110KV变电站电气二次设计.doc

洛阳理工学院毕业设计(论文)洛南开元110KV变电站电气二次设计变压器保护摘 要本次设计为110kV变电站的初步设计书，共分为任务书、计算书、二部分，同时还附有 6张图纸加以说明。该变电站有3台主变压器，初期上2台，分为二个电压等级：110kV、10kV，各个电压等级均采用单母线分段的主接线方式供电。本次设计中进行了短路电流计算，主要设备选择及校验（包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等），主要介绍变电站的二次保护继电保护，包括电力变压器保护，电力电容器保护，母线保护等。因在变电站中变压器起着传输分配电能的作用，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响，本次设计主要针对变压器的保护，包括瓦斯保护，纵差保护等。并同时略带介绍其它一次设备的保护及其所用电和远动装置。关键词： 变压器，电气二次，瓦斯保护，整定 ，远动Luonan kaiyuan，Second 110KV electrical substation designTransformer ProtectionABSTRACTThe 110kV substation is designed to the preliminary design of the book, the book is divided into tasks, computing books, manuals of three parts, but also with 6 Zhang drawings to illustrate my point. There are 3 of the substation main transformer, 2 early on, is divided into two voltage levels: 110kV, 10kV, all voltage levels are the main sub-single-mother power supply connection mode. The design of a short-circuit current calculation, major equipment selection and validation (including circuit breakers, isolating switches, current transformers, voltage transformers, etc.), mainly secondary substation protection - relay, including the power transformer protection, power capacitor protection, busbar protection. Transformer in the substation in the transmission plays a role in the distribution of power, it will be the fault of power system reliability and uptime have serious impact on the design of the main protection for the transformer, including the gas protection, differential protection, etc.KEY WORDS: Transformer，Electric Secondary，Gas protection, Setting，Telecontrol目录前 言I第1章 电气一次设计31.1 110KV/10 KV电气主接线的选择31.2 短路电流计算及电器设备的选择41.2.1 短路电流计算目的51.2.2短路电流计算的一般规定及基本假设51.2.3 短路电流计算的基准值61.2.4 短路电流计算的步骤61.3电气主设备的选择71.3.1 主变压器的选择71.3.2 110KV设备71.3.3 10KV设备71.3.4 10KV无功补偿装置及其消弧装置71.3.5电压互感器的配置和电流互感器的配置81.3.6 主控室布置8第2章 电气二次的任务及要求92.1 继电保护的作用92.2 继电保护装置的任务102.3 继电保护的基本要求112.3. 1 选择性112.3. 2 速动性112.3. 3 灵敏性及其可靠性122.4 继电保护的分类12第3章 电力变压器保护143.1 变压器的保护方式143.2变压器的纵差动保护153.2.1变压器纵差动保护的基本原理153.2.2 保护中要解决的几个关键问题183.3 变压器的瓦斯保护193.3.1瓦斯保护的动作原理193.3.2 瓦斯继电器的安装调试213.3.3 瓦斯保护的主要特点223.4 相间短路保护223.5 后备保护233.5.1 复合电压闭锁方向过流保护233.5.2过负荷保护243.5.3 过激磁保护24第4章 变压器继电保护的整定计算254.1 纵联差动保护的整定计算254.2 过电流保护的整定计算294.2.1 变压器相间后备保护的配置原则294.2.2 过电流保护装置的动作电流的计算294.2.3过电流保护装置的灵敏系数30第5章 其他电力一次设备的保护315.1 母线保护315.2、线路保护325.3 电力电容器的保护325.4 自动装置32第6章 变电站的远动装置及所用电346.1 变电站的远动装置346.1.1 调度关系346.1.2 洛阳地调346.1.3远动信息范围346.2 远动系统具体技术356.2.1 遥测设备366.2.2 遥信设备366.3 所用电系统及照明36结论37谢词39参考文献40附 录41外文翻译46 38前 言随着工业时代的不断发展，人们对电力供应的要求越来越高，特别是供电的稳固性、可靠性和持续性。