变压器继电保护

沈阳工程学院课程设计（论文）

1.摘要

继电保护在电力的生产、输送及使用过程中都起到了至关重要的作用，为保证供电的可靠性做出了极大的贡献。其中对变压器的保护是重要的一部分，在电力的传输中变压器是至关重要的设备，完成电压等级的变换。对变压器的保护是电力系统继电保护的重要组成部分。

继电保护是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。因此，加强继电保护的设计和整定计算，是保证电网安全稳定运行的重要工作。实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。本次设计是对某三绕组变压器继电保护的设计，气体保护和总差动保护组成了变压器的主保护，过电流保护是变压器的后备保护，另外还涉及了零序电流保护。设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。电网继电保护和安全自动装置应符合可靠性、安全性、灵敏性、速动性的要求。要结合具体条件和要求，从装置的选型、配置、整定、实验等方面采取综合措施，突出重点，统筹兼顾，妥善处理，以达到保证电网安全经济运行的目的。

关键词：继电保护变压器短路电流整定计算

变压器继电保护设计

2.设计基本资料

已知两台变压器均为三绕组、油浸式、强迫风冷、分级绝缘，其参数：SN=31.5MVA，电压：110±4⨯2.5%/38.5±2⨯2.5%/11kV，接线：YN/y/d11(Y0/y/∆-11-12)。短路电压：UHM(%)=10.5；UH,L(%)=17;UML(%)=6。两台变压器同时运行，110kV侧的中性点只有一台接地；若只有一台运行，则运行变压器中性点必须接地，其余参数如图所示。（图中的L1的参数改为L1=20km）

电气主接线图

图2.1 电气主接线图

当电力系统发生故障或异常工况时，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。

沈阳工程学院课程设计（论文）

3 继电保护理论知识

3.1 继电保护概述

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，所以称继电保护。

3.2 基本原理和保护装置的组成

继电保护装置的作用是起到反事故的自动装置的作用，必须正确地区分“正常”与“不正常”运行状态、被保护元件的“外部故障”与“内部故障”，以实现继电保护的功能。因此，通过检测各种状态下被保护元件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别。依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护：

(1)反映电气量的保护

电力系统发生故障时，通常伴有电流增大、电压降低以及电流与电压的比值(阻抗)和它们之间的相位角改变等现象。因此，在被保护元件的一端装没的种种变换器可以检测、比较并鉴别出发生故障时这些基本参数与正常运行时的差别．就可以构成各种不同原理的继电保护装置。

除此以外，还可根据在被保护元件内部和外部短路时，被保护元件两端电流相位或功率方向的差别，分别构成差动保护、高频保护等。同理，由于序分量保护灵敏度高，也得到广泛应用。新出现的反映故障分量、突变量以及自适应原理的保护也在应用中。 (2)反映非电气量的保护

如反应温度、压力、流量等非电气量变化的可以构成电力变压器的瓦斯保护、温度保护等。

继电保护相当于一种在线的开环的自动控制装置，根据控制过程信号性质的不同，可以分模拟型和数字型两大类。对于常规的模拟继电保护装置，一般包括测量部分、逻辑部分和执行部分。测量部分从被保护对象输入有关信号，再与给定的整定值比较，以判断是否发生故障或不正常运行状态；逻辑部分依据测量部分输出量的性质、出现的顺序或其组合，进行逻辑判断，以确定保护是否应该动作；执行部分依据前面环节判断得出的结果子以执行：跳闸或发信号。

变压器继电保护设计

3.3 对继电保护的要求

继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。

（1）选择性

选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。

（2）速动性

速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。

（3）灵敏性

灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。

系统最大运行方式：被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；

系统最小运行方式：在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。

（4）可靠性

可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。

安全性：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。信赖性：要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。

