变压器相关保护设计

电力系统继电保护课程设计

题 目： 变压器故障和保护设计 系（部）院： 机电与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 作者姓名： 黄永泰 指导教师： 李升源 完成日期： 2017 年 7 月 2 日

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摘要 ........................................................................... 4 变压器的故障类型及其保护方式 ................................................... 4

1.1变压器继电保护相关规定 .................................................. 5 1.2主保护配置 ............................................................. 5 1.3后备保护配置 ........................................................... 6 第2章 设计原始资料 ............................................................ 6

2.1设计题目 ............................................................... 6 2.2设计任务 ............................................................... 6 第3章 保护的配合及整定计算 .................................................... 7

3.1主保护的整定计算........................................................ 7 3.1.1差动保护的动作电流.................................................... 7

3.2.1过电流保护........................................................ 9 3.2.2 低电压启动的过电流保护 ........................................... 9 3.2.3 辅助保护 ........................................................ 10

第4章 二次展开原理图的绘制 ................................................... 11

4.1保护测量电路 .......................................................... 11 4.2保护跳闸电路 .......................................................... 12 第5章 总结与体会 ............................................................. 12

5.1 对主保护的评价 ........................................................ 12 5.2 对后备保护的评价 ...................................................... 12 5.3 结束语 ................................................................ 13 参考文献 ...................................................................... 14

继电保护课程设计任务书

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姓名 题目 黄永泰 序号 22 班级 14电气3班 变压器的故障及其保护设计 一、设计题目 一台双绕组降压变压器的容量为15MVA，电压比为35±2×2.5%/6.6kV，Y，d11接线；采用BCH-2型继电器。求差动保护的动作电流。已知：6.6kV外部短路的最大三相短路电流为9420A；35kV侧电流互感器变比为600/5，35kV侧电流互感器变比为1500/5；可靠系数试对变压器进行相关保护的设计。 。 二、设计任务 对变压器进行主保护和后备保护的设计、配置、整定计算和校验。

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摘要

本文研究的是变压器的相关继电保护设计。通过本次设计掌握和巩固电力系统继电保护的相关专业理论知识，熟悉电力系统继电保护的设计步骤和设计技能，根据技术规范，选择和论证继电保护的配置选型的正确性并培养自己在实践工程中的应用能力、创新能力和独立工作能力。

变压器是电力系统中重要的供电元件，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。因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。

关键词：变压器 继电保护

变压器的故障类型及其保护方式

变压器是电力系统中的重要供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常

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运行带来严重的影响。因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。

1.1变压器继电保护相关规定

根据设计技术规范的规定，针对变压器的各种故障、不正常工作状态和变压器容量，应装设相应的保护装置。

（1）对800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA及以上的车间内油浸式变压器应装设瓦斯保护，作为变压器内部故障的保护。轻瓦斯用来反应变压器内部的不正常情况或轻微故障，重瓦斯用来反应变压器的严重故障。轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳开变压器各侧断路器。

（2）对于变压器的引出线、套管和内部故障：

①并联运行、容量为6300KVA及以上以及单台运行、容量为10000KVA及以上的变压器，应装设纵差动保护。

②并联运行、容量为6300KVA以下以及单台运行、容量为10000KVA以下的变压器，应装设电流速断保护。2000KVA以上的变压器，当电流速断保护的灵敏度不能满足要求时，应装设纵差动保护。

（3）对于由外部相间短路引起的变压器过电流，应装设过电流保护。如果灵敏度不能满足要求，可以装设低电压启动的过电流保护。

（4）对于单相接地故障，应装设零序电流保护。

（5）对于400KVA及以上的变压器，应根据其过负荷的能力，装设过负荷保护。 （6）对于过热，应装设温度信号保护。

1.2主保护配置

为了满足电力系统稳定性方面的要求，当变压器发生故障时，要求保护装置快速切除故障。通常变压器的瓦斯保护和纵差动保护构成双重化快速保护。

（1）瓦斯保护

变电所的主变压器和动力变压器，都是用变压器油作为绝缘和散热的。当变压器内部故障时，由于短路电流和电弧的作用，故障点附近的绝缘物和变压器油分解而产生气体，同时由于气体的上升和压力的增大会引起油流的变化。利用这个特点构成的保护，叫做瓦斯保护。瓦斯保护主要由瓦斯继电器、信号继电器、保护出口继电器等构成，瓦斯继电器装在变压器油箱和油枕的连接管上。瓦斯继电器的上触点为轻瓦斯保护，由上开口杯控制，整定值为当瓦斯继电器内上部积聚250~300CM气体时动作，动作后发信号。下触点为重瓦斯保护，由下开口杯控制，整定值为当油流速度达到0.6～1.0 m/s时动作，动作后一方面发信号，另一方面启动出口继电器，使其触点闭合，并通过继电器本身的电流线圈自保持，一直到变压器各侧的断路器跳闸完成为止。

