35kv电网变压器继电保护课程设计大学毕业设计论文Word文档格式.docx

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1.2对继电保护的基本要求

在技术上必须满足选择性、速动性、灵敏性、可靠性四个基本要求。

对于作用于断路器跳闸的继电保护，应同时满足这四个基本要求，对于作用于信号以及只反应不正常运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求如速动性可以降低。

1.3继电保护的基本原理

继电保护装置为了完成它的任务，继电保护就必须能够区别是正常运行还是非正常运行或故障，要想区别这些状态，最关键就是要寻找这些状态下的参量情况，找出其间的差别，从而构成各种不同原理的保护。

电力系统发生故障后，会引起电流的增加和电压的降低，以及电流与电压间相位的变化。

因此电力系统中所用的各种继电保护，大多数是利用故障时物理量与正常运行时物理量的差别来构成的。

例如，反应电流增加的过电流保护反应电流与电压间的相位角变化的方向保护等，反应降低（或升高）的低压（或过电压）保护等。

原则上说：

只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征（差别），即可形成某种判据，从而构成某种原理的保护，且差别越明显，保护性能越好。

继电保护原理结构方框图如下：

图1-1继电保护原理结构方框图

继电保护原理结构方框图由三大部分组成，分别为：

测量部分，用来测量被保护设备输入的有关信号（电流、电压等级），并和已给定的整定值进行比较判断是否应该起动；

逻辑部分，根据测量部分各输出量的大小或性质及其组合或输出顺序，使保护按照一定的逻辑程序工作，并将信号传输给执行部分，执行部分根据逻辑部分传输的信号最后去完成保护装置所负担的任务，给出跳闸或信号脉信号原理示意图，用以说明继电保护的成和基本原理

图1-2闸或信号脉信号原理示意图

在图中电流继电器KA的线图接于被保护线路电流互感器TA的二次回路，即保护的测量回路，他检察被保护线路的运行状态，测量线路中电流的大小。

在正常运行的情况下，当线路中电流通过最大负荷电流时，继电保护不动作，当被保护线路K点发生短路时，线路上的电流突然增大，电流互感器TA二次侧的电流大于整定值时，继电器立即动作触点闭合，接通逻辑电路中时间继电器KT的线路回路，时间继电器启动并根据短路故障持续的时间，做出保护动作的逻辑判断。

时间继电器KT动作，其延时触点闭合接同执行回路中的信号继电器KS和断路器QF的跳闸线圈回路，使断路器跳开，切除故障。

1.4继电保护装置的分类

继电保护实际上是一种自动控制装置。

以控制过程信号性质的不同可以分为模拟型和数字型两大类。

模拟型继电保护又可以分为机电型急电保护的静态型继电保护两类。

模拟型继电保护是由若干个不同功能的继电器所组成。

这些继电器都具有机械的可动部分和接点，故称为机电型继电保护器。

由这类继电器组成的继电保护装置称为机电型继电保护。

静态型继电保护装置是应用晶体管或集成电路等电子元件来实现的。

由若干跟不同功能的回路，如测量、比较或比相、触发延时、逻辑和输出等回路相连接所组成。

数字型的计算机继电保护是把由保护设备或线路输入的模拟电气质量经摸数转换器（A/D）变换为数字量利用计算机进行处理和判断。

电力系统的继电保护根据被保护的对象不同，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，简称元件保护。

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。

继电保护装置按其被保护对象、保护原理、反应故障的类型、保护所起的作用，有不同的分类方法。

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各种短路故障时。

能满足系统分顶及设备安全的要求的有选择性的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者断路器拒绝动作时，用以将故障切除的保护。

