电力变压器保护

I电力变压器保护摘 要电力变压器是电力系统中不可缺少的重要设备，他的故障给供电可靠性和系统的正常运行带来严重的后果，同时大容量变压器也是非常贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度装设性能良好的、动作可靠的保护元件。本文是笔者在阅读了大量专业资料、咨询了很多的专家和老师的前提下，按照指导老师所给的原始资料，通过系统的原理分析、精确的整定计算。做出的一套电力变压器保护方案。本文语言简练、逻辑严密、内容夯实。可作为从事电气工程技术人员的参考资料。关键词 电力系统故障，变压器，继电保护，整定计算ABSTRACTThe transformer is the essential equipment in the electrical power system Its breakdown might bring the serious influence to the power supply reliability and the system safely operationAt the same time the large capacity power transformer is the extremely precious equipment ThereforeWe must install the reliable relay protection installment according to the transformer capacity rank and the important degreeThe article is about the relay protection of the transformer.I had consulted many experts and teachers before I finished the article At the same time the massive specialized materials was consulted by meIt is not diffcult to understand the logical organiztion of the article for readers And the article will bring the usful help to the comrades who is working as a electrical engineer.Keywords Power System Fault Condition, Power Transformer, Relay Protection, Setting CalculationI目 录摘 要ABSTRACT1 绪论11.1 课题背景11.1.1 设计题目11.1.2 毕业设计原始资料11.1.3 待保护变压器的在系统中的连接情况11.1.4 设计任务11.2 继电保护的综述 21.2.1 电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果21.2.2 继电保护的任务21.2.3 继电保护装置的组成31.2.4 继电保护的基本要求313 电力变压器故障概况614 继电保护发展71.4.1 计算机化7142 网络化81.4.3 保护、控制、测量、数据通信一体9144 智能化92 短路电流实用计算 112.1 短路电流计算的规程和步骤 112.1.1 短路电流计算的一般规定112.1.2 计算步骤 122.2 三相短路电流的计算122.2.1 等值网络的绘制122.2.2 化简等值网络122.2.3 三相短路电流周期分量任意时刻值的计算132.2.4 三相短路电流的冲击值14II3 电力变压器保护原理分析153.1 瓦斯保护原理153.2 变压器纵差动保护163.2.1 构成变压器纵差动保护的基本原则163.2.2 不平衡电流产生的原因和消除方法163.3 电流速断保护原理203.3.1 电流速断保护的整定计算203.3.2 躲过励磁涌流213.3.3 灵敏度的校验213.4 过电流保护的原理213.4.1 过电流保护213.4.2 复合电压起动的过电流保护223.4.3 负序电流和单相式低压过电流保护243.5 零序过电流保护原理243.5.1 中性点直接接地变压器的零序电流保护253.5.2 中性点可能接地或不接地变压器的保护263.6 过负荷保护原理 283.7 过励磁保护原理2938 微机保护原理 293.8.1 微机保护概况303.8.2 变压器的微机保护配置304 保护配置与整定计算314.1 电力变压器的保护配置3142 保护参数分析与方案确定334.2.1 保护方案334.2.2 保护设备配置选择344.3 接线配置图354.4 整定计算364.4.1 带时限的过电流保护整定计算364.4.2 电流速断保护整定计算 364.4.3 单相低压侧装设低压侧接地保护374.4.4 过负荷保护38III4.5 保护配置动作实现38结论39参考文献40附录 A：接线配置图 41致 谢4211 绪论1.1 课题背景1.1.1 设计题目设计题目为车间变压器的保护设计。1.1.2 变压器的基本原始资料10/0.4KV 车间配电变压器，已知变压器为 SL7-800 型，高压侧 IN=40A，过负荷系数为 3。