电力变压器继电保护设计.docx
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电力变压器继电保护设计
课程设计报告书
题目：
电力变压器继电保护设计
院（系）电气工程学院_______
专业电气工程及其自动化____
学生姓名冉金周__________
学生学号
指导教师张祥军蔡琴______
课程名称电力系统继电保护课程设计
课程学分2____________
起始日期2017.6.23__
教
师
评
语
教师签名：
日期：
成
绩
评
定
备
注
课程设计任务书
一、目的任务
电力系统继电保护课程设计是一个实践教学环节，也是学生接受专业训练的重要环节，是对学生的知识、能力和素质的一次培养训练和检验。
通过课程设计，使学生进一步巩固所学理论知识，并利用所学知识解决设计中的一些基本问题，培养和提高学生设计、计算，识图、绘图，以及查阅、使用有关技术资料的能力。
本次课程设计主要以中型企业变电所主变压器为对象，主要完成继电保护概述、主变压器继电保护方案确定、短路电流计算、继电保护装置整定计算、各种继电器选择、绘图等设计和计算任务。
为以后深入学习相关专业课、进行毕业设计和从事实际工作奠定基础。
二、设计内容
1、主要内容
（1）熟悉设计任务书，相关设计规程，分析原始资料，借阅参考资料。
（2）继电保护概述，主变压器继电保护方案确定。
（3）各继电保护原理图设计，短路电流计算。
（4）继电保护装置整定计算。
（5）各种继电器选择。
（6）撰写设计报告，绘图等。
序号
实践/实习/实验项目名称
教学时数
机动
1
熟悉设计任务书，相关设计规程，分析原始资料，借阅参考资料等
6
2
继电保护概述，主变压器继电保护方案确定等
6
3
各继电保护原理图设计，短路电流计算等
8
4
继电保护装置整定计算
8
5
各种继电器选择
4
6
撰写设计报告，绘图等
8
7
考核
4
合计
44
（2周）
2、原始数据
某变电所电气主接线如图1所示，已知两台变压器均为三绕组、油浸式、强迫风冷、分级绝缘，其参数如下：
SN=31.5MVA；电压为110±4×2．5％／38.5±2×2．5％／11kV；接线为YN/y/d11（Y0/y/Δ-12-11）；短路电压UHM（%）=10.5，UHL（%）=17，UML（%）=6。
两台变压器同时运行，110kV侧的中性点只有一台接地，若只有一台运行，则运行变压器中性点必须接地，其余参数如图1。
3、设计任务
结合系统主接线图，要考虑两条6.5km长的110kV高压线路既可以并联运行也可以单独运行。
针对某一主变压器的继电保护进行设计，即变压器主保护按一台变压器单独运行为保护的计算方式。
变压器的后备保护（定时限过电流电流）作为线路的远后备保护。
图1主接线图
注：
学号尾号为1、2、3的同学，用图中Skmax=1010MVA，Skmin=510MVA进行计算；
学号尾号为4、5、6的同学，用图中Skmax=1100MVA，Skmin=520MVA进行计算；
学号尾号为7、8、9、0的同学，用图中Skmax=1110MVA，Skmin=550MVA进行计算。
三、时间、地点安排
14电气工程1、2、3班，分别在第15周、16、17周进行；教室由学院指定。
设计、答疑及答辩考核地点：
某教室另行通知。
答辩考核时间在第二设计周最后一天进行。
四、设计要求
1、了解相关设计规程、规范。
2、理解设计任务书，原始设计资料，继电保护概述。
3、掌握以下设计内容及方法：
各继电保护原理图设计，系统短路电流计算；继电保护装置整定计算；各种继电器选择。
最后撰写设计报告，绘制工程图，验收考核。
4、有勤于思考、刻苦钻研的学习精神和严肃认真、一丝不苟、精益求精的学习态度。
对有抄袭他人设计图纸（课程设计报告书）或找他人代画设计图纸、代做等行为的弄虚作假者一律按不及格记成绩，并根据学校有关规定给予处理。
5、敢于创新，勇于实践，注意培养创新意识和工程意识。
6、扎实掌握课程的基本理论和基本知识，概念清楚，设计计算正确，（设备或装置等）结构设计合理，实验数据可靠，软件程序运行良好，绘图符合标准，课程设计报告书撰写规范。
7、在设计周内完成所规定的设计任务，提交《课程设计报告书》一份，图纸一张（A3号，CAD绘制）。
五、成绩评定
1、考核方式：
考查
2、成绩评定：
平时考核20%，答辩考核占40%，设计报告书占40%。
采用优秀、良好、中等、及格和不及格五个等级评定。
六、参考文献
1.《工厂供电设计指导》，刘介才编，机械工业出版社出版，2014年。
2．《电力系统继电保护原理》，朱雪凌主编，中国电力出版社出版，2009年。
3．《电力系统继电保护》，张明君、王延平、梅彦平主编，人民邮电出版社出版，2012年。
4．《电力系统继电保护》，张保会、尹项根主编，中国电力出版社出版，2010年。
5．《供电系统继电保护》，李晶、路文梅主编，中国电力出版社出版，2008年。
6．《电力系统继电保护》，韩笑主编，机械工业出版社出版，2014年。
7.电力系统继电保护整定计算与应用实例，于立涛等，化学工业出版社。
8.电力设备选型手册（上、中、下），中国水利水电出版社。
9.电气工程电气设计手册电气二次部分，中国水利水电出版社。
摘要
继电保护是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。
