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长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 1 毕业设计毕业设计 设计题目：工厂主变压器的继电保护系统设计题目：工厂主变压器的继电保护系统 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 2 摘要摘要 电力变压器是电力系统中不可缺少的重要设备，他的故障给供电可靠性和 系 统的正常运行带来严重的后果，同时大容量变压器也是非常贵重的元件，因此， 必须根据变压器的容量和重要程度装设性能良好的、动作可靠的保护元件。 本文是笔者在阅读了大量专业资料、咨询了老师的前提下，按照指导老师 所给的原始资料，通过系统的原理分析、精确的整定计算。做出的一套电力变 压器保护方案。 本文语言简练、逻辑严密、内容夯实。可作为从事电气工程技术人员的参 考资料。 关键词： 电力系统故障，变压器，继电保护，整定计算 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 3 abstract Power transformer power system is an important and indispensable equipment, his failure to power supply reliability and department The normal operation of the stockings brings serious consequences, and large capacity transformer is also very valuable components, therefore, must be based on the capacity of transformer and important degree furnish the good performance of, reliable protection components. This paper is the author in reading a large number of professional information, consulting the teacher premise, according to guide teacher gave the original material, through principle analysis, accurate system setting calculation. Make a set of power transformer protection scheme. This paper language succinct, tight logic, content ramming. Can be used as engaged in electrical engineering and technical personnel of reference material. Keywords: power system malfunction, transformer, relay protection and setting calculation 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 4 目录目录 摘要2 abstract3 目录4 第一章 主变压器的保护系统的概述6 1.1、概述6 1.2、变压器保护装设的一般原则6 1.3、主变压器的保护类型7 第二章系统运行方式及选择8 2.1 任务与要求.8 2.1.1、任务8 2.1.2 要求8 2.2 中性点接地方式的类型.11 2.2.1 中性点不接地方式.11 2.2.2 中性点经消弧线圈接地11 2.2.3 中性点经电阻接地12 2.2.4 635kV 配电网的接地方式选择.13 第三章 输电线路上的 TA、TV 变比的选择15 4.1 电压互感器（TV）的选择：15 4.2、电流互感器(TA)的选择：15 4.3、不平衡电流产生的原因17 第四章 短路电流计算19 4.1 概述.19 4.2 短路电流计算目的.19 4.3 短路电流计算的一般规定.19 4.4 短路计算基本假设.20 4.5 短路电流计算的步骤：.20 4.5.1 标幺值短路电流的计算20 第五章 变压器主保护系统的方式和整定计算23 5.1 电力变压器的保护规程.23 5.2 主变压器的保护方式和整定计算.23 5.2.1 相间继电保护方式整定计算（由于本设计系统为纵联差动保护）.23 5.2.2 距离保护方式配置与整定计算24 5.2.3 零序继电保护方式配置与整定计算29 5.2.4 瓦斯保护：33 5.2.5 纵差动保护：.33 第六章 自动重合闸的选择39 6.1 自动重合闸应满足的基本要求：39 6.2 自动重合闸的类型：39 6.3 自动重合闸与继电保护的配合.40 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 5 6.3.1 自动重合闸的选择及整定计算.40 结论42 致谢43 参考文献44 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 6 第一章第一章 主变压器的保护系统的概述主变压器的保护系统的概述 1.11.1、概述、概述 电力变压器是供电系统中的重要设备，它的故障对你供电的可靠性和用户 的生产、生活将产生严重的影响。