35KV电力变压器继电保护课程设计报告.doc
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湖南科技大学
信息与电气工程学院
《课程设计报告》
题目：
35kV电力变压器继电保护初步设计
专业：
电气工程及其自动化
班级：
姓名：
学号：
指导教师：
2015年7月1日
《工厂供电》课程设计任务书
完成期限：
2015年6月29日开始至2015年7月1日
题目：
35KV电力变压器继电保护初步设计
1、设计资料：
图一S9（S11）-35KV系列配电变压器
图二技术参数
某线路采用S9（S11）-35KV系列配电变压器是双绕组油浸式变压器，Y/Δ-11接线，容量为31.5MVA，变比为115/10.5。
提示：
考虑内部绕组相间和匝间短路的保护、瓦斯保护、过负荷保护、过励磁保护和直接接地系统外部接地作为主保护。
2、设计主要内容：
（1）系统概况说明；
（2）变压器保护方案选择；
（3）整定计算；
（3）继电保护二次接线原理图，展开图；
（4）原理图与展开图的详细说明；
（5）各个继电器的选型；
（6）其他后备保护考虑。
3、必须完成的图：
二次接线原理图和二次展开图。
4、课程设计报告必须有的内容：
（1）课程设计的目的；
（2）课程设计的任务书；
（3）课程设计的原理；
（4）课程设计的设计或计算详单；
（5）展望，总结和心得；
（6）参考文献（注意格式要规范）。
目录
设计任务书
目录
一、设计目的与意义 1
二、继电保护的概述 3
1、继电保护综述 3
2、继电保护装置组成 3
3、继电保护装置基本任务 3
4、对继电保护装置的基本要求 3
三、任务要求 3
四、估算计算负荷电流 4
五、短路电流及其计算 4
1、最小运行方式 4
2、最大运行方式 5
六、变压器的故障类型和不正常运行状态 6
七、电力变压器继电保护方案确定 7
八、瓦斯保护 7
1、瓦斯保护原理图 7
2、瓦斯继电器选型
九、定时限过流保护 8
1、原理接线图 8
2、整定计算 8
3、灵敏度校验 9
4、各种继电器选型 10
十、变压器纵联差动保护 10
1、原理接线图 10
2、整定计算及灵敏度校验 10
3、电流互感器选择及差动继电器选型 13
十一、变压器过负荷保护 13
1、变压器过负荷保护原理图 13
2、过负荷保护整定计算 13
3、各种继电器选型 13
十二、变压器过励磁保护 13
1、过励磁公式推导 13
2、过励磁保护工作原理 13
3、过励磁保护原理框图 13
十三、变压器零序电流保护......................................................................................14
1、保护原理..........................................................................................................14
2、保护原理图......................................................................................................14
3、整定原则..........................................................................................................15
十四、以上保护接线全图..........................................................................................16
十五、心得体会..........................................................................................................17
十六、参考文献..........................................................................................................18
十七、附图..................................................................................................................19
