1、第 40 卷第 6 期 当 代 化 工 Vol.40，No.6 2011 年 6 月 Contemporary Chemical Indust ry June，2011 收稿日期 ： 2011-04-03 作者简介 ： 张红启（1979-） ，男，工程师，河南遂平人，电气工程师，注册安全师，2003 年毕业于郑州轻工业学院电气工程及其自动化专业，现从事抚顺石化公司工程建设指挥部设备部电气管理工作。E-mail:。 变压器的继电保护与整定计算 张 红 启 （抚顺石化公司工程建设指挥部设备部， 辽宁 抚顺 113008） 摘 要 ： 变压器是供配电系统中不可缺少的重要电气设备，它的故障将对供电可靠
2、性和系统安全运行带来严重的不良影响，同时大容量的变压器也是非常贵重的设备。因此，应根据变压器容量等级和重要程度，装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。在电气设备选型中要选择可靠性强、灵敏度高的继电保护装置，使之能够迅速、准确地切除各种故障，保障装置安全、稳定、连续的生产。目前抚顺石化供配电系统中已经广泛的使用数字化继电保护装置，笔者以原油集中加工、炼油结构调整技术改造工程原油罐区及配套设施装置中供电系统变配电为例，介绍 6 kV 变压器数字化继电保护的应用与整定计算过程。 关 键 词 ： 变压器； 保护； 整定；故障； 定值 中图分类号 ： TM 401 文献标识码 ： A 文章编号 ： 16
3、71-0460（2011）06-0636-04 Transformer Relay Protection and Setting Calculation ZHANG Hong-qi （ Fushun Petrochemical Engineering Construction Company Headquarters Depot, Liaoning Fushun 113008， China） Abstract: Transformer is an indispensable electrical equipment for power supply system, its failure wi
4、ll seriously affect the power supply reliability and system security, while large-capacity transformer is also very expensive equipment. Therefore, the relay protection device with good performance should be installed based on capacity class and importance of the transformer. In selection of electri
5、cal equipments, reliable and high sensitivity relay protection devices should be chosen, which can ensure to rapidly and accurately remove various failures to protect the device. Digital protection devices has been widely used in Fushun petrochemical current power supply system. In this paper, takin
6、g transformation and distribution equipments in a power supply system as an example, application of digital relay protection in 6 kV transformer was introduced as well as setting calculation process. Key words: Transformer; Protection; Setting; Failure; Constant 随着抚顺石化公司 “千万吨炼油、 百万吨乙烯”项目的工程推进，企业正朝着特
7、大型化、一体化方向发展，其供配电系统中负荷的容量和数量不断增多，对供电系统的可靠性和稳定性提出更高的要求。变压器是供配电系统中十分重要的供电设备，它出现故障会对供电的可靠性和系统的正常运行带来严重的影响，因此在选型过程中应根据变压器的容量和重要程度及可能发生的故障类型，为之选用性能良好、可靠性高的继电保护装置，并设置所需要的保护功能。 1 变压器保护动作的要求 变压器保护应以合理的运行方式和可能的故障类型为依据，并应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性四项基本要求。 可靠性是指保护应该动作时动作，不应该动作时不动作。为保证可靠性，宜选用可能的最简单的保护方式，应由可靠的元件和尽可能简单的回路构成
