1、1课程设计题 目： 电 力 变 压 器 保 护 设 计 系（部）院： 电 气 工 程 与 自 动 化 学 院 专 业： 电 气 101 班 作者姓名： 肖 锋 铭 指导教师： 陈 强 老 师 完成日期： 2013 年 1 月 7 1前言电力系统继电保护作为电气工程及其自动化专业的一门主要课程,主要包括课堂讲学、课程设计等几个主要部分。在完成了理论的学习的基础上，为了进一步加深对理论知识的理解，本专业特安排了本次课程设计。电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要
2、的其他形式的能量。在输送电能的过程中,电力系统希望线路有比较好的可靠性,因此在电力系统受到外界干扰时,保护线路的各种继电装置应该有比较可靠的、及时的保护动作,从而切断故障点极大限度的降低电力系统供电范围。电力系统继电保护就是为达到这个目的而设置的。本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。其中短路电流的计算和电气设备的选择是本设计的重点。通过此次线路保护的设计可以巩固我们本学期所学的电力系统继电保护这一课程的理论知识，能提高我们提出
3、问题、思考问题、解决问题的能力。1目 录前 言 .11.变压器的故障和不正常运行状态及保护方式 .11.1 变压器的故障 11.2 变压器不正常运行状态 11.3 主要的变压器保护 22 变压器差动保护的原理 22.1 变压器的纵差保护的基本原则 22.2 变压器的纵差保护的特点 33 变压器瓦斯保护 43.1 瓦斯保护的原理与设计 44 变压器后备保护 54.1 电流速断保护 54.2 过流保护 65 电力变压器的整定计算实例与校验 .65.1 整定计算 65.2 校验灵敏度计算 .11参考资料 .13附录：电力变压器保护的展开图 .141一、 变压器的故障和不正常运行状态及保护方式（一）变
4、压器的故障分为油箱内故障和油箱外故障。油箱内故障主要有：绕组相间短路；绕组匝间短路；直接接地系统侧绕组接地短路。油箱内故障是很危险的，不但会烧坏绕组、绝缘和铁芯，而且可能在油箱内产生大量气体引起爆炸。油箱外故障主要是绝缘套管引出线相间短路或单相接地短路。实践表明，变压器套管和引出线上的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路时比较常见的故障形式；而变压器油箱内发生相间短路的情况比较少。（二）变压器不正常运行状态过负荷；外部短路引起的过电流和中性点过电压；油箱漏油引起的油位下降；绕组过电压或频率降低引起的过励磁；变压器油温过高和冷却系统故障。上述这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不
5、接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。1（三）主要的变压器保护瓦斯保护电力变压器通常是利用变压器油作为绝缘和冷却介质。当变压器油箱内故障时，在故障电流和故障点电弧的作用下，变压器油和其他绝缘材料会因受热而分解，产生大量气体。气体排出的多少以及排出速度，与变压器故障的严重程度有关。利用这种气体来实现保护的装置，称为瓦斯保护。瓦斯保护能
6、够保护变压器油箱内的各种轻微故障（例如绕组轻微的匝间短路、铁芯烧损等） ，但像变压器绝缘子闪络等油箱外面的故障，瓦斯保护不能反应。 差动保护或电流速断保护对容量为 6300kVA 及以上的变压器，以及发电厂厂用变压器和并列运行的变压器，10 000kVA 及以上的发电厂厂用备用变压器和单独运行的变压器，应装设纵差动保护。电流速断保护用于对于容量为 10 000kVA 及以下的变压器，速断保护。对 2000kVA 以上的变压器，当电流速断保护的灵敏性不能满足要求时，也应装设纵差动保护。外部相间短路和接地短路时的后备保护变压器的相间短路后备保护通常采用过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启
