三绕组电力变压器继电保护设计

电力系统继电保护课程设计

题目：三绕组电力变压器继电保护设计

姓 名：XXXXXX 所在院系：工学院电气与电子工程系 所学专业：电气工程及其自动化 班 级：电气工程XXXX 学 号：XXXXXXXXXXXX 指导教师：XXXXXXX 完成时间：XXXXXXXXX

继电保护课程设计要求

继电保护课程设计是学生在学完继电保护课程之后的实践性教学环节，是学生运用所学专业知识对实际问题进行设计（研究）的综合性训练，通过课程设计可以培养学生运用所学知识解决实际问题的能力和创新精神，培养工程观念，以便更好的适应工作需要。 一、基本情况

学时：1周 学分：1学分 适应班级：电气工程1204 二、课程设计的目的要求

1、熟悉国家能源开发的策略和有关技术规程、规定。

2、巩固和充实所学专业知识，能做到灵活运用，解决实际问题。

3、初步掌握继电保护工程设计的流程和方法，能独立完成工程设计、工程计算、工程绘图、编写工程技术文件等相关设计任务。

4、培养严肃认真、实事求是和刻苦钻研的工作作风，锻炼学生自主学习的能力、独立工作的能力。 5、培养学生创新精神，创新精神和科学态度相结合，设计构思、方案确定，尽量运用新技术新理论，设计内容有一定的新颖性。利用计算机绘图。 三、课程设计的依据

课程设计应根据“设计任务书”和国家有关政策以及有关技术规程、规定进行。 四、进度安排

课程设计共安排1周，具体时间分配如下：

原始资料分析 半天 确定保护方案 半天 电流互感器的选择 半天 根据原始资料进行保护的整定计算 2天 画出保护的原理图和展开图 1天

撰写设计说明书 半天

五、 考核方法

课程设计的考核方式为考查。出勤10%，过程考核20%，说明书质量70%。 90~100分 优秀 80~89分 良好 70~79分 中等 60~69分 及格 60分以下 不合格 六、设计成品

设计说明书一份（含计算），万字以上，格式符合要求，图形和符号符合标准，A4纸打印，装订成册，设计说明书内容应包括： 封面

继电保护课程设计要求 设计任务书 摘要 目录 正文

第一章 绪论 继电保护发展趋势

对原始资料的分析 第二章 对继电保护的基本要求

第三章 电力变压器常见故障和继电保护配置 第四章 电力变压继电保护整定计算, 原理图 第五章 电流互感器与继电器的选择

总结 参考文献

附录：继电保护展开图

课程设计任务书

一、题目

三绕组电力变压器继电保护设计 二、原始资料 1.变电所电气主接线图

2.技术数据

（1）110KV母线短路容量

Skmax1000MVA

Skmin500MVA

（2）变压器参数

T1，T2：SN31.5MVA.电压为110±4×%∕±2×%∕11kv，联结组YNy0D11，UK高中%17%，UK中低%6.5%

（3）线路参数 Ω／km

（4）中性点接地方式

K高中%10.5% ，

U

T1，T2同时运行，110KV侧的中性点只有一台直接接地；只有一台运行，运行变必须直接接地

三、设计内容 （1）短路电流计算 （2）变压器保护的增益 （3）保护装置的整定计算

（4）绘出变压器保护装置原理展开图

摘要

三绕组电力变压器的继电保护设计。设计内容分为两部分，主保护和后备保护。首先介绍了继电保护国内的现状和未来的发展趋势，对原始资料进行分析，然后是电力变压器继电保护的设计。

设计主要包括了短路电流计算、变压器保护装置的配置的分析、纵差保护的整定计算、 110kV侧复合电压启动过电流保护整定计算、侧方向过流保护、110kV零序过电流保护、变压器气体保护的整定、电流互感器的选择和继电器的选择，绘制保护装置原理图和展开图。

