毕业设计（论文）-35KV总降压变电所主变继电保护设计.docx

毕业设计说明书35KV总降压变电所主变继电保护设计学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 06 月中北大学2015届毕业设计说明书35KV总降压变电所主变继电保护设计摘要在当今社会，电能不得不说是最重要，也是最方便，甚至是最清洁的能源，电能在输送和配送的过程中可能会出现故障或者不正常的运行状态，对电力系统造成损害，这就体现了继电保护的重要性。本文根据设计的具体要求并结合电力系统各方面的特性，同时考虑到实际使用过程中的各种问题，确定了35kv总降压变电所的主变继电保护设计方案。在变压器的内部使用瓦斯保护，外部使用纵联差动保护，后备保护则选择过电流保护和过负荷保护。本设计先根据任务书要求确定了主保护和后备保护，再通过短路计算确定了系统最大和最小运行的相关电气量，最后根据这些电气量，对选定的保护进行整定计算并选择相应的继电器。关键词： 继电保护，过电流保护，纵联差动保护，瓦斯保护35KV transformer substation relay protection designAbstractNowadays, electric power is the most important, the most convenient and the cleanest energy. Electric power may malfunction or in abnormal operating state in transmission process, and it will damage the power system. This situation reflects the importance of relay protection. According to the specific requirements of the design and the binding properties of various aspects of the power system, taking into account the actual use of the various problems identified 35kv general step down transformer substation relay protection design. Using gas protection inside the transformer, the external use longitudinal differential protection, backup protection and over-current protection is selected overload protection. First, the design analysis the data of the power plant relay protection, setting calculation. Based on these electrical quantities, selecting protection setting calculation and selecting the appropriate relay.Key words: relay protection, over-current protection, longitudinal differential protection, gas protection, overload protection中北大学2015届毕业设计说明书目录1 引言11.1 继电保护技术发展的历史11.2 本设计的内容概述31.3 本章小结42 设计任务和要求52.1 设计目的52.2 设计内容和要求52.3 本章小结53 继电保护装置的概述63.1 继电保护装置的定义63.2 继电保护装置的构成63.3 继电保护装置的工作原理83.4 本章小结94 本设计继电保护装置的规划104.1 变压器的故障概述104.2 本设计继电保护装置的选择104.3 本设计继电保护装置的工作原理概述104.3.1 电流速断保护104.3.2 过电流保护114.3.3 瓦斯保护114.3.4 纵联差动保护114.3.5 过负荷保护114.4 本章小结125 短路电流的计算135.1 短路的概念及其意义135.1.1 短路电流的危害145.1.2 短路计算的方法145.1.3 短路计算的计算步骤145.2 电力系统的最大和最小运行方式定义155.3 基准参数的选定155.4 短路电流的计算165.5 本章小结176 变压器继电保护的整定计算186.1 瓦斯保护的原理概述186.2 纵联差动保护206.2.1 BCH-2型继电器构成双绕组变压器差动保护三相交流侧的接线图216.2.2 