变压器的继电保护设计.docx
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海口经济学院毕业设计:
基于单片机的PM2.5系统设计与实现
本科生毕业设计
题目：
变压器的继电保护设计
姓名：
学号：
所在学院：
专业班级：
指导教师：
2016年05月14日
2
声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业论文（设计），是本人在指导老师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业论文（设计）的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。
对本论文（设计）所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人签名：
日期：
年月日
目录
摘要 1
Abstract 2
前言 3
第一章绪论 4
1.1选题的目的 4
1.2选题的意义 4
1.3变压器的现状及发展趋势 4
1.3.1变压器的现状 5
1.3.2变压器的发展趋势 6
1.4本文设计的主要内容 7
第二章确定变压器的型号及类型 7
2.1变压器的基本理论 7
2.2变压器容量、台数、型号选择 7
2.2.1变压器容量 7
2.2.2主变压器台数和型号 8
2.2.3配电变压器确定 9
第三章配电变压器及其继电保护概述 9
3.1变压器故障及不正常运行状态 9
3.2变压器保护设置 10
3.3继电保护相关理论知识 11
3.3.1继电保护的任务 11
3.3.2继电保护基本原理 11
3.3.3对继电保护装置的要求 15
第四章变压器继电保护配置 17
4.1变压器保护配置方案 18
4.2短路电流计算 18
4.2.1短路电流计算步骤 18
4.3配电变压器继电保护 21
4.3.1配电变压器的电流速断保护原理 21
4.3.2配电变压器瓦斯保护 23
4.3.3配电变压器的过电流保护 24
4.3.4配电变压器的过负荷保护 30
第五章变压器继电保护相关校验 32
5.1常规调试及检验接线的安全措施 32
5.2输入系统检验 32
5.3保护装置各逻辑功能检查 33
5.3.1高压侧后备保护校验 33
参考文献 35
致谢 36
III
海口经济学院毕业设计：
变压器的继电保护设计
变压器的继电保护设计
摘要
变压器是电力系统的重要组成部分。
它的正常与否直接关系到电力系统安全经济运行。
继电保护是电力系统及所有设备可靠运行的“保护伞”，故变压器继电保护配置的可靠合理是变压器正常运行的重要保障。
但不是每台变压器都需要设置所有的保护,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10kV配电变压器，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，在满足继电保护“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。
本论文设计对选定变压器的台数、容量，型号，变压器的不正常运行状态及常见故障，保护配置方案及校验进行了详细的叙述。
关键词：
变压器；继电保护；短路电流计算
Protectiverelaydesignoftransformer
Abstract
Transformerisanimportantpartofpowersystem.Itisnormalornotdirectlyrelatedtothepowersystemsafeandeconomicoperation.Relayprotectionisallequipmentusedinthepowersystemandreliablerunning"umbrella",sothetransformerrelayprotectionconfigurationandreliablereasonableisanimportantguaranteeofnormaloperationoftransformer.Butnotforeachtransformerwillneedtosetupalltheprotection,butaccordingtothelevelandactualoperationofthetransformer,to"technicalspecification"relayprotectionandsafetyautomaticdeviceasthebasis,selectivelyimplementprotection.Thisdesignfortheaverage10kVdistributiontransformer,therelayprotectiondesignandwaystoprotectprotectionschemeconfiguration,relevantsettingcalculationofshort-circuitcurrentcalculation,atthesametime.Accordingtothecharacteristicsandoperationrequirementsofdistributiontransformerinthepowergrid,inmeettherequirementsofrelayprotection"foursex"underthepremiseofoptimalscheme,configuration,respectively,thegasprotection,longitudinaldifferentialprotection,currentinstantaneousfaultprotection,overcurrentandoverloadprotection,finally,afullrangeofprotectionisevaluated.
Thispaperdesignsfortheselectedtransformersets,capacityandtypes,andtheabnormalrunningconditionofthetransformerandcommonfault,protectionconfigurationschemeandcheckindetail.
