某電力變壓器繼電保護設(shè)計

1引言電網(wǎng)繼電保護和平安自動裝置是電力系統(tǒng)的重要組成局部，對保證電力系統(tǒng)的正常運行，防止事故發(fā)生或擴大起了重要作用。繼電保護是對電力系統(tǒng)中發(fā)生的故障或異常情況進行檢測，從而發(fā)出報警信號，或直接將故障局部隔離、切除的一種重要措施。應(yīng)根據(jù)審定的電力系統(tǒng)設(shè)計原那么或?qū)彾ǖ南到y(tǒng)接線及要求進行電網(wǎng)繼電保護和平安自動裝置設(shè)計。繼電保護是保障電力設(shè)備平安和防止及限制電力系統(tǒng)長時間大面積停電的最根本、最重要、最有效的技術(shù)手段。許多實例說明，繼電保護裝置一旦不能正確動作，就會擴大事故，釀成嚴重后果。因此，加強繼電保護的設(shè)計和整定計算，是保證電網(wǎng)平安穩(wěn)定運行的重要工作。實現(xiàn)繼電保護功能的設(shè)備稱為繼電保護裝置。本次設(shè)計的任務(wù)主要包括了六大局部，分別為運行方式的選擇、電網(wǎng)各個元件參數(shù)及負荷電流計算、短路電流計算、繼電保護距離保護的整定計算和校驗、繼電保護零序電流保護的整定計算和校驗、對所選擇的保護裝置進行綜合評價。其中短路電流的計算和電流整定計算是重點。通過分析，找到符合電網(wǎng)要求的繼電保護方案。電力系統(tǒng)和繼電保護技術(shù)的不斷開展和平安穩(wěn)定運行，給國民經(jīng)濟和社會開展帶來了巨大動力和效益。但是，電力系統(tǒng)一旦發(fā)生自然或人為故障，如果不能及時有效控制，就會失去穩(wěn)定運行，使電網(wǎng)瓦解，并造成大面積停電，給社會帶來災(zāi)難性的后果。因此電網(wǎng)繼電保護和平安自動裝置應(yīng)符合可靠性、平安性、靈敏性、速動性的要求。要結(jié)合具體條件和要求，本設(shè)計從裝置的選型、配置、整定、實驗等方面采取綜合措施，突出重點，統(tǒng)籌兼顧，妥善處理，以到達保證電網(wǎng)平安經(jīng)濟運行的目的。2繼電保護的相關(guān)知識2.1繼電保護的概述研究電力系統(tǒng)故障和危及平安運行的異常工況，以探討其對策的反事故自動化措施。因在其開展過程中曾主要用有觸點的繼電器來保護電力系統(tǒng)及其元件〔發(fā)電機、變壓器、輸電線路等〕，使之免遭損害，所以沿稱繼電保護。2.2繼電保護的任務(wù)當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)自動將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或防止設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。2.3繼電保護根本原理繼電保護裝置的作用是起到反事故的自動裝置的作用，必須正確地區(qū)分“正?！迸c“不正?！边\行狀態(tài)、被保護元件的“外部故障”與“內(nèi)部故障”，以實現(xiàn)繼電保護的功能。因此，通過檢測各種狀態(tài)下被保護元件所反映的各種物理量的變化并予以鑒別。依據(jù)反映的物理量的不同，保護裝置可以構(gòu)成下述各種原理的保護。2.4對繼電保護裝置的要求繼電保護裝置為了完成它的任務(wù)，必須在技術(shù)上滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個根本要求。對于作用于繼電器跳閘的繼電保護，應(yīng)同時滿足四個根本要求，而對于作用于信號以及只反映不正常的運行情況的繼電保護裝置，這四個根本要求中有些要求可以降低?！?