110KV降压变电所变压器保护设计Word下载.doc
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（1）组的相间短路和中性点直接接地侧的单相短路；
（2）绕组的匝间短路；
（3）外部相间短路引起的过电流；
（4）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；
（5）过负荷；
（6）过励磁；
（7）油面下降；
（8）变压器温度及油箱压力升高和冷却系统故障。
1.1.2.1电力变压器应装设的保护装置
（1）线圈及其引出线的相间短路、中性点直接接地侧的接地短路、绕组的匝间短路，应装设瞬时动作作于跳闸的保护装置。
（2）外部相间短路引起的过电流，直接接地电力网外部接地短路引起的过电流，中性点过电压，应装设带时限动作于跳闸的保护装置。
（3）变压器过负荷、油面降低、变压器温度升高和冷却系统故障时，应装设信号装置
1.1.2.2对变压器保护装置的要求
（1）对变压器内部故障和油面降低采用瓦斯保护，油面降低和轻瓦斯时，应动作与信号；
重瓦斯则动作与跳闸，断开变压器各测的断路器。
（2）对变压器引出线、套管及内部故障，采用纵联差动保护或电流速段保护。
故障时，断开变压器各侧的断路器。
（3）对变压器外部的相间短路，一般采用过电流保护，如过电流保护灵敏度不满足要求时，可装设复合电压或低电压启动的过电流保护，过电流保护均装设在主电源侧。
根据实际情况本设计对变压器采用纵联差动保护、过负荷保护和瓦斯保护三种保护形式。
1.1.2.3保护装置选择（见表1-1）
变压器保护装置选择
表1-1
序号
保护名称
型号
1
纵差保护
BCH-1
2
110KV侧复合电压启动的过电流保护
DY-4,DL-11,DY-25
3
35KV侧方向电流保护
LG-11,DL-11
4
110KV侧零序过电流保护
DL-13
5
瓦斯保护
QJ-80
1.2电力变压器的主保护
（1）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,均应装设瓦斯保护。
当壳内故障产生轻微瓦斯或油面下降时,应瞬时动作于信号;
当产生大量瓦斯时,应动作于断开变压器各侧断路器。
带负荷调压的油浸式变压器的调压装置,亦应装设瓦斯保护。
（2）6.3MVA以下厂用工作变压器和并列运行的变压器,以及10MVA以下厂用备用变压器和单独运行的变压器,当后备保护时限大于0.5s时,应装设电流速断保护。
（3）对6.3MVA及以上的厂用工作变压器和并列运行的变压器,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（以下简称纵差保护）。
（4）对高压侧电压为330kV及以上的变压器,可装设双重纵差保护。
（5）纵差保护应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流,应在变压器过励磁时不误动。
差动保护的范围应包括变压器绕组、套管及其引出线。
（6）对ll0kV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线上装设反应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电所,当变压器为分级绝缘时,零序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变压器出现危害的过电压。
（7）对高压侧电压为500kV或容量在240MVA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,应装设过励磁保护。
保护由两段组成,低定值段动作于信号,高定值段动作于跳闸。
（8）对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障,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装置。
1.3电力变压器的后备保护
为防止外部相间短路引起的变压器过电流及作为变压器主保护的后备保护，变压器配置相间短路的后备保护。
保护动作后，应带时限动作于跳闸。
规程规定：
（1）过电流保护宜用于降压变压器；
（2）当过电流保护的灵敏度不够时，可采用低电压起动的过电流保护，主要用于升压变压器或容量较大的降压变压器；
（3）复合电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流保护，宜用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护不符合灵敏度要求的降压变压器；
（4）负序电流和单项式低电压起动的过电流保护，可用于63MVA及以上升压变压器；
（5）按以上两条装设保护不能满足灵敏性要求和选择性要求时，可采用阻抗保护。
即变压器的相间短路后备保护首先考虑采用过电流保护,当过电流保护满足不了灵敏度要求时,可选用复合电压起动的过电流保护,若仍满足不了灵敏度的要求。
则可选择阻抗保护。
外部相间短路保护应装于变压器下列各侧，各项保护的接线，宜考虑能反映电流互感器与断路器之间的故障：
（1）双绕组变压器,后备保护应装在主电源侧,根据主接线情况,保护可带一段或两段时限,以较短的时限缩小故障影响范围,跳母联或分段断路器;
较长的时限断开变压器各侧的断路器。
（2）三绕组变压器和自耦变压器,后备保护要分别装在主电源侧和主负荷侧。
主电源侧的保护带两段时限,以较短的时限断开未装保护侧的断路器,主负荷
