某35kV变电所主变压器继电保护设计11

成都电子机械高等专科学校 课程设计说明书课程设计说明书 设计题目 某设计题目 某 35kV 变电所主变压器继电保护设计变电所主变压器继电保护设计 专专 业 业 供用电技术供用电技术 班级学号 班级学号 1026110261 0404 学生姓名 学生姓名 尹荣超尹荣超 指导教师 指导教师 张祥军张祥军 2012 年 12 月 1 电力系统继电保护课程设计任务书电力系统继电保护课程设计任务书 适用专业 供用电技术 指导教师 张祥军 一 设计题目 某 35kV 变电所主变压器继电保护设计 二 原始数据 1 电压等级 35 6kV 2 系统参数 本矿 35KV 变电所是留庄镇变电所提供供电 两回路是直接从 留新线线路引入 长度都是 4 605km 中间有母线相连 上级的 35kV 母线的最 大及最小短路容量分别为 1200MV A 和 800MV A 线路选的型号为 LGJ 240 型 变电所提供电源的定时限过电流保护动作时限均为 2 0s 3 变电所主接线形式 35kV 全桥式接线 6kV 单母线分段接线 主变压器两台 S11 25000 35kV Y d11 接线变压器 4 运行方式 以两个主变压器全投入运行 负荷全投 母线分段断路器合闸 2 运行为最大运行方式 以乙主变压器停运 电缆停运 分段断路器断开运行为 最小运行方式 3 第一章 继电保护的概述 1 1 1 继电保护的概述 1 1 2 保护装置的作用 1 1 3 继电保护的基本原理 2 1 4 对保护装置的要求 3 第二章 本系统故障分析 3 2 1 系统线路主要的故障 3 2 2 电力变压器的故障 3 2 3 变压器的不正常情况 4 2 4 10KV 线路继电保护装置 4 2 4 1 单回出线保护 4 2 4 2 双回路出线保护 4 2 5 主变压器继电保护装置设置 4 2 5 1 主保护 4 2 5 2 后备保护 5 2 5 3 异常运行保护和必要的辅助保护 5 2 6 变电所的自动装置 5 2 6 1 瞬时故障的继电保护 5 2 6 2 提高供电可靠性 5 2 6 3 保证系统电能质量 5 2 7 本设计继电保护装置原理概述 6 2 7 1 10KV 线路过电流保护 6 2 7 2 变压器瓦斯保护 6 2 7 3 变压器纵联差动保护 6 第三章 短路电流计算 7 3 1 系统电路图 7 第四章 主变继电保护整定计算及继电器选择 10 4 2 纵联差动保护 11 4 2 1 原理图如图所示 11 4 2 2 计算 Ie 及电流互感器变比 11 4 2 3 确定基本侧动作电流 12 4 2 4 确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流 13 4 2 5 灵敏度的校验 13 4 2 6 初步确定短路线圈的抽头 14 4 3 定时限过流保护计算 14 第五章 各种继电器的选择 15 5 1 电流继电器的选择 15 5 2 时间继电器的选择 16 5 3 中间继电器的选择 16 5 4 信号继电器的选择 16 5 5 电流互感器的选择 16 第六章 设计总图 17 第七章 总结 17 参 考 文 献 17 1 某 35kV 变电所主变压器继电保护设计 第一章 继电保护的概述 1 1 继电保护的概述继电保护的概述 继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量 电流 电压 功率 频率等 的变化 构成继电保护动作的原理 也有其他的物理量 如变压 器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高 大 多数情况下 不管反应哪种物理量 继电保护装置都包括测量部分 和定值调整 部分 逻辑部分 执行部分 继电保护及自动化是研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况 以 探讨其对策的反事故自动化措施 因在其发展过程中曾主要用有触点的继电 器来保护电力系统及其元件 发电机 变压器 输电线路等 使之免遭损 害 所以沿称继电保护 基本任务是 当电力系统发生故障或异常工况时 在可能实现的最短时间和最小区域内 自动将故障设备从系统中切除 或发 出信号由值班人员消除异常工况根源 以减轻或避免设备的损坏和对相邻地 区供电的影响 1 2 保护装置的作用保护装置的作用 在企业供配电系统中 无论是系统还是设备有时都会出现不正常的工作状态 因此 