然而电网的稳固性、可靠性和持续性往往取决于变电站的合理设计和配置。一个典型的变电站要求变电设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便1.变电站的设计规模（1） 主变容量：最终340MVA，本期240MVA，电压等级110KV/10KV，有载调压。（2）110KV/10KV配电装置：110KV配电装置最终规划3回进出线，分别由九门线 TT接，九门线T接，本期2回进出线，由九门线 TT；采用单母线分段接线。10KV配电装置最终30回出线，本期出线20回，采用单母线四分段接线。（3） 无功补偿：最终24200+22100Kvar，本期14200+22100Kvar。（4） 所用变：最终2100KVA，本期2100KVA。（5） 消弧装置：消弧线圈最终3700KVA，本期2700KVA。2.站址的选择根据负荷分布状况并结合城市总体规划，商务110KV变电站站址的确定位于规划的湖南路与西市路交叉路口东北角（新大明渠北侧），该地段交通便利、进出线方便，无压矿产、文物，地势较高，无水害危险，地势平坦，基础环境条件良好，靠近负荷中心，适于建站。3.变电站建设的必要性及其作用洛南新区北至洛河南岸，南至规划快速客运专线（现洛宜铁路），东至焦枝铁路线，西至西南环高速路，是国务院批准的第三期新城区，是新时期洛阳跨过洛河南岸向南发展，完善城市功能，合理配置城市基础设施，高起点，高标准规划的新城区，也是经省政府批准，在“十五”期间重点建设的新城区。目前该区域仅有古城变一座110KV变电站，位于古城路北侧，主变容量231.5MVA ,为区域变电站，双回线路T接于龙门220KV站，与洛热之间110KV双回网架上，2004年最大负荷30MW，中心区，大学区内项目投入使用后，该站已不能满足该我区域的用电需求，因此根据总体规划的变电站布点及目前建设项目情况，在中心建设110KV商务变电站，以满足该区域的用电需求是相当有必要的。4.本次设计的主要工作和章节安排随着电力负荷的逐渐增大，仅凭一座古城变已不能满足当时负荷的需要，根据建设变电站的实际要求出发，在中心区建设一座洛南开元110KV变电站已不可缺少，本次论文设计也主要围绕建站的站内设施选择及保护展开论述，论文的各章节安排上，共分为六章，各章的主要内容介绍如下：前言主要论述建站的规模及建站的必要性及其作用，第1章介绍该站的主接线的选择，最终确立一个经济简单的电气主接线方式，无论是110KV还是10KV电气主接线均采用单母线分段形式、短路电流计算及主要设备的选择。第2章介绍电气二次及其继电保护的概述作用及任务。第3章 着重介绍变压器保护，因为变压器是电力系统的重要设备之一，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响，在这章节里主要介绍瓦斯保护、纵差保护、后备保护等。第4章介绍了变压器保护的整定计算，具体介绍的了瓦斯保护、纵差保护、过电流保护等。第5章 简单介绍其他电气一次设备的保护，包括电力电容器保护、母线保护自动装置等。第6章 简单介绍了变电所的远动装置及其所用电。本设计只是初步的设计了洛南开元110KV变电站的主接线及其设备选择，针对变电站的主要变送电设备变压器，做了一些必要保护的分析和计算。 第1章 电气一次设计 主接线是变电所电气设计的首要部分，它是由高压电器设备通过连接线组成的接受和分配电能的电路，也是构成电力系统的重要环节。主接线的确定对电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须正确处理好各方面的关系。我国变电所设计技术规程SDJ2-79规定：变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且满足运行可靠，简单灵活、操作方便和节约投资等要求，便于扩建。1在选择一次接线的形式时，要满足电路的可靠性、灵活性、经济性，满足这三方面还要考虑的厂址的扩建及升级改造。1.1 110KV/10 KV电气主接线的选择电气主接线是根据电力系统和变电所具体条件确定的，它以电源和出线为主体，在进出线路多时（一般超过四回）为便于电能的汇集和分配，常设置母线作为中间环节，使接线简单清晰、运行方便，有利于安装和扩建。而本所各电压等级进出线均超过四回，采用有母线连接，此变电站是为了某地区电力系统的发展和负荷增长而拟建的。那么其负荷为地区性负荷。变电站110kV侧和10kV侧，均为单母线分段接线。110kV220kV出线数目为5回及以上或者在系统中居重要地位，出线数目为4回及以上的配电装置。在采用单母线、分段单母线或双母线的35kV110kV系统中，当不允许停电检修断路器时，可设置旁路母线，根据变电所的综合特点及其投入成本等其他因素，本变电站采用单母线三分段方式，每段母线上接一回线路及一台主变;设置两个母联间隔、母联装设分段开关。本期站内的两个进出线间隔装设断路器并设保护（由110KV I九门线路TT接）;远期扩建110KV II九门线路T接时，仅考虑装设断路器而不设保护。