毕业设计（论文）-变压器继电保护的配置及二次回路设计.doc

第一章 绪 论 1.1 研究背景 电力系统得飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，因此，继电保护技术得天独厚，在40余年的时间里完成了发展的4个阶段。 建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有，在大约10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了知道作用。阿城继电器厂引进消化了当时国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的缉继电器制造业。因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。 自50年代末，晶体管继电保护已在开始研究，60年代中到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的500kv晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护，运行于葛洲坝500kv线路上，结束了500kv线路保护完全依靠从国外进口的时代。 在此期间，从70年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到80年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到90年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。在这方面南京电力自动化研究院研制的集成电路工频变化量方向高频保护起了重要作用，天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条220kv和500kv线路上运行。 我国从70年代末即已开始计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机？变压器组保护也相继于1989、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿方式高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。1.2 研究意义 电力系统由发电厂、变电所、线路和用户组成。变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。其中变压器是普遍使用的重要电气设备之一，它的安全运行直接关系到电力系统供电和稳定的运行。特别是大容量变压器，一旦因故障而损坏造成的损失就更大。因此必须针对变压器的故障和异常工作情况，装设动作可靠、性能良好的继电保护装置，因此对电力变压器保护配置的实时性提出了更高的要求。而我就是针对变电所继电保护的配置加以设计的。 随着电力技术的发展，特别是自动化技术的发展，变电所二次部分的设计越来越“自动化”了，传统的手动控制正逐渐在被自动控制所替代，大量的保护装置采用微机型装置，传统的声光信号也逐渐被数字信号所取代，控制屏、信号屏的数量也越来越少了，这样也对二次回路的设计提出了更高的要求。如何用全新的设计理念，新型的设计标准是我们未来研究的方向。1.3 本文的主要内容 本次毕业设计的内容是变压器继电保护的配置和二次回路的设计 ，主要包括系统运行方式，各原件参数的计算，电流互感器和电压互感器额定电压的选取方式，短路电流的计算，变压器主变保护的配置及整定等。第二章 系统运行方式的分析2.1 系统主接线图图21 系统主接线图2.2 运行方式的分析 1. 系统运行方式分为：最大运方ikmax和最小运方ikmin。 最大运方：躲线路末端最大故障电流的运行方式； 最小运方：躲线路末端最小故障电流的运行方式。 2. 本次课程设计的具体方案如下： 最大运方：2000mw、cos=0.85、xmin=0.8； 最小运方：1600mw、cos=0.85、xmax=1.0。 3. 发电厂 最大运方：全部运行； 最小运方：停一台机组运行。 4. 变压器接地情况 （1）主变a三绕组变压器两台； （2）发电厂两台双绕组变压器； （3）其他变电所、不接地2.3 中性点的运行方式 一般电压为110kv及以上的电网采用中性点直接接地的方式；电压为663kv电网采用中性点非直接接地，其中多数10kv电网中性点不接地，多数35kv电网中性点经消弧线圈接地，大型发电机中性点经高电阻接地。 变压器中性点接地方式的选取: 本次设计的电网为110kv中性点直接接地系统，它决定了主变中性点的接地方式电力工程电气设计手册阐述了主变110500kv侧采用直接接地方式： a.凡是自耦变压器，其中性点须直接接地或经小阻抗接地。 