侧的保护动作于本侧断路器。
当上述方式不符合灵敏性要求时,可在各侧装设后备保护。
各侧保护应根据选择性的要求考虑加装方向元件。
（3）0.4MVA及以上的变压器应设置过负荷保护,其动作时间应大于电动机的自启动时间,-般动作于信号。
（4）对低压侧有分支，并接至分开运行母线段的降压变压器，除在电源侧装设保护处，还应在每个支路装设保护。
（5）对发电机变压器组，在变压器低压侧，不应另设保护，而利用发电机反应外部短路的后备保护。
在厂用分支线上，应装设单独的保护，并使发电机的后备保护带两段时限，以便在外部短路时，仍能保证厂用负荷的供电。
（6）500kv系统联络变压器高、中压侧均应装设阻抗保护。
保护可带两段时限，以较短的时限用于缩小故障影响范围；
较长的时限用于断开变压器各侧断路器。
多绕组变压器的外部相间短路保护，根据其型式及接线的不同，可按下述原则进行简化：
（1）220kv及以下三相多绕组变压器，除主电源侧外，其他各侧保护可仅作本侧相邻电力设备和线路的后备保护。
（2）保护对母线的各类故障应符合灵敏性要求。
保护作为相邻线路的远后备时，可适当降低对保护灵敏系数分得要求。
1.4继电保护的原理性介绍
（1）变压器的纵联差动保护及其原理。
所谓变压器的纵联差动保护，是指由变压器的一次和二次电流的数值和相位进行比较而构成的保护。
纵联差动保护装置，一般用来保护变压器线圈及引出线上发生的相间短路和大电流接地系统中的单相接地短路。
对于变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常只作后备保护。
纵联差动保护装置由变压器两侧的电流互感器和继电器等组成，两个电流互感器串联形成环路，电流继电器并接在环路上。
因此，流经继电器的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差。
在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧电流大小相等，相位相同，因此流经继电器的差电流为零，但如果在保护区内发生短路故障，流经继电器的差电流不再为零，因此继电器将动作，使断路器跳闸，从而起到保护作用。
变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的变压器纵差保护的原理要求变压器在正常运行和纵差保护区（纵差保护区为电流互感器TA1、TA2之间的范围）外故障时，流入差动继电器中的电流为零，保证纵差保护不动作。
但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。
（2）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。
瓦斯保护就是利用反应气体状态的瓦斯继电器（又称气体继电器）来保护变压器内部故障的。
在瓦斯保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板，两者都装有密封的水银接点。
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。
瓦斯继电器有浮筒式、档板式、开口杯式等不同型号。
目前大多采用QJ-80型继电器，其信号回路接上开口杯，跳闸回路接下档板。
所谓瓦斯保护信号动作，即指因各种原因造成继电器内上开口杯的信号回路接点闭合，光字牌灯亮。
（3）零序过电流保护。
当变电所有多台变压器并列运行时，只允许一部分变压器中性点接地。
中性点接地的变压器可装设零序电流保护，而不接地运行的变压器不能投入零序电流保护。
当发生接地故障时，变压器接地保护不能辨认接地故障发生在哪一台变压器。
若接地故障发生在不接地的变压器，接地保护动作，切除接地的变压器后，接地故障并未消除，且变成中性点不接地系统在接地点会产生较大的电弧电流，使系统过电压。
同时系统零序电压加大，不接地的变压器中性点电压升高，其零序过电压可能使变压器中性点绝缘损坏。
为此，变压器的零序保护动作时，首先应切除非接地的变压器。
若故障依然存在，经一个时限阶段Δt后，再切除接地变压器，每台变压器都装有同样的零序电流保护，它是由电流元件和电压元件两部分组成。
正常时零序电流及零序电压很小，零序电流继电器及零序电压继电器皆不动作，不会发出跳闸脉冲。
发生接地故障时，出现零序电流及零序电压，当它们大于起动值后，零序电流继电器及零序电压继电器皆动作。
电流继电器起动后，常开触点闭合，起动时间继电器KT1。
时间继电器的瞬动触点闭合，给小母线A接通正电源，将正电源送至中性点不接地变压器的零序电流保护。
不接地的变压器零序电流保护的零序电流继电器不会动作，常闭触点闭合。
小母线A的正电源经零序电压继电器的常开触点、零序电流继电器的常闭触点起动有较短延时的时间继电器KT2经较短时限首先切除中性点不接地的变压器。
若接地故障消失，零序电流消失，则接地变压器的零序电流保护的零序电流继电器返回，保护复归。
。
若接地故障没有消失，接地点在接地变压器处，零序电流继电器不返回，时间继电器KT1一直在起动状态，经过较长的延时KT1跳开中性点接地的变压器。
（4）复合电压起动的过电流保护。
复合电压闭锁，即由接于相间电压上的低电压继电器（只接一相）和接于负序电压上的负序电压继电器组成的电压闭锁元件。
负序电压元件反应不对称短路，灵敏度不受变压器接线方式的影响，低电压继电器则主要反应三相短路时的母线残压。
因此，复合电压闭锁元件只需装设于变压器一侧，接线较低电压起动的过电流保护简单。
第2章电力变压器主接线设计