因此，必须根据变压器的容量和重要程度装 设适当的保护装置。 变压器的故障一般分为内部故障和外部故障两种。 变压器油箱内部故障： （1） 各项绕组之间的相间短路； （2） 单项绕组部分线匝之间的匝间短路； （3） 单项绕组或引出线通过外壳发生的单项接地故障。 变压器油箱外部故障： （1）引出线的相间短路； （2）绝缘套管闪烁或破、引出线通过外壳发生的单相接地短路。 按 GB5006292电力装置的继电保护和自动装置设计规范规定：对 电力变压器的下列故障及异常运行方式，应装设相应的保护装置： （1）绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路； （2）绕组的匝间短路； （3）外部相间短路引过的过电流； （4）中性点直接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； （5）过负荷； （6）油面降低； （7）变压器温度升高或油箱压力升高或冷却系统故障。 对于高压侧为 610KV 的车间变电所主变压器来说，通常装设有带时限的 过电流保护；如过电流保护动作时间大于 0.50.7s 时，还应装设电流速断保护。 容量在 800KVA 及以上的油浸式变压器和 400KVA 及以上的车间内油浸式 变压器，按规定应装设瓦斯保护（又称气体继电保护） 。容量在 400KVA 及 以上的变压器，当数台并列运行或单台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。过负荷保护及瓦斯保护在轻微故障时 （通称“轻瓦斯” ） ，动作于信号，而其它保护包括瓦斯保护在严重故障时（通 称“重瓦斯” ） ，一般均动作于跳闸。 对于高压侧为 35KV 及以上的工厂总降压变电所主变压器来说，也应装设 过电流保护、电流速断保护和瓦斯保护；在有可能过负荷时，也需装设过负荷 保护。但是如果单台运行的变压器容量在 10000KVA 及以上和并列运行的变 压器每台容量在 6300KVA 及以上时，则要求装设纵联差动保护来取代电流 速断保护。 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 7 1.21.2、变压器保护装设的一般原则、变压器保护装设的一般原则 （1）防御变压器铁壳内部短路和油面降低的瓦斯保护。 （2）防御变压器线圈和引出线的多相短路、大接地电流电网侧线圈和引出 线的接地短路以及线圈匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护。 （3）防御外部相间短路并作瓦斯保护和纵联差动保护（或电流速断保护） 后备的过电流保护（或复合电压起动的过电流保护、或负序电流保护） 。 （4）防御大接地电流电网中外部接地短路的零序电流保护。 （5）防御对称过负荷的过负荷保护。 以上第 2、第 3、第 4 项的保护及第 1 项中的重瓦斯保护均动作于跳闸；第 5 项 及第 1 项中的轻瓦斯保护仅动作于信号。 对于容量为 1000kVA 及以上的变压器应装设瓦斯保护。 1.31.3、主变压器的保护类型、主变压器的保护类型 （1） 、纵联差动保护 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。 （考试大 注册安全工程师） 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，流经继电器的电流等 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。 （2） 、电流速断保护 电流速断保护分为无时限电流速断和带时限电流速 断，当线路出现故障时，无时限速断保护能瞬时动作，但它只能保护线路的一 部分，带时限电流速断保护能保护全线路，另外带时限速断保护比下一级线路 无时限保护大了一个时限差，因此下一段线路首端发生短路时，保护不会误动 （3） 、相间后备保护 反映因外部相间短路引起的变压器过电流、并作为 瓦斯保护和纵联差动保护的后备，35kV66kV 及以下中小容量降压变压器 宜采用过电流保护，110KV500KV 的降压、升压和系统联络变压器宜采用 复合电压起动的过电流保护或复合电流保护。 （4） 、零序后备保护 对两侧或三侧电源的升压或降压变压器，当其与大 接地电流电网连接时，一般需在变压器上装设零序后备保护。该保护作为相邻 元件及变压器本身主保护的后备，但在为了满足完全后备接线大为复杂化时， 允许缩短对相邻线路的后备作用范围，并在某些个别情况下可不考虑变压器主 保护拒绝动作的情况。此保护，一般应接于变压器中性点处的电流互感器上。 （5） 、过负荷保护 变压器的过负荷保护是用来反应变压器正常运行时出 现的过负荷情况，只在变压器的确有过负荷可能的情况下才予以装设，一般动 作于信号。 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 8 第二章第二章 系统运行方式及选择系统运行方式及选择 2.1 任务与要求任务与要求 2.1.12.1.1、任务、任务 根据工厂主变压器的实际情况设计主变压器的保护系统。本设计针对工厂 主变压器 为例采用纵联差动保护、电流保护、接地保护、过负荷保护和瓦斯保护为 一体的保护系统。 2.1.22.1.2 要求要求 继电保护装置的基本要求 ： 1）选择性：当供电系统中发生故障时，继电保护除。首先断开距离故 障点最近的断路器，以保证系统中其它非故障部分能继续正常运行。 2）灵敏性：保护装置灵敏与否一般用灵敏系数来衡量。在继电保护装 置的保护范围内，不管短路点的位置如何、不论短路的性质怎样，保护装置均 不应产生拒绝动作；但在保护区外发生故障时，又不应该产生错误动作。灵敏 系数公式如下： S p 1* min* po k I I def 式中 I继电保护装置保护区内在电力系统最小运行下的最小短路 mink 电流。 I继电保护装置动作电流换算到一次电路的值，称为其一次动1*op 作电流。 3）速动性：是指保护装置应尽可能快地切除短路故障。缩短切除故障 的时间以减轻短路电流对电气设备的损坏程度，加快系统电压的恢复，从而为 电气设备的自启动创造了有利条件，同时还提高了发电机并列运行的稳定眭。 4）可靠性：保护装置如能满足可靠性的要求，反而会成为扩大事故或 直接造成故障的根源。为确保保护装置动作的可靠性，必须确保保护装置的设 计原理、整定训算、安装调试正确无误；同时要求组成保护装置的各元件的质 量可靠、运行维护得当、系统简化有效，以提高保护的可靠性。 对于由外部相间短路引起的过电流，保护应装于下列各侧： 1） 、对于双线圈变压器，装于主电源侧 2） 、对三线圈变压器，一般装于主电源的保护应带两段时限，以较小的时 限断开未装保护的断路器。当以上方式满足灵敏性要求时，则允许在各侧装设 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 9 保护。各侧保护应根据选择性的要求装设方向元件。 3） 、对于供电给分开运行的母线段的降压变压器，除在电源侧装设保护外， 还应在每个供电支路上装设保护。 4） 、除主电源侧外，其他各侧保护只要求作为相邻元件的后备保护，而不 要求作为变压器内部故障的后备保护。 5） 、保护装置对各侧母线的各类短路应具有足够的灵敏性。相邻线路由变 压器作远后备时，一般要求对线路不对称短路具有足够的灵敏性。相邻线路大 量瓦斯时，一般动作于断开的各侧断路器。如变压器高采用远后备时，不作具 体规定。 6） 、对某些稀有的故障类型（例如 110KV 及其以上电力网的三相短路）允 许保护装置无选择性动作。 2.2 系统保护原理接线图 图 1 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 10 图 2 2.3中性点的运行方式与选择： 三相交流电力系统中性点与大地之间的电气连接方式，称为电网中性点接 地方式。中性点接地方式涉及电网的安全可靠性、经济性；同时直接影响系统 设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。一般来说， 电网中性点接地方式也就是变电所中变压器的各级电压中性点接地方式。因此， 在变电所的规划设计时选择变压器中性点接地方式中应进行具体分析、全面考 虑。 我国 110kV 及以上电网一般采用大电流接地方式，即中性点有效接地方式（在 实际运行中，为降低单相接地电流，可使部分变压器采用不接地方式），这样 中性点电位固定为地电位，发生单相接地故障时，非故障相电压升高不会超过 1.4 倍运行相电压；暂态过电压水平也较低；故障电流很大，继电保护能迅速动 作于跳闸，切除故障，系统设备承受过电压时间较短。因此，大电流接地系统 可使整个系统设备绝缘水平降低，从而大幅降低造价。 635kV 配电网一般采用小电流接地方式，即中性点非有效接地方式。近几年 来两网改造，使中、小城市 635kV 配电网电容电流有很大的增加，如不采取 有效措施，将危及配电网的安全运行。 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 11 2.22.2 中性点接地方式的类型中性点接地方式的类型 中性点非有效接地方式主要可分为以下三种：不接地、经消弧线圈接地及 经电阻接地。 2.2.1中性点不接地方式中性点不接地方式 适用于单相接地故障电容电流 IC 10A 时，接地点电弧难以自熄，可能产生过电压等级相当高的间歇性 弧光接地过电压，且持续时间较长，危及网内绝缘薄弱设备，继而引发两相接 地故障，引起停电事故； 系统内谐振过电压引起电压互感器熔断器熔断，烧毁 TV，甚至烧坏主设备的 事故时有发生。 2.2.22.2.2 中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地 适用于单相接地故障电容电流 IC 10A，瞬间性单相接地故障较多的架空线路 为 主的配电网。 