电网变压器继电保护课程设计任务书.pdf

课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 指导教师 指导教师 工作单位 工作单位 题题目目 电网变压器的保护设计电网变压器的保护设计 初始条件 初始条件 如图所示的降压变压器采用 DCD 2 或 BCH 2 型构成纵联差动保护 已知变压 器的参数为 15MVA kV6 6 5 21 35 6 k U d11接线 归算到 6 6kV 的 系统最大电抗3112 0 max s X 最小电抗2263 0 max s X 低压侧最大负荷电流为 1170A 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰写 等具体要求 1 试确定变压器保护线圈的动作电流 op I 差动线圈匝数 d W 平衡线圈匝 数 b W 和灵敏度 sen K 2 选择变压器动作线圈类型与型号 3 选择电网的保护装置与自动装置 4 画出保变压器的保护原理图 展开图和屏面布置图 5 编写课程设计说明书 时间安排 时间安排 12 月 24 日 领取任务书 学习设计指导书及设计规程 12 月 24 日 25 日 进行各种运行方式下的短路电流计算 12 月 26 日 12 月 27 日 进行保护整定计算 设备选型及图纸绘制 12 月 28 12 月 30 日 撰写设计说明书 指导教师签名 指导教师签名 年年月月日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年月月日日 目录 1 设计规划 1 2 保护配置 2 2 1 主保护配置 2 2 2 后备保护配置 2 3 保护的配合以及整定计算 3 3 1 主保护整定计算公式 3 3 2 后备保护整定计算公式 5 3 3 变压器纵联差动保护整定计算 8 4 继电保护设备的选择 11 4 1 互感器的选择 11 5 2 继电器的选择 11 5 二次展开原理图的绘制 13 5 1 保护测量电路 13 5 2 保护跳闸电路 13 6 保护的评价 14 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 1 电网变压器的保护设计 1 设计规划 电网 变压器等对继电保护的基本要求是可靠性 选择性 快速性 灵敏性 即通常 所说的 四性 这些要求之间 有的相辅相成 有的相互制约 需要对不同的使用条件 分别进行协调 对于可靠性即对 对继电保护最基本的性能要求 它又可分为可信赖性和 安全性 2 个方面 可信赖性要求继电保护在异常或故障情况下 能准确地完成设计所要求 的动作 安全性要求继电保护在非设计所要求动作的所有情况下 能够可靠地不动作 对 于选择性 是指在对电网影响可能最小的地方 实现断路器的控制操作 以终止故障或电 网事故的发展 对于速动性 是指继电保护应以允许的可能最快的速度动作于断路器跳闸 以断开故障或终止异常状态的发展 对于灵敏性 是指继电保护对设计规定要求动作的故 障和异常状态能够可靠动作的能力 变压器是现代电力系统中的主要设备之一 电力变压器运行的可靠性很高 由于变压 器发生故障时造成的影响很大 因此应加强其继电保护装置的功能 以提高电力系统的安 全运行 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保护 其中轻瓦斯瞬时动作 与信号 重瓦斯瞬时动作于断开各侧断路器 3 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 瞬时动作与断开各侧断路器 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 及变压器灵敏度的要求不同 可以采用过电流保护 复合电压启动的过电流保护 负序电 流和单相式低电压启动的过电流保护或阻抗保护作为后备保护 带时限动作与跳闸 4 对 110kV 以上中性点直接接地的电网 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 为防止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 应按变压器标中的规定 装设作用于信 号或动作于跳闸装置 7 为了防止变压器外部故障引起的过电流即作为变压器之后备保护 在变压器上 装设带低压或不带低电压闭锁的过电压保护装置 8 对于单侧电源的变压器 后备保护装设于电源侧 作为差动保护 瓦斯保护的 后备或相邻元件的后备保护 9 对于多测电源的变压器 后备保护应装设于变压器各侧 其作用为作为差动保 