35kV主变压器保护初步设计.docx
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35kV主变压器保护初步设计
35kV主变压器保护初步设计
PreliminaryDesignof35kVMainTransformerProtection
总计课程设计21页
表格1个
插图5幅
摘要
本次课程设计的题目是《35kV主变压器保护初步设计》。
根据设计的要求，在设计的过程中，用到了35kV降压变电站的绝大多数的基础理论和设计方案，因此在设计过程中侧重了知识系统化能力的培养。
设计可分为几部分：
主变压器保护的配置，主变压器继电保护的整定计算以及保护回路接线图的绘制。
通过本次设计，学习了设计的基本方法，巩固三年以来学过的知识，培养独立分析问题的能力，而且加深对变压器继电保护的全面了解。
关键词：
继电保护保护配置整定计算保护回路
Abstract
Thecoursedesignisthesubjectof35kVpreliminarydesignofmaintransformerprotection.Accordingtothedesignrequirements，usethe35kVstep-downsubstationforthevastmajorityofthefundamentaltheoryanddesign.Thereforeintheprocessofdesignfocusontheknowledgesystemofabilitytraining.Thedesigncanbedividedintoseveralparts:
Maintransformerprotectionconfiguration,maintransformerrelayprotectionsettingcalculationandprotectioncircuitwiringdiagram.
Bythedesign,learningthebasicdesignmethod,theconsolidationofthethreeyearssincethelearnedknowledge,cultivatetheindependentabilitytoanalyzetheproblem,andtodeepentheunderstandingoftransformerrelayprotection.
KeyWords:
Relayprotection;Protectionconfiguration;Settingcalculation;Protectioncircuit
目录
摘要…………………………………………………………………………………I
ABSTRACT………………………………………………………………………II
第一章绪论………………………………………………………………………1
1.1继电保护的概述……………………………………………………………1
1.2继电保护装置具备的基本性能……………………………………………1
1.3继电保护基本原理和保护装置组成………………………………………1
1.4继电保护的发展……………………………………………………………2
1.5继电保护的作用……………………………………………………………3
1.6继电保护设计的目的和要求………………………………………………4
第二章电力变压器继电保护的配置………………………………………6
2.1继电保护要求……………………………………………………………6
2.2系统故障分析………………………………………………………………6
2.3主变压器继电保护装置设置……………………………………………6
2.4本次设计继电保护装置原理概述………………………………………7
第三章电力变压器继电保护的整定计算…………………………………9
3.1瓦斯保护……………………………………………………………………9
3.2纵联差动保护……………………………………………………………9
3.3过电流保护………………………………………………………………12
3.4过负荷保护………………………………………………………………13
第四章电力变压器二次回路图…………………………………………14
4.1归总式原理图……………………………………………………………14
4.2展开式原理图……………………………………………………………14
4.3小母线布置图……………………………………………………………16
结语………………………………………………………………………………18
附录一瓦斯保护、纵差保护、过电流保护、负荷保护接线原理图………19
附录二本次设计变压器保护接线图………………………………………20
参考文献………………………………………………………………………21
第一章绪论
1.1继电保护的概述
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。
1.2继电保护装置具备的基本性能
继电保护装置必须具备以下5项基本性能：
①安全性。
在不该动作时，不发生误动作。
②可靠性。
在该动作时，不发生拒动作。
③快速性。
能以最短时限将故障或异常消除。
④选择性。
在可能的最小区间切除故障，保证最大限度地向无故障部分继续供电。
⑤灵敏性。
反映故障的能力，通常以灵敏系数表示。
选择继电保护方案时，除设置需满足以上5项基本性能外，还应注意其经济性。
即不仅考虑保护装置的投资和运行维护费，还必须考虑因装置不完善而发生拒动或误动对国民经济和社会生活造成的损失。
1.3继电保护基本原理和保护装置的组成
继电保护装置要求能反应电气设备的故障和不正常工作状态并自动迅速地，有选择性地动作于断路器将故障设备从系统中切除，保证无故障设备继续正常运行，将事故限制在最小范围，提高系统运行的可*性，最大限度地保证向用户安全连接供电。