其特点为： 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 12 利用消弧线圈的感性电流补偿接地点流过的电网容性电流，使故障电流 474.89 满足灵敏性 max 3 o I max 3 o I 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 33 (2)带时限零序电流速断保护: 与相邻下一级线路 BC 段 5DL 零序电流保护第 I 段相配合，即： 取的最大值则有：=1.51 502=758.02A min 5 1 b op I rel II op II K IK I max 3 o I max 3 o I =1.2 758.02=909.62A5op I Irel I K max 3 o I 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 34 5.2.45.2.4 瓦斯保护：瓦斯保护： 瓦斯保护的概述 保护能反应油润式变压器油箱内的各种故障时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 压器和绝缘材料受热分解，产生气体。的多少和故障的性质及严重程度 有关。 1、瓦斯保护的整定： （1） 瓦斯继电器的气体容积整定为 250CM 。轻瓦斯瞬间动作与信号。 2 （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 作于跳开变压器两侧断路器。 5.2.5 纵差动保护：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者引出线的短路 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，继电器中不平衡电流流过。因此，在变压器差动作保护需 要解决的主要问题之一是采取各种措施避不平衡电流的影响。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。 2、 纵差动保护的整计算： （1） 变压器一次额定电流 a、110KV 侧 I=31500/110 N 3 = 165.332A b、35KV 侧 I=31500/35 N 3 = 519.615Av C、10KV 侧 I=31500/10 N 3 = 1818.653A （2） 电流互感器变比 a、110KV 侧计算变比 N=165.322/53 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 35 =57.272 变比选取 300/5 B、35KV 侧计算变比 N=519.615/53 =180 变比选择 1000/5 C、10KV 侧计算变比 N=1818.653/53 =630 变比选取 3500/5 （3） 电流互感器二次电流 A、110KV 侧 I=165.332/60 N2 3 =4.773A b、 35KV 侧 I=519.615/200 N2 3 =4.5A c、 10KV 侧 I=1818.653/700 N2 3 =4.5A 计算差动保护一次动作电流 躲变压器的励磁涌流 I=Kxz k eb I =1.3 1154.7 = 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 I Ad max 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 36 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 37 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 38 5）过电流保护 （1） 动作电流为： I=K /KI dzkn maxfh 变压器的最大负荷电流按下几种情况考欲： 1) 其中以一台变压器却除时引起的过负荷 I=2 I dz be =2 20 10 /110 3 3 = 209.95A 2) 考预电动机自启动时的启动电流 I=KI maxfhzp “ maxfh =1.5 1.3 20 10 /110 3 3 =204.7A 故动作电流为： I=1.3/0.85/209.95 xz = 321.1A （2） 动作时限 T =0.5S 于边电所低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 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 39 (3) 灵敏度效验： K =I/I m )2( mindxz = 520.3/321.1 = 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： I=321/40 xz =8.03A 6）过负荷保护 （1） 动作电流按躲过额定电流进行整定： I=K/KI dz k n be =1.05/0.85/(20 10 /110) 3 3 =129.67A 折算到二次侧： I=129.67/40 dz =3.2A （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： 降于变压器的高压侧即 110KV 侧，动作于信号 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 40 第六章第六章 自动重合闸的选择自动重合闸的选择 6.16.1 自动重合闸应满足的基本要求：自动重合闸应满足的基本要求： （1） 在下列情况下，自动重合闸装置不应当动作。 