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电力继电保护课程
南阳师范学校
电力系统继电保护课程设计
发电厂继电保护方案及其原理说明
1绪论
在供配电系统中,电力变压器是十分重要的电器元件。
虽然变压器是静止设备,结构简单,运行可靠,但是它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。
同时大容量和重要程度考虑装设性能良好,工作可靠的继电保护装置。
电力系统继电保护的设计与配置是否合理,直接影响电力系统的安全运行,选择保护方式时,要满足继电保护的基本要求。
选择保护方式和正确的整定计算,是电力系统安全运行的重要保证。
继电保护在发电、供电和用电中处于极为重要的地位,是保证电网安全可靠运行和人们生产生活用电的关键技术。
继电保护的设置、整定、维护和试验水平将直接影响供电的可靠性、质量及用电设备的安全。
故障和不正常运行情况常常是难以避免的,但事故却可以防止。
电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备上,用来反映它们发生的故障和不正常运行情况,从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。
它的基本任务是:
自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除,使故障元件损坏程度尽可能降低,并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。
反映电气元件的不正常运行状态,并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力,发出信号、减负荷或延时跳闸。
电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求,电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力,因此,继电保护技术的发展得天独厚。
2继电保护的基本原理
继电保护装置为了完成它的任务,继电保护就必须能够区别是正常运行还是非正常运行或故障,要想区别这些状态,关键就是要寻找这些状态下的参量情况,找出其间的差别,从而构成各种不同原理的保护。
电力系统发生故障后,会引起电流的增加和电压的降低,以及电流与电压间相位的变化。
因此电力系统中所用的各种继电保护,大多数是利用故障时物理量与正常运行时物理量的差别来构成的。
例如,反应电流增加的过电流保护反应电流与电压间的相位角变化的方向保护等,反应降低(或升高)的低压(或过电压)保护等。
除此之外,根据线路内、外部短路时,两侧电流相位差变化的特点,可以构成差动原理的保护。
当然还可以根据非电气量的变化来构成某些保护,如反应变压器油在故障时分解产生的气体而构成的瓦斯保护。
继电保护原理如图1所示:
3变压器的继电保护
3.1变压器故障种类
变压器的内部故障可分为油箱内和油箱外故障两种。
油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等。
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。
油箱外的故障,主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。
上述接地短路均系对中性点直接接地电力网的一侧而言。
变压器的不正常运行状态主要有:
①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。
②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。
根据上述电力变压器的常见故障,按GB50062-92规定,变压器应装设过电流保护来保护互相间短路;800kv以上的有油浸式变压器和400kv以上的车间内油浸式变压器,因装设气体保护装置,用于保护变压器的内部故障和油面降低;单台运行的变压器在10000kv及以上并列运行的变压器每台容量在6300kv及以上,或者电流速断的保护灵敏不满足要求时,应设差动保护装置,用于保护内部故障和引出线相间短路;装设过负荷保护和温度保护装置,分别用于保护变压器的过负荷和温度升高;变压器中性点直接接地系统发生接地短路,将产生很大的零序电流,零序过电流保护可作为一种接地保护来保护变压器。