护的后备 要求它动作后启动总出口继电器 对于零序过电流保护 由于变压器中性点接 地而是零序电流分布发生变化 往往会使零序电流保护的灵敏度降低 因此需要在变压器 的两侧均装设能动作于总出口的零序电流保护段 对于相间过电流保护 则一般只在主电 源侧装设动作与总出口的保护段 但该保护段对变压器各电压侧的故障均能满足灵敏度要 求 10 变压器各侧装设的后备保护 主要作为各侧母线和线路的后备保护 故要求只 动作于跳开本侧的断路器 11 作为变压器断路器与其电流互感器之间死区故障的后备保护 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 2 2 保护配置 2 1 主保护配置 瓦斯保护是变压器的主保护 能有效地反应变压器内部故障 轻瓦斯继电器由开口杯 干簧触点等组成 作用于信号 重瓦斯继电器由挡板 弹簧 干簧触点等组成 作用于跳 闸 正常运行时 瓦斯继电器充满油 开口杯浸在油内 处于上浮位置 干簧触点断开 当变压器内部故障时 故障点局部发生高热 引起附近的变压器油膨胀 油内溶解的空气 被逐出 形成气泡上升 同时油和其他材料在电弧和放电等的作用下电离而产生瓦斯 当 故障轻微时 排出的瓦斯缓慢地上升而进入瓦斯继电器 使油面下降 开口杯产生的支点 为轴逆时针方向的转动 使干簧触点接通 发出信号 当变压器内部故障严重时 产生强 烈的瓦斯 使变压器内部压力突增 产生很大的油流向油枕方向冲击 因油流冲击挡板 挡板克服弹簧的阻力 带动磁铁向弹簧触点方向移动 使弹簧触点接通 作用于跳闸 变 压器的主保护 电力变压器的主保护均采用瓦斯保护 当壳内故障产生轻瓦斯或油面下降 时 应瞬时动作与信号 当产生大量瓦斯时 应动作于断开变压器各侧断路器 对于 6 3MVA 及以上变压器和并列运行的变压器 应装设纵联差动保护 变压器纵联 差动保护的特点变压器纵联差动保护最明显的特点是产生不平衡电流的因素很多 不平衡 电流及消除方法 1 两侧电流互感器型号不同而产生不平衡电流 应按 10 的误差要求选择两侧的 电流互感器 引入一个同型系数 st K 当侧侧电流互感器的型号相同时 取 st K 0 5 当两 侧电流互感器的型号不相同时取 st K 1 2 电流互感器实际变比与计算变比不同时产生不平衡电流 电流互感器实际变比 与计算变比不同时产生的不平衡电流 可以通过自耦变流器或利用差动继电器的平衡线圈 补偿 3 变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流 变压器带负荷调整分接头产生 的不平衡电流 可以通过提高保护动作电流来消除 4 变压器接线组别的影响产生的不平衡电流 变压器接线组别的影响产生的不平 衡电流 可以通过相位补偿方法实现 即将变压器星形接线一侧电流互感器的二次绕组接 成三角形 而将变压器的三角侧电流互感器的二次绕组接成星形 5 变压器励磁涌流产生的不平衡电流 变压器励磁涌流产生的不平衡电流 可以 通过装设速饱和变流器或者差动保护装置消除 对于有些情况差动保护是无法代替瓦斯保护的 比如 瓦斯保护能反应变压器油箱内 的任何故障 如铁芯过热烧伤 油面降低等 但差动保护对此无反应 又如变压器绕组发 生少数线匝的匝间短路 虽然短路匝内短路电流很大会造成局部绕组严重过热产生强烈的 油流向油枕方向冲击 但表现在相电流上却并不大 因此差动保护没有反应 但瓦斯保护 对此却能灵敏地加以反应 这就是差动保护不能代替瓦斯保护的原因 2 2 后备保护配置 变压器的后备保护 变压器的相间短路后备保护首先考虑采用过电流保护 当过电流 保护满足不了灵敏度要求时 可采用复合电压启动的过电流保护 若仍不满足灵敏度的要 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 3 求 则可选择阻抗保护 双绕组变压器 后备保护应装在主电源侧 根据主接线情况 保 护可带一段或两端时限 以较短的时限缩小事故影响范围 跳母联或分段断路器 较长的 时限断开变压器各侧断路器 3 保护的配合以及整定计算 3 1 主保护整定计算公式 3 1 1 纵差保护的整定计算原则 在变压器的各侧中 二次电流最大的一侧称为基本侧 各侧二次额定电流的计算方法 如下 1 躲过外部短路故障时的最大不平衡电流 整定式为 max unbrelset IKI 式中 rel K 可靠系数 取 1 3 max unb I外部短路故障时的最大不平衡电流 max unb I包括电流互感器和变压器变比不完全匹配产生的最大不平衡电流和互感 器传变误差引起的最大不平衡电流 max max 1 0 kstnpzaunb IKKUfI 