8、性能良好的装置，并应具有必要的检测、闭锁和双重化等措施。保护装置应便于整定、调试和运行维护，保护装置如不能满足可靠性的要求，反而会成为扩大事故或直接造成故障的根源。为确保保护装置动作的可靠性，必须确保保护装置的设计原理、整定计算、安装调试正确无误，同时要求组成保护装置的各元件质量可靠、运行维护得当、系统简化有效，以提高保护的可靠性。 选择性是指首先由故障设备本身的保护切除故障。当故障设备本身的保护拒动时，才允许由相邻设备的保护切除故障。为保证选择性，对相邻设备有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的第 40 卷第 6 期 张红启：配电变压器的继电保护与整定计算 637 两元件（如启动与跳闸元件
9、或闭锁与动作元件） ，其灵敏系数及动作时间，在一般情况下应相互配合，供电系统发生故障时，该保护装置能够迅速准确地发出命令，使故障元件及时从系统中断开，以最大限度地减少对本身的损坏，降低系统安全供电的影响。 灵敏性是指在设备的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数。灵敏系数应根据不利的正常（含正常检修）运行方式和不利的故障类型计算，但可不考虑可能性很小的情况。灵敏系数 Ksen 为被保护区发生短路时，流过保护安装处的最小短路电流 I k.min 与保护装置一次动作电流 I op的比值，即 Ksen=I k.min /I op, 对多相短路保护， I k.min 取两相短路电流
10、最小值 I k2.min；对 6 kV 中性点不接地系统的单相短路保护，取单相接地电容电流最小值 I c.min ；对 220/380 V 中性点接地系统的单相短路保护，取单相接地电流最小值 I k1.min。 速动性是指保护装置应能尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。 2 变压器故障类型及继电保护任务 变压器故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。油箱内部故障主要是指发生在变压器油箱内包括高压侧或低压侧绕组的相间短路、匝间短路、中性点直接接地系统侧绕组的单相接地短路。变压器油箱内部故障是很危险
11、的，因为故障点的电弧不仅会损坏绕组绝缘与铁芯，而且会使绝缘物质和变压器油箱中的油剧烈汽化，由此可能引起油箱的爆炸。所以，继电保护应尽可能快地切除这些故障。油箱外部最常见的故障主要是变压器绕组引出线和套管上发生的相间短路和接地短路，而油箱内发生相间短路的情况比较少。 在供配电系统中，变压器运行中常见的主要故障包括：油箱内绕组匝间短路；变压器出线端短路及接地故障；变压器外部线路短路和接地故障及变压器过负荷；变压器过励磁等异常运行状态。根据上述各种故障及异常运行状态，常见的变压器保护措施有过电流保护、 电流速断保护、 纵联差动保护、低压侧单相接地保护、过负荷保护、瓦斯保护、温度保护。注意当带时限的过
12、电流保护不能满足灵敏性要求时，应采用低电压闭锁的带时限过电流保护，当利用高压侧过电流保护及低压侧出线断路器保护不能满足灵敏性要求时，应装设变压器中性线上的零序过电流保护。密闭油浸变压器装设压力保护，干式变压器应装设温度保护。 变压器的不正常工作状态主要有：负荷长时间超过额定容量引起的过负荷；外部短路引起的过电流；外部接地短路引起的中性点过电压；油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高；大容量变压器在过电压或低频等异常运行工况下导致变压器过励磁，引起铁芯和其他金属构件过热。变压器处于不正常运行状态时，继电器应根据其严重程度，发出警告信号，使运行人员及时发现问题并采取相应的措施，以确保变
13、压器的安全。变压器油箱内部发生故障时，除了变压器两侧电流、电压变化外，油箱内的油、气、温度等非电量也会发生变化。因此，变压器的保护也就分为电量保护和非电量保护 2 种。 其中变压器在运行中可能发生故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是各种类型的短路。 发生短路时可能产生以下后果： （1）数值较大的短路电流通过故障点时，产生电弧，使故障设备损坏或烧毁。 （2）短路电流通过非故障元件时，使电气设备的载流部分和绝缘材料的温度超过散热条件的允许值而不断升高，造成载流导体熔断或加速绝缘老化和损坏，从而可能发展成为故障； （3）线路的电压大大下降，破坏生产的稳定性或影响产品的质量。 （4）破坏