许多实例表明，继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。
因此，加强继电保护的设计和整定计算，是保证电网安全稳定运行的重要工作。
实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。
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。
通过分析，找到符合电网要求的继电保护方案。
继电保护技术的不断发展和安全稳定运行，给国民经济和社会发展带来了巨大动力和效益。
但是，电力系统一旦发生自然或人为故障，如果不能及时有效控制，就会失去稳定运行，使电网瓦解，并造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。
因此电网继电保护和安全自动装置应符合可靠性、安全性、灵敏性、速动性的要求。
要结合具体条件和要求，本设计从装置的选型、配置、整定、实验等方面采取综合措施，突出重点，统筹兼顾，妥善处理，以达到保证电网安全经济运行的目的。
在电力系统发生故障中，继电保护装置能够及时地将故障部分从系统中切除，从而保证电力设备安全和限制故障波及范围，最大限度地减少电力元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，从而满足电电力系统稳定性的要求，改善继电保护装置的性能，提高电力系统的安全水平。
引言1
第一章继电保护概念2
1.1电力系统继电保护的概述2
1.1.1电力系统继电保护的基本概念2
1.1.2电力系统继电保护的基本任务2
1.2对继电保护装置的要求2
1.2.1对继电保护装置的要求2
1.3继电保护的组成及基本原理4
1.2.2继电保护的组成4
5
第二章变压器继电保护设置原则5
2.1变压器的故障类型、不正常运行状态5
2.1.1变压器的故障类型5
2.1.2变压器的不正常运行状态6
2.2变压器配置的保护6
2.2.1变压器配置的保护6
2.2.2变压器继电保护设置原则6
第三章电力变压器继电保护短路计算8
3.1原始数据8
3.2设计任务8
3.3短路电流计算9
第四章继电保护11
4.1主保护：
11
4.1.1瓦斯保护（气体保护）：
11
4.1.2纵差保护计算（主保护）：
12
4.2后备保护:
14
4.2.1定时限过电流保护：
14
4.2.2零序过电流保护：
15
4.2.3过负荷保护：
16
总结17
参考文献18
引言
继电保护是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。
许多实例表明，继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。
因此，加强继电保护的设计和整定计算，是保证电网安全稳定运行的重要工作。
实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。
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。
通过分析，找到符合电网要求的继电保护方案。
继电保护技术的不断发展和安全稳定运行，给国民经济和社会发展带来了巨大动力和效益。
但是，电力系统一旦发生自然或人为故障，如果不能及时有效控制，就会失去稳定运行，使电网瓦解，并造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。
因此电网继电保护和安全自动装置应符合可靠性、安全性、灵敏性、速动性的要求。
要结合具体条件和要求，本设计从装置的选型、配置、整定、实验等方面采取综合措施，突出重点，统筹兼顾，妥善处理，以达到保证电网安全经济运行的目的。
在电力系统发生故障中，继电保护装置能够及时地将故障部分从系统中切除，从而保证电力设备安全和限制故障波及范围，最大限度地减少电力元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，从而满足电电力系统稳定性的要求，改善继电保护装置的性能，提高电力系统的安全水平。
第一章继电保护概念
1.1电力系统继电保护的概述
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。
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对继电保护装置的要求
继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。
对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低。
1.选择性：
选择性是指当供电系统发生故障时，首先由故障设备或线路本身保护且出故障，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。
2.速动性：
速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性，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。
一般从装置速动保护、充分发挥零序瞬时段保护及相间速断保护的作用，减少继电器固有动作时间和断路器跳闸时间等方面入手来提高速动性。