1、保护原理接线全图.........................................................................................19
2、二次展开原理图的绘制.................................................................................19
一、设计的目的与意义
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。
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。
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，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。
二、继电保护的概述
1、继电保护综述
对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施。
2、继电保护装置组成
继电保护装置：
就是指反应电力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。
继电保护装置的组成:
继电保护一般由三个部分组成:
测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如下图所示。
3、继电保护装置基本任务
（1）发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。
（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。
（3）继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，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，从而提高电力系统运行的可靠性。
4、对继电保护装置的基本要求：
选择性、速动性、灵敏性、可靠性
三、任务要求
电压等级35/10kV，有甲、乙两个变电所提供电源，均采用单回路电源供电，距离待设计变电所分别为15km和10km，采用LGJ-50架空导线供电，短路容量分别为200MVA和250MVA。
甲、乙两个变电所提供电源的定时限过电流保护动作时限均为2.0s。
35kV出线共2回，所接负荷为化工厂。
10kV出线共5回，其中3回架空出线，每回输电容量为1200kW，2回电缆线路，每回输电容量为1700kW，以一、二级负荷为主，负荷线路长度为10km。
35kV单母线分段接线，10kV单母线分段接线。
主变压器两台选用型号为S9-6300/35kV，Ynd11接线变压器。
最大运行方式为两个电源全投入运行，负荷全投，母线分段断路器合闸；最小运行方式为乙电源停运，电缆停运，分段断路器断开运行。
四、估算计算负荷电流
==A=103.9A
五、短路电流及其计算
1、最小运行方式：
短路电流计算图
等效电路图
取基准值：
S=100MV·A，U=37KV，U=10.5KV
K-1点短路电流
I
K-2点短路电流
I
折算到35KV侧:
2、最大运行方式：
短路电流计算图
等效电路图
取基准值：
S=100MV·A，U=37KV，U=10.5KV
K-1点短路电流
K-2点短路电流
=
折算到35KV侧:
六、变压器的故障类型和不正常运行状态
电力变压器故障可分为油箱内部和油箱外部两种故障。
油箱内部故障主要包括变压器绕组的相间短路、匝间短路、单相接地短路和铁芯烧损等。
对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈汽化，从而可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加以切除。
油箱外部故障最常见的是绝缘套管引出线上发生相间短路或接地（对变压器外壳）短路故障，它可能引起变压器绝缘套管爆炸，从而影响电力系统的正常运行。
因此，变压器发生故障时，必须将其从电力系统中切除。
变压器不正常运行状态有油箱漏油造成的油面降低，由于外部短路故障引起的过电流，变压器油温升高，由于负荷超过额定值引起的过负荷使变压器绕组过热加速绕组绝缘老化甚至引起内部故障等。
七、电力变压器继电保护方案确定
变压器为变电所的核心设备，根据其故障和不正常运行的情况，从反应各种不同故障的可靠、快速、灵敏及提高系统的安全性出发，设置相应的主保护、异常运行保护和必要的辅助保护。
