机—变压器组接线。
通过220kV4回出线与电力系统连接。
系统侧有4台汽轮发电机F5~F8，其中容量200MW2台，容量300MW2台。
电力系统原理接线图如下：
图3-1电力系统原理接线图
主要元件型号数据如下表：
类别
型号
容量MVA
低压kV
高压kV
F1-F4
QFSS—200—2
235
15.75
F5、F6
QFSS—200—2
235
15.75
F7、F8
QFSS—300—2
353
18
1B-4B
SSPL—260000/220—15.751B3BYN,d11；2B4BY,d11
260
15.75
220
5B、6B
SSPL—260000/220—15.755BYN,d11；6BY,d11
260
15.75
220
7B、8B
SSP—360000/220—187BYN,d11；8BY,d11
360
18
220
9B、10B
SSPL—90000/220—669BYN,d11；10BY,d11
90
66
220
11B、12B
SSPL—16000/66—1111B12BD,d12
16
11
66
1L、2L
LGJ—30050KM
3L、4L
LGJ—30080KM
5L
LGJ—30015KM
6L
LGJ—30020KM
7L
LGJ—30015KM
8L、9L
LGJ—30010KM
3参数归算
网络阻抗图如下所示：
图3.1等值网络阻抗图
以SB=100MVAUB=Uav为基准
根据：
发电机电抗标幺值：
X*G=Xd”/100хSB/SN
变压器电抗标幺值：
X*B=Ud%хSB/SN
线路电抗标幺值：
X*L=LхXхSB/UB2
得：
XG1=0.075XG1=XG2=XG3=XG4
XG5=0.075XG5=XG6
XG7=0.09XG7=XG8
XT1=0.06XT1=XT2=XT3=XT4
XT5=0.06XT5=XT6
XT7=0.05XT7=XT8
XT9=0.73XT9=XT10
XT11=0.6XT11=XT12
XL1=0.038XL1=XL2
XL3=0.06XL3=XL4
XL5=0.01XL6=0.015
XL7=0.01
4变压器保护配置方案
电力变压器是电力系统中经常使用的重要电气设备，一旦故障，将影响电力系统的稳定运行，电力系统供电可靠性降低。
因此，要根据变压器的型式、容量等条件，配置性能良好、动作可靠的保护装置。
变压器故障可分为油箱内部和油箱外部故障。
油箱内部故障包括相间短路、绕组的匝间短路和单相接地短路。
油箱内部故障对变压器来说是非常危险的，高温电弧不仅会烧毁绕组和铁心，而且还会使变压器油绝缘受热分解产生大量气体，引起变压器油箱爆炸的严重后果。
变压器油箱外部故障包括引线及套管处会产生各种相间短路和接地故障。
变压器的不正常工作状态主要是由外部短路或是过负荷引起的过电流、油面降低和过励磁等。
依照《继电保护和安装自动装置技术规程》GB/T14285--2006的规定，本变压器应按照以下要求配置：
4.1电力变压器保护
4.1.1对升压、降压、联络变压器的下列故障及异常运行状态，应按本条的规定装设相应的保护装置：
a.绕组及其引出线的相间短路和中性点直接接地或经小电阻接地侧的接地短路；
b.绕组的匝间短路；
c.外部相间短路引起的过电流；
d.中性点直接接地或经小电阻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；
e.过负荷；
f.过励磁；
g.中性点非有效接地侧的单相接地故障；
h.油面降低；
i.变压器油温、绕组温度过高及油箱压力过高和冷却系统故障。
4.1.20.4MVA及以上车间内油浸式变压器和0.8MVA及以上油浸式变压器
0.4MVA及以上车间内油浸式变压器和0.8MVA及以上油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。
当壳内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，应瞬时动作于信号；当壳内故障产生大量瓦斯时，应瞬时动作于断开变压器各侧断路器。
带负荷调压变压器充油调压开关，亦应装设瓦斯保护。
瓦斯保护应采取措施，防止因瓦斯继电器的引线故障、震动等引起瓦斯保护误动作。
4.1.3对变压器的内部、套管及引出线的短路故障，按其容量及重要性的不同，应装设下列保护作为主保护，并瞬时动作于断开变压器的各侧断路器：
电压在10kV及以下、容量在10MVA及以下的变压器，采用电流速断保护。
电压在10kV以上、容量在10MVA及以上的变压器，采用纵差保护。