式中 max k I 外部短路故障时的最大短路电流 za f 由电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差 单相变压 器按式 2 1 1 TA TTA za n nn f 计算 Y d11接线三相变压器的计算公式为 2 1 3 1 TA TTA za n nn f 当 采用中间变流器进行补偿时 取补偿后剩余的相对误差 U 由变压器分接头改变引起的相对误差 一般可取调整范围的一半 0 1 电流互感器容许的最大稳态误差 st K 电流互感器同型系数 取为 1 np K 非周期分量系数 取 1 5 2 当采用速饱和变流器时 由于非周期分量 能引起其饱和 抑制不平衡输出 可取为 1 2 躲过变压器的最大励磁涌流 整定式为 Nrelset IKKI 式中 rel K 可靠系数 取 1 3 1 5 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 4 N I 变压器额定电流 K 励磁涌流最大倍数 对于加强型速饱和变流器的差动保护时 1 K 3 躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流 max lrelset IKI 式中 rel K 可靠系数 取 1 3 max l I 变压器最大负荷电流 按照上面三个条件计算差动保护的动作电流 并选取大者 所有电流互感器都是这算 到电流互感器二次侧的数值 对于 Y d11接线的三相变压器 在计算故障电流和负荷电 流时 要注意在 Y 侧电流互感器的接线方式 通常在 d 侧计算比较方便 3 1 2 基本侧线圈的匝数 基本侧工作线圈的匝数 2 1 2 2 0 n I KI I AN N op op op bs 式中 bs N 基本侧工作线圈整定匝数 0 AN 继电器动作安匝 op I2 继电器动作电流 2 n 基本侧电流互感器变比 按继电器实际抽头 选用差动线圈的整定匝数 bspr NN 根据实际的匝数可以计算 出继电器实际的动作电流 pr prop N AN I 0 2 K nI I prop prop 2 2 1 工作线圈匝数等于差动线圈和平衡线圈匝数之和 unbbanpr NNN 3 1 3 确定非基本侧平衡线圈匝数 对于三绕组变压器 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 5 unb nbN nbNbN bsnb N I II N 2 2 2 式中 bsnb N 非基本侧平衡线圈匝数 nbNbN II 2 2 基本侧 非基本侧流入继电器的电流 unb N 差动线圈整定匝数 对于双绕组变压器 banunb nbN bN bsnb NN I I N 2 2 3 1 4 确定相对误差 unbbsnb unbbsnb er NN NN f 若 er f 0 05 则应根据 er f 的实际值代入重新计算动作电 流 3 1 5 校验灵敏度 2 min bop k con sen I IK K 式中 min k I 变压器内部故障时 归算至基本侧总的最小短路电流 若为单电源 变压器 应为归算至电源 K 侧的最小短路电流 con K 接线系数 bop I 基本侧保护一次动作电流 若为单侧电源变压器 应为电源侧保护一 次动作电流 如果灵敏度约为 2 且算出的小于初算时采用的 0 05 而动作电流又是按躲过外部短 路时的不平衡电流决定 则可按灵敏度条件选择动作电流 检查此电流是否满足励磁涌流 电流互感器二次回路断线的要求 然后确定各线圈的计算匝数和整定匝数 3 2 后备保护整定计算公式 3 2 1 变压器过电流保护 1 按躲开变压器可能的最大负荷电流整定 max L re rel op I K K I 式中 rel K 可靠系数取 1 1 1 2 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 6 rel K 返回系数取 0 85 max L I 变压器器最大负荷电流 当几台变压器并列运行时 应该考虑其中大 容量变压器突然断开后 其他变压器可能增加的负荷电流 2 按躲过负荷自启动的最大工作电流整定 Nssrelop IKKI 式中 rel K 可靠系数取 1 1 1 2 ss K 自启动系数 对 35kV 以上的电压级负荷取 1 5 2 对 6 10kV 电压级 负荷取 1 5 2 5 N I 变压器额定电流 3 按躲过变压器低压母线自动投入负荷电流整定 max auLssLrelop IKIKI 式中 rel K 可靠系数取 1 1 1 2 ss K 自启动系数 