#1、#3 主变进线间隔不装设断路器，#2 主变进线间隔装设断路器。（见图1-1和图1-2）图1-1 单母线三分段接线本期10 KV采用单母线四分段接线，最终30回，本期20回，出线全部采用电缆出线。图1-2 单母线四分段接线因本站110KV及10KV进出线全部采用电缆，远期在扩建110KV II九门线路T接进出线时，110KV电缆在线路上T接比较困难，故在布置110KV GIS时，考虑远期II九门线路在变电站内进行T接的方式。1.2 短路电流计算及电器设备的选择短路是电力系统最常见的故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相或中性点接地系统中相与地之间的短路。短路故障对电力系统的正常运行会带来严重后果，主要表现在如下几方面：(1) 短路故障使短路点附近的某些支路中流过巨大的短路电流（大容量系统中可达数万或数十万安培），产生的电动力效应可能使电气设备变形或损坏。(2) 巨大短路电流的热效应可能烧坏设备。(3) 短路时短路点的电压比正常运行时低，如果是三相短路，则短路点的电压为零。这必然导致整个电网电压大幅度的下降，可能使部分用户的供电受到破坏，接在网络中的用电设备不能正常工作。如在用电设备中占有很大比重的异步电动机，其电磁转矩与电压的平方成正比，当电压下降幅度较大时，电动机将停止转动，在离短路点较远的电动机，因电压下降幅度较小而能继续运转，但它的转速将降低，导致产生废，次产品。此外，由于电压下降，转速降低，而电动机拖动的机械负载又未变化，电动机绕组将流过较大的电流，如果短路持续时间较长，电动机必然过热，使绝缘迅速老化，缩短电动机的寿命。(4) 对通信造成干扰。1.2.1 短路电流计算目的（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。（3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检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）按接地装置的设计，也需用短路电流。1.2.2 短路电流计算的一般规定及基本假设1. 短路电流计算的一般规定验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后510年）。确定短路电流计算时，应按可能发生最大2短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应按选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流一般按三相短路验算。2. 短路计算的基本假设(1）正常工作时，三相系统对称运行；(2）所有电源的电动势相位角相同；(3）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；(4）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；(5）元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响；(6）系统短路时是金属性短路。1.2.3 短路电流计算的基准值高压短路电流计算一般只计算各元件的电抗，采用标幺值进行计算，为了计算方便选取如下基准值：基准容量：Sj = 100MVA基准电压：Vg（KV） 10.5 115 2301.2.4 短路电流计算的步骤（1）计算各元件电抗标幺值，并折算为同一基准容量下；（2）给系统制订等值网络图；（3）选择短路点；（4）对网络进行化简，把供电系统看为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减求出电流对短路点的电抗标幺值，并计算短路电流标幺值、有名值。标幺值：Id* = 有名值：Idi = Id*Ij（5）计算短路容量，短路电流冲击值短路容量：S = VjI短路电流冲击值：Icj = 2.55I（6）列出短路电流计算结果。（具体短路电流计算值详见附表一）1.3电气主设备的选择1.3.1 主变压器的选择该变电所根据当地用电负荷情况,选用SZ9-40000/110型三相双绕组节能自冷,有载调压,低损耗,中性点半绝缘的变压器。主变压器分接头选用110土81.25%/10.5KV ,联结组标号YN d11，阻抗电压为=14%。为了保证电压质量选用性能可靠的有载调压开关。1.3.2 110KV设备110KV设备：选用SF6全封闭组合电器（GIS）型 号：ZF5T-110/1600(弹簧操作机构)额定电压：110KV额定电流：1600A额定开断电流：40KA母线额定电流：1600A1.3.3 10KV设备10KV设备：选用金属铠装抽出开关柜（中置柜）型 号：KYN28A-12额定电压：10KV额定电流：进线柜3150A，出线柜31.5KA其中主进、母联柜配、出线柜均配VS1真空断路器。1.3.4 10KV无功补偿装置及其消弧装置1. 选用积木式并联电容器成套装置，配1%串联电抗器。由于10KV 电气主接线采用单母线分段接线，10KV I 、IV段母线装设补偿容量4200Kvar， II、III段母线每段装设补偿容量2100Kvar.为了防止干式空芯串联电抗器漏磁干扰控制室设备，串联电抗器选用磁屏蔽干式电抗器或铁心电抗器。2. 