计算出IN和电流互感器变比226.2.3 计算出基本侧的动作电流226.2.4 计算出基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流236.2.5 确定非基本侧平衡线圈246.2.6 计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差fza256.2.7 保护装置灵敏度校验256.3 过电流保护256.4 过负荷保护276.5 本章小结287 总结29附录A：继电器的选择型号30附录B：设备表31参考文献32致谢34第II页 共II页中北大学2015届毕业设计说明书1 引言1.1 继电保护技术发展的历史在当今社会，电能不得不说是最重要，也是最方便，甚至是最清洁的能源。电能优良的特性使其能够轻易的转换成各种其他需要的能量形式，诸如机械能，热能，光能等，也因为它的优良特性，所以能够使其快捷的传输和配送到每家每户1,2。电能一般由发电厂发电输配到各级用电单位，因为发电厂比较危险而且容易造成污染，所以发电厂基本都建设在城市的郊区或者离工矿比较远的地区。因为运电距离比较远，同时考虑到经济效益和发电成本，所以发电厂在传输电能的时候一般都是讲电压通过变压器升到高电压，这样用高电压传输到需要用电的单位附近的降压站，最后再由降压站通过输送线路把电配送到每家每户3,4。像这种由发电机，升压和降压变压器，用电设备通过输配电线路连接起来的整体，成为电力系统。电力系统中的各级电压输配电线路，升压和降压变电所，及其电气设备，称之为电力网。电力系统在运行的过程中，因为各种原因（包括内外部的原因，比如短路，断路，过负荷，过电流等），可能引起各种故障或者不正常的工作状况，从而引起系统事故，对用户停止送电，少送电，乃至损坏设备，给国民经济带来了巨大的损失5。因此，在电气设备和输电线路上装有具有保护功能的自动装置，这种装置就称之为继电保护装置。电力系统继电保护技术是随着电力系统的研究，发展起来的，与电力系统息息相关。电力系统的快速发展使继电保护不断面临新的挑战，电子技术，通信技术和计算机技术的蓬勃发展又为继电保护注入了新鲜的活力6,7。19世纪末期涌现了装在断路器上头的能够直接作用于断路器的一次式电磁型过电流继电器。到了20世纪早期，继电器才开始被普遍的运用于电力系统的继电保护中。这可以称之为继电保护技术研究的开始8。在新中国建立以后，我国继电保护的研究经历了从无到有的过程，在十年间走了发达国家半个多世纪走过的路程9。20世纪50年代之前的继电保护装置都是由电磁型，电动型或者感应型的继电器组成的，这类继电器称之为机电式继电器。该装置工作的时候稳定可靠，甚至是现代也仍然使用的设备，但这种设备体积庞大，功耗比较大，动作速度比较缓慢，机械的转动部分和触点比较容易毁坏，调试和维护都相当繁杂，不足以满足超高压和大容量的系统所要求的各个条件。机电式继电器是我国继电保护技术发展的第一个阶段10,11。我国工程教授和在厂工人创造性的汲取，消化，并且驾驭了国外的先进设备和运行技术，建成了一支具有深厚学术底蕴和丰富运行经验的技术团队，对全国的继电保护的发展和研究起到了积极的指导作用。于是，新中国在20世纪60年代就建成了继电保护技术设计，制造，研究和教学为一体的完整体系，为我国继电保护设计的发展壮大打下了巩固的基础。20世纪50年代，因为半导体晶体管的急速发展，开始涌现了各种各样的晶体管继电保护装置，又称之为电子式静态保护装置12。20世纪70年代是晶体管继电保护装置在国内大批利用的时期，使当时电力系统向超高压大容量发展的各种需求得到了满足。这个时期，我国也有很多自主研发的产品，比如由南京电力自动化研究所研发的在葛洲坝水电站的500kv线路运行上的晶体管和晶体管高频闭锁距离保护方向高频保护。后来，研究的发展方向开始想集成电路保护倾斜。20世纪80年代末以后，经过一段过渡时期，集成电路式的继电保护装置渐渐成为主流，十年之后，已然成为继电保护装置的主力军13,14。这个时期，我国研制了随着研究集成电路工频变化量方向高频保护和集成电路相电压补偿式方向高频保护，这两个成果同样是由南京电力自动化研究所参与研发的。所以不得不说，南京电力自动化研究所在我国继电保护从无到有的过程中起到了巨大的作用15。在20世纪60年代末的时候就有人已经开始研究能否将小型计算机运用到继电保护装置上了，这种启蒙般的研究对之后出现的微机型计算机式继电保护装置奠定了理论基础，为以后的实践做出了巨大贡献。我国是从70年代末开始计算机这方面的研究的，由各大院校和研究所牵头，开始了相关的继电保护技术的研究，这个时期各大院校和研究所起到了先导的积极作用16。于是，各大高等院校和研究所在一系列的试验之后都有了一定的成果，国内开始有了自己的微机继电保护装置。到了80年代微机保护技术已经变得越来越成熟了，并且在一部分国家得到了推行和运用，它是第三代的静态继电保护装置的由来。