以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。

4 电力变压器继电保护设计

4.1 变压器瓦斯保护

沈阳工程学院课程设计（论文）

变压器瓦斯保护的主要元件就是瓦斯继电器，变压器瓦斯保护是利用安装在变压器油箱与油枕间的瓦斯继电器来判别变压器内部故障；当变压器内部发生故障时，电弧使油及绝缘物分解产生气体。故障轻微时，油箱内气体缓慢的产生，气体上升聚集在继电器里，使油面下降，继电器动作，接点闭合，这时让其作用于信号，称为轻瓦斯保护；故障严重时，油箱内产生大量的气体，在该气体作用下形成强烈的油流，冲击继电器，

使继电器动作，接点闭合，这时作用于跳闸并发信，称为重瓦斯保护。

图4.1 变压器瓦斯保护接线图

变压器继电保护设计

图4.2 变压器瓦斯保护展开图

4.2 变压器纵差动保护

三绕组变压器差动保护的动作原理是按循环电流原理构成的。正常运行和外部短路时，三绕组变压器三侧电流向量和（折算至同一电压等级）为零。它可能是一侧流入另两侧流出，也可能由两侧流入，而从第三侧流出。所以，若将任何侧电流相比较，就构动保护。

两侧电流相加再和第三成三绕组变压器的纵差

图4.3 三绕组变压器差动保护单相原理图

4.3 复合电压启动的过电流保护

当保护区内发生不对称故障，系统出现负序电压，负序过滤器13有电压输出使继电器7常闭触点打开，欠压继电器8失压，常闭触点闭合，接通中间继电器9，若电流继电器4、5、6任何一个动作，则启动时间继电器10，经过整定时限后，跳开两侧断路器。在对称短路情况下，电压继电器7不启动，但欠压继电器8因电压降低，常闭触点接通，保护启动。

负序电压整定值，可取额定电压的6%；电流整定值，可取大于变压器额定电流，但不必大于最大电流。

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图4.4 复合电压启动的过电流保护原理图

变压器继电保护设计

图4.5 复合电压启动的过电流保护展开图

4.4 变压器中性点直接接地零序电流保护

中性点直接接地零序电流保护：中性点直接接地零序电流保护一般分为两段，第一段由电流继电器1、时间继电器2、信号继电器3及压板4组成，其定值与出线的接地保护第一段相配合，0.5s切母联断路器。第二段由电流继电器5、时间继电器6、信号继电器7和8压板9和10等元件组成，。定值与出线接地保护的最后一段相配合，以短延时切除母联断路器及主变压器高压侧断路器，长延时切除主变压器三侧断路器。中性点间隙接地保护：当变电站的母线或线路发生接地短路，若故障元件的保护拒动，则中性点接地变压器的零序电流保护动作将母联断路器断开，此时中性点的电位将升至相电压，分级绝缘变压器的绝缘会遭到破坏，中性点间隙接地保护的任务就是在中性点电压升高至危及中性点绝缘之前，可靠地将变压器切除，以保证变压器的绝缘不受破坏。间隙接地保护包括零序电流保护和零序过电压保护，两种保护互为备用。

大电流接地系统普遍采用分级绝缘的变压器，当变电站有两台及以上的分级绝缘的变压器并列运行时，通常只考虑一部分变压器中性点接地，而另一部分变压器的中性点则经间隙接地运行，以防止故障过程中所产生的过电压破坏变压器的绝缘。为保证接地点数目的稳定，当接地变压器退出运行时，应将经间隙接地的变压器转为接地运行。由

此可见并列运行的分级绝缘的变压器同时存在接地和经间隙接地两种运行方式。为此应配置中性点直接接地零序电流

保护和中性点间隙接地保护。

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图4.6 变压器中性点直接接地零序电流保护和中性点间隙接地保护的原理接线图

5 短路电流计算和继电保护设计整定

5.1 运行方式分析

本设计中的电力系统具有非直接接地的架空线路及高压侧中性点接地的电力变压器等主要设备。就线路来讲，其主要故障为单相接地、两相接地和三相接地。

电力变压器的故障，分为外部故障和内部故障两类。变压器的外部故障常见的是高低压套管及引线故障，它可能引起变压器出线端的相间短路或引出线碰接外壳。变压器的内部故障有相间短路、绕组的匝间短路和绝缘损坏。

