电气工程设计

1、 课程设计说明书220/110/10KV 降压变压器继电保护（变压器主保护配置即整定、相间后备保护）学 院：机电工程学院专 业：电气工程及其自动化姓 名：高健学 号：100510721指导教师：王利娟 职 称：讲师 设计完成日期：二一三年一月设计概况： 由于学习了电气工程基础等众多知识，为了更好的巩固知识、学习和延伸更多的科学文化常识、丰富我们的知识容量，为未来的学习和实践打下良好的基础。我于2012年12月30日由我的指导教师王利娟老师手中接到了任务书。在元旦休假期间，我多方面查找资料，也寻求了老师的帮助，终于在老师与我的共同努力下，完成了此项任务。 现对我的课程设计任务进行简要介绍，我们组

2、所接受的课程设计题目：220/110/10KV降压变电所继电保护，而我承担的任务为变压器主保护配置即整定、相间后备保护。本变电所有两台三绕组变压器，仅220kV侧有电源，变压器型号：SPFPSZ9-120000/220；电压：220/121/10.5kV；变电所高压侧为双母线接线，中压侧为单母分段接线，低压侧为单母分段接线。变压器220KV中性点直接接地、110KV中性点不接地，10KV绕组三角形接线。 系统参数： 220KV系统最大运行方式：XS1=XS2=0.0074，XS0=0.0109；系统最小运行方式：XS1=XS2=0.0137，XS0=0.0184。（SB=100MVA；UB=U

3、AV）关键词变压器主保护配置；变压器主保护的整定计算；相间后备保护。设计任务书220/110/10KV降压变电所继电保护一设计资料：技术参数：本变电所有两台三绕组变压器，仅220kV侧有电源，变压器型号：SPFPSZ9-120000/220；电压：220/121/10.5kV；变电所高压侧为双母线接线，中压侧为单母分段接线，低压侧为单母分段接线。变压器220KV中性点直接接地、110KV中性点不接地，10KV绕组三角形接线。 系统参数： 220KV系统最大运行方式：XS1=XS2=0.0074，XS0=0.0109；系统最小运行方式：XS1=XS2=0.0137，XS0=0.0184 （SB=

4、100MVA；UB=UAV）二设计内容：1 短路电流计算2 变压器主保护配置及整定计算，相间后备保护1人，接地保护1人3 110KV出线继电保护配置及整定计算1人4 10KV出线继电保护配置及整定计算1人5 220KV母线保护1人6 110 KV母线保护1人.三设计要求：1 编写设计说明书一份。2 编写短路计算说明书一份。3 绘制继电保护图纸（1#）。目录1、变压器的故障11.1变压器保护的必要性11.2变压器故障的分类12、 主 保 护 22.1 瓦斯保护22.1.1 瓦斯试验 22.1.2 瓦斯继电器的构造和动作原理32.1.2.1 构造3瓦斯保护的基本工作原理3变压器的主保护装置瓦斯保护

5、的整定42.2 变压器的纵差动保护 5 纵差动保护原理6纵差动保护的整定计算63、变压器相间短路的后备保护73.1 后备保护的作用73.2 对多种后备保护的介绍73.2.1 复合电压起动过电流保护的工作原理及整定计算7复合电压起动的过电流保护7整定计算94、参考文献10总体设计：1、变压器的故障1.1变压器保护的必要性电力变压器是电力系统中的重要电气设备。大容量变压器造价十分昂贵，其故障会对供电可靠性和系统的安全稳定运行带来严重的影响。因此应根据变压器容量和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。1.2变压器故障的分类变压器的故障可分为油箱内和油箱外两种。油箱内的故障主要有绕组的相间短路

6、、绕组的匝间短路和绕组的接地短路。这些故障产生的电弧不仅会烧坏变压器绕组和铁芯，而且由于绝缘油的汽化，可能引起变压器油箱爆炸，后果十分严重。变压器油箱外的故障最常见的是绝缘套管和引出线上发生的相间短路与中性点直接接地侧的单相接地短路。 油箱内故障示意图 油箱外故障示意图2、主保护根据题目与所承担部分的要求，经过学习与研究后，现对主保护和相间故障的后备保护分别阐述。2.1瓦斯保护瓦斯保护是防御油箱内部故障的主保护，并且可以反映油面的下降。重瓦斯保护动作于跳闸，轻瓦斯保护动作于发信号。对于容量在0.8MVA及以上的油浸式变压器和0.4MVA及其以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。带负电荷调

7、压的油浸式变压器的调压装置，亦应装设瓦斯保护。2.1.1 瓦斯试验（1）轻瓦斯试验将瓦斯继电器放在实验台上固定，（继电器上标注箭头指向油枕），打开实验台上部阀门，从实验台下面气孔打气至继电器内部完全充满油后关闭阀门，放平实验台，打开阀门，观察油面降低到何处刻度线时轻瓦斯触点导通，我局轻瓦斯定值一般为250mm 350mm ，若轻瓦斯不满足要求，可以调节开口杯背后的重锤改变开口杯的平衡来满足需求。（2）重瓦斯试验（流速实验）从实验台气孔打入气体至继电器内部完全充满油后关上阀门，放平实验台，打开实验台表计电源，选择表计上的瓦斯孔径档位，测量方式选在“流速”，再继续打入气体，观察表计显示的流速值为整