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（2）纵差动保护

电流纵差动保护不但能区分区内外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时的切除区内各种故障，具有明显的优点。本设计中变压器主保护主要选电流纵差动保护，差动保护是变压器内部、套管及引出线上发生相间短路的主保护，同时也可以保护单相层间短路和接地短路，不需与其他保护配合，可无延时的切断内部短路，动作于变压器高低压两侧断路器跳闸。为了保证动作的选择性，差动保护动作电流应躲开外部短路电流时的最大不平衡电流。

1.3后备保护配置

变压器的后备保护选择过电流保护和低电压启动的过电流保护以及过负荷保护。

低电压启动的过电流保护主要是为了保护外部短路引起的变压器过电流，同时也可以作为变压器差动保护以及馈线保护的后备保护。

变压器的不正常工作包括过负荷运行，对此配置过负荷保护。正常时，变压器不过负荷，电流小于整定值，过负荷保护不动作。当三相负荷对称时，可仅在一相装设过负荷保护。

第2章 设计原始资料

2.1设计题目

一台双绕组降压变压器的容量为20MVA，电压比为35±2×2.5%/6.6kV，Yd11接线；采用BCH-2型继电器。求差动保护的动作电流。已知：6.6KV外部短路的最大三相短路电流为9420A，最小两相短路电流为6630A；35KV侧电流互感器变比为600/5，6.6KV侧电流互感器变比为1500/5；可靠系数Krel1.3。试对变压器进行相关保护的设计。

2.2设计任务

对变压器进行主保护和后备保护的设计、配置、整定计算和校验。

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第3章 保护的配合及整定计算

3.1主保护的整定计算

3.1.1差动保护的动作电流

(一）计算变压器各侧的一次及二次电流值（在额定容量下）并选择电流互感器的变比

可按表3.1计算。

由于6.6KV侧二次电流大，因此以6.6KV侧为基本侧。

表3.1 变压器各侧参数

名称

额定电压（KV）

额定电流（A）

变压器接线

电流互感器变比

二次电流（A）

35

各侧数值

6.6

20000330 335 Y

600/5=120

200001750

36.6 △

1500/5=300

33304.76

12017505.83 300

(二）计算差动保护一次动作电流 按6.6KV侧（基本侧）计算。

（1）躲过外部短路故障时的最大不平衡电流，整定式为

IsetKrelIunb.max (3.1)

Iunb.max(fzaU0.1KnpKst)Ik.max (3.2) fza1nTA1nTnTA231[120(35/6.6)]/30030.22 (3.3)

U0.05

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(3.4)

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Knp1 (3.5) Kst1 (3.6) Iset1.3(0.220.050.111)94204531A (3.7) （2）躲过变压器最大的励磁涌流，整定式为

IsetKrelKIN1.3175012275A (3.8) （3）躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流，整定式为

IsetKrelIl.max1.317502275A (3.9)

按上面的三个条件计算，选取最大者，Iset4531A。

（三）确定继电器6.6KV基本侧线圈匝数

对于双绕组变压器，平衡线圈Ⅰ、Ⅱ分别接入6.6KV及35KV侧。 计算基本侧继电器动作电流为

Iset.jsKjxIsetn1453115.1A (3.10) 300 基本侧继电器线圈匝数为

WAW0603.97<6 (3.11) Iset.js15.1 选取W=6匝，即平衡线圈Ⅰ取1匝，差动线圈取5匝。 实际动作电流 Iset.1AW0n603003000A (3.12) WKjx6（四）35KV非基本侧平衡线圈匝数计算 平衡线圈匝数

5.8352.35 (3.13) 4.76 确定平衡线圈Ⅱ匝数为W=2匝。

W'6（五）计算由于实用匝数与计算匝数不等引起的相对误差 其相对误差计算为

1.6720.049 (3.14)

1.675 因f<0.05，符合要求。

f（六）短路线圈抽头确定

由于是中小型变压器，初步选定C-C。

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3.1.2灵敏度校验

6.6KV侧两相短路的最小两相短路电流折算至35KV侧时 Ik.min6630二次侧电流为

I26.61250.23A (3.15) 3531250.2318.05A (3.16)

12035KV侧的保护动作电流为

AW0608.57A (3.17) W25I18.052.11>2 (3.18) 则 Ksenk.minIset.28.57 Iset.2满足灵敏度要求。

3.2后备保护的整定计算

3.2.1过电流保护

Krel————可靠系数，取1.2； Kre————返回系数，取0.9；

IL.max————变压器可能出现的最大负荷电流，取变压器额定电流IN=1750A； Kss————综合负荷的自启动系数，取Kss =1.5。 整定电流

IsetKrelKss1.21.5ILmax17503500(A)Kre0.9 (3.19) Ikmin66301.891.5Iset3500 (3.20)