对于电压为10kV的重要变压器，当电流速断保护灵敏度不符合要求时也可采用纵差保护。
电压为220kV及以上的变压器装设数字式保护时，除非电量保护外，应采用双重化保护配置。
当断路器具有两组跳闸线圈时，两套保护宜分别动作于断路器的一组跳闸线圈。
4.1.4纵联差动保护应满足下列要求：
a.应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流；
b.在变压器过励磁时不应误动作；
c.在电流回路断线时应发出断线信号，电流回路断线允许差动保护动作跳闸；
d.在正常情况下，纵联差动保护的保护范围应包括变压器套管和引出线，如不能包括引出线时，应采取快速切除故障的辅助措施。
在设备检修等特殊情况下，允许差动保护短时利用变压器套管电流互感器，此时套管和引线故障由后备保护动作切除；如电网安全稳定运行有要求时，应将纵联差动保护切至旁路断路器的电流互感器。
4.1.5后备保护
变压器可装设的后备保护主要有以下：
1.过负荷保护
2.负序电流保护
3.零序电流保护
4.单相接地选线保护
5.过电压保护
6.低电压保护
7.失压保护
8.负序电压保护
9.风冷控制保护
10.零序电压保护
11.低周减载保护
12.低压解列保护
13.重合闸保护
14.备自投保护
15.过热保护
16.逆功率保护
对外部相间短路引起的变压器过电流，变压器应装设相间短路后备保护。
保护带延时跳开相应的断路器。
相间短路后备保护宜选用过电流保护、复合电压（负序电压和线间电压）启动的过电流保护或复合电流保护（负序电流和单相式电压启动的过电流保护）。
35kV～66kV及以下中小容量的降压变压器，宜采用过电流保护。
保护的整定值要考虑变压器可能出现的过负荷。
110kV～500kV降压变压器、升压变压器和系统联络变压器，相间短路后备保护用过电流保护不能满足灵敏性要求时，宜采用复合电压起动的过电流保护或复合电流保护。
对降压变压器，升压变压器和系统联络变压器，根据各侧接线、连接的系统和电源情况的不同，应配置不同的相间短路后备保护，该保护宜考虑能反映电流互感器与断路器之间的故障。
单侧电源双绕组变压器和三绕组变压器，相间短路后备保护宜装于各侧。
非电源侧保护带两段或三段时限，用第一时限断开本侧母联或分段断路器，缩小故障影响范围；用第二时限断开本侧断路器；用第三时限断开变压器各侧断路器。
电源侧保护带一段时限，断开变压器各侧断路器。
根据本次设计要求，应配备的后备保护如下：
1）复合电压启动的过电流保护：
保护接于发电机中性点侧电流互感器，和变压器低压侧电压互感器，延时时动作于断开变压器的高压侧断路器。
2）高压侧接地短路保护：
由用于中性点直接接地的零序过电流保护和经放电间隙接地的零序过电流保护及零序过电压保护构成。
带时限动作断开变压器各侧断路器或缩小事故影响范围。
3）过负荷保护：
过负荷保护可为单相式，具有定时限或反时限的动作特性。
定时限动作于信号，反时限的动作于跳闸。
4）非电量保护：
对变压器油温、绕组温度及油箱内压力升高超过允许值和冷却系统故障，装设动作于跳闸或信号，或自动开启变压器冷却风扇。
5短路电流计算
5.1短路计算步骤
（1）选择计算短路点。
（2）画等值网络图，并化简：
①首先去掉系统中的所有负荷分支、线路电容、各元件的电阻。
②选取基准容量和基准电压（一般取各级的平均电压）。
③将各元件电抗换算为同一基准的标幺电抗。
④绘出等值网络图，并将个元件电抗统一编号。
⑤计算各元件的电抗标么值。
⑥求各短路点在系统最大运行方式下的各点短路电流（计算电抗）。
（3）各点三相短路时的最大冲击电流和短路容量。
（4）列出短路电流计算数据表。
5.2短路计算过程
将图3.1等值网络图化简得到最终的等值图如下所示：
图5.2.1最终网络等效图
短路电流：
6保护原理说明
6.1纵联差动保护
所谓输电线的纵联保护，就是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。
因此，理论上这种纵联保护具有绝对的选择性。
差动保护是一种依据被保护电气设备进出线两端电流差值的变化构成的对电气设备的保护装置，一般分为纵联差动保护和横联差动保护。
变压器的差动保护属纵联差动保护，横联差动保护则常用于变电所母线等设备的保护。
所谓变压器的纵联差动保护，是指由变压器的一次和二次电流的数值和相位进行比较而构成的保护。
纵联差动保护装置，一般用来保护变压器线圈及引出线上发生的相间短路和大电流接地系统中的单相接地短路。
对于变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常只作后备保护。