7、动的过电流保护以及负序过电流保护等（也有采用阻抗保护作为后备保护的情况） 。发生接地故障时，变压器中性点将出现零序电流，母线将出现零序电压，变压器的接地后备保护通常都是反应这些电气量构成的。 二、 变压器差动保护的原理（一）变压器的纵差保护的基本原则变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的,主要是用来反应变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护。对双绕组变压器实现纵差保护的原理接线如图所示双绕组变压器正常运行时的电流分布1由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差保护的正确工作，就必须适当的选择两侧电流互感器的变比，使得在正常运行和故障时，两个二次电流相等。（2
8、）变压器的纵差保护的特点1.由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流不难发现，理想情况下变压器变比以及各侧电流互感器的变比之间必须保持固定关系，才能够使在正常和区外故障时流入差动继电器的电流为零。而实际情况是正常和区外故障时差动继电器也存在电流，该电流为不平衡电流。稳态情况下的不平衡电流。a.各侧电流互感器的实际变比与计算变比可能不相同。b.各侧电流互感器存在变比误差和相位误差。c.变压器调节绕组分接头后实际变比与标准变比不同。暂态过程的不平衡电流。主要是非周期分量的影响。综合考虑稳态和暂态的影响总的最大不平衡电流（7.2.2）TAksnpsterunb KIfUKI max.max. )(式中，
9、是区外最大短路电流； 是电流互感器误差，取 0.1； 是各侧电ax.k er stK流互感器的同型系数，取 1； 是非周期分量影响系数，取 1.52， ； 是变压器调np U压范围，取 0.050.15； 是电流互感器变比不完全匹配产生的误差，取 0.05。sf2、励磁涌流当变压器空载投入和区外故障切除后电压恢复时，在变压器的受电一侧会出现数值很大的电流，这种暂态过程中出现的励磁电流称为励磁涌流，数值约为额定电流的 68倍。励磁涌流只出现在变压器的一侧，所以流入差动继电器的电流很大，如不采取措施在此时闭锁差动保护，差动保护将会误动。励磁涌流的大小和衰减时间与外加电压的相位、剩磁大小和方向、回路
10、阻抗、电源容量、变压器容量有关。1空载投入电压幅值最小（为零） ，励磁涌流最大。令 ，根据 ，则 。再根据合闸瞬间tUumsintUdtmsinCtUmcos时磁通等于剩磁 ，可知 。变压器空载合闸时的磁通为0t r rrC，半个周期后（ ） ，磁通最大达 ，如图 7.2.2 所示rmmtcos t rm2是此情况下的励磁涌流。空载投入电压幅值最大，励磁涌流最小。令 ，根据 ，则 。再根据合闸瞬间tUumcostUdtmcosCtUmsin时磁通等于剩磁 ，可知 。变压器空载合闸时的磁通为 。0t rrC rmtsin励磁涌流的特点。a.包含大量的非周期分量，约占基波 60%，励磁涌流偏向时间
11、轴的一侧。b.包含大量的高次谐波，且以二次谐波为主，约占基波 30%40%。c.波形之间出现间断角 ，可达 800 以上。防止励磁涌流的影响。a.采用具有速饱和铁芯的差动继电器，消除非周期分量的影响。b.采用二次谐波制动，躲开励磁涌流。，一般取 0.15。=二 次 谐 波 幅 值二 次 谐 波 制 动 系 数 基 波 幅 值c.采用波形制动，即利用波形间断角、对称性鉴别励磁涌流。三、变压器瓦斯保护（一）瓦斯保护的原理变压器差动保护接线较复杂，可靠性相对较低，在内部轻微故障时的灵敏度较低，快速性较差，因此采用瓦斯保护对变压器油箱内部故障构成双重主保护。1当变压器发生内部故障时产生大量的气体将聚集
12、在瓦斯继电器的上部，使油下降，当油面降低到一定程度时，上浮筒下沉使水银接点接通，发轻瓦斯动作信号。如果是严重的故障时，油箱内的压力增大使油流冲击挡板，挡板克服弹簧阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动使水银接点闭合接通跳闸回路。瓦斯保护和差动保护均为变压器主保护，在较大容量变压器上应该同时采用。瓦斯保护接线简单，灵敏度高，它能够快速反应于油箱内部故障，但对油箱外部变压器套管和引出线上的故障灵敏性和快速性相对较差，所以瓦斯保护不能够单独作为变压器的主保护。四、变压器后备保护（一）电流速断保护变压器电流速断保护装设在电源侧，在直接接地系统中采用完全星型接线，在非直接接地系统中采用不完全星型接线，保护动作
