变电站设计侧重变压器二次保护--35_10kv变电站设计

'变电站设计指导老师前言：变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，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。现在，我国电力工业已经进入了大机组、大电厂、大电网、超高压、自动化、信息化发展的新时期。随着我国经济的蓬勃发展，电网的规模越来越大，电压越来越高，电网调度、安全可靠供电要求以及经济运行和管理水平都形成了一种新的格局。利用微机实施监控取代常规的控制保护方式，实现变电所的综合自动化，进而施行无人值班，已成为各级电力部门的共识。在我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电所采用了自动化技术实现无人值班,而且在110kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术,从而大大提高了电网建设的现代化水平,增强了输配电和电网调度的可能性,降低了电站建设的总造价,这已经成为不争的事实,也是目前变电所建设的主要模式。可见，变电所综合自动化技术取得了长足的进展，同时已成为我国电力工业推行技术进步的重点之一。如何合理的设计一个变电所，使之在技术上、管理上适应电力市场化体制和竞争需要，促使电网互联范围的不断扩大，是这次设计的主要目的。电力变压器在运行中，可能发生各种类型的故障，对电力系统的安全连续运行会带来严重影响，特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。尤其是随着电力事业的发展，超高压输电线路在我国的建设越来越普遍，大容量超高压的大型电力变压器的应用也随之扩大，其运行是否正常直接关系到整个电网的可靠性。因此必须根据电力变压器容量的大小、电压的高低和重要程度，设置性能良好，动作可靠的继电保护装置。变电站要求变电站容量：10电压等级：35/10kV负荷类型：一类、二类最大工作时间TMAX(h)：5000h功率因数：47 1电气主接线设计及变压器选型1.1主接线的设计原则和要求变电站电气主接线图如下图1-1。图1-1电气主接线图1.2主变压器的选择主变压器容量确定的要求：（1）主变压器容量一般按变电站建成后5—10年的规划负荷选择。（2）根据变电站所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。此变电站有重要负荷，应当考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在设计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，对一般性停运，其余变压器容量就能保证全部负荷的70%-80%。该站的电压等级为35kV，当发生单相接地故障时，单相接地电容电流值很小，故采用中性点不接地方式。47 综上，该厂选用两台型容量均为的有载电力调压变压器，并采用互为备用的运行方式，接线组别采用接线，型号为,主要参数如下表1-1。表1-1SFZ9-8000/35变压器参数额定容量高压低压连接空载损耗负载损耗空载电流短路阻抗（）（）（）组（）（）（%）（%）800035108.845.00.57.52短路电流的计算2.1短路电流短路电流是指相与相之间通过电弧或其他较小阻抗的一种非正常连接，在中性点直接接地系统中或三相四线系统中，还指单相和多相接地。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏。2.2短路电流计算的目的（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需要进行必要的短路电流的计算。（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠工作，同时又力求节俭资金，这就需要进行全面的短路电流的计算。（3）在需按短路条件设计屋外高压配电装置时，校验软导线的相间和相对地的安全距离。