牵引变压器相关保护的设计

自动化与电气工程学院继电保护课程设计-0-电力系统继电保护课程设计题目：牵引变压器相关保护的设计班级：姓名：学号：指导教师：设计时间：评语：成绩自动化与电气工程学院继电保护课程设计-1-1.设计原始资料1.1具体题目一台双绕组牵引变压器的容量为15MVA，电压比为110±2×2.5%/27.5kV，Y，d11接线；已知：27.5kV外部短路的最大短路电流为2400A、最小短路电流为2000A，110kV侧电流互感器变比为300/5，27.5kV侧电流互感器变比为900/5；可靠系数3.1relK。试对牵引变压器进行相关保护的设计。1.2要完成的内容(1)保护的配置及选择；(2)保护配合及整定计算；(3)保护原理展开图的设计；(4)对保护的评价。2.保护方式的确定2.1设计规程2.1.1保护分类电力系统中的电力设备和线路，应装设短路故障和异常运行的保护装置。电力设备和线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。(1)主保护主保护是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。(2)后备保护后备保护是主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护。后备保护可分为远后备和近后备两种方式。2.1.2异常运行保护异常运行保护是反应被保护电力设备或线路异常运行状态的保护。2.1.3对继电保护性能的要求继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。(1)可靠性自动化与电气工程学院继电保护课程设计-2-可靠性是指保护该动作时应动作，不该动作时不动作。为保证可靠性，宜选用性能满足要求、原理尽可能简单的保护方案，应采用由可靠的硬件和软件构成的装置，并应具有必要的自动检测、闭锁、告警等措施，以及便于整定、调试和运行维护。(2)选择性选择性是指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、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。(3)灵敏性灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，一般以灵敏系数来描述。(4)速动性速动性是指保护装置应能尽快地切除短路故障，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电源或备用设备自动投入的效果等。2.2本设计的保护配置2.2.1牵引变压器的运行状态牵引变压器存在空载合闸、正常运行、短路故障、不正常运行几种状态。分析牵引变压器的运行状态是为了更好地研究继电保护装置的构成原理及其整定计算。(1)牵引变压器的空载合闸牵引变电所建成投运、变压器检修后投运及采用固定备用方式的运行变压器故障后备用变压器的投入，均进行空载合闸。变压器空载合闸时，有如下特点。①产生较大的冲击性励磁电流，简称为励磁涌流。励磁涌流只流过变压器电源侧绕组。②励磁涌流的大小，与变压器合闸瞬间电源电压的初相角及铁芯中的剩磁大小有关，严重时可达变压器额定电流的6～8倍。③励磁涌流波形的波宽较窄，且有很大的间断区（80电角度以上），并含有大量的二次谐波电流分量和衰减性直流分量（非周期分量）。(2)变压器的短路故障根据短路地点的不同，分为油箱内部短路故障和油箱外部套管及引出线上的短路故障。当油箱内部出现各种类型的短路故障时，短路点处的高温电弧将会损坏线圈的绝缘，也会使绝缘物剧烈气化，产生大量的瓦斯气体，造成油箱内压力剧增。当发生油箱外短路故障时，将导致供电电压的严重降低并导致变压器线圈的过热，加速线圈绝缘老化。(3)变压器的不正常运行状态自动化与电气工程学院继电保护课程设计-3-包括变压器过负荷运行、变压器外部负荷侧短路故障引起的线圈过电流、油箱严重漏油、变压器过热等。2.2.2牵引变压器的保护方式牵引变压器在牵引供电系统中具有十分重要的作用，运行中会发生危害特别严重的短路故障，因此必须对牵引变压器设置性能完善的保护装置。牵引变压器保护装置的设置必须满足以下要求：(1)当变压器正常运行和空载合间以及外部故障被切除时，保护装置不应动作。(2)当变压器发生短路故障时，保护装置应可靠而迅速地动作。(3)当变压器出现不正常运行状态时，保护装置应能给出相应的信号。根据电力设计规程的规定，牵引变压器应设置主保护、后备保护和辅助保护。2.2.3主保护配置主保护由瓦斯保护和纵联差动保护构成，用于反应变压器上的短路故障。瓦斯保护用于反应变压器油箱内部的短路故障。纵联差动保护既能反应变压器油箱内的短路故障，也能反应油箱外引出线及母线上发生的短路故隐。主要保护为瞬时动作，且动作后变压器各侧断路器均跳闸，变压器退出运行。2.2.4后备保护配置(1)过电流保护作为变压器短路故障的后备保护。当主要保护拒动时，由后备保护经一定延时后动作，变压器退出运行。过电流后备保护包括变压器110kV侧过电流保护和中性点零序过电流保护。110kV侧过电流保护实际采用低电压起动的过电流保护，以提高过电流保护的灵敏度。中性点零序过电流保护作为变压器高压侧接地短路故障及相邻元件（110kV进线）接地短路故障的后备保护。(2)变压器外部短路故障的电流保护该保护设于变压器的27．5kV侧，作为27．5kV母线短路故障的保护和牵引网短路故障的后备保护。为提高过电流保护的灵敏度，实际也采用低电压启动的过电流保护。需要指出的是，当变压器外部发生短路故障时，主要保护是不动作的，若27.5kV侧低压起动过电流保护拒动，则可由110kV侧低压起动过电流保护经延时后动作，变压器退出运行。但故障影响范围扩大了。2.2.5辅助性保护辅助性保护包括变压器的过负荷保护。过热保护和轻瓦斯保护。保护动作后，只发出相应的信号。过负荷保护用于监视变压器的过负荷运行，设于变压器110kV侧两重负荷相上。过热保护用于监视变压器油箱内上层的油温。