10KV系统为小电流接地系统，按目前规程规定10KV接地电容电流应控制在15A以内，较以前规定更为严格，接地电容电流增大使接地电弧难以自行熄灭，造成间歇弧光接地过电压，3损坏设备扩大停电范围，城区变压器由于电缆线路多，往往经过一段时间发展，接地电容电流超过15A，应装设消弧装置，限制10KV接地电容电流在规定的范围之内。本站设计每台主变低压10KV侧装设一套消弧装置。消弧装置容量700KVA，最大补偿电容电流115A.1.3.5电压互感器的配置和电流互感器的配置1电压互感器的配置 110KV母线三相带三个二次绕组的PT，用于保护、测量、计算、计量。准确级容量为3P：300VA; 0.5: 150VA; 0.2: 75VA。110KV母线三相带三个二次绕组的PT，用于保护、测量、计算、计量。准确级容量为6P: 50VA; 0.5: 40VA; 0.2: 30VA。2电流互感器的配置110KV进出线设置5个二次绕组的CT，用于保护、测量、计算、计量。准确级容量为5P: 40VA; 5P: 40VA; 5P: 40VA; 0.5: 30VA；0.2S: 30VA。 10KV进线设置4个二次绕组的CT，用于保护、测量、计算、计量。准确级容量为5P: 30VA; 5P: 30VA;0.5: 20VA；0.2S: 20VA。 10KV出线设置3个二次绕组的CT，用于保护、测量、计算、计量。准确级容量为5P: 30VA; 0.5: 20VA；0.2S: 20VA。 1.3.6 主控室布置本变电站采用无人值班方式，主控室布置在配电楼三层，设有24个屛位，包括主变压器保护柜，110KV线路保护柜，监控汇集柜、公用设备柜、电度表柜、直流电源柜、交流柜等，满足本期要求并留有备用。为保证变电所的安全可靠运行，保护、交直流和其他柜体均采用防护型柜式结构，屏柜外形尺寸为：2260 800 600 mm，色调一致，柜后加门。室内设置计算机操作台，布置计算机监控操作设备，CRT打印机。（某些电力系统的主设备选择依据详见附录二、三）。 第2章 电气二次的任务及要求变电站的二次回路（即二次电路），是指用来控制、指示、监测和保护一次电路运行的电路也就是说对一次设备工作进行监测和控制保护的辅助设备，也称为电气二次系统，包括控制系统、信号系统、监测系统及继电保护和自动化系统等。概括起来可分为以下几类：（1）二次回路按电源性质分，有直流回路和交流回路。交流回路又分为交流电流回路和交流电压回路。交流电流回路由电流互感器供电，交流电压回路由电压互感器供电。（2）二次回路按其用途分，有断路器控制（操作）回路、信号回路、测量回路、继电保护回路和自动装置回路等。（3）二次回路在供电系统中虽是其一次电路的辅助系统，但它对一次电路的安全、可靠、优质、经济地运行有着十分重要的作用，因此必须予以充分的重视。在变电所中，电气二次的保护主要以继电保护为主要保护途径，继电保护技术是随着电力系统的发展而发展的，它与电力系统对运行可靠性要求的不断提高密切相关。熔断器就是最初出现的简单过电流保护，时至今日仍广泛 应用 于低压线路和用电设备。由于电力系统的发展，用电设备的功率、发电机的容量不断增大，发电厂、变电站和供电网的结线不断复杂化，电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于专门的断流装置的过电流继电器。继电保护装置是保证电力系统安全运行的重要设备，满足电力系统安全运行的要求是继电保护发展的基本动力。2.1 继电保护的作用企业供配电系统和电气设备在生产运行中，由于绝缘老化，机械损伤等原因发生各种事故和不正常的工作状态是不可能完全避免的。常见的也是最危险的故障就是各种类型的短路，它使系统电压降低，并产生很大的短路电流。从而造成严重后果。不正常工作状态是指使电气设备或系统运行参数偏离规定容许值的情况，比如过负荷，温度过高等。就其性质，危险性而言，不正常工作状态不同于故障，但如不及时处理，也会发展成故障。继电保护在电力系统安全运行中的作用可概述为以下三点：（1）保障电力系统的安全性。当被保护的电力系统元件发生故障时, 应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令, 使故障元件及时从电力系统中断开, 以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏, 降低对电力系统安全供电的影响, 并满足电力系统的某些特定要求（如保持电力系统的暂态稳定性等）。（2）对电力系统的不正常工作进行提示。反应电气设备的不正常工作情况, 并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同（例如有无经常值班人员）发出信号, 以便值班人员进行处理, 或由装置自动地进行调整, 或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。（3）对电力系统的运行进行监控。继电保护不仅仅是一个事故处理与反应装置, 同时也是监控电力系统正常运行的装置。就是因为系统中存在着发生故障和不正常工作状态的可能，并造成严重后果，因此要求能及时发现，采取有效措施，以减少损失。具体方法就是：一旦发生故障，立即将故障设备从电网中切除。显然这个任务靠值班员直接操作来完成是不现实的事情，只有借助专门的反事故装来实现，这就是所谓的继电保护。继电保护装置，就是一种能反映电气设备4的故障和不正常工作状态，并及时的作用于断路器跳闸或发出信号的自动装置，继电保护的作用就是防止系统事故的发生和发展，限制事故范围，保证电能质量并提高供电的可靠性。所以，继电保护是供电系统安全运行不可缺少的重要组成部分。2.2 继电保护装置的任务1.