10kV变电站继电保护设计—课程设计论文.doc
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1、110/10kV变电站继电保护课程设计姓 名: 学 号: 系 部: 专业班级: 指导教师: 完成日期: 目 录1 设计目的- 1 -2 设计内容- 1 -2.1 继电保护的分类- 1 -2.2 继电保护的基本要求- 1 -2.3 设计方案的要求- 2 -3 设计步骤- 2 -3.1 电力变压器故障及不正常运行状态- 2 -3.2 电力变压器继电保护的配置原则- 2 -3.3 设计选用的继电保护装置- 3 -3.3.1 变压器的差动保护- 3 -3.3.2 变压器的瓦斯保护- 5 -3.3.3 变压器的后备过电流流保护- 7 -3.3.4 变压器的过负荷保护- 9 -3.3.5 变压器的零序电流
2、保护- 9 -3.3.6 变压器的温度保护- 10 -4 各保护装置的整定计算- 11 -4.1变压器纵差保护整定计算及其校验- 11 -4.1.1 差动继电器的选型- 11 -4.1.2 纵差动保护的整定计算- 12 -4.1.3 纵差动保护灵敏系数的校验- 13 -4.2 变压器过电流保护的整定计算- 14 -4.2.1 DL-21CE型电流继电器- 14 -4.2.2 过电流保护整定原则- 14 -4.2.3 过电流保护整定的动作时限- 15 -4.2.4 保护装置的灵敏校验- 15 -4.2.5 过电流保护整定计算- 16 -4.3 过负荷保护的整定计算- 17 -4.3.1 DX-8
3、E型信号继电器- 17 -4.3.2 过负荷保护整定计算- 17 -4.4 变压器一次侧零序过电流保护的整定计算- 18 -4.4.1 DS-26E型时间继电器- 18 -4.4.2 零序电流的整定计算- 19 -5 心得体会- 21 -谢 辞- 22 -参考文献- 23 -110kV变电站继电保护课程设计1 设计目的 课程设计是本课程的重要实践环节,通过设计、使学生掌握电力系统继电保护的方案设计、保护配置、整定计算、资料整理查询和电气绘图等方法,安排在理论教学结束后进行。做好课程设计,对巩固所学知识,提高实际工作能力具有重要作用。通过本课程设计,使学生掌握电力系统继电保护的设计内容、步骤、方
4、法,熟悉常见电气保护设备,提高学生编写技术文件的能力,锻炼学生独立思考、运用所学知识分析和解决生产实际问题的能力。2 设计内容2.1 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) 按继电保护装置的实现技术分类:机电型保护(如电磁型保护和感应型保护)、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等;(5)按保护所起的作用分类:
5、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;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;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;辅助保护:为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。2.2 继电保护的基本要求继电保护技术上一般应满足可靠性、选择性、速动性、灵敏性四个基本要求。(1)可靠
6、性;要求保护装置动作可靠,既不误动也不拒动。宜选择最简单的保护方式,应采用由可靠的元件和尽可能简单的回路构成的性能良好的装置,便于检测调试、整定和维护。(2)选择性;首先由故障设备或线路本身的保护(本级保护)切除故障。当本级保护拒动时,才允许由相邻元件保护(上一级保护)切除故障。为保证选择性,相邻元件的动作电流和动作时间应相互配合。(3)速动性; 保护装置应尽快地切除故障,以提高系统稳定性、减轻故障设备或线路的损坏程度、缩小故障波及范围。(4)灵敏性;在设备或线路保护区内发生故障时,保护装置反应故障能力,保护装置应具有必要的灵敏系数。各类短路保护的灵敏系数应不小于GB50062-1992电力装