2.3短路电流计算结果统计47 表2-1短路电流计算值短路点次暂态电流冲击电流短路电流短路容量I""（kA）ish（kA）有效值ich(kA)（MVA）d15.34413.628.12342.7d27.2318.410.99131.41d30.6711.711.0212.47d45.612.227.29665.73主要电气设备与导体的选择3.1母线的选择表3-1母线选型结果项目截面尺寸条数及放置母线类型Ial35kV侧母线10kV侧母线63×1063×6.3单条平放单条平放矩形铝母线矩形铝母线87211293.2断路器、隔离开关的选择3.2.1重要参数计算最大运行方式下，和母线分别三相短路时的短路电流值，见表3-2:47 表3-2最大运行方式下短路电流值短路点次暂态电流冲击电流短路电流短路容量I""（kA）ish（kA）有效值ich(kA)（MVA）d15.34413.628.12342.7d27.2318.410.99131.41d30.6711.711.0212.473.2.235kv侧断路器隔离开关表3-335KV断路器参数型号额定额定额定额定关合4s额定额定动固有合闸电压电流开断电流电流峰值热稳定电流稳定电流分闸时间UN（kV）IN（A）Idu(kA)Igu（kA）It（kA）imax（kA）tp（s）tb（s）LW8-35351600256325630.060.04表3-435KV隔离开关参数型号额定电压(kV)额定电流(A)额定动稳定电流峰值(kA)额定热稳定电流(kA)GW5-35G/600-7235600721647 3.2.3变压器出线侧断路器，隔离开关的选择表3-5变压器出线侧断路器参数型号额定额定额定额定关合4s额定额定动固有合闸电压电流开断电流电流峰值热稳定电流稳定电流分闸时间UN（kV）IN（A）Idu(kA)Igu（kA）It（kA）imax（kA）tp（s）tb（s）LW3-10/106301631.512.531.50.060.04630-16表3-6变压器出线侧隔离开关参数型号额定电压(kV)最高电压（kV）额定电流(A)额定动稳定电流峰值(kA)额定热稳定电流4s(kA)GW9-10/6301011.563052203.2.410KV母线出线侧断路器，隔离开关的选择47 表3-710KV母线出线侧断路器参数型号额定额定额定额定关合4s额定额定动固有合闸电压电流开断电流电流峰值热稳定电流稳定电流分闸时间UN（kV）IN（A）Idu(kA)Igu（kA）It（kA）imax（kA）tp（s）tb（s）LW3-10/106306.3166.3160.060.04630-6.3表3-810KV母线出线侧隔离开关参数型号额定电压(kV)最高电压（kV）额定电流(A)额定动稳定电流峰值(kA)额定热稳定电流4s(kA)GW9-10/6301011.563052204互感器及绝缘子的选择4.1电流互感器的选择表4-1电流互感器的型号及参数位置型号额定电流比（A）级次组合二级负荷10%倍数1秒热稳定性倍数动稳定10kVLZZJB6-351000/50.5/B0.410417447 35kVLWC-3515~1000/50.5/345651004.2电压互感器选择表4-2电压互感器参数型式额定变比（V）在下列准确等级下额定容量(VA)最大容量(VA)一次线圈二次线圈辅助线圈0.5级1级3级单相(户外式)JDZJ-35JDJJ-1035/0.1/0.1/3150250500100010/0.1/0.1/350802008004.3绝缘子的选择4.3.135kV侧绝缘子的选择根据母线额定电压35kV和户外装设的要求，选用ZS-35型支柱绝缘子4.3.210kV侧绝缘子的选择根据母线额定电压10kV和户外装设的要求，选用ZPD-10-35型支柱绝缘子5继电保护5.1继电保护的分类（1）按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；（2）按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；47 （3）按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；（4）按继电保护装置的实现技术分类：机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；（5）按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；主保护：满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护；后备保护：主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种；（1）远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护；（2）近后备保护：当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护；（3）辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。