8、定值止，快速打开阀门，此时油流应能推动档板将重瓦斯触点导通。重瓦斯定值一般为1.01.2m/s，若重瓦斯不满足要求，可以通过调节指针弹簧改变档板的强度来满足需求。（3）密闭试验同上面的方法将起内部充满油后关上阀门，放平实验台，将表计测量方式选在“压力”，打入气体，观察表计显示的压力值数值为0.25MPa，保持该压力40 分钟，检查继电器表面的桩头跟部是否有油渗漏。2.1.2 瓦斯继电器的构造和动作原理2.1.2.1 构造瓦斯继电器是变压器重要的主保护，安装在变压器油枕下的油管中。如下图所示:瓦斯保护的基本工作原理 反映故障时气体数量和油流速度的保护称为瓦斯保护。当变压器内部故障时，故障点局部高

9、温使变压器油温升高，体积膨胀，油内空气被排出而形成上升气体。若故障点产生电弧，则变压器油和绝缘材料将分解出大量气体，这些气体自油箱流向储油柜。故障程度越严重，产生气体越多，流向储油柜的油流速度越快。由于气体数量和油流速度能直接反映变压器故障性质和严重程度，股产生少量气体和气流速度较小时，轻瓦斯动作于信号；故障严重，油流速度高时，重瓦斯保护瞬时作用于跳闸。气体继电器是构成瓦斯保护的主要元件，它是安装在油箱与储油柜的联管中部，这样油内部气体必须通过气体继电器才能流向储油柜。为了使气体顺利地流向储油柜，老式变压器要求油箱与联管都要有一定倾斜度，其中油箱要求有1%-1.5%，联管要求有2%-4%的倾斜

10、度。新型的变压器在容易聚集气体的地方（如套管升高座）装有集气分管，各集气分管都接入集气总管，然后将集气总管接到气体继电器前端的联管上。这样，只要集气管和联管有一定倾斜度，气体就能流入储油柜，所以油箱就没有倾斜度方面的要求了。 目前，国内采用开口杯挡板式气体继电器，其工作原理如下：（1） 正常工作时，开口杯中充满了油，由于开口杯自身重力产生的力矩小于平衡锤产生的力矩，所以开口杯向上顶，干簧触点断开。（2） 当变压器油箱内部发生轻微故障时，少量气体将聚集在继电器的顶部，使继电器内的油面下降，开口杯露出油面，由于开口杯自身重量加上杯内的油重量所产生的力矩大于平衡锤产生的力矩，因此开口杯向下转动，当固

11、定在开口杯上的磁铁随开口杯下降到接近干簧触点时，该触点闭合发出轻瓦斯动作信号。（3） 当油箱内部发生严重故障时，就会产生大量的气体并伴随着油流冲击挡板，当油流速度达到继电器的整定值时，挡板被冲到一定的位置，固定在挡板上的磁铁就接近于干簧触点，使该触点闭合，该触点闭合动作于断路器跳闸。变压器的主保护装置瓦斯保护的整定（1）斯保护的整定 轻瓦斯动作值的大小用气体容量大小表示。一般轻瓦斯保护的气体容积范围为250-300cm3；变压器容量在10MVA以上时，一般气体继电器正常的整定值为250cm3。根据题目要求，我们选定250cm3为整定值。气体容量的调整可通过改变重锤的力臂长度来实现。（2）重瓦斯

12、保护的整定 重瓦斯保护动作值的大小用油流速度大小来表示。为了防止穿越性事故造成瓦斯保护的误操作，可将油流速整定为1m/s。（3） 瓦斯保护的优缺点 瓦斯保护的主要优点是结构简单，能全面反映变压器油箱内部的各种故障。特别是当发生匝间短路且被短接的匝数很少时，故障回路的电流虽然很大，可能造成严重的局部过热，但反映在外部电路的电流变化却很小，甚至连灵敏性较高的差动保护也可能不动作。因此，瓦斯保护对反映这类故障具有特别重要的意义。此外，瓦斯保护是铁芯烧损的唯一保护。瓦斯保护由于简单、灵敏、经济而被广泛使用。瓦斯保护的主要缺点是不能反映变压器套管及引出线的故障。所以瓦斯保护不能作为变压器地唯一主保护，它

13、与差动保护共同作为变压器地主保护。2.2 变压器的纵差动保护 纵差动保护选择性好，灵敏度高。纵差动保护是不可缺少的主保护。它用来反映变压器绕组、套管及引出线的各种故障，且与瓦斯保护相配合作为变压器的主保护，使保护的性能更加全面和完善。2.2.1 纵差动保护原理变压器差动保护是按循环电流原理构成的，它能正确区分变压器内、外故障，并能瞬时切除保护区内的故障。变压器两侧分别装设电流互感器TA1和TA2，其二次线圈按环流原则相串联，差动继电器接在差流回路上。 正常运行或外部故障时，变压器两侧都有电流通过，两个电流互感器的变比若选择适当时，二次电流I12和I22的大小相等，方向相同，而在差动回路中I12