因为微机保护装置的强大的优越性和无穷的潜力，受到了运行工人和科研人员的热烈欢迎。比如，华北电力学院所研究出来的输电线路微机保护就顺利通过了鉴定，在电力系统中获得了长足的使用，从此我国继电保护发展的新的历史篇章就被揭开了。到了20世纪90年代，微机保护装置在我国获得了广泛的运用并很快的变成了重要的继电保护装置形式，由此标志着我国已经进入了微机保护的时代，可以这么说，微机保护就是未来电力系统继电保护研究和发展的新方向17,18。继电保护装置必须能够反应电气设备的各种各样的故障和不正常的工作状况并且能够自动的，高效的，快速的且具有选择性的，使断路器在应该动作的时候动作，立刻将故障设备从电力系统中切除，保障其能够在无故障设备的状况下继续正常的运行，将事故的波及范围制约在最小范围，提高电力系统运作的可靠性，最大程度上保障向用电用户安全的输送电能19。1.2 本设计的内容概述第一章：本章对继电保护技术的发展历史进行了简要叙述。首先介绍了继电保护技术的由来，再介绍了在世界上继电保护技术发展的历程以及我国继电保护技术的几个发展过程。第二章：本章介绍了本毕业设计的任务和相关要求，并简述了本毕业设计的设计目的。第三章：本章对继电保护装置进行了相关介绍。首先介绍了继电保护装置的基本定义和重要的几点要求，然后分类介绍了两种继电保护装置的构成，最后介绍了继电保护装置的工作原理。第四章：本章对本设计需要用到的继电保护装置进行了简要描述。首先对变压器的故障原因和故障后果进行了概述，然后根据本设计要求和变压器的电气故障的相关特性确定了本设计采用的各种继电保护装置，最后对选用的继电保护装置的工作原理进行分门别类的简要介绍。第五章：本章是本设计的重点章节，主要涉及到了短路电流的计算。首先介绍了短路的概念和意义，进而介绍了短路的危害以及进行短路电流计算的重要性和必要性，然后概述了电力系统最大系统和最小系统的概念，最后根据本设计的要求进行了相关的短路电流计算。第六章：本章是本设计的核心章节，主要内容是各个继电保护装置的整定计算和继电器的选择。第一部分是主保护的相关内容，首先对变压器的内部保护和外部保护，即瓦斯保护和纵联差动保护进行了原理概述，并通过其原理图来具体的阐述其中的工作方式，然后进行瓦斯保护和纵联差动保护的整定计算，并确定了相关继电器的选择。第二部分是后备保护的相关内容，首先通过原理图对过电流保护和过负荷保护的工作原理进行了概述，然后进行过电流保护和过负荷保护的整定计算。1.3 本章小结本章对继电保护技术的发展历史进行了简要叙述。首先介绍了继电保护技术的由来，再介绍了在世界上继电保护技术发展的历程以及我国继电保护技术的几个发展过程。2 设计任务和要求2.1 设计目的该毕业设计，是为了让学生理解和使用继电保护各方面的知识，并且通过查阅和整理各种资料，进行整定计算，画出电气图和设计继电保护装置等。本次毕业设计要求学生做到电力系统在运行的时候稳定，操作较为简便，使用经济较为合理，同时有着进行扩建的可能性和改变运行方式的灵活性，使其更加贴合实际，更具现实意义。本毕业设计主要设计变压器继电保护的原理、配置及整定计算，给今后继电保护的工作打下良好的基础。2.2 设计内容和要求（1）有并列运行的两台三相变压器，连接方式采用Yd11，两者容量相同，参数分别为SN=7500KVA，35/6.6KV, 短路阻抗Uk%=7.5。（2）35KV侧最大短路容量为75MVA，最小短路容量则为70MVA。（3）本系统最小运行方式只有单台变压器运行。（4）6.6KV侧没有专门的保护。变电所的参考图如下图2.1所示。图2.1 变电所的参考图2.3 本章小结本章介绍了本毕业设计的任务和相关要求，并简述了本毕业设计的设计目的。3 继电保护装置的概述3.1 继电保护装置的定义继电保护装置：是指安设在被保护元件上面，反映其故障或不正常运行状态并且作用于断路器跳闸或者发出信号的一种自动装置。由于继电保护装置最开始是由机电式继电器为主要结构的，所以称之为继电保护装置。虽然现代继电保护装置已经发展成为由电子元件或者以微型计算机为主或者以可编程序控制器为主要构成的，但是仍然沿用次名字20,21。所以“继电保护”泛指继电保护技术或者由其各种装置组合的继电保护系统，“继电保护装置”则泛指各种具体的装置。继电保护的装置一般应满足四种基本要求：(1)所谓可靠性就是根据设备的要求和系统的安全需要，在其规定的保护范围内如果发生了应当动作的故障的时候必须立刻动作，同时在任何其他应当保护不应当动作的情况下，就不应当错误动作。(2)所谓速动性就是讲究一个速度，要求保护装置切除故障的时候越快越好，这样对系统的稳定性有很大的提升，同时还能降低故障所导致的各种损坏，限制事故的波及范围。(3)所谓选择性就是起初由故障设备或者线路本身的保护立刻切除故障，保障电力系统中非故障元件还可以正常运作，尽可能减少停电的波及范围。如果故障设备，线路本身的保护或者断路器拒绝动作的时候，才会容许由相邻的设备，线路的保护或者断路器失灵保护切除故障22。