关键词：继电保护 纵联差动保护 电力变压器

目录

第1章 绪论 1 继电保护发展趋势 1

对原始资料分析 2

第2章 对继电保护的基本要求

3

第3章 电力变压器常见故障和继电保护配置 4 电力变压器常见故障 4

继电保护主保护 4

瓦斯保护

4

纵差保护或电流速断保护 5

继电保护后备保护 5

过电流保护 5 零序保护

6

过负荷保护 6 过励磁保护 7

第4章 电力变压器继电保护整定计算及原理图 短路电流计算 8

画出短路等值电路 8

短路电流计算 8 短路电流计算

10

变压器保护装置的配置 10

8

各保护装置的整定计算 11

纵差保护的整定计算 11

110kV侧复合电压启动过电流保护整定计算 15 侧方向过流保护 16 110kV零序过电流保护 变压器气体保护的整定

16 17

第5章 电流互感器和继电器的选择 18 电流互感器的选择 18 继电器的选择 18 总结

19

20

参考文献 附录

21

第1章 绪论

继电保护发展趋势

研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件，使之免遭损害，所以沿称继电保护。 国内继电保护技术得天独厚，在40余年时间里飞速发展，共经历4个阶段。

第一阶段：在上世纪50年代，我国已建成了 继电保护研究、 设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护 技术的发展奠定了坚实基础；

第二阶段： 自上世纪50年代末，晶体管继电保护已在开始研究。运行于葛洲坝500kV线路上，结束了500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代；

第三阶段：上世纪70年代中期，基于集成运算放大器的集成电路保护，已开始研究。在多条220kV和500kV线路上运行；

第四阶段：计算机继电保护的研究[2]，高等院校和科研院所起着先导的作用。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、 算法等方面，也取得了很多理论成果。可以说从上世纪90年代，我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。

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。随着电力工业化的不断发展,继电保护装置除了具有继电保护的基本功能外,还应具备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,强大的通信功能,与其他保护,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,同时还可以进行远方监控,微机保护装置具有串行与以太网通信功能,与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。因此,继电保护计算机化是继电保护技术发展的一个必然趋势。

随着电力系统发展的要求及通信技术在继电保护领域应用的深入,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,还要保证全系统的安全稳定运行。随着计算机网络和数据通信工具的发展,继电保护技术人员已提出系统保护的概念,要求通过装置网络化使每一故障数据,各个保护单元和重合闸装置在分析这些数据和信息的基础上协调动作,确保系统的安全稳定运行,提高系统的保护性能和可靠性。同时以实现这种系统保护的基本条件是实现微机保护装置的网络化,使保护装置能得到更多的系统故障信息,这对电力系统故障性质,故障位置判断和故障测距的准确性尤为重要。因此,实现微机性保护装置的网络信息化,是电力系统发展的必然趋势.

在实现继电保护的计算机化和网络化条件下,继电保护装置实际上就是高性能、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。随着科学技术的不断进步.新型保护装置也会不断出现,保护装置也将更成熟,这将给继电保护工作者和电力系统安全运行带来更美好的前景。 对原始资料分析 （1）110KV母线短路容量

Skmax1000MVA

Skmin500MVA

（2）变压器参数

T1，T2：SN31.5MVA.电压为110±4×%∕±2×%∕11kv，联结组YNy0D11， UK高中%10.5% ，

UK高中%17%，UK中低%6.5%

（3）线路参数 Ω／km

（4）中性点接地方式

T1，T2同时运行，110KV侧的中性点只有一台直接接地；只有一台运行，运行变必须直接接地

本设计包含了对两台三绕组变压器继电保护设计，按照短路电流的计算整定定，变压器差动保护采用型号BCH -1继电器；110kV侧复合电压启动的过流保护采用型号DY -1、DL – 11、DY -25继电器；35kV侧方向过流保护采用型号LG -11、DL - 11继电器；110kV侧零序过电流保护采用型号DL - 13继电器；气体保护采用型号QJ - 80继电器。 从而构成主变压器的继电保护。

第2章 对继电保护的基本要求

对动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。 动作选择性：首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护来切除故障。上、下级电网（包括同级）继电保护之间的整定，应遵循逐级配合的原则，以保证电网发生故障时有选择性地切除故障。切断系统中的故障部分，而其它非故障部分仍然继续供电。

