电力变压器保护毕业设计论文

毕业设计

设计题目电力变压器保护设计

系（部）电力工程系

学科专业供用电技术

班级

姓名

学号

指导教师

二〇一六年四月二十三日

工程学院毕业设计任务书

工程学院毕业设计成绩表

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。

关键词电力系统故障，变压器，继电保护，整定计算

ABSTRACT

The 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 operation．At the same time the large capacity power transformer is the extremely precious equipment．Therefore．We must install the reliable relay protection installment according to the transformer capacity rankand the important degree．The 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 me．

It 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 Calculation

目录

摘要错误!未定义书签。

ABSTRACT II

第一章绪论1

1.2电力变压器的型号1

1.3电力变压器的故障类型和不正常工作状态2 第二章电力变压器保护的类型3

2.1 电力变压器的保护类型3

2.1.1 变压器瓦斯保护3

2.1.2 变压器纵联差动保护4

2.1.3电流速断保护8

2.1.4过电流保护8

2.1.5零序电流保护9

2.1.6过负荷保护9

2.1.7过励磁保护11

第三章短路电流计算12

3.1 画出短路等值电路12

3.2 短路电流计算14

3.2.1 保护装置的配置15

第四章各保护装置的保护配置与整定计算16 4.1电力变压器保护配置16

4.2电力变压器的整定计算20

4.2.2 110kV侧复合电压启动过电流保护整定计算23 4.2.3 38.5kV侧方向过流保护24

4.2.4 110kV零序过电流保护24 4.2.5 变压器气体保护的整定25 致谢27

参考文献28

第一章绪论

1.电力变压器简要介绍及型号

1.1电力变压器的简要介绍

在电力系统中广泛地用电力变压器来升高或降低电压，故电力变压器是电力系统中不可缺少的重要电气设备之一。它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。电力变压器有别于发电机，它无旋转部件，是一种静止的电气设备，是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境影响较大。另外，电力变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大。因此，电力变压器在运行中，仍然可能发生各种类型故障或出现不正常的工作状态。它的故障对电力系统的安全连续运行会带来严重影响，特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。尤其是随着电力事业的发展，超高压输电线路在我国的建设越来越普遍，大容量超高压的大型电力变压器的应用也随之扩大，其运行正常直接关系到整个电网可靠性。因此必须根据电力变压器容量的大小、电压的高低和重要程度，设置性能良好、动作可靠的继电保护装置。要求电力变压器继电保护不仅可靠，而且要快速。

1.2电力变压器的型号

电力变压器的型号有35kV级S9-~系列油浸式电力变压器S(B)H-M非晶合金卷铁芯电力变压器20KV级SC(B)10系列环氧树脂浇注干式变压器SGB11-R 卷铁芯H级非包封线圈干式电力变压器SG10型H级绝缘干式电力变压器SC(B)9/10干式变压器10KV级ZPSG系列干式整流变压器SG-系列三相干式隔离变压器KBSG矿用防爆干式变压器QZB系列自耦变压器双电压无励磁调压干

式配电变压器20KV级S11系列油浸式电力变压器35KV级ZS系列油浸整流变压器10kV级S9、S11系列油浸式电力变压器10kv S13型级超低损耗三角形卷铁心无励磁调压油浸式配电变压器CKSC系列串联电抗器等。

1.3电力变压器的故障类型和不正常工作状态

要完成电力系统继电保护的基本任务，首先必须“区分”电力系统的正常、不正常工作和故障三种运行状态，“甄别”出发生故障和出现异常的元件。而要进行“区别和甄别”，必须寻找电力元件在这三种运行状态下的可测参数量(继电保护主要测电气量)的“差异”，提取和利用这些可测参数量的“差异”，实现对正常、不正常工作和故障元件的快速“区分”。依据可测电气量的不同差异，可以构成不同原理的继电保护。

（1）电力变压器的故障类型

电力变压器的故障通常可以分为油箱内部故障和油箱外部故障两种。油箱内部故障主要是指发生在变压器油箱内包括高压侧或低压侧绕组的相间短路、匝间短路、中性点直接接地系统侧绕组的单相接地短路以及铁芯的绕损等。变压器内部故障是很危险的，因为故障时产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧坏铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸。所以，继电保护应快地切除这些故障。油箱外部故障最常见的主要是变压器绕组引出线和绝缘套管上发生的相间短路和接地短路(直接接地系统侧)。

