某35kV变电所主变压器继电保护设计

课程设计说明书

设计题目：某35kV变电所主变压器继电保护设计专业：供用电技术

班级学号：10261班

学生姓名：

指导教师：张祥军

2013年1月3日一、继电保护的概述 (3)

1、继电保护综述 (3)

2、继电保护装置组成 (3)

3、继电保护装置基本任务 (3)

4、对继电保护装置的基本要求： (3)

二、任务要求： (3)

三、估算计算负荷电流 (4)

四、短路电流及其计算 (4)

1、最小运行方式： (4)

2、最大运行方式： (5)

五、变压器的故障类型和不正常运行状态 (6)

六、电力变压器继电保护方案确定 (7)

七、瓦斯保护 (7)

1、瓦斯保护原理图 (7)

八、定时限过流保护 (8)

1、原理接线图： (8)

2、整定计算： (8)

3、灵敏度校验 (9)

4、各种继电器选型 (10)

九、变压器纵联差动保护 (10)

1、原理接线图 (10)

2、整定计算及灵敏度校验 (10)

3、电流互感器选择及差动继电器选型 (13)

十、变压器过负荷保护 (13)

1、变压器过负荷保护原理图 (13)

2、过负荷保护整定计算 (13)

3、各种继电器选型 (13)

十一、以上保护原理接线全图（A3号图纸1张） (14)

参考文献： (14)一、继电保护的概述

1、继电保护综述

对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施。

2、继电保护装置组成

继电保护装置：就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

继电保护装置的组成:

（3）继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可靠性。

4、对继电保护装置的基本要求：

选择性、速动性、灵敏性、可靠性

二、任务要求：

电压等级35/10kV，有甲、乙两个变电所提供电源，均采用单回路电源供电，

距离待设计变电所分别为15km和10km，采用LGJ-50架空导线供电，短路容量

分别为200MVA和250MV A。甲、乙两个变电所提供电源的定时限过电流保护

动作时限均为2.0s。35kV出线共2回，所接负荷为化工厂。10kV出线共5回，

其中3回架空出线，每回输电容量为1200kW，2回电缆线路，每回输电容量为1700kW，以一、二级负荷为主，负荷线路长度为10km。35kV单母线分段接线，10kV单母线分段接线。主变压器两台S9-6300/35kV，Y，d11接线变压器。以两

个电源全投入运行，负荷全投，母线分段断路器合闸运行为最大运行方式；以乙电源停运，电缆停运，分段断路器断开运行为最小运行方式。

三、估算计算负荷电流

I 30=U S N N 13=

35

36300 A=103.9A 四、短路电流及其计算

1、最小运行方式：

短路电流计算图

等效电路图

取基准值：S d =100MV·A ，U 1c =37KV ，U 2C =10.5KV

I 1d =1

3c d

U S =373100⨯=1.56KA I 2d =

23c d

U S =5.103100⨯=5.50KA X *1=oc d S S =200

100=0.5X *2=0.4⨯15⨯

237100=0.44X *3=X *4=N

d k S S U 10000⨯=6300100101005.73⨯⨯⨯=1.19K-1点短路电流

X *

)1(∑

-K =X *1+X *2=0.5+0.44=0.94I )3(1-K =*

)1(1

∑-k d X I =94

.056.1KA=1.66KA K-2点短路电流

X *

)2(∑

-K =X *1+X *2+X *3=0.94+1.19=2.13I )3(2-K =*

)2(2

∑

-k d X I =5.50/2.13KA=2.58KA 折算到35KV 侧:I d21max =I 1d /X *)2(∑-K =1.56/2.13=0.73(KA)

2

、最大运行方式：

短路电流计算图

等效电路图

取基准值：S d =100MV·A ，U 1c =37KV ，U 2C =10.5KV

I 1d =1

3c d

U S =373100⨯KA=1.56KA I 2d =

23c d

U S =5.103100⨯KA=5.50KA X *1=oc d S S =200

100=0.5X *2=0.4⨯15⨯237

100=0.44X *3=X *4=N

d k S S U 10000⨯=6300100101005.73⨯⨯⨯=1.19X *5=1oc d S S =250

100=0.4X *6=0.4⨯10⨯

237100=0.29K-1点短路电流

()92.36

512113

1=+++=****-X X I X X I I d d k KA K-2点短路电流

)3(2-K I =******+++++465232122121X X X I X X X I d d =7.86KA

折算到35KV 侧:

I d21max =()

T k K I /32-=7.86⨯10.5÷37=2.23KA 五、变压器的故障类型和不正常运行状态

电力变压器故障可分为油箱内部和油箱外部两种故障。油箱内部故障主要包

括变压器绕组的相间短路、匝间短路、单相接地短路和铁芯烧损等。对变压器来

讲，这些故障都是十分危险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈汽化，从而可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加以切除。油箱外部故障最常见的是绝缘

套管引出线上发生相间短路或接地（对变压器外壳）短路故障，它可能引起变压器绝缘套管爆炸，从而影响电力系统的正常运行。因此，变压器发生故障时，必须将其从电力系统中切除。