b.凡低压侧有电源的升压方法或降压变电站至少应有一台变压器直接接地。 c.终端变电站的变压器中性点一般不接地。 d.变压器中性点接地点的数量应使电网所有短路点的综合零序电抗与综合正序电抗之比xo/x1小于3，以使单相接地时健全相上工频过电压不超过阀型避雷器的灭弧电压，xo/x1序电抗尚应大于11.5，以便单相接地短路电流不超过三相短路电流。 e.双母线接地有两台及以上主变压器时，可考虑两台主变压器中性点接地。第三章 各元件主要参数3.1 发电机标幺值的计算 已知： 发电厂f机组容量p=50mw 功率因素cos=0.8 容量基准值sd=100mva 正序电抗xd=0.13=xg 故： 视在功率 s=p/cos =50/0.8 =62.5mva 正序电抗的标幺值x=xdsd/sn =0.13100/62.5 =0.208 负序电抗的标幺值 x2=x =0.2083.2 变压器标幺值的计算 1. 对a变电站的三绕组变压器 已知：额定容量sn=31.5mva 容量基准值sd=100mva 短路电抗ui=10.75 短路电抗uii=0 短路电抗uiii=6.25 零序电抗x0=0.8x1 故： 正序电抗的标幺值xi=ui/100sd/sn =10.75/100100/31.5 =0.341 xii=uii/100sd/sn =o/100100/31.5 =0 xiii=uiii/100sd/sn =6.25/100100/31.5 =0.198 零序电抗的标幺值xio=0.8xi =0.80.341 =0.273 xiio=0.8xii =0.80 =0 xiiio=0.8xiii =0.80198 =0.158 2. 对b变电站的双绕组变压器 已知：额定容量sn=20mva 容量基准值sd=100mva 短路电抗uk=10 零序电抗xo=0.8x1 故: 正序电抗的标幺值x=uk()/100sd/sn =10/100100/20 =0.5 零序电抗的标幺值 xo=0.8x1 =0.80.5 =0.4 3. 对c变电站的双绕组变压器 已知：额定容量sn=30mva 容量基准值sd=100mva 短路电抗uk=10.5 零序电抗xo=0.8x1 故: 正序电抗的标幺值 x=uk()/100sd/sn =10.5/100100/30 =0.35 零序电抗的标幺值 xo=0.8x1 =0.80.35 =0.28 4. 对b1、b2、b3双绕组变压器 已知：额定容量sn=60mva 容量基准值sd=100mva 短路电抗uk=11 零序电抗xo=0.8x1 故: 正序电抗的标幺值x=uk()/100sd/sn =11/100100/60 =0.183 零序电抗的标幺值xo=0.8x1 =0.80.183 =0.1463.3 输电线路标幺值的计算 1. xa线路 已知：每千米电阻x1=0.4/km 零序电抗x0=3.5x1 线路长度xa=50km 容量基准值sd=100mva 电压基准值ud=115kv 故： 正序电抗的标幺值x=x()sd/ ud =0.450100/115 =0.151 零序电抗的标幺值x0=3.5x1 =3.50.151 =0.529 2. xf线路 已知：每千米电阻x1=0.4/km 零序电抗x0=3.5x1 线路长度xf=100km 容量基准值sd=100mva 电压基准值ud=115kv 故： 正序电抗的标幺值x=x()sd/ ud =0.4100100/115 =0.302 零序电抗的标幺值x0=3.5x1 =3.50.302 =1.057 3. af线路 已知：每千米电阻x1=0.4/km 零序电抗x0=3.5x1 线路长度 af=30km 容量基准值sd=100mva 电压基准值ud=115kv 故：正序电抗的标幺值 x=x()sd/ ud =0.430100/115 =0.09 零序电抗的标幺值x0=3.5x1 =3.50.09 =0.315 4. fb线路 已知：每千米电阻x1=0.4/km 零序电抗x0=1.3x1 线路长度fb=45km 容量基准值sd=100mva 电压基准值ud=115kv 故：正序电抗的标幺值x=x()sd/ ud =0.445100/115 =0.136 零序电抗的标幺值x0=1.3x1 =1.30.136 =0.177 5. fc线路 已知：每千米电阻x1=0.4/km 零序电抗x0=3.5x1 线路长度fc=35km 容量基准值sd=100mva 电压基准值ud=115kv 故： 正序电抗的标幺值x=x()sd/ ud =0.435100/115 =0.106 零序电抗的标幺值x0=3.5x1 =3.50.106 =0.371第四章 电压和电流互感器额定电压的选取方式选择电流和电压互感器应满足继电保护自动装置和测量仪表的要求（一）电流互感器： 1.电流互感器的二次额定电流有1a和5a两种，强电系统用5a； 2.