其各部分短路电流为： 、 、1340dMAXI（ ） 2319dMAXI（ ）、 、 、 。最小运行350dMAXI（ ） 13min290dI（ ） 2min8（ ） 3min50（ ）方式下变压器低压侧母线单相接地稳态短路电流 为 5 540A。21.ik1.1.3 待保护变压器的在系统中的连接情况图 1.1 原始接线图1.1.4 设计任务 认真查阅资料确定保护方案。 进行整定计算选取所需要的元件和装置 画出相应的保护接线配置图。 画出的保护总配置图。 进行校验改正、完成毕业论文。21.2 继电保护的综述1.2.1 电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果电力系统又发电机、变压器、母线、输配电线路及用电设备组成。电力系统中，最常见同时也是最危险的故障是相与相或相与地之间的非正常连接，及短路。其中以单相接地短路最为常见，而三相短路是比较少见的。与其他电气元件比较，输出线路所处的条件决定了它是电力系统中最容易发生故障的一环。在输电线路上，还可能发生断线及几种故障同时发生的复合故障。短路总要伴随产生很大的短路电流，同时使系统中电压大大降低。短路点的短路电流及短路电流的热效应和机械效应会直接损坏电气设备。电压下降影响用户的正常工作，影响产品质量。短路更严重的后果，是因为电压下降可能导致电力系统发电厂之间并列运行的稳定性遭受破坏，引起系统振荡，直至使整个系统瓦解。最常见的异常运行状态是电气元件的电流超过其额定值，即过负荷状态。长时间的过负荷使电气元件的载流部分和绝缘材料的温度过高，从而加速设备绝缘老化，或者损坏设备，甚至发展成事故。此外，由于电流系统出现功率缺额而引起的频率降低，水轮发电机组突然甩负荷引起的过电压以及电力系统振荡，都属于异常运行状态。故障和异常运行状态都可能发展成系统的事故。所谓事故，是指整个系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，以至造成对用户少送电、停止送电或电能质量降低到不能容许的地步，甚至造成设备损坏和人员伤亡。电力系统各元件之间是通过电或磁的联系，任一元件发生故障时，都可能立即在不同程度上影响到系统的正常运行。因此，切除故障元件的时间常常要求短到十分之几秒甚至百分只几秒。显然，在这样段的时间内，有运行人员来发现故障元件并将它切除是不可能的。要完成任务，必须在没一个元件上装设具有保护作用的自动装置。1.2.2 继电保护的任务继电保护是一种重要的反事故措施，它的基本任务是： 当电力系统的被保护元件发生故障时，继电保护装置应该能自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，以保证无故障部分迅速恢复正常运行，并使故障元件免于继续遭受损坏。 当电力系统被保护元件出现异常运行状态时，继电保护应能及时反应，并根据运行维护条件，而动作于非发出信号，减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。31.2.3 继电保护装置的组成继电保护装置一般情况下，都是由三部分组成的，即测量部分、逻辑部分、和执行部分，其原理结构图如图 1.2 所示。输入信号 输出信整定值图 1.2 继电保护装置的原理结构图 测量部分测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与给定的整定值进行比较，根据比较结果，给出“是” 、 “非” ；“大于” 、 “不大于” ；等于“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该动作。 逻辑部分逻辑部分是根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，然后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。继电保护中常用的逻辑回路有“或” 、 “与” 、 “否” 、 “延时起动” 、以及“记忆”等回路。 执行部分执行部分是根据逻辑部分送的信号，最后完成保护装置所负担的任务。如故障时，动作与跳闸，异常运行时，发出信号；正常运行时，不动作等。1.2.4 继电保护的基本要求电力系统各电气元件之间通常用断路器相互连接，每台断路器都有相应的继电保护装置，可以向断路器发出跳闸脉冲。继电保护装置是以各电气元件或线路作为被保护对象的，其切除故障的范围是断路器之间的区段。对电力系统继电保护的基本性能要求是有选择性、速动性、灵敏性、可靠性。基本要求之间，有的相辅相成，有的是互相制约，需要针对不同的使用条件，分别进行协调。 选择性作用于跳闸的保护装置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，以保证电力系统中的无故障部分仍能继续安全运行。如图 1.3 所示的网络中，测量部分 逻辑部分 执行部分4图 1.3 线路保护图 当线路 L4 上 K2 点发生短路时，保护 6 动作跳开短路器 QF6 将 L4 切除，继电保护的这种动作使有选择性的。K2 点故障，若保护 5 动作于将 QF5 断开，则变电所C 和 D 都将停电，继电保护的这种动作是无选择性的。同样 K1 点故障时，保护 1和保护 2 动作于断开 QF1 和 QF2，将故障线路 L1 切除，才是有选择性的。