动作速动性：保护装置应尽快切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用设备自动投入的效果。

动作灵敏性：在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数（规程中有具体规定）。通过继电保护的整定值来实现。整定值的校验一般一年进行一次。

动作可靠性：继电保护装置在保护范围内该动作时应可靠动作，在正常运行状态时，不该动作时应可靠不动作。任何电力设备（线路、母线、变压器等）都不允许在无继电保护的状态下运行，可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。

在保护设计中要正确处理好四项基本要求之间既矛盾又统一的辩证关系。对继电保护装置的四项基本要求，不是一套保护装置所能完成的，可能通过多套保护装置来互相弥补，如电流保护简单、可靠，具备了可靠性选择性，但速动性差；而高频保护具备了速动性、灵敏性、选择性，但其装置复杂，相对而言可靠性较差。

第3章 电力变压器常见故障和继电保护配置

电力变压器常见故障

变压器可能发生的故障及异常运行情况有绕组及其出线引出的相间短路、中性点直接接地侧的单相接地短路、绕组匝间短路、外部相间短路引起的过电流、中性点直接接地的电力网中外部接地短路引起的过电流、中性点过电压、过负荷、油面降低、变压器温度升高及冷却系统故障等。 继电保护主保护 瓦斯保护

瓦斯保护是变压器的主要保护，能有效地反应变压器内部故障。轻瓦斯继电器由开口杯、干簧触点等组成，作用于信号。重瓦斯继电器由挡板、弹簧、干簧触点等组成，作用于跳闸。正常运行时，瓦斯继电器充满油，开口杯浸在油内，处于上浮位置，干簧触点断开。

当油浸式变压器油箱内部发生故障时，由于故障点电流和电弧的作用，使变压器油及其他绝缘材料分解，产生气体，它们将从油箱流向油枕。故障程度越严重，产生气体越多；流速越快，甚至气流中还夹杂着变压器油。利用这种气体实现的保护称为瓦斯保护。 变压器的瓦斯保护原理如图

图 瓦斯保护原理图

(1)应用范围：及以上的油浸式变压器和及以上的车间内油浸式变压器。

(2)作用：用来反应油箱内部短路故障及油面降低。

注：轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于跳开各电源侧断路器。 纵差保护或电流速断保护

防御变压器绕组绕组和引出线的多相短路，大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路称为纵差保护，本次设计采用纵差保护。 变压器的纵联差动保护原理如图

图 纵联差动保护原理图

(1)应用范围：及以上的并列运行变压器，发电厂厂用工作变压器和工业企业中的重要变压器及10MVA及以上的单独运行变压器和发电厂厂用备用变压器应用纵差动保护，上述容量以下的变压器，当其后备保护的动作时限大于秒时，一般采用电流速断保护。

(2)作用：用来反应变压器绕组,套管及引出线的短路故障，保护动作于跳开各电源侧断路器。 注：对于2MVA及以上的变压器，当电流速断保护的灵敏度不满足要求时，也应装设纵差动保护。 继电保护后备保护 过电流保护

用于降压变压器，动作电流应考虑电动机自启动和变压器可能出现的最大过负荷时不误动。 复合电压启动的过电流保护原理如图

图 过电流保护原理图

(1)应用范围：过电流保护宜用于降压变压器，复合电压起动的过电流保护宜用升压变压器，系统联络变压器和采用过电流保护不满足灵敏度要求的降压变压器，63MVA及以上的升压变压器，采用负序电流保护及单相式低电压起动的过电流保护对于大型升压变压器或系统联络变压器，为满足灵敏度要求，可采用阻抗保护。

(2)作用：用来防御外部相间短路引起的过电流，并作为瓦斯保护和纵差动保护(或电流速断保护)的后备，保护延时动作于跳开断路器。 零序保护

在大短路电流接地系统中发生接地故障后，就有零序电流、零序电压和零序功率出现，利用这些电气量构成保护接地短路的继电保护装置统称为零序保护。

(1)应用范围：若变压器中性点直接接地运行，应装设零序电流保护。若低压侧有电源，且变压器中性点可能接地或不接地运行时，应装设零序电流电压保护。

(2)作用：对于中性点直接接地系统中的变压器，一般应装设零序保护，用来反应变压器高压绕组及引出线和相邻元件(母线和线路)的接地短路，零序保护延时动作于跳开断路器。 过负荷保护