（2）电力变压器的不正常工作状态

变压器的不正常运行状态主要有：变压器外部相问短路引起的过电流和

外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；负荷长超过额定容量引起的过负荷：油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高。此外，对大容量变压器，由于其额定工作时的磁通密度接近于铁芯的饱和磁通密度，因此，在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。这些不正常的运行状态会使绕组、铁芯和其他金属构件过热，威胁变压器绝缘。

第二章电力变压器保护的类型

2.1 电力变压器的保护类型

针对电力变压器的上述故障类型及不正常运行状态，应对变压器装设相应的继电保护装置。其任务就是反应上述故障或异常运行状态，并通过断路器切除故障变压器，或发出信号告知运行人员采取措施消除异常运行状态。同时，变压器保护还应能作相邻电气元件的后备保护故根据DL400--91《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，电力变压器应装设如下保护：瓦斯保护、纵连差动保护、电流速断保护、过电流保护、零序电流保护、过负荷保护、过励磁保护

2.1.1 变压器瓦斯保护

变压器瓦斯保护是利用安装在变压器油箱与油枕间的瓦斯继电器来判别变压器内部故障；当变压器内部发生故障时，电弧使油及绝缘物分解产生气体。故障轻微时，油箱内气体缓慢的产生，气体上升聚集在继电器里，使油面下降，

继电器动作，接点闭合，这时让其作用于信号，称为轻瓦斯保护；故障严重时，油箱内产生大量的气体，在该气体作用下形成强烈的油流，冲击继电器，使继电器动作，接点闭合，这时作用于跳闸并发信，称为重瓦斯保护。

2.1.2 变压器纵联差动保护

1）构成变压器纵联差动保护的基本原则

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，电流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）不平衡电流产生的原因和消除方法

1.不平衡电流产生的原因：

不平衡电流产生的原因主要有：⑴变压器的励磁涌流。⑵变压器两侧电流相位不同。⑶计算变比与实际变比的不同。⑷两侧电流互感器型号不同。⑸变压器带负荷调整分接头。

2.对差动保护的影响和消除方法：

⑴由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流

变压器的励磁涌流仅流经变压器的某一侧，因此，它通过电流互感器反应到差动回落中不能被平衡，在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的2--10。在外部故障时，由于电压降低，励磁涌流减小，它的影响就很小。但是在变压器空载投入和外部故障切除恢复时，由于变压器的铁芯严重饱和，励磁电流将剧烈增大，这时出现数值很大的励磁电流，可达额定电流的5—10倍。（通常称为励磁涌流）励磁涌流中含有大量的非周期分量和高次谐波分量（以二次谐波为主）它不是正弦波。而是尖顶波，往往使涌流偏于时间轴的一侧。励磁涌流的大小和衰减速度、合闸瞬时外加电压的相位铁芯中剩磁的大小和方向、电流容量的大小、回路的阻抗、变压器的容量和铁芯性质等有关系。例如，正好在电压瞬时值为最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而只有正常时的励磁电流。对于三相变压器而言，无论在任何瞬间合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。

变压器差动保护中减小励磁涌流影响的方法：防止励磁涌流的影响，采用BCH型具有速饱和变流器的继电器是国内目前广泛采用的一种方法。当外部故障时，所含非周期分量的最大不平衡电流能使速饱和变流器的铁芯很快单方面的饱和，致使不平衡电流难以传变到差动继电器的差动线圈上，保证差动保护不会误动。内部故障时，速饱和变流器的一次线圈中虽然也有非周期分量，但它的衰减

速度相当快，一般2个周期衰减完毕，以后变流器中通过的全是周期性的短路电流，所以继电器能灵敏动作。鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别，它是利用整流后的波形在动作整定值下存在时间长短来判定是内部故障还是励磁涌流。利用二次谐波制动，差动保护在变压器空载投入和外部故障切除电压恢复时，利用二次谐波进行制动，内部故障时，利用比例制动回路躲过不平衡电流。

⑵由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流

由于变压器通常采用Y，d11的接线方式，因此，其两侧电流的相位相差30度，即使变压器两侧的电流大小相等，反映到差动继电器中也回出现不平衡电流。为了消除这种不平衡电流的影响，可用相位补偿法，通常将变压器的星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，并适当考虑联接方式后可把二次电流的相位校正过来。相位补偿后，在互感器接成三角形侧的差动一臂中，电流又增大了1.732倍。为了保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中没有电流，就必须将该侧电流互感器的变比加大1.732倍（在微机保护中，通过程序中的平衡系数来平衡），以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等。