〕選擇性選擇性就是指當電力系統(tǒng)中的設(shè)備或線路發(fā)生短路時，其繼電保護僅將故障的設(shè)備或線路從電力系統(tǒng)中切除，當故障設(shè)備或線路的保護或斷路器拒動時，應(yīng)由相鄰設(shè)備或線路的保護將故障切除?！?〕速動性速動性是指繼電保護裝置應(yīng)能盡快地切除故障，以減少設(shè)備及用戶在大電流、低電壓運行的時間，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性。〔3〕靈敏性靈敏性是指電氣設(shè)備或線路在被保護范圍內(nèi)發(fā)生短路故障或不正常運行情況時，保護裝置的反響能力。保護裝置的靈敏性是用靈敏系數(shù)來衡量。能滿足靈敏性要求的繼電保護，在規(guī)定的范圍內(nèi)故障時，不管短路點的位置和短路的類型如何，以及短路點是否有過渡電阻，都能正確反響動作，即要求不但在系統(tǒng)最大運行方式下三相短路時能可靠動作，而且在系統(tǒng)最小運行方式下經(jīng)過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時也能可靠動作。系統(tǒng)最大運行方式：被保護線路末端短路時，系統(tǒng)等效阻抗最小，通過保護裝置的短路電流為最大運行方式；系統(tǒng)最小運行方式：在同樣短路故障情況下，系統(tǒng)等效阻抗為最大，通過保護裝置的短路電流為最小的運行方式?！?〕可靠性可靠性包括平安性和信賴性，是對繼電保護最根本的要求。平安性：要求繼電保護在不需要它動作時可靠不動作，即不發(fā)生誤動。信賴性：要求繼電保護在規(guī)定的保護范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)該動作的故障時可靠動作，即不拒動。以上四個根本要求是設(shè)計、配置和維護繼電保護的依據(jù)，又是分析評價繼電保護的根底。這四個根本要求之間是相互聯(lián)系的，但往往又存在著矛盾。因此，在實際工作中，要根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和用戶的性質(zhì)，辯證地進行統(tǒng)一。3概述3.1設(shè)計原始資料3.1.135KV變電站主接線圖圖3.135KV變電站主接線圖3.1.2主要參數(shù)C1系統(tǒng)：X1=0.06/0.12；X2=X1；X1以1000kVA，37KV為基準的標幺值，分子為最大方式，分母為最小方式的阻抗標幺值。C2系統(tǒng)：X1=0.1/0.15；X2=X1；X1以1000kVA，37KV為基準的標幺值，分子為最大方式，分母為最小方式的阻抗標幺值。A站：有兩臺雙卷變壓器容量為2×400kVA35±4×2.5%/11kv；Uk%=6.5%。35KV線路X1=0.4Ω/km；10KV電纜線路R=0.45Ω/km，X=0.08Ω/km。XL-1最大負荷130kVA；XL-2最大負荷100kVA；XL-3最大負荷80kVA；XL-4最大負荷100kVA；XL-5最大負荷110kVA；XL-6最大負荷150kVA。其中一類負荷45%；二類負荷25%；三類負荷30%。XL-6為雙回線。3.2本系統(tǒng)故障分析3.2.1系統(tǒng)線路主要的故障本設(shè)計中的電力系統(tǒng)具有非直接接地的架空線路及中性點不接地的電力變壓器等主要設(shè)備。就線路來講，其主要故障為單相接地、兩相接地和三相接地。3.2.2電力變壓器的故障電力變壓器的故障分為外部故障和內(nèi)部故障兩類。變壓器的外部故障常見的是上下壓套管及引線故障，它可能引起變壓器出線端的相間短路或引出線碰接外殼。變壓器的內(nèi)部故障有相間短路、繞組的匝間短路和絕緣損壞。3.310KV線路繼電保護裝置根據(jù)線路的故障類型，按不同的出線回路數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的繼電保護裝置如下：3.3.1單回出線保護采用兩段式電流保護，即電流速斷保護和過電流保護。