110KV降压变电所变压器保护设计

前言变电站是电力系统的重要组成部分，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用，直接影响整个电力系统的安全与经济运行。

变压器则是变电所的核心灵魂式设备，变压器的继电保护设计便成了构成电力系统设计的重要环节。

当电力系统发生故障或异常工况时，继电保护可以在可能实现的最短时间和最小区域内自动将故障设备从系统中切除，或者给出信号由值班人员消除异常工况的根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。

从而实现对电力系统的故障保护、故障切除、故障报警，为电力系统的安全运行提供保障。

本次设计为110kV降压变电所变压器的继电保护的初步设计，大致可分为设计说明书、计算书和设计图纸三部分。

所设计的内容力求概念清楚，层次分明。

本文是在沈阳工程学院自动控制工程系郭永树教授的精心指导下完成的。

郭老师治学严谨、知识广博、善于捕捉新事物、新的研究方向。

在毕业设计期间郭老师在设计的选题和设计思路上给了我很多的指导和帮助。

郭老师循循善诱的教学方法、热情待人的处事方式、一丝不苟的治学态度、对学生严格要求的敬业精神给我留下了很深的印象。

在此，我对恩师表示最崇高的敬意和最诚挚的感谢！本文从电气主接线设计、短路电流计算、主要电气设备选择、继电保护配置等几方面对变电站电气主接线设计进行了阐述，并绘制了电气主接线图。

由于本人水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请各位老师批评指正。

- 1 -第1章概述1.1变压器的故障分析与保护设置1.1.1 变压器的故障分析电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件,为了供电的可靠性和系统正常运行,就必须视其容量的大小、电压的高低和重要程度,设置相应的继电保护装置。

变压器的内部故障可以分油箱内部和油箱外部故障两种。

油箱内部的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的绕损等,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气化,从而可能引起爆炸,因此,这些故障应该尽快加以切除。

油箱外的故障,主要是绝缘套管和引出线上发生相间短路和接地短路。

变压器的不正常运行状态主要有:由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压;由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因引起的油面降低。

1.1.2 变压器的保护设置此外,对大容量变压器,由于其额定工作时的磁通密度接近于铁芯的饱和磁通密度,因此,在过电压或低频率等异常运行方式下,还会发生变压器的过励磁故障。

针对电力变压器的上述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。

（1）组的相间短路和中性点直接接地侧的单相短路；（2）绕组的匝间短路；（3）外部相间短路引起的过电流；（4）中性点直接接地电网中，外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；（5）过负荷；（6）过励磁；（7）油面下降；（8）变压器温度及油箱压力升高和冷却系统故障。

1.1.2.1电力变压器应装设的保护装置(1)线圈及其引出线的相间短路、中性点直接接地侧的接地短路、绕组的匝间短路，应装设瞬时动作作于跳闸的保护装置。

(2)外部相间短路引起的过电流，直接接地电力网外部接地短路引起的过电流，中性点过电压，应装设带时限动作于跳闸的保护装置。

(3)变压器过负荷、油面降低、变压器温度升高和冷却系统故障时，应装设信号装置- 2 -1.1.2.2 对变压器保护装置的要求(1)对变压器内部故障和油面降低采用瓦斯保护，油面降低和轻瓦斯时，应动作与信号；重瓦斯则动作与跳闸，断开变压器各测的断路器。

(2)对变压器引出线、套管及内部故障，采用纵联差动保护或电流速段保护。

故障时，断开变压器各侧的断路器。

(3)对变压器外部的相间短路，一般采用过电流保护，如过电流保护灵敏度不满足要求时，可装设复合电压或低电压启动的过电流保护，过电流保护均装设在主电源侧。

根据实际情况本设计对变压器采用纵联差动保护、过负荷保护和瓦斯保护三种保护形式。

1.1.2.3 保护装置选择（见表1-1）变压器保护装置选择1.2 电力变压器的主保护(1) 0.8M VA及以上的油浸式变压器和0.4M VA及以上的车间内油浸式变压器,均应装设瓦斯保护。

当壳内故障产生轻微瓦斯或油面下降时,应瞬时动作于信号;当产生大量瓦斯时,应动作于断开变压器各侧断路器。

带负荷调压的油浸式变压器的调压装置,亦应装设瓦斯保护。

(2) 6.3M VA以下厂用工作变压器和并列运行的变压器,以及10M VA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。

(3) 对6.3M VA及以上的厂用工作变压器和并列运行的变压器,10M VA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器,应装设纵联差动保护(以下简称纵差保护)。

(4) 对高压侧电压为330kV及以上的变压器,可装设双重纵差保护。

(5) 纵差保护应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流,应在变压器过励磁时不误动。

差动保护的范围应包括变压器绕组、套管及其引出线。

(6) 对ll0kV及以上中性点直接接地电网中的变压器,应在变压器中性点接地线上装设反应接地故障的零序电流保护。

对于只有部分变压器中性点接地运行的变电所,当变压器为分级绝缘时,零序保护动作时应首先切除中性点不接地运行的变压器,如果故障未消失再切除中性点接地的变压器,以防止中性点不接地运行变压器出现危害的过电压。