5.2继电保护的基本要求继电保护技术上一般应满足可靠性、选择性、速动性、灵敏性四个基本要求。(1)可靠性;要求保护装置动作可靠，既不误动也不拒动。宜选择最简单的保护方式，应采用由可靠的元件和尽可能简单的回路构成的性能良好的装置，便于检测调试、整定和维护。(2)选择性;首先由故障设备或线路本身的保护（本级保护）切除故障。当本级保护拒动时，才允许由相邻元件保护（上一级保护）切除故障。为保证选择性，相邻元件的动作电流和动作时间应相互配合。(3)速动性;保护装置应尽快地切除故障，以提高系统稳定性、减轻故障设备或线路的损坏程度、缩小故障波及范围。47 (4)灵敏性;在设备或线路保护区内发生故障时，保护装置反应故障能力，保护装置应具有必要的灵敏系数。各类短路保护的灵敏系数应不小于GB50062-1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》的要求。5.3设计方案的要求根据所给变电站的基本数据（如表5-1），并结合一次回路的数据，选择相应的继电保护装置。表5-1变电站基本数据序号容量（MVA）电压等级(kV)负荷类型负荷功率因数91035/10一类0.3，二类0.7COSφ=0.8给出各保护装置的控制回路图、保护回路图、测量回路图、信号回路图，了解各回路图的工作原理，结合一次回路数据对各保护装置进行整定计算。6继电保护的配置6.1电力变压器故障及不正常运行状态在电力系统中广泛得用变压器来升高或降低电压。变压器是电力系统中不可缺少的非常重要的电力设备之一，它的安全运行对于保证电力系统的正常运行和对供电的可靠性，以及电能质量起着决定性的作用，同时大容量电力变压器的造价也是十分昂贵。针对电力变压器可能发生的故障和不正常的运行状态进行分析，然后重点研究应装设的继电保护装置，以及保护装置的整定计算。47 变压器的内部故障可分为油箱内故障和油箱外故障两类，油箱内故障主要包括绕组的相间短路、匝间短路、接地短路及经铁芯烧毁等。变压器油箱内的故障十分危险，由于变压器内充满了变压器油，故障时的短路电流使变压器油急剧的分解气化，可能产生大量的可燃性气体(瓦斯)，很容易引起油箱爆炸。油箱外故障主要是套管和引出线上发生的相问短路和接地短路。对于变压器上发生的各种故障，保护装置应能尽快地将变压器切除。电力变压器不正常运行状态主要有外部相间短路、接地短路引起的相间过电流和零序过电流，负荷超过其额定容量引起的过负荷、油箱漏油引起的油面降低，以及过电压、过励磁等。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据气严重程度，发出告警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。6.2电力变压器继电保护的配置原则针对电力变压器的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，其任务就是反映上述故障或异常运行状态，并通过断路器切除故障变压器，或发出信号告知运行人员采取措施消除异常运行状态。同时，变压器保护还应能作相邻电气元件的后备保护。故根据DL400—1991《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，电力变压器应装设如下保护。(1)瓦斯保护为反映变压器油箱内部各种短路故障和油面降低，对于0.8MVA及以上的油浸式变压器和0.4MVA及以上的车间内油浸式变压器均应装设瓦斯保护。瓦斯保护有轻瓦斯和重瓦斯两种，轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳闸。(2)纵联差动保护或电流速断保护对变压器绕组，套管及引出线上的故障，应根据容量的不同，装设纵差保护或电流速断保护。保护瞬时动作，断开变压器各侧的断路器。对于6.3MVA以下厂用工作变压器和并列运行的变压器，以及10MVA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。