变压器的不正常运行、过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及油面下降、产生气体等故障都有可能会让继电保护动作。

5．2 短路电流计算

用标幺值计算短路电流参数，确定短路计算点，计算短路电流值。

变压器继电保护设计

5.2.1 画出短路等值电路

XTHXTLXl1

图5.1 短路等值电路

Sd=100MVA

计算各元件电抗参数，取基准容量

Ud2=37kV

，基准电压为Ud1=10.5kV，

，基准电流为：

Id1=

100⨯10

3⨯10.5100⨯103⨯37

=5500A，

Id2=

=1560A

（1）计算电源系统基准电抗的标幺值

Xs.min=

SdSk.max=

SdSk.min

=[1**********]00

=0.1，

（2）变压器各侧阻抗标幺值

0s.max

=0.2

(10.5+17-6)=10.75

，Uk2

(10.5-17+6)=-0.25

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Uk3

(-10.5+17+6)=6.25

，XT.H=

-0.251006.25100

Uk1

SdSTN

10010031.510031.5

10.75100

⨯

10031.5

=0.3413

XT.M=

Uk2100

SdSTN

0=⨯

=-0.007937

XT.L=

Uk3100

SdSTN

=⨯

=0.1984

（3）线路的基准电抗标幺值

Xl1=X1l1

SdU

=0.4⨯20⨯

10010.510010.5

=7.256

Xl2=X2l2

SdUd2

=0.4⨯15⨯

=5.442

Xl2=Xl4=X1l3

SdU

2d3

=0.4⨯15⨯

10037

=1.023

5.2.2 短路电流计算

由主接线分析可知，变压器的主保护为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、最小运行方式短路电流外，还需计算k3、k4两点的最小短路电流。（1）k1点短路电流计算

Ik1.max=

(3)

Id1X

∑(k1).min

5500

0.1+0.3413+0.1984

5500

=8597A

Ik1.min=

(3)

Id1X

∑(k1).max

0.2+0.3413+0.1984

55000.7397

=7435A

（2）求k2点短路电流

Ik2.max=

(3)

Ik1.min=

(2)

Ik1.min=0.866⨯7435=6439A

(3)

Id2X

∑(k2).min

1560

0.1+0.3413-0.0079

15600.4334

=3599A

变压器继电保护设计

Ik1.min=

(2)

Ik2.min=

(3)

0.866⨯15600.2+0.3413-0.0079

13510.5334

=2533A

（3）求k3点短路电流

Ik3.min=

(2)

0.866Id2X

∑(k3).max

1560⨯0.866

0.2+0.34-0.0079+1.023

1560⨯0.8661.5564

=868A

（4）求k4点短路电流

Ik4.min=

(2)

0.866Id1X

∑(k4).max

5500⨯0.8660.6397+7.256

47636.082

=596A

（5）求K5点短路电流

Ik5.min=

(2)

0.866Id1X

∑(k5).max

5500⨯0.8660.6397+5.442

47636.082

=783A

5.2.3 保护装置的配置

表5.1 变压器保护装置的配置

5．3 各保护装置的整定计算

沈阳工程学院课程设计（论文）

5.3.1 纵差保护的整定计算

（1）计算变压器差动臂中电流，由表4.2计算可知，110kV侧差动臂中的电流最大，故110kV侧为计算的基本侧。

表5.2 计算结果

（2）确定制动绕组的接线方式，制动绕组接入38.5kV侧，因为，该侧的外部发生故障时，穿越变压器的短路电流很大。

（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

Iop=Krel(KstKerr+∆U+∆m)Ikl.max=1.3(1⨯0.1+0.1+0.05)⨯785=0.325⨯785=255A

(3)'

Ikl.max=

Ikl.maxKav

(3)'

