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继电保护原理与应用毕业设计论文

本科生毕业论文（设计）

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内容摘要

电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备它在整个电力系统中起着能量和电压转换的作用。

它的运行是否安全直接关系到电力系统能否连续稳定地运行。

鉴于电力变压器在系统中的重要性电力变压器的保护一直受到世人的重视和关注。

现如今随着电力系统规模的不断扩大和它在国民经济中地位的不断提升对其保护也提出了更高的要求尤其在可靠性和快速性方面。

本论文针对变压器保护的要求,围绕着变压器微机保护系统的研究展开设计工作。

 论文首先介绍了微机继电保护的基本要求、微机保护技术和电力变压器保护。

接下来在三相电力变压器的保护方式以差动保护、瓦斯保护、电流速断保护、变压器过负荷保护详细分析了电力电压器的保护。

在保护配置与整定计算详细分析、从实际运行中变压器的各种故障和不正常状态出发介绍了变压器保护的基本要求和配置在此基础上确定了本电力变压器微机保护系统的保护配置并讲述了所配置的变压器保护的基本原理和具体参数。

关键词：

电力变压器；继电保护；整定计算

1绪论

1.1课题的背景与意义

继电保护的主要任务是自动、迅速地将故障元件从系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它部分迅速恢复运行。

继电保护对电力系统的安全运行具有重要意义。

继电保护装置作用是起到反事故的自动装置的作用，电力变压器的保护必须正确的区分“正常”与“不正常”运行状态，被保护原件的“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原件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别，依据反应物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护。

（1）反应电气量的电气保护

电力系统发生故障时，通常伴有电流增大、电压降低以与电流与电压的比值和他们之间的相位角改变等现象。

因此，在被保护元件的一端装设种种变换器可以检测、比较并鉴别出故障时这些参数与正常运行时的差别，就可以构成各种不同原理的继电保护。

（2）反映非电气量的保护

如反应温度、压力、流量等非电气量变化的可以构成电力变压器的瓦斯保护、温度保护。

本文通过对电力变压器继电保护以与变压器继电保护原理分析。

通过本次论文掌握和巩固电力系统继电保护的相关专业理论知识，熟悉电力系统继电保护的配置原则，整定计算方法，并提高在实践工作中的应用能力、创新能力和独立工作能力。

电力变压器是电力系统的重要电气设备,其安全运行关系到整个电力系统的安全工作。

随着电力工业的迅速发展，微机化保护得到普遍应用，对电力变压器保护提出了更高的要求。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外继电保护原理与应用发展现状

电力系统继电保护的发展经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段后，现在发展到了微机保护阶段 

微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。

它起源于20世纪60年代中后期,60年代中期,有人提出用小型计算机实现继电保护的设想,但是由于当时计算机的价格昂贵,同时也无法满足高速继电保护的技术要求,因此没有在保护方面取得实际应用,但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究,为后来的继电保护发展奠定了理论基础。

计算机技术在70年代初期和中期出现了重大突破,大规模集成电路技术的飞速发展, 使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。

价格的大幅度下降,可靠性、运算速度的大幅度提高,促使计算机继电保护的研究出现了高潮。

在70年代后期, 出现了比较完善的微机保护样机, 并投入到电力系统中试运行。

80年代, 微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟,并已在一些国家推广应用。

90年代,电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代,它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。

随着计算机硬件的迅猛发展,微机保护硬件也在不断发展。

从8位单CPU结构的微机保护问世,不到5年时间就发展到多CPU结构,又发展到总线不出模块的大模块结构,性能大大提高,得到了广泛应用,后又发展到以工控机核心部分为基础的32位微机保护。

采用32位微机芯片并非只着眼于精度,因为精度受A/D转换器分辨率的限制,超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受的;更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度,很高的工作频率和计算速度,很大的寻址空间,丰富的指令系统和较多的输入输出口。

CPU的寄存器、数据总线、地址总线都是32位的,具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能,并将高速缓存（Cache）和浮点数部件都集成在CPU内。

电力系统对微机保护的要求不断提高,除了保护的基本功能外,还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间,快速的数据处理功能,强大的通信能力,与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力,高级语言编程等。