如果 K2 点故障，而保护 6 或断路器 QF6 拒绝动作，保护 5 动作于断开QF5，将故障切除，这种情况虽然是越级跳闸，但却是尽量缩小了停电范围，限制了故障的发展，因而也认为是有选择性动作。运行经验表明，架空线路发生的短路故障大多数是瞬时性的，线路上的电压消失后，短路会自行消除。因此，在某些条件下，为了加速切除短路，允许采用无选择性的保护，但必须采取相应措施，例如采用自动重合闸或备用电源自动投入装置予以补偿。为了保证选择性，对相邻元件有后备用的保护装置，其灵敏性与动作时间必须与相邻元件的保护相配合。 速动性快速地切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低情况下的工作时间，限制故障元件的损坏程度，缩小故障的影响范围以及提高自动重合闸装置和备用电源自动投入装置的动作成功率等。因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。动作迅速而同时又能满足选择性要求的保护装置，一般结构都比较复杂，价格比较贵。因此，应根据电力系统的实际情况，对保护的速动性提出合理的要求。一般情况下，电力系统允许保护装置带一定的延时切除故障。故障切除时间 t 等于保护装置的动作时间与断路器的动作时间之和。目前世界上正式投入运行的保护，动作速度最快的为 0.02S，断路器的动作时间最快为 0.05S0.06S。因此，最快切除故障时间为 0.070.08S。上述对作用于跳闸的保护装置的基本要求，一般也适用于反映异常运行状态的保护装置。只是对作用于信号的保护装置不要求快速动作，而是按照选择性5要求延时发出信号。 灵敏性保护装置的灵敏性是指保护区内发生故障或异常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在规定的保护区内短路时，不论短路点的位置、短路形式以及系统运行方式如何，都能灵敏反应。保护装置的灵敏系数 Ksen来衡量，对于反应故障时参数增大而动作的保护装置，其灵敏系数是式（1.1）保 护 区 末 端 金 属 性 短 路 时 故 障 参 数 的 最 小 计 算 值灵 敏 系 数 保 护 装 置 的 动 作 参 数对于反应故障时参数降低而动作的保护装置，其灵敏系数是式（1.2）保 护 装 置 的 动 作 参 数灵 敏 系 数 保 护 区 末 端 金 属 性 短 路 时 故 障 参 数 的 最 大 计 算 值实际上，短路大多情况是非金属性的，而且故障参数在计算时会有一定的误差，必须要求 Ksen符合部颁继电保护和安全自动装置技术规程的规定， 继电保护和安全自动装置技术规程对各类短路保护装置的灵敏系数最小值都作了具体要求。 可靠性保护装置的可靠性是指在规定的保护区内发生故障时，它不应该拒绝动作，而在正常运行或保护区外发生故障时，则不应该误动作。可靠性主要保护装置本身的质量和运行维护水平。不可靠的保护本身就成了事故的根源。因此，可靠性是对继电保护装置的最基本的要求。为保证可靠性，一般来说，宜选用尽可能简单的保护方式；应采用由可靠的元件和简单的接线构成的性能良好的保护装置，并应采取必要的检测、闭锁和双重化等措施。此外，使保护装置便于整定、调试和运行维护，对于保证可靠性也具有重要的作用。上述基本要求是互相联系而又互相矛盾的。例如，对某些保护装置来说，选择性和速动性不可能同时实现，要保证选择性，必须使之具有一定的动作时间。可以这样说，继电保护这门技术，是随着电力系统的发展，在不断解决保护装置应用中出现的基本要求是分析研究各种继电保护装置的基础。在电力系统中，当确定继电保护装置的配置和构成方案时，还应该适当考虑经济上的合理性。应综合考虑被保护元件与电力网的结构特点、运行特点以及事故出现的概率和可能造成的后果等因数，依此确定保护方式，而不能只从保护装置本身的投资来考虑。因保护不完善或不可靠而给国民经济造成的损失，一般会大大超过即使是最复杂的保护装置的投资。6实践证明，继电保护装置或断路器有拒绝动作的可能性，因而需要考虑后备保护。实际上，每一电气元件一般都有两种继电保护装置，主保护和后备保护。必要时还另外增设辅助保护。反应整个被保护元件上的故障并能以最短的延时有选择性地切除故障的保护称为主保护。主保护或其断路器拒绝动作时，用来切除故障的保护称为后备保护。后备保护和远后备保护两种：主保护拒绝动作时，由本元件的另一套保护实现后备保护，称为近后备；当主保护或其断路器拒绝动作时，由相邻元件或线路的保护实现后备的保护，称为远后备保护。1.3 电力变压器故障概况电力变压器是电力系统中大量使用的重要电气设备，他的故障给供电可靠性和系统的正常运行带来严重的后果，同时大容量变压器也是非常贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度装设性能良好的、动作可靠的保护元件。电力变压器的故障分为内部和外部两种故障。内部故障指变压器油箱里面发生的各种故障，主要靠瓦斯和差动保护动作切除变压器；外部故障指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，一般情况下由差动保护动作切除变压器。速动保护（瓦斯和差动）无延时动作切除故障变压器，设备是否损坏主要取决于变压器的动稳定性。而在变压器各侧母线及其相连间隔的引出设备故障时，若故障设备未配保护（如低压侧母线保护）或保护拒动时，则只能靠变压器后备保护动作跳开相应开关使变压器脱离故障。