对于6.3MVA及以上的厂用工作变压器和并列运行的变压器，10MVA及以上厂用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，应装没纵联差动保护(以下简称差动保护)。对高压侧电压为330kV及以上的变压器，可装设双重差动保护。47 对于发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，发电机装设单独的差动保护。当发电机与变压器之间没有断路器时，100MW及以下发电机与变压器组共用差动保护；100MW以上发电机，除发电机变压器组共用差动保护外，发电机还应单独装发差动保护；对200～300MW的发电机变压器组亦可在变压器上增设单独的差动保护，即采用双重快速保护。(3)过电流保护为反映外部相问短路引起的过电流并作为瓦斯保护和差动保护(或电流速断保护)的后备，应采用下列保护。j电流保护，一般用于降压变压器。②复合电压起动的过电流保护，一般用于升压变压器及过电流保护灵敏性不满足要求的降压变压器。l负序电流及单相式低电压起动的过电流保护，一般用于63MVA及以上大容量升压变压器和系统联络变压器。④阻抗保护，对于升压变压器和系统联络变压器，当采用第②l的保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。(4)零序电流保护对中性点直接接地电网，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，因装设零序电流保护。(5)过负荷保护变压器长期过负荷运行时，绕组会因发热而受到损伤。为反映变压器对称过负荷引起的过电流。对于400kVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他符合的备用电源时，应根据过负荷的情况装设过负荷保护。(6)过励磁保护为反映变压器的过励磁引起的过电流。对于高压侧为500kV47 的变压器的额定磁密近于饱和密度，频率降低或电压升高时容易引起变压器过励磁，导致铁心饱和，励磁电流剧增，铁心温度上升，严重过热会使变压器绝缘劣化，寿命降低，最终造成变压器损坏，故需装设过励磁保护。在变压器允许的的过励磁范围内，保护作用于信号，当励磁超过了允许值时，可动作于跳闸。过励磁保护反应于实际工作磁密和额定磁密之比（称过励磁倍数）而动作。(7)其他非电气量保护（反映变压器油温,冷却系统）对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应按现行变压器标准的要求，装设可作用于信号或动作于跳闸的保护装置，如温度保护等。6.3设计选用的继电保护装置6.3.1变压器的差动保护电流纵差保护不但能够正确区分内外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，具有独特的优点，因而被广泛用来当作变压器的主保护。变压器的纵联差动保护用来反映变压器绕组、引出线及套管上的各种短路保护故障，是变压器的主保护。原理接线图如图6—1所示图6—1变压器差动保护单相原理接线图纵联差动保护是按比较被保护的变压器两侧电流的大小和相位的原理实现的。为了实现这种比较，在变压器两侧各装设一组电流互感TA47 l、TA2，其二次侧按环流法连接，即若变压器两端的电流互感器一次侧的正极性端子均置于靠近母线的一侧，则将它们二次侧的同极性端子相连接，再将差动继电器的线圈按环流法接入，构成纵联差动保护。变压器的纵差保护与输电线的纵联差动相似，工作原理相同，但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，为了保证变压器纵差保护的正常运行，必须选择好适应变压器两侧电流互感器的变比和接线方式，保证变压器在正常运行和外部短路时两侧的二次电流不同。其保护范围为两侧电流互感TAl、TA2之间的全部区域，包括变压器的高、低压绕组、套管及引出线等。从6—1可见，正常运行和外部短路时，流过差动继电器的电流为Ir=I1+I2，在理想的情况下，其值等于零。但实际上由于电流互感器特性、变比等因素，流过继电器的电流为不平稳电流。变乐器内部故障时，流入差动继电器的电流为Ir=11+12，即为短路点的短路电流。当该电流大于KD的动作电流时，KD动作。