灵敏度校验

Ksen 满足要求。

3.2.2 低电压启动的过电流保护

电流继电器的整定：

过电流保护按躲过可能出现的最大负荷电流整定，启动电流比较大，对于升压变压器或容量较大的降压变压器，灵敏度往往不能满足要求。为此可以采用低电压启动的过电流保护。

Krel————可靠系数，取1.15；

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Kre————低电压继电器的返回系数，取1.25。

采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定，即

Iset

Krel1.15IN17501610(A)Kre1.25 (3.21)

低电压继电器的动作电压按以下条件整定，并取最小值。 （1）按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定 Uset0.9UN0.96.64.5KV (3.22)

KrelKre1.11.2（2）按躲过电动机自启动时的电压整定

当低压继电器由变压器低压侧 互感器供电时，计算式为

Uset(0.50.6)UN (3.23) 当低压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为

对于降压变压器，负荷在低压侧，电动机自启动时高压侧电压比低压侧高了一个变压器压降（标幺值），所以高压侧取值比较高。

Uset=0.66.6=3.96KV (3.25)

取其中最小者，Uset=3.96KV (3.26)

电流继电器灵敏度的校验方法与不带低压启动的过电流保护相同。低电压继电器的灵敏系数按下式校验

Ksen Uset0.7UN (3.24)

Uset (3.27) Uk.minUk.min——灵敏度校验点发生三相金属性短路时，保护安装处感受到的最大残压。

要求Ksen≥1.25，当27.5KV侧母线处短路时保护安装处的残压等于零，显然： KsenUset1.25 (3.28) Uk.min满足要求，可见用低电压启动的过电流保护可作为后备保护。 3.2.3 辅助保护

辅助保护可以采用过负荷保护。

变压器长期过负荷运行时，绕组会因发热而引起损伤。对400KVA以上的变压器，当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。过负荷保护接于一相电流上，并延时作用与信号。对于经常无值班人员的变电所，必要时过负荷保护可动作于自动减负荷或跳闸。对多绕组变压器，过负荷保护应能反应公共绕组和各侧过负荷的情况。

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第4章 二次展开原理图的绘制

4.1保护测量电路

轻瓦斯信号重瓦斯信号1DLTQWSJXJBCJQPTQ2DLR

图4.1 瓦斯保护原理图

IYAIYBIYCIdIdIdIdaIdbIdcIdA

IdBIdC 。

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图4.2 电流纵差动保护原理图

4.2保护跳闸电路

QF1TAI>I>I>>1H1&U>U>TVU>>1H2Y1t0QF2跳QF1.QF2~

图4.3 低电压启动的过电流保护原理图

第5章 总结与体会

5.1 对主保护的评价

电流纵差动保护不但能正确区分区内外故障，而且不需要与其它元件的保护配合，可以无延时的切除区内各种故障，具有明显的独特的优点。其灵敏度高 选择性好，在变压器保护上运用较为、成功。

但是变压器纵差保护一直存在励磁涌流。难以鉴定的问题，虽然已经有几种较为有效的闭锁方案，又因为超高压输电线路长度的增加、静止无功补偿容量的增大以及变压器硅钢片工艺的改进 磁化特性的改善等因素，变压器纵差、保护的固有原理性矛盾更加突出。

5.2 对后备保护的评价

后备保护可以防止由外部故障引起的的变压器绕组过电流，并作为相邻元件（母线或线路）保护的后备以及在可能的条件下变压器内部故障时主保护的后备，他与变压器的主保护一起构成变压器的完整保护。过电流保护按躲过可能出现最大负荷电流来整定，启动电流比较大，对于升压变压器或容量较大的降压变 压器

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灵敏度往往不能满足要求。采用低电压启动的过电流保护可以提高灵敏度。但是低电压启动的过电流保护中有可能由于电压互感器回路发生断线，低压继电器将会误动作，因此在实际装置中还要配置电压回路断线闭锁功能。

5.3 结束语

通过分析变压器稳定要求及其在运行中可能承受的故障考验，提出了变压器保护定值整定应考虑的相关问题，对其相间故障后备保护应具备的能力提出了看法。并对变压器设计、运行及其保护配置与整定提出了建议。

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。

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参考文献

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国电力出版社，1982

[4] 方大千．实用继电保护技术[M]．北京：人民邮电出版社，2003

[5] 崔家佩等．电力系统继电保护及安全自动装置整定计算[M]．北京：水利电力

出版社，1993

[6] 卓有乐．电力工程电气设计200例[M]．北京：中国电力出版社，2002 [7] 陈德树．计算机继电保护原理与技术[M]．北京：水利电力出版社，1992 [8] 陈曾田．电力变压器保护[M]．北京：水利电力出版社，1989 [9] 许建安．电力系统继电保护[M]．北京：水利电力出版社，2003

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