对 35kV 以上的电压级负荷取 1 5 2 max L I 正常运行时的最大负荷电流 auL I 自动投入的部分负荷电流 4 按与相邻保护配合整定 op relop IKI 式中 rel K 可靠系数取 1 2 1 5 op I 变压器低压侧出线电流保护定值 取各出线中最大值 保护灵敏度 op k sen I I K min 式中 min k I 变压器低压母线故障最小短路电流 3 2 2 变压器低电压闭锁的过电流保护 采用一般简单的过电流保护灵敏度不满足要求时 可以装带电压闭锁的过电流保护 此时电流定值可不考虑变压器短时过负荷 1 电压闭锁定值 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 7 rerel N op KK U U min 式中 rel K 可靠系数取 1 2 1 25 rel K 返回系数取 1 15 1 2 min N U 最低运行电压取 N U 额定电压 灵敏系数计算 max res op sen U U K 式中 max res U 校验点故障时 电压继电气装设母线上的最大残压 要求 25 1 sen K 2 复合电压闭锁元件定值 1 相间电压 rerel N op KK U U min 式中 rel K 可靠系数取 1 2 1 25 rel K 返回系数取 1 15 1 2 min N U 最低运行电压取 N U 额定电压 2 负序电压元件 Nop UU 12 0 06 0 2 灵敏系数计算 2 min 2 op res sen U U K 式中 min 2res U 变压器另一侧不对称短路时保护反应的最低负序电压 要求 25 1 sen K XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 8 3 3 变压器纵联差动保护整定计算 3 3 1 动作电流计算 对于基本侧 1 压器一次额定电流 1 35kV 侧 15000 248 335 N IA 2 6 6kV 侧 15000 1315 36 6 N IA 2 电流互感器变比 1 35kV 侧计算变比及选用变比 3248 5 TA cal n 选用 600 5 TA n 2 6 6kV 侧 3 电流互感器二次电流 1 35kV 侧 2 3248 3 57 120 N IA 2 6 6kV 侧 2 1315 4 38 300 N IA 4 线三相短路归算到基本侧的短路电流 2 6 3 0 080 211 15 T X 0 1730 2110 384 X 3 max 6300 0 080 211 30 384 K I 基本侧动作电流 1 按躲过外部短路条件 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 9 1 3 1 0 10 050 05 94722462 OP IA 2 按躲过励磁涌流 1 3 13151710 OP IA 3 按 TA 二次断线条件 1 3 10161378 OP IA 选一次动作电流 2450 OP IA 确定基本侧动作线圈匝数 1 二次动作电流 2450 8 16 300 OP r IA 60 7 35 8 16 W cal W 匝 选 d se 6 W 匝 1 seb W 匝 2 继电器实际动作电流 60 8 56 7 OP r IA 确定 35kV 侧平衡线圈及工作线圈匝数 2 2 7 4 38 3 57 62 6 b nb calW sed se nb I WWW I 匝 取 se 3 nb W 匝 工作线圈 se 9 nw W 匝 计算 er f 2 63 0 04650 05 2 66 er f 2 灵敏度符合要求 3 3 4 后备保护动作电流计算 过电流保护采用三相式接线 且保护应安装在电源侧 保护的动作电流 op I应按躲过变 压器可能出现的最大负荷电流 max L I来整定 即 max L re rel op I K K I 式中 rel K 可靠系数 一般取 1 23 1 re K 返回系数 7 187 3 6732 1 49 5 191980 3 max max U P IL A 2767 187 85 0 25 1 max L re rel op I K K I A 3 3 5 后备保护动作时间 动作时间 t 0 5s 3 3 6 后备保护灵敏度校验 2 5 1 2 min op K sen I I K 2 max K I 最小运行方式下 在灵敏度校验点发生两相短路时 流过保护装置的最小 短路电流 变压器灵敏度校验 15 0 32 21 2 1 2 2 min N N k Z U