在供配电系统中一旦发生短路故障 必须尽快的将故障元器件切离电源 还应及时发现和消除对系统或用电设备有危害的不正常工作状态 从而保证电 气设备的可靠运行 保护装置是能及时发现各种故障和不正常工作状态 并能根据工作性质准确 切除故障和将不正常工作状态通过信号装置报警的一种自动装置 1 当故障发生时 保护装置动作 并借助断路器自动的 快速的 有选择性的 将故障元件迅速的从供电系统中切除 避免事故的扩大 保证其他电气设备继 2 续正常运行 2 当出现不正常工作状态时 保护装置动作 及时发出报警信号 以便引起运 行人员的注意并及时处理 3 保护装置还可以和供电系统的其他自动装置 如备用电源自动投入装置 自 动重合闸装置等配合 大大的缩短了短路故障停电时间 及时恢复正常供电 从而提高了供电系统的运行的可靠性 1 3 继电保护的基本原理继电保护的基本原理 继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量 当突变量达到一定值时 起动逻辑控制环节 发出相应的跳闸脉冲或信号 故障后 工频电气量变化的主要特征及可以构成的保护 1 电流增大 构成电流保护 2 电压降低 构成低电压保护 3 电流与电压之间的相位角改变 构成功率方向保护 4 测量阻抗发生变化 构成距离保护 5 故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化 构成差动保护 6 不对称短路时 出现相序分量 构成零序电流保护 负序电流保护和 负序功率方向保护 电力系统的继电保护根据被保护对象不同 分为发电厂 变电所电气设备 的继电保护和输电线路的继电保护 前者是指发电机 变压器 母线和电动机 等元件的继电保护 简称为元件保护 后者是指电力网及电力系统中输电线路 的继电保护 简称线路保护 按作用的不同继电保护又可分为主保护 后备保护和辅助保护 主保护是指被保护元件内部发生的各种短路故障时 能满足系统稳定及设 备安全要求的 有选择地切除被保护设备或线路故障的保护 后备保护是指当主保护或断路器拒绝动作时 用以将故障切除的保护 后 备保护可分为远后备和近后备保护两种 远后备是指主保护或断路器拒绝时 由相邻元件的保护部分实现的后备 近后备是指当主保护拒绝动作时 由本元件的另一套保护来实现的后备 3 当断路器拒绝动作时 由断路器失灵保护实现后备 继电保护装置需有操作电源供给保护回路 断路器跳 合闸及信号等二次 回路 按操作电源性质的不同 可以分为直流操作电源和交流操作电源 通常 在发电厂和变电所中继电保护的操作电源是由蓄电池直流系统供电 因蓄电池 是一种独立电源 最大的优点是工作可靠 但缺点是投资较大 维护麻烦 交 流操作电源的优点是投资少 维护简便 但缺点是可靠性差 因此 交流操作 电源的继电保护适合于小型变电所使用 1 4 对保护装置的要求对保护装置的要求 1 选择性 当电力系统发生故障时 只让离故障点最近的保护装置动作 切除 故障元件 保证其他电气设备的正常运行 2 快速性 当电力系统发生故障时 快速切除故障可以减轻短路电流对电气设 备的破坏程度 尽快回复供电系统的正常运行 3 可靠性 保护装置必须经常处于准备状态 一旦在本保护区发生短路故障或 不正常工作状态时 它都不该拒绝动作或误动作 而必须可靠动作 4 灵敏性 保护装置对其在本保护区发生故障或不正常工作状态 无论其位置 如何 程度轻重 均有足够的反应能力 保证动作 各种保护装置的灵敏性用 灵敏度 来衡量 第二章 本系统故障分析 2 1 系统线路主要的故障系统线路主要的故障 本设计中的电力系统具有非直接接地的架空线路及中性点不接地的电力变压器 等主要设备 就线路来讲 其主要故障为单相接地 两相接地和三相接地 2 2 电力变压器的故障电力变压器的故障 分为外部故障和内部故障两类 1 变压器的外部故障常见的是高低压套管及引线故障 它可能引起变压器出线 4 端的相间短路或引出线碰接外壳 2 变压器的内部故障有相间短路 绕组的匝间短路和绝缘损坏 2 3 变压器的不正常情况变压器的不正常情况 变压器的不正常运行过负荷 由于外部短路引起的过电流 油温上升及不允许 的油面下降 2 4 6KV 线路继电保护装置线路继电保护装置 根据线路的故障类型 按不同的出线回路数 设置相应的继电保护装置如下 2 4 1 单回出线保护单回出线保护 采用两段式电流保护 即电流速断保护和过电流保护 其中电流速断保护为主 保护 不带时限 0S 跳闸 2 4 2 双回路出线保护双回路出线保护 