22万变电站主变压器保护设计毕业设计(论文)....doc

宜宾职业技术学院宜宾职业技术学院 毕业论文 设计 基于单片机的受控正弦信号发生器设计 系 部 自动控制工程系 专 业 名 称 发电厂及其电力系统 班 级 电力 1091 班 姓 名 刘 超 学 号 200912463 指 导 教 师 王瑞 2011 年 9 月 1 日 2 方案论证与设计 2 22 万变电站主变压器保护 摘要 变压器是电力系统的重要组成部分 它的正常与否直接关系到电力 系统的安全和经济运行 本次设计是变压器继电保护的初步设计 根据短路计 算的结果 选择了短路器 隔离开关 母线电气设备 为了保护变压器内部和引出线套管的故障 选择了纵联差动保护作为变压器的主保护 影响差动保护可靠性是电路中由于各种原因产生的不平衡电流 通过计算 选择躲过外部 短路时产生的最大不平衡电流作为纵联差动保护的动作电流 本设计还选择了瓦斯保护作 为变压器油箱内发生故障时的主保护 定时限过电流保护作为变压器纵联差动保护的后备 保护 本设计要保护的变压器是处在中性点直接接地的电力系统中 所以采用零序过电流 作为变压器接地的后备保护 在本次设计中 我还选择了过负荷保护作为变压器的后备保 护并对以上保护进行了整定 2 方案论证与设计 3 目 录 第 1 章 绪论 2 1 1 变压器保护的历史及现状 2 1 2 变压器保护的发展趋 势 3 第 2 章 220KV 主变压器微机型保护的双重化的探 讨 4 2 1 变压器保护双重化的意 义 5 2 2 双主双后主变压器保护电流回路接入方 式 6 第 3 章 3 1 电力变压器的继电保 护 7 3 11 3 12 3 2 3 21 3 22 3 3 3 31 3 32 3 4 3 41 3 42 3 43 3 44 3 5 第 4 章 4 1 4 2 2 方案论证与设计 4 2 方案论证与设计 5 第 1 章 绪论 1 1 变压器保护的历史及现状 追溯变压器保护的发展历史 以 1931 年 R E Cordray 提出比率差动的变压 器保护标志着差动保护作为变压器主保护时代的到来 电流差动保护也以其原 理简单 选择性好 可靠性高的特点在变压器保护中获得了极其成功的应用 但由此带来的技术难题是如何将变压器的励磁涌流与内部故障区分开来 变压 器保护的发展史也自此成为一部变压器励磁涌流鉴别技术发展史 1941 年 C D Hayward 首次提出了利用谐波制动的差动保护 将谐波分析引入到变压器 差动保护中 并逐渐成为国外研究励磁涌流制动方法的主要方向 1958 年 R L Sharp 和 W E GlassBurn 提出了利用二次谐波鉴别变压器励磁涌流的方法 并在模拟式保护中加以实现 同时 还提出了差动加速的方案 以差动加速 比率差动 二次谐波制动来构成整个谐波制动式保护的主体 并一直延续至今 微机变压器保护的研究开始于 60 年代末 70 年代初 1969 年 Rockerfelter 首次提出数字式变压器保护的概念 揭开了数字式变压器保护研究的序幕 之 后 O P Malik 9 和 Degens 对变压器保护的数字处理和数字滤波做出了研究 1972 年 Skyes 发表了计算机变压器谐波制动保护方案 使得微机式变压器保 护的发展向实用化方向迈进 变压器保护在进入数字微机时代后 利用微机强 大的运算和处理能力 不断提出新的励磁涌流鉴别方法 在国内外形成研究热 潮 间断角原理从分析励磁涌流波形本质出发 为励磁涌流的鉴别提供了新思 路 沿着这个思路 波形比较法 波形对称法和积分型波形对称法相继被提出 现在实用的微机变压器保护中识别励磁通流的方法也主要是 二次谐波闭锁 间断角闭锁 波形对称原理等 实践表明 在过去几十年间 上述原理基本上 能达到继电保护要求 然而 随着电力系统以及变压器制造技术的日益发展 利用涌流特征的各种判据在实用中均遇到了一些无法协调的矛盾 在高压电力 系统中 由于 TA 饱和 补偿电容或长线分布电容等因素的影响 内部故障时 差流中的二次谐波分量显著增大 造成保护误闭锁和延时动作 另一方面 现 代大型变压器多采用冷轧硅钢片 饱和磁密较低而剩磁可能较小 使得变压器 2 方案论证与设计 6 励磁涌流中的二次谐波和间断角均明显变小 不断出现的问题推动了研究的不 断深入 文献 13 提出的 虚拟三次谐波制动法 从理论上可在半周的时间使 保护动作 而且采用奇次谐波鉴别使其对对称性励磁涌流的鉴别能力大大强于 二次谐波制动 文献 14 提出的采样值差动原理与励磁涌流波形无关 减少了 计算量 提高了保护速度 近年来 新器件 新技术的应用为变压器保护的研究与发展提供了一个广 阔的天地 数字信号处理器 DSP Digital Signal Processor 的出现 不但可以 提高微机保护数据采样与计算的速度和精度 甚至可能改变往常微机保护装置 的设计思想 使得复杂的算法得以在保护装置中实现 现代数学工具如 模糊 控制 神经网络专家系统 小波分析等开始越来越多的融入到变压器保护的研 究领域 一方面为传统的变压器保护方法提供了更有效的工具 另一方面 采 用多个信息量 可提高变压器保护的 智能化 程度 改善可靠性和适应性 随着新的传感元件和测量元件的出现 故障诊断及预测充分利用各种现代数学 分析手段对变压器的各个运行状态量进行监测与分析 越来越融入到变压器保 护中 