通过以上的规定和我们本次设计的已知条件,通过判断,我们可知本次变压器保护装置应设以下几种保护,它们分别是变压器瓦斯保护,变压器过电流保护,变压器零序电流保护,变压器过负荷保护,变压器差动保护以及变压器温度保护。
3.2变压器瓦斯保护
3.2.1变压器瓦斯保护的相关概念
变压器瓦斯保护是用来反应变压器内部的故障,当变压器油箱内部发生故障,油分解产生气体或当变压器油面降低时,瓦斯保护应动作。
油浸式变压器是利用变压器油作为绝缘和冷却介质的,当变压器油箱内部发生故障,由于短路电流所产生的电弧使变压器的绝缘材料和变压器油分解而产生大量气体。
这些大量气体形成气流并与油流混合冲向油枕的上部。
故障愈严重,产生的气体越多,油流速度越快。
利用这种气体来实现的保护,称为瓦斯保护。
3.2.2瓦斯保护原理
反应变压器内部故障的各种保护装置除瓦斯保护外,由于受灵敏度的限制,都不能反应变压器内部一切形式的故障,特别是匝间短路和严重漏油等故障。
如变压器绕组的匝间短路,将在短路的线匝内产生环流,局部过热,损坏绝缘,并可能发展成为单相接地故障或相间短路故障,但在变压器外部电路中的电流值还不足以使变压器的差动保护或过电流保护动作,但瓦斯保护却能动作并发出信号,使运行人员及时处理,从而避免事故的扩大。
因此,瓦斯保护时反应变压器内部故障最有效、最灵敏的保护装置。
瓦斯保护只反应变压器油箱内的故障,不能反应油箱外套管与引出线上的故障,因此,它不能单独作为变压器的主保护,通常它与纵联差动保护或电流速断保护配合共同作为变压器的主保护。
3.2.3瓦斯保护的组成
瓦斯保护的主要元件是气体继电器(原称瓦斯继电器),它安装在油箱与油箱枕之间的连接管道中。
变压器内部发生故障,绝缘物和油箱内产生大量气体都要通过气体继电器向油枕,为保证气体顺利进入油枕,变压器顶盖与水平面之间应有1%-1.5%的坡度,连接管道应有2%-4%的坡度。
气体继电器安装方向是由箭头指向油枕。
瓦斯保护主要是有瓦斯继电器组成,它安装在油箱与油枕之间的管道上,瓦斯保护的原理图如图2:
图2瓦斯保护原理电路
工作原理:
1是瓦斯继电器;2是信号继电器;3是出口继电器;4是连片。
当变压器内部发生轻微故障时,有轻瓦斯产生,瓦斯继电器的上触点闭合,作用于延时信号;发生严重故障时。
重瓦斯冲出,瓦斯继电器的下触点闭合,经信号继电器,发出报警信号,同时通过连片使出口继电器动作使短路器跳闸,瓦斯继电器的下触点闭合,也可以利用切换片XB切换位置,只给出报警信号。
为了消除复合式瓦斯继电器的下触点在发生重瓦斯时可能有跳动(接触不稳定)现象,出口继电器有自保持触点,只要瓦斯继电器的下触点一闭合,KM就动作并自保持。
当短路器跳闸后,短路器的辅助触点断开自保持回路,使KM恢复起始位置。
4.3变压器的纵联差动保护
何谓差动保护:
用比较被保护元件两端电流大小和方向(相位)的方法,而构成的保护称为差动保护。
变压器差动保护能正确区分被保护元件的保护区内、外故障,并能瞬时切除保护区内的短路故障。
变压器的纵联差动保护用来反应变压器绕组、套管及引出线上的各种短路故障,是变压器的主保护。
应用输电线路纵联差动保护原理,可以实现变压器的纵联差动保护,对于变压器纵联差动保护,比较两侧有光电气量容易实现,所以变压器的纵联差动保护得到了广泛的应用。
4.3.1变压器纵联差动保护的原理
纵联差动保护是变压器的主保护之一,装设在变压器的高、中、低三侧。
纵联差动保护是反映被保护变压器各端流入和流出电流的向量差。
变压器差动保护,主要用来保护变压器内部以及出现和绝缘套管的相间短路故障,并且也可以用于保护变压器内部的匝间短路,其保护区在变压器一、二次侧所装电流之间。
差动保护分纵联差动和横联差动,纵联差动保护用于保护单回路,横联差动用于保护双回路。
变压器差动保护的工作原理是:
正常工作或外部故障时流入差动继电器的电流为不平衡的电流在适当选择好两侧电流互感器的变压比和接线方式的条件下,该不平衡电流值很小,并小于差动保护电流,故保护不动作。
在保护范围内发生故障,流入继电器的电流不大于差动保护的动作电流,差动保护动作跳闸。
因此它不需要与相邻元件的保护在整定值和动作时间上进行配合,可以构成无延时速动保护。
变压器纵联差动保护通常采用环流法接线。
环流法接线:
当元件两端的TA1和TA2的同极性端子顺着同一个方向安装的情况下,用辅助导线将它们的异性端子连接起来。
再将差动继电器的线圈并联接入,继电器线圈接入的回路,通常称为差动回路。
这样,在正常运行及外部短路时,TA1的二次电流将通过辅助导线在二次线圈中环流,故称环流法。
如图3所示,为双绕组变压器纵联差动保护的单相原理接线图:
图3纵联差动保护的原理接线图
4.3.2变压器纵联差动保护的动作过程