变压器不正常运行状态有油箱漏油造成的油面降低，由于外部短路故障引起的过电流，变压器油温升高，由于负荷超过额定值引起的过负荷使变压器绕组过热加速绕组绝缘老化甚至引起内部故障等。

六、电力变压器继电保护方案确定

变压器为变电所的核心设备，根据其故障和不正常运行的情况，从反应各种不同故障的可靠、快速、灵敏及提高系统的安全性出发，设置相应的主保护、异常运行保护和必要的辅助保护。于本设计而言，因为容量关系不采用速断保护，采用瓦斯保护，过电流保护采用定时限过流保护，高压侧电压没有5000KV 故不采用励磁保护。具体情况如下：

1．主保护：瓦斯保护（以防御变压器内部故障和油面降低）、纵差动保护（以防御变压器绕组、套管和引出线的相间短路）。

2．后备保护：过电流保护（以反应变压器外部相间故障）、过负荷保护（反应由于过负荷而引起的过电流）。

七、瓦斯保护

1、瓦斯保护原理图

轻瓦斯保护的动作值按气体容积为250～3003cm 整定，本设计采用2803cm 。重瓦斯保护的动作值按导的油流速度为0.6～1.5m/s 整定本，本设计采用1m/s。

瓦斯继电器选用QJ1-80型。

八、定时限过流保护

1、原理接线图：

当一次电路发生短路时，电流继电器KA 瞬时动作，闭合其触点，使时间继电器KT 动作。KT 经过整定时限后，其延时触点闭合，使串联的信号继电器（电流型）KS 和中间继电器KM 动作。KS 动作后，其指示牌掉下，同时接通信号回路，给出灯光信号和音响信号。KM 动作后，接通跳闸线圈YR 回路，使断路器QF 跳闸，切除短路故障。QF 跳闸后，其辅助触点随之切断跳闸回路。在短路故障被切除后，继电保护装置除KS 外的其他所有继电器均自动返回起始状态，而KS 可以手动复位。

2、整定计算：

（1）定时限保护动作电流整定

定时限保护动作电流整定原则：

应躲过变压器一次侧的最大工作电流，常取I max .L =（1.5~3）I T N 。1式中，I T N 。1为变压器的一次额定电流。

动作电流为：

I op =

i

re w

rel K K K K I max

.L （3-1）

式中

I max .L 为变压器一次侧的最大工作电流;

rel K 为保护装置的可靠系数，对DL 型定时限，取1.2；

w K 为保护装置的接线系数，对两相两继电器式接线取1，对两相一继电器

接线取1.3；

re K 为电流继电器的返回系数，一般取0.85；

i K 为电流互感器的变流比，本设计取200/5。

I op =

.85

0402

.91031.21⨯⨯⨯⨯=7.4A

可选取电流整定范围为2.5-10A 的DL 型电流继电器,并整定为8A 。(因为I op 只能为整数。)

（2）定时限保护的时限整定

时限整定原则:

应比变压器二次母线各馈出线定时限过流最大的时限大一个时限阶段（Δt=0.5s），即：

t 1≥2t +∆t

（3-2）

式中

t 1在后一级保护的线路首段发生三相短路时，前一级保护的动作时间；

2t 后一级保护中最长的一个动作时间

∆t 前后两级保护装置的时间级差，对定时限过电流保护取0.5S。

本设计题目给出电源的定时限过流保护动作时限均为2S,故时限整定为2t =t 1-∆t =2S-0.5S=1.5S。

可选时间继电器整定范围为1.2-5S 的DS 型时间继电器，并整定在1.5S 上。3、灵敏度校验

灵敏度校验原则：

应以系统在最小运行方式下，变压器二次母线发生两相短路流经一次侧的电流来校验，即：

p S =

1

.op 2min

k I I ）（≥1.5（3-3）

式中

)2(min k I 在电力系统最小运行方式下，变压器二次母线发生两相短路电流

)

2(min

k I

=)

2(2k -I /T k =0.866⨯2.58KA/(37KV/10.5KV)=0.634KA 1.op I 动作电流折算到一次电路的值:

1.op I =op I i k /w k =8A ⨯40/1=320A p S =634A/320A=1.98>1.5

满足灵敏系数要求。

4、各种继电器选型

电流继电器的选择：DL-11/10电流互感器的选择：LQJ-10/160信号继电器的选择：DX-17时间继电器的选择：DS-35C 中间继电器的选择：DZ-15

九、变压器纵联差动保护

1、原理接线图

如图，当变压器正常工作或差动保护区外（如：二次母线k-1点）短路时，流入KA 的电流，差值很小，KA 不动作。当在差动保护区内（如：变压器二次出口k-2点短路时），所以继电器动作，使QF 跳闸。