由于变压器各侧额定电压和额定电流不同，因此，为了保护其纵联差动保护正确动作，必须适当选择各侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部短路时，差动回路内没有电流。如图6-1中，应使I12=I22=I1nTA1=I2nTA2（6-1）式6—1nTA1——高压侧电流互感器的变比；nTA2——低压侧电流互感器的变比。式(6-1)说明，要实现双绕组变压器的纵联差动保护，必须适当选择两侧电流互感器的变比。因此，在变压器纵联差动保护中，要实现两侧电流的正确比较，必须先考虑变压器变比的影响。实际上，由于电流互感器的误差、变压器的接线方式及励磁涌流等因素的影响，即使满足式(6-1)条件，差动回路中仍回流过一定的不平衡电流Iunb，Iunb越大，差动继电器的动作电流也越大，差动保护灵敏度就越低。因此，要提高变压器纵联差动保护的灵敏度，关键问题是减小或消除不平衡电流的影响。励磁涌流就是变压器空载合闸时的暂态励磁电流。由于在稳态工作时，变压器铁心中的磁通应滞后于外加电压90o。所以，如果空载合闸正好在电压瞬间值u=0的瞬间接通，则铁心中就具有一个相应的磁通-φmax47 ，而铁心中的磁通又是不能突变的，所以在合闸时必将出现一个+φmax磁通分量。此分量的磁通将按指数规律自由衰减，故称为非周期件的磁通分量。如果这个非周期件的磁通分量的衰减比较慢，那么，在最严重的情况下，经过半个周期后，它与稳态磁通相叠加的结果，将使铁心中的总磁通达到2φmax的数值，如果铁心中还有方向相同的剩余磁通φres，则总磁通将为2φmax+φres。此时由于铁心高度饱和，使励磁电流剧烈增加，从而形成的励磁涌流。该图中与对应的为变压器的额定电流的最大值Iμφ，与2φmax+φres对应的则为励磁涌流的最大值Iμmax。随着铁心中非周期磁通的不断衰减，励磁电流也逐渐衰减至稳态值。以上分析是在电压瞬时值u=0时合闸的情况。当然，当变压器在电压瞬时值为最大的瞬间合闸时，因对应的稳态磁通等于零，故不会出现励磁涌流，合闸后变压器将立即进入稳态工作。但是，对于三相式变压器，因三相电压相位差120o，空载合闸时出现励磁涌流是不可避免的。根据以上分析可以看出，励磁涌流的大小与合闸瞬间电压的相位、变压器容量的大小、铁心中剩磁的大小和方向及铁心的特性等因素有关。而励磁涌流的衰减速度则随铁心的饱和程度及导磁性能的不同而变化。由于变压器的励磁电流只流经它的电源侧，故造成变压器两侧电流不平衡，从而在差动回路中产生不平衡电流。在正常运行时，此励磁电流很小，一般不超过变压器额定电流的3％～5％。外部故障时，由于电压降低，励磁电流也相应减小，其影响就更小。因此由于正常励磁电流引起的不平衡电流不大，可以忽略不计。但是，当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，可能出现很大的励磁涌流，其值可以达到变压器额定电流的6～8倍。因此，励磁涌流将在差动回路中产生很大的不平衡电流，可能导致保护的误动作。差动保护是一切电气主设备的主保护，它以其灵敏度高，选择性好，实现简单而广泛地应用在发电机、电抗器、电动机利母线等主设备上。鉴于差动保护在以上设备中应用的成功，以及过去技术水平的限制，人们别无选择地在变压器保护上同样采取制差动保护作为主保护。它不但能正确区分区内外故障，而且不需要与其他元件配合，可以无延时地切除区内各种故障，具有独特的优点。6.3.2变压器的瓦斯保护47 如果变压器内部发生严重漏油或匝间短路、铁心局部烧损、线圈断线、绝缘劣化和油面下降等故障时，往往差动保护及其他保护均不能动作，而瓦斯保护却能动作。因此，瓦斯保护是变压器油箱内部故障最有效的一种主保护。瓦斯保护主要由气体继电器来实现，安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中。气体继电器有两个输出触点：一个反映变压器内部不正常情况或轻微故障的“轻瓦斯”；另一个反映变压器严重故障的“重瓦斯”。轻瓦斯动作于信号，使运行人员能够迅速发现故障并及时处理；重瓦斯动作于跳开变压器两侧断路器。瓦斯保护动作后，应从气体继电器上部排气口收集气体，进行分析。根据气体的数量、颜色、化学成分和可燃性等，判断保护的原因和故障性质。瓦斯继电器只能反映变压器内部的故障，包括漏油、漏气、油内有气、匝间故障、绕组相间短路等。而对变压器外部端子上的故障情况则无法反映。因此，除设置瓦斯保护外，还要设置过电流，差动等保护。常用的瓦斯继电器有两种：一是浮子式；二是挡板式。挡板式瓦斯继电器是将浮子式的下浮子改为挡板结构。