故障切除时间=保护装置动作时间+断路器动作时间不同电压等级和不同结构的电网切除故障最小时间
3.灵敏性：
灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。
保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。
能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。
系统最大运行方式：
被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；
系统最小运行方式：
在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。
4.可靠性：
可靠性指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该误动作。
可靠性主要指保护装置本身的质量和运行维护水平而言，可以用拒动率和误动率来衡量。
当两者愈小，则保护的可靠性愈高。
为保证可靠性，应采用由可靠的硬件和软件构成的装置，并应具有必要的自动监测、闭锁、报警等措施。
以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。
这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。
因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。
1.3继电保护的组成及基本原理
继电保护泛指继电保护的技术和由各种继电保护设备组成的保护系统。
具体包括：
继电保护的设计、配置、整定、调试等技术；从获取电量信息的互感器二次回路、经过继电保护装置、至断路器跳闸线圈的一整套设备。
图1.1继电保护的组成
测量部分：
测量从被保护对象输入的有关电气量，适当处理后并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果，给出逻辑信号。
判断保护装置是否应该动作。
逻辑部分：
根据测量部分的输出，使保护装置按照一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号。
继电保护装置的作用是起到反事故的自动装置的作用，必须正确地区分“正常”与“不正常”运行状态、被保护元件的“外部故障”与“内部故障”，以实现继电保护的功能。
因此，通过检测各种状态下被保护元件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别。
依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护。
第二章变压器继电保护设置原则
2.1变压器的故障类型、不正常运行状态
以故障点的位置对故障进行分类，变压器的故障可分为油箱内的故障和油箱外的故障。
1.油箱内的故障指的是变压器油箱内各侧绕组之间发生的相间短路、同相部分绕组中发生匝间短路以及大电流系统侧的单相接地短路等。
2.油箱外的故障指的是变压器绕组引出端绝缘套管及引出短线上的故障，主要有各种相间短路和接地短路。
变压器不正常运行状态主要有：
外部相间短路引起的过电流，中性点直接接地电网中外部接地短路引起的过电流及中性点过电压，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，油箱漏油造成的油面降低i，变压器温度升高后油箱压力升高或冷却系统故障等。
对于大容量变压器，因其铁芯额定工作磁通密度与饱和磁通密度比较接近，所以当系统电压过高或系统频率降低时，可能产生变压器的过励磁故障。
2.2变压器配置的保护
1.短路故障的主保护：
纵联差动保护，重瓦斯保护，压力释放保护。
其次，根据变压器的容量，电压等级及结构特点，可配置零差保护及分侧差动保护。
2.短路故障的后备保护：
符合电压启动的过电流保护，零序过电流及零序方向过电流保护，负序过电流及负序方向过电流保护，符合电压锁闭功率方向保护，低阻抗保护等。
3.异常运行保护：
过负荷保护，过励磁保护，变压器中性点间隙保护，轻瓦斯保护，温度，油位保护及冷却器全停保护等。
1.气体保护：
对于0.8MVA及以上的油浸式变压器和0.4MVA及以上的车间内油浸式变压器，均应安装气体保护。
当油箱内故障产生轻瓦斯或油面下降时，应延时动作于信号；当产生大量瓦斯气体时，应动作断开变压器各侧断路器。
2.电流速断保护：
对于6.3MVA及以上厂用工作变压器和并列运行的变压器，以及10MVA及以下厂用备用变压器和单独运行变压器，当后备时限大于0.5s时应装设电流速断保护。
3.纵差保护：
对于6.3MVA及以上厂用工作变压器和并列运行变压器，以及10MVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器，应装设纵联差动保护（简称纵差保护）。
4.零序电流保护：
对于110KVA及以上中性点直接接地电网中的变压器，应在变压器中性点接地上装设反映接地故障的零序电流保护。
对于只有部分变压器中性点接地运行的变压器，当变压器为分级绝缘，零序电流保护动作时，应首先切除中性点不接地运行的变压器，如果故障未消失再切除中性点接地的变压器，以防止中性点不接地运行的变压器出现危险的过电压。