(4)所谓灵敏性就是根据设备的要求和系统的安全需要，继电保护设备对于保护范围内发生的某些故障和某些不正常的运行状况的反应能力。3.2 继电保护装置的构成（1）模拟型继电保护装置这种继电保护装置的种类有很多，一般来说都是由测量部分，逻辑部分和执行部分三个主要部分组成。其原理框图如图3.1所示。图3.1 模拟型继电保护装置原理框图所谓测量部分就是指将被保护的电气设备的有关物理量进行测量后跟给定的整定值进行比较，然后通过比较后的结果，进行判定，看是哪一种逻辑信号（比如“是”，“非”，“不大于”等等），根据逻辑信号再看继电保护是否需要动作。所谓逻辑部分就是指通过测量部分传过来的数据进行分析，根据分析的结果，比如出现的次序等情况，使继电保护装置按规定的逻辑进行动作，比如判断是否跳闸，是否发出信号，是否切除故障，最后将得出的结果传递给执行部分23。所谓执行部分就是指根据逻辑部分传输过来的信息，按照相应的逻辑关系，让继电保护装置运作，也就是说让相关的保护装置实现它的职责。比如故障发生时，动作跳闸；异常运作时，发出信号；正常运行时，不进行动作。（2）数字型的微机继电保护这种保护装置是把被保护的元件输入的模拟电气量经A/D转换器变换成数字量，利用微机进行处理和判断工作24。微机继电保护装置是由硬件部分和软件部分组成的。微机继电保护硬件结构原理图如图3.2所示。图3.2 微机继电保护的原理图微机保护的硬件由三部分组成，它们分别是：1.数据采集系统，有的时候也称之为模拟量输入系统：其中包括电压的形成、采样的保持、模拟滤波、A/D转换等功能块，其目的是为了将模拟输入量转换成数字量。2.微机主系统：其中包括微处理器、ROM或闪存内存单元、RAM、定时器、串行接口和并行接口之类的等等。通过一开始编号的程序，微机将会对前一个系统传输过来的数据进行分析处理，从而完成继电保护设备的各项任务25。3.开关量输入/输出系统：主要是用来实现各种保护出口的动作跳闸，人机交互，通信等功能，内部由PIO，中间继电器等组成。3.3 继电保护装置的工作原理因为电力系统有三种状态，即正常运行状态，非正常运行状态和故障运行装填，所以继电保护装置要有不同的工作任务。根据工作状态的不同，给相应的反应装置传输过来的数据就不同，这种电气量的变化就能够指示继电保护装置进行不同的动作。 当电力系统处于故障状态时，电气量一般有以下几种主要变化：（1）电流增大：一旦发生短路，从故障位置到电源之间的电流将会急剧增加，其值将会远大于额定的负荷电流26。（2）电压降低：如果发生了相间短路，接地短路，电力系统的相电压就会随即下降，离短路点越近则下降的幅度就会越大，最低能下降到0。（3）相位角（电压与电流之间）的变化：当系统正常运行的时候，相位角就是负荷的功率因数角，大概是20左右；当系统发生三相短路的时候，相位角（同相）就是阻抗角，大概是60到85；当系统发生反方向三相短路的时候，相位角大概是180+（60到85）。（4）测量阻抗发生的变化：所谓测量阻抗就是电压和电流相量之比，根据不同的运行情况，测量阻抗的值也不尽相同。比如在金属短路的时候就会变成线路阻抗，而且阻抗模明显变小，阻抗角显著增大；在正常运行的时候则是负荷阻抗27。（5）负序分量与零序分量的变化：当系统处于正常运行时，只会有正序分量，不会有零序分量；当系统处于不对称短路故障的时候，则会负序分量和零序分量都会出现。（6）从电气元件流入和流出的电流发生的改变：根据经典的电路理论KCL和KVL，我们都知道对于一个电气元件来说，流入电流和流出电流应该想等，而电气元件一旦发生故障，两者就会不相等。根据上面所说的这种电气特性，人们研制出了各种各样功能的继电保护装置。举例来说，发生短路故障则电流就会增大，电压就会降低，这样就能构成过电流保护，电流速断保护和低电压保护，电压速断保护；电压和电流的比值（即相位角）在故障的前后会发生变化，这样就能构成功率方向保护；故障前后流过电气元件的电流的各种物理量（相位，大小等）会产生相应的变化，这样就能构成差动保护；短路故障发生之后，会产生相序分量，这样能够用来构成序分量保护；通过高频通道传输电流，其电气量（相位，大小等）的变化，能够用来构成高频保护。上述所说的一些继电保护装置的例子不仅能作为单独存在的保护，也能够将几个不同的继电保护装置通过一定的方式组合，这样就能构成功能更为强大，结构更为复杂的继电保护装置28。3.4 本章小结本章对继电保护装置进行了相关介绍。首先介绍了继电保护装置的基本定义和重要的几点要求，然后分类介绍了两种继电保护装置的构成，最后介绍了继电保护装置的工作原理。4 本设计继电保护装置的规划4.1 变压器的故障概述变压器是电力系统中重要的电气设备之一。但是它一般处于静止状态，所以故障机会较少。不过，在实际运行的过程中依然会可能发生短路故障和不正常运行。变压器一旦处于短路故障将会对供电的可靠性和电力系统的安全运行带来巨大的影响29。