后备保护可分为远后备和近后备两种，远后备是指主保护或断路器拒绝动作时，由断路器失灵保护实现后备。

辅助保护则是指为了补充主保护和后备保护的不足而增设的简单保护。

1.5保护装置装设原则

（1）当被保护元件发生短路或足以破坏系统正常运行的情况时，保护装置应动作于调闸，在发生不正常运行时，保护装置应动作于信号。

（2）保证系统非故障部分的正常运行。

保护装置应以足够小的动作时限切除故障。

（3）系统故障时，保护装置要有选择地动作于调闸，在必须加快动作时可无选择性调闸，而由自动复合闸来补救保护的无选择性动作。

（4）满足第二项要求或用作后备保护时，保护装置容许带一定时限切除故障。

（5）保护装置所用的继电器越少越好，并使其接线最简单可靠。

（6）保护装置的电压葫芦断线时，如果可能造成保护装置的误动作，则应装设电压回路断线监视或闭锁装置。

（7）在表示保护装置动作的出口上应装设信号继电器以利于运行人员分析和统计保护动作情况。

（8）主保护装置除完成主保护任务外，如有可能还应作为相邻元件的后备保护。

（9）当保护装置因动作原理而不能启动相邻元件后备保护时，应在所有或相邻元件后备保护时，应在所有或部分断路器上装设单独的后备保护。

（10）为了起到相邻元件后备保护作用而使得保护装置复杂化或不能达到完成的后备作用时，允许缩短后备范围。

（11）在实际可能出现的最不利运行方式和故障类型下，保护装置应有足够的灵敏系数。

（12）保护装置的灵敏性还应该与相邻设备或线路配合。

（14）保护装置所用的电流互感器在最不利条件下其误差应小于10%

2变压器保护选定

根据《继电保护技术规程GB14285-2006》的规定选择变压器继电保护方案。

2.1选定继电保护方案

（1）0.4MVA及以上车间内油浸式变压器和0.8MVA及以上油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。

当壳内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，应瞬时动作于信号；

当壳内故障产生大量瓦斯时，应瞬时动作于断开变压器各侧断路器。

带负荷调压变压器充油调压开关，亦应装设瓦斯保护。

瓦斯保护应采取措施，防止因瓦斯继电器的引线故障、震动等引起瓦斯保护误动作。

（2）对变压器的内部、套管及引出线的短路故障，按其容量及重要性的不同，应装设下列保护作为主保护，并瞬时动作于断开变压器的各侧断路器：

电压在10kV及以下、容量在10MVA及以下的变压器，采用电流速断保护。

电压在10kV以上、容量在10MVA及以上的变压器，采用纵差保护。

对于电压为10kV的重要变压器，当电流速断保护灵敏度不符合要求时也可采用纵差保护。

电压为220kV及以上的变压器装设数字式保护时，除非电量保护外，应采用双重化保护配置。

当断路器具有两组跳闸线圈时，两套保护宜分别动作于断路器的一组跳闸线圈。

（3）对外部相间短路引起的变压器过电流，变压器应装设相间短路后备保护。

保护带延时跳开相应的断路器。

相间短路后备保护宜选用过电流保护、复合电压（负序电压和线间电压）启动的过电流保护或复合电流保护（负序电流和单相式电压启动的过电流保护）。

（4）0.4MVA及以上数台并列运行的变压器和作为其他负荷备用电源的单台运行变压器，根据实际可能出现过负荷情况，应装设过负荷保护。

自耦变压器和多绕组变压器，过负荷保护应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。

过负荷保护可为单相式，具有定时限或反时限的动作特性。

对经常有人值班的厂、所过负荷保护动作于信号；

在无经常值班人员的变电所，过负荷保护可动作跳闸或切除部分负荷。

2.2变压器保护的选定

（1）变电所主保护方案：

变压器瓦斯保护,变压器纵联差动保护。

（2）变压器后备保护方案：

过负荷保护。

2.2.1变压器的瓦斯保护

油浸式变压器是利用变压器油作为绝缘和冷却介质的,当变压器发生内部故障时,由于短电流所产生的电弧使变压器的绝缘物和变压器油分解而产生大量的气体.利用这种气体来动作的保护装置称瓦斯保护。

反应变压器内部故障的各种保护装置除瓦斯保护外，由于受灵敏度的制约，都不能反应变压器内部一切形式的故障。

特别是匝间短路和严重漏油等故障。

如变压器绕组的匝间短路，将在短路的线匝内产生环流，局部过热，损坏绝缘，并可能发展成为单相接地故障或相间短路故障，但在变压器外电路中的电流值，还不足以使变压器的差动保护或过电流保护动作。

瓦斯保护却能动作并发出信号，使运行人员及时处理，从而避免事故的扩大。

因此，瓦斯保护是反应变压器内部故障最有效、最灵敏的保护装置。

瓦斯保护的原理接线图

瓦斯保护原理接线图如下图所示，轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳闸（跳开变压器两侧断路器）。