因后备保护带延时动作，所以变压器必然要承受一定时间段内的区外故障造成的过电流，在此时间段内变压器是否损坏主要取决于变压器的热稳定性。因此，变压器后备保护的定值整定与变压器自身的热稳定要求之间存在着必然的联系。 变压器的不正常运行状态主要有：变压器外部短路引起短路的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等，这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过电励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应该根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。71.4 继电保护的发展继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、 控制、 测量和数据通信一体化发展。1.4.1 计算机化 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。原华北电力学院研制的微机线路保护硬件已经历了 3 个发展阶段：从 8 位单 CPU 结构的微机保护问世，不到 5 年时间就发展到多 CPU 结构，后又发展到总线不出模块的大模块结构，性能大大提高，得到了广泛应用。华中理工大学研制的微机保护也是从8 位 CPU，发展到以工控机核心部分为基础的 32 位微机保护。南京电力自动化研究院一开始就研制了 16 位 CPU 为基础的微机线路保护，已得到大面积推广，目前也在研究 32 位保护硬件系统。东南大学研制的微机主设备保护的硬件也经过了多次改进和提高。天津大学一开始即研制以 16 位多CPU 为基础的微机线路保护，1988 年即开始研究以 32 位数字信号处理器(DSP)为基础的保护、控制、测量一体化微机装置，目前已与珠海晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全的 32 位大模块，一个模块就是一个小型计算机。采用32 位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受 A/D 转换器分辨率的限制，超过16 位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是 32 位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。CPU 的寄存器、数据总线、地址总线都是 32 位的，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存(Cache)和浮点数部件都集成在 CPU 内。电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台 PC 机的功能。在计算机保护发展初期，曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置。由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差，这个设想是不现实的。现在，同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机，因此，用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。天津大学已研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机加以改造作成的继电保护装置。这种装置的优点有：具有 486PC 机的全部功能，能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求。尺寸和结构与目前的微机保护装置相似，工艺精良、防震、防过热、防电磁干扰能力强，可运行于非常恶劣的工作环境，成本可接受。采用 STD 总线或 PC 总线，硬件模块化，对于不同的保护可任意选用不8同模块，配置灵活、容易扩展。继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社会效益，尚须进行具体深入的研究。1.4.2 网络化 计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。国外早已提出过系统保护的概念，这在当时主要指安全自动装置。因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围(这是首要任务)，还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的。对于一般的非系统保护，实现保护装置的计算机联网也有很大的好处。继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。对自适应保护原理的研究已经过很长的时间，也取得了一定的成果，但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须获得更多的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这一点。