图6.1纵联差动保护原理图
纵联差动保护装置由变压器两侧的电流互感器和继电器等组成，两个电流互感器串联形成环路，电流继电器并接在环路上。
因此，电流继电器的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差。
在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧电流大小相等，相位相同，因此流经继电器的差电流为零，但如果在保护区内发生短路故障，流经继电器的差电流不再为零，因此继电器将动作，使断路器跳闸，从而起到保护作用。
变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的，变压器纵差保护的原理要求变压器在正常运行和纵差保护区（纵差保护区为电流互感器TA1、TA2之间的范围）外故障时，流入差动继电器中的电流为零，保证纵差保护不动作。
但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，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。
6.2变压器瓦斯保护
当变压器油箱内发生各种故障时，由于短路电流和短路点电弧的作用，变压器油和绝缘材料受热分解，产生大量气体，从油箱流向油枕上部。
故障愈严重，产生的气体越多，流向油枕的气流和油流速也越快，反映这种气体实现的保护称为气体保护。
气体保护的主要元件是气体继电器，它安装在油箱与油枕之间的连接管道上。
气体保护原理接线如图6.1所示.气体继电器KOM的上触电为轻气体触电，动作于信号；下触电为重气体触电，动作于跳闸。
图6.2瓦斯保护原理接线图
瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。
当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，从油箱向油枕流动，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同，反应这种气流与油流而动作的保护称为瓦斯保护，也叫气体保护。
在气体保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板，两者都装有密封的水银接点。
浮筒和档板可以围绕各自的轴旋转。
在正常运行时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，处于上浮位置，水银接点断开；档板则由于本身重量而下垂，其水银接点也是断开的。
当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于气体继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，接通延时信号，这就是所谓的“轻瓦斯”；当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，这就是所谓的“重瓦斯”。
重瓦斯动作，立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。
气体继电器有浮筒式、档板式、开口杯式等不同型号。
目前大多采用QJ-80型继电器，其信号回路接上开口杯，跳闸回路接下档板。
所谓瓦斯保护信号动作，即指因各种原因造成继电器内上开口杯的信号回路接点闭合，光字牌灯亮。
瓦斯保护是变压器的主要保护，它可以反映油箱内的一切故障。
包括：
油箱内的多相短路、绕组匝间短路、绕组与铁芯或与外壳间的短路、铁芯故障、油面下降或漏油、分接开关接触不良或导线焊接不良等。
瓦斯保护动作迅速、灵敏可靠而且结构简单。
但是它不能反映油箱外部电路（如引出线上）的故障，所以不能作为保护变压器内部故障的唯一保护装置。
另外，瓦斯保护也易在一些外界因素（如地震）的干扰下误动作。
变压器有载调压开关的瓦斯继电器与主变的瓦斯继电器作用相同、安装位置不同，型号不同。
7整定计算过程
整定计算的内容主要是确定最小动作电流，折点制动电流以及选择制动特性来躲过区外短路故障时的最大不平衡电流。
7.1确定基本侧
以电流互感器二次侧电流大的一侧作为基本侧。
变压器一次额定电流为
电流互感器变比
二次额定电流：
7.2最大短路电流
计算变压器各侧短路时最大短路电流，并将其归算到基本侧。
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