1） 有值班人员手动操作或通过遥控装置将断路器时。 2） 手动投入断路器，由于线路上存在故障，随即由保护哦你工 作将其断开，因为在这种情况下，故障大多数是属于永久的，它可能是由于检 修质量部合格，隐患未能消除或者是保安地线没有拆除等原因造成的。因此， 即使在重合一次也不可能成功。 3） 在某些不允许重合的情况下例如，断路器处于不正常状态 （如气压、液压低等）以及变压器内部故障，差动或瓦斯保护动作使断路器跳 闸时，均应使闭锁装置不进行重和闸。 （2） 除上述条件外，当断路器有继电保护动作或其他原因而跳闸后， 重合闸都应该动作，使断路器重新合闸。在某些情况下（如使用单相重合闸时） ， 也允许只在保护动作于跳闸后进行重合闸。 （3）自动重合闸装置的动作次数应符合预先的规定。如一次重合闸 就只应该动作一次。当重合于永久性故障而再次跳闸后，就不应该在动作。装 置本身也不允许出现元件损坏或异常时，使断路器多次重合的现象，以避免损 坏断路器设备和扩大事故范围。 （4）自动重合闸在动作以后，应能够自动复归。 6.2 自动重合闸的类型： 自动重合闸的采用是系统运行的实际需要。随着电力系统的发展，自 动重合闸的类型一般有以下三类： （1）三相重合闸 （2） 单相重合闸 （3） 综合重合闸 本设计采用三相一次重合闸，所谓三相重合闸是指不论在输、配线上 发生单相短路还是相间短路时，继电保护装置均将三相短路器同时跳开，然后 启动自动重合闸同时合三相断路的方式。若故障为暂时性故障，侧重合闸成功； 否则保护在次动作，跳三相断路器。 三相重合闸结构相对比较简单，保护出口可直接动作控制断路器， 保护之间互为后备的保护性能良好。 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 41 6.3 自动重合闸与继电保护的配合自动重合闸与继电保护的配合 重合闸和继电保护之间的密切良好的配合可以较迅速却除多数情况的 故障，提高供电的可靠性和安全性，对系统的安全稳定产生极其重要的作用。 目前，在电力系统中，自动重合闸与继电保护配合的方式有两种，即自动重合 砸前加速保护动作和自动重合闸加速保护动作。 （1） 自动重合闸前加速保护动作方式 （2） 自动重合闸后加速保护方式“前加速”方式只适用于 35KV 及以下 的网络；“后加速”方式使用于 35KV 以上的高压网络中。 6.3.16.3.1 自动重合闸的选择及整定计算自动重合闸的选择及整定计算 1) 自动重合闸的配置原则 （1） 1KV 及以上架空线路及电缆与架空混合线路，在具体有断路器 的条件下，当用电设备允许却无备用电源自动投入时，应装 设自动重合闸装置： （2） 旁路断路器和兼做旁路的母联断路或分段断路器，应装设自 动重合闸装置； （3） 低压侧不带电源的降压变压器，可装设自动重合闸装置； （4） 必要时，母线故障也可采用自动重合闸装置。 总结多年来自动重合闸运行的经验可知一般在选择自动重合闸类 型时可作如下考虑： （1） 110KV 及以下的单侧电源线路一般采用三相一次重合闸装 置； （2） 220KV、110KV 及以下双电源线路用合适方式的三相重合闸 能满足系统稳定和运行要求时，可采用三相自动重合闸。 1）自动重合闸的选择 由自动重合闸的配置原则 110KV 及以下的单侧电源线路一般采用 三相一次重合闸装置，所以线路 AC 和 CD 的两侧都装设三相一次自动 重合闸装置。 2）单电源自动重合闸的整定计算 （1） AAR 装置的动作时限： 从减少停电时间和减轻电动机自启动要求考虑，AAR 的动作 时限越短越好，实际上要考虑下面两个条件 1） AAR 装置的动作时限必须大于故障点去游离的时间，以使 故障点绝缘强度能可靠的恢复。 长 沙 航 空 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 42 2） AAR 装置的动作时限必须大于断路器及其操作机构准备好 重合闸的时间。这时间包括断路器触头周围介质绝缘度恢 复及灭弧实充满油的时间，以及操作机构恢复原位坐好重 合闸准备的时间。 一般情况下，断路器及其操作机构准备好重合闸的时间都大于 故障点介质去游离的时间，因此 AAR 的动作时限只按条件 2 考 虑。 对于不对应启动方式：t=t+t AAROSs 对于继点保护启动方式：t=t+t+t AAROSoffs 式中 t操作机构准备好合闸时间，对电磁动作机构取 OS 0.30.5 对于不对应启动方式：t=t+t =0.4+0.35=0.750.85s 要 AAROSs 求满足 对于继电保护启动方法： t=t+t+t =0