继电保护装置的作用是起到反事故的自动装置的作用，必须正确地区分“正常”与“不正常”运行状态、被保护元件的“外部故障”与“内部故障”，以实现继电保护的功能。
因此，通过检测各种状态下被保护元件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别。
依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护：
（1）反映电气量的保护
电力系统发生故障时，通常伴有电流增大、电压降低以及电流与电压的比值（阻抗）和它们之间的相位角改变等现象。
因此，在被保护元件的一端装没的种种变换器可以检测、比较并鉴别出发生故障时这些基本参数与正常运行时的差别．就可以构成各种不同原理的继电保护装置。
例如:
反映电流增大构成过电流保护；
反映电压降低（或升高）构成低电压（或过电压）保护；
反映电流与电压间的相位角变化构成方向保护；
反映电压与电流的比值的变化构成距离保护。
除此以外．还可根据在被保护元件内部和外部短路时，被保护元件两端电流相位或功率方向的差别，分别构成差动保护、高频保护等。
同理，由于序分量保护灵敏度高，也得到广泛应用。
新出现的反映故障分量、突变量以及自适应原理的保护也在应用中。
（2）反映非电气量的保护
如反应温度、压力、流量等非电气量变化的可以构成电力变压器的瓦斯保护、温度保护等。
继电保护相当于一种在线的开环的自动控制装置，根据控制过程信号性质的不同，可以分模拟型（它又分为机电型和静态型）和数字型两大类。
对于常规的模拟继电保护装置，一般包括测量部分、逻辑部分和执行部分。
测量部分从被保护对象输入有关信号，再与给定的整定值比较，以判断是否发生故障或不正常运行状态；逻辑部分依据测量部分输出量的性质、出现的顺序或其组合，进行逻辑判断，以确定保护是否应该动作；执行部分依据前面环节判断得出的结果子以执行：
跳闸或发信号。
1.4继电保护的发展
继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的电力系统中出现短路是不可避免的，短路的特征就是电流增大。
为了保护发电机免受短路的破坏，首先出现了电流超过一预定值就动作的过电流保护装置。
熔断器就是最早的、最简单的过电流保护装置，这种保护装置时至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备上。
熔断器的特点是融保护装置和切断电流装置于一体，因而最为简单。
由于电力系统的发展，使用电设备的功率增大，发电厂、变电站和供电网的接线不断复杂，电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于专门的断流装置（断路器）的过电流继电器。
19世纪90年代出现了装于断路器上并直接作用于断路器的一
次式（直接反应于一次短路电流）的电磁型过电流继电器20世纪初随着电力系统的发展，继电器开始广泛应用于电力系统的保护。
这个时期可认为是继电保护技术发展的开端。
20世纪50年代后，由于半导体晶体管的发展，开始出现了晶体管式继电保护装置。
这种保护装置体积小、功率损耗小、动作速度快、无机械转动部分，称为电子式静态保护装置。
晶体管保护装置易受电力系统中或外界的电磁干扰的影响而误动或损坏，当时其工作可靠性低于机电式保护装置。
但经过20余年长期的研究和实践，抗干扰问题从理论和实践上都得到了满意的解决，使晶体管继电保护装置的正确动作率达到了与机电式保护装置同样20世纪70年代是晶体管继电保护装置在我国大量采用的的水平。
时期，满足了当时电力系统向超高压、大容量方向发展的需要。
随着电力系统容量日益增大，范围越来越广，仅设置系统各元件的继电保护装置，远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。
为此必须从电力系统全局出发，研究故障元件被相应继电保护装置的动作切除后，系统将呈现何种工况，系统失去稳定时将出现何种特征，如何尽快恢复其正常运行等。
系统保护的任务就是当大电力系统正常运行被破坏时，尽可能将其影响范围限制到最小，负荷停电时间减到最短。
此外，机、炉、电任一部分的故障均影响电能的安全生产，特别是大机组和大电力系统的相互影响和协调正成为电能安全生产的重大课题。
因此，系统的继电保护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉等设备的承变能力，机、炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。
为了巨型发电机组的安全，不仅应有完善的继电保护，还应研究、推广故障预测技术。
1.5继电保护的作用
电力系统在运行中，可能发生各种故障或处于不正常运行状态中，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。
在发生短路时可能产生以下后果。
故障点很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。
短路电流通过非故障元件时，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命。
电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量。
破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系
统瓦解。
电力系统中电气元件的正常工作环境遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（一般又称过负荷），就是一种最常见的不正常运行状态。