8597115.5

859710.95

=785A

2）按躲过变压器励磁涌流计算，即

Iop=KrelITN.H=1.5⨯165=248A

3）按躲过电流互感器二次回路断线，即

Iop=KrelITN.H=1.3⨯165=214.5A

4）取上述各条件中最大的作为基本侧一次动作电流即Iop=255A,差动继电器基

变压器继电保护设计

本侧动作电流为

Iop.r=

KconIopKTA.H=

3⨯25560

=7.36A

确定差动绕组匝数：Wop=

ANIop.r

60±47.36

=8.15匝

608

取整定匝数Wop.set=8匝，则继电器动作电流为Iop.r=电流为：Iop=

7.53

⨯60=259.8A。

保护装置实际动作=7.5A，

5）其他各侧工作绕组和平衡绕组的匝数。

38.5kV侧的平衡绕组为

Wb(38.5)=

⎛IN2(110)-In2(38.5)⎫⎛4.75-4.12⎫⎪W= ⎪⨯8=1.22 ⎪op.set

I4.12⎝⎭N2(38.5)⎝⎭

匝

11kV侧的平衡绕组为

Wb(11)

⎛IN2(110)-In2(11)

= IN2(11)⎝

⎫⎛4.75-4.1⎫⎪W= ⎪⨯8=1.27⎪op.set

4.1⎝⎭⎭

匝

取平衡绕组整定匝数：Wb(38.5)set=Wb(11)set=1匝取工作绕组匝数:Ww(38.5)set=Ww(11)set=8+1=9匝

6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为

∆m(11)=

Wb(11)-Wb(11).setWb(11)-Wop.set

1.22-11.22+8

=0.024

∆m(38.5)=

Wb(38.5)-Wb(38.5).setWb(38.5)-Wop.set

1.27-11.27+8

=0.029

7）制动系数和制动绕组匝数计算。由于系单侧电源，故制动系数计算为

Kres=Krel(Kst+Kerr+∆U(110)+∆U(38.5)+∆m(38.5))

=1.3(1⨯0.1+0.1+0.05+0.029)=0.363

制动绕组的计算匝数:Wres=Kres 取整定匝数：Wres.set=4匝 8）校验灵敏系数

Wwtgα

0.363⨯90.9

=3.63

匝

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k1点最小短路电流折算到110kV基本侧为

Ik1.min=

(2)

Ik1.minKTV

643910.95

=588A

对11kV侧工作安匝

AWW(11)=

3Ik1.minKTA.H

(2)'

3⨯58860

=135.2匝

AWW(38.5)=

3⨯300200

⨯4+0=10.38

匝

由继电器特性曲线查得AW(11)=135.2匝，AWres=10.38安匝时，动作安匝整定为

AWop=66

安匝，则灵敏性Ks.min=

135.266

=2.05>2

满足要求。

5.3.2 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

Iset=

KrelKre

ITN=

1.30.85

⨯165=252.35A

=4.2A

Iop.r=

252.3560

（2）按躲过电动机自启动的电压整定

当低压继电器由变压器低压侧互感器供电时，计算式为

Uset=(0.5-0.6)U

=(0.5-0.6)⨯110KV=55KV-66kV

，取60KV

当低压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为

（3)负序电压元件的动作电压

U2.op=(0.06-1.2)U

Uset=0.7U

=77KV

=6-12KV

，取10KV

(4)校验灵敏系数

Ks.min=

Ik1.minIop

(2)

588252.35

=2.33>1.5

变压器继电保护设计

作11kV线路后备保护Ks.min=

Ik4.minIop

(2)

596252.35

=2.3>1.3 满足要求。

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

Ks.min=

70⨯11000015⨯0.4⨯783⨯110=7700046980

=1.64>1.3

，满足要求。

1.3⨯20.85

⨯165=504.7A

需要说明，若110kV侧仅采用单独过电流保护，则Iop=灵敏系数Ks.min=

588504.7

，则

=1.17

可提高保护的灵敏性。

5.3.3 38.5kv侧方向过电流保护

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

Iop.r=

KrelKSSKreKTA

ITN=

1.3⨯1.30.85⨯200

⨯473=4.7A

Ks.min=

Ik2.minIop

(2)

