继电保护技师论文配电变压器继电保护设计.docx

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继电保护技师论文配电变压器继电保护设计

目录

摘要1

关键词1

引言3

1设计原始资料4

1.1课题背景4

1.2设计依据4

1.3设计原始参数4

1.4本次设计的任务4

2配电变压器及其继电保护概述5

2.1配电变压器的发展趋势5

2.2配电变压器的现状5

2.3继电保护的基本要求6

3配电变压器继电保护8

3.1配电变压器的故障和不正常运行状态8

3.2配电变压器瓦斯保护8

3.3配电变压器纵联差动保护9

3.4配电变压器的电流速断保护原理10

3.5配电变压器的过电流保护11

3.6配电变压器的过负荷保护13

4短路电流计算14

4.1短路电流计算步骤14

4.2变压器保护配置方案16

5配电变压器继电保护相关校验17

5.1常规调试及检验接线的安全措施17

5.2输入系统检验17

5.3保护装置各逻辑功能检查18

结论20

致谢21

参考文献22

配电变压器继电保护设计

【摘要】城市低压配电网和工业用户供用电网电压等级为110kV、35/63kV、10/6kV、380/220V。

不是每台变压器都需要设置以下所有的保护,而是根据变压器的等级和实际运行情况,以《继电保护和安全自动装置技术规程》为依据,有选择地实施保护。

本设计对一般配电变压器的继电保护进行了保护方式设计和保护装置的方案配置，同时有相关短路电流计算整定计算。

根据配电变压器在电网中的特点和运行要求，在满足继保护“四性”要求的前提下，求得最佳方案，分别配置了瓦斯保护、纵联差动保护、电流速断保护、过电流和过负荷保护，最后对全套保护进行了评价。

【关键词】继电保护变压器短路电流计算

Picktothecitylowvoltagedistributionnetworkandindustrialuserspowersupplynetworkof110kVvoltagelevel,35/63kV,10/6kV,380/220V.Noteverytransformerareneedtosetupthefollowingalltheprotection,butaccordingtothelevelofthetransformerandtheactualoperation,with"relayprotectionandsafetyautomaticdevicetechnicalregulationforthebasis,toselectivelyenforcetheprotection.Thisdesigntogeneraldistributiontransformersrelayprotectiontoprotectwayofprotectiondevicedesignandconfigurationscheme,atthesametime,haverelatedshort-circuitcurrentcalculationsettingcalculation.Accordingtothecharacteristicsofdistributiontransformerinthepowergridandoperationrequirements,andtomeettheprotection"foursex"thepreconditionof,getthebestsolutions,withthegasprotection,respectivelytheleaguedifferentialprotection,electricityflowvelocityovercurrentprotection,brokenandloadprotection,finallytofullprotectionconfigurationandevaluation.

Keywordsrelayprotectiontransformershort-circuitcurrentcalculation

引言

电能与国民经济各部门和人民生活关系密切。

现代工业、农业、交通运输业以及居民生活等都广泛的利用电作为动力、热量、照明等能源。

供电的中断或不足，将直接影响生产，造成人民生活混乱，在某些情况下，甚至会造成极其严重的社会性灾难。

改革开放以来，我国经济的快速发展刺激电网的快速发展，尤其是近几年，我国各个地区出现的缺电现象直接促进了大规模机组的投产和电网建设进程的急剧加快。

随着现代社会对电网供电可靠性的要求的不断提高，就需要我们继电保护装置发挥更重要的作用，针对系统出现的故障能及时切除，确保电网的安全、稳定、经济的运行。

在当前电力电网中，变压器是配电系统的核心，对它的继电保护也就成为了重中之重。

电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，为了供电的可靠性和系统正常运行，就必须视其容量的大小做相应的继电保护。

配电变压器的故障又分为内部和外部故障两种。

油箱内部的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的线损等。

外部故障有套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。

变压器发生故障，必将对电网和变压器带来危害，特别是发生内部故障时，如此，则短路电流产生的高温电弧不仅烧坏绕组绝缘和铁芯，而且使绝缘材料和变压器油受热分解产生大量气体，导致变压器外壳局部变形、甚至引起爆炸。