这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。

在计算机保护发展初期,曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置。

由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差,这个设想是不现实的。

现在同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机,因此,用成套工控机做成继电保护的时机已经成熟,这将是微机保护的发展方向之一。

1.2.2我国继电保护原理与应用发展现状

我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科院起着先导的作用。

华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。

1984年原华北电力学院研制的输 电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。

在主设备保护方 面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机、变压器组保护也相继于1989、1994年通过鉴定，投入运行。

南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。

天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通 大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年通过鉴定。

至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。

可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。

随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中。

1.3本文的主要内容

本文研究的是变压器继电保护中存在的若干问题。

全文共分为三章，各章内容简介如下：

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；

第二章继电保护概况，介绍了继电保护基本概念与工作原理，继电保护性能要求，继电保护分类，继电保护运行与维护；

第三章电力变压器继电保护应用，简述电力变压器的故障类型与保护方式，电力变压器保护的配置，电力变压器保护中存在的问题，电力变压器继电保护发展趋势；

文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2继电保护概况

2.1继电保护基本概念与工作原理

在电力系统运行中，由于外界因素和内部因素都可能引起各种故障与不正常运行的状态出现，常见的故障有：

单相接地；三相接地；两相接地；相间短路；短路等。

电力系统非正常运行状态有：

过负荷，过电压，非全相运行，振荡，次同步谐振，同步发电机短时异步运行等。

电力系统继电保护和安全自动装置是在电力系统发生故障和不正常运行情况时，用于快速切除故障，消除不正常状况的重要自动化技术和设备。

继电保护的工作原理，是根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成，电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：

（1）电流增大。

短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。

（2）电压降低。

当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。

（3）电流与电压之间的相位角改变。

正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60°～85°。

（4）测量阻抗发生变化。

测量阻抗即测量点（保护安装处）电压与电流之比值，正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。

利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。

2.2继电保护性能要求

继电保护装置的工作职能和工作方式决定了自动化装置必须遵循可靠、灵敏、快速、与有选择性的特性。

当电力系统和设备发生故障时，要求继电保护装置能最大限度的降低故障对设备的损坏程度；同时继电装置好要根据电气系统在非正常工作运行维护中采取发出的不同的信号，自动将运行设备进行调整或切除容易引起事故的电气设备，与时对系统进行提醒、规范和预防在操作中故障的出现，使其设备处在正常的工作状态下运行。

1.可靠性。

当电力系统在正常的运行状态下，保护装置实施对装置进行监督，在发生故障的情况下采取正确的防护措施。

必须严格要求继电保护装置的可靠性，才能发挥继电保护装置的保护功能。

因此可见，继电保护装置的可靠性是衡量电气系统能否正常运行的最基本的标准，在任何电力设备在无继电保护的状态下都不能运行。

2.灵敏性。

灵敏性是整个电力系统安全运行的保障，只有在运行中减轻设备的故障率和受损程度，才能将受损范围缩小到最低值，从而提高继电保护系统的稳定性与灵敏度。

灵敏系数的标定通常体现在设备在保护范围内不正常运行状态继电保护装置的应变能力，通过灵敏度的保护从而提高设备自动投入的效果，是生产过程中的设备和经济损失比降到最低。

3.快速性。

快速性是指在设备发生故障后的修复能力，在设备运行中发生故障后能与时对故障进行修复，保持电力系统的继电能高效稳定的运行。

电力系统的机电保护系统在处理和防范系统故障方面要求迅速切断短路故障线路，降低线路受损程度和系统中存在的其它危险系数。

4.选择性。

电力系统在运行过程中发生故障时，继电保护装置对故障进行分析和数据分析，对发生故障的设备和线路进行定位切除，保护电力系统的稳定供电和用电需求。

在处理故障的过程中，保护装置应根据故障点最近的断路器进行线路切除，只有被故障设备和线路本身的保护拒绝时，才允许由临近的线路或故障设备进行故障切除。

2.3继电保护分类

继电保护可按以下4种方式分类。

①按被保护对象分类，有输电线保护和主设备保护（如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护）。

②按保护功能分类，有短路故障保护和异常运行保护。

前者又可分为主保护、后备保护和辅助保护；后者又可分为过负荷保护、失磁保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护等。