在正常运行情况下继电保护通过高压测量元件；接入电路，流过被保护件的的负荷电流，同时监视发电、变电、输电、配电、用电等环节电气元件的正常运行。2.当电力系统发生种种不正常运行方式时，继电保护应可以动作瞬时或延时发出预告信号告诉值班人员尽快处理。3.当电力系统发生各种故障时，继电保护可靠动作使故障元件的断路器跳闸切除故障点，防止事故扩大，确保变压器正常运行。 4.为了使故障切除后，尽快使变压器投入运行 ，可借助继电保护和自动装置来实现自动重合闸。5.继电保护装置可实现现化电力系统远动化、遥讯、遥测、遥控等。2.3 继电保护的基本要求动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。2.3. 1 选择性所谓继电保护装置动作的选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒绝动作时，应由相邻设备或线路的保护将其故障切除。总之，要求继电保护装置有选择地动作，是提高电力系统供电可靠性的基本条件，保护装置无选择性的动作，又没有采取措施（如线路的自动重合闸）予以纠正，是不允许的。2.3. 2 速动性所谓速动性就是指继电保护装置应能尽快地切除故障。对于反应短路故障的继电保护，要求快速动作的主要理由和必要性在于：（1）快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性。因此，快速切除故障是提高系统并列运行稳定性，防止系统事故的一项重要措施。5（2）快速切除故障可以减少发电厂厂用电及用户电压降低的时间，加速恢复正常运行的过程，保证厂用电及用户工作的稳定性。因此，快速切除短路故障，所有电动机在故障切除后都可以继续正常运行，因而保证发电厂和用户工作的稳定性。通常要求在发电厂母线上的引出线上发生短路故障，机端母线电压下降到额定电压60%以下时，必须无时限地切除故障。（3） 快速切除故障可以减轻电气设备和线路的损坏程度。（4） 快速切除故障可以防止故障的扩大，提高自动重合闸和备用电源或设备自动投入成功率。从上述理由可知，快速切除故障，对提高电力系统运行的可靠性具有重大的意义。切除故障的时间是指从发生短路故障的时刻起到断路器跳闸电弧熄灭为止的时间，它等于继电保护装置的动作时间与断路器跳闸时间之和。所以，为了保证快速切除故障，除了加快保护装置的动作时间之外，还必须采用快速跳闸断路器。2.3. 3 灵敏性及其可靠性所谓继电保护装置的灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反映能力。所谓保护装置的可靠性是指在保护范围内发生的故障该保护应该动作时，不应该由于它本身的缺陷而拒绝动作；而在不属于它动作的任何情况下，则应该可靠不动作。要求继电保护装置有很高的可靠性是非常重要的。因为，继电保护装置的拒绝动作或误动作，都将给电力系统和用户带来严重的损失。所以，在设计、安装和维护继电保护装置时，必须满足可靠性的要求。以上四个基本要求是设计和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间，是相互联系的，但往往由存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。2.4 继电保护的分类1. 按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等； 2. 按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等； 3. 按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等； 4. 按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等。主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。 后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种。 （1）远后备保护：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。 （2）近后备保护：当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护。 继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、配置设计、继电保护运行及维护等技术构成。第3章 电力变压器保护电力变压器（简称变压器）是电力系统的重要设备之一，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响，同时大容量的变压器也是非常贵重的设备。因此，必须根据变压器的容量和重要程度，装设性能良好、动作可靠的保护装置。变压器大多为油浸式的，其高低压绕组均在油箱内，故变压器的故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。内部故障主要有绕组的相间短路、匝间短路和单相接地故障等；外部故障主要是绝缘套管和引出线上的相间短路6以及在中性点直接接地侧的单相接地短路等。变压器发生内部故障是很危险的，因为故障电流产生的电弧不仅会破坏绕组的绝缘，烧毁绕组，而且将引起绝缘材料和变压器油的急剧气化，从而可能导致变压器油箱的爆炸。