它实质上是传统变压器保护中电量与非电量保护的一个扩展 它的研究 与发展 为变压器保护的研究与发展提供了一个新的思路 对于变压器后备保护 以前的观点是认为其原理相对简单 应用比较成熟 因此学者更为关注其在实现技术方面的研究 但是近年来 随着越来越多的电 力变压器投入使用以及电网电压等级的不断提高 实际运行中由变压器后备保 护配置不合理引起的事故已不少见 目前 已经有部分学者对变压器相间后备 保护配置的合理性以及变压器零序过流保护整定计算中的特殊问题进行了分析 和探讨 并提出了相应的改进方法 变压器后备保护作为主保护的有益补充 为有效地保护变压器设备及电网运行安全发挥了巨大的作用 对变压器后备保 护的进一步研究已经引起了人们的重视 1 2 变压器保护的发展趋势 随着计算机技术的飞速发展 新的保护原理和方案不断被应用到计算机继 电保护中 不少学者把以模糊理论 人工神经网络 专家系统等非线性科学为 主导的智能技术引入到电力系统中 在电力变压器的继电保护中得到应用 智能技术发展迅速 分支众多 除了模糊逻辑 人工神经网络 专家系统 2 方案论证与设计 7 等技术被应用于继电保护中 更有吸引力的研究是将具有不同特性的智能技术 结合起来应用到继电保护中 例如 模糊神经网络 小波神经网络 模糊专家 系统等 这些结合使得保护的性能得到了有意义的提高 大型电力变压器的继电保护已经从电磁型 整流型 晶体管型 集成电路 型发展到了微机时代 计算机技术的飞速发展 通讯技术 计算机网络的功能 日益加强 为微机保护的进一步发展提供了广阔的空间 信号处理 人工智能 等相关科学的不断进步 新的测试手段 测量技术的应用 将不断提高电力变 压器的保护水平 国内的变压器保护领域应当及时加强新原理和新技术的吸收和应用 并在 实践中不断总结和发展变压器保护的实用技术 以提高防范变压器事故的能力 1 3 本文所做的工作 本文通较研究 得出一种较为合理的保护方案 完成保护的整定计算 内容 具体过对 220KV 主变压器的保护在实际应用中所起到的重要作用的研究 阐述变压器保护的基本原理 变压器保护应用范围 各种变压器的保护应用现 状和发展趋势 通过对 220KV 主变压器的保护方案进行比应包括以下几个方面 1 继电保护的综述以及变压器保护在实际应用中的作用 2 220KV 主变压器微机型保护的双重化的探讨 3 电力变压器保护原理分析 包括瓦斯保护 差动保护 电流速断保护 过电流保护 零序过电流保护 过负荷保护及过励磁保护 4 主变压器保护装置的配置 电力变压器的保护配置与方案确定以及接 线配置图 5 整定计算 整定计算的原则和整定计算的过程 第 2 章 220KV 主变压器微机型保护的双重化的探讨 由于变压器是个电元建 也是个磁元件 具有非线性特点和复杂的暂态 因此 其动作正确率还很低 随着计算机技术的发展 变压器微机型保护越来 越多 性能越来越好 使提高变压器保护的运行水平成为可能 对主变压器保 2 方案论证与设计 8 护的双重化是其中的一个方面 下面谈谈主变压器保护双重化在实践中遇到的 一些问题 2 1 主变压器保护双重化的意义 根据 继电保护和安全自动装置技术规程 要求 不同容量及不同电压等 级的电力变压器配置不同的保护 大型变压器将瓦斯保护及纵联差动保护作为 主保护 各侧安装不同的复压过流 方向零序或阻抗保护作为后备保护 规程 中除对 330 kV 及以上变压器可装设双重差动保护外 一般均按单主 一套主保 护 单后 一套后备保护 配置 防止电力生产重大事故的二十五项重点要求 中 提出 220 kV 主变压器的微机保护必须双重化 主变压器保护微机化以前 使 用分立电磁型元件组成主保护及后备保护时 一套 220 kV 主变压器保护需 3 或 4 面屏 实现双重化将使屏位达 6 7 面 采用晶体管及集成电路型的主变压 器保护 继电器的性能提高 但回路组成及接线仍是脱胎于电磁型保护 一主 一套主保护 一后 一套后备保护 最少要 2 面屏 双重化后回路也很复杂 早期 的主变压器微机型保护 由于采用的还是主保护与后备保护分开的设计方案 一套主保护加各侧后备保护 操作箱 失灵及非电量保护等 需 7 或 8 层机箱 由于高性能的计算机芯片出现 在一套装置中包含主保护 各侧全部后备保护 的新一代主变压器微机型保护已开发 并得到广泛应用 该保护装置除非电量 保护及开关操作箱外 全套主保护与后备保护只需 1 层机箱 实现双重化后 一般 4 或 5 层机箱 2 面屏 由于一套保护的功能集中在一个机箱内 双套保 护采用相同的输入输出设计 所以外围接线简洁 其外围回路比主保护与后备 保护分开的单套配置还简单 主变压器保护的双重化理由 计算机技术的发展 高性能计算机芯片的出现 主保护与后备保护合一的 设计 在技术上使保护配置双重化成为可能 有多年来线路保护双重化的成功 运行经验 对供电可靠性要求提高 双重化的保护可采用不同厂家的产品 不 同原理设计 对变压器发生各类复杂故障时可靠地切除故障更有利 2 2 双主双后主变压器保护电流回路接入方式 2 方案论证与设计 9 采用双主保护与双后备保护的主变压器保护后 如何接入电流互感器 的二次回路 这将是需要考虑的问题 对于主保护与后备保护分开的保护 常 常主保护与后备保护分别接一组电流互感器的次级 差动保护接独立电流互感 器 后备保护接主变压器套管电流互感器的次级 如图 1 所示 在双母带旁路 主接线方式下 