当电流互感器用于测量时，其一次额定电流尽量选择得比回路中正常工作电流大1/3左右； 3.35kv及以上配电装置一般采用油侵瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器，常用lcc7系列； 4.电力变压器中性点电流互感器的一次额定电流应大于变压器允许的不平衡电流的选择，一般情况下，可按照变压器额定电流的1/3进行选择； 5.关于准确度 用于电度计量的电流互感器，准确度不应低于0.5级，用于电流电压测量的准确度不应低于1级，非重要回路可使用3级； 用于继电保护的电流互感器，应用d或b级；（二）电压互感器 1.35kv110kv配电装置一般采用油浸绝缘结构电磁式电压互感器； 2.电压互感器的额定电压按如下选取： (1) 单相：a当接于一次线电压上时，一次电压为系统额定电压vx，二次电压 为100v； b 当接于一次相电压上时，一次电压为vx/，二次电压为 100/v。 (2)三相：一次电压为系统额定电压vx，二次电压为100v，第三绕组电压为 100v/3v。 3.关于准确度： 用于电度计量，准确度不应低于0.5级；用于电压测量不应低于1级；用于继电保护时不应低于3级。（三）本系统中100kv线路的所有电压互感器均采用同一变比 单相：均接于一次线电压上：变比ny110103/100=1100 三相：其变比为110000/100/100/3第五章 短路电流的计算5.1 短路的类型 短路故障分为对称短路和不对称短路，三相短路是对称性短路，造成的危害最为严重，但发生三相短路的机会较少。其他种类的恶短路都属于不对称短路，其中单相短路发生的机会最多，约占短路总数的70%以上。5.2 短路电流计算的目的 为了保证电力系统安全运行，在设计选择电气设备时，都要用可能流经该设备的最大短路电流进行热稳定校验和动稳定校验，以保证该设备在运行中能够经受住突发短路引起的发热和电动力的巨大冲击，同时为了尽快切断电源对短路点的供电，继电保护装置将自动的使有关断路器跳闸，继电保护装置的整定和断路器的选择，也需要确定的短路电流数据。5.3 短路计算的假定条件 短路过程是一种暂态过程，影响电力系统暂态过程的因素很多，若在实际计算中把所有的因素都考虑进来，将是十分复杂也是没有必要的。因此，在满足工程要求的前提下，为了简化计算，通常采取一些合理的假设，采用近似的方法对短路电流进行计算。 基本假设条件如下： 1. 在短路过程中，所有发电机电势的大小及相位均相同，即在发电机之间没有电流交换，发电机供出的电流全部是流向短路点的，而所有负荷支路则认为都已断开。 2. 不计磁路饱和，这样系统中各元件的感抗便都是恒定的，线性的，可以运用叠加原理。 3. 不计变压器励磁电流。 4. 系统中所有元器件只计算电抗，但在计算短路电流非周期分量衰减时间常数，或者计算电压为1000v以下低压系统短路电流时，则需计算元件的电阻。 5. 短路全是金属性短路，即不计短路点过度电阻的影响。 6. 三相系统是对称的，对于不对称电路，可采用对称分量法，将每序对称网络简化成单相电路进行计算。以上假设，使短路电流计算结果稍偏大一些，但最大误差一般不超过10%15%，这对于工程设计所要求的准确度来说是允许的。5.4 系统正序等值序网图 5-1 系统正序等值序网图5.5 短路电流的计算 假设x母线发生故障， 1. 正序网络如下图所示： 图5-2 图5-3 图5-4 根据图 5-1可知图 5-2中:x4=0.183+0.208=0.391根据图 5-2可知:x4大=0.391/0.391=0.1955x4小=0.1955/0.391=0.13x5=x1+x3=0.159+0.09=0.241根据图 5-3可知:x6大=x2/x5+x4大=0.134+0.1955=0.33x6小=x2/x5+x4小=0.134+0.13=0.264正序网络的最大电抗为： xmax=x6大/x7=0.33+1.0=0.248正序网络的最小电抗为： xmin=x6小/x7=0.264+0.8=0.1982. 零序网络如下图所示： 图5-5 图5-6 图5-7图5-8 x8=x2x4/x2+x3+x4 =0.5290.315/0.529+0.315+1.057 =0.08 x9=x3x4/x2+x3+x4 =0.3151.057/0.529+0.315+1.057 =0.175 x10=x2x3/x2+x3+x4 =0.5291.057/0.529+0.315+1.057 =0.294 x11=x6x7/x6+x7 =0.1460.146/0.146+0.146 =0.073 x12=x1+x10 =0.35+0.294 =0.644 x13=x5+x8 =0.088+0.158 =0.246 x14=x9+x11 =0.175+0.073 =0.248 x15=x13/x14 =0.246/0.248 =0.123 零序网络电抗x0 x0=x12/x15 =0.644/0.123 =0.1033. 