变压器的不正常工作状态主要有外部故障引起的过电流、过负荷、油面降低及因为过电压或频率降低引起的过励磁等。它将使变压器绕组温度升高，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至引起变压器内部故障，因此必须采取某些措施加以排除。3.1 变压器的保护方式根据上述故障和不正常工作状态，变压器通常装设的保护装置如下：（1）瓦斯保护。 它是变压器内部保护。瓦斯保护分两种，一种轻瓦斯保护动作于信号，当变压器高压侧采用负荷开关保护时重瓦斯可以动作于信号。瓦斯保护是一种气体保护与电力系统电压无关。所以可用于直流操作回路，也可以用交流操作回路。它装设在油浸式变压器的油箱与油枕之间的联通管中部。，（2）过电流保护。 对于由外部相间短路引起变压器的过电流，应装设过电流保护装置，保护装与主电源侧，同时也作为主保护7的后备保护。根据主接线情况，保护装置可带一段或两段时限，动作后，以较短时限动作于缩小故障范围，以较长的时限动作与变压器两侧开关。（3）过负荷保护。 容量400KVA及以上的变压器，当数台并联运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能出现过负荷的情况，装设过负荷保护。变压器过负荷，大多数情况下是三相对称的，因此，保护可接与一相电流上，延时作用于信号。对于无人值班的变压器，必要时过负荷保护可动作于切除一些次要负荷或跳闸。（4） 电流速断保护。 容量在10000KVA及以上（并联运行时，容量在6500KVA及以上）的变压器应装设纵差动保护，用以反应变压器绕组，套管及引出线相间短路，直接接地系统侧绕组、套管和引出线的接地短路，以及绕组匝间短路。对于容量为10MVA以下的变压器，且当其过电流保护的动作时限大于0.5s时，可装设电流速断保护，以代替纵差动保护3.2变压器的差动保护3.2.1变压器纵差动保护的基本原理 图3-1 双绕组变压器纵差动保护的原理接线 先以如图(3-1)所示的双绕组单相变压器为例介绍纵差动保护的基本原理。 、 为变压器两侧的一次电流，、为相应的电流互感器二次电流。的参考方向为母线指向变压器，电流互感器的正极性(标*号者为正极性)置于靠近母线的一侧: 的参考方向为变压器指向母线，电流互感器的正极性置于靠近变压器的一侧。将电流互感器不同极性的端子相连接。差动继电器则并联在电流互感器的二次端子上。流入差动继电器I-I的电流为 = - （3-1）称为差电流。最基本的差动继电器就是一个过流继电器，电流超过动作电流时继电器动作。因此纵差动保护的动作判据为 （3-2）式中为纵差动保护的动作电流，= - 为差电流的有效值。设变压器的变比为=/，忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时有=。式(3-1)可进一步表示为 （3-3）式中， 、分别为两侧电流互感器的变比。若选择电流互感器的变比，使之满足 （3-4） 这样式(3-5)就变为 （3-5）根据式(3-5)，正常运行和变压器外部故障时，差电流为零，保护不会动作；变压器内部(包括变压器与电流互感器之间的引线)任何一点故障时，相对于变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差电流等于故障点电流(折算到电流互感器二次侧)，只要故障电流大于差动继电器的动作电流，8差动保护就能迅速动作。由此可见，纵差动保护不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其它元件的保护配合，可以无延时地切除各种故障，因而被广泛地用作变压器的主保护。式(3-4)是纵差动保护中电流互感器变比选择的依据。 (a)原理接线图 (b)电流矢量图 图3-2 三相双绕组变压器纵差动保护的原理接线和电流矢量图 实际电力系统都是三相变压器(或三相变压器组)，并且通常采用Y/-11的接线方式，如图3-2(a)所示。这样的接线方式造成了变压器两侧电流的相位不一致。以A相为例，有=-。正常运行或区外故障时、与、是同相的，但超前 50，如图3-2(b)所示，若仍用单相变压器的接线方式，将会在继电器中产生很大的差电流。要通过改变纵差动保护的接线方式消除这个电流。解决的方法实际上就是将引入差动继电器的Y侧的电流也用两相电流差的方法，即 （3-6）式中、是流入三个差动继电器的差电流。这样就可以消除两侧电流相位不一致的影响。由于Y侧采用了两相电流差，相当于变压器的变比增加了 倍，因此电流互感器变比的选择应该满足 （3-7）为了满足式(3-6)，变压器两侧电流互感器采取不同的接线方式，如图3-2(a)所示。侧采用Y/Y-12的接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内；Y侧采用Y/-11的接线方式，将两相电流差接入差动继电器内。模拟式的差动保护都是采用图3-2(a)的方式，而对于数字式差动保护，也可以将Y侧的三相电流直接接入保护装置内，由计算机的软件实现式(3-6)的功能，以简化接线。 图3-5 三绕组变压器纵差动保护原理接线电力系统中常常采用三绕组变压器。三绕组变压器的纵差动保护原理与双绕组变压器是一样的。图3-5所示的是Y/Y/-11接线方式三绕组单相变压器纵差动保护的接线图，接入纵差动继电器的差电流为 （3-8） 变压器各侧电流互感器的接线方式和变比的选择也要参照Y/-11双绕组变压器的方式进行调整，即侧互感器用Y接线方式；两个Y侧互感器则采用按线方式。