I A 423 66732 1 320 151 0 3 144 0 2 min N N k U S I A 5 153 1 276 423 2 min op K sen I I K 灵敏度符合要求 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 11 4 继电保护设备的选择 4 1互感器的选择 在电力系统中 为了保证正常供电以及保护贵重设备的安全 都有一套由各继电器控 制设备组成的继电保护线路 当电力系统中发生故障时 这些保护装置就会动作 切断故 障的线路 如果是偶然的故障 还能够自动合闸 保证正常供电 保护用电流互感器 就 是将线路上的电流变为一定大小的电流 给继电器等保护装置供电 当线路上发生短路或 其它故障 使线路上电流剧增时 通过电流互感器供给继电器等保护装置的电流也剧增 使继电保护装置动作 切断故障线路 保护用电流互感器的准确级用 5P 和 10P 表示 也 相当于其允许误差为 5 和 10 电流互感器选择原则 1 电路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的比回路正常工作电流大 1 3 左右 3 35kV 及以上配电装置一般采用油侵瓷箱式式绝缘结构的独立电流互感器 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 可以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 压测量的准确度不低于 1 级 非重要回路可采用 3 级 用于继电保护的电流互感器 应用 D 级 B 级 电流互感器的选择及其参数如表 4 1 所示 表 4 1 电流互感器的选择型号及其参数 型号额定电流比准确级组合二次额定输出 额定绝缘水 平 LZZBW 1 0 5 2000 5 0 5 10P10 0 2 10P10 0 2 0 2 级 30VA 级 40 VA 2 级 30 VA 12 42 75KV LCWD2 3 5 5 1000 5 0 2 0 2 10P 0 2 0 2 级 30VA 10P 级 50VA 40 5 95 185K V 变压器差动保护用的电流互感器 在最大穿越性短路电流时其误差超过 10 此时应 采取下列措施 1 适当地增加电流互感器的变流比 2 将两组电流互感器按相串联使用 3 减小电流互感器二次回路负载 4 在满足灵敏度要求的前提下 适当地提高保护动作电流 4 2继电器的选择 本设计选用 BCH 2 型差动继电器 继电器的选择及其参数如表 4 2 所示 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 12 表 4 2 BCH 2 型继电器相应参数 额定电 流 动作 安匝 可靠系数整定范围 A 动作时 间 s 功率消耗 VA 触 点 型 式 5A 50Hz 60 4 5 倍动作流 1 35 2 倍 动作流 1 2 两绕组变压器 1 55 12三绕 组变压器 3 12 3 倍动作 电流 0 035 在额定电压下 平 衡绕组 或 合部接入时单相功 耗 16 一 动 合 该差动继电器 作为两绕组及三绕组电力变压器 以及交流发电机的单相差动保护 继电器可以预防由非故障状态 穿越短路电流或变压器空载合闸时 的不稳定的过渡电流 而使保护非选择性地动作 该继电器由执行元件电磁式电流继电器 DL 11 及中间速饱和变 流器组成 继电器具有短路绕组 它构成差动继电器的一些主要技术性能 速饱和变流器的所有 绕组都是制成带有抽头的 这样就可以对继电器的参数进行阶梯性调整 当用 BCH 2 型继 电器来保护电力变压器时 平衡绕组的圈数根据这样的条件来选择 即当发生穿越短路时 所有绕组的匝数应相等 当用继电器保护两绕组变压器时 动作电流可以在更细致的范围 内进行调整 因为这时可以利用两个平衡绕组 变流器和执行元件放在一个外壳内 为了 便于对执行元件进行单独的校验调整和试验变流器特性时的须要 执行元件的线圈与变流 器的二次绕组 平衡绕组与工作绕组是通过连接板相互连接的 因而可以在调整试验时接 通或断开相应的电路 及其保护双绕组电力变压器时继电器对外接线图如图 4 1 图 4 1 BCH 2 型继电器内部接线原理图 XXXX大学 电力系统继电保护 课程设计说明书 13 5 二次展开原理图的绘制 5 1保护测量电路 Y d11 接线变压器差动保护的三相原理接线图如图 5 1 所示 IY AIY BIY C IY A IY BIY CIY AIY B Id a Id bId c Id AId B Id C Id Id