14、并列运行变压器的稳定性，从而使事故扩大，甚至导致整个系统瓦解。 继电保护装置就是指能反应供电系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。 它的基本任务是： （1）自动、迅速、有选择性地将故障元件从供电系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。 （2）反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件而动作于信号，以便值班员及时处理，或由装置自动进行调整，或将那些继续运行就会引起损坏或发展成为事故的电气设备予以切除。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对供电系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免暂短地运行波动造成不必要
15、的动作和干扰而引起638 当 代 化 工 2011 年 6 月 误动。 （3）继电保护装置还可以与供电系统中的其它自动化装置配合， 在条件允许时， 采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高供电系统运行的可靠性。例如，据短路故障时电流的增大， 可构成过电流保护； 据短路故障时电压的降低，可构成电压保护；据短路故障时电流与电压之间相角的变化，可构成功率方向保护；据电压与电流比值的变化，可构成距离保护；据故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化，可构成差动保护；据不对称短路故障时出现的电流 电压的相序分量，可构成零序电流保护、负序电流保护和负序功率方向保护。 3 变压器计算的实例说明
16、以抚顺石化原油集中加工、炼油结构调整技术改造工程原油罐区及配套设施装置中供电系统变配电为例，介绍 6/0.4 kV 变压器保护的整定。该变配电室两路 6 kV 电源由炼油中心变电所经电缆桥架送至原油罐区及配套设施装置变配电室内， 经 6/0.4 kV配电变压器变为 6 kV 及 380 V， 为 6 kV 及 220/380 V用电设备供电。变压器为 S9 型 630 kVA，高压侧额定电流为 36.4 A，过负荷系数取 3。最大运行方式下变压器低压侧三相短路时，流过高压侧的超瞬态电流max.32kI 为 664.6 A。 最小运行方式下变压器高压侧三相短路超瞬态电流1k3.minI 为 2
17、750 A,低压侧三相短路时流过高压侧的超瞬态电流2k3.minI 为 565 A。最小运行方式下变压器低压侧母线单相接地稳态短路电流 I 22k1.min为 8 220 A （对于 Y,yn0 接线） ， 14 060 A（对于 D,yn11 接线） 。计算中假定系统电源容量为无穷大，稳态短路电流等于超瞬态短路电流。变压器为低压侧中性点直接接地。 变压器的保护配置为装设 3 个 LL-11A 型过流继电器和3个变比为100/5的电流互感器TA1TA3,组成过电流保护兼作电流速断保护。装设 1 个LL-11A型过流继电器和一个变比为1 000/5的电流互感器 TA4，组成低压侧单相接地保护（当
18、仅按躲过不平衡电流整定时 TA4 变比为 300/5） 。 保护原理见图 1。 在图 1 所示配电变压器保护的原理图中,电流继电器 KA1KA3 的线圈分别接于被保护变压器电流互感器 TA1TA3 的二次回路，这就是保护的速断及过流电流回路，它监视被保护变压器的运行状态，用以测量变压器电流的大小。 图 1 配电变压器保护原理图 Fig. 1 Distribution transformer protection principle KA1KA3过电流继电器 LL11A/10； KE1过电流继电器 LL-11A/10； XB1、XB2连接片； FU1熔断器，6A。 在正常运行情况下，变压器通过最
19、大负荷电流时，继电器不动作；当被保护变压器发生短路故障时，流入电流继电器线圈回路的电流大于继电器的动作电流时，电流继电器立即动作，触点闭合，接通跳闸回路使断路器跳闸，切除故障，电流速断保护的优点是动作迅速、简单可靠。 整定计算过程如下： （1）过电流保护：保护装置的动作电流 =1.3 1 3 36.4/(0.85 20)=8.4， 取 9 A 式中： Iop.k保护装置的动作电流（应躲过可能出现的过负荷电流）, A； Krel可靠系数，用于过电流保护时 GL 型继电器取 1.3； Kjx接线系数，接于相电流时取 1； Kgh过负荷系数，一般取 23，本举例取 3； I1rt变压器高压侧额定电流