7、置的继电保护和自动装置设计规范的要求。2.3 设计方案的要求 根据所给变电站的基本数据(如表2-1),并结合一次回路的数据,选择相应的继电保护装置。表2-1 变电站基本数据序号容量(MVA)电压等级(kV)负荷类型负荷功率因数3250110/10二类0.6,三类0.4COS=0.8给出各保护装置的控制回路图、保护回路图、测量回路图、信号回路图,了解各回路图的工作原理,结合一次回路数据对各保护装置进行整定计算。3 设计步骤3.1 电力变压器故障及不正常运行状态电力变压器是电力系统中非常重要的电力设备之一,它的安全运行对于保证电力系统的正常运行和对供电的可靠性,以及电能质量起着决定性的作用,同时大
8、容量电力变压器的造价也是十分昂贵。针对电力变压器可能发生的故障和不正常的运行状态进行分析,然后重点研究应装设的继电保护装置,以及保护装置的整定计算。变压器的内部故障可分为油箱内故障和油箱外故障两类,油箱内故障主要包括绕组的相间短路、匝间短路、接地短路及经铁芯烧毁等。变压器油箱内的故障十分危险,由于变压器内充满了变压器油,故障时的短路电流使变压器油急剧的分解气化,可能产生大量的可燃性气体(瓦斯),很容易引起油箱爆炸。油箱外故障主要是套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。电力变压器不正常和运行状态主要有外部相间短路、接地短路引起的相间过电流和零序过电流,负荷超过其额定容量引起的过负荷、油箱漏油引
9、起的油面降低,以及过电压、过砺磁等。3.2 电力变压器继电保护的配置原则针对电力变压器的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,其任务就是反映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 DL4001991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。(1)瓦斯保护 为反映变压器油箱内部各种短路故障和油面降低,对于0.8 MV.A及以上的油浸式变压器和0.4 MV.A及以上的车间内油浸式变压器均应装设瓦斯保护。(2) 纵联差动保护或电流速断保
10、护 为反映电力变压器引出线、套管及内部短路 故障。对于6.3 MV.A以下厂用工作变压器和并列 运行的变压器,以及10MV.A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。对于6.3 MV.A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,以及2 MV.A及以上用电流速断保护灵敏性不满足要求的变压器,应装设纵联差动保护(以下简称差动保护)。对高压侧电压为330kV及以上的变压器,可装设双重差动保护。对于发电机变压器组,当发电机与变压器之间有断路器时,发电机装设单独的差动保护。当发电机与变压器之间没有断路器
11、时,100MW及以下发电机与变压器组共用差动保护;100MW以上发电机,除发电机变压器组共用差动保护外,发电机还应单独装设差动保护;对200300MW的发电机变压器组亦可在变压器上增设单独的差动保护,即采用双重快速保护。(3) 过电流保护 为反映外部相间短路引起的过电流并作为瓦斯保护和差动保护(或电流速断保护)的后备,应采用下列保护。过电流保护,一般用于降压变压器。复合电压起动的过电流保护,一般用于升压变压器及过电流保护灵敏性不满足要求的降压变压器。负序电流及单相式低电压起动的过电流保护,一般用于63MVA及以上大容量升压变压器和系统联络变压器。阻抗保护,对于升压变压器和系统联络变压器,当采用