因此变压器发生故障时，必须将其从电力系统中切除。

配电变压器继电保护的实现和配电网的安全、稳定、经济运行是坚强电网建设的重要内容之一。

作为供配电环节的重要设备组件,无论是城市低压配电网变压器,还是工业用户供用电网配电变压器,其运行的经济性和保护的可靠性、便捷性,都是相关企业和用户实现安全生产和节能减排目标的前提条件。

1设计原始资料

1.1课题背景

电力系统各种电压等级均通过电力变压器来转换，配电变压器继电保护设计的意义在于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，或者给出信号由值班人员消除异常工况的根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。

变压器是配电网的主要设备,应用面广量大,其安全运行直接影响整个系统的可靠性。

目前,配电变压器继电保护配置方面还存在许多问题,其中配电变压器与其继电保护不匹配或存在动作死区,造成越级跳闸、拒动导致的事故相当多。

因此,加强配电变压器继电保护优化配置,合理选择保护方案,可以提高配电变压器继电保护动作的可靠性,有效防止主线路出口断路器保护误动。

1.2设计依据

本次课题主要是针对配电变压器继电保护设计的研究，研究任务的是体现自己对本专业各科知识的掌握程度，培养自己对本专业各科知识进行综合运用的能力，它是检验专业学习三年以来的学习结果，是毕业前的一次综合性训练，是对在大学几年所学知识的全面检查。

通过本次毕业论文，既有助于提高自己综合运用知识的能力，同时也有助于今后在工作岗位能很快的适应工作环境。

1.3设计原始参数

某配电所，变压器容量SN=630kVA电压10/0.4KV。

UK%=4.5。

电源进线长度为400米。

采用电缆线路进线，电源高压侧有少油断路器，低压侧出口处装有低压断路器，以母线方式向车间送电，无限大容量电力系统出口断路器的断流容量SOC=200MVA。

1.4本次设计的任务

（1）设计依据，原始资料和设计范围内容；

（2）短路电流计算；

（3）继电保护方案分析和论证及继电保护配置的确定；

（4）整定计算；

（5）继电保护的相关校验。

2配电变压器及其继电保护概述

配电变压器指配电系统中根据电磁感应定律变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。

通常装在电杆上或配电所中，一般能将电压从6～10千伏降至400伏左右输入用户。

配电变压器是配电系统中的重要设备之一，它的性能、质量直接关系到了电力系统运行的可靠性和运营效益。

2.1配电变压器的发展趋势

配电变压器中我国中小型配电变压器最初是以绝缘油为绝缘介质发展起来的;进入20世纪90年代，干式变压器在我国才有了很快的发展。

（1）油浸式配电变压器

油浸式的有S9系列配电变压器、S11系列配电变压器、卷铁心配电变压器、非晶合金铁心变压器。

为了使变压器的运行更加完全、可靠，维护更加简单，更广泛地满足用户的需要，近年来油浸式变压器采用了密封结构，使变压器油和周围空气完全隔绝，从而提高了变压器的可靠性。

目前，主要密封形式有空气密封型、充氮密封型和全充油密封型。

其中全充油密封型变压器的市场占有率越来越高，它在绝缘油体积发生变化时，由波纹油箱壁或膨胀式散热器的弹性变形做补偿。

（2）箱式变压器

箱式变压器具有占地少，能伸入负荷中心，减少线路损耗，提高供电质量，选位灵活，外形美观等特点，目前在城市10kV、35kV电网中大量应用。

我国目前所使用的箱式变压器，主要是欧式箱变和美式箱变，前者变压器作为一个单独的部件，即高压受电部分、配电变压器、低压受电部分三位一体。

后者结构分为前后两部分，前部分为接线柜，后部分为变压器油箱，绕组、铁心、高压负荷开关、插入式熔断器、后备限流熔断器等元器件均放置在油箱体内。

目前有些厂家，已将卷铁心变压器移置到箱式变压器中，使箱式变压器体积和质量都有所减小，实现了高效、节能和低噪声级。

（3）高压、超高压变压器

目前，我国已具备了110kV、220kV、330kV和500kV高压、超高压变压器生产能力。

超高压变压器的绝缘介质仍以绝缘油为主，根据电网发展的需要，变压器的生产技术正在不断提高。

SF6气体绝缘高压、超高压变压器正在研究开发。

2.2配电变压器的现状

目前，我国配电变压器技术处于国际20世纪90年代初的水平，少量的处于世界20世纪90年代末的水平，与国外先进国家相比，还存在一定的差距。

（1）铁心材料方面在20世纪70年代，武汉钢铁公司在引进消化吸收日本冷轧硅钢片制造技术生产冷轧硅钢片的基础上，于20世纪90年代又引进了日本高导磁晶粒向冷轧硅钢片（HI-B）制造技继电保护测试仪器术，制造出了节能效果更好的变压器'电力变压器铁心材料。

