-试论变压器继电保护学士学位论文.doc
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1、常州机电职业技术学院常州机电职业技术学院毕业设计(论文)作 者: 熊永鹏 学 号: 40941238 作 者: 学 号: 作 者: 学 号: 系 部: 电气工程系 专 业: 供用电技术 题 目: 试论变压器继电保护 指导者:金旭栋评阅者: 年 月 摘要Undergraduate Design(Thesis)RELAY PROTECTION OF POWER SYSTEMBYXiong Yong-pengSupervised byLecturer Jin Xu-dong School of Electric Power EngineeringNanjing Institute of Techno
2、logyJune 2012 目录一摘要二变压器概述2.1变压器原理2.2.变压器结构与型号三变压器继电保护的任务与要求3.1继电保护装置的任务3.2继电保护的基本要求3.3电力变压器继电保护概述四电力变压器继电保护装置配置原则五电力变压器继电保护的类型 5.1过电流保护5.2电流速断保护5.3过负荷保护5.4变压器低压侧的单相短路保护5.5变压器的纵联差动保护5.6变压器的气体继电保护六电力变压器继电保护设计方案6.1 差动保护设计6.2 瓦斯保护设计6.3过电流保护设计6.4 设计结论七电力变压器继电保护的意义八结论九谢词十参考文献摘要电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备,它在整个电力系
3、统中起转换枢纽的作用,变压器的安全运行与否,直接关系到电力系统能否连续稳定地工作。因此,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。关键词:变压器、继电保护、设计方案Abstract变压器原理图一、变压器的工作原理下面以单相双绕组变压器为例分析其工作原理:在一个闭合的铁心上缠绕两个绕组,其匝数既可以相同,也可以不同,但一般是不同的。如图2.1所示,两个绕组之间只有磁的耦合,而没有电的联系。图2.1 单相双绕组变压器原理图 与电源相连的绕组,接受交流电能,通常称为原边绕组(初级绕组、一次绕组),以A、X标注其出线端;与负载相连的绕组,送出交
4、流电能,通常称为副边绕组(次级绕组、二次绕组),以a、x标注其出线端。原边的匝数、电压、电动势、电流分别以N1、u1、e1、i1来表示;副边的匝数、电压、电动势、电流分别以N2、u2、e2、i2来表示。当原边绕组接通电源,便会在铁心中产生与电源电压同频率的交变磁通。忽略漏磁,该磁通便同时与原、副边绕组相交链,耦合系数kc=1,这样的变压器称为理想变压器。根据电磁感应定律,可写出电压、电动势的瞬时方程式分别为 (21)于是可得电动势比:。若磁通、电动势均按正弦规律变化,k称为变压器的变比,也称为匝比,通常用有效值之间的比值来表示: (22)式(22)表明,变压器一、二次绕组的电压比就等于一、二次
5、绕组的匝数比。因此,要使一、二次绕组有不同的电压,只要使一、二次绕组有不同的匝数即可。 二、变压器的基本结构变压器的主要结构部件有:铁心和绕组两个基本部分组成的器身,以及放置器身且盛满变压器油的油箱。此外,还有一些为确保变压器运行安全的辅助器件。图2.2为一台油浸式电力变压器外形图。 1放油阀门 2绕组 3铁心 4油箱 5分接开关 6低压套管7高压套管 8气体继电器 9安全气道 10油表 11储油柜 12吸湿器 13湿度计 图2.2油浸式电力变压器 (一) 铁心表面具有绝缘膜的硅钢片铁心由铁芯柱和铁轭两部分组成,构成变压器磁路的主要部分。为了减小交变磁通在铁心中引起的损耗,铁心通常用厚度为0.