对于某些保护装置实现计算机联网，也能提高保护的可靠性。天津大学 1993年针对未来三峡水电站 500kV 超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护的原理，初步研制成功了这种装置。其原理是将传统的集中式母线保护分散成若干个(与被保护母线的回路数相同)母线保护单元，分散装设在各回路保护屏上，各保护单元用计算机网络联接起来，每个保护单元只输入本回路的电流量，将其转换成数字量后，通过计算机网络传送给其它所有回路的保护单元，各保护单元根据本回路的电流量和从计算机网络上获得的其它所有回路的电流量，进行母线差动保护的计算，如果计算结果证明是母线内部故障则只跳开本回路断路器，将故障的母线隔离。在母线区外故障时，各保护单元都计算为外部故障均不动作。这种用计算机网络实现的分布式母线保护原理，比传统的集中式母线保护原理有较高的可靠性。因为如果一个保护单元受到干扰或计算错误而误动时，只能错误地跳开本回路，不会造成使母线整个被切除的恶性事故，这对于象三峡电站具有超高9压母线的系统枢纽非常重要。由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必然趋势。1.4.3 保护、控制、测量、数据通信一体化 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测量、数据通信一体化的计算机装置，就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还可免除电磁干扰。现在光电流互感器(OTA) 和光电压互感器(OTV) 已在研究试验阶段，将来必然在电力系统中得到应用。在采用 OTA 和 OTV 的情况下，保护装置应放在距 OTA 和 OTV 最近的地方，亦即应放在被保护设备附近。OTA 和 OTV 的光信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后，一方面用作保护的计算判断；另一方面作为测量量，通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操作。1992 年天津大学提出了保护、控制、测量、通信一体化问题，并研制了以 TMS320C25 数字信号处理器(DSP)为基础的一个保护、控制、测量、数据通信一体化装置。1.4.4 智能化 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确作出故障位置的判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故障样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。天津大学从 1996 年起进行神经网络式继电保护的研究，10已取得初步成果。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。112 短路电流实用计算在电力系统继电保护中我们必须知道在发生故障时的短路电流情况，因此我们必须求取各点短路电流。在短路的实际计算中，为简化计算工作，采取以下一些简化方法来帮助我们进行计算。假设： 短路过程中各发电机之间不发生摇摆，并认为所有发电机的电势都同相位。对短路点而言，计算所得的电流数值稍稍偏大，这对于保护的整定是有利的。 负荷只作近似计算，视具体情况而定。 不计磁路饱和，系统各元件参数都是恒定的。 对称三相系统。 忽略高压输电线的电阻和电容，忽略变压器的电阻和励磁电流，忽略电缆线的电阻，即各元件均用纯电抗表示。 金属性短路。 两相不对称短路时短路电流可按 计算。(2)(3)/kkII2.1 短路电流计算的规定和步骤2.1.1 短路电流计算的一般规定 计算的基本情况1）电力系统中所有电源均在额定负荷下运行。2）所有同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁装置） 。3）短路发生在电流为最大值的瞬间。4）所有电源的电动势相位角相同。5）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。 接线方式计算短路电流所用的接线方式，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） ，而不能仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。 计算容量应按工程设计的规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划，一般取工程建成后的 510 年。 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及12自耦变压器等回路中的单相、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。 短路计算点在正常接线方式时，通过设备的短路电流为最大的地点，称为短路计算点。 短路计算的一般方法在工程设计中，短路电流计算均采用实用计算法。所谓实用计算法，是指在一定的假设条件下计算出短路电流的各个分量，而不是用微分方程去求解短路电流的完整表达式。在工程中一般采用运算曲线法来进行短路电流计算。