但是由于产品数量不能满足需求及生产工艺两方面的问题，仍然要从日本、俄罗斯以及西欧等国进口部分冷轧硅钢片。

在研制配电变压器铁心用非晶合金材料方面继电保护测试仪器，我国于20世纪90年代初曾由原机械部、原冶金部、原电力部、国家计委、国家经贸委、原国家科委组成了专门工作组，对非晶合金铁心材料和非晶合金铁心变压器的设计和制造工艺开展了深入研究，研制的非晶合金铁心材料基本达到原计划指标的要求，并于1994年试制出电压10kV、容量160～500kVA的配电变压器，经电力用户试用表明，基本达到实用化的要求。

　　但对非晶合金材料制造工艺仍需进一步改进，才能达到批量生产的要求。

1998年，上海置信公司引进了美国GE公司的制造技术，用美国非晶合金材料生产了非晶合金铁心变压器，目前已能生产电压10kV、容量50～2500kVA、空载损耗34～700W之间、负载损耗在870～21500W之间的非晶合金铁心变压器，而且已将此种材料应用于环氧树脂干式变压器上，进一步促进了我国非晶合金铁心变压器制造水平的提高。

我国已有一些变压器厂家应用引进非晶合金材料铁心制造出的产品投入电网运行。

（2）工装设备方面在20世纪80年代以前，我国变压专用设备技术水平，整体上是比较低的，除绕线设备有专业生产厂生产外，其余绝大部分都是企业自制的比较简单的设备，只有少数几家有简易的铁心加工纵剪线。

进入20世纪80年代变压器行业开始引进国外先进的专用关键设备，如铁心纵剪线、低频电热燥系统等。

到20世纪90年代，由于干式变压器的大力推广，引进了一批环氧浇注设备和箔式绕线机，几个大型生产厂还引进了绝缘件加工中心，使我国变压器生产工装装备水平大大提高。

国内一些专用设备厂家经过消化吸收，也开发了纵、横间生产线等专用设备，这些国产专用设备，其功能及主要技术参数基本达到或接近国际水平，对保证我国变压器产品量，提高变压器的技术性能，提高生产效率起到了至关重要的作用。

（3）变压器工艺设计方面在近20年，对110kV及以下电压等级的油浸变压器进行了不少优化设计，已逐步取代了64、73、79、86等标准，目前推行的是20世纪90年代后期的99标准，形成了节能变压器的新系列，使各种损耗进一步降低，替代了高能耗产品的生产。

1998年国家又进一步明确，在电网中运行的64系列、73系列老旧变压器必须淘汰更新，按1979年标准生产的S7型变压器也必须停止生产。

1998～2001年的城乡电网建设改造中大力推行的S9型配电变压器，符合1999年国家标准。

2000年开始，在两网建设改造中还使用了卷铁心变压器。

在干式变压器中，在自主开发的基础上，引进了德国、瑞士、意大利、葡萄牙等国多家公司的有关10kV、35kV干式变压器系列的设计、制造等多种技术，并早已批量生产10kV、35kV干式变压器，目前可生产最高电压等级为110kV、单相容量为1.05万kVA的干式变压器，产品质量已达到引进的国外同类产品的技术水平。

　　在高压、超高压设计方面，除开展了科技攻关、自主开发外，在进入20世纪80年代以来还先后引进了日立、东芝、ABB、三菱、西门子等公司的制造技术。

目前在超高压500kV变压器制造中，从最初的大部分依赖进口，发展到如今可与进口产品具有相当竞争能力的产品。

随着三峡工程的建设需要，引进的西门子公司变压器制造技术，在三峡水电站左岸应用的84kVA三相变压器制造中，我国已同外商合作，每台承担30%左右的制造份额;对于西门子公司设计、制造技术的关键部分已能完全掌握，三峡右岸所用变压器的制造，应用西门子技术，要求做到由国内承制，为参加投标创造了条件。