旁路开关代主变压器开关时 差动保护的电流回路进行相应切 换 后备保护的电流回路不用切换 图 1 1 单套主变压器保护电流互感器次级配置图 图 1 1 中看出 差动保护的保护范围包括主变压器的独立电流互感器至套 管的引线 当旁代时则包括旁路母线 采用双主保护与双后备保护的主变压器 保护一般将第一套保护接原差动保护电流互感器次级 即接独立电流互感器 旁代时需切换 第二套保护接原后备保护电流互感器次级 即接套管电流互感 器 旁代时不需切换 但对降压变压器的高压侧来说 无论是差动保护还是该 侧的后备保护 其保护范围不包括开关电流互感器到变压器套管的引线 对低 2 方案论证与设计 10 压侧来说 其后备保护的保护范围指向非电源侧 所以引线故障将由后备保护 切除 电流具体接入见图 1 2 在独立电流互感器次级足够时 可将第二套保护也接入独立电流互感器 旁代时切套管电流互感器 这可确保正常运行时两套保护均有足够的保护范围 当第一套保护因故退出时 不至于因第二套保护存在死区而影响主变压器的正 常运行 但电流二次回路的切换较麻烦 因操作不当会引起差动保护误动的情 况时有发生 故保护方式满足要求时 不建议过多进行电流回路的切换 因此 该回路在设计及施工时可接好 运行时旁代只切第一套 当第一套保护因故退 出时 将第二套保护的电流回路切至独立电流互感器 为避免电流回路的切换 可两套保护均使用套管电流互感器 在降压变压器的高压侧增设简单电流保护 接独立电流互感器作引线的保护 当旁代时停用该保护 启用旁路保护作引线 及旁路母线的保护 这样保护配置较复杂 该电流保护或旁路保护整定时要考 虑励磁涌流的影响 如何取舍取决于各地的运行习惯 图 1 2 双重化主变压器保护电流互感器次级配置图 2 方案论证与设计 11 第 3 章 电力变压器的继电保护 图 1 5 中 分别表示变压器星形侧的三个线电流 和它们对应的 AYI BYI CYI 电流互感器二次电流为 由于电流互感器的二次绕组为三角形接 aYI bYI cYI 线 3 1 电力变压器的故障类型及保护措施 3 1 1 电力变压器故障及不正常运行状态 电力变压器是电力系统中非常重要的电力设备之一 它的安全运行对于保 证电力系统的正常运行和对供电的可靠性 以及电能质量起着决定性的作用 同时大容量电力变压器的造价也是十分昂贵 因此本节针对电力变压器可能发 生的故障和不正常的运行状态进行分析 然后重点研究应装设的继电保护装置 以及保护装置的整定计算 变压器的内部故障可分为油箱内故障和油箱外故障两类 油箱内故障主要 包括绕组的相间短路 匝间短路 接地短路及经铁芯烧毁等 变压器油箱内的 故障十分危险 由于变压器内充满了变压器油 故障时的短路电流使变压器油 急剧的分解气化 可能产生大量的可燃性气体 很容易引起油箱爆炸 油箱外 故障主要是套管和引出线上发生的相间短路和接地短路 电力变压器不正常和 2 方案论证与设计 12 运行状态主要有外部相间短路 接地短路引起的相间过电流和零序过电流 负 荷超过其额定容量引起的过负荷 油箱漏油引起的油面降低 以及过电压 过 砺磁等 3 1 2 电力变压器继电保护的配置 为了保证电力变压器的安全运行 根据 继电保护与安全自动装置的运行条例 针对变压器的上述故障和不正常运行状态 电力变压器应装设以下保护 1 瓦斯保护 800KVA 及以上的油浸式变压器的 400KVA 以上的车间内油浸式 变压器 均应装设瓦斯保护 瓦斯保护用来反映变压器油箱内部的短路故障以 及油面降低 其中重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧断路器轻瓦斯动作于 发出信号 2 纵差保护或电流速断保护 6300KVA 及以上并列运行的变压器 10000KVA 及以上单独运行的变压器 发电厂厂用工作变压器和工业企业中 6300KVA 及 以上重要的变压器 应装设纵差保护 10000KVA 及以下的电力变压器 应装 设电流速断保护 其过电流保护的动作时限应大于 0 5 对于 2000KVA 以上 的变压器 当电流速断保护灵敏度不能满足要求时 也应装设纵差保护 纵差保护 或电流速断保护用于反映电力变压器绕组 套管及引出线发生的故障 其保护 动作于跳开变压器各电源侧断路器相间短路的后备保护 相间短路的后备保护 用于反映外部相间短路引起的变压器过电流 同时作为瓦斯保护和纵差保护的 后备保护 其动作时限按电流保护的阶梯形原则来整定 延时动作于跳开变压 器各电源侧断路器 3 相间短路的后备保护的形式较多 过电流保护和低电压起动的过电流保护 宜用于中 小容量的降压变压器 复合电压起动的过电流保护 宜用于升压变 压器和系统联络变压器 以及过电流保护灵敏度不能满足要求的降压变压器 6300KVA 及以上的升压变压器 应采用负序电流保护及单相式低电压起动的过 电流保护 对大容量升压变压器或系统联络变压器 为了满足灵敏度要求 还 可以采用阻抗保护 4 过负荷保护 对于 400KVA 以上的变压器 当数台并列运行或单独运行并作 为其他负荷的备用电源时 应装高过负荷保护 过负荷保护通常只装设在一相 其动作进限较长 延时动作于发出信号 2 方案论证与设计 13 5 其他保护 高压侧电压为 500KV 及以上的变压器 对频率降低和电压升高 而引起的变压器砺磁电流升高 应装设变压器过砺磁保护 对变压器温度和油 