6、3 mm0.5mm、叠装而成。图2.3(a)、(b)所示的变压器,从外面看,线圈包围铁心柱,称为心式结构;图2.4所示的变压器,从外面看,铁心柱包围线圈,则称为壳式结构。小容量变压器多采用壳式结构。交变磁通在铁心中引起涡流损耗和磁滞损耗,为使铁心的温度不致太高,在大容量的变压器的铁心中往往设置油道,而铁心则浸在变压器油中,当油从油道中流过时,可将铁心中产生的热量带走。(二)绕组绕组构成变压器电路的主要部分。原、副边绕组一般用铜或铝的绝缘导线缠绕在铁心柱上。高压绕组电压高,绝缘要求高,如果高压绕组在内,离变压器铁心近,则应加强绝缘,提高了变压器的成本造价。因此,为了绝缘方便,低压绕组紧靠着铁心,
7、高压绕组则套装在低压绕组的外面。两个绕组之间留有油道,既可以起绝缘作用,又可以使油把热量带走。在单相变压器中,高、低压绕组均分为两部分,分别缠绕在两个铁心柱上,两部分既可以串联又可以并联。三相变压器属于同一相的高、低压绕组全部缠绕在同一铁心柱上。 只有绕组和铁心的变压器称为干式变压器。大容量变压器的器身放在盛有绝缘油的油箱中,这样的变压器称为油浸式变压器。 (a)单相心式变压器 (b)三相心式变压器 图2.3 心式结构变压器 图2.4 壳式结构变压器(三)其他结构部件变压器的器身放在装有变压器油的油箱内。变压器油既是一种绝缘介质,又是一种冷却介质。为使变压器油能长久地保持良好状态,在变压器油箱
8、上面装有圆筒形的储油柜。储油柜通过连通管与油箱相通,柜内油面高度随着油箱内变压器油的热胀冷缩而变动,储油柜使油与空气的接触面积减小,从而减少油的氧化和水分的侵入。另外气体继电器和安全气道是在故障时保护变压器安全的辅助装置。三、变压器的额定值按照国家标准规定,标注在铭牌上的,代表变压器在规定使用环境和运行条件下的主要技术数据,称为变压器的额定值(或称为铭牌数据),主要有:额定容量是变压器在正常运行时的视在功率,通常以SN来表示,单位为伏安(VA)或千伏安(kVA)。对于一般的变压器,原、副边的额定容量都设计成相等。额定电压:在正常运行时,规定加在原边绕组上的电压,称为原边的额定电压,以U1N来表
9、示;当副边绕组开路(即空载),原边绕组加额定电压时,副边绕组的测量电压,即为副边额定电压,以U2N来表示。在三相变压器中,额定电压系指线电压,单位为伏(V)或千伏(kV)。额定电流:是指根据额定容量和额定电压计算出来的电流值。原、副边的额定电流分别用I1N、I2N来表示,单位为安(A)。额定频率:我国以及大多数国家都规定fN=50Hz。额定容量、额定电压和额定电流之间的关系为: 单相变压器: 三相变压器: 此外,变压器的铭牌上还一般会标注效率、温升、绝缘等级等。小结:变压器是利用电磁感应的原理工作的。它具有变压、变流、变阻抗的作用。变压器一、二次绕组的电压比等于其匝数比。由铁心及绕组构成了变压
10、器的磁路和电路部分,亦即变压器的起身。变压器的额定值代表了变压器在规定使用环境和运行条件下的主要技术数据,使用时应正确的选择。 二电力变压器继电保护的任务与要求1.继电保护装置的任务继电保护装置是按照保护的要求,将各种继电器按一定的方式进行连接和组合而成的电气装置,其任务是:(1)故障动作于跳闸 在供配电系统出现故障时,反应故障的继电保护装置动作,使最近的断路器跳闸,切除故障部分,使系统的其他部分恢复正常运转,同时发出信号,提醒运行值班人员及时处理。(2)异常状态时发出报警信号 在供配电系统出现不正常工作状态时,如过负荷或出现故障苗头时,有关继电保护装置发出报警信号,提醒运行值班人员及时处理,
11、消除异常工作状态,以免发展为故障。2.继电保护装置的要求电力设备发生短路故障时,产生很大的短路电流;电网电压下降,电气设备过热烧坏;充油设备的绝缘油在电弧作用下分解产生气体,出现喷油甚至着火;导线被烧断,供电被迫中断。特别严重时电力系统的稳定运行被破坏,发电厂的发电机被迫解列,甚至可能引起电网瓦解。针对电气设备发生故障时的各种形态及电气量的变化,设置了各种继电保护方式:电流过负荷保护、过电流保护、电流速断保护、电流方向保护、低电压保护、过电压保护、电流闭锁电压速断保护、差动保护、距离保护、高频保护等,此外还有反映非电气量的瓦斯保护等。为了能正确无误而又迅速地切断故障,使电力系统能以最快速度恢复
12、正常运行,要求继电保护具有足够的选择性、可靠性、快速性和灵敏性。(1)选择性 当供配电系统发生故障时,离故障点最近的保护装置动作,切除故障,而系统的其他部分仍正常运行。满足这一要求的动作,称为“选择性动作”。如果系统发生故障时,靠近故障点的保护装置不动作(拒动作),而离故障远的前一级保护动作装置动作(越级动作),就叫做“失去选择性”。(2)可靠性 保护装置在应该动作时,就应该动作,不应该拒动作。而在不应该动作时,就不应该误动作。保护装置的可靠程度,与保护装置的原件质量、接线方案以及安装、整定和运行维护等多种因素有关。(3)快速性快速切除故障,可以把故障部分控制在尽可能轻微的状态,减小系统电压因