采用平行双回线路横联方向差动保护加电流保护 其中横联方向差动保护为主 保护 电流保护作为横联方向差动保护的后备保护 2 5 主变压器继电保护装置设置主变压器继电保护装置设置 变压器为变电所的核心设备 根据其故障和不正常运行的情况 从反应各种不 同故障的可靠 快速 灵敏及提高系统的安全性出发 设置相应的主保护 异 常运行保护和必要的辅助保护如下 2 5 1 主保护主保护 瓦斯保护 以防御变压器内部故障和油面降低 纵联差动保护 以防御变压器 绕组 套管和引出线的相间短路 5 2 5 2 后备保护后备保护 过电流保护 以反应变压器外部相间故障 过负荷保护 反应由于过负荷而引 起的过电流 2 5 3 异常运行保护和必要的辅助保护异常运行保护和必要的辅助保护 温度保护 以检测变压器的油温 防止变压器油劣化加速 和冷却风机自启动 用变压器一相电流的 70 来启动冷却风机 防止变压器油温过高 2 6 变电所的自动装置变电所的自动装置 2 6 1 瞬时故障的继电保护瞬时故障的继电保护 针对架空线路的故障多系雷击 鸟害 树枝或其它飞行物等引起的瞬时性短路 其特点是当线路断路器跳闸而电压消失后 随着电弧的熄灭 短路即自行消除 若运行人员试行强送 随可以恢复供电 但速度较慢 用户的大多设备 电动 机 已停运 这样就干扰破坏了设备的正常工作 因此本设计在 6KV 各出线上 设置三相自动重合闸装置 CHZ 即当线路断路器因事故跳闸后 立即使线路 断路器自动再次重合闸 以减少因线路瞬时性短路故障停电所造成的损失 2 6 2 提高供电可靠性提高供电可靠性 针对变电所负荷性质 缩短备用电源的切换时间 提高供电的不间断性 保证 人身设备的安全等 本设计在 35KV 母联断路器 DL1 6KV 母联断路器 DL8 处装设备用电源自动投入装置 BZT 2 6 3 保证系统电能质量保证系统电能质量 频率是电能质量的基本指标之一 正常情况下 系统的频率应保持在 50Hz 运行 频率和它的额定值见允许差值限制在 0 5Hz 内 频率降低会导致用电企业的机 械生长率下降 产品质量降低 更为严重的是给电力系统工作带来危害 而有 6 功功率的缺额会导致频率的降低 因此 为保证系统频率恒定和重要用户的生 产稳定 本设计 6KV 出线设置自动频率减负荷装置 ZPJH 按用户负荷的重要 性顺序切除 2 7 本设计继电保护装置原理概述本设计继电保护装置原理概述 2 7 1 6KV 线路过电流保护线路过电流保护 是利用短路时的电流比正常运行时大的特征来鉴别线路发生了短路故障 其动 作的选择性由过电流保护装置的动作具有适当的延时来保证 有定时限过电流 保护和反时限过电流保护 本设计与电流速断保护装置共用两组电流互感器 采用二相二继电器的不完全星形接线方式 选用定时限过电流保护 作为电流 速断保护的后备保护 来切除电流速断保护范围以外的故障 其保护范围为本 线路全部和下段线路的一部分 2 7 2 变压器瓦斯保护变压器瓦斯保护 是利用安装在变压器油箱与油枕间的瓦斯继电器来判别变压器内部故障 当变 压器内部发生故障时 电弧使油及绝缘物分解产生气体 故障轻微时 油箱内 气体缓慢的产生 气体上升聚集在继电器里 使油面下降 继电器动作 接点 闭合 这时让其作用于信号 称为轻瓦斯保护 故障严重时 油箱内产生大量 的气体 在该气体作用下形成强烈的油流 冲击继电器 使继电器动作 接点 闭合 这时作用于跳闸并发信 称为重瓦斯保护 2 7 3 变压器纵联差动保护变压器纵联差动保护 是按照循环电流的原理构成 在变压器两侧都装设电流互感器 其二次绕组按 环流原则串联 差动继电器并接在回路壁中 在正常运行和外部短路时 二次 电流在臂中环流 使差动保护在正常运行和外部短路时不动作 由电流互感器 流入继电器的电流应大小相等 相位相反 使得流过继电器的电流为零 在变 压器内部发生相间短路时 从电流互感器流入继电器的电流大小不等 相位相 7 同 使继电器内有电流流过 但实际上由于变压器的励磁涌流 接线方式及电 流互感器误差等因素的影响 继电器中存在不平衡电流 变压器差动保护需解 决这些问题 方法有 靠整定值躲过不平衡电流 采用比例制动差动保护 采用二次谐波制动 采用间歇角原理 采用速饱和变流器 本设计采用较经济的 BCH 2 型带有速饱和变流器的继电器 以提高保护装 置的励磁涌流的能力 第三章 短路电流计算 3 1 系统电路图系统电路图 如图所示 基准参数的选定 Sd 100MVA UC1 37KV Uc2 6 3KV 8 Id1 Sd UC1 100 37 1 56KA 33 Id2 