箱内压力升高 以及冷却系统故障 按变压器现行标准要求 应装设相应的保 护装置 3 2 电力变压器的瓦斯保护 在变压器油箱内常见的故障有绕组匝间或层间绝缘破坏造成的短路 或高 压绕组对地绝缘破坏引起的单相接地 变压器油箱内发生的任何一个故障时 由于短路电流和短路点电弧的作用 将使变压器油及其他绝缘材料因受热而分 解产生气体 因气体比较轻 它们就要从油箱里流向油枕的上部 当故障严重 时 油会迅速膨胀并有大量的气体产生 此时 回游强烈的油流和气体冲向油 枕的上部 利用油箱内部的故障时的这一特点 可以构成反映气体变化的保护 装置 称之为瓦斯保护 3 2 1 气体继电器构成和动作原理 瓦斯保护是利用安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道中的气体继电器 构成的 如图 3 2 所示 为了不妨碍气体的流动 在安装具有气体继电器的变 压器时 变压器顶盖与水平面应具有 1 1 5 的坡度 通往气体继电器的连接 管具有 2 4 的坡度 安装油枕一侧方向向上倾斜 这样 当变压器发生内部 故障时 可使气流容易进入油枕 并能防止气泡积聚在变压器的顶盖内 在瓦斯保护继电器内 上部是一个密封的浮筒 下部是一块金属档板 两者都装有密封的水银接点 浮筒和档板可以围绕各自的轴旋转 在正常运行 时 继电器内充满油 浮筒浸在油内 处于上浮位置 水银接点断开 档板则 由于本身重量而下垂 其水银接点也是断开的 当变压器内部发生轻微故障时 气体产生的速度较缓慢 气体上升至储油柜途中首先积存于瓦斯继电器的上部 空间 使油面下降 浮筒随之下降而使水银接点闭合 接通延时信号 这就是 所谓的 轻瓦斯 当变压器内部发生严重故障时 则产生强烈的瓦斯气体 油 箱内压力瞬时突增 产生很大的油流向油枕方向冲击 因油流冲击档板 档板 克服弹簧的阻力 带动磁铁向干簧触点方向移动 使水银触点闭合 接通跳闸 回路 使断路器跳闸 这就是所谓的 重瓦斯 重瓦斯动作 立即切断与变压 器连接的所有电源 从而避免事故扩大 起到保护变压器的作用 2 方案论证与设计 14 瓦斯继电器有浮筒式 档板式 开口杯式等不同型号 目前大多采用 QJ 80 型继电器 其信号回路接上开口杯 跳闸回路接下档板 所谓瓦斯保护信号 动作 即指因各种原因造成继电器内上开口杯的信号回路接点闭合 光字牌灯 亮 QJ1 80 型气体继电器分轻瓦斯和重瓦斯两部分 轻瓦斯部分主要是由开 口杯 固定在开口杯上的永磁铁 干簧触点构成的 重瓦斯部分主要有挡板 固定在挡板的磁铁 重瓦斯干簧触点及流速整定螺杆构成 当变压器正常工作时 气体继电器内充满了油 开口杯内也充满了油 由 于开口杯在游内重力所产生的力矩比平衡重锤产生的力矩小 因此开口杯处于 向上翘起状态 与开口杯固定在一起的永磁铁处于远离轻瓦斯干簧位置 所以 该干簧触点处于断开状态 当变压器内部繁盛轻微故障时 产生不少气体 逐渐集聚在气体继电器的 上部 使继电器内的油面缓慢下降 当油面降到低于开口杯时 开口杯在空气 中重力加上杯内油的重力所产生的力矩 大于平衡重锤所产生的力矩 于是开 口杯落下来 使固定在开口杯上的永磁铁接近干簧触点 当气体积聚到一定容 积时 干簧触点接通 发出轻瓦斯信号 可通过改变轻瓦斯触点动作的气体容 积在 250 300cm3 的范围内调整 正常情况下 重瓦斯挡板在弹簧的作用下垂直位置 固定在挡板的永久磁 铁远离重瓦斯干簧触点 当变压器油箱内发生严重事故时 油 气流冲击挡板的 2 方案论证与设计 15 力量大于弹簧的弹力时 挡板倾斜了一个角度 使固定在挡板上的永久磁铁靠 近重瓦斯的干簧触点 干簧触点接通 发出跳闸脉冲 重瓦斯动作的油流速度 可利用流速整定螺杆 在 0 7 1 5m s 的范围内调整 值得注意是 变压器初次投入运行时 或由于换油等工作 油中混入少量 的气体 经过一断时间后 这些气体又从油中分离出来 逐渐集聚在气体继电 器的上部 迫使开口杯下降 使轻瓦斯动作 此时 可以通过气体继电器顶部 放气阀 图 3 3 瓦斯保护原理接线图 将气体放出 在故障发生后 为了便于分析故障原因及其性质 可以通过 放气阀收集气体 以便化验分析瓦斯气体的成分 3 2 2 瓦斯保护的原理及接线 瓦斯保护的原理接线如图 3 3 所示 气体继电器的轻瓦斯触点 KG1 由开口 杯控制 构成轻瓦斯保护 其动作后发出警报信号 重瓦斯触点 KG2 由挡板控 制 构成重瓦斯保护 其动作或经信号发生器 KS 启动出口中间继电器 KCO KCO 的两端触点分别使断路器 1QF 2QF 跳闸 从而切断故障电流 为了防止变压器内严重故障时因油速不稳定 造成重瓦斯触点时通时断的 不可靠动作 必须选用带自保持电流线圈的出口中间继电器 KCO 在保护动作 后 借助于断路器的辅助触点 1QF1 和 2QF1 来接触出口回路的自保持 在变压 器加油或换油后及气体继电器试验时 为了防止重瓦斯误动作 可以利用切片 XB 使重瓦斯暂时改接到信号位置 只发信号 瓦斯保护具有灵敏度高 动作迅速 接线简单等优点 但由于瓦斯保护不 2 方案论证与设计 16 能单独作为变压器的主保护 所以通常是将瓦斯保护与纵联差动保护配合作为 变压器的主保护 3 3 电力变压器的纵差保护原理 变压器的纵联差动保护用来反映变压器绕组 引出线及套管上的各种短路 保护故障 是变压器的主保护 图 3 4 变压器差动保护单项原理接线图 