2、整定计算及灵敏度校验

纵联差动保护：

计算Ie 及电流互感器变比，列表如下：

名称

各侧数据

Y（35KV）

Δ（10.5KV）

额定电流9

.1033/11==e e U S I A

U S I e e 4.3463/22==变压器接线方式Y ΔCT 接线方式Δ

Y

CT 计算变比K TA 5

/1805/31=e I 5

/4.3465/2=e I 实选CT 变比n l

200/5400/5

实际额定电流A

I e 50.440/31=A

I e 33.480/2=不平衡电流I unb

4.50-4.33=0.17A

确定基本侧

基本侧

非基本侧

确定基本侧一次动作电流：

（1）躲过外部故障时的最大不平衡电流max .set unb I I >利用实用计算式

max

.max .%10k N st rel unb rel op I f U K K I K I ）（∆+∆+==式中：rel K —可靠系数，采用1.3；

st K —同型系数，CT 型号相同且处于同一情况时取0.5，型号不同时取

1，本设计取1；

10%—电流互感器容许的最大相对误差；

ΔU—变压器调压时所产生的相对误差，采用调压百分数的一半，本设计

取0.05；

ΔN f —继电器整定匝书数与计算匝数不等而产生的相对误差，暂无法求

出，先采用中间值0.05。

代入数据得:

op I =1.3×(1×0.1+0.05+0.05)×2230×2

1

=2.9（A）

（2）躲过变压器空载投入或外部故障后电压恢复时的励磁涌流

set I =rel K e

I （3-10）

式中：rel K 为可靠系数，采用1.3；

e I 为变压器额定电流。

代入数据得

set I =1.3⨯103.9=135.1A

（3）躲过电流互感器二次回路短线时的最大负荷电流

max

.rel set L I K I =（3-11）

式中：rel K —可靠系数，采用1.3；

max .L I —变压器的最大负荷电流；采用变压器的额定电流的2倍。

代入数据得：set I =1.3⨯103.9⨯2=270.14A

比较上述（1），（2），（3）式的动作电流，取最大值为计算值，即：

set I =2.9（A）整定为290A

确定二次动作电流：

25.75

2001

290=⨯=

=

⋅K

K I I TA con

op

KD op ()A （con K —基本侧电流互感器接线系数取1）确定BCH-2型差动继电器基本侧（35KV 侧)各线圈匝数。该继电器在保持

2/='''K K N N 时其动作安匝为)40(600±=AN 安匝。27.825.7)

4(60.0.=±==

KD op cal op I AN N (匝）

实用匝数取为8.=set op N 匝。

817.1..=+=+=set b set d set op N N N （匝）

二次实际动作电流：5.78

60

.0.===set op KD op N AN I （A）一次实际动作电流：300.==

KD op con

TA

op I K K I （A)非基本侧平衡线圈2b N 的计算匝数:

)()(.12.21set d b N set d b N N N I N N I +=+70.07)71(5

.433

.4)(..112.2=-+⨯=-+=

set d set d b N N cal b N N N I I N (匝)，实用匝数取1匝

相对误差:039

.07

70.01

70.0..2.2.2-=+-=+-=

∆set d cal b set b cal b N N N N N f 05

.0≤∆N f ，结果有效

灵敏度校验：

10.5KV 侧母线两相短路时归算到35KV 侧流入继电器的电流为

()

()

375.275

200730323)3(233min .2.min .=⨯⨯==TA K KD

K K I （A)35KV 侧继电器动作电流

5.77

160

.2.0.=+=+=

set b set d KD op N N AN I （A)

差动保护装置的最小灵敏系数为

()265.35

.7375.27.2.min .>===KD op KD K sen

I I K 灵敏度满足要求。

3、电流互感器选择及差动继电器选型

本设计采用较经济的BCH-2型带有速饱和变流器的差动继电器，以提高保护装置的励磁涌流的能力。

电流继电器的选择：DL-11/10

电流互感器的选择：LQJ-10/160

信号继电器的选择：DX-17

中间继电器的选择：DZ-15

十、变压器过负荷保护

1、变压器过负荷保护原理图

TA 是电流互感器，KA 是电流继电器，当线路的电流大于额定值时，TA 输出到KA 的电流驱动电流继电器动作，电流继电器触点接通，时间继电器KT 得电吸合。当过电流的持续时间长于时间继电器设定的延时以后，延时闭合触点接通，向外输出超负荷信号。相关的执行机构就会作出规定的动作。

2、过负荷保护整定计算

过负荷保护：

其动作电流按躲过变压器额定电流来整定。动作带延时作用于信号。保护装置（一次侧）的动作电流：

T N ol op I I .1.)3.1~2.1(=继电器的动作电流：i

T N KA ol op K I I /)3.1~2.1(.1)..(=i T

N OL op K I I .1)(3.1=

38.340

9.1033.1)(op =⨯=OL I A 动作时限一般取10~15s。

3、各种继电器选型

电流继电器的选择：DL-11/10

电流互感器的选择：LQJ-10/160

信号继电器的选择：DX-17

十一、以上保护原理接线全图（A3号图纸1张）器件名称型号数量

瓦斯继电器(KG)QJ1-801

电流互感器(TA)LQJ-10/1604

电流继电器(KA)DL11/104

时间继电器(KT)DS-35C2

信号继电器(KS)DX175

差动电流继电器（KD）BCH-21

中间继电器(KM)DZ-152

参考文献：

李晶，路文梅《供电系统继电保护》

孙丽华《电力工程基础》

张祥军《供配电应用技术》