13、短路故障而降低的时间,提高电力系统运行的稳定性。但快速性有时会与选择性发生矛盾,这是就要根据具体情况,通过选取最佳保护配合方式以达到在确保所需选择性的基础上,达到令人满意的快速性。(4)灵敏性这是表征保护装置对其保护区内故障和不正常工作状态反应能力的一个参数。如果保护装置对其保护区内及其轻微的故障都能及时的反应动作,则说明保护装置的灵敏度高。灵敏度用“灵敏系数”(sensitive coefficient)来衡量。对过电流保护,其灵敏系数的定义为:S 式中,Ik.min为保护装置的保护区末端在系统最小运行方式时的最小短路电流;Iop.1为保护装置的一次侧动作电流,即保护装置动作电流Iop换算到
14、一次侧的值。 对低电压保护,其灵敏系数的定义为: Sp 式中,Uk.max为保护装置的保护区末端短路时,在保护装置安装处母线上的最大残余电压;Uop.1为保护装置的一次侧动作电压,即保护装置动作电压换算到一次电路侧的值。在GB50062-1992电力装置的继电保护和自动装置设计规范中,对各种继电保护的灵敏系数均有一个最小值的规定,应以此作为各种继电保护灵敏度检验的依据。 以上四项要求对于一个具体的保护装置来说,不一定都是同等重要的,而是往往有所侧重。但对于电力变压器,由于它是供配电系统中最关键的设备,因此对它的保护装置的灵敏度要求较高。 继电保护装置撤满足上述四项基本要求外,还应便于调试和维修
15、,且尽可能满足系统运行所要求的灵活性。P230(3)电力变压器继电保护概述310KV配电变压器的继电保护主要有过电流保护、电流速断保护。高压为610KV的配电变电所主变压器,通常装设有带时限的过电流保护。如果过电流保护的动作时间大于0.5-0.7s,则应补充装设电流速断保护。容量在800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA及以上的变压器,按规定应装设气体继电保护(通常瓦斯保护)。容量在400KVA及以上的变压器,当数台并列运行或单台运行并作为其他负荷的备用电源时,应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。过负荷保护及气体继电保护在变压器内部有轻微故障(通称“重瓦斯”)是,一般均动作于跳闸。对于
16、高压侧为35KV及以上的总降压变电所主变压器来说,也应装设过电流保护、电流速断保护、和气体继电保护,在有可能过负荷时,也需装设负荷保护。如果单台运行的变压器容量在10000KVA及以上或并列运行的变压器每台容量在6300KVA及以上时,则要求装设纵联差动保护来取代电流速断保护。三电力变压器继电保护装置配置原则在电力系统运行中,当电力系统发生故障或异常工况时,继电保护装置应实现在最短时间和最小区域内,自动将故障设备从系统中切除,或发出信号由值班人员消除异常工况根源,以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。其配置原则如下:1)对于6.3MVA及以上的常用工作变压器和并列运行的变压器,IOMV
17、A及以上厂备用变压器和单独运行的变压器,以及2MVA及以上用电流速断保护灵敏性不满足要求的变压器,应装设差动保护装置。对高压侧电压为330kV及以上的变压器,可装设双重差动保护装置。2)当在变压器油箱内部发生故障(包括轻微的匝间短路和绝缘破坏引起的经电弧电阻的接地短路)时,由于故障点电流和电弧的作用,将使变压器油及其它绝缘材料因局部受热而分解产生气体,它们将从油箱流向油枕的上部。当故障严重时,油会迅速膨胀并产生大量的气体,此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。因此,变压器应安装瓦斯保护装置。3)对由外部相间短路引起的变压器过电流,根据变压器容量和运行情况的不同以及对变压器灵敏度的要求不同
18、,可采用过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流和单相式低电压起动的过电流保护或阻抗保护作为后备保护、带时限动作于跳闸。四电力变压器继电保护的类型(1).变压器的过电流保护无论是采用电流继电器还是脱扣器,也无论是定时限还是反时限,变压器过电流保护的组成、原理与前面所讲电力线路过电流保护的组成、原理完全相同相同。变压器过电流保护动作电流的整定,也与电力线路过电流保护的整定基本相同,只是式(6-9)和式(6-10)中的Ll.max应取为(1.5-3)II.nt,这II.nt为变压器的额定一次电流。变压器过电流保护动作时间的整定,也与电力线路过电流保护的整定相同,也按“阶梯原则”整定。但对电力
19、系统的终端(用户)变电所,其动作时间可整定为最小值(0.5)。变压器过电流保护的灵敏度,按变压器低压侧母线在系统最小运行方式下发生两相短路时换算到高压侧的短路电流值Ik.min来检验,要求灵敏系数SP1.5。如果SP达不到要求,可采用低电压闭锁的过电流保护。(2).变压器的电流速断保护变压器的电流速断保护,其组成、原理也与电力线路的电流速断白虎完全相同。变压器电流速断保护的动作电流(速断电流)的整定计算公式与线路电流速断保护的基本相同,只是式(6-19)中的IK.MAX应取为低压母线的三相短路电流周期分量有效值换算到高压侧的短路电流值,及变压器电流速断保护的速断电流应按躲过低压母线三相短路电流
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