一般来说，变压器的故障可以分为油箱内部和油箱外部两种形式。(1）变压器的外部故障：常见的是高低压套管及引线故障，套管和引出线上发生相间短路和接地短路，即一相碰接箱壳。(2）变压器的内部故障：包括绕组匝间短路，接地短路，绕组相间短路和铁芯的烧损等。同时，由于绝缘材料和变压器油因为受热分解从而产生了大量的气体，有可能引发变压器油箱的爆炸。变压器的不正常运行：主要有变压器外部短路引起的过电流，负荷长时间超过变压器的额定容量引起的过负荷，风扇故障或者是变压器油箱漏油引起冷却能力下降护着油位下降，这些不正常的运行状况都会使变压器绕组和铁芯过热。还有，对于中性点不接地运行的星形连接的变压器，外部接地短路也有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘性能。大容量变压器在过电压或者低频率等不正常的运行状况下容易产生过励磁，同时引起铁芯和其他金属构件过热。4.2 本设计继电保护装置的选择变压器是变电所的重要设备，考虑到变压器各方面的因素和特点，以及变压器发生故障之后产生的各种影响和危害，同时根据本设计的相关要求，确定了变压器主保护和后备保护：(1）主保护为瓦斯保护和纵联差动保护。(2）后备保护为过电流保护和过负荷保护。4.3 本设计继电保护装置的工作原理概述4.3.1 电流速断保护电流速断保护的应用非常广泛，在输电线路，发电机，变压器的继电保护上都有重要的作用。电流速断保护有两种，模拟式和微机式，根据本设计的要求，同时考虑到变压器的各种特性，本设计选择模拟式。如果后备保护的时间限制在0.5秒以上，那么就应该在变压器的电源一侧安装电流速断保护，一旦触发了电流速断保护，就会立刻动作使变压器两侧的断路器跳闸，从而达到保护系统的作用。4.3.2 过电流保护过电流保护其实也算是一种电流速断保护，只不过一般作为后备保护，而且具有延时性，一般来说它的存在是必要的，不可或缺的。过电流保护有好几种不同的形式，比如有低电压启动的过电流保护和负序过电流保护。根据本设计的具体要求，同时考虑到变压器的各种特性，本设计将选择定时过电流保护。4.3.3 瓦斯保护瓦斯保护作为气体保护，保护变压器内部的安全非常有必要。瓦斯保护一般由轻瓦斯保护和重瓦斯保护两部分构成，发生轻瓦斯保护是因为变压器内部的油和某些绝缘材料受热分解产生了较轻的气体，发生重瓦斯保护是因为上述的情况较为严重的时候，就会产生大量的气体对变压器内部造成相当严重的危害。所以，本设计采用瓦斯保护是完全有必要的，也是非常重要的一个继电保护装置，它将构成本设计其中一个主保护。4.3.4 纵联差动保护变压器在正常状态和其他状态（故障状态和非正常状态）下两侧的电流是不同的，根据这种电流的变化就构成了纵联差动保护。这种电流称之为不平衡电流，纵联差动保护与不平衡电流的关系非常密切，为了让纵联差动保护的具有较高的灵敏度，就要让不平衡电流的影响越低越好。纵联差动保护和瓦斯保护一样，也是变压器继电保护的主保护，是本设计的重要继电保护装置之一。4.3.5 过负荷保护变压器如果长期处于过负荷状态就会使绝缘材料老化，降低绕组的使用寿命，所以安装过负荷保护是必须的。过负荷保护只需要一个电流继电器接到单相电流，为了防止外部短路或者短路过负荷的时候发出不必要的信号，过负荷保护要经过延时作用于信号。4.4 本章小结本章对本设计需要用到的继电保护装置进行了简要描述。首先对变压器的故障原因和故障后果进行了概述，然后根据本设计要求和变压器的电气故障的相关特性确定了本设计采用的各种继电保护装置，最后对选用的继电保护装置的工作原理进行分门别类的简要介绍。5 短路电流的计算5.1 短路的概念及其意义电力系统正常运行时，除开中性点以外，相与相或者相与地之间是绝缘的，如果发生了正常运行情况以外的相与相之间或者相与地之间的通路时，称之为短路。三相电力系统中可能发生的短路有三相短路，两相短路，两相接地短路和单项接地短路。三相短路也称之为对称短路，系统各相与正常运行时一样仍然处于对称状态，其余类型故障称不对称短路。如果系统中仅有一处发生短路，称为简单短路故障；如果同时发生不同地点的短路，称为复杂短路故障。表5.1 各种短路示意图和代表符号短路种类 示意图 短路代表符号 三相短路 K(3)两相接地短路 K(1,1)两相短路 K(2)单相短路 K(1)各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路其次，三相短路最少。三相短路虽然发生的次数少，但是发生则后果最为严重，所以通常以三相短路作为选择电气设备的依据。短路电流的大小除开与短路种类有关以外，主要还决定于短路点和电源的距离，系统的容量，发电机的参数以及发电机是否采用电压自动调节装置等等。