Keywords:
relayprotection；transformer；short-circuitcurrentcalculation；
前言
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。
40
第一章绪论
1.1选题的目的
配电网是电力从发出,经过输送到供给用户使用的最后一环,它与用户的关系最为紧密,对供电可靠性和供电质量的影响也最为直接。
传统配电系统采用单向潮流方式供电,一旦线路中发生故障,故障线路末端用户将很难保证不失电。
统计数据表明,大约80%以上的停电事故是由配电系统引起的。
因此配电网的保护控制及其自愈技术直接关系到整个电网的可靠性、系统的运行效率和终端用户的电能质量。
实际上，随着负荷的增长、配电网络拓扑结构复杂化,传统的工厂变压器保护在定值整定、控制运行等方面遇到了诸多问题。
1.2选题的意义
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。
1.3变压器的现状及发展趋势
1.3.1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。
1.3.2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[2]。
（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[1]。
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。
1.4本文设计的主要内容
针对10kV工厂变压器进行变压器继电保护设计。
（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。
第二章确定变压器的型号及类型
2.1变压器的基本理论
配电电力变压器是一种静止的电器，指用于配电系统中根据电磁感应定律变换交流电压和电流，具体来讲将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不等的电压（电流）的设备[3]。
其工作原理是当一次绕组通以交流电时，在其内部产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。
二次感应电动势的高低与两侧绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比。
配电电力变压器主要作用是传输电能，因此，额定容量是它的主要参数。
额定容量是一个表现功率的惯用值，它是表示传输电能的大小，以kVA或MVA表示，当对变压器施加额定电压时，根据它来确定在规定条件下不超过温升限值的额定电流。
2.2变压器容量、台数、型号选择
2.2.1变压器容量
变压器空载运行时需用较大的无功功率，这些无功功率需由供电系统供给，变压器容量如选的过大，不但增加投资，而且使变压器长期处于轻载运行，出现“大马拉小车”现象，使空载的损耗增加，功率因数降低，网络损耗增加。
若容量选的小，会使变压器长期过负载，易损坏设备。
变压器的最佳负载率在40%-70%之间，负载过高，损耗明显增加，另一方面，由于变压器容量裕度小，负载稍有增长，便需要增容，更换大容量的变压器，势必增加投资，且影响供电。
总之选择变压器的容量，要以现有的负荷为依据。
2.2.2主变压器台数和型号
1．台数
变压器的台数应根据负荷的特点和经济运行进行选择，要由负荷大小，对供电的可靠性和电能质量的要求来决定，并兼顾节约电能、降低运行造价、维护设备等因素，确定变压器台数应综合考虑，进行认真的技术经济比较。
按负荷的等级和大小来说，对于带一、二级负荷的变电所，当一、二级负荷较多时，应选两台或两台以上变压器，如只有少量的一、二级负荷并能从相邻的变电所取得低压备用电源，可以只采用一台变压器。
2．型号
主变压器的型号选择主要考虑以下因素：
1）.变电所的所址选择；2）.建筑物的防火等级；3）.建筑物的使用功能；4）.主要用电设备对供电的要求；5）.当地供电部门对变电所的管理体制等[4]。
设置在一类高、低压主体建筑中的变压器，应选择干式、气体绝缘或非可燃性液体绝缘的变压器；二类高、低压主体建筑也宜如此，否则应采取相应的防火措施。
主变压器安装在地下时，根据消防要求，不得选用可燃性油变压器，地下层一般比较潮湿，通风条件不好，也不宜选用空气绝缘的干式变压器，而宜采用环氧树脂浇注型或者六氟化硫型变压器，综合所述结合具体情况选型为S9-1000/10KV变压器。
2.2.3配电变压器确定
S9-1000/10型变压器容量SN=800kVA电压10.5/0.4KV，UK%=4.5。
电源进线长度L为400米。
与电缆线路，低压断路器的高压真空断路器的电源，低压侧出口，发送到车间去总线模式，无限大容量电力系统出口断路器的断流容量Soc=200MVA。
表1-1S9-1000/10变压器技术参数
型号
额定
容量（KVA）
额定电压（kV）
空载
损耗（W）
负载损耗（W）
短路阻抗（%）
空载
电流
（%）
变压器连接组
高压
低压
S9-1000/10
800
10.5
0.4
1660
8550
6
1.0
第三章配电变压器及其继电保护概述
3.1变压器故障及不正常运行状态
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[5]。
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[6]。
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变压器保护设置
变压器保护分主保护和后备保护。
主保护是指满足系统和设备安全要求，能以最快的速度有选择地切除被保护元件故障的保护。
对于一般的主变来讲，主保护包括：
1、瓦斯保护，具有有载调压功能时，包含本体瓦斯和有载瓦斯两个部分，且一般重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯报信号。
2、电流速断保护，变压器容量在10000kVA以下的变压器、当过电流保护动作时间大于0.5s时，用户3kV～10kV配电变压器的的继电保护，应装设电流速断保护。
后备保护是指当主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。
后备保护又可分为远后备保护和近后备保护两种，远后备保护是指当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护；近后备保护是指当主保护拒动时，有本电力设备或线路的另一套保护来实现的后备保护。
变压器的后备保护。
一般包含：
1、高压侧复合
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