当油温超过允许值时，过热保护自动化与电气工程学院继电保护课程设计-4-动作，发出“变压器过热”信号。轻瓦斯保护用于反应变压器油箱内的轻微短路故障和油面的严重降低。由瓦斯继电器的“轻瓦斯”接点实现。轻瓦斯保护动作后，发公“轻瓦斯动作”信号。3.保护的配合及整定计算3.1主保护的整定计算3.1.1动作电流计算值的确定(1)躲开变压器的励磁涌流tnrelOPIKI(3.1)式中：relK为可靠系数，取relK=1.3；TNI为变压器基本侧额定电流。(2)躲开电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷电流：maxLrelOPIKI(3.2)式中：relK为可靠系数，取relK=1.3；maxLI为变压器基本侧的最大负荷电流，当无法确定时，可用变压器的额定电流。(3)躲开外部短路时的最大不平衡电流)(3.2.1.unbunbunbrelOPIIIKI(3.3)其中：max1.KTisunpunbIfKKImaxmax2..mKmhKhunbIUIUI式中：maxKI为最大外部短路电流周期分量；Tf为电流互感器相对误差，取Tf=0.1；unpK为非周期分量系数；max.2.2.max.1.1.3..kerKerunbIfIfI自动化与电气工程学院继电保护课程设计-5-isK为电流互感器同型系数；hU、mU为变压器高、中压侧分接头改变而引起的误差；maxhKI、maxmKI为在外部短路情况下，流经相应调压侧最大短路电流的周期分量；max.1.KI、max.2.KI为在外部短路时流过所计算的Ⅰ、Ⅱ侧相应电流互感器的短路电流；1.erf、2.erf为继电器整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差。题目所计算变压器为双绕组变压器所以上式可改为：maxmax)(3.1KerTisunbrelOPIfUfKIKI(3.4)式中：maxKI为外部短路时流过基本侧的最大短路电流；isK为同型系数；Tf为电流互感器10%误差；erf为继电器整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差，求计算动作电流时先用0.05进行计算。(4)基本侧工作线圈的匝数基本侧工作线圈匝数的计算公式为TAOPconrOPrOPcalWnIKIIAWW0(3.5)式中：calWW为基本工作线圈计算匝数；0AW为继电器动作安匝；rOPI为继电器动作电流；TAn为基本侧电流互感器变比；按继电器实际抽头选用差动线圈的整定匝数时应该calWse。根据选用的基本侧工作线圈匝数seWW算出继电器的实际动作电流rOPI和保护的一次动作电流：自动化与电气工程学院继电保护课程设计-6-seWrOPWAWI0(3.6)conTArOPOPKnII(3.7)工作线圈匝数等于差动线圈和平衡线圈之和，即：sebsedse(3.8)式中sedW为差动线圈整定匝数；sebW为平衡线圈整定匝数。(5)非基本侧平衡线圈匝数的确定题目所给变压器为双绕组变压器所以有：sedseWnbbcnlnbWWIIW..22.(3.9)式中bI2、nbI2为基本侧、非基本侧流入继电器的电流；非基本侧的平衡线圈senbW.按四舍五入计算；(6)确定相对误差相对误差的计算公式如下：senbcalnbsenbcalnber(3.10)若计算有效05.0erf则应根据erf的实际值带入式中重新计算动作电流。(7)校验灵敏度灵敏度校验公式为2minbOPKconsenIIKK(3.11)式中：minKI为变压器内部故障时归算至基本侧的最小短路电流；若为单电源变压器应为归算至电源侧的最小短路电流；conK为接线系数；bOPI基本侧保护一次动作电流；若为单侧电源变压器应为电源侧保护一次动作电自动化与电气工程学院继电保护课程设计-7-流。如果灵敏度约为2，且算出的继电器整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差小于1初算时采用的0.05，而动作电流又是按躲过外部短路时的不平衡电流决定，则可按灵敏度条件选择动作电流，检查此电流是否满足励磁涌流、电流互感器二次回路断线的要求。然后确定各线圈的计算匝数和整定匝数。(8)动作值的计算变压器额定电流：110kV侧AIN7.7811031500027.5kV侧AIN9.3145.27315000电流互感器二次侧电流：110kV侧：A28.2607932N1I27.5kV侧：A75.1180315N2I最大负载电流:A4.3465.2731.0NNL.maxPPI动作电流：①按躲过外部最大电流计算由题：23.031TA2tTA1zannnf%5U1stK1npKA9121.0k.maxstnpzaunb.maxIKKUfIA6.1185maxunbrelsetIKI②按躲过变压器最大励磁电流计算由题：1uKA5.409NurelsetIKKI③按二次断线计算由题：A450maxLrelsetIKI自动化与电气工程学院继电保护课程设计-8-灵敏度：27.1setk.minsenIIK3.2后备保护的整定计算3.2.1过电流保护过电流保护装置的动作电流ACTI，应能躲开变压器正常运行时的最大负荷电流maxLI。过电流保护的灵敏系数senK按式ACTksenIIKmin计算。作为主保护时，senK用变压器负荷侧母线最小两相短路电流校验，应不小于1.5，作为后备保护时，senK用保护区末端最小两相短路电流校验，应不小于1.25。过电流保护的时限特性应按阶梯形原则确定。AIKKKILRssRELACT6.7334.34685.05.12.1max7.26.7332000minACTksenIIK满足灵敏度要求可以使用。3.2.2低电压启动的过电流保护低电压启动的过电流保护增加低电压启动元件后，只有当电流增大，电压降低且都达到整定值时，保护装置才能动作于跳闸。低电压启动过电流保护的整定原则如下：过电流元件：动作电流按式NRRELACTIKKI确定。灵敏系数按式ACTksenIIKm