图1-3瓦斯保护原理接线示意图

因为瓦斯保护反应的是气体量和油流速度，所以瓦斯保护不但发生故障和危险的不正常情况下动作，且当由于任何原因在变压器内部出现空气或油的冲击流动时会动作。

因此在充油式变压器修理后重新灌满时，变压器油箱内可能进入空气，变压器带负荷后油温上升，油中的空气带热上升，空气进入瓦斯继电器。

瓦斯保护可能发生误动作。

为了防止这种误动作发生，利用切换片XB将重瓦斯保护切换至反作用信号，直至不再有空气逸出为止，一般约为两、三天，此外，在瓦斯继电器试验时也应切换致信号。

应予指出，变压器保护的出口中间继电器必须是自保持中间继电器，因为重瓦斯触电一经闭合，KM起动并自保持，无论KG触电如何抖动；

KM一直励磁到QF跳闸。

2.2.2变压器气体保护（瓦斯保护）的原理及组成

当变压器油箱内发生各种短路故障时由于短路电流和短路点电弧的作用，变压器油和绝缘材料受热分解，产生大量气体，从油箱流向油枕上部。

故障愈严重，产生气体越多，流向油枕的气流和油流速度也越快，利用这种气体来实现的保护称气体保护。

当变压器绕组发生匝数很少的匝间短路或严重漏油时，纵差动保护不会动作，而气体保护能动作，当绕组断线，因为通过的是穿越性电流，此时纵差动保护不会动作，但由于断线处电弧的作用，气体保护能反映动作。

因此气体保护除能反映上述故障外，还能起到作变压器油箱内短路故障时纵差动保护后备的作用。

气体保护的主要元件是气体继电器，它安装在油箱与油枕之间的连接管道上，如下图所示。

为保证气体顺利经气体继电器进入油枕，变压器顶盖与水平面之间应有1%-1.5%的坡度，联接管道应有2%-4%的坡度。

图3-1气体继电器安装位置图

2.2.3气体保护的工作原理

气体保护主要是由气体继电器组成，它安装在油箱与油枕之间的管道上。

FJ3—80型复合式瓦斯继电器结合图6-2所示。

这类继电器有较好的防震性能。

它是由挡板和开口杯复合而成的，上下方各有一个带干簧触点的开口杯。

正常时，上下开口杯都浸在油内。

由于开口杯及附件在油内的策略所产生的力矩平衡锤4产生的力矩小，因此，开口杯处于上升位置，干簧触点3断开。

当发生轻微故障时，分解出少量气体，此气体上升并聚集在瓦斯继电器上部，使瓦斯继电器中油面下降，上开口杯露出油面。

此时，开口杯及附件在空气中的重力加上杯中油的重量，所产生的力矩大于在油中平衡锤所产生的力矩，因此，开口杯顺时针方向转动，带动磁铁靠近，使上方的干簧触点闭合，发出轻瓦斯动作信号。

当发生严重故障时，产生大量气体，在气流和油流的冲击下，挡板带动下开口杯转动，使下干簧触点闭合，发出跳闸脉冲。

当严重漏油时，油面极度下降，与上开口杯动作原理相同，也可使下开口杯动作于跳闸。

图3-2变压器瓦斯保护结构图

2.2.4瓦斯保护原理电路

工作原理：

1是瓦斯继电器；

2是信号继电器；

3是出口继电器；

4是联片。

当变压器内部发生轻微故障时，有轻瓦斯产生，瓦斯继电器的上触点闭合，作用于至延时信号；

发生严重故障时，重瓦斯冲出，瓦斯继电器的下触点闭合，经信号继电器，发出报警信号，同时通过联片使出口继电器动作使断路器跳闸。

瓦斯继电器的下触点闭合，也可以利用切换片XB切换位置，只给出报警信号。

（如图6-3所示）

图3-3变压器瓦斯保护原理图

为了消除复合式瓦斯继电器的下触点在发生重瓦斯时可能有跳动（接触不稳定）现象，出口继电器有自保持触点。

只要瓦斯继电器的下触点一闭合，KCO就动作并自保持。

当断路器跳闸后，断路器的辅助触点断开自保持回路，使KCO恢复起始位置。

2.2.5变压器瓦斯保护的范围

变压器瓦斯保护的范围瓦斯保护的范围是变压器内部多相短路；

匝间短路，匝间与铁心或外皮短路；

铁心故障（发热烧损）；

油面下降或漏油；

分接开关接触不良或导线焊接不良。

2.2.6瓦斯继电器的整定

轻瓦斯容积的范围为250—300cm2。

变压器容量在10MVA及以上时，一般正常整定值为250cm2。

气体容积整定值是利用调节重锤的位置来改变的。

重瓦斯流速的整定范围为0.6—1.5m/s。

在整定流速时是以导油管中油管流速为准。

因为不同容量的变压器采用导油管直径不同，管径越小流量越大；

反之管径越大流速越小。

瓦斯保护对油箱外部套管的故障不能反应，因此不能够作为变压器的唯一的主要保护，还须与纵差保护或电流速断保护共同使用而构成变压器的主要保护。

2.3变压器的纵差动保护

LCD—15型差动继电器由比率制动部分,差动部分,2次谐波制动部分,差动电流速断部分和极化继电器所组成.若将执行元件（极化继电器）换成零指示器,它就成为一晶体管型继电器.