当k处发生三相短路时：k(3) a. 在最大运行方式下： 流过故障点的短路电流：=1/xmax =1/0.198 =5.051 化为有名值：=5.0510.502 =2.535ka 流过a母线的最大三相短路电流为：=1/0.264 =3.788 化为有名值：=3.7880.502 =1.092ka b. 在最小运行方式下： 流过故障点的短路电流：=1/xmin =1/0.248 = 4.032 化为有名值： =4.3020.502 =2.024ka 流过a母线的最小三相短路电流为：1/0.33 =3.03 化为有名值：=3.030.502 =1.521ka4. 当k处发生两相短路时：k(2) a在最大运行方式下： 流过故障点的短路电流： =1/2xmax =(/2)(1/0.198) =4.374 化为有名值： =4.3740.502 =2.196ka 流过a母线短路电流：=(/2)(1/0.264) =3.28 化为有名值：=3.280.502 =1.647ka b. 在最小运行方式下： 流过故障点的短路电流：=1/2xmin =(/2)(1/0.248) =3.492 化为有名值： =3.4920.502 =1.753ka 流过a母线短路电流： =(/2)(1/0.33) =2.624 化为有名值： =2.6240.502 =1.317ka5. 当k处发生单相接地短路时：k(1) a在最大运行方式下： 流过故障点的最大零序电流： =1/(2xmax+x0) =1/(20.198+0.096) =2.033 化为有名值： =2.0330.502 =1.021ka 流过线路af的分支零序电流： =1/(2xmax+x0)0.096/0.114 =2.0330.096/0.114 =1.712 化为有名值： =1.7120.502 =0.859ka b在最小运行方式下： 流过故障点的最小零序电流： =1/(2xmin+x0) =1/(20.248+0.096) =1.689 化为有名值： =1.6890.502 =0.848ka 流过线路af的分支零序电流： =1/(2xmin+x0) =1.6890.096/0.114 =1.422 化为有名值： =1.4220.502 =0.714ka6. 当k处发生两相接地短路时：k(1.1) a 在最大运行方式下： 流过故障点的最大零序电流： =1/(2xmin+2x0) =1/(0.198+20.096) =2.564 化为有名值： =2.5640.502 =1.287ka 流过线路af的分支零序电流： =1/(2xmin+2x0)0.096/0.114 =2.5640.096/0.114 =2.159 化为有名值： =2.1590.502 =1.084ka b 在最小运行方式下： 流过故障点的最小零序电流 =1/(2xmin2x0) =1/(0.284+20.096) =2.273 化为有名值：=2.2730.502 =1.141ka流过线路af的最小零序电流： =1/(2xmin2x0)0.096/0.114 =2.2730.096/0.114 =1.914 化为有名值： =1.9140.502 =0.961ka 第六章 变压器主变保护的设计与整定计算6.1 电力变压器的保护规程 按技术规程的规定电力变压器继电保护装置的配置原则一般为： 1. 针对变压器内部的各种短路及油面下降应装设瓦斯瞬时动作于信号，重瓦斯瞬时动作于断开各侧断路器。 2. 应装设反应变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护作为主保护，瞬时动作于断开各侧断路器。 3. 对由外部相间短路引起的变压器过电流，根据变压器容量和运行情况的不同以及对变压器灵敏的要求不同，可采用过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流和单相式电压起动的过电流保护或阻抗保护作为后备保护，带时限动作于跳闸。 4. 对110kv及以上中性点直接接地的电力网，应根据变压器中性点接地运行的具体情况和变压器的绝缘情况装设零序电流保护和零序电压保护，带时限动作于跳闸。 5. 为防御长时间的过负荷对设备的损坏，应根据可能的过负荷情况装设过负荷保护，带时限动作于信号。 6. 对变压器温度升高和冷却系统的故障，应按变压器标准的规定，装设作用于信号或动作于跳闸的装置。6.2 变电所主变保护的整定计算 1. 瓦斯保护： 保护能反应油浸式变压器油箱内的各种故障是变压器内部故障的保护之一,变压器油箱内发生短路故障时，短路电流及故障点电弧会使变压器油和绝缘材料受热分解，产生气体。气体的多少和故障的性质及严重程度有关。 2. 瓦斯保护的整定： （1）瓦斯继电器的气体容积整定为250cm2。轻瓦斯保护瞬时动作于信号。 （2）重瓦斯保护动作值的大小用油流速度来表示，为了防止穿越性故障时瓦斯保护误动作，油流速度整定为1m/s。