2.1.2 计算步骤 选择短路计算点。 绘出等值网络（次暂态网络图） ，并将各元件电抗统一编号。 化简等值网络：将等值网络化简为以短路点为中心的辐射等值网络，并求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗 。X“ 求计算电抗 。jsX 由运算曲线查出各电源供给的短路电流周期分量的标幺值。 计算无限大容量的电源供给的短路电流周期分量的标幺值。 计算短路电流周期分量有名值和短路容量。 计算短路电流冲击值。 绘制短路电流计算结果表。2.2 三相短路电流的计算2.2.1 等值网络的绘制 网络模型的确定计算短路电流所用的网络模型，即忽略负荷电流；除 1KV 以下的低压电网外，元件的电阻都忽略不计；输电线路的电纳及变压器的导纳也忽略不计；发电机用次暂态电抗表示；认为各发电机电势模值为 1，相角为 0。 网络参数的计算短路电流的计算通常采用标幺值进行近似计算。基准容量 为一整数一般取BS100MVA，而将各电压等级的平均额定电压取为基准电压 ，从1.5avNU而使计算大为简化。常见的基值见表 2.1。2.2.2 化简等值网络采用网络简化法将等值电路逐步化简，求出各电源与短路点之间的转移阻抗。在工程计算时，为进一步简化网络，减少工作量，常将短路电流变化规律相13同或相近的电源归并为一个等值电源。归并的原则是距离短路点电气距离大致相等的同类型发电机可以合并；至短路点电气距离较远， 1 的同一类型或不同jsX类型的发电机也可以合并；直接接于短路点的发电机一般予以单独计算,无限大容量的电源应单独计算。表 2.1 常用标幺值计算的基准值（ ）10BSMVA基 准电 压UB（K）3.15 6.3 10.5 15.75 18 37 63 115 162 230 345 525基 准电 流IB（K）18.39 9316 5.50 3.67 3.21 1.56 0.92 0.50 0.36 0.25 0.17 0.11基 准电 抗ZB（）0.09 0.397 1.102 2.418 3.240 13.69 39.69 132.25 262.44 529.00 1190.2 2756.22.2.3 三相短路电流周期分量任意时刻值的计算进行网络化简时求出各个等值电源与短路点之间的转移电抗 ,再将其换算X“成以等值电源容量为基准的标幺值即为该电源的计算电抗 。jsi式（2.1）“NijsiiBSX式中 第 个等值电源的额定容量，MVA； =1，2，,n。NiS i 无限大容量电源当供电电源为无限大容量或计算电抗（以供电电源容量为基准） 时，5jsiX则可以认为其周期分量不衰减，此时式（2.2）“*“1jsIX或 有限大容量电源当供电电源为有限容量时，其周期分量是随时间衰减的。这时工程上常采用运算曲线法来求得任意时刻短路电流的周期分量。所谓运算曲线是一组短路电流周期分量 与计算电抗 、短路时间 t 的变*tIjsX化关系曲线，即 。根据各电源的计算电抗 ，查相应的运算曲线，*()tjsIfXtj可分别查出对应于任何时间 t 的周期分量的标幺值 。*t 总的短路电流周期分量的有名值14最后将得到的各电源在某同一时刻供出的短路电流的标幺值换算成有名值，然后相加，便得到短路点某一时刻的三相短路电流周期分量，即式（2.3） *133nNiBttiBSSIIU式（2.3）中 有限容量电源供给的短路电流周期分量标幺值；*tI无限大容量电源供给的短路电流周期分量标幺值；短路点 t 秒短路电流周期分量有效值，KA 。t2.2.4 三相短路电流的冲击值三相短路电流的最大峰值出现在短路后半个周期，当 时，发生50fHz在短路后 0.01s，此峰值被称为冲击电流 。其计算式为chi式（2. 4） 0.1“ “2()2aTch chiIekI式（2. 4）中 短路点等效衰减时间常数，在近似计算中可直接选用表 2.2 推aT荐的数值。冲击系数。工程设计可按表 2.3 选用。chk表 2.2 短路点等效时间常数 推荐值（s）aT短路点 aT 短路点 aT汽轮发电机端水轮发电机端发电机出线电抗器后0.2550.1910.127高压侧母线（主变压器 100MVA 上）高压侧母线（主变压器10 100MVA）远离发电厂0.1270.1110.048表 2.3 不同短路点的冲击系数 推荐值chk短路点 chk发电机端发电厂高压母线或出线电抗器之后远离发电厂1.901.851.80153 电力变压器保护原理分析3.1 瓦斯保护原理分析瓦斯保护是反应变压器油箱内部气体的数量和流动的速度而动作的保护，保护变压器油箱内部各种短路故障，特别是对绕组的相间和匝间短路。由于短路点电弧的作用，将使变压器和其他绝缘材料分解，产生气体。气体从油箱经连通管流向油枕，利用气体数量及流速构成瓦斯保护。图 3.1 上面的触点表示“轻瓦斯保护” ，动作后经延时发出报警信号。下面的触点表示“重瓦斯保护” ，动作后启动变压器保护的总出口继电器，使断路器跳闸。当油箱内部发生严重事故时，由于油流不稳定，可能造成干簧触点的抖动，此时为使断路器能可靠跳闸，应选用具有电流自保持线圈的出口中间继电器 KM，动作后由断路器的辅助触点来解除出口回路的自保持。此外，为防止变压器换油或进行试验时引起重瓦斯保护误动作跳闸，可利用切换片 XB 将跳闸回路切换到信号回路。