于本设计而言，因为容量关系不采用速断保护，采用瓦斯保护，过电流保护采用定时限过流保护，高压侧电压没有5000KV故不采用励磁保护。
具体情况如下：
1．主保护：
瓦斯保护（以防御变压器内部故障和油面降低）
纵差动保护（以防御变压器绕组、套管和引出线的相间短路）
过励磁保护（以防变压器过励磁）
变压器高压侧零序电流保护（以防变压器直接接地系统外部接地短路）
2．后备保护：
过电流保护（以反应变压器外部相间故障）、
过负荷保护（反应由于过负荷而引起的过电流）。
八、瓦斯保护
1、瓦斯保护原理图
2、瓦斯继电器选型
轻瓦斯保护的动作值按气体容积为250～300整定，本设计采用280。
重瓦斯保护的动作值按导油管的油流速度为0.6～1.5m/s整定本，本设计采用1m/s。
瓦斯继电器选用QJ1-80型 。
九、定时限过流保护
1、原理接线图：
当一次电路发生短路时，电流继电器KA瞬时动作，闭合其触点，使时间继电器KT动作。
KT经过整定时限后，其延时触点闭合，使串联的信号继电器（电流型）KS和中间继电器KM动作。
KS动作后，其指示牌掉下，同时接通信号回路，给出灯光信号和音响信号。
KM动作后，接通跳闸线圈YR回路，使断路器QF跳闸，切除短路故障。
QF跳闸后，其辅助触点随之切断跳闸回路。
在短路故障被切除后，继电保护装置除KS外的其他所有继电器均自动返回起始状态，而KS可以手动复位。
2、整定计算
（1）定时限保护动作电流整定
定时限保护动作电流整定原则：
应躲过变压器一次侧的最大工作电流，常取I=（1.5~3）I
式中，I为变压器的一次额定电流。
动作电流为：
式中
I为变压器一次侧的最大工作电流;
为保护装置的可靠系数，对DL型定时限，取1.2；
为保护装置的接线系数，对两相两继电器式接线取1，对两相一继电器接线取1.3；
为电流继电器的返回系数，一般取0.85；
为电流互感器的变流比，本设计取200/5。
可选取电流整定范围为2.5-10A的DL型电流继电器,并整定为8A。
（因为I只能为整数。
）
（2）定时限保护的时限整定
时限整定原则:
应比变压器二次母线各馈出线定时限过流最大的时限大一个时限阶段
（Δt=0.5s），即：
式中
t在后一级保护的线路首段发生三相短路时，前一级保护的动作时间；
后一级保护中最长的一个动作时间
前后两级保护装置的时间级差，对定时限过电流保护取0.5S。
本设计题目给出电源的定时限过流保护动作时限均为2S,故时限整定为=t-=2S-0.5S=1.5S。
可选时间继电器整定范围为1.2-5S的DS-12型时间继电器，并整定在1.5S上。
3、灵敏度校验
灵敏度校验原则：
应以系统在最小运行方式下，变压器二次母线发生两相短路流经一次侧的电流来校验，即：
（3-3）
式中
在电力系统最小运行方式下，变压器二次母线发生两相短路电流
动作电流折算到一次电路的值:
满足灵敏系数要求。
4、各种继电器选型
电流继电器的选择：
DL-12
电流互感器的选择：
LQJ-10
信号继电器的选择：
DX-30
时间继电器的选择：
DS-35C
中间继电器的选择：
DZ-15
十、变压器纵联差动保护
本设计采用较经济的BCH-2型带有速饱和变流器的差动继电器，以提高保护装置的励磁涌流的能力。
1、原理接线图
如图，当变压器正常工作或差动保护区外（如：
二次母线k-1点）短路时，流入KA的电流，差值很小，KA不动作。
当在差动保护区内（如：
变压器二次出口k-2点短路时），所以继电器动作，使QF跳闸。
2、整定计算及灵敏度校验
纵联差动保护：
计算Ie及电流互感器变比，列表如下：
名称
各侧数据
Y（35KV）
Δ（10.5KV）
额定电流
变压器接线方式
Y
Δ
CT接线方式
Δ
Y
CT计算变比
实选CT变比nl
200/5=40
400/5=80
实际额定电流
不平衡电流I
4.50-4.33=0.17A
确定基本侧
基本侧
非基本侧
确定基本侧一次动作电流：
（1）躲过外部故障时的最大不平衡电流
利用实用计算式
式中：
—可靠系数，采用1.3；
—同型系数，CT型号相同且处于同一情况时取0.5，型号不同时取1，本设计取0.5；
10%—电流互感器容许的最大相对误差；
ΔU-----变压器调压时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，本设计取0.05；
Δ---继电器整定匝书数与计算匝数不等而产生的相对误差，暂无法求出，先采用中间值0.05。
代入数据得:
=1.3×（0.5×0.1+0.05+0.05）×2230=434.85A
（2）躲过变压器空载投入或外部故障后电压恢复时的励磁涌流