重瓦斯保护动作于跳开变压器两侧断路器。 3. 纵差动保护： (1) 是变压器的主保护之一。反应变压器油箱内或其引出线的短路故障。 (2) 变压器纵差动保护在正常和外部故障时，理想情况下流入差动继电器的电流等于零。但实际由于变压器的励磁电流、接线方式和电流互感器误差等因素的影响，继电器中有不平衡电流流过。因此，变压器差动保护需要解决的主要问题之一是采取各种措施避越不平衡电流的影响。在满足选择性的条件下，还要保证在内部故障时有足够的灵敏系数和速动性。 4. 纵差动保护的整定计算: 1) 变压器一次额定电流 a. 110kv侧 =31500/110 =165.332a b. 35 kv侧 =31500/35 =519.615a c. 10 kv侧 =31500/10 =1818.653a 2） 电流互感器变比 a. 110kv侧计算变比 n=165.332/5 =57.272 变比选取300/5 b. 35kv侧计算变比 n=519.615/5 =180 变比选取1000/5 c. 10kv侧计算变比 n=1818.653/5 =630 变比选取3500/5 3) 电流互感器二次电流 a. 110kv侧 =165.332/60 =4.773a b. 35kv侧 =519.615/200 =4.5a c. 10kv侧 =1818.653/700 =4.5a计算差动保护一次动作电流躲变压器的励磁涌流 1.31154.7 =1501.1a按躲过外部短路时的最大不平衡电流计算：在最大运行方式下，变压器10kv侧母线故障时最大三相短路电流为等值正序阻抗图 图6-1 图6-2 图6-3x9 =（1/x7+x2 + 1/x8+x5 + 1/x6）（x7+x2）x6 =（1/0.084+0.8 + 1/0.05+0.13 + 1/0.025）（0.084+0.8）0.025 = 1.032（1.26）x10 =（1/x7+x2 + 1/x8+x5 + 1/x6）（x8+x5）x6 =（1/0.084+0.8 + 1/0.05+0.13 + 1/0.025）（0.05+0.13）0.025 =0.21 （0.21）z1 = 1.26/0.21 = 0.672= 1/z1 = 1/0.672 =1.488化为有名值：= 1.488502 = 747.02a折算到10kv 侧： = 747.02110/10 = 8217.22 取： 电流互感器的相对误差：fwc = 0.1 非 周 期 分 量 系 数： = 1 lh 的 同 型 系 数 ： = 1 变压器分接头引起的误差：u = 0.1由于平衡线圈整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差 fw = 0.05最大不平衡电流为： = (ktxkfzqfwc + u + fw) = (110.1+0.1+0.05)8217.22 = 2054.31a故动作电流为： = = 1.32054.31 = 2670.6a躲开变压器的最大负荷电流为： = 1.3 = 1.31154.7 = 1501.1a = = 1.31501.1 = 1951.4a综上可得： 差动保护一次电流动作的值为： = = 1.31790.5 =2327.7a 5. 过电流保护 (1) 动作电流为： idz = /kn 变压器的最大负荷电流按下几种情况考虑: 1）其中一台变压器切除时引起的过负荷 = 2 = 220103/110 = 209.95a 2）考虑电动机自启动时的启动电流 = = 1.51.320103/110 = 204.7a 故动作电流为： = 1.3/0.85209.95 = 321.1a (2) 动作时限 t=0.5s 与变电所地压侧后备保护相配合，已知低压侧后备保护时限为1s 所以过电流保护的动作时限为： t = t+t = 1+0.5 = 1.5s (3) 灵敏度校验： = / = 520.34/321.1 = 1.621.5 (4) 装设地点： 过电流保护装于电源侧（110kv）折算到二次侧的动作电流为： = 321.1/40 = 8.03a 6.零序电压保护 (1) 零序电压继电器的动作电压：躲过在部分中性点接地的电网中发生单相接地短路时，在保护安装处可能出现的最大零序电压。 为简化计算，保护动作电压取为： udzo2 uext 其中uext为电网的额定电压 由于整定值不能大于互感器的饱和电压200v，故整定为： udzo=180v (2) 动作时限： t=0.5s 7. 过负荷保护 (1) 动作电流按躲过额定电流进行整定： = kk/knieb = 1.05/0.85(20103/110) = 129.67a 折算到二次侧： =129.67/40 =3.24a （2）动作时限： 比过电流保护的最大时限增大一个t, 所以t=t+t =115+0.5 =2.0s （3）装设点： 将于变压器的高压