信 号至 延 时 电 路图 3.1 瓦斯保护的原理接线图 163.2 纵差动保护原理分析3.2.1 构成变压器纵差动保护的基本原则图 3.2 变压器纵差保护原理接线图正常运行或外部故障时式BnI21/（3.1）所以两侧的 CT 变比应不同，且应使 2“1“II即： 式21lln（3.2）或： 式Bll nIn21/21（3.3）即：按相实现的纵差动保护，其电流互感器变比的选择原则是两侧 CT 变比的比值等于变压器的变比。173.2.2 不平衡电流产生的原因和消除方法理论上，正常运行和区外故障时， =I1“-I2“=0 。j实际上，很多因素使 = Ibp0 。 （ 为不平衡电流）j bp下面讨论不平衡电流产生的原因和消除方法： 由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流：（/-11）Y.d11 接线方式两侧电流的相位差 30消除方法：相位校正。变压器 Y 侧 CT（二次侧）： 形。 Y.d11变压器 侧 CT（ 二次侧）：Y 形。 Y.Y12图 3.3 电流关系图图 3.4 三相差动保护原理图（a）图 3.4 电流矢量图(b) 图 3.4 电流相量图(c)可见,差动臂中的 同相位了,但 。22BAII和 A2B2AI3I-为使正常运行或区外故障时, =0,则应使 。j 2I318式（3.4）BAllAl nnn1122113/3即高压侧电流互感变比应加大 倍. 该项不平衡电流已清除. 由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流:CT 的变比是标准化的,如:600/5,800/5,1 000/5,1 200/5.所以,很难完全满足 或 。 即 0,产生 .12lnB3/12lnBjIbpI消除方法:利用差动继电器的平衡线圈进行磁补偿.图 3.5 差动继电器磁补偿原理图假设正常运行和区外故障时, “那么 I2I2。 Wph 接电流小的一侧, I2“. - I2“ ( - I2“) I2“ I2“cdW phW调整 ,使 ( - I2“)= I2“.磁势抵消. 铁芯中,= =0. 所以phcd cdphW2中无感应电势,J 不动作.实际上, 可能不是整数. 应是整数.故仍phjs zW有一残余的不平衡电流.式（3.5）.max/1bpzdIfIn其中: =( )/ ( + ) 式（3.6）zdf.hjs.phzdW.phjs.pzd外部故障时,流过变压器高压侧的最大短路电流maxI此不平衡电流在整定计算中应予以考虑. 由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流:(CT 变换误差)式（3.7）. .max1/bpTtxerderlIKIn其中 =1t19此不平衡电流在整定计算中应予以考虑. 由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流:改变分接头改变 破坏 = 或 的关系.从而产生新的不平衡电流.Bn21/lnB(CT 二次侧不允许开路,即 , 不能改变),2l.U=U. / 式（3.8）bpI.maxdI1l无法消除.所以此不平衡电流在整定计算中应予以考虑.bpI由以上分析可知,稳态情况下, 由三部分组成.bpI= + + .U 式（3.9）bpI.bpT.CT 暂态情况下的不平衡电流:1)非周期分量的影响:比稳态 大,且含有很大的非周期分量,持续时间比较长 (几十周波). bpI图 3.6 暂态电流图最大值出现在短路后几个周波. 引入非周期分量函数 fzqK式. .max1/bpTtxerderlIKIn（3.10）措施:快速饱和中间变流器,抑制非周期分量. 2) 由 产生的不平衡电流:LYI当变压器电压突然增加的情况下(如:空载投入,区外短路切除后). 励LI磁涌流.这是因为在稳态各种情况下，铁心的磁通滞后于外加电压 。如果空载09合闸时，正好在电压瞬时值 时接通电路则铁心中具有磁通为 。但由于0um铁心中的磁通不能突变。因此将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为 ，这样经过半个周期以后，铁心中的磁通就达到 。如果铁心中还有剩磁 ，则总2ms磁通将为 。此时变压器的铁心严重饱和，磁电流 将剧烈增大，此电流2ms LI就称为变压器的励磁涌流。其数值最大可达到额定电流的 68 倍。同时包含了20大量的非周期分量和高次谐波分量，励磁涌流的大小和衰减时间，与外电压的相位、铁心剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质有关系。其涌流的特点有:a.很大的直流分量.(80%基波)b.很大的谐波分量,尤以二次谐波为主.(20%基波)c.形间出现间断.(削去负波后)措施:a.采用具有速饱和铁芯的差动继电器;b.间断角原理的差动保护;c.利用二次谐波制动;d.利用波形对称原理的差动保护。3.3 电流速断保护原理分析变压器的电流速断保护是反应于大电流增大而瞬间动作的保护。装于变压器的电源测，对于变压器用引出线上各种形式的短路电流进行保护。为证明选择性，速断保护只能保护变压器的一部分，一般能保护变压器的原绕组，它适合用于容量在 10MVA 以下小容量的变压器，当电流保护时限大于 0.5S 时，可在电源侧装设电流速断保护，其接线原理如图（3.7）所示：去 电 流21图 3.7 电流速断保护接线图3.3.1 电流速断保护的整定计算按躲开变压器负荷侧出口 d3点的短路最大电流来整定，即 式maxdzkIKI（3.11）式（3.11）中 可参考系数，k取 1.31.4；外部短路的最大三相短路电流。