2.3继电保护的基本要求

（1）选择性

继电保护的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的非故障部分仍能继续安全运行。

通常，为保证其选择性，在动作时要尽量断开离故障点最近的断路器。

（2）速动性

继电保护速动性是指继电保护装置应尽可能快的速度切除故障设备。

短路时快速切除故障，可以缩小故障范围，减轻短路引起的破坏程度，减小对用户工作的影响，提高电力系统的稳定性。

因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。

故障切除的总时间等于保护装置的动作时间和断路器动作时间之和。

在实用中根据对切除时间的具体要求、经济性以及运行维护水平等条件确定合理的保护动作时间。

（3）灵敏性

灵敏性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。

满足灵敏性要求的保护装置应该在预先规定的保护范围内发生故障时，不论短路点的位置、短路形式及系统的运行方式如何，都能敏锐感觉，正确反应。

（4）可靠性

继电保护的可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在其他不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。

3配电变压器继电保护

3.1配电变压器的故障和不正常运行状态

配电变压器是电力系统中大量使用的重要电气设备，它的故障对供电可靠性和系统的正常运行带来严重后果，同时大容量变压器也是非常贵重的元件。

因此，必须根据变压器容量和重要程度装设性能良好、动作可靠的保护。

变压器故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。

油箱内部故障包括相间短路、绕组的匝间短路和单相接地短路。

油箱内部故障对变压器来说是非常危险的，高温电弧不仅会烧毁绕组和铁芯，而且还会使变压器油绝缘受热分解产生大量气体，引起变压器油箱爆炸的严重后果。

变压器油箱外部故障包括引线及套管处会产生各种相间短路和接地故障。

于此，由于油浸式变压器的内部和外部故障大多会产温升和电弧,因此,瓦斯保护分轻瓦斯动作和重瓦斯动作。

前者瞬时动作于信号,后者延时动作于跳闸。

变压器不正常运行时的状态有：

外部相间短路、接地短路引起的相间过电流和零序过电流，负荷超过其额定容量引起的过负荷、油箱漏油引起的油面降低，以及过电压、过励磁等。

根据变压器型号及运行条件选用合适的继电保护措施，并对保护装置进行合理的整定，变压器就能安全的运行。

配电变压器的不正常工作状态主要是由外部短路或过负荷引起的过电流、油面降低和过励磁等。

对于上述故障和不正常工作状态，根据DL400一91《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，变压器应装设如下保护：

（1）为反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低，对于0.8MVA及以上的油浸式变压器和户内0.4MVA以上变压器应装设瓦斯保护。

（2）为反应变压器绕组和引出线的相间短路，以及中性点直接接地电网侧绕组和引线接地短路及绕组匝间短路，应装设纵差保护或电流速断保护。

对于6.3MVA及以上并列运行变压器和10MVA及以上单独运行变压器，以及6.3MVA及以上的厂用变压器，应装设纵差保护。

对于10MVA以下变压器且其过电流时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。

当灵敏度不满足要求时（2MVA及以下变压器）宜装纵差保护。

（3）为反应外部相间短路引起的过电流和作为瓦斯、纵差保护（或电流速断保护）的后备，应装设过电流保护。

例如，复合电压起动过电流保护或负序过电流保护。

（4）为反应大接地电流系统外部接地短路，应装设零序电流保护。

（5）为反应过负荷应装设过负荷保护。

（6）为反应变压器过励磁应装设过励磁保护。

3.2配电变压器瓦斯保护

瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。

当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同。

瓦斯保护是利用反应气体状态的瓦斯继电器来保护变压器内部的故障。

在瓦斯保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属挡板，两者都装在有密封的水银接点。

浮筒和档板可以围绕各自的轴旋转。

在正常运行时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，处于上浮位置，水银接点断开；档板则由于本身重量而下垂，其水银接点也是断开的。

当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于瓦斯继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，接通延时信号，这就是所谓的“轻瓦斯”；当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，这就是所谓的“重瓦斯”。