⑶由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流

由于变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取标准的变比，而变压器的变比也是一定的，因此，两侧互感器的变比与变压器的变比很难满足要求，此时差动回路中将有电流流过。在实际选择互感器时，通常是根据互感器的定型产品来确定一个比较接近的变比。

为了消除此不平衡电流，常采用具有速饱和铁芯的差动继电器利用它的平衡线圈来消除此差电流的影响。一般平衡线圈接于保护臂电流小的一侧，因为

平衡线圈和差动线圈共同绕在继电器的中间磁柱上。适当选择平衡线圈的平衡匝数，使它产生懂得磁势与差流在差动线圈中产生的磁势相抵消。因此在铁芯中没有磁通，继电器不可能动作。但实际上平衡线圈只能按整匝数进行选择，所以还会有一残余的不平衡电流存在，在整定计算时应加以考虑。

⑷由两侧电流型号不同而产生的不平衡电流

由于变压器两侧电流互感器的型号不同，它们的饱和特性、励磁电流（归算到同一侧）也就不同，因此在外部故障时差动回路中所产生的不平衡电流就较大。此时应采用电流互感器的同型系数，并适当提高差动保护的动作电流。

⑸由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流

带负荷调整分接头是电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的常用方法，实际上改变分接头就是改变变压器的变比，假如差动保护已按某一变比调整好（如利用平衡线圈），则当分接头改变时就会产生新的不平衡电流流入差动回路，此时不可能再用重新选择平衡线圈的方法来消除这个不平衡电流，为了避免不平衡电流的影响，在整定保护的动作电流时应予以考虑，通常是提高保护的动作整定值。

综上所述，由变压器两侧电流相位不同和计算变比与实际变比的不同产生的不平衡电流可适当地选择电流互感器二次线圈的接法和变比、以及采用平衡线圈的方法，可使其降到最小。但由励磁涌流、互感器的型号不同和带负荷调整分接头而产生的不平衡电流是不可能消除的。因此变压器的纵差动保护必须躲过这不平衡电流的影响。不平衡电流越小，保护的灵敏度就越高，从而保证变压器安全可靠运行。

2.1.3电流速断保护

1）电流速断保护的原理分析

电流速断保护按被保护设备的短路电流整定，当短路电流超过整定值时，侧保护装置动作，断路器跳闸，电流速断保护一般没有时限，不能保护线路全长（为避免失去选择性），即存在保护的死区．为克服此缺陷，常采用略带时限的电流速断保护以保护线路全长．时限速断的保护范围不仅包括线路全长，而深入到相邻线路的无时限保护的一部分，其动作时限比相邻线路的无时限保护大一个级差．电流速断保护的特点接线简单，动作可靠，切除故障快，但不能保护线路全长，保护范围受到系统运行方式变化的影响较大。速断保护是一种短路保护，为了使速断保护动作具有选择性，一般电力系统中速断保护其实都带有一定的时限，这就是限时速断，离负荷越近的开关保护时限设置得越短，末端的开关时限可以设置为零，这就成速断保护，这样就能保证在短路故障发生时近故障点的开关先跳闸，避免越级跳闸。定时限过流保护的目的是保护回路不过载，与限时速断保护的区别在于整定的电流相对较小，而时限相对较长。这三种保护因为用途的不同，不能说各有什么优缺点，并且往往限时速断和定时限过流保护是结合使用的。

2.1.4过电流保护

当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。

过电流保护主要包括短路保护和过载保护两种类型。短路保护的特点是整定电流大、瞬时动作。电磁式电流脱扣器(或继电器)、熔断器常用作短路保护元件。过载保护的特点是整定电流较小、反时限动作。热继电器、延时型电磁式电流继

电器常用作过载保护元件。

在没有太大冲击电流的情况下，熔断器也常用作过载保护元件。

在TN系统中，采用熔断器作短路保护时，熔体额定电流应小于单相短路电流的1/4；用断路器保护时，断路器瞬时动作或短延时动作过电流脱扣器的整定电流应小于单相短路电流的2/3。