25334.7⨯200

2533940

(2)

=2.69>1.5

作线路l3后备保护灵敏系数Ks.min=5.3.4 110kv零序过电流保护

Ik3.minIop

868940

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开最大不平衡电流，即

Iop.r=KrelKstKerr

Ik2.maxKTA.H

(3)

=1.5⨯0.5⨯0.1⨯

359960

=0.75⨯

359960

=4.498≈4.5A

电压元件的动作电压为

Uop.r=(0.05-0.01)

3UONKTV

=20V

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Ks.min=

3Eph2Z1+Z0

4.5⨯60

3⨯38.5⨯10

2⨯0.5318

270

+0.5397)⨯14.8

66.68⨯1023.73

270=2800270=10.4>1.5

Xd=

UdSd

38.5100

=14.82Ω

动作时限整定：①以0.5s跳中性点不接地运行的变压器；②以1s跳中性点接地运行的变压器。

5.3.5 变压器气体保护整定

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 Vset=250cm3 重瓦斯按汽油流的流速整定：

Vset=1.1ms（对导油管直径φ=80mm）

变压器继电保护设计

6 总结

这次课程设计，虽然时间短暂，但是在这段时间里我学到了很多的东西，也第一次将继电保护的理论知识运用到实际中，收获很到。从一开始的不知所错，慢慢的一点点分析和思考我明白了设计的基本思路，到最后的成稿我有种兴奋的感觉，在此过程中我慢慢懂得了怎样使继电保护的基本原理得到运用。

课程设计是将专业知识进行综合运用的训练，训练就会有困难，解决困难就是进步，每走一步我们都是在成长。首先是思考，遇到问题先思考“三思而后行”教会了我们这个道理，只有明白了其中的奥妙才能找到问题的本质；然后是方法，不管是什么问题都有很多的方法可以解决，但是什么方法才能事半功倍，这是我们应该寻求的；最后是认真，做任何事情都要认真仔细，即使找对了思路，有了好的方法，如果在实施过程中出现了差错那就功亏一篑了。这三点都是重要的，少了一点将会举步维艰，这是我在这次的设计中体会到的道理。不仅如此，本次课程设计还让我的思维更加缜密，考虑问题更加全面，不至于顾头不顾尾。这一周我对继电保护的基本要求，即可靠性，选择性，快速性，

灵敏性有了新的认识，提高了理论结合实际的能力，巩固了书本知识，提高了动手能力、发现问题和解决问题的能力。变压器继电保护的设计，使我深刻的认识到其保护的严谨和全面，这对我在以后的工作中有着重要的影响。除此之外，对电力系统再一次的分析分计算更让我巩固了电力系统的知识，对互感器、继电器等一系列继电保护设备也有了更进一步的认识。

总之，在这次设计中，在巩固已有知识的基础上，也学到了很到新的东西，而且对以往的知识有了更新、更深刻的认识。我相信这次设计将会对我以后的工作和生活有着很大的促进，让我受益匪浅。

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7.致谢

一周的课程设计已经结束，有了让人欣慰的成果，首先在此感谢郭权利老师的悉心指导，在我们困惑不知所措时是郭老师为我们及时解决问题，更让我们明白了其中的道理，并且教会我们怎样灵活运用继电保护原理。郭老师不厌其烦的解释是我们进步的基础，是我们继续前进的强有力支持，在此衷心感谢郭老师。另外还要感谢各组员的辛勤劳作，我们的讨论是我们前进的双脚，一步步坚强有力。谢谢那些帮助我的朋友们！