比率制动部分是用于防止外部短路时,由于不平衡电流点影响而造成误动.2次谐波制动部分的作用,是防止变压器空载投入时出现励磁涌流而造成保护误动作.当变压器内部发生严重故障时,短路电流很大,使电流互感器严重饱和,其二次电流中可能出现很大的各次谐波分量.为防止差动继电器拒动和加快切除故障,继电器中设有差动电流速断部分.

2.3.1工作原理

本继电器采用差电流原理制成，其原理接线如图3所示。

将被保护设备（以下简称设备）各侧电流互感器二次电流经FY-1型自耦变流器匹配之后，引入继电器中。

在设备内部故障时，流入设备的电流与流出设备的电流不同，产生差电流使继电器动作。

在正常运行时，由于流入设备和流出的电流（按变压器变比折算到一侧后）相同，理论上讲没有差电流。

实际上由于各侧电流互感器变比不同，误差不同及变压器调节分接头位置等原因，存在一个不大的差电流。

这个差电流不大于设备额定电流Ie的10%～15%，继电器的整定动作电流应大于此差电流。

外部故障时（设备区外短路故障或称穿越性故障），流过设备的电流可能很大，在故障开始瞬间的暂态过程中，短路电流里还包含很大的非周期分量，因而设备各侧的电流互感器可能饱和。

此时，由于各电流互感器磁化特性不一致，二次差电流可能很大。

为防止继电器在这种情况下误动作，设有比例制动回路，当短路电流增大时，制动量按比例增大，使继电器制动。

本继电器具有两侧比例制动，经过匹配的设备两侧电流互感器二次电流通过电抗变压器4DKB的两个原绕组，其副绕组里的感应电势经过ZL4整流后成为比例制动电压。

在变压器空载投入或外部短路故障切除后电压恢复过程中，变压器的励磁涌流可能很大，其值有时可达变压器额定电流的4-8倍，远大于继电器的整定动作电流，又因涌流仅出现在一侧，对差动继电器来讲相当与差电流，如不采取闭锁措施，将会误动作。

本继电器利用差电流里的二次谐波起制动作用，因为涌流里有很大比例的二次谐波分量，而内部短路故障电流里二次谐波含量很小，可以有效的防止继电器在变压器空投时误动作，而在变压器内部故障时又不会拒动。

接在差电流回路里的电抗变压器2DKB用来取出二次谐波制动量。

在设备内部严重故障时（如引出线短路），短路电流很大，可达额定电流的10-20倍以上。

此时各侧电流互感器可能严重饱和，其二次电流中可能出现很大的各次谐波分量。

为防止差动继电器在此时拒动，并为加快动作速度，继电器中设有不带制动的差电流速动部分，其动作电流整定值按大于变压器空投时的励磁涌流来决定。

（1）差电流回路

在差电流回路里（引出端子5与16之间）共有三只电抗变压器1～3DKB，并由它们组成三个部分。

（2）差动动作部分

由1DKB、C1、ZL1及R1组成。

1DKB副绕组与电容C1组成50Hz谐振电路，其输出基波电压（即C1两端电压）U1经ZL1整流桥整流后，通过电阻R1作为动作电压Ud加在执行元件极化继电器JJ及其附加电阻上。

（3）谐波制动部分

由2DKB、C2、DK、C3、ZL2及R2组成。

电抗器DK与电容C3组成50Hz

（4）差动电流速断部分

由3DKB、ZL3。

C5及ZJ等元件组成。

3DKB的付绕组输出电压与差电流成正比，此电压ZL3整流桥整流，当差电流达到差电流速断整定值时，ZL动作跳闸。

用整定插头改变3DKB付绕组的抽头（即改变输出电压）来改变差电流速断的动作电流整定值。

电位器W2用来调节最小差动速断电流，在出厂前调好锁紧，其他整定值均可保证一定的尊却度。

（5）比例制动部分

比例制动部分接在“和电流”回路中，由4DKB、ZL4。

WY。

R3～R5等组成。

4DKB有两个原绕组分别接入被保护设备两侧电流互感器的二此回路。

通过此两个原绕组的电流正比于流入设备和流出设备的电流。

此二电流矢量和在4DKB付绕组产生一个与其成正比例的电压UZ。

UZ竟ZL4整流桥整流之后，通过稳压管WY及电阻R3～R5作为比例制动电压UZ1与谐波制动电压UZ2并联，通过R2加在执行元件上。

UZ1与设备外部短路时的

故障电流成正比例，故称比例电压。

用插头改变串联电阻R3～R5，可以调节比例制动电压的大小，即比例制动特性斜率。

稳压管WY用来得到零制动段（见图4），即当制动电流（通过4DKB原方电流）较小，即小于0.5-1倍继电器额定电流时，WY不能击穿，无比例制动电压加在执行元件上，用以提高继电器对设备内部轻微短路故障（如变压器匝间短路）的灵敏度。