13、于跳开变压器各侧断路器。按躲过保护安装处对侧母线短路时，流过安装处最大短路电流 整定，max.kImax.krelopIKI式中，可靠系数 取 1.31.4，rel按躲过变压器空载投入时的励磁涌流整定，NopII)53(式中， 是变压器额定电流。NI取两式数值较大者为保护整定值。灵敏度校验：1opksenI)2(min.式中， 是最小方式下保护安装处对侧母线两相短路时流过安装处的短路电流，要)2(min.kI求灵敏系数大于 2。（二） 过流保护按躲过变压器最大负荷电流 整定，max.LIa.relopK式中，可靠系数 取 1.21.3，继电器返回系数 取 0.85。rel reK考虑一下情况确
14、定最大负荷电流 ：max.LI对多台并列运行的变压器，NLII1max.式中， 是并列运行变压器的台数。m对降压变压器考虑负荷自启动系数 ，sKNsLIImax.灵敏度校验：作近后备按式中计算灵敏系数，要求灵敏系数大于 1.52。作远后备 取相邻线路末端两相短路时流过安装处的短路电流，要求灵敏系)2(min.kI数大于 1.2。保护动作时间比相邻线路过流保护中最大者增加 。t五、 电力变压器的整定计算实例与校验（一）整定计算课题：一台双绕组降压变压器，容量为 20MVA，电压比为 kv，Yd11102.5%/1接线， =10.5%，归算到平均电压 10.5kv 的系统最大电抗和最小点抗分别为
15、0.44kU和 0.22 ,10kv 侧最大负荷电流为 900A。参数条件： =20MAV 电压比为 11022.5%11KVNS1=10.5% =0.44 =0.22dUmax.SXmin.SX1.电流计算高压侧的额定电流：AINN97.10432低压侧的额定电流：AIUSNN 7.104932电流互感器高压侧计算变比选用变比; 597.104calTAn在实际的选取电流互感器时。选用电流互感器变比为 520TAn电流互感器低压侧计算变比：； 57.1049calTAn在实际的选取电流互感器时。选用电流互感器变比为 5120TAn电流互感器高压侧的二次额定电流：AInTANN64.35/20
16、97.132 电流互感器低压侧的二次额定电流：ITAN.45/120792将参数全归算到高压侧，既以高压侧为基准侧。已知： .maxsX2.0minsX变压器的电抗值为：579101%22NTdTSU系统最大运行方式下，发生三相短路时，产生的最大短路电流：1AId 726)59.02.(313)3(max1、电流速断保护的电流整定按躲过系统最大短路电流的条件进行整定AnIKITAdjxrel 42.1735062.1)3(ma.11.set 其中电流速断的可靠系数 rel1，取 rel1为 1.2电流互感器的接线系数 jx，取 jx为 12、 纵差保护的整定（1）按躲过最大不平衡电流进行整定：
17、 )(. phunbunbTAunbrelOPIIKI A180792605103. 其中 为纵差保护的可靠系数，取 为 1.3；rel relK为两侧电流互感器电流误差引起的不平衡电流；TAunbI.为变压器调分接头引起的不平衡电流；.（2）按躲过变压器的励磁涌流进行整定： AKINTrelOP 13657.0493.1（3）按电流互感器二次回路断线时，差动保护不应动作的条件进行整定：InINTrelcalOP 8.2.按上述三个条件进行整定计算的整定电流，取其中的最大值作为纵差保护动作电流的整定值。所以选择 AIcalOP180（二） 校验灵敏度计算1在 6.6KV 侧两相短路最小短路电流
18、为： AXEITsd 4907)5.4.0(312)(323max)(min 归算至高压侧的短路电流为： AId4510max高压侧流入继电器的电流为IT 1.07.53低压侧继电器动作电流： AIrOP.86保护的灵敏度为201.257/.1senK满足要求。参考资料与文献1【1】: 贺家李、宋从矩.电力系统继电保护原理第二版M，水利电力出版社，1985【2】：毛锦庆.电力系统继电保护实用技术问答 第二版M，中国电力出版社 1999【3】：范锡普发电厂电气部分M，北京，中国电力出版社，1987【4】:胡虔生，胡敏强.电机学M，北京，中国电力出版社，2005【5】电力系统分析（上） 何仰赞 温增银 华中科技大学出版社 2002【6】电力系统分析（下） 何仰赞 温增银 华中科技大学出版社 2002【7】张保会、尹项根.电力系统继电保护原理第二版M 中国电力出版社，20051附录：电力变压器保护的展开图