其中電流速斷保護為主保護，不帶時限，0S跳閘。3.3.2雙回路出線保護采用平行雙回線路橫聯(lián)方向差動保護加電流保護。其中橫聯(lián)方向差動保護為主保護。電流保護作為橫聯(lián)方向差動保護的后備保護。3.4主變壓器繼電保護裝置設(shè)置變壓器為變電所的核心設(shè)備，根據(jù)其故障和不正常運行的情況，從反響各種不同故障的可靠、快速、靈敏及提高系統(tǒng)的平安性出發(fā)，設(shè)置相應(yīng)的主保護、異常運行保護和必要的輔助保護如下：變壓器為變電所的核心設(shè)備，根據(jù)其故障和不正常運行的情況，從反響各種不同故障的可靠、快速、靈敏及提高系統(tǒng)的平安性出發(fā)，設(shè)置相應(yīng)的主保護、異常運行保護和必要的輔助保護如下：3.4.1主保護瓦斯保護〔以防御變壓器內(nèi)部故障和油面降低〕、縱聯(lián)差動保護〔以防御變壓器繞組、套管和引出線的相間短路〕。3.4.2后備保護過電流保護〔以反響變壓器外部相間故障〕、過負荷保護〔反響由于過負荷而引起的過電流〕。3.5本設(shè)計繼電保護裝置原理概述3.5.110KV線路電流速斷保護根據(jù)短路時通過保護裝置的電流來選擇動作電流的，以動作電流的大小來控制保護裝置的保護范圍；有無時限電流速斷和延時電流速斷，采用二相二電流繼電器的不完全星形接線方式，本設(shè)計選用無時限電流速斷保護。3.5.210KV線路過電流保護10KV線路過電流保護是利用短路時的電流比正常運行時大的特征來鑒別線路發(fā)生了短路故障，其動作的選擇性由過電流保護裝置的動作具有適當?shù)难訒r來保證，有定時限過電流保護和反時限過電流保護；本設(shè)計與電流速斷保護裝置共用兩組電流互感器，采用二相二繼電器的不完全星形接線方式，選用定時限過電流保護，作為電流速斷保護的后備保護，來切除電流速斷保護范圍以外的故障，其保護范圍為本線路全部和下段線路的一局部。3.5.3平行雙回線路橫聯(lián)方向差動保護平行雙回線路橫聯(lián)方向差動保護是通過比擬兩線路的電流相位和數(shù)值相同與否鑒別發(fā)生的故障;由電流起動元件、功率方向元件和出口執(zhí)行元件組成，電流起動元件用以判斷線路是否發(fā)生故障，功率方向元件用以判斷哪回線路發(fā)生故障，雙回線路運行時能保證有選擇的動作。該保護動作時間0S，由于橫聯(lián)保護在相繼動作區(qū)內(nèi)短路時，切除故障的時間將延長一倍，故加裝一套三段式電流保護，作為后備保護。3.5.4變壓器縱聯(lián)差動保護變壓器縱聯(lián)差動保護是按照循環(huán)電流的原理構(gòu)成。在變壓器兩側(cè)都裝設(shè)電流互感器，其二次繞組按環(huán)流原那么串聯(lián)，差動繼電器并接在回路壁中，在正常運行和外部短路時，二次電流在臂中環(huán)流，使差動保護在正常運行和外部短路時不動作，由電流互感器流入繼電器的電流應(yīng)大小相等，相位相反，使得流過繼電器的電流為零；在變壓器內(nèi)部發(fā)生相間短路時，從電流互感器流入繼電器的電流大小不等，相位相同，使繼電器內(nèi)有電流流過。但實際上由于變壓器的勵磁涌流、接線方式及電流互感器誤差等因素的影響，繼電器中存在不平衡電流。本設(shè)計采用較經(jīng)濟的BCH-2型帶有速飽和變流器的繼電器，以提高保護裝置的勵磁涌流的能力。4短路電流計算4.1系統(tǒng)等效電路圖：4.2基準參數(shù)選定：SB=1000KVA，UB=Uav即：35kV側(cè)UB=37KV，10kV側(cè)UB=10.5KV。