设变压器的1-5侧和2-5侧的变比为，和，考虑到正常运行和区外故障时变压器各侧电流满足，电流互感器变比的选择应该满足： （3-9）3.2.2 保护中要解决的几个关键问题当前的器正常运行时，对变压器差动保护动作影响的最主要的原因是不平衡电流。产生不平衡电流的因素主要有:（1）两侧CT变比不匹配，CT特性的差异以及变压器分接头位置的改变等。（2）变压器发生轻微的匝间短路时，高低压侧差流变化小，容易拒动。（3）在变压器故障时，因为故障电流通常含有较大的直流分量，容易引起CT饱和。CT饱和时无法线性传变一次侧的电流，从而引起差流不平衡，无法准确判定区分内外故障，引起误判。3.3 变压器的瓦斯保护瓦斯保护作为变压器内部故障时的主要保护,比纵差保护有着较高的灵敏度。在变压器油箱内,常见的故障有绕组的匝间短路或层间短路。对于上述短路,由于反应到变压器差动保护中的电流值很小,不足以使它动作,但在以上情况下瓦斯保护却能动作。近些年，变压器特别是大型变压器事故较多，往往出现瓦斯保护信号动作或开关跳闸。9 变压器在运行中，由于内部故障，有时候我们无法及时辨别和采取措施，容易引起一些事故，瓦斯保护具有动作快、灵敏度高、结构简单，能反映变压器油箱内部各种类型的故障，采取瓦斯继电器保护后，一定程度上避免了类似事件的发生。因此,瓦斯保护是变压器内部故障最有效的一种保护。3.3.1瓦斯保护的动作原理瓦斯保护的主要元件是瓦斯继电器,又称为气体继电器,它安装在油箱与油枕之间的联接管中,油箱内的气体可通过瓦斯继电器流向油枕。为了保证瓦斯继电器能可靠、灵敏地动作,可把变压器油枕一侧的滚轮垫高,使变压器、顶盖与水平面间具有1%1.5%的坡度,联接管道有2%4%的坡度。目前,国内采用的瓦斯继电器有3种形式:浮筒式(GR-3型和FJ-22型)、挡板式(一般系使用单位在FJ-22型基础上自行改制)和复合式(FJ3-80和QJ-80型)。1. 挡板式瓦斯继电器是将浮筒式瓦斯继电器的下浮筒换成挡板,而上浮筒仍保留,经这样改进后,耐震性提高,且克服了下浮筒渗油的缺点,可靠性大为提高,因而得到广泛的应用。目前越来越多的发展为用开口杯代替浮筒,用干簧接点代替水银接点,如FJ3-80、QJ1-80型复合式瓦斯继电器就是这样的。现以FJ3-80型复合式瓦斯继电器为例,正常运行时,继电器内充满了油,上、下开口杯都浸在油内。由于开口杯及附件在油内的重力所产生的力矩比平衡锤产生的力矩小,因此,开口杯处于上升位置,磁力接点断开。2. 当变压器内部发生轻微故障时,产生较少的气体(称轻瓦斯),此气体上升到油面并聚集在继电器上方,使油面下降,上开口杯露出油面。上开口杯及附件在空气中的重力加上杯内油的重量,所产生的力矩大于平衡锤所产生的力矩,因此开口杯顺时针方向转动,带动磁铁,使上方的磁力接点接通,发出延时轻瓦斯信号。3. 变压器内部发生严重故障时,产生大量的气体(称重瓦斯),由于这些气体的膨胀使油面上升,因油箱与油枕的联接管道较油箱细得多,故其中油的流速将很大,形成强烈的油流,冲击挡板带动下开口杯转动,使下磁力接点接通,发出断路器跳闸脉冲。4. 当变压器严重漏油而使油面极低时,造成瓦斯继电器储油器内的油面不断下降,先形成上开口杯转动,发生轻瓦斯信号,随后,油面继续下降,下开口杯转动,发生断路器跳闸脉冲。在发生外部短路时,在短路电流热效应的作用下,分解出来的气体可能使瓦斯继电器动作于信号,同时,也可能由于油的温度上升,其体积也增加而动作于跳闸。所以,瓦斯继电器应调整到在发生外部短路时不动作。变压器在充油或因修理而重新灌油时,有可能在变压器油中混入了少量空气,在变压器投入运行后,这些气体逐渐聚集在瓦斯继电器内,可能使轻瓦斯动作;当流速较快时,甚至可能使重瓦斯动作。为此,在变压器灌油或新变压器投入运行时,一般先将重瓦斯切换到信号回路,72 h后保护投用。5. 双卷变压器瓦斯保护的原理接线图。瓦斯继电器1的上接点动作于信号;其下接点动作后经信号继电器2起动出口中间继电器3,跳开断路器1DL，2DL。重瓦斯保护是按照油流速大小而动作的,而油的流速在故障时往往是不稳定的,由此可能会引起下接点抖动。为了使断路器可靠地跳闸,瓦斯保护的出口回路通常采用自保持回路,即借助于具有串联电流线圈(自保持线圈)的中间继电器来实现。断路器跳闸后,出口回路的自保持状态可借助于断路器的辅助接点来解除。图3-6双卷变压器瓦斯保护的原理接线图 为防止瓦斯保护在变压器换油或作瓦斯继电器试验时误动作,在出口回路中装设了切换片4,使重瓦斯暂时改接到信号回路运行。附加电阻5的数值应选择得使串联信号继电器2能可靠地动作。（自左向右依次为继电器1、2、3，最下为附加电阻）3.3.2 瓦斯继电器的安装调试1. 重瓦斯流速的整定:一般的经验数据为0615 m/s。对于自然油冷却的变压器整定为0710 m/s。对于强迫油循环的变压器整定为1114 m/s。瓦斯继电器实际的连接管内径与试验设备上装设的连接管内径不一致时,将影响瓦斯继电器流速的整定,可引入管径校正系数K。若用80 mm管径在流速试验设备上试验,以1 m/s为依据,则在引入管径校正系数K后,对于其它管径,瓦斯继电器的试验流速为1/K整定流速。K值与瓦斯继电器的形式有关,也和挡板面积、整定流速有关,最好从流速试验中求得。流速的调整:对于浮筒式瓦斯继电器,调整其下浮筒的重锤位置即可改变动作流速;对于挡板式瓦斯继电器,可用改变其重锤重量和力臂来求得所需的整定流速;对于开口杯式瓦斯继电器,可利用调节平衡锤、挡板和进油挡板的位置改变动作流速。2. 轻瓦斯气体容积的整定:一般瓦斯继电器气体容积的整定范围为250300 cm3。