纵联差动保护是按比较被保护的变压器两侧电流的大小和相位的原理实现 的 为了实现这种比较 在变压器两侧各装设一组电流互感 TA1 TA2 其二 次侧按环流法连接 即若变压器两端的电流互感器一次侧的正极性端子均置于 靠近母线的一侧 则将它们二次侧的同极性端子相连接 再将差动继电器的线 圈按环流法接入 构成纵联差动保护 见图 2 3 变压器的纵差保护与输电线的 纵联差动相似 工作原理相同 但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同 为了保证变压器纵差保护的正常运行 必须选择好适应变压器两侧电流互感器 的变比和接线方式 保证变压器在正常运行和外部短路时两侧的二次电流不同 其保护范围为两侧电流互感 TA1 TA2 之间的全部区域 包括变压器的高 低 压绕组 套管及引出线等 从图 3 4 可见 正常运行和外部短路时 流过差动继电器的电流为 2 方案论证与设计 17 在理想的情况下 其值等于零 但实际上由于电流互感器特性 2212 IIIr 变比等因素 流过继电器的电流为不平稳电流 变压器内部故障时 流入差动 继电器的电流为 即为短路点的短路电流 当该电流大于 KD 的动 2212 IIIr 作电流时 KD 动作 由于变压器各侧额定电压和额定电流不同 因此 为了保护其纵联差动保 护正确动作 必须适当选择各侧电流互感器的变比 使得正常运行和外部短路 时 差动回路内没有电流 如图 3 4 中 应使 1 2 2 1 1 2212 TATA n I n I II 1 式中 高压侧电流互感器的变比 1TA n 低压侧电流互感器的变比 2TA n 式 1 1 说明 要实现双绕组变压器的纵联差动保护 必须适当选择两侧 电流互感器的变比 因此 在变压器纵联差动保护中 要实现两侧电流的正确 比较 必须先考虑变压器变比的影响 实际上 由于电流互感器的误差 变压器的接线方式及励磁涌流等因素的 影响 即使满足式 1 1 条件 差动回路中仍回流过一定的不平衡电流 unbI 越大 差动继电器的动作电流也越大 差动保护灵敏度就越低 因此 要 unbI 提高变压器纵联差动保护的灵敏度 关键问题是减小或消除不平衡电流的影响 3 4 电力变压器相间短路的后备保护和过负荷保护 电力变压器相间短路的后备保护可根据变压器容量的大小和保护装置对灵 敏度的要求 采用过电流保护 低电压起动的过电流保护 复合电压起动的过 电流保护等方式 对于单侧电源的变压器保护装置安装在变压器电源侧 即作 为变压器本身故障的后备保护 又反映变压器外部短路引起的过电流 3 4 1 过电流保护 2 方案论证与设计 18 过电流保护一般用于容量较小的降压变压器上 其单相原理接线如图 所示 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 即 op L max IKre Krel I 式中 Krel 可靠系数 一般采用 1 2 1 3 Kre 返回系数 一般采用 0 85 L max 变压器的最大负荷电流 I L max 可按下述两种情况来考虑 I 1 对并列运行的变压器 应考虑切除一台变压器以后所产生的过负荷 若 各变压器的容量相等时 可按下式计算为 L max N B I1 m m I 式中 m 并列运行的变压器的台数 2 方案论证与设计 19 N B 变压器的额定电流 I 2 对降压变压器 应考虑负荷中电动机起动时的最大电流 即 L max ssI L max I 式中 Kss 自起动系数 其值与负荷性质及用户与电源间的电气距离有 关 在 110KV 降压变电站 对 6 10KV 侧 KSS 1 5 2 5 35KV 侧 KSS 1 5 2 0 IL max 正常运行时的最大负荷电流 保护装置的灵敏校验 Ksen op I Ik min 式中 Ik min 最小运行方式下 在灵敏度校验发生两相短路时 流过保 护装置的最小短路电流 在被保护变压器受电侧母线上短路时 要求 1 5 2 0 在后备保护范围 sen K 末端短路时 要求 2 1 sen K 保护装置的动作时限应与下一级过电流保护配合 要比下一级保护中最大 动作时限大一个时限级差 t 3 4 2 低电压起动的过电流保护 低电压起动的过电流保护单相原理接线如图 3 6 所示 保护的起动元件包 括电流继电器和低电压继电器 电流继电器的动作电流按躲过变压器的额定电流整定 即 2 方案论证与设计 20 op N B 1 8 IKre Krel I 故其动作电流比过电流保护的起动电流小 提高了保护的灵敏性 低电压继电器的动作电压 Uop 0 7UN B 电流元件的灵敏系数按式 1 8 校验 电压元件的灵敏系数按下式校验 即 Ksen max k op U U 式中 Uk max 最大运行方式下 灵敏系数校验点短路时 保护安装处的 最大电压 对装设在变压器低压侧的低电压继电器 若在变压器高压侧短路 其灵敏 系数不能满足要求时 可在变压器高压侧再装一套低电压继电器 两套低电压 继电器的接点并联 3 4 3 复合电压起动的过电流保护 若低电压起动的过电流保护的低电压继电器灵敏系数不满足要求 可采用 复合电压起动的过电流保护 电压起动的过电流保护的过电流保护的原理图与低电压起动的过电流保护 基本相同 不同的是用一个低电压继电器和一个负序电压继电器代替了低电压 