4.3阻抗計算〔均為標幺值〕：1〕C1系統(tǒng)：最大方式X1=0.06最小方式X1=0.12C2系統(tǒng)：最大方式X2=0.1最小方式X2=0.152)線路：L1：X3=l1X1SB/VB2=0.4×10×1/372=0.00292L2：X4=l3X1SB/VB2=0.4×13×1/372=0.0038變壓器：X5=X6=〔Uk%/100〕SB/S=6.5/100×1/0.4=0.16254)10KV側(cè)線路：XL1=l1X2SB/VB2=0.45×3×1/10.52=0.012XL2=l1X2SB/VB2=0.45×2×1/10.52=0.0082XL3=l1X2SB/VB2=0.45×1.5×1/10.52=0.0061XL4=l1X2SB/VB2=0.45×1×1/10.52=0.0041XL5=l1X2SB/VB2=0.45×2×1/10.52=0.0082XL6=l1X2SB/VB2=0.45×3×1/10.52/2=0.0064.4短路電流計算：最大運行方式：其中：X7=X1+X3＝0.063X8=X2+X4＝0.104X9=X7∥X8＝0.039X10=X9+X5＝0.202據(jù)此，系統(tǒng)化簡如圖4.2和4.3所示。故知35KV母線上短路電流：Id1max=IB1/X9=0.0156/0.183=0.4(KA)10KV母線上短路電流:Id2max=IB2/X10=0.055/0.202=0.272(KA)折算到35KV側(cè):Id21max=IB1/X10=0.0156/0.202=0.077(KA)對于d3點以XL6計算Id3max=5.5/(0.202+0.006)=0.208(KA)最大運行方式圖：圖4.2最大運行方式圖圖4.3最大運行方式圖2)最小運行方式下:系統(tǒng)化簡如圖4.4所示。因C1停運,所以僅考慮C2單獨運行的結(jié)果；X11=X8+X5=0.267所以35KV母線上短路電流：Id1min=IB1/X8=0.0156/0.104=0.15(kA) 所以10KV母線上短路電流：Id2min=IB2/X11=0.055/0.267=0.206(kA) 折算到35KV側(cè)： Id2lmin=IB1/X11=0.0156/0.267=0.058(kA) 對于d3以XL6進行計算 Id3min=0.055/(0.267+0.006)=0.201(kA) 折算到35KV側(cè)： Id3lmin=0.0156/(0.267+0.201)=0.033(kA) 圖4.4最小運行圖5主變繼電保護整定計算及繼電器選擇5.1瓦斯保護輕瓦斯保護的動作值按氣體容積為250~300cm2整定，本設(shè)計采用280cm2。重瓦斯保護的動作值按導油管的油流速度為0.6~1.5cm2整定本，本設(shè)計采用0.9cm2。瓦斯繼電器選用FJ3-80型。5.2縱聯(lián)差動保護選用BCH-2型差動繼電器。5.2.1計算Ie及電流互感器變比表5.1Ie及電流互感器變比名稱各側(cè)數(shù)據(jù)Y〔35KV〕Δ〔10KV〕額定電流I1e=S/EQ\R(,3)U1e=103.9AI2e=S/EQ\R(,3)U2e=346.4A變壓器接線方式Y(jié)ΔCT接線方式ΔYCT計算變比EQ\R(,3)I1e/5=180/5I2e/5=346.4/5實選CT變比nl200/5400/5實際額定電流EQ\R(,3)I1e/5=4.50AI2e/5=4.33A不平衡電流Ibp4.50-4.33=0.17A確定根本側(cè)根本側(cè)非根本側(cè)5.2.2確定根本側(cè)動作電流躲過外部故障時的最大不平衡電流Idz1≥KKIbp (1)利用實用計算式：Idz1=KK〔KfzqKtxfi+U+fza〕Id2lmax式中：KK—可靠系數(shù)，采用1.3；Kfzq—非同期分量引起的誤差，采用1；Ktx—同型系數(shù)，CT型號相同且處于同一情況時取0.5，型號不同時取1，本設(shè)計取1。