2.1.5零序电流保护

中性点直接接地系统发生接地短路，将产生很大的零序电流，利用零序电流分量构成保护，可以作为一种主要的接地短路保护。零序过流保护不反应三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。但零序过流保护受电力系统运行方式变换影响较大，灵敏度因此降低，特别是短距离线路上以及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。

2.1.6过负荷保护

过负荷是指电气设备或导线的功率和电流超过了铭牌规定值，它是设备或线路的一种运行状态。导体、电磁铁心、绝缘介质在电流及其磁场的作用下都会产生热量，发热程度可以用温度物理量来表征。正常情况下电气设备或线路的保护装置，在选型得当、整定值正确时，能够过负荷设备或线路从电源切除，设备和线路不会过热，温度升高，就不会引发火灾危险。但是，出现电气设备容

量或导线截面选择的小，使用中负荷会增加，保护装置拒懂，设备线路长期处于过负荷故障状态的情况下，温度会升高到约160度以上，绝缘软化、老化加速，寿命缩短，由过负荷形成的过热温度就可能将绝缘或周围可燃材料点燃着火。

在电路中，当回路电流超过过负荷保护装置预设值时，过负荷保护装置自动断开电流回路，起到保护有效负载的作用。过负荷、过电流的区别。过负荷，顾名思义就是超过了额定的负荷，即电力系统中用电负荷超出发电机的实际功率或变压器的额定功率，引起设备过载。由于短时过负荷不会引起系统或电力设备的安全问题，但长时间会引起系统或电力设备本身的安全或稳定问题，或用电设备的安全故过负荷一般保护延时作用于信号和跳闸。过电流，即大于回路导体额定载流量的回路电流都是过电流。它包括过载电流和短路电流。一定要区分高压和低压系统，这里只谈前者。高压过负荷保护，本质上针对于设备本身的热容量，对于高压输电线路，还是要针对系统稳定的。一般的哇，就相当于低压系统里的长延时保护，即低压系统的过载保护。一般变压器过负荷保护的整定时间也是9 15秒，动作电流要略大于变压器额定电流。此外高压电容器和电动机也可能用到过负荷保护。对线路而言一般不用。在选择性配合及动作出口上它与设备的热载能力进行配合，一般不会启动重合闸，有时可能还有有联切的设计。高压过电流保护，一般是针对于短路故障的保护，线路出现了故障，但又不在速断的保护范围内而设置的。如单相接地等，要求在一定的时间内跳闸。类似于低压系统里的短延时保护。在选择性配合及动作出口上它要与相邻装置中针对短路故障的保护段进行配合最终出口是把保护范围隔离出来，对于线路，有时还会启动重合闸。一般而言，低压系统不谈“过电流保护”而经常说“短路保护”高压系统不提“过载保护”而代之以“过负荷保护”。过负荷保护的定值比过流保

护的定值要低得多，但要大于正常负荷，防止设备过载运行，而且为了躲过设备起动电流还要加入一定的延时。当某种原因使过流保护拒动时，过负荷保护还可作为过流保护的后备。

2.1.7过励磁保护

磁通的交联、互感是变压器原边、副边传递功率的原理。空载变压器原边线圈在接通电源电压时，流入的电流是励磁电流也叫激磁电流，这个电流的大小与漏磁、线圈直流电阻成正比。如果忽略这两个因素，则U0=E0=4.44NφF ，激磁电流=0 。式中U0是电源电压，E0是线圈自感电势。但是由于实际上线圈电阻虽然很小，漏磁也很小，毕竟不是0，因此，U0稍微大于E0，这个差值就造成了激磁电流不是0.

对于民用小型号小功率变压器来说，一个40瓦的6灯电子管收音机变压器空载时的电流只有二十几个毫安。对于满负荷的约200毫安来说只占十分之一左右。

当变压器次级带负载时，激磁电流仍然存在，还是原来那么大，初级的总电流等于激磁电流+次级折算到初级的电流。

只要初级接通电源，不论空载还是带负荷，励磁电路总是存在的。

对于双绕组变压器，后备保护可以只配置一套，装于降压变压器的高压侧（或升压变压器的低压侧）；三绕组变压器，后备保护可以配置两套；一套装于高压侧做为变压器的后备保护，另一套装于中压侧或低压的电源侧，作相邻后备保护。

第三章短路电流计算

用标幺值计算短路电流参数，确定短路计算点，计算短路电流值。

3.1 画出短路等值电路

如图3.1所示，