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。

(1)应用范围：对于及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应装设过负荷保护。

(2)作用：对于自耦变压器或多绕组变压器，保护装置应能反应公共绕组及各侧的过负荷情况，过负荷保护经延时动作于信号。 过励磁保护

(1)应用范围：大型变压器，额定工作磁密与饱和磁密接近。当电压升高或频率降低时，工作磁密增加，使励磁电流增加。特别是铁心饱和之后，励磁电流急剧增大，造成过励磁，将使变压器温度升高而遭受损坏，所以应装设过励磁保护。

(2)作用：对于大型变压器应装设过励磁保护，按其过励磁的严重程度，保护装置动作于信号或跳开断路器。

第4章 电力变压器继电保护整定计算及原理图

短路电流计算

用标幺值计算短路电路参数，确定短路计算点，计算短路电流值。 画出短路等值电路 短路等值电路如图

图 短路等值电路图

短路电流计算

计算各元件电抗参数，取基准容量Sd=100MVA，基准电压为Ud1=，Ud2=37kV，则基准电流为

1 计算电源系统基准电抗的标幺值

2 计算变压器各侧阻抗标幺值

3计算线路的基准电抗标幺值

短路电流计算

有主接线分析可知，变压器的主保护按一台变压器单独运行为保护的计算方式，保护时，变压器后备保护作保护线路的远后备保护时，要校验k3、k4两点的灵敏系数，因此，除需要计算k1、k2两点最大、最小的运行方式短路电流外，还需计算k3、k4两点的最小短路电流[9]。 1 求k1点短路电流