③按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类，有模拟式保护和数字式保护。

一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型（运算放大器）保护装置，它们直接反映输入信号的连续模拟量，均属模拟式保护；采用微处理机和微型计算机的保护装置，它们反应的是将模拟量经采样和模/数转换后的离散数字量,这是数字式保护。

④按保护动作原理分类，有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、高频（载波）保护等。

2.4继电保护运行与维护

（一）继电保护运行维护的原则

（1）保证系统运行的安全。

在继电保护装置的运行中，需要遵守的最基本原则就是确保电力系统的安全运行，这也是最重要的运行维护原则。

因此在对继电保护装置进行维护时，需要对其状态进行检修，并做好相应的监测工作，对于继电保护装置的运行周期进行一定的调整，以确保继电保护装置能够持续发挥其保护作用。

（2）做好宏观规划，将运行维护管理工作落实到实处。

由于继电保护装置的运行维护是一项既复杂又系统的工作，但目前却并没有形成一套较为完善的运行维护管理体系，为了能够保证继电保护装置可以充分发挥其保护作用，就需要做好整体的宏观规划，并将规划逐步分层的落实到每个管理环节，并不断积累经验，提高运行维护管理水平。

（二）继电保护运行的具体维护

（1）加强继电保护装置运行中的异常现象监视，并将具体情况与时报告给主管部门。

（2）在检修过程中，应在与相关负责人协商一致后，再进行检修必要的分合开关操作，以免出现人为因素的故障，使得检修适得其反。

（3）与时查明继电保护动作开关跳闸的原因，对保护动作的情况作进一步了解，并在故障排除而滇西李彤回复运行后复归全部掉牌信号，做好故障发生、原因分析与具体排除措施等所有内容的实时有效的记录。

（4）对于继电保护装置的操作权限，值班人员只有开关的切换或转换、压板接通或断开与保险卸装等，不能做多余的违规操作，若出现不在操作权限内的异常状况，应与时断开开关并与相关负责人联系。

（5）根据《电气安全工作规程》规定并结合现场的设备图纸进行二次回路上的所有工作，并根据相关规定进行对传统变电站二次设备的定期检修，确保继电保护装置与其二次回路接线完好。

（三）提高继电保护可靠性的有效措施

（1）增加对继电保护的投入

在科学技术的大力支持下，新的技术与设备层出不穷，要提高继电保护运行的可靠性，不只要注重对装置投运后的维护，还要合理选用继电保护装置，将有高技术含量的新型装置应用到电力系统运行中，不断完善电力系统运行的电气设备。

（2）加强对继电保护运行的日常维护。

电力系统运行中发生故障的现象是具有随机性的，并不能准确定，这就要在日常运行中多加注意与监测，尤其是对能有效防止故障或事故发生与扩大的继电保护的日常监测。

定期对继电保护装置与其二次回路进行有效校验与检查，综合提升继电保护运行维护水平。

（3）强化对检修人员的素质与业务技能的培训

要提高继电保护可靠性，就要注意对继电保护装置的检修，而这对检修人员的综合素质与业务技能有很高的要求。

必须对加强检修人员的素质与业务技能的培训，并通过专业的技能培训与有效的考核方式等，提高检修人员的综合素质与业务技能，熟知检修操作过程与规章制度要求。

3变压器继电保护应用

3.1变压器的故障类型与保护方式

变压器的故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。

油箱外的故障主要是套管和引出线上发生相间短路以与接地短路。

油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以与铁芯的烧损等。

油箱内故障时产生的电弧，不仅会烧坏绕组的绝缘、烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸，对于变压器发生的各种故障，保护装置因能尽快地将变压器切除。

实践表明，变压器套管和引出线上的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式；而变压器邮箱内发生相间短路的情况比较少。

变压器的不正常运行状态主要有：

变压器外部短路引起的过流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降。

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，威胁变压器绝缘；大容量变压器在过电压或低频等异常运行工况时会使变压器过励磁，引起铁芯和金属构件的过热。

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，使运行人员与时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。