5.1.1 短路电流的危害短路电流常见的危害有：在短路的时候会产生大量的电动力和热量，从而造成高温使元件和设备等受到损坏；当发生不对称的短路时，包括单相短路和两相短路在内，其短路电流会产生比较强的不平衡交变磁场，从而对周围的通信信号，输电线路和电子设备等产生较大的干扰；在短路的时候，短路电路中的电压会发生骤降，其后果将会严重影响电路中电气设备的正常运行；发生短路故障就可能发生停电故障，从而影响整个电力系统运行的稳定性和可靠性。 就是因为一旦发生短路就会造成比较严重的后果，所以想办法解决和预防可能导致短路故障的各种因素是非常有必要的，这样就需要进行短路电流的计算，通过得出的数据，正确的选择合适的继电保护装置，并且让继电保护装置具有足够的稳定性和可靠性，以保证就算发生了最大的短路电流也不会导致其损坏。 如果系统的容量比输配电系统中的某个部分的容量大很多的时候，这个时候就可以把这个系统看成是该部分发生负荷变动甚至是发生短路的无限大容量的电力系统。将电力系统看作是无限大容量的电力系统可能有这么几种情况，比如该系统的馈电母线上的电压能保持基本不变，又比如该系统电源的总阻抗不超过其短路电路总阻抗的百分之五到百分之十，或者系统的容量大于该部分容量的五十倍的时候。 一般来说的话短路计算都是将系统视为无限大容量的电力系统，从而进行更为方便的计算，因为如果将系统视为无限大容量的电力系统，那么在计算系统发生三相短路的电流时就会更为严苛。5.1.2 短路计算的方法短路计算方法有两种，一般分为欧姆法和标幺制法。欧姆法又称之为有名单位制法，各个变量都以实际的数值进行计算。标幺制法又称只为相对单位制法，任何一变量的标幺值都是该变量的实际的数值和所选定的基准值之间的比值。 5.1.3 短路计算的计算步骤(1)选定基准参数：功率基准值SB以及各级电压的基准值（一般等于各级的平均额定电压），即UB=Uav； (2)根据选定的基准参数，计算各个元件的电抗标幺值； (3)进行化简工作并求出电源到短路点间的总电抗标幺值； (4)计算出短路电流周期分量的有效值即稳态短路电流，然后还原成有名值； (5)计算出最大短路电流的有效值和短路冲击电流； (6)根据设计要求，计算出其他需要的物理量。5. 2 电力系统的最大和最小运行方式定义当电力系统变化系统的运行方式的时候，会使一些相关的系统参数也发生变化，这个时候短路电流也会跟着发生变化。根据这个特性，变电站，发电厂等地方在确定电气元件或者继电保护装置的选择的时候，就要通过电力系统在不同的运行方式下的短路电流来进行整定计算，从而确定选择电气器件的稳定性和灵敏性是否符合标准。这是在进行选择电气元件和继电保护装置的时候非常重要的一个步骤，具有很重要的意义，所以这就需要用到系统的最大运行方式和最小运行方式下的短路电流计算。所谓最大运行方式就是指电力系统在这个时候有着最小的短路阻抗，因为阻抗最小，所以就会使短路电流达到最大值。这个最大值就一般用来检验继电保护装置的稳定性是否达到标准。所谓最小运行方式就是指电力系统在这个时候有着最大的短路阻抗，因为阻抗最大，所以相应的短路电流也是最小值。这个最小值就一般用来检验继电保护装置的灵敏度是否达到标准。这两种运行方式所对应的短路电流的最大值和最小值是短路计算中极其重要的物理量，具体计算本设计之后的章节会一一涉及。5. 3 基准参数的选定SB=100MVA UB=Uav 即35kV侧UB=37kV，6.6kV侧UB=6.9kV35kV侧的基准电流为：IB1=SB3UB1=100337=1.566.6kV侧的基准电流为：IB2=SB3UB2=10036.9=8.37变压器的阻抗XT*为：XT*=Uk%SB100SN=7.51000001007500=15. 4 短路电流的计算(1)最大运行方式下：35kV侧的最大短路容量为Sk1=75MVA，且Uc1=37kV，因为此时两台变压器一起并列运作，所以短路电流Ik.max1为：Ik.max1=Sk13Uc1=75337kA=1.17kA有Ik.max1=IB1X1*X1*=IB1Ik.max1=1.561.17=1.33则6.6kV侧的短路电流为：Xmax=X1*+XT*/XT*=1.33+1/1=1.83Ik.max2=IB2Xmax=8.371.83kA=4.57kA (2)最小运行方式下：35kV侧的最小短路容量Sk2=70MVA，且Uc2=6.9kV，因为此时只有一台运作，所以短路电流Ik.min1为：Ik.min1=Sk23Uc1=70337kA=1.09kA则6.6kV侧的短路电流Ik.min2为：Xmin=X1*+XT*=1.33+1=2.33Ik.min2=IB2Xmin=8.372.33kA=3.59kA5. 5 本章小结本章是本设计的重点章节，主要涉及到了短路电流的计算。首先介绍了短路的概念和意义，进而介绍了短路的危害以及进行短路电流计算的重要性和必要性，然后概述了电力系统最大系统和最小系统的概念，最后根据本设计的要求进行了相关的短路电流计算。