电气主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的主要环节。
电力系统是由发电厂、变电站、线路和用户组成。
变电站是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。
为满足生产需要，变电站中安装有各种电气设备，并依照相应的技术要求连接起来。
把变压器、断路器等按预期生产流程连成的电路，称为电气主接线。
电气主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。
用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。
2.1主接线的设计原则和要求
主接线代表了变电站电气部分主体结构，是电力系统接线的主要组成部分，是变电站电气设计的首要部分。
它表明了变压器、线路和断路器等电气设备的数量和连接方式及可能的运行方式，从而完成变电、输配电的任务。
它的设计，直接关系着全所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。
由于电能生产的特点是发电、变电、输电和用电是在同一时刻完成的，所以
主接线设计的好坏，也影响到工农业生产和人民生活。
因此，主接线的正确、合理设计，必须综合处理各个方面的因素，经过技术、经济论证比较后方可确定。
2.2设计主接线的基本要求
对电气主接线的基本要求，概括的说应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。
（1）可靠性
安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。
电气主接线的可靠性不是绝对的。
同样形式的主接线对某些发电厂和变电站来说是可靠的，而对另外一些发电厂和变电站则不一定能满足可靠性要求。
所以，在分析电气主接线的可靠性时，要考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备制造水平及运行经验等诸多因素。
（2）灵活性
电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活的进行运行方式的转换。
主接线的灵活性要求有以下几方面
①调度灵活，操作简便：
应能灵活的投入（或切除）某些变压器或线路，调配电源和负荷，能满足系统在事故、检修及特殊运行方式下的调度要求。
②检修安全：
应能方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不影响电力网的正常运行及对用户的供电。
③扩建方便：
应能容易的从初期过渡到最终接线，使在扩建过渡时，在不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装变压器或线路而不互相干扰，且一次和二次设备等所需的改造最少。
（3）经济性
在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。
通常设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。
经济性主要从以下几方面考虑：
①投资省：
主接线应简单清晰，以节约断路器、隔离开关等一次设备投资；
要使控制、保护方式不过于复杂，以利于运行并节约二次设备和电缆投资；
要适当限制短路电流，以选择价格合理的电器设备；
在终端或分支变电站中，应推广采用直降式（110/6～10kV）变压器，以质量可靠的简易电器代替高压断路器。
②占地面积小：
电气主接线设计要为配电装置的布置创造条件，以便节约用地和节省构架、导线、绝缘子及安装费用。
在运输条件许可的地方，都应采用三相变压器。
③电能损耗少：
在变电站中，正常运行时，电能损耗主要来自变压器。
应经济合理的选择主变压器的型式、容量和台数，尽量避免两次变压而增加电能损耗
2.3主接线的设计步骤
电气主接线的具体设计步骤如下：
（1）分析原始资料
①本工程情况
包括变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。
②电力系统情况
包括电力系统近期及远景发展规划（5～10年），变电站在电力系统中的位置（地理位置和容量位置）和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。
主变压器中性点接地方式是一个综合性问题。
它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器的运行安全以及对通信线路的干扰等。
我国一般对35kV及以下电压电力系统采用中性点非直接接地系统（中性点不接地或经消弧线圈接地），又称小电流接地系统；
对110kV及以上高压系统，皆采用中性点直接接地系统，又称大电流接地系统。
③负荷情况
包括负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。
电力负荷的原始资料是设计主接线的基础数据，电力负荷预测工作是电力规划工作的重要组成部分，也是电力规划的基础。
对电力负荷的预测不仅应有短期负荷预测，还应有中长期负荷预测，对电力负荷预测的准确性，直接关系着发电厂和变电站电气主接线设计成果的质量，一个优良的设计，应能经受当前及较长远时间（5～10年）的检验。
④环境条件
包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度及地震等