起动的过电流保护中的三个低电压继电器 使得保护的灵敏度提高了很多 负 2 方案论证与设计 21 序电压继电器由负序电压滤过器和一个低电压继电器构成 1 负序电压滤过器 负序电压滤过器从三相电压中取出负序电压分量 由电阻 电容构成的单 相式负序电压滤过器应用广泛 其原理接线如图所示 滤过器的输入端接 UABY 与 UBC 由于线电压不包含零序分量 所以 从输入端即避免了零序分 量电压进入滤过器 为了避免正序电压通过滤过器 两个阻抗臂的参数应取为 cl XR3 1 22 3 1 C XR 21C XR 滤过器的输出电压为 2 1 CRmnUUU 当输入正序电压时 滤过器的相量图 因为 电流超前 cl XR3 1 AB I 因为 电流超前 滞后 0 1 30 ABU 22 3 1 C XR BCI 0 1 60 BCU 2 CU 0 90BCI 与同相 因 故 1 RUABI 2 1 CRUU 0 2 1 1 CRmnUUU 当输入负序电压时 滞后 由图可见 故 2 ABU 0 2 120 BCU 0 60 1 2 j RCeUU 1 1 0 60 1 2 1 2 j RCRmneUUUU 9 由于 且 因此 2 1 2 CRABUUU 0 90 1 1 3 j CRUU 以此代入 1 9 得 0 300 2 1 30cos j ABReUU 00 30600 2 2 1 30cos jj ABmneeUU 1 00 30 2 60 2 35 15 1 j A j ABeUeU 10 由式 1 10 可见 滤过器的输出电压与输入的负序电压成正比 相位超 前输入 A 相负序电压 0 2 30 AU 2 方案论证与设计 22 实际上 当系统正常运行时 负序电压滤过器仍有一个不平衡电压输 unbU 出 产生不平衡电压的原因主要是各阻抗元件参数的误差及输入电压中有谐波 分量 由于 5 次谐波属负序性质 它可以通过滤过器 通常在滤过器的输出端 加设 5 次谐波滤过器 消除 5 次谐波的影响 2 复合电压起动的过电流保护的工作原理 在正常运行时 由于电压没有负序分量 所以负序电压继电器 KVZ 的动断 触点闭合 将线电压加入低电压继电器 KV 的线圈上 KV 动断触点断开 保 护装置不动作 当外部发生不对称短路时 故障相电流起动元件 KA 动作 负序电压继电 器中的负序电压滤过器 KUG 输出负序电压 负序电压继电器 KVZ 动作 其动 断触点断开 低电压继电器 KV 线圈失磁 其动断触点闭合 起动中间继电器 KC 的线圈 其动合触点闭合 使时间继电器 KT 动作 经过其整定时限后 KT 的延时触点闭合 起动出口中间继电器 KCO 将变压器两侧断路器 1QF 2QF 跳闸 切断故障电流 当发生三相短路时 低电压继电器 KV 线圈失磁而返回 其动断触点闭合 同时 电流继电器 KA 动作 按低电压起动的过电流保护的方式 作用于 1QF 2QF 跳闸 3 复合电压起动的过电流保护的整定计算 2 方案论证与设计 23 电流元件的动作电流与低压起动的过电流保护中的电流元件的动作整定 值相同 低电压元件的动作电流为 BNop UU 7 0 式中 变压器额定电压 BN U 低压元件的灵敏度为 2 1 max k reop sen U KU K 式中 相邻元件末端三相金属性短路时 保护安装处的最大线电压 max k U 低压元件的返回系数 re K 负序电压元件的动作元件的动作电压按避开正常运行的不平衡负序电压 整定 其起动电压 U2op 取为 BNop UU 2 12 0 06 0 负序电压元件灵敏度 2 方案论证与设计 24 op K sen U U K 2 min 2 式中 Uk2 min 相邻元件末端不对称短路故障时的最小负序电压 方向元件的整定 a 三侧有电源的三绕组生压变压器 在高压侧和中压侧加功率方向元件 其方向可指向该侧母线 b 高压及中压侧有电源或三侧均有电源的三绕组降压变压器的联络变压器 在高压侧和中压侧加功率方向元件 其方向宜指向变压器 动作时限按大于相邻主变压器后备保护的动作时限整定 相间方向元件的电压可取本侧或对侧的 取对侧的 两侧绕组接线方式 应一样 复合电压元件可取本侧的 也可取变压器各侧 或 的方式 3 4 4 过负荷保护 变压器的过负荷 在大多数情况下是三相对称的 所以过负荷保护只须用 一个电流继电器接于一相电流即可 为了防止外部短路时不误发过负荷信号 保护经延时动作于信号 过负荷保护的动作电流 按躲过变压器的额定电流整定 即 BN rel op I K K I re 2 方案论证与设计 25 式中 可靠系数 取 1 05 rel K 返回系数 取 0 85 re K 变压器过负荷保护的动作时限比变压器的后备保护动作时限大一个 t 3 5 电力变压器的温度保护 当变压器的冷却系统发生故障或发生外部短路和过负荷时 变压器的油温 将升高 变压器的油温越高 油的劣化速度越快 使用年限减少 当油温达 115 150 时劣化更明显 以致不能使用 油温越高将促使变压器绕组绝缘加 速老化影香其寿命 因此 变压器运行规程 规定 上层油温最高允许值为 95 正常情况下不应超过 85 所以运行中对变压器的上层油温要进行监视 凡是容量在 1000KVA 及以上的油侵式变压器均要装设温度保护 监视上层油 温的情况 对于变电所 凡是容量在 315KVA 及以上的变压器 通常都要装设 