重瓦斯动作，立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。

瓦斯保护的主要优点是动作迅速、灵敏度高、安装接线简单、能反应油箱内部发生的各种故障。

其缺点则是不能反应油箱以外的套管及引出线等部位上发生的故障。

因此瓦斯保护可作为变压器的主保护之一，与纵差动保护相互配合、相互补充，实现快速而灵敏地切除变压器油箱内、外及引出线上发生的各种故障。

3.3配电变压器纵联差动保护

（1）纵联差动保护是反应被保护变压器各端流入和流出电流的相量差。

对双绕组和三绕组变压器实现纵差动保护的原理接线如图7－5所示。

图7-5配电变压器纵联差动保护的原理接线

（a）双绕组变压器正常运行时的电流分布；

（b）三绕组变压器区内部故障时的电流分布

由于配电变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵联差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等。

在保护范围内故障时，流入差回路的电流为短路点的短路电流的二次值，保护动作。

纵联差动保护动作后，跳开变压器两侧断路器。

例如在图7－5（a）中，应使

（3-1）

（3-2）

由此可知，要实现变压器的纵差动保护，就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比

，这是与送电线路的纵差动保护不同的。

这个区别是由于线路的纵差动保护可以直接比较两侧电流的幅值和相位，而变压器的纵差动保护则必须考虑变压器变比的影响。

一般内部故障流入差回路中的电流值远大于差动保护的起动电流。

因此纵联差动保护有较高的灵敏度。

（2）配电变压器差动保护产生不平衡电流的原因

在正常运行及保护范围外部短路稳态情况下流入纵联差动保护差回路中的电流叫稳态不平衡电流

。

差动保护的动作电流应大于最大不平衡电流，以保证保护范围外部短路时差动保护不动作。

不平衡电流增大，将使保护的灵敏度降低。

1）由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流。

2）由两侧电流互感器的误差引起的不平衡电流。

3）由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流。

4）带负荷调变压器的分接头产生的不平衡电流。

3.4配电变压器的电流速断保护原理

配电变压器的电流速断保护是反应电流增大而瞬时动作的保护。

装于变压器的电源侧，对变压器及其引出线上各种型式的短路进行保护。

为保证选择性，速断保护只能保护变压器的部分，一般能保护变压器的原绕组，它适用于容量在10MVA以下较小容量的变压器，当过电流保护时限大于0.5S时，可在电源侧装设电流速断保护，其原理接线如图7－4所示。

（1）电流速断保护的整定计算

按躲开变压器负荷侧出口出点短路时的最大短路电流来整定，即

　（3-3）

（2）躲过励磁涌流

根据实际经验及实验数据，一般取

（3-4）

按上两式条件计算，选择其中较大值作为变压器电流速断保护的起动电流。

（3）灵敏度校验

按变压器原边d2点短路时，流过保护的最小短路电流校验，即

（3-5）

配电变压器电流速断保护的优点是接线简单，动作迅速。

缺点是只保护变压器的一部分。

3.5配电变压器的过电流保护

反应相间短路电流增大而动作的过电流保护作为变压器的后备保护。

为满足灵敏度要求、可装设过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护，负序过电流保护，甚至阻抗保护。

（1）配电变压器相间短路过电流保护

简单过电流保护装置的起动电流按躲开变压器可能出现的最大负荷电流进行整定。

具体问题应作如下考虑：

1）对并列运行的变压器，应考虑切除一台变压器时所出现的过负荷。

当各台变压器的容量相同时，可按下式计算

（3-6）

2）对降压变压器应考虑电动机的自起动电流。

过电流保护的动作电流为

（3-7）

保护装置的灵敏度校验

（3-8）

过电流保护作为变压器的近后备保护，灵敏系数要求大于1.5，远后备保护的灵敏系数大于1.2。

保护的动作时间比出线的第III段保护动作时限长1个时限阶段。

过电流保护装置应装于变压器的电源侧，采用完全星形接线，其单相原理接线如图7－22所示。

保护动作后，跳开变压器两侧断路器。

（2）低电压起动的过电流保护

当过电流保护不能满足灵敏度要求时可采用低压起动的过电流保护。

只有电压测量元件和电流测量元件同时动作后才能起动时间继电器，经预定的延时发出跳闸脉冲。

低压测量元件的作用是保证外部故障切除后电动机自起动时不动作，因而电流元件的起动电流按躲开变压器的额定电流整定，不再考虑自起动系数。

（3-9）

低电压元件的起动值应小于在正常运行情况下母线可能出现的最低工作电压。

同时，在外部故障切