5.过励磁保护：
对于高压侧电压为500KV或容量再2400MVA及以上的变压器，当频率降低和电压升高引起的变压器工作磁密过高时，应装设过励磁保护。
该保护由两段构成，低定值动作于信号，高定值作用于断路器跳闸。
6.对变压器温度及油箱内压力升高和冷却故障应按电力变压器标准要求，装设作用于信号或动作于跳闸的保护装置。
第三章电力变压器继电保护短路计
3.3短路电流计算
1.等值电路：
取
=100MVA,
=115KV,
=10.5KV
，
（1）计算电源系统基准电抗的标幺值：
，
（2）计算短路各侧阻抗标幺值：
（3）计算线路的基准电抗标幺值：
2.短路电流计算：
（1）求K3点短路电流：
（2）求K4点短路电流：
（3）求K2点短路电流：
（4）求K1点短路电流：
3.短路计算电流列表：
表1：
短路电流计算数值列表
短路电流计算数值列表
短路电流（A）/短路点
K1点
K2点
K3点
K4点
三相短路最大值
5578
4183
12141
2091
三相短路最小值
2758
2368
10092
2021
两相短路最小值
2388
2051
8740
1750
第四章继电保护
4.1主保护：
4.1.1瓦斯保护（气体保护）：
瓦斯保护是变压器油箱内部故障和油面降低的主保护。
其中重瓦斯保护动作于跳闸，轻瓦斯保护动作于信号。
作为油箱内各种故障保护，其灵敏度高，结构简单，动作迅速。
对于0.8MVA及以上的油浸式变压器和0.4MVA及以上的车间内油浸式变压器，应装设瓦斯保护。
4.1.2纵差保护计算（主保护）：
（1）、计算变压器一次侧、二次侧额定电流，选出电流互感器变比，就算电流互感器二次连接臂中的电流，计算结果如下表所示：
表2：
变压器各侧有关计算数据
数据名称
各侧数据
110KV
11KV
变压器额定电流
电流互感器接线方式
Y
电流互感器计算值
选择电流互感器标准变比
电流互感器二次回路额定电流（A）
从上表中可以看出，I2>I1，故取110kv侧作为基本侧，平衡绕组Wb1接基本侧，平衡绕组Wb2接10KV侧。
（2）、计算差动保护基本侧动作电流，保护装置一次侧动作电流按下列条件选取。
1）躲过外部短路时最大不平衡电流：
2）躲过励磁涌流条件：
3）躲过二次回路断线不应动作条件：
选取条件中最大值作为基本侧差动保护装置一次动作电流，
，
求得差动继电器基本侧的动作电流为：
（3）、确定BCH-2型差动继电器的各绕组匝数，该继电器在保持Wk”/Wk’=2时，其动作匝数为：
取为8匝。
选取差动绕组整定匝数Wd.est=7匝，平衡绕组1整定匝数Wb1.est=1匝，故：
平衡绕组2的计算匝数为：
取平衡绕组2的整定匝数Wb2.set=2匝，则:
确定短路绕组，选取C1-C2插孔拧入螺钉，接通短路绕组。
（4）、灵敏系数校验。
折算到110kv侧的10kv侧最小运行方式三相短路电流为：
流入继电器的二相短路电流为：
110kv侧BCH-2型差动继电器的动作电流为：
差动保护装置最小灵敏系数为：
故符合要求。
4.2后备保护:
4.2.1定时限过电流保护：
令
，则：
归算至互感器二次侧：
灵敏度校验（远后备保护）：
4.2.2零序过电流保护：
以短路点K3位计算的点：
最大正（负）序阻抗：
最小零序阻抗：
两相零序接地电流：
单相接地短路电流：
取
与
中的最小值为：
由于变压器成为终端，接地保护不需要与下一级配合，故零序过电流保护的动作值为：
灵敏度校验：
归算至电流互感器二次侧：
表3：
继电器选型
序号
保护类型
整定值
继电器类型
1
气体保护
轻瓦斯保护
=250（
重瓦斯保护
=1.1（
）
QJ-80
2
变压器纵联差动保护
BCH-2
3
定时限过电流保护
=14.6（A）
DL-10/20A
JSL-12
4
零序电流保护
=5.23（A）
DL-10/6A
5
过负荷保护
=4.77（A）
JSL-12
总结
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中，不仅检验了我所学习的知识，通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关继电保护方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过思考及与同学交流讨论，这些问题都解决了。
实践出真知，通过亲自动手设计，使我们掌握的知识不再那么空泛。
通过这次课程设计，我有了很大的提高，之前上课有些没弄懂的问题在这次课程设计中也弄懂了。
而且通过设计，提高了理论结合实际的能力，巩固了书本知识，提高了动手能力，发现问题和解决问题的能力。
此次课程设计我不仅学会了学以致用，也发现了自己平时学习中的不足。
总而言之，这次继电保护课程设计让我受益匪浅。
参考文献
1．朱雪凌，电力系统继电保护原理，北京：
中国电力出版社，2009.
2．刘学军，继电保护原理学习指导（第二版），北京：
中国电力出版社，2011.
3．刘介才，工厂供电，北京：
机械工业出版社，2015.
4．姚志清，李金伴，张喜玲，继电器与继电保护装置实用技术手册，北京：
化学工业出版社，2007.
5.能源部西北电力设计院，电力工程电气设计手册电气二次部分，北京：
中国电力出版社，1991.
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