Sd UC2 100 6 3 9 16KA 33 阻抗计算 系统 X1 100 1200 0 083 X2 100 800 0 125 线路 X3 X0LSd UC12 0 4 4 065 100 372 0 135 变压器 T1 T2 X5 X6 Uk Sd SN100 0 075 100 6 3 1 19 短路电流的计算 最大运行方式下 1 绘制等效电路如图所示 图上标出各元器件的序号和电抗标幺值 并标出短路计 算点如下所示 SK 1200MVA LGJ 240 4 605KM X0 0 4 KM 35KV6KV K 1K 2T1 T2 S11 25000 35KV U K 7 5 S11 25000 35KV U K 7 5 1 0 083 2 0 135 3 1 19 4 1 19 K 1K 2 XK 1 X1 X3 0 083 0 135 0 218 IK 1 3 Id1 XK 1 1 56 0 218 7 16KA Ish 2 55IK 1 3 2 55 7 16 18 25KA XK 2 X1 X3 X5 X6 0 218 1 19 2 0 813 9 IK 2 3 Id2 XK 2 5 5 0 813 6 77KA 6KV 侧短路时 折算到 35KV 侧的三相短路电流 Ik21max Id1 XK 2 1 56 0 813 1 92KA 最小运行方式下 以乙主变停运 电缆停运 分段断路器断开运行为最小运行方式 绘制等效电路如图所示 图上标出各元器件的序号和电抗标幺值 并标出短路 计算点如下所示 SK 800MVA LGJ 240 4 065KM X0 0 4 KM 35KV6KV K 1K 2T1 S11 25000 35KV UK 7 5 1 0 083 2 0 135 3 1 19 K 1K 2 X7 X1 X3 0 083 0 135 0 218 X11 X7 X5 0 218 1 19 1 408 35KV 上的短路电流 Ik1min Id1 X7 1 56 0 218 7 5KA 10KV 上的短路电流 Ik2min Id2 X11 5 5 1 408 3 91KA 折算到 35KV 侧 Ik21min Id1 X11 1 56 1 408 1 11KA 第四章 主变继电保护整定计算及继电器选择 4 1 瓦斯保护瓦斯保护 10 轻瓦斯保护的动作值按气体容积为 250 300cm2整定 本设计采用 280 cm2 重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为 0 6 1 5 cm2整定本 本设计采用 0 9 cm2 瓦斯继电器选用 FJ3 80 型 4 2 纵联差动保护纵联差动保护 选用 BCH 2 型差动继电器 4 2 1 原理图如图所示原理图如图所示 4 2 2 计算计算 Ie 及电流互感器变比及电流互感器变比 11 列表如下 各侧数据 名 称 Y 35KV 6KV 一次侧额定电流I1e S UN 412 4A 3 I2E S UN 2405 6A 3 变压器接线方式 Y CT 接线方式 Y CT 计算变比I1e 5 714 3 5 3 I2e 5 2405 6 5 实选 CT 变比 n 800 52800 5 二次侧额定电流I1e 160 4 46A 3 I2e 540 4 30A 不平衡电流 Ibp 4 46 4 30 0 16A 确定基本侧基本侧非基本侧 4 2 3 确定基本侧动作电流确定基本侧动作电流 1 躲过外部故障时的最大不平衡电流 IOP KrelIbp IOP Krel 10 Kst U fN Ik21max Krel 可靠系数 采用 1 3 Kst 非同期分量引起的误差 两侧电流互感器型号相同时取 0 5 不同时取 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 fN 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 IOP 1 3 0 5 0 1 0 05 0 05 1 92 0 3744KV 374 4A 2 躲过变压器空载投入或外部故障后电压恢复时的励磁涌流 IOP KrelI1e 1 3 412 4 536 1A 综上 IOP 910 5A 12 4 2 4 确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流确定基本侧差动线圈的匝数和继电器的动作电流 1 差动继电器基本侧 