变压器继电保护设计

附录保护配置原理接线图

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参考文献

[1] 张宝会，尹项根.电力系统继电保护.北京.中国电力出版社.2009:166～192

[2] 陈珩．电力系统稳态分析．北京：中国电力出版社

[3] 刘介才. 工厂供电设计指导.北京.机械工业出版社.2008:93～110

[4] 李光琦．电力系统暂态分析．北京：中国电力出版社

[5] 孙丽华. 电力工程基础.北京.机械工业出版社.2010:204～218

[6] 贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理．第三版．北京：中国电力出版社

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1.摘要

关键词：继电保护变压器短路电流整定计算

变压器继电保护设计

2.设计基本资料

电气主接线图

图2.1 电气主接线图

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3 继电保护理论知识

3.1 继电保护概述

3.2 基本原理和保护装置的组成

(1)反映电气量的保护

如反应温度、压力、流量等非电气量变化的可以构成电力变压器的瓦斯保护、温度保护等。

变压器继电保护设计

3.3 对继电保护的要求

继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。

（1）选择性

（2）速动性

速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。

（3）灵敏性

灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。

系统最大运行方式：被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；

系统最小运行方式：在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。

（4）可靠性

可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。

4 电力变压器继电保护设计

4.1 变压器瓦斯保护

沈阳工程学院课程设计（论文）

使继电器动作，接点闭合，这时作用于跳闸并发信，称为重瓦斯保护。

图4.1 变压器瓦斯保护接线图

变压器继电保护设计

图4.2 变压器瓦斯保护展开图

4.2 变压器纵差动保护

两侧电流相加再和第三成三绕组变压器的纵差

图4.3 三绕组变压器差动保护单相原理图

4.3 复合电压启动的过电流保护

负序电压整定值，可取额定电压的6%；电流整定值，可取大于变压器额定电流，但不必大于最大电流。

沈阳工程学院课程设计（论文）

图4.4 复合电压启动的过电流保护原理图

变压器继电保护设计

图4.5 复合电压启动的过电流保护展开图

4.4 变压器中性点直接接地零序电流保护

此可见并列运行的分级绝缘的变压器同时存在接地和经间隙接地两种运行方式。为此应配置中性点直接接地零序电流

保护和中性点间隙接地保护。

沈阳工程学院课程设计（论文）

图4.6 变压器中性点直接接地零序电流保护和中性点间隙接地保护的原理接线图

5 短路电流计算和继电保护设计整定

5.1 运行方式分析

变压器的不正常运行、过负荷、由于外部短路引起的过电流、油温上升及油面下降、产生气体等故障都有可能会让继电保护动作。

5．2 短路电流计算

用标幺值计算短路电流参数，确定短路计算点，计算短路电流值。

变压器继电保护设计

5.2.1 画出短路等值电路

XTHXTLXl1

图5.1 短路等值电路

Sd=100MVA

计算各元件电抗参数，取基准容量

Ud2=37kV

，基准电压为Ud1=10.5kV，

，基准电流为：

Id1=

100⨯10

3⨯10.5100⨯103⨯37

=5500A，

Id2=

=1560A

（1）计算电源系统基准电抗的标幺值

Xs.min=

SdSk.max=

SdSk.min

=[1**********]00

=0.1，

（2）变压器各侧阻抗标幺值

0s.max

=0.2

(10.5+17-6)=10.75

，Uk2

(10.5-17+6)=-0.25

沈阳工程学院课程设计（论文）

Uk3

(-10.5+17+6)=6.25

，XT.H=

-0.251006.25100

Uk1

SdSTN

10010031.510031.5

10.75100

⨯

10031.5

=0.3413

XT.M=

Uk2100

SdSTN

0=⨯

=-0.007937

XT.L=

Uk3100

SdSTN

=⨯

=0.1984

（3）线路的基准电抗标幺值

Xl1=X1l1

SdU

=0.4⨯20⨯

10010.510010.5

=7.256

Xl2=X2l2

SdUd2

=0.4⨯15⨯

=5.442

Xl2=Xl4=X1l3

SdU

2d3

=0.4⨯15⨯

10037

=1.023

5.2.2 短路电流计算

Ik1.max=

(3)

Id1X

∑(k1).min

5500

0.1+0.3413+0.1984

5500

=8597A

Ik1.min=

(3)