变压器外部发生接地或相间短路时,经电流互感器流入差动继电器的电流不同,差动继电器动作给信号继电器励磁,接通信号回路,进行报警;并给中间继电器励磁接通断路器的出口跳闸回路,使断路器跳闸,切除故障变压器。
4.3.3产生不平衡电流的原因
为了提高差动保护的灵敏度,在变压器正常运行或保护区外部短路时,希望流入的继电器的电流尽量小,甚至为零,但由于变压器的连接组和电流互感器的变比等原因,不平衡电流不可能为零,而产生不平衡电流的主要原因如下所示:
(1)变压器正常运行时的励磁电流。
(2)变压器的励磁涌流。
(3)变压器两侧电流的相位不同。
(4)TA的变比不能理想匹配。
(5)变压器两侧TA的型号差别。
(6)有载跳压变压器在运行中需要改变分接头。
4.3.4差动保护的整定计算
在进行整定变压器差动保护的时候,应当注意以下几个方面:
(1)躲开激磁涌流。
由于保护出口中间继电器具有一定的固有动作时间,有可能不按躲过激磁涌流最大值来整定。
(2)躲过变压器外部短路时所引起的最大不平衡电流。
考虑三个因素之和:
①TA误差引起的不平衡电流。
②变压器调压分接头改变所引起的不平衡电流。
③不平衡线圈不能对变压器两侧电流差完全补偿引起的不平衡电流。
整定计算的任务是确定防止外部故障时保护误动作的比率制动特性,即确定保护的最小动作电流、制动特性的转折点电流及制动特性的斜率。
以双绕组变压器为例说明整定计算的原则和步骤。
(1)选择自耦电流变压器的电流比
首选计算变压器各侧额定电流INT,选择各侧电流互感器的电流比KTA。
计算各侧差动臂中的电流。
选择自耦变流器的电流比KUT,最后计算电流比误差▽fs。
(2)确定保护最小动作电流Iop.r.min
保护最小动作电流按躲开最大负荷时不平衡电流Iunb.max来整定,即Iop.r0=KrelIunb.max。
对运行中的变压器,可实测Iunb.max。
通常取Iop.r0=(0.2-0.5)IN.T
(3)确定保护制动特性转折点电流Ires.0
保护继电器制动特性转折点电流Ires=0,按保证外部故障时保护不误动作及提高内部故障灵敏性要求确定为Ires.0=(1.0~1.2)INT。
(4)确定制动系数Kres和制动特性的斜率m
如下图所示为纵联差动保护的比率制动特性:
最大不平衡电流为:
Iunb.max=(KstKnpKerr+△U+▽fs)Ik.max/KTA
最大动作电流为:
Iop.r.max=KrelIunb.max
最大制动短路为:
Ires.max=KrelKk.max/KTA
式中Kst—TA的同型系数,取1;
Kerr—TA的最大相对误差,取0.1;
Knp—非周期分量系数,取1.5~2.0;
△U—变压器调压引起的误差,取调压范围的一半;
△fs—电流比误差,取实际计算值;
Krel—可靠系数,取1.3。
有上图可知,直线BC的斜率m为:
m=tanα=Iop.r.max-Iop.r0/Ires.max-Ires0
制动系数为:
Kres=Iop.r.max/Ires.max=Krel(KstKnpKerr+△U+△fs)
通常取m=Kres。
(5)校验灵敏系数
Ks.m=I`k.min/Iop≧2
式中I`k.min—保护区内部两相短路时的最小短路电流;
Iop—对应制动电流时的动作电流。
(6)差动电流速断保护动作电流
按躲开变压器空载投入时,出现的最大励磁涌流的1.5~2倍整定。
Yd接线的变压器动作电流为:
Iop=(1.5~2)Iexs
4.4变压器的过电流保护
4.4.1过电流保护的原理
变压器的过电流保护装置一般都装设在变压器的电源侧。
无论是定时限还是反时限,变压器过电流保护的组成和原理与电力线路的过电流保护完全相同。
变压器过电流保护的动作整定计算公式,与电力线路过电流保护基本相同。
变压器的过电流保护主要是装设在降压变压器的高压侧。
过电流保护的测量元件为电流继电器,延时元件时间继电器,其保护单相原理如图所示:
过电流保护原理图
当短路电流达到或超过电流继电器的动作定值时,电流继电器动作并启动时间继电器,经给定的延时后时间继电器的动合触点闭合,出口继电器将变压器从运行的设备中切除保证电网的正常运行。
4.4.2过电流的整定
过电流保护动作时间的整定。
考虑此为终端变电所的过电流保护,故其10倍动作电流的动作整定为最小值0.5s。
(1)过电流保护的整定计算及灵敏度校验
保护装置的动作电流Iop按躲过变压器可能出现的最大负荷电流整定:
Iop=(Krel×KW/Kre×Kt)×2×I1N=0.228KA
式中Krel—可靠系数,查阅工程手册选用1.3
Kre—返回系数,查阅工程手册选用0.85;
Kw—接线系数,查阅工程手册选用1;
Kt—电路互感的变化。