温度保护 对于少数用户变电站 凡是容量在 800KVA 左右的变压器 都应装 设温度保护 但温度保护只作用于信号 温度继电器的工作原理 当变压器油温升高时 受热元件发热升高使连接管中的液体膨胀 温度计 中的压力增大 可动指针向指示温度升高的方向转动 当可动指针与事先定位 的黄色指针接触时 发出预告信号并开启变压器冷却风扇 如经强风冷后变压 器的油温降低 则可动指针逆时针转动 信号和电风扇工作停止 反之 如变 压器油温继续升高 可动指针顺时针转动到与红色定位指针接触 这是未避免 事故发生而接通短路器跳闸线圈回路 使短路器跳闸 切除变压器 并发出声 响灯光信号 温度继电器的结构 变压器油温的监视采用温度继电器 K 它由变压器生产厂成套提供 它 是一种非电量继电器 常用的电触头压力式温度继电器的结构图 它由受热元 件 温度计及附件组成 是按流体压力原理工作的 温度计是一只灵敏的流体压力表 他有一支可动指针和两支定位指针分别 为黄色和红色 铜质连接管内充有乙醚液体或氯甲烷 丙酮等 受热元件插在 变压器油箱定盖的温度测孔内 2 方案论证与设计 26 3 5 1 变压器的冷却系统 大型电力变压器常用的冷却方式一般分为 3 种 油浸自冷式 油浸风 冷式 强迫油循环 油浸自冷式就是以油的自然对流作用将热量带到油箱壁和 散热管 然后依靠空气的对流传导将热量散发 它没有特制的冷却设备 而油 浸风冷式是在油浸自冷式的基础上 在油箱壁或散热管上加装风扇 利用吹风 机帮助冷却 加装风机后可使变压器的容量增加 30 35 强迫油循环冷却 方式 又分强油风冷和强油水冷 2 种 它是把变压器中的油 利用油泵打入油 冷却器后再复回油箱 油冷却器做成容易散热的特殊形状 利用风扇吹风或循 环水作冷却介质 把热量带走 这种方式若将油的循环速度比自然对流时提高 3 倍 则变压器可增加容量 30 风冷变压器又分为 2 种冷却方式 即冷却器 冷却和片式散热器冷却 其原理基本相同 目前我国大型电力变压器的冷却装置配置情况是 根据变压器容量的大小 配置数组风冷油循环冷却装置 每组风冷油循环冷却装置由 1 台油泵和 3 4 台 风扇组成 运行 其余所有冷却器全部投入运行 此配置有其不尽人意的地方 在夏季高运行中为满足变压器的各种运行工况 一般要求冷却器 1 台备用 运行 冷却器故障时可自动投入运行 1 台辅助 变压器负荷电流大于 70 i e 或上层 油温高于某一定值时自动投入温季节 机组满负荷运行 变压器冷却装置全部 投入 但其上层油温仍高达 70 左右 有时变压器油枕油位因气温变化而高出指 示范围 但在夜间尤其是在暴雨过后的夜间 因负荷和气温骤降 虽然已将变 压器辅助冷却器停运 但变压器油温仍降至 30 以下 也就是油温的变化幅度 超过了环境温度的变化 在冬季负荷较低或特别寒冷的季节 变压器因油温过 低 不得不对其进行加油 这对变压器的安全运行和寿命将是十分不利的 即 使日常负荷变化和气温变化没有如此之大 但变压器的温度变化是实际存在的 第 4 章 针对 220KV 主变压器保护的配置 4 1 220KV 变压器保护配置的原则 4 1 1 主保护 2 方案论证与设计 27 1 差电流速断保护 2 比例制动保护差动采用二次谐波制动原理 3 比例制动保护差动采用间断角闭锁原理 4 设有 CT 二次回路断线检查告警信号或闭锁差动保护 不包括差流速 断 的功能 主保护瞬时启动跳 3 侧开关 4 1 2 后备保护 A 220KV 侧 a 复合电压闭锁方向电流保护 方向原件可指向母线 也可指向变压器 方向原件的改变可用控制字实现 I 段 2 级时限 第 1 级时限动作跳本侧母联 断路器 第 2 级时限动作跳本侧断路器 b 复合电压闭锁过流保护 I 段 1 级时限 动作后跳 3 侧断路器 c 零序电压闭锁零序方向电流保护 方向原件可指向母线 也可指向变压 器 方向原件的改变可用控制字实现 分 2 段 每段 2 级时限 1 2 段第 1 级 时限动作跳本侧母联断路器 1 2 段第 2 级时限动作跳本侧断路器 d 零序电压闭锁零序过流保护 1 段 2 级时限 第 1 时限动作跳 3 侧断路器 第 2 级时限留作备用 e 间隙过流保护 1 段 1 级时限 跳 3 侧断路器 f 间隙过电压保护 1 段 1 级时限 跳 3 侧断路器 g 过负荷保护 发信号 h 设置过负荷联切 110KV 以及 35KV 线路启动回路 i 设断路器失灵启动回路 j 设置非全相保护 B 110KV 侧 a 复合电压闭锁方向电流保护 方向原件可指向母线 也可指向变压器 方向原件的改变可用控制字实现 1 段 2 级时限 第 1 级时限动作跳本侧母联 断路器 第 2 级时限动作跳本侧断路器 b 复合电压闭锁过流保护 1 段 1 级时限 动作后跳 3 侧断路器 c 零序电压闭锁零序方向电流保护 方向原件可指向母线 也可指向变压 2 方案论证与设计 28 器 方向原件的改变可用控制字实现 分 2 段 每段 2 级时限 1 2 段第 1 级时限动作跳本侧母联断路器 1 2 段第 2 级时限动作跳本侧断路器 d 零序电压闭锁零序过流保护 1 段 2 级时限 第 1 级时限动作跳 3 侧断路 器 第 2 级时限留作备用 e 间隙过流保护 1 段 1 级时限 跳 3 侧断路器 f 间隙过电压保护 1 段 1 级时限 跳 3 侧断路器 g 过负荷保护 发信号 C 