2 求k2点短路电流

3求k3点短路电流

4求k4点短路电流

变压器保护装置的配置

表 变压器保护装置配置

序号 1 2 3 4 5

各保护装置的整定计算 纵差保护的整定计算

（1）计算变压器差动臂中电流，由表计算结果可知，110kV侧差动臂中的电流最大，故110kV侧为计算的基本侧。

保护名称 纵差保护

110kV侧复合电压启动的过流保护

35kV侧方向过流保护 110kV侧零序过电流保护 气体保护

选择继电器型号 BCH - 1

DY -1，DL – 11，DY -25 LG -11，DL - 11 DL - 13 QJ - 80

表 计算结果

名称

额定电压（kV）

变压器各侧数据 110

11

变压器额定电流（A）

TA接线方式

d11

d11

Yn

选择TA标准变化

2000/5

差动臂中的电流（A）

（2）确定制动绕组的接入方式，制动绕组接入侧，因为该侧的外部发生故障时，穿越变压器的短路电流最大。

（3）计算差动保护的一侧动作电流。

1）按躲过110kV外部故障的最大不平衡电流整定，即

2）按躲过变压器励磁涌流计算，即

3）按躲过电流互感器二次回路断线，即

4）取上述各条件中最大的作为基本侧一次动作电流即

，差动继电器基本侧动作电流为

确定差动绕组匝数

取整定匝数

匝，则继电器动作电流

保护装置实际动作电流为

5）其他各侧工作绕组和平衡绕组的匝数。侧的平衡绕组为

11kV侧的平衡绕组为

取平衡绕组整定匝数

，取工作绕组匝数

6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为

7）制动系数和制动绕组匝数的计算。由于系单侧电源，故制动系数的计算为

制动系数的计算匝数为

取整定匝数

。

8）校验灵敏系数

取最大负荷电流为

a. 负荷产生的制动安匝。已知制动安匝

可得

b. 总制动安匝为

c. 计算继电器的动作安匝，即

由

和

确定图 中K点，由

确定H点，将H点和K点连接，交于曲线2于P点的纵坐标即为

计算的动作安匝

图 BCH-1继电器制动特性曲线

110kV侧复合电压启动过电流保护整定计算 （1）电流元件的动作电流

（2）电压元件的动作电压

取

（3）负序电压元件的动作电压

取

（4）校验灵敏系数

作11kV线路后备保护

电压元件装设在11kV侧，故仅需校验作为线路的后备保护即可

需要说明，若110kV侧仅采用单独过电流保护，则

灵敏系数

不满足要求，这正说明采用复合电压启动过流保护可提高保护的灵敏

性。

侧方向过流保护

功率方向元件的动作方向，为自变压器指向35kV母线方向，方向元件的动作电流为

作线路l3后备保护灵敏系数

110kV零序过电流保护

由主接线图可知，该变电所为终端变电所，接地保护不需要与下级配合，故零序过电流保护的动作值按躲过最大不平衡电流计算，即

电压元件的动作电压为

（2

+

）

=（2*+）*=

动作时限整定：（1）以跳中性点不接地运行的变压器；（2）以1s跳中性点接地的变压器。 变压器气体保护的整定

采用QJ – 80型开口杯挡板式气体继电器，轻瓦斯按气体容量整定，的流速整定，

（对导油管直径Φ=80mm）

。重瓦斯按汽油流

第5章 电流互感器和继电器的选择

电流互感器的选择

（1）形式的选择：根据安装的地点及使用条件，选择电流互感器的绝缘结构、安装方式、一次绕组匝数等。 对于6-20KV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构和树脂浇注绝缘结构的电流互感器。对于35KV及以上配电装置，一般采用油浸式瓷箱式绝缘结构的独立式流互感器。有条件时，应尽量采用套管式电流互感器。选用母线式互感器时，应该校核其窗口允许穿过的母线尺寸。

（2）额定电压：电流互感器一次回路额定电压不应低于安装地点的电网额定电压，即：Uc≥Ue （3）额定电流：电流互感器一次回路额定电流不应小于所在回路的最大持续工作电流，即: Ile >Igmax （4）准确等级:要先知道电流互感器二次回路所接测量仪表的类型及对准确等级的要求，并按准确等级要求高的表计来选择。

（5） 中性点非直接接地系统中的零序电流互感器，在发生单相接地故障时，通过的零序电流较中性点直接地系统小，为保证保护装置可靠性，应按二次电流计保护灵敏度俩检验零序电流的变比。 根据选定的准确度级，校验电流互感器的二次符合，并选择二次连接导线截面。

表 互感器的基本技术参数

二次负荷

型号

额定电流比

级次组合

准确度级

()

1

BD

10%倍数

1s热稳定(倍数)

动稳定 (倍数)

LA-10 1000-1500/5 D/D 10(15) 50 90

继电器的选择

通过计算和查阅我们所需要的继电器型号，经查书我们选用BCD-25型差动继电器。

总结

三绕组电力变压器继电保护设计进行了如下工作： （1）短路电流的计算。

（2）变压器差动保护采用型号BCH -1继电器。

（3）110kV侧复合电压启动的过流保护采用型号DY -1、DL – 11、DY -25继电器。 （4）35kV侧方向过流保护采用型号LG -11、DL - 11继电器。 （5）110kV侧零序过电流保护采用型号DL - 13继电器。 （6）零序电流保护的整定计算和校验。 （7）纵差保护的整定计算。

（8）对所选择的保护装置进行综合评价。

（9）利用CAD与Visio软件绘制保护装置原理图和展开图。

（10）在本次继电保护的设计中采用的电流互感器、保护用的继电器属于市场 容易采购的器件，价格便宜经济实惠，但是相比于现在的微机保护相对落后，这是我以后的努力方向。

参考文献

[1]马长贵. 继电保护基础[M]. 北京：水利电力出版社，1987.

[2]宋从矩. 电力系统继电保护原理[M]. 北京：中国电力出版社，2004. [3]杨奇逊. 微机继电保护基础[M]. 北京：中国电力出版社，2005. [4]刘学军. 继电保护原理[M]. 北京：中国电力出版社，2007. [5]黄玉铮. 继电保护习题集[M]. 北京：水利电力出版社，1993.

[6]伊项根. 电力系统继电保护原理及应用[M]. 北京：华中科技大学出版社，2002. [7]刘学军. 继电保护原理学习指导[M]. 北京:中国电力出版社，2011.

附录

a 交流回路

b 直流回路

c 信号回路