14、和I22的方向相反，因而差动继电器KD中的电流等于两侧电流互感器二次电流之差，电流为零，所以正常运行或外部故障时继电器不会动作。当变压器内部发生故障时，两侧电流互感器的二次电流Id12和Id22在差动回路中方向相同，差动继电器流过的电流为两电流之和，使差动继电器动作。实际上，由于变压器励磁涌流、接线方式和电流互感器的误差等因素的影响，差动继电器中会流过不平衡电流，不平衡电流越大，继电器的动作电流越大，致使差动保护的灵敏性降低。因此差动保护需要解决的主要问题之一是采用各种措施避免不平衡电流的影响，在保证选择性的条件下，还要保证内部故障时有足够的灵敏性和速动性。下图为双绕组变压器差动保护的原理图，

15、其中，两侧电流互感器TA1和TA2，且TA1和TA2之间的区域为差动保护的范围。2.2.2 纵差动保护的整定计算确定保护的动作电流(1) 躲开变压器的励磁电流： Iop =Krel ITN 式中，Krel 为可靠系数，取1.3；ITN为变压器差动保护侧的额定电流。由本题目可知，220V为基本侧，Iop =1.3×120/（3×220）=0.4KA(2) 为防止正常运行时电流互感器二次回路断线引起差动保护误动作，保护的动作电流应大于变压器的最大负荷电流 ，即 Iop=Krel I L，max Iop =1.3×120/（3×220）=0.4KA式中， Kr

16、el 为可靠系数，取1.3； I L，max 为变压器的最大负荷电流。(3) 躲过区外短路时的最大不平衡电流Iop =KrelIunb,max = Krel (Knp KstK err+U+f) IK2 ,max式中Krel 为可靠系数，取1.3； Kst 为电流互感器同型系数，对于变压器纵联差动保护取1；K err 为电流互感器10%误差系数，取0.1；U 为变压器分接头调整而引起的相对误差，取变压器调压范围的一半，比如变压器的电压为110±2×2.5%/11KV，则U=2×2.5%=0.05；IK2 ,max 为外部短路时流过变压器的最大短路电流。由短路计算可

17、得最小系统短路电路为Is=5.249KAIop =1.3(1×1×0.1+0.05+0.05)×5249=1364.74A 保护的动作电流取上述三者中的最大值，为1364.74A 3、变压器相间短路的后备保护3.1 后备保护的作用防止外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻元件（母线或线路）保护的后备，以及在可能条件下作为变压器内部故障时主保护的后备。相间后备保护用以防止变压器外部短路引起变压器绕组的过电流及作为变压器本身差动保护和瓦斯保护的后备，当变压器所连接母线未装设专用母线保护时也作为母线的保护。3.2 以下分别介绍复合电压起动的过电流、负序过电流、低阻抗

18、保护及三绕组变压器的过电流保护，并根据题目，选择相应且适当的后备保护。3.2.1 复合电压起动过电流保护的工作原理及整定计算复合电压起动的过电流保护一般用于升压变压器或过电流保护灵敏度达不到要求的降压变压器上，适用于大多数中 小型变压器。原理图如下图所示。其电压起动元件（又称为复合电压闭锁元件）由一个负序电压继电器KVN和一个低电压继电器KV组成，负序电压继电器由负序电压滤过器和过电压继电器组成。负序电压继电器KVN主要用于反映不对称短路，低电压继电器KV主要用于反映对称短路。当发生不对称故障时，故障相电流继电器动作，同时由于负序电压的出现，负序电压继电器KVN动作，其动触点打开，致使低电压继

19、电器KV失压，低电压继电器动作，其动断触点闭合，起动闭锁中间继电器KM。故障相电流继电器通过KM常开触电起动时间继电器，经整定延迟信号和出口继电器，由出口继电器接通跳闸回路，将变压器两侧断路器跳开。发生对称故障时，过电流继电器动作，由于短路初始瞬间也会出现短路的负序电压，负序电压继电器KVN也会动作，使低电压继电器KV失压，动断触电闭合。当负序电压消失后，负序电压继电器KVN返回，其动断触电闭合，但此时加于KV线圈上的电压已是三相短路的低电压，低电压继电器KV不至于返回，其动断触电依然闭合，使整套保护动作，经时间继电器的延迟后，接通跳闸回路，跳两侧断路器。整定计算普通的过电流保护的动作值是按躲过变压器可能出现的最大负荷电流，因此保护的灵敏度不够。复合电压起动的过电流保护由于采用了复合电压起动元件，要电流原件和起动元件都动作时，才能起动时间继电器，经延迟时去跳闸。因此过电流继电器的动作电流只需按躲过变压器的额定电流整定，即 式中：It。n为变压器的额定电流，作为近后备保护时，Kre=0.85, K1.3；作远后备保护时， 1.2