(2)灵敏度校验
Ks.m=I`k.min/Iop=1.7>1.5
式中I`k.min—变压器内部最小两相短路电流。
符合继电保护的规程要求,因此需要采用低电压启动的过电流保护。
4.5电力变压器的零序过电流保护
若变压器过电流保护的灵敏度不满足要求,可在变压器中性点引出线上装设零序过电流保护如图所示:
零序过电流保护的原理图
零序电流保护的动作电流按躲过变压器二次侧最大不平衡电流整定,最大不平衡电流取变压器一次侧额定电流的25%,即
Iop=(Krel/Kt)×0.25I1N=1.389A
式中Krel—可靠系数,取1.2Ki—零序电流互感器的变比;I1N为变压器一次侧的额定电流。
零序电流保护的动作时间一般取0.5~0.7s,以躲过变压器瞬时最大不平衡电流。
保护灵敏度校验,按变压器二次侧干线末端最小单相短路电流校验。
5各种继电器原理
5.1电流继电器
原理:
当继电器线圈回路中有电流流过时,产生电磁力矩,它克服弹簧的反作用力矩,使舌片向磁极趋近,舌片所受的电磁力与电流平方成正比。
当继电器线圈中的电流所产生的电磁力矩大于弹簧及可动系统重力和摩擦力产生的阻力矩时,继电器动作;当继电器线圈中的电流中断或减小到一定数值时,因弹簧反作用力矩的作用,继电器返回。
用于电极变压器和输电线的过负荷和短路保护电路中作为启动元件。
5.2时间继电器
原理:
当工作线圈加入动作电压后。
衔铁被吸下,扇形齿曲臂被释放,扇齿手钟表弹簧拉力而转动,带动传动齿轮经棘轮是同轴的主传动齿轮带动钟表机构转动,因钟表机构钟摆和摆锤的作用使动触点以恒速转动,经一定时限与静触点接触,继电器动作。
改变静触电的位置,可调整其时限。
当电源断开时,衔铁被返回弹簧顶回原位,同时扇形齿曲臂亦被衔铁顶回原处,并使钟表弹簧重新拉伸,以备下次动作。
作为辅助元件用于各种保护及自动装置中使被控制元件的动作得到可调的延伸。
5.3中间继电器
中间继电器原理:
在继电保护装置中,如果需要同时闭合和断开几个回路或要求比较大的触点容量动作与跳闸等情况时,必须使用中间继电器来实现,当线圈加上工作电压后,电磁铁产生电磁力,将衔铁吸合,带动常开触点闭合,常动常开触点闭合,常闭触点断开。
当外加电压消失后,衔铁受弹簧的拉力而返回。
DZ-47型中间继电器用于自动装置、继电保护装置和通讯设备中,作为信号指示和启闭电路的元件,并可频繁起动三相380V、1KW以下的电动机。
5.4信号继电器
原理:
在正常情况下,继电器线圈中没有电流通过,衔铁被弹簧拉住,衔铁的边缘支持者信号牌。
当线圈中通过电流时衔铁被吸向铁心,于是连接在固定轴上的信号牌因其一端失去支持落下。
这时在继电器外面观察孔可以看见信号牌。
在信号牌落下时它左面的支持轴同时转动90度,使固定在转轴上的可动触点同时转动,当与静触点接触时,导致触点闭合,将信号回路接通,发出信号。
继电器信号牌的复归和它两个常开触点的断开,必须用手转动在外壳上的复归把手才能实现。
用于直流操作的控制和保护电路中,作为动作信号指示器。
5.5瓦斯继电器
瓦斯继电器是变压器重要的主保护,安装在变压器油枕上的油管中。
轻瓦斯主要反映在运行或者轻微故障时由油分解的气体上升入瓦斯继电器,气压使油面下降,继电器的开口杯随油面落下,轻瓦斯干簧触点接通发出信号,当轻瓦斯内气体过多时,可以由瓦斯继电器的气嘴将气体放出。
重瓦斯主要反映在变压器严重内部故障(特别是匝间短路等其他变压器保护不能快速动作的故障)产生的强烈气体推动油流冲击挡板,挡板上的磁铁吸引重瓦斯干簧触点,使触点接通而跳闸。
6总结
本次课程设计的主要内容是对10.5/220kV的升压变压器继电保护的配置,主要是对变压器进行保护。
经过对设计要求和设计内容的分析可知,我首先要利用继电器保护方面的知识对变压器的运行方式进行分析,并到图书馆或利用互联网络查阅相关保护的规程中对相关保护的配置要求,包括一般规程要求和针对本次设计的规程要求。
我多次到图书馆和互联网查找关于电力变压器继电保护的相关文字资料,和关于这方面的相关配图。
起初,我花了很长时间一直考虑如何完成这次和课程设计,始终有种摸不到头绪的感觉。
因为,我对这方面的知识了解过少,始终抓不住主干。
但是,经过老师悉心的讲解和点播我终于知道了如何下手。
在整定计算方面,我找到了许多相关公式,我饿对相关公式做了整理,最后确定出了一套适合课程要求的公式。
在设计过程中虽然遇到了一些困难和麻烦,但通过这次的设计让我对继电保护的知识有了更加深刻的理解和认识。
此次课程设计不但是对这一学期知识的总结,也为将来走上工作岗位打下了坚实的基础
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