Id1X

∑(k1).max

0.2+0.3413+0.1984

55000.7397

=7435A

（2）求k2点短路电流

Ik2.max=

(3)

Ik1.min=

(2)

Ik1.min=0.866⨯7435=6439A

(3)

Id2X

∑(k2).min

1560

0.1+0.3413-0.0079

15600.4334

=3599A

变压器继电保护设计

Ik1.min=

(2)

Ik2.min=

(3)

0.866⨯15600.2+0.3413-0.0079

13510.5334

=2533A

（3）求k3点短路电流

Ik3.min=

(2)

0.866Id2X

∑(k3).max

1560⨯0.866

0.2+0.34-0.0079+1.023

1560⨯0.8661.5564

=868A

（4）求k4点短路电流

Ik4.min=

(2)

0.866Id1X

∑(k4).max

5500⨯0.8660.6397+7.256

47636.082

=596A

（5）求K5点短路电流

Ik5.min=

(2)

0.866Id1X

∑(k5).max

5500⨯0.8660.6397+5.442

47636.082

=783A

5.2.3 保护装置的配置

表5.1 变压器保护装置的配置

5．3 各保护装置的整定计算

沈阳工程学院课程设计（论文）

5.3.1 纵差保护的整定计算

（1）计算变压器差动臂中电流，由表4.2计算可知，110kV侧差动臂中的电流最大，故110kV侧为计算的基本侧。

表5.2 计算结果

（2）确定制动绕组的接线方式，制动绕组接入38.5kV侧，因为，该侧的外部发生故障时，穿越变压器的短路电流很大。

（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

Iop=Krel(KstKerr+∆U+∆m)Ikl.max=1.3(1⨯0.1+0.1+0.05)⨯785=0.325⨯785=255A

(3)'

Ikl.max=

Ikl.maxKav

(3)'

8597115.5

859710.95

=785A

2）按躲过变压器励磁涌流计算，即

Iop=KrelITN.H=1.5⨯165=248A

3）按躲过电流互感器二次回路断线，即

Iop=KrelITN.H=1.3⨯165=214.5A

4）取上述各条件中最大的作为基本侧一次动作电流即Iop=255A,差动继电器基

变压器继电保护设计

本侧动作电流为

Iop.r=

KconIopKTA.H=

3⨯25560

=7.36A

确定差动绕组匝数：Wop=

ANIop.r

60±47.36

=8.15匝

608

取整定匝数Wop.set=8匝，则继电器动作电流为Iop.r=电流为：Iop=

7.53

⨯60=259.8A。

保护装置实际动作=7.5A，

5）其他各侧工作绕组和平衡绕组的匝数。

38.5kV侧的平衡绕组为

Wb(38.5)=

⎛IN2(110)-In2(38.5)⎫⎛4.75-4.12⎫⎪W= ⎪⨯8=1.22 ⎪op.set

I4.12⎝⎭N2(38.5)⎝⎭

匝

11kV侧的平衡绕组为

Wb(11)

⎛IN2(110)-In2(11)

= IN2(11)⎝

⎫⎛4.75-4.1⎫⎪W= ⎪⨯8=1.27⎪op.set

4.1⎝⎭⎭

匝

取平衡绕组整定匝数：Wb(38.5)set=Wb(11)set=1匝取工作绕组匝数:Ww(38.5)set=Ww(11)set=8+1=9匝

6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为

∆m(11)=

Wb(11)-Wb(11).setWb(11)-Wop.set

1.22-11.22+8

=0.024

∆m(38.5)=

Wb(38.5)-Wb(38.5).setWb(38.5)-Wop.set

1.27-11.27+8

=0.029

7）制动系数和制动绕组匝数计算。由于系单侧电源，故制动系数计算为

Kres=Krel(Kst+Kerr+∆U(110)+∆U(38.5)+∆m(38.5))