20、，A； Kr继电器返回系数，取 0.85（动作电流） ； nTA电流互感器变比。 保护装置一次动作电流 式中： Iop保护装置一次动作电流，A。 保护装置的灵敏系数 式中： Ksen按供电系统最小运行方式下，低压侧两相短路时流过高压侧的超瞬态电流校验，电流保护时灵敏系数1.5； TAop op.kjx920/1180nIIK=gh 1rtop.k rel jxrTAKIIKKKn= 2k2.min 2k3.minsenop op0.8660.866 5652.72 1.5180IIK =第 40 卷第 6 期 张红启：配电变压器的继电保护与整定计算 639 min.22kI 最小运行方式下低压
21、侧两相短路时流过高压侧的超瞬态电流 （两相短路超瞬态电流等于三相短路超瞬态电流的 0.866 倍） ，A。 保护装置的动作时限（应与下一级保护动作时限相配合） ，一般取 0.50.7，在本例中取 0.5 s。 （2）电流速断保护：保护装置的动作电流 =1.51 664.6/20=49.8 式中： Iop.k保护装置的动作电流（应躲过低压侧短路时，流过保护装置的最大短路电流）, A; Krel可靠系数，用于电流速断保护时 GL 型继电器取 1.5； 2k3.maxI 最大运行方式下变压器低压侧三相短路时， 流过高压侧的超瞬态电流，A。 瞬动电流倍数（电流速断保护动作电流与过电流保护动作电流之比）
22、为 49.8/9=5.54，取 6 倍。 保护装置的灵敏系数 式中： Ksen按系统最小运行方式下，保护装置安装处两相短路电流校验，电流速断计算时灵敏系数2； 1k 2.minI最小运行方式下保护装置安装处两相短路超瞬态电流，A。 根据上述计算，装设 LL-11A/10 型过电流继电器。 （3）低压侧单相接地保护：保护装置的动作电流和动作时限与过电流保护相同，利用高压侧三相式过电流保护兼作单相接地保护，其灵敏系数（对于 Y,yn0 接线变压器） 满足要求，故不装设专用的零序过电流保护。 利用高压侧三相式过电流保护兼做低压侧单相接地保护（对于 D，yn11 接线变压器） ，其灵敏系数： 不满足要
23、求，故装设专用的零序过电流保护 式中： Ksen 按最小运行方式下，低压侧母线末端单相接地时流过高压侧的短路电流校验，低压侧单相接地保护时灵敏系数1.5； 2k1.minI 最小运行方式下变压器低压侧母线末端单相接地短路时，流过高压侧（保护安装处）的稳态电流，A; 22k1.minI最小运行方式下变压器低压侧母线末端单相接地稳态短路电流，A。 4 结 论 目前，继电保护已在抚顺石化得到了广泛的应用，然而继电保护整定计算专业性较强，在实际工作中要求电气技术人员必须掌握专业知识，这要求我们技术人员要具备过硬的继电保护知识，熟悉保护原理并牢记保护逻辑框图，熟悉电路原理和元件的功能，了解继电保护的选型
24、、计算、整定和校验的方法，以及安全运行管理方面的知识。本文从变压器保护的特点及方法出发，对变压器事故及故障原因进行了分析，并应用具体事例介绍了变压器保护计算的步骤、思路和方法，望本文能够为电气技术人员对供配电继电保护装置的整定计算及应用方面提供一定的参考和帮助。 参考文献： 1 任元会,卞铠生,姚家 祎 ,等.工业与民用配电设计手册M.中国供电出版社,2005. 2 张树春.配电变压器数字化继电保护应用与整定J.自动控制, 2006,23（3）:33-37. 3 马永翔,王世荣,等.供电系统继电保护M.中国林业出版社,2006. 4 许建安,连晶晶,等.继电保护技术M.中国水利水电出版社,20
25、04. 低浓度煤层气实现深冷液化 低浓度煤层气深冷液化工业化试验装置日前在重庆能源集团建成投产，这一装置可日处理甲烷含量为 29%31%的低浓度煤层气(瓦斯)4 800 m3，生产液化甲烷气(LNG)1.1 t。据介绍，这一装置采用国际先进的 MRC 混合制冷工艺(深冷精馏法)，在零下 182 的低温和 0.3mp 的低压下可把含氧煤层气的分离和液化同步进行，一次完成。煤层气经液化提纯后，体积要缩小 625 倍，甲烷浓度达到 99%以上，完全达到工业和民用使用标准。据介绍，目前国内煤层气液化普遍采用的是先脱氧、后液化的“催化脱氧”技术，这一技术存在工艺比较复杂、能耗高、投资大等不足，而且对煤层气的甲烷含量要求也比较高。重庆能源集团此次建设的深冷液化装置有效克服了上述弱点，已达到国际领先水平。 2k3.maxop.k rel jxTAIIKKn= 1k2.min .1k3minsenop op0.8660.866 27502.2 2180 6IIK =2k1.min 22k1.minsenop op T232 82201.93 1.5631800.38IIK = = 2k1.min 22k1.minsenop op T333 140601.02 1.5631800.38IIK = =