（6）主回路动作电流调节

由差动动作部分、谐波制动部分和比例制动部分组成的。

以极化继电器JJ为执行元件的回路叫做主回路，其执行元件叫做主元件。

动作电压与制动电压通过R1、R2合成后，其代数和由电容C4滤波后加在执行元件上。

当动作电压大于制动电压时，和电压为正（JJ端子‘4’为正极）此时电压超过JJ的动作电压后，JJ动作跳闸，反之JJ制动。

电阻R6与电位器W1用来调节继电器主回路的最小动作电流（1A或0.8A）在出厂前或更换极化继电器后调好并锁紧。

其他整定值是用插头改变JJ的并联电阻R7～R9来得到，可以保证一定的准确度。

2.3.2差动保护的整定计算

整定计算的内容主要是确定最小动作电流Ioper.0,折点制动电流Ibrk.0以及选取制动特性来躲过区外短路故障时的最大不平衡电流.下面是双绕组变压器整定计算原则和步骤.

（1）差动继电器动作电流的整定计算应考虑以下几种情况:

1.选择自耦交流器变比及抽头

首先计算变压器各侧的额定电流;

选择各侧电流互感器变比,计算各侧差动臂中电流,选择自耦交流器变比,最后计算出相对误差.

1.计算最小动作电流

Ioper.0=（0.2～0.4）IN/nTA

式中IN--额定电流.

2.选取折点制动电流

Ibrk.0=（0.5～1）IN/nTA

3.确定制动系数

Kbrk=

=Krel（10%KaperKst+△U+△ƒw）

式中Kst--同型系数,取1;

Kaper--非周期分量系数,取1.5-2;

△U--带负荷调压变压器调压引起的相对误差,取调压范围的一半;

△ƒw--变比误差\取实际计算值;

Krel--可靠系数,取1.3.

4.校验灵敏度

Ksen=

≥2

式中

--变压器内部最小两相短路电流;

--当有制动电流时的动作电流.

5.差动电流速断动作电流

按躲过变压器空载投入时,出现的最大励磁涌流的1.5-2倍,对于Y,d接线变压器为

Ioper.0=（1.5～2）Iμ.s

式中Iμ.s--励磁涌流.

2.3.4变压器的过负荷

变压器长期处于过负荷运行状态，将会使绝缘老化，减短绕组寿命，因为还需要装设过负荷保护。

变压器过负荷时三相电流一般情况下是对称的，所以过负荷保护只需在一相上装设一个电流继电器，为了防止外部短路或短时过负荷时发出不必要信号，过负荷保护要经过延时动作于信号。

过负荷保护安装侧的选择，应能反应所有绕组的过负荷情况，通常考虑如下：

双绕组降压变压器的过负荷保护应装在高压侧。

单侧电源的三绕组降压变压器，若三侧容量相同，过负荷保护仅装设在电源侧；

若三侧容量不同，则在电源侧和容量较小侧分别装设过负荷保护。

双侧电源的三绕组降压变压器或联络变压器三侧均应装设过负荷保护。

图3-7过负荷保护原理图

过负荷的整定：

变压器的过负荷电流，在大多数情况下都是三相对称的，所以过负荷保护只需在一相上装一个电流继电器。

为了防止在外部短路或在短时过负荷时发出不必要的信号，过负荷保护通常都经过延时作用于信号。

过负荷保护的动作电流，按躲过额定电流来整定。

即

（6-15）

—可靠系数，取1.05；

—返回系数，取0.85；

—保护安装侧的额定电流。

过负荷保护的动作时限，应大于过电流保护动作时限1—2个时限级差。

过负荷保护动作只发出信号。

过负荷保护与过电流保护合用一组电流互感器。

3整定计算

3.1AB线路的三段式电流速断保护整定计算

=16.4Ω

B点短路时

最大运行方式下,C点发生短路时,

最大运行方式下,考虑一台变压器退出运行,C点发生短路时,

最大负荷电流

取电流互感器的变比200/5,采用三相不完全星型接线