6 变压器继电保护的整定计算6.1 瓦斯保护的原理概述瓦斯保护是一种保护变压器内部的继电保护装置，其作用是根据变压器内部的油面高度和产生的气体的变化进行反应动作，如果发生的是轻瓦斯保护就会发出信号，如果发生的事重瓦斯保护就会使变压器两侧的断路器跳闸，从而避免因为变压器内部的故障而对系统造成严重的危害。瓦斯保护是按气体容积进行整定的，一般来说范围在250到300cm3，如果变压器容积在10000KVA以上，整定值就是250cm3.重瓦斯保护的动作值一般用油流速度的大小宝石，其整定范围在0.6到1.5m/s，但是一般整定是1.0m/s。如下图6.1所示，为模拟式的瓦斯保护原理图；如下图6.2所示，为模拟式的瓦斯保护展开图。图中KG是气体继电器，1KS，2KS是信号继电器，KM是中间继电器，XB是连接片。开杯口控制着气体继电器KG的上触点，在闭合之后，信号继电器1KS延时发出预告信号；挡板控制着气体继电器KG的下触点，在其动作之后通过信号继电器2KS，连接片XB接通使中间继电器KM作用于断路器，使其跳闸，从而切除变压器。在变压器油箱内部出现严重故障的时候，油速会不稳定，从而造成重瓦斯接触点接触不良，有时联通有时断开，为了防止这种情况的发生，中间继电器KM必须采用带自保持电流线圈的继电器。按钮SB用来解除自锁，如果不用按钮这种方式，还能够使用断路器1QF辅助动合触点来解除自锁。要将气体继电器下触点切换到信号灯同时使重瓦斯保护停止，需要用到连接片XB，这样就能防止瓦斯保护在变压器患有或者气体继电器KG试验时发生误动作本设计瓦斯继电器选用FJ3-80型。图6.1 瓦斯保护原理图图6.2 瓦斯保护展开图6.2 纵联差动保护按照相关的规程规定，对6.3MVA及以上的厂用变压器和并列运行的变压器，10MVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器，以及2MVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应该安装纵联差动保护。纵联差动保护装置的种类繁多，比如BCH-2型差动继电器，这是一种模拟式的纵联差动保护装置，比如LFP-970型差动继电器，这是一种微机型纵联差动保护装置。Yd11接线方式的纵联差动保护原理图，如下图6.3所示。图6.3 Yd11接线方式的纵联差动保护原理图6.2.1 BCH-2型继电器构成双绕组变压器差动保护三相交流侧的接线图本设计选用的纵联差动保护是模拟式的，所以就选择BCH-2型差动继电器。BCH-2型差动继电器是由带短路绕组的三柱式速饱变流器和DL-11/0.2型电流继电器组合而成。本设计采用的BCH-2型继电器构成的纵联差动保护接线图，如下图6.4所示。图6.4 BCH-2型继电器构成双绕组变压器差动保护三相交流侧的接线图6.2.2 计算出IN和电流互感器变比表6.1 变压器纵差动保护用互感器变比选择名 称各侧数据Y（35kV）（6.6kV）一次侧额定电流IN=S3U1e=123.7AIN=S3U2e=656.1A变压器接线方式Y电流互感器的接线方式Y电流互感器的计算变比3IN/5=214.2/5IN/5=656.1/5实际电流互感器的变比nn1=250/5=50n2=800/5=160二次额定电流214.2/50=4.28A656.1/160=4.1A不平衡电流Iunb4.28-4.1=0.18A确定基本侧基本侧非基本侧6.2.3 计算出基本侧的动作电流（1）躲过外部故障时的最大不平衡电流为：Iset=KrelIunb根据整定计算公式：Iset=Krel（fza+U+0.1KnpKst）Ik.max1式中Krel可靠系数，采用1.3； Knp非同期分量引起的误差，采用1； Kst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； U变压器调压时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，本设计取0.05； fza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。0.1电流互感器的最大相对误差，取0.1。代入数据得：Iset=1.30.05+0.05+110.11.171000=304.2A（2）躲过变压器最大的励磁涌流为：Iset=KrelKIN式中Krel可靠系数，采用1.3。 K 励磁涌流的最大倍数（即励磁涌流与变压器额定电流的比值），取48，采用加强型速饱和变流器的差动保护（BCH2型）是，取K=1。 IN 变压器的额定电流代入数据得：Iset=1.31123.7=160.81A（3) 躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流为：Iset=KrelIl.max式中Krel可靠系数，采用1.3。 Il.max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。