10KV 侧 a 复合电压闭锁过电流保护 1 段 2 级时限 第 1 级时限动作跳本侧母联断 路器 第 2 级时限动作跳本侧断路器 b 过负荷保护 抚仙湖 c 设低周减载保护电流启动回路 4 1 3 非电量保护 1 重瓦斯引入接点 发出信号并顺时跳 3 侧断路器 2 轻瓦斯引入接点 瞬时动作于信号 3 温度引入接点 瞬时动作于信号 4 风冷消失引入接点 动作于信号且经常延时动作于跳闸 5 压力释放保护引入接点 动作于信号且延时动作跳 3 侧断路器 6 非电量保护引入接点均为强电 220V 开关量空接点 4 1 4 电源 1 差动保护装置均独立设置电源 2 后备保护装置均独立设置电源 4 1 5 其他技术要求 1 高 中 低 3 侧的复合电压并联 以保证高 中压侧灵敏度 并可采 用连接片投退其中任何一侧复合电压 2 高 中 压侧的复合电压闭锁方向过流保护中方向元件电压交叉引线 方向元件投退靠控制字实现 3 根据 反措 要求装置各保护段时限都可用硬压板控制投退 4 本保护直流工作电源为 220V 当工作电源消失 保护装置应闭锁跳 2 方案论证与设计 29 闸出口 并发出报警信号 5 保护装置的主 后备保护应分别经熔断器接入独立电源 6 保护装置应有足够的输出接点用于跳闸 远东 故录 报警等回路 并备用接点 7 装置的跳闸出口继电器应有自保持 并有监视手段 使用人工复归 出口继电器应为强电 220V 8 本体非电量保护引入本装置的接点可以再扩充 引入接点均为强电 220V 开关量空接点 4 2 两套主保护装置的特点 A WBZ 1201 型 二次谐波原理 差动主保护 含主 后备保护 特点 1 该保护的最大特点是在变压器空投内部故障时 保护动作可以不受非 故障相励磁涌流影响 2 装置整体配置采用多 CPU 分层式结构 主保护 后备保护以及监控管 理都由独立 CPU 的模件完成 每个模件都可独立完成一种或多种功能 3 监控管理与各保护模件联系采用串行通讯模式 4 监控管理单元完成人机对话 信息收集 事件记录 时钟校对 对各 保护单元巡检等功能 同时设有一个 RS 232C 接口 与监控系统或其他就地管 理系统相联 可实现保护的就地或异地管理 5 设有 CT 二次回路断线检查告警信号或闭锁差动保护功能 B WBZ 04 型 间断角原理 差动主保护特点 1 采用间断角原理 对于主变各种状况下发生的内部故障均能快速可靠 切除 2 采用高性能模数转换器 采样频率高达 2400Hz 每周 48 点 保证其 具有很高间断角测量精度 3 采用多微处理器并行工作结构 有 3 个相互独立的微处理器系统分别 完成三相保护 灵一微处理系统完成人机界面 监控管理等功能 4 装置提供 2 个串行通讯接口 第 1 串口按 EISASRS 232C 或 RS422 485 标准接口方式 用于和综合化系统或 RTU 通讯 第 2 串口按 EISARS 232C 标准接口 可使用 PC 机进行定制整定 调试和故障分析 2 方案论证与设计 30 5 设有 CT 二次回路断线检查告警信号或闭锁差动保护的功能 4 3 变压器保护的二次接线 4 3 1 两套保护采用独立的交流电流和电压回路 220KV 主变保护双主 双后配置是基于任何一套保护退出运行 均不影响 主变的正常工作而设置的 因此 25 项中明确规定 两套保护的交流电流回路应 相互独立 目前对采用不同的电流互感器二次绕组是没有任何异议的 但对电 压回路的相互独立性却存在不同的意见 1 是否取自不同的电压互感器二次绕组 由于变压器过电流保护的复合电压闭锁原件均取自各侧复合电压的 或 逻辑 因此保护要求两套完全独立的交流电压输入似乎不是非常必要 即使设 置 可能对变压器而言提供两套完全独立的 10KV 交流电压回路 应该还稍重 要些 这是由于其他侧母线电压对 10KV 故障的反应灵敏度较差 由于 220KV 线路保护均为双主 双后的配置 因此在同样的交流电压相互 独立的要求下 对 220KV 母线电压互感器可选用带四个二次绕组的设备 即 三个星型绕组 一个开口三角绕组 对 220KV 变压器保护而言 三个星型绕组 中除一个专供计量外 一个供保护一 一个经不同的空气开关后供保护二和测 量回路 旧有母线电压互感器 由于只有两个星型绕组 因此两套保护的交流 电压均取自同一个绕组 此时应注意两组电压需经不同的分支开关 2 电压切换箱是否双配置 过去工程设计中变压器各侧一般均采用单套电压配置的方法 这样当切换 箱故障时 变压器后被保护功能将不再完整 因此对于目前从源头上已有两套 交流电压提供的前提下 可通过增加分相操作箱中电压切换插件的方式使变压 器 220KV 侧具备双电压切换回路 但对于 220KV 侧有旁路的接线形式 我认 为需在保护屏已有的三套电压切换回路的情况下再增加一套 且旁路代路方式 不是经常出现 因此可以不考虑 4 3 2 电流互感器二次绕组的保护配置 A 双母线接线方式 对于目前普遍采用的高 中压侧双母接线形式 在变压器的电流互感器二 次绕组保护配置中应注意一下几个问题 2 方案论证与设计 31 1 220KV 侧断路器失灵保护于母线保护的范围应交叉 这主要是考虑对 任意点故障均能保证快速切除 2 高 中压侧间隙保护和零序保护的电流互感器二次绕组均采用双配置 这样做不仅可以满足两套保护交流电流回路完全独立的要求 且工程实际中也 较易实现 3 主