变压器油箱内故障时，除了变压器各侧电流、电压变化外，油箱内的油、气、温度等非电量也会变化。

因此变压器保护分电量保护和非电量保护两种。

非电量保护装设在变压器内部。

电量保护主要有差动保护、过流保护。

3.2变压器保护的配置情况

1.主保护

（1）差动保护：

比率差动、差动速断

（2）非电量保护：

本体重瓦斯、有载重瓦斯、压力释放、冷空失电、油温高、油温低

2.后备保护

高后备、中后备、低后备其保护。

配置示意见图3.1

图3.1变压器保护配置示意图

3.2.1变压器纵差保护

变压压器的差动保护，主要用来保护变压器内部以与引出线和绝缘套管的相间短路，并且也可以用来保护变压器内的匝间短路，其保护区在变压器一、二次侧所装电流互感器之间，主要切除CT范围内的各种短路故障。

比率差动保护主要防止区外短路时误动作,差动速断保护主要防止大短路电流作用下带谐波制动的差动保护拒动。

1.变压器差动保护原理

如图3.2为双绕组单相变压器纵差保护的原理接线图。

、

，分别为变压器一次侧和二次侧电流，参考方向为母线指向变压器；

、

为相应的电流互感器二次电流，则流入差动继电器KD的差动电流为

=

、+

（3-1）

纵差保护的动作判据为：

≥

由此可见，正常运行和变压器外部故障时，差动电流为零，保护不会动作；当变压器内部故障时，相当于变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的电流等于故障点电流，只要故障点电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就会迅速动作，切除故障。

图3.2双绕组单相变压器纵差保护的原理接线图

2.变压器差动保护接线方式

在电力系统中，三绕组变压器通常采用YN，Yn,d11的接线方式，如图3.3所示，因为各侧电流相位不一致，d侧电流比y侧电流超前30°，从而在变压器差动保护的差回路中产生较大的不平衡电流。

在原来的电磁式保护中，按照差动保护原理，在正常运行或有穿越性电流流过时，流入继电器的电流必须为零，即必须保证电源侧与负荷侧电流相位相差180°，使流入差动继电器的电流接近于零。

因此，必须通过改变接线组别的方法矫正相位差，而改变接线组别的话，既麻烦且容易出现错误。

在微机保护逐渐普与的今天，由于软件计算的灵活性，允许变压器各侧TA二次侧都按Y形接线，在进行差动计算时由软件对变压器副边电流进行相位校准，各侧电流存在的相位差由软件自动进行校正，简化了TA接线，现场施工中简单易行。

 由软件进行相位校准后，还必须对各侧TA变比进行计算调整，才能消除不平衡电流对变压器差动保护的影响。

在微机保护装置中变比的计算调整也是靠软件实现的，将计算出的TA调整系数当作定值送入微机保护，

由保护软件实现TA自动平衡功能，消除不平衡电流的影响。

应注意的是采用微机型差动保护装置之后各侧差动TA的极性仍然朝向母线侧，只有这样的接线才能保证软件计算正确。

图3.3双绕组三相变压器纵差保护原路接线图

3.变压器差动保护的不平衡电流产生的原因和消除方法

（1）由变压器各侧绕组接线方式不同而产生的不平衡电流：

如经常采用的Y/Δ-11型接线方式，两侧电流的相位差30°，幅值相差

倍。

消除方法：

相位校正。

a.通过电流互感器的接线校正：

变压器Y侧CT采用Y/Δ-11接线，变压器Δ侧CT采用Y/Y-12接线。

b.通过软件的算法进行校正。

（2）由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流:

消除方法:

a.利用差动继电器的平衡线圈进行磁补偿。

Ibp=Δfzd•Id.max/nl1

其中:

Δfzd=（Wph.js-Wph.zd）/（Wph.js+Wph.zd）

Δfzd―继电器整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差

Id.max―外部故障时,流过变压器高压侧的最大短路电流。

b.采用自耦变流器。

在变压器一侧的电流互感器（三绕组变压器需在两侧）的二次侧，装设自耦变流器，改变其变比，使各侧二次电流相等。

c.通过软件中的不平衡系数进行校正。

（3）由电流互感器误差不同而产生的不平衡电流:

此不平衡电流在整定计算中予以考虑。

（4）由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流:

此不平衡电流在整定计算中应予以考虑。

（5）暂态情况下的不平衡电流:

a.非周期分量的影响:

此不平衡电流在整定计算中应予以考虑。

b.励磁涌流的影响:

当空载变压器投入电网或变压器外部故障切除后电压恢复时，励磁电流大大增加，其值有可能达到变压器额定电流的6～8倍，该电流称为励磁涌流。

4.励磁涌流

（1）.涌流的产生：

在变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复过程中，会出现励磁涌流。

合闸时，变压器铁芯中的磁通急剧增大，使铁芯瞬间饱和，这时出现数值很大的冲击励磁电流（可达5～10倍的额定电流），通常称为励磁涌流。

（2）.三相变压器励磁涌流波形特征的因素

①.电源电压大小和合闸初相角：

②.系统等值阻杭大小和相角；

③.变压器三相绕组的接线方式相中性点接地方式；

④.三相铁心结构型式（三相三柱或五柱、单相变压器组）；

⑤.铁心硅钢片组装工艺水平（拼接残余气隙大小）；

⑥.铁心材质（磁化特性、磁滞特性、局部滋滞回环）；

⑦.合闸前铁心磁通大小（剩磁4r）和方向：

⑧.涌流经电流互感器的非线性传变，即互感器的饱和特性

（3）.励磁涌流特点

①.励磁涌流幅值大且衰减，含有非周期分量；中小型变压器励磁涌流大（可达10倍以上），衰减快；大型变压器一般不超过4.5倍，衰减慢。

如不采取相应措施，将导致差动保护误动作！

②.励磁涌流波形出现间断特性。

（间断角闭锁原理）

③.励磁涌流中含有明显的二次谐波和偶次谐波。

（二次谐波制动原理）

④.涌流偏于时间轴的一方，非对称性涌流。

（波形识别技术）

5.变压器差动保护的整定原则

（1）.应躲过变压器差动保护区外短路时出现的最大不平衡电流，即

（3-2）

式中，

为可靠系数，可取1.3。

（2）.应躲过变压器励磁涌流，即

（3-3）

式中，

为变压器额定一次电流，

为可靠系数，可取1.3～1.5。

在电流互感器二次回路断线且变压器处于最大负荷时，差动保护不应误动，因此

（3-4）

式中，

为最大负荷电流，取（1.2～1.3），

为可靠系数，可取1.3。

3.2.2变压器瓦斯保护

瓦斯保护，又称为气体继电保护，是保护油浸式变压器内部故障的一种基本保护装置，是变压器的主保护之一，是应对变压器内部故障的最有效、最灵敏的保护装置。

瓦斯保护的原理接线如图3.4所示。

图3.4瓦斯保护原理接线图

变压器瓦斯保护动作后，运行人员应立即对变压器进行检查，查明原因，可在气体继电器顶部打开放气阀，用干净的玻璃瓶收集蓄积的气体（注意：

人体不得靠近带电部分），通过分析气体性质可判断出发生故障的原因和处理要求。

瓦斯保护只能反应变压器油箱内部的故障，而对变压器外部端子上的故障情况则无法反应。

因此，除了设置瓦斯保护外，还需设置过流、速断或差动等保护。

3.2.3变压器电流速断保护

对于小容量的变压器可以在电源侧装设电流速断保护，作为电源侧绕组、套管与引出线故障的主要保护，并用过电流保护作为变压器内部故障的后备保护。

图3.5为变压器电流速断保护的原理接线图，电流互感器装设于电源侧。

电源侧为中性点直接接地系统时，保护采用完全星形接线方式，电源侧为中性点不接地或经消弧电抗器接地的系统时，则采用两项不完全星形接线。

图3.5变压器电流速断保护原理接线图

速断保护的动作电流

按躲过变压器外部故障（如k1点）的最大短路电流整定，即

（3-5）

式中

为k1点短路时流过保护的最大三相短路电流；

为可靠系数，取1.2～1.3。

变压器电流速断保护的灵敏系数按保护安装处（k2点）的最小运行方式

下两相短路电流效验，即

（3-6）

电流速断保护的优点是接线简单，动作迅速。

但是电流速断保护的动作范围小，有死区，不能保护变压器的全部绕组。

为了弥补死区得不到保护的缺点，速断保护使用时要配备带时限的过电流保护。

3.2.4变压器相间短路后备保护

变压器相间短路的后备保护既是差动保护和瓦斯保护的后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。

后备保护的作用是为了防止由外部