当变压器容量小于1 000 kVA时,为20010% cm3;1 00015 000 kVA时,为25010% cm3;15 000100 000 kVA时,为30010% cm3;大于100 000kVA时,为35010% cm3。气体容积是利用调节重锤的位置来改变的,必要时也可调整水银接点的安装角度。对于开口杯的瓦斯继电器,可通过调整平衡锤的位置来达到。3.3.3 瓦斯保护的主要特点1. 瓦斯保护的主要优点是动作迅速、灵敏度高、结构简单、并能反应变压器油箱内的一切短路。此外,经改进后的瓦斯保护,其运行性能比较稳定,可靠性也较高。所以,瓦斯保护是变压器内部短路的主要保护之一。2. 瓦斯保护也存在一些缺点,它不能反应变压器油箱外套管及连接线上的故障,因此,瓦斯保护不能取代差动保护。一般是与差动保护共同使用,构成变压器的主要保护。3. 瓦斯保护是采用浮筒式瓦斯继电器,正确动作率一直是很低的。一些运行单位往往将其闲置不用,或者将重瓦斯切换到动作于信号位置。积极的措施是从制造上改进继电器的结构,同时从调试、安装、运行等方面采取措施来消除误动作的原因,以使瓦斯保护的作用日趋完善。3.4 相间短路保护反映变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护，对其中性点直接接地侧绕组的接地短路以及绕组匝间短路也能起保护作用。容量为6300 KVA级以下并列运行的变压器以及10000 KVA级以下单独运行的变压器，当后备保护时限大于0.5s 时，应装设电流速断保护。容量为6300 KVA级以上，厂用工作变压器和并列运行的变压器。10000 KVA级以上厂用备用变压器和单独运行的变压器以及2000KVA级以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵联差动保护。对高压侧电压为330KV及以上的变压器，可装设双重差动保护。如果变压器的纵联差动保护对单相接地短路灵敏性不符合要求，可增设零序差动保护。3.5 后备保护对于由外部相间短路引起的变压器过点电流，可采用下列保护作为后备保护：（1）过电流保护，宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故时可能出现的过负荷。（2）复合电压（包括抚恤电压及线电压）启动的过电流保护，宜用于升压变压器和系统联络变压器及过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。（3）负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护，可用于63000 KVA级以上的升压变压器。（4）对于升压变压器和系统联络变压器，当采用上述（2）、（3）保护不能满足系统灵敏性和选择性的要求时，可采用阻抗保护。在上述各种保护动作后，应带时限动作于跳闸。3.5.1 复合电压闭锁方向过流保护为反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变压器内部故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备，变压器应装设过电流保护。根据变压器容量和系统短路电流的水平不同，实现保护的方式有: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以及负序过电流保护等。下面介绍一下复合电压起动的过电流,复合电压闭锁元件是利用正序低电压和负序过电压反映系统故障，防止保护误动作的对称序电压测量元件。复合电压闭锁过流保护的灵敏度比低电压启动的过流保护灵敏度高。这两种保护的动作电流都是按躲过变压器额定电流整定，低电压元件是按变压器额定电压UN的0.7倍整定的，复合电压闭锁元件中的负序电压是按变压器额定电压UN的0.06-0.12倍来整定的。在常规的变压器保护中，要实现复合电压闭锁过流保护，需增加三只低电压继电器和负序电压滤过器及其过电压继电器，还需增加不少硬件，接线复杂,因此过去大型高压变压器才配置这类后备保护，中小型变压器一般只配置低电压启动过电流保护。微机保护中复合电压闭锁元件靠软件构成，不增加任何硬件情况下实现，故一般变压器即使是35KV，容量不很大的变压器后备保护也都配置复合电压闭锁过流保护。本保护是作主变的后备保护。复合电压闭锁元件是利用低电压和负序高电压来闭锁过流保护。采用了如下的动作判据：Umin Ude 或U2 U2dzIMAX Idzt tfdz其中：Umin =min(Ua，Ub，Uc )Ude 低电压门限值U2dz 负序电压门限值Idz 过流动作定值tfdz 动作时限t 动作延时3.5.2过负荷保护 对于400 KVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。对自耦变压器和多绕组的变压器，保护装置应能反映公共绕组以及各侧过负荷的情况。过负荷保护应接于一相电流上，带时限动作于信号。在无经常值班人员的变电所，必要时过负荷保护可动作于跳闸和断开部分负荷。3.5.3 过激磁保护为降低材料消耗，现代大型变压器铁心一般都用新型电工硅酮片制成。其额定磁密接近于饱和磁密，过电压或低频率时容易引起过激磁，500KV及以上的大容量变压器以装设过激磁保护。10本变电站采用400MVA的变压器需考虑过激磁保护第4章 变压器继电保护的整定计算变压器整定计算的目的是对电力系统中已经配置安装好的各种继电保护按照具体电力系统参数和运行要求，通过计算分析给出所需的各项整定值，使全系统中各种继电保