过负荷会使元件载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，以至可能发展成故障此外，系统中出现因功率缺额而引起的频率降低，因发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及电力系统发生振荡等，这些情况都属于不正常运行状态。
故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。
事故，就是指电力系统或其中某一部分的正常工作遭到破坏，造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许的情况，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。
在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，还应在故障一旦发生时，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。
切除故障的时间常常要求短到十分之几秒甚至百分之几秒，实践证明只有在每个电气元件上装设保护装置才有可能满足这个要求。
继电保护装置，就是指能反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并使断路器跳闸或发出信号的一种自动装置它的基本任务如下。
自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。
反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件而动作并发出信号、减负荷或跳闸。
此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。
1.6继电保护设计的目的和要求
电力系统在运行中，可能会发生各种故障和不正常运行状态，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性外，若故障一旦发生，必须迅速而有选择性地将故障元件切除，这是保证电力系统安全运行的最有效的方法之一。
切除故障的时间常常要求小到十分之几秒甚至百分之几秒。
实践证明，只有在每个电气元件上装设继电保护装置，才有可能满足上述要求。
电力系统继电保护的设计与配置是否合理直接影响到电力系统的安全运行。
若设计与配置不当，保护将不能正确工作，从而会扩大事故及停电范围，有时还可能造成人身伤亡或设备损坏事故。
故必须合理地选择保护方式和正确的整定计算，才能保证电力系统安全、稳定运行。
进行电力系统继电保护设计的目的要求：
（1）能把所学过的理论知识进行综合运用，从而达到巩固、加深及扩大专业知识，并使之系统化。
（2）正确领会和贯彻党和国家的方针、技术经济政策，培养正确的设计思想，并掌握设计的基本方法。
（3）培养运用所学的理论知识，提高独立分析和解决问题的能力，掌握实际工程设计中的一些基本技能。
（4）培养作为工程技术人员必须具备的计算、绘图、使用规程、手册、资料及编写设计说明书等技能。
第二章电力变压器继电保护的配置
2.1继电保护要求
本设计35/6kV单独运行的降压变压器。
为保证安全供电和电能质量，继电保护应满足四项基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
2.2本系统故障分析
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。
电力变压器的故障，分为外部故障和内部故障两类。
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。
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。
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。
2.3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：
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.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）。
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）。
2.4本设计继电保护装置原理概述
2.4.1变压器瓦斯保护
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。
2.4.2变压器纵联差动保护
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。
2.4.3过电流保护
过电流保护一般用于容量较小的降压变压器上，其单相原理接线保护装置的动作电流应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流IL。
max来整定。
对降压变压器，应考虑负荷中电动机起动时的最大电流。
2.4.4电力变压器过负荷保护
变压器过负荷保护反映变压器对称过负荷引起的过电流。
保护用一个电流继电器接于一相电流，经延时动作于信号。
过负荷保护的安装侧，应根据保护能反映变压器各侧绕组可能过负荷情况来选择：
（1）对于双绕组升压变压器，装于发电机侧。
（2）对一侧无电源的三绕组升压变压器，装于发电机电压侧和无电源侧。