maxdI3.3.2 躲过励磁涌流根据实际经验及实验数据，一般为：式.(34)dzeTII（3.12）式中（3.12） 为变压器的额定电流。.eTI按照上面的条件计算，选择其较大值作为变压器电流速断保护的启动电流。3.3.3 灵敏度的校验按变压器原边 d2短路时，流过保护的最小短路电流校验，即式(2).min1dmzIK（3.13）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一部分。3.4 过电流保护的原理变压器相间短路的保护既是变压器主保护的后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。根据变压器容量大小和系统短路电流的大小，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护和复合电压起动的过电流保护等。3.4.1 过电流保护过电流宜用于降压变压器，过电流保护采用三相式接线，且保护应该装设在电源侧。保护的动作电流 应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流 来opI .maxLI22整定，即式（3.14）.maxrelopLKII式（3.14）中 可靠系数，一般为 1.21.3；relK为返回系数。r确定 时，应该考虑下面两种情况：.maxLI 并列运行的变压器，应该考虑切除一台变压器以后所产生的过负荷。若各变压器的容量相等，可按下计算式.max1LNII（3.15）式（3.15）中 M并列变压器的台数；变压器的额定电流。NI信 号图 3.8 过电流保护单相接线原理图 降压变压器，应该考虑负荷中电动机自启动时的最大电流，则式.max.maxLsLIKI（3.16）式（3.16）中 自启动系数，其值与负荷性质及用户与电源尖的电气隔离开sK关。对 110KV 降压变电站，610KV 侧， =1.52.5；35KV 侧， =1.52.0 s sK23。 为正常运行时的最大负荷电流。.maxLI同时保护的动作时限应该与下级保护配合，即比下级保护中最大动作时限大一个阶梯时限 。t保护的灵敏度为式.minKsenopI（3.17） 式（3.17）中 最小运行方式下，其灵敏度校验点发生两相短路时，流过.minKI保护装置的最小短路电流。最小短路电流应该根据变压器连接组别、保护的接线方式确定。在被保护变压器受电侧母线上短路时，要求 =1.52；在后备保护范围末senK端短路时，要求 =1.2。若灵敏度不满足要求时，则选用灵敏度较高的其他后sen备保护。3.4.2 复合电压起动的过电流保护 接线原理符合电压起动的过电流保护原理接线如图（3.9）所示。负序电压继电器 KVN和低电压继电器组成复合电压元件。发生不对称短路时，负序电压滤过器 KUG 有输出，继电器 KVN 动作，其常闭接点打开，KV 失电，其常闭接点闭合，起动中间继电器 KAM，其接点闭合，电流继电器 KA 的常开接点因短路而闭合，则时间继电器 KT 的线圈回路接通。经 KT 的整定延时后，KT 的接点延时闭合，起动出口中间继电器 KCO，动作于断开变压器两侧短路器。当发生三相短路时，低电压继电器动作，其常闭接点闭合，与电流继电器一起，按低电压起动过电流保护的动作方式，作用与跳闸。24跳 信 号至 电 压 断 线 信 号 跳接 至 电 压 互 感 器图 3.9 复合电压起动过电流保护原理接线图 整定计算1）电流元件动作电流式relopNKII（3.18）为变压器额定电流NI2）动作电压为式0.7opNU（3.19）为变压器的额定电压。N低压元件灵敏度为式.max1.2opresenKU25（3.20）式中（3.20） 相邻元件末端三相金属性短路故障时，保护安装处的最大.maxKU线电压；低压元件的返回系数。re3）负序电压元件动作电压为式2(0.6.12)opNUU（3.21）负序电压元件灵敏度为式2.minksenopKU（3.22）式（3.22） 为相邻元件末端不对称短路故障时，最小负序电压。2.minkU3.4.3 负序电流和单相式低压过电流保护对于大容量的发电机变压器组，由于额定电流大，电流元件往往不能满足远后备灵敏度的要求，可采用负序电流保护，它是由反应不对称故障的负序电流元件和反应对称短路故障的单相式低压过电流保护组成。负序电流保护灵敏度较高，且在 Y，d 接线的变压器另一侧发生不对称短路故障时，灵敏度不受影响，接线也较简单。3.5 零序过电流保护原理在大电流接地的系统中，一般在变压器上装设接地保护。作为便宜变压器本身主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。当系统接地短路时，零序电流的大小和分布是与系统中变压器中性点接地的数目和位置有关。对于有一台变压器的升压变电站，变压器都采用中性点接地运行方式。对于若干台变压器并联运行的变电站，则采用一部分变压器中性点接地运行，而另一部分变压器中性点不接地运行。3.5.1 中性点直接接地变压器的零序电流保护图 3.10 为中性点直接接地双绕组变压器的零序电流保护原理接线图。保护用电流互感器接于中性点引出线上。其额定电压可选择低一级，其变比根据接地短路电流的热稳定和动态稳定条件来选择。