12、第的保护不能满足灵敏性和选择性要求时,可采用阻抗保护。(4) 零序电流保护 为变压器外部接地短路时零序电流设的保护。(5) 过负荷保护 为反映变压器对称过负荷引起的过电流。对于400kV.A及以上的变压器,当数台并列运行或 单独运行并作为其他符合的备用电源时,应根据过负荷的情况装设过负荷保护。(6) 过励磁保护 为反映变压器的过励磁引起的过电流。对于高压侧为500kV的变压器的额定磁密近于饱和密度,频率降低或电压升高时容易引起变压器过励磁,导致铁心饱和,励磁电流剧增,铁心温度上升,严重过热会使变压器绝缘劣化,寿命降低,最终造成变压器损坏,故需装设过励磁保护。(7) 其他保护对变压器温度及油箱内
13、压力升高和冷却系统故障,应按现行变压器标准的要求,装设可作用于信号或动作于跳闸的保护,如温度保护等。3.3 设计选用的继电保护装置3.3.1 变压器的差动保护变压器的纵联差动保护用来反映变压器绕组、引出线及套管上的各种短路保护故障,是变压器的主保护。原理接线图如图3-1所示图3-1 变压器差动保护单相原理接线图纵联差动保护是按比较被保护的变压器两侧电流的大小和相位的原理实现的。为了实现这种比较,在变压器两侧各装设一组电流互感TA1、TA2,其二次侧按环流法连接,即若变压器两端的电流互感器一次侧的正极性端子均置于靠近母线的一侧,则将它们二次侧的同极性端子相连接,再将差动继电器的线圈按环流法接入,
14、构成纵联差动保护。变压器的纵差保护与输电线的纵联差动相似,工作原理相同,但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同,为了保证变压器纵差保护的正常运行,必须选择好适应变压器两侧电流互感器的变比和接线方式,保证变压器在正常运行和外部短路时两侧的二次电流不同。其保护范围为两侧电流互感TA1、TA2之间的全部区域,包括变压器的高、低压绕组、套管及引出线等。从3-1可见,正常运行和外部短路时,流过差动继电器的电流为Ir=I1+I2,在理想的情况下,其值等于零。但实际上由于电流互感器特性、变比等因素,流过继电器的电流为不平稳电流。变压器内部故障时,流入差动继电器的电流为Ir=I1+I2,即为短路点的短路电流
15、。当该电流大于KD的动作电流时,KD动作。由于变压器各侧额定电压和额定电流不同,因此,为了保护其纵联差动保护正确动作,必须适当选择各侧电流互感器的变比,使得正常运行和外部短路时,差动回路内没有电流。如图1中,应使 (3-1)式3-1中nTA1高压侧电流互感器的变比; nTA2低压侧电流互感器的变比。式(3-1)说明,要实现双绕组变压器的纵联差动保护,必须适当选择两侧电流互感器的变比。因此,在变压器纵联差动保护中,要实现两侧电流的正确比较,必须先考虑变压器变比的影响。实际上,由于电流互感器的误差、变压器的接线方式及励磁涌流等因素的影响,即使满足式(3-1)条件,差动回路中仍回流过一定的不平衡电流
16、Iunb, Iunb越大,差动继电器的动作电流也越大,差动保护灵敏度就越低。因此,要提高变压器纵联差动保护的灵敏度,关键问题是减小或消除不平衡电流的影响。励磁涌流就是变压器空载合闸时的暂态励磁电流。由于在稳态工作时,变压器铁心中的磁通应滞后于外加电压900。所以,如果空载合闸正好在电压瞬间值u=0的瞬间接通,则铁心中就具有一个相应的磁通-max,而铁心中的磁通又是不能突变的,所以在合闸时必将出现一个+max磁通分量。此分量的磁通将按指数规律自由衰减,故称为非周期性的磁通分量。如果这个非周期性的磁通分量的衰减比较慢,那么,在最严重的情况下,经过半个周期后,它与稳态磁通相叠加的结果,将使铁心中的总
17、磁通达到2max的数值,如果铁心中还有方向相同的剩余磁通res,则总磁通将为2max +res。此时由于铁心高度饱和,使励磁电流剧烈增加,从而形成的励磁涌流。该图中与max对应的为变压器的额定电流的最大值I,与2max +res对应的则为励磁涌流的最大值。随着铁心中非周期磁通的不断衰减,励磁电流也逐渐衰减至稳态值。以上分析是在电压瞬时值u=0时合闸的情况。当然,当变压器在电压瞬时值为最大的瞬间合闸时,因对应的稳态磁通等于零,故不会出现励磁涌流,合闸后变压器将立即进入稳态工作。但是,对于三相式变压器,因三相电压相位差1200,空载合闸时出现励磁涌流是不可避免的。根据以上分析可以看出,励磁涌流的大