（3）对三侧有电源侧电源的三绕组升压变压器，三侧均装。
（4）对于双绕组降压变压器，装于高压侧。
（5）对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设。
过电流保护的动作电流，应按躲开变压器的额定电流整定。
第三章电力变压器继电保护的整定计算
3.1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。
3.2纵联差动保护
3.2.1计算Ie及电流互感器变比
表3-1变压器纵差动保护用互感器变比选择
名称
各侧数据
Y（35kV）
Δ（6kV）
额定电流
I1e=S/
U1e=248A
I2E=S/
U2e=1375A
变压器接线方式
Y
Δ
CT接线方式
Δ
Y
CT计算变比
I1e/5=430/5
I2e/5=1375/5
实选CT变比nl
600/5
1500/5
实际额定电流
I1e/5=3.57A
I2e/5=4.58A
不平衡电流Ibp
4.58-3.57=1.01A
确定基本侧
非基本侧
基本侧
3.2.2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
（3.1）
利用实用计算式
（3.2）
式中
—可靠系数，采用1.3；
—非同期分量引起的误差，采用1；
—同型系数，CT型号相同且处于同一情况时取0.5，型号不同时取1，本设计取1；
—变压器调压时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，取0.05；
—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。
—电流互感器的最大相对误差，取0.1。
代入数据得
（3.3）
（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
（3.4）
式中
—可靠系数，采用1.3。
—变压器额定电流。
代入数据得
（3.5）
（3）躲过电流互改器二次回路断线时的最大负荷电流
（3.6）
式中
—可靠系数，采用1.3。
—正常运行时变压器的最大负荷电流：
采用变压器的额定电流。
代入数据得
（3.7）
比较上述
（1），
（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值，即
（3.8）
3.2.3确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流
将两侧电流互感器分别结于继电器的两组平衡线圈，再接入差动线圈，使继电器的实用匝数和动作电流更接近于计算值；以二次回路额定电流最大侧作为基本侧，基本侧的继电器动作电流及线圈匝数计算如下：
基本侧（35kV）继电器动作值
（3.9）
代入数据得
（3.10）
基本侧继电器差动线圈匝数
（3.11）
式中
为继电器动作安匝，应采用实际值，取得60安匝。
代入数据得
（匝）（3.12）
选用差动线圈与一组平衡线圈匝数之和较
小而相近的数值，作为差动线圈整定匝数
。
即实际整定匝数
（匝）
继电器的实际动作电流
（3.13）
保护装置的实际动作电流
（3.14）
3.2.4确定非基本侧平衡线圈和工作线圈的匝数
平衡线圈计算匝数
（匝）（3.15）
故，取平衡线圈实际匝数
（匝）（3.16）
工作线圈计算匝数
（匝）（3.17）
3.2.5计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差
（3.18）
此值小于原定值0.05，取法合适，不需重新计算。
3.2.6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。
3.2.7保护装置灵敏度校验
差动保护灵敏度要求值
本系统在最小运行方式下，10KV侧出口发生两相短路时，保护装置的灵敏度最低。
本装置灵敏度
（3.19）
满足要求。
3.3过电流保护
过电流继电器的整定及继电器选择：
（1）保护动作电流按躲过变压器额定电流来整定
（3.20）
式中
—可靠系数，采用1.2；
—返回系数，采用0.85。
代入数据得
（3.21）
继电器的动作电流
（3.22）
电流继电器的选择：
DL-21C/10，电流整定值为10A。
（2）灵敏度按保护范围末端短路进行校验，灵敏系数不小于1.2。
灵敏系数
（3.23）
满足要求。
3.4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。
（3.24）
（3.25）
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，则动作自动重合闸装置。
第四章电力变压器的二次回路图
二次回路图包括原理图、屏面布置图、屏背面安装接线图、端子排和小母线布置图。
二次回路的原理接线图是用来表示二次接线各元件（二次设备）的电气连接及其工作原理的电气回路图。
二次接线的原理接线图分为归总式原理图和展开式原理图。
二次回路的最大特点是其设备、元件的动作严格按照设计的先后顺序进行，其逻辑性很强，所以读原理图时只需按一定的规律进行，便会显得条理清楚，易读易记。
看图的基本方法可以归纳为如下六句话（即“六先六后”）：
先一次，后二次；先交流；后直流；先电源，后接线；先线圈，后触点；先上后下；先左后右。
4.1归总式原理图
归总式原理接线图的特点如下：
（1）二次接线和一次接线的相关部分画在一起，且电气元件以整体的形式表示（线圈与触点画在一起），能表明各二次设备的构成、数量及电气连接情况，图形直观形象，便于设计构思和记忆。
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