代入数据得： Iset=1.3123.7=160.81A比较上述（1），（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值，得出：Iset=486.6A6.2.4 计算出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：35kV侧的继电器的动作电流为：Iset.js=3Isetn1代入数据得：Iset.js=3304.250=10.54A35kv侧继电器差动线圈的匝数为：Wjs=AwoIset.js式中Awo为继电器动作安匝，应采用实际值，本设计中采用额定值，取得60安匝。代入数据得：Wjs=6010.54=5.69匝选用差动线圈与一组平衡线圈匝数之和较Wjs小而相近的数值，作为差动线圈整定匝数WjsZ，即实际整定匝数5匝。平衡线圈实际匝数Wjsh=0匝。继电器的实际动作电流：Iset.h=Awo5=605=12A保护装置的实际动作电流：Iset=Iset.hn13=12503=346.41A6.2.5 确定非基本侧平衡线圈非基本侧平衡线圈的匝数：Wb=I1I2WjsZ+Wjsh-WjsZ=4.284.105-5=0.2匝选择Wb的整数匝WbZ=5匝。表6.2 短路线圈接入不同匝数比所对应的动作磁通势短路线圈整定板上的插孔位置A2-A1，B2-B1C2-C1，D2-D1B2-C1A2-B1B2-D1Wk/Wk21616=168=0.751628=0.57动作磁通势/安匝60801001206.2.6 计算由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差fzafza=Wb-WbZWb+WjsZ=0.20-00.20+5=0.038此值小于原定值0.05，取法合适，不需重新计算。6.2.7 保护装置灵敏度校验差动保护灵敏度要求值：Ksen2本系统在最小运行方式下，6.6kV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：Ksen=Ik.min2Iset=323.591000346.41=8.972，满足要求。6.3 过电流保护变压器过电流保护装置的原理接线图和变压器电流速断保护原理接线图基本一样，只是在电流继电器KA的后面串联一个时间继电器KT而已。当保护动作以后，变压器两侧的断路器就会跳开。变压器过电流保护原理接线图，如下图6.5所示。图6.5 变压器过电流保护原理接线图过电流继电器的整定：（1）保护动作电流按躲过变压器的最大负荷电流来整定：Iset=KrelKreIL.max式中Krel可靠系数，采用1.2； Kre 返回系数，采用0.85。 IL.max对并列运行的变压器，应考虑切除一台最大容量的变压器时，在其他变压器中出现的过负荷。当各台变压器容量相同时，计算式为：IL.max=nn-1IN=22-1123.7=247.4A代入数据得：Iset=1.2247.40.85=349.27A继电器的动作电流：Iset.js=3Isetn1=3349.2750=12.03A （2）作为远后备保护，取相邻线路末端作为检验点，要求灵敏系数应不小于1.2。灵敏系数：Ksen=Ik.min2Iset=323.591000349.27=8.891.2满足要求 继电器选择DL-21CE型电流继电器，DX-8E型信号继电器，DZS-11CE型延时中间继电器。6.4 过负荷保护过负荷保护安装侧的选择，必须能够反映所有绕组的过负荷情况。对于双绕组的降压变压器来说，应该安装在高压侧。过负荷保护的原理接线图如图6.6所示。图6.6 模拟式过负荷保护的原理接线图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。Iset=KrelKreIN=1.05123.70.85=152.8A式中Krel可靠系数，采用1.05。Kre 返回系数，采用0.85。IN保护安装侧变压器的额定电流。Iset.js=3Isetn1=3152.850=5.29A对于无人值班的变电所，过负荷保护可动作与跳闸或者断开部分负荷。保护动作时限应该考虑后备保护最长动作时间，一般取值9到10秒，本设计，取10秒。继电器选择DL-21CE型电流继电器，DS-26E型时间继电器。6.5 本章小结本章是本设计的核心章节，主要内容是各个继电保护装置的整定计算和继电器的选择。第一部分是主保护的相关内容，首先对变压器的内部保护和外部保护，即瓦斯保护和纵联差动保护进行了原理概述，并通过其原理图来具体的阐述其中的工作方式，然后进行瓦斯保护和纵联差动保护的整定计算，并确定了相关继电器的选择。第二部分是后备保护的相关内容，首先通过原理图对过电流保护和过负荷保护的工作原理进行了概述，然后进行过电流保护和过负荷保护的整定计算。7 总结本次毕业设计花费了不少时间，一开始觉得并没有觉得这是个比较困难的设计，在实际写论文过程中发现了很多问题，渐