=（3-10）
式中：
为可靠系数，采用1.3；
为变压器额定电流。
代入数据得:
=1.3103.9=135.1A
（3）躲过电流互感器二次回路短线时的最大负荷电流
（3-11）
式中：
—可靠系数，采用1.3；
—变压器的最大负荷电流；采用变压器的额定电流的1.5倍（事故过负荷时最大为150%）
代入数据得：
=1.3103.91.5=202.605A
比较上述
（1），
（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值，
即：
=434.85（A）整定为450A
确定二次动作电流：
—基本侧电流互感器接线系数取1
确定BCH-2型差动继电器基本侧（35KV侧）各线圈匝数。
该继电器在保持时其动作安匝为安匝。
实用匝数取为匝。
匝
二次实际动作电流：
（A）
一次实际动作电流：
（A）
非基本侧平衡线圈的计算匝数:
匝，实用匝数取1匝
相对误差:
，结果有效
灵敏度校验：
10.5KV侧母线两相短路时归算到35KV侧流入继电器的电流为
A
35KV侧继电器动作电流
A
差动保护装置的最小灵敏系数为
灵敏度满足要求。
3、电流互感器选择及差动继电器选型
电流继电器的选择：
DL-12
电流互感器的选择：
LQJ-10
信号继电器的选择：
DX-17
中间继电器的选择：
DZ-15
十一、变压器过负荷保护
1、变压器过负荷保护原理图
TA是电流互感器，KA是电流继电器，当线路的电流大于额定值时，TA输出到KA的电流驱动电流继电器动作，电流继电器触点接通，时间继电器KT得电吸合。
当过电流的持续时间长于时间继电器设定的延时以后，延时闭合触点接通，向外输出超负荷信号。
相关的执行机构就会作出规定的动作。
2、过负荷保护整定计算
过负荷保护：
其动作电流按躲过变压器额定电流来整定。
动作带延时作用于信号。
保护装置（一次侧）的动作电流：
继电器的动作电流：
A
动作时限一般取10~15s。
3、各种继电器选型
电流继电器的选择：
DL-12
电流互感器的选择：
LQJ-10/160
信号继电器的选择：
DX-30
时间继电器的选择：
DS-35C
十二、变压器过励磁保护
1、过励磁公式推导
变压器绕组感应电压为：
，令
则
2、过励磁保护工作原理
3、过励磁保护原理框图
十三、变压器零序电流保护
保护原理：
对于中性点直接接地变压器，全部采用零序电流保护，有选择性要求时可增加零序方向原件。
零序电流取自主变高压侧中性点测。
零序电流保护通常采用两段式，I段和相邻零序I段配合，II和相邻零序后备段配合。
每段设2个时限，短时限动作缩小故障范围，长实现动作断开变压器各侧断路器。
保护原理图：
整定原则：
1.零序一段整定原则
按与相邻元件的零序电流保护I段配合
为相邻元件的零序电流保护I段动作电流
为下级相邻元件零序电流保护配合段的动作时间
2.2.零序二段整定原则
按与相邻元件的零序电流保护后备段配合
为相邻元件的零序电流保护后备段动作电流
为下级相邻元件零序电流保护配合段的动作时间最大值
十四、以上保护原理接线全图（A3号图纸1张）附图1
器件名称
型号
数量
瓦斯继电器（KG）
QJ1-80
1
电流互感器（TA）
LQJ-10/160
4
电流继电器（KA）
DL11/10
4
时间继电器（KT）
DS-35C
2
信号继电器（KS）
DX17
5
差动电流继电器（KD）
BCH-2
1
中间继电器（KM）
DZ-15
2
十五、心得体会
通过这次设计，在获得知识之余，还加强了个人的独立提出问题、思考问题、解决问题能力，从中得到了不少的收获和心得。
在思想方面上更加成熟，个人能力有进一步发展，本次课程设计使我对自己所学专业知识有了更新、更深层次的认识。
在这次设计中，我深深体会到理论知识的重要性，只有牢固掌握所学的知识，才能更好的应用到实践中去。
这次设计提高了我们思考问题、解决问题的能力，它使我们的思维更加缜密，这将对我们今后的学习、工作大有裨益。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
此次课程设计能顺利的完成与同学和老师的帮助是分不开的，在对某些知识模棱两可的情况下，多亏有同学的热心帮助才可以度过难关；更与老师的悉心教导分不开，在有解不开的难题时，多亏老师们的耐心指导才使设计能顺利进行。
十六、参考文献：
李晶，路文梅《供电系统继电保护》
孙丽华《电力工程基础》
张祥军《供配电应用技术》
十七、附图
1、保护原理接线全图
2、二次展开原理图
（1）保护测量电路
Y,d
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