ΔU—變壓器調(diào)壓時所產(chǎn)生的相對誤差，采用調(diào)壓百分數(shù)的一半，本設(shè)計取0.05。Δfza—繼電器整定匝書數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差，暫無法求出，先采用中間值0.05。代入數(shù)據(jù)得Idz1=1.3×(1×1×0.1+0.05+0.05)×8.39=218.1〔A〕躲過變壓器空載投入或外部故障后電壓恢復時的勵磁涌流Idz1=KKIe〔2〕式中：KK—可靠系數(shù)，采用1.3；Ie—變壓器額定電流：代入數(shù)據(jù)得Idz1=1.3×103.9=135.1(A)躲過電流互改器二次回路短線時的最大負荷電流Idz1=KKTfhmax〔3〕式中：KK—可靠系數(shù)，采用1.3；Idz1—正常運行時變壓器的最大負荷電流；采用變壓器的額定電流。代入數(shù)據(jù)得 Idz1=1.3×103.9=135.1(A)比擬上述〔1〕，〔2〕，〔3〕式的動作電流，取最大值為計算值，即：Idz1=218.1〔A〕5.2.3確定根本側(cè)差動線圈的匝數(shù)和繼電器的動作電流將兩側(cè)電流互感器分別結(jié)于繼電器的兩組平衡線圈，再接入差動線圈，使繼電器的實用匝數(shù)和動作電流更接近于計算值；以二次回路額定電流最大側(cè)作為根本側(cè)，根本側(cè)的繼電器動作電流及線圈匝數(shù)計算如下：根本側(cè)〔35KV〕繼電器動作值IdzjsI=KJXIdz1/nl代入數(shù)據(jù)得IdzjsI=EQ\R(,3)×218.1/40=9.44〔A〕根本側(cè)繼電器差動線圈匝數(shù)WcdjsI=Awo/IdzjsI式中：Awo為繼電器動作安匝，應(yīng)采用實際值，本設(shè)計中采用額定值，取得60安匝。代入數(shù)據(jù)得WcdjsI=60/9.44=6.35(匝)選用差動線圈與一組平衡線圈匝數(shù)之和較WcdjsI小而相近的數(shù)值，作為差動線圈整定匝數(shù)WcdZ。即：實際整定匝數(shù)WcdZ=6〔匝〕繼電器的實際動作電流IdzjI=Awo/WcdZ=60/5=12〔A〕保護裝置的實際動作電流IdzI=IdzjINl/Kjx=12×40/EQ\R(,3)=277.1A5.2.4確定非根本側(cè)平衡線圈和工作線圈的匝數(shù)平衡線圈計算匝數(shù)WphjsⅡ =Wcdz/Ie2JI-Wcdz=6×(4.55/4.50-1)=0.06(匝)故，取平衡線圈實際匝數(shù)WphzⅡ=0工作線圈計算匝數(shù)WgzⅡ=WphzⅡ+Wcdz=5(匝)5.2.5計算由于整定匝數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差ΔfzaΔfza=(WphjsⅡ-WphzⅡ)/(WphjsⅡ+Wcdz) =(0.06-0)/(0.06+5)=0.01此值小于原定值0.05，取法適宜，不需重新計算。5.2.6初步確定短路線圈的抽頭根據(jù)前面對BCH-2差動繼電器的分析，考慮到本系統(tǒng)主變壓器容量較小，勵磁涌流較大，應(yīng)選用較大匝數(shù)的“C-C”抽頭，實際應(yīng)用中，還應(yīng)考慮繼電器所接的電流互感器的型號、性能等，抽頭是否適宜，應(yīng)經(jīng)過變壓器空載投入試驗最后確定。5.2.7保護裝置靈敏度校驗差動保護靈敏度要求值Klm﹥2本系統(tǒng)在最小運行方式下，10KV側(cè)出口發(fā)生兩相短路時，保護裝置的靈敏度最低。本裝置靈敏度Klm=0.866KjxIdlmin/Idzl=0.866×1×0.817/0.2771=2.55>2 滿足要求。5.3過電流