35KV 侧 的二次动作电流 IOP KD IOPKCON KTA 374 4 1 800 5 2 34A KCON 基本侧电流互感器接线系数 取 1 2 基本侧继电器差动线圈匝数 Nop cal AN0 IOP KD 60 2 34 25 6 匝 AN0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 选用实用整定匝数为 Nop Set 匝 为平衡得更精确 可将基本侧平衡线圈 Nb1作 为动作匝数的一部分 基本侧工作线圈的匝数 Nop Set等于差动线圈 Nd set和平 衡线圈 Nb1 Set之和 选取差动线圈 Nd 与平衡线圈 Nb1的整定匝数 Nd set 20 匝 Nb1 Set 6 匝 即 Nop Set Nd set Nb1 Set 根据选取的基本侧工作线圈匝数 算出继电器的实际动作电流和一次动作电流 分别为 IOP KD AN0 Nop Set 60 26 2 31A IOP KIOP KDKTA KCON 800 5 2 31 369 2A 3 确定非基本侧平衡线圈 Nb2的计算匝数 Nb2 Cal I2N I1N Nb1 Nd set Nd set 4 46 4 30 20 6 20 6 97 匝 故 取平衡线圈实际匝数 Nb2 Set 6 fN Nb2 Cal Nb2 Set Nb2 Cal Nd set 6 97 6 6 97 20 0 035 因 fN 0 05 取法合适 不需重新计算 4 2 5 灵敏度的校验灵敏度的校验 以最小运行方式下 10KV 侧两相短路反映到电源侧 35KV 侧进行校验 Ikmin KD 2 2 Ik21min KTA 1 5 1100 160 10 31A 33 电源侧 BCH 2 继电器的动作电流 IOP KD AN0 Nb2 Set Nd set 60 26 2 31A Ksn Ikmin KD 2 IOP KD 10 31 2 31 4 46 2 13 所以满足要求 4 2 6 初步确定短路线圈的抽头初步确定短路线圈的抽头 根据前面对 BCH 2 差动继电器的分析 考虑到本系统主变压器容量较小 励磁涌流较大 故选用较大匝数的 C C 抽头 实际应用中 还应考虑继电器 所接的电流互感器的型号 性能等 抽头是否合适 应经过变压器空载投入试 验最后确定 4 3 定时限过流保护计算定时限过流保护计算 4 3 1 原理图如图所示原理图如图所示 1 整定原则 线路的最大工作电流应该小于保护装置的返回电流 即 Irel Ilmax Ilmax 1 5 3 I30 2 412 4 824 8A 保护装置一次侧动作电流 IOP1 Krel Kre Ilmax 1 2 824 8 0 85 1164 4A Krel取 1 2 Kre取 0 85 继电器的动作电流 IOP KA KW KiIOP1 1 1164 4 160 7 28A KW取 1 Ki取 800 5 整定为 7 5A 选定为 DL 21C 10 型继电器 IOP1 Ki KW IOP KA 160 7 5 1200A 2 动作时限的整定 14 时限整定原则 应比变压器二次母线出线定时限过流最大的时限大一个时限阶段 t 0 5S t 0 5S t t1 t 由题意可知 甲乙两个变电所提供电源的定时限过电流保护动作时限均为 2S 又考虑到输电线路需要装设保护装置 故需要为输电线路预留 0 5S 的时间余量 t1 2 0 5 0 5 1S 整定为 1S 整合为范围在 0 2 1 5S 的 DS 型时间继电器 3 灵敏度校验 KP Ikmax2 IOP1 2 1920 1200 1 39 1 2 3 所以满足要求 4 4 过负荷保护过负荷保护 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 Idz KkIe1 Kf 1 05 412 4 0 85 368 1 A IdzJ Idz n 368 1 160 2 30 A 延时时限取 10s 以躲过电动机的自起动 当过负荷保护起动后 在达到时限 后仍未返回 则动作 ZDJH 装置 4 5 冷却风扇自起动冷却风扇自起动 Idz 0 7Iel 0 7 412 4 288 68 A IdzJ Idz nl 288 68 160 1 80 A 即 当继电器电流达到 1 80A 时 冷却风扇自起动 第五章 各种继电器的选择 选择原则 变压器继电保护装置一般用 220V 的直流电源对控制母线进行供电 故 15 5 1 电流继电