=1.3(1⨯0.1+0.1+0.05+0.029)=0.363

制动绕组的计算匝数:Wres=Kres 取整定匝数：Wres.set=4匝 8）校验灵敏系数

Wwtgα

0.363⨯90.9

=3.63

匝

沈阳工程学院课程设计（论文）

k1点最小短路电流折算到110kV基本侧为

Ik1.min=

(2)

Ik1.minKTV

643910.95

=588A

对11kV侧工作安匝

AWW(11)=

3Ik1.minKTA.H

(2)'

3⨯58860

=135.2匝

AWW(38.5)=

3⨯300200

⨯4+0=10.38

匝

由继电器特性曲线查得AW(11)=135.2匝，AWres=10.38安匝时，动作安匝整定为

AWop=66

安匝，则灵敏性Ks.min=

135.266

=2.05>2

满足要求。

5.3.2 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

Iset=

KrelKre

ITN=

1.30.85

⨯165=252.35A

=4.2A

Iop.r=

252.3560

（2）按躲过电动机自启动的电压整定

当低压继电器由变压器低压侧互感器供电时，计算式为

Uset=(0.5-0.6)U

=(0.5-0.6)⨯110KV=55KV-66kV

，取60KV

当低压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为

（3)负序电压元件的动作电压

U2.op=(0.06-1.2)U

Uset=0.7U

=77KV

=6-12KV

，取10KV

(4)校验灵敏系数

Ks.min=

Ik1.minIop

(2)

588252.35

=2.33>1.5

变压器继电保护设计

作11kV线路后备保护Ks.min=

Ik4.minIop

(2)

596252.35

=2.3>1.3 满足要求。

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

Ks.min=

70⨯11000015⨯0.4⨯783⨯110=7700046980

=1.64>1.3

，满足要求。

1.3⨯20.85

⨯165=504.7A

需要说明，若110kV侧仅采用单独过电流保护，则Iop=灵敏系数Ks.min=

588504.7

，则

=1.17

可提高保护的灵敏性。

5.3.3 38.5kv侧方向过电流保护

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

Iop.r=

KrelKSSKreKTA

ITN=

1.3⨯1.30.85⨯200

⨯473=4.7A

Ks.min=

Ik2.minIop

(2)

25334.7⨯200

2533940

(2)

=2.69>1.5

作线路l3后备保护灵敏系数Ks.min=5.3.4 110kv零序过电流保护

Ik3.minIop

868940

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开最大不平衡电流，即

Iop.r=KrelKstKerr

Ik2.maxKTA.H

(3)

=1.5⨯0.5⨯0.1⨯

359960

=0.75⨯

359960

=4.498≈4.5A

电压元件的动作电压为

Uop.r=(0.05-0.01)

3UONKTV

=20V

沈阳工程学院课程设计（论文）

Ks.min=

3Eph2Z1+Z0

4.5⨯60

3⨯38.5⨯10

2⨯0.5318

270

+0.5397)⨯14.8

66.68⨯1023.73

270=2800270=10.4>1.5

Xd=

UdSd

38.5100

=14.82Ω

动作时限整定：①以0.5s跳中性点不接地运行的变压器；②以1s跳中性点接地运行的变压器。

5.3.5 变压器气体保护整定

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 Vset=250cm3 重瓦斯按汽油流的流速整定：

Vset=1.1ms（对导油管直径φ=80mm）

变压器继电保护设计

6 总结

沈阳工程学院课程设计（论文）

7.致谢

变压器继电保护设计

附录保护配置原理接线图

沈阳工程学院课程设计（论文）

参考文献

[1] 张宝会，尹项根.电力系统继电保护.北京.中国电力出版社.2009:166～192

[2] 陈珩．电力系统稳态分析．北京：中国电力出版社

[3] 刘介才. 工厂供电设计指导.北京.机械工业出版社.2008:93～110

[4] 李光琦．电力系统暂态分析．北京：中国电力出版社

[5] 孙丽华. 电力工程基础.北京.机械工业出版社.2010:204～218

[6] 贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理．第三版．北京：中国电力出版社

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