(7) 对高压侧电压为500kV或容量在240M VA及以上的变压器,当频率降低和电压升高引起的变压器工作磁密过高,应装设过励磁保护。

保护由两段组成,低定值段动作于信号,高定值段动作于跳闸。

- 3 -(8) 对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障,应按电力变压器标准要求,装设作用于信号或动作于跳闸的装置。

1.3 电力变压器的后备保护为防止外部相间短路引起的变压器过电流及作为变压器主保护的后备保护，变压器配置相间短路的后备保护。

保护动作后，应带时限动作于跳闸。

规程规定：(1)过电流保护宜用于降压变压器；(2)当过电流保护的灵敏度不够时，可采用低电压起动的过电流保护，主要用于升压变压器或容量较大的降压变压器；(3)复合电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流保护，宜用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护不符合灵敏度要求的降压变压器；(4)负序电流和单项式低电压起动的过电流保护，可用于63MVA及以上升压变压器；(5)按以上两条装设保护不能满足灵敏性要求和选择性要求时，可采用阻抗保护。

即变压器的相间短路后备保护首先考虑采用过电流保护,当过电流保护满足不了灵敏度要求时,可选用复合电压起动的过电流保护,若仍满足不了灵敏度的要求。

则可选择阻抗保护。

外部相间短路保护应装于变压器下列各侧，各项保护的接线，宜考虑能反映电流互感器与断路器之间的故障：(1) 双绕组变压器,后备保护应装在主电源侧,根据主接线情况,保护可带一段或两段时限,以较短的时限缩小故障影响范围,跳母联或分段断路器;较长的时限断开变压器各侧的断路器。

(2) 三绕组变压器和自耦变压器,后备保护要分别装在主电源侧和主负荷侧。

主电源侧的保护带两段时限,以较短的时限断开未装保护侧的断路器,主负荷侧的保护动作于本侧断路器。

当上述方式不符合灵敏性要求时,可在各侧装设后备保护。

各侧保护应根据选择性的要求考虑加装方向元件。

(3) 0.4M VA及以上的变压器应设置过负荷保护,其动作时间应大于电动机的自启动时间,-般动作于信号。

(4)对低压侧有分支，并接至分开运行母线段的降压变压器，除在电源侧装设保护处，还应在每个支路装设保护。

(5)对发电机变压器组，在变压器低压侧，不应另设保护，而利用发电机反应外部短路的后备保护。

在厂用分支线上，应装设单独的保护，并使发电机的后备保护带两段时限，以便在外部短路时，仍能保证厂用负荷的供电。

(6)500kv系统联络变压器高、中压侧均应装设阻抗保护。

保护可带两段时限，以较短的时限用于缩小故障影响范围；较长的时限用于断开变压器各侧断路器。

多绕组变压器的外部相间短路保护，根据其型式及接线的不同，可按下述原则进行简化：- 4 -(1)220kv及以下三相多绕组变压器，除主电源侧外，其他各侧保护可仅作本侧相邻电力设备和线路的后备保护。

(2)保护对母线的各类故障应符合灵敏性要求。

保护作为相邻线路的远后备时，可适当降低对保护灵敏系数分得要求。

1.4 继电保护的原理性介绍(1) 变压器的纵联差动保护及其原理。

所谓变压器的纵联差动保护，是指由变压器的一次和二次电流的数值和相位进行比较而构成的保护。

纵联差动保护装置，一般用来保护变压器线圈及引出线上发生的相间短路和大电流接地系统中的单相接地短路。

对于变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常只作后备保护。

纵联差动保护装置由变压器两侧的电流互感器和继电器等组成，两个电流互感器串联形成环路，电流继电器并接在环路上。

因此，流经继电器的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差。

在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧电流大小相等，相位相同，因此流经继电器的差电流为零，但如果在保护区内发生短路故障，流经继电器的差电流不再为零，因此继电器将动作，使断路器跳闸，从而起到保护作用。

变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的变压器纵差保护的原理要求变压器在正常运行和纵差保护区（纵差保护区为电流互感器TA1、TA2之间的范围）外故障时，流入差动继电器中的电流为零，保证纵差保护不动作。

但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。

(2) 瓦斯保护。

瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。

当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同。

瓦斯保护就是利用反应气体状态的瓦斯继电器（又称气体继电器）来保护变压器内部故障的。

在瓦斯保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板，两者都装有密封的水银接点。

浮筒和档板可以围绕各自的轴旋转。

在正常运行时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，处于上浮位置，水银接点断开；档板则由于本身重量而下垂，其水银接点也是断开的。

当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于瓦斯继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，接通延时信号，这就是所谓的“轻瓦斯”；当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方- 5 -向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，这就是所谓的“重瓦斯”。