18、小与合闸瞬间电压的相位、变压器容量的大小、铁心中剩磁的大小和方向及铁心的特性等因素有关。而励磁涌流的衰减速度则随铁心的饱和程度及导磁性能的不同而变化。由于变压器的励磁电流只流经它的电源侧,故造成变压器两侧电流不平衡,从而在差动回路中产生不平衡电流。在正常运行时,此励磁电流很小,一般不超过变压器额定电流的3%5%。外部故障时,由于电压降低,励磁电流也相应减小,其影响就更小。因此由于正常励磁电流引起的不平衡电流不大,可以忽略不计。但是,当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时,可能出现很大的励磁涌流,其值可以达到变压器额定电流的68倍。因此,励磁涌流将在差动回路中产生很大的不平衡电流,可能导致保
19、护的误动作。差动保护是一切电气主设备的主保护,它以其灵敏度高,选择性好,实现简单而广泛地应用在发电机、电抗器、电动机和母线等主设备上。鉴于差动保护在以上设备中应用的成功,以及过去技术水平的限制,人们别无选择地在变压器保 护上同样采用差动保护作为主保护。它不但能 正确区分区内外故障,而且不需要与其他元件配合,可以无延时地切除区内各种故障,具有独特的优点。 3.3.2 变压器的瓦斯保护如果变压器内部发生严重漏油或匝间短路、铁心局部烧损、线圈断线、绝缘劣化和油面下降等故障时,往往差动保护及其他保护均不能动作,而瓦斯保护却能动作。因此,瓦斯保护是变压器油箱内部故障最有效的一种主保护。瓦斯保护主要由气体
20、继电器来实现,安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中。气体继 电器有两个输出触点:一个反映变压器内部不正常情况或轻微故障的“轻瓦斯”;另一个反映变压器严重故障的“重瓦斯”。轻瓦斯动作于信号,使运行人员能够迅速发现故障并及时处理;重瓦斯动作于跳开变压器各侧断路器。瓦斯保护 动作后,应从气体继电器上部排气口收集气体,进行分析。根据气体的数量、颜色、化学成分和可燃性等,判断保护的原因和故障性质瓦斯继电器只能反映变压器内部的故障,包括漏油、漏气、油内有气、匝间故障、绕组相间短路等。而对变压器外部端子上的故障情况则无法反映。因此,除设置瓦斯保护外,还要设置过电流,差动等保护。常用的瓦斯继电器有两种:一
21、是浮子式;二是挡板式。挡板式瓦斯继电器是将浮子式的下浮子改为挡板结构。两者的区别是,挡板式的挡板结构不随油面下降而动作,而是在油的流速达到0.61.0m/s时才动作,所以挡板式瓦斯继电器遇到油面下降或严重缺油时,不会造成重瓦斯误动跳闸。瓦斯继电器收集气体判别故障,瓦斯继电器动作后,如果不能明确判别是不是变压器内部故障所致,就应立即收集瓦斯继电器内聚积的气体,通过鉴别气体的性质,做进一步判别。3.3.2.1 瓦斯保护的原理及接线瓦斯保护的原理接线如图3-2所示。气体继电器的轻瓦斯触点由开口杯控制,构成轻瓦斯保护,其动作后发出警报信号,重瓦斯触点由挡板控制,构成重瓦斯保护,其动作或经信号发生器启动
22、出口中间继电器,两端触点分别使断路器1QF、2QF跳闸,从而切断故障电流。为了防止变压器内严重故障时因油速不稳定,造成重瓦斯触点时通时断的不可靠动作,必须选用带自保持电流线圈的出口中间继电器。在保护动作后,借助于断路器的辅助触点1QF1和2QF1来接触出口回路的自保持。在变压器加油或换油后及气体继电器试验时,为了防止重瓦斯误动作,可以利用切片,使重瓦斯暂时改接到信号位置,只发信号。瓦斯保护具有灵敏度高,动作迅速,接线简单等优点。但由于瓦斯保护不能单独作为变压器的主保护,所以通常是将瓦斯保护与纵联差动保护配合作为变压器的主保护。 图3-2 变压器瓦斯保护原理接线图3.3.2.2 气体继电器构成和
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