因素，对主接线中电气设备的选择和配电装置的实施均有影响。
特别是我国土地辽阔，各地气象、地理条件相差甚大，应予以重视。
⑤设备制造情况
这往往是设计能否成立的重要前提，为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电气设备的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。
（2）主接线方案的拟定与选择
根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，根据对电源和出线回路数、电压等级、
变压器台数、容量以及母线结构等不同的考虑，可拟定出若干个主接线方案（本期和远期）。
依据对主接线的基本要求，从技术上论证并淘汰一些明显不合理的方案，最终保留2～3个技术上相当，又都能满足任务书要求的方案，再进行经济比较，结合最新技术，最终确定出在技术上合理、经济上可行的最终方案。
（3）短路电流计算和主要电气设备选择
对选定的电气主接线进行短路电流计算，并选择合理的电气设备。
（4）绘制电气主接线图
对最终确定的主接线，按工程要求，绘制工程图
2.4主接线的基本接线形式
主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种连接方式，它以电源和出线为主体。
由于各个发电厂或变电站的出线回路数和电源数不同，且每回馈线所传输的容量也不一样，因而为便于电能的汇集和分配，在进出线较多时（一般超过4回），采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。
而与有母线的接线相比，无汇流母线的接线使用电气设备较少，配电装置占地面积较小，通常用于进出线回路少，不再扩建和发展的发电厂或变电站。
有汇流母线的接线形式可概况的分为单母线接线和双母线接线两大类；
无汇流母线的接线形式主要有桥形接线、角形接线和单元接线。
某变电所的电气主接线如图所示。
已知：
两台变压器均为三绕组、油浸、强迫风冷、分级绝缘结构，其参数均为：
S=31.5MVA
电压：
110±
4×
2.5%/38.5±
2×
2.5%/11KV
接线：
YN,Y0,d11（Y0/Y/Δ-11-12）
短路电压：
Ug.z%=10.5%
Ug.d%=17%
Uz.d%=6%
两台变压器同时运行110KV侧的中性点只一台接地，若只一台运行，则运行的这台变压器中性点必须接地。
其余参数见图所示
变电所主接线
第3章短路电流的计算
3.1短路电流计算的目的
在发电厂和变电站的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节。
短路电流计算的目的主要有以下几方面：
（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。
（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
例如：
计算某一时刻的短路电流有效值，用以校验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值；
计算短路后较长时间短路电流有效值，用以校验设备的热稳定；
计算短路电流冲击值，用以校验设备动稳定。
（3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。
（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。
（5）接地装置的设计，也需用短路电流。
3.2短路电流计算的一般规定
验算导体和电器时所用的短路电流，一般有以下规定：
（1）计算的基本情况
①电力系统中所有电源都在额定负荷下运行；
②同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；
③短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
④所有电源的电动势相位角相同；
⑤正常工作时，三相系统对称运行；
⑥应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。
对异步电动机的作用，仅在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予以考虑。
（2）接线方式
计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。
（3）计算容量
应按本工程设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般考虑本工程建成后5～10年
（4）短路种类
一般按三相短路计算。
若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统以及
自耦变压器等回路中的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况进行校验。
（5）短路计算点
在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。
对于带电抗器的6～10kV出线与厂用分支回路，在选择母线至母线隔离开关之间的引线、套管时，短路计算点应该取在电抗器前。
选择其余的导体和电器
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