两者的区别是，挡板式的挡板结构不随油面下降而动作，而是在油的流速达到0.6~1.0m/s时才动作，所以挡板式瓦斯继电器遇到油面下降或严重缺油时，不会造成重瓦斯误动跳闸。瓦斯继电器收集气体判别故障，瓦斯继电器动作后，如果不能明确判别是不是变压器内部故障所致，就应立即收集瓦斯继电器内聚积的气体，通过鉴别气体的性质，做进一步判别。瓦斯保护的原理接线如图6—2所示。气体继电器的轻瓦斯触点由开口杯控制，构成轻瓦斯保护，其动作后发出警报信号，重瓦斯触点由挡板控制，构成重瓦斯保护，其动作或经信号发生器启动出口中间继电器，两端触点分别使断路器1QF、2QF跳闸，从而切断故障电流。为了防止变压器内严重故障时因油速不稳定，造成重瓦斯触点时通时断的不可靠动作，必须选用带自保持电流线圈的出口中间继电器。在保护动作后，借助于断路器的辅助触点1QF1和2QF2来接触出口回路的自保持。在变压器加油或换油后及气体继电器试验时，为了防止重瓦斯误动作，可以利用切片，使重瓦斯暂时改接到信号何置，只发信号。47 瓦斯保护具有灵敏度高，动作迅速，接线简单等优点。但由于瓦斯保护不能单独作为变压器的主保护，所以通常是将瓦斯保护与纵联差动保护配合作为变压器的主保护。图6-2变压器瓦斯保护原理接线图6.3.3气体继电器构成和动作原理瓦斯保护是利用安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道中的气体继电器构成的，如图6-2所示。为了不妨碍气体的流动，在安装具有气体继电器的变压器时，变压器顶盖与水平面应具有1%~1.5%的坡度，通往气体继电器的连接管只有2%~4%的坡度，安装油枕一侧方向向上倾斜。这样，当变压器发生内部故障时，可使气流容易进入油枕，并能防止气泡积聚在变压器的顶盖内。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。浮筒和挡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；档板则由于本身的重量而下垂，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”。重瓦斯动作，立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。瓦斯继电器有浮筒式、档板式、开口杯式等不同型号。目前大多采用QJ-8047 型继电器，其信号回路接上开口杯，跳闸回路接下档板。所谓瓦斯保护信号动作，即指因各种原因造成继电器内上开口杯的信号回路接点闭合，光字牌灯亮。QJ1-80型气体继电器分轻瓦斯和重瓦斯两部分。轻瓦斯部分主要是由开口杯、固定在开口杯上的永磁铁、干簧触点构成的。重瓦斯部分主要有挡板、固定在挡板的磁铁、重瓦斯干簧触点及流速整定螺杆构成。图6—3瓦斯继电器在变压器上的安装示意图1-变压器油箱2-联通管3-瓦斯继电器4-油枕瓦斯保护的主要优点是动作迅速，灵敏度高，安装接线简单且能反映油箱内发生的各种故障。缺点是不能反映油箱以外的套管以及引出线等部位发生的故障。故不能作为变压器唯一的主保护，需与差动保护配合共同作为变压器主保护。6.3.4变压器的后备过电流流保护变压器后备保护作为变压器自身的近后备和各侧母线及线路的远后备。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。47 过电流保护为电力变压器相间短路的后备保护，当流过被保护元件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号，这种继电保护称为过电流保护。该保护一般用于容量较小的降压变压器上，其单相原理接线如图6-4所示。图6-4变压器过电流保护单相原理接地图定时限过电流保护作为下级线路主保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，同时作为本线路主保护拒动时的近后备保护，也作为过负荷时的保护，一般采用过电流保护。过电流保护通常是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的保护，当电流的幅值超过最大负荷电流值时启动。过电流保护有两种：一种是保护启动后出口动作时间是固定的整定时间，称为定时限过电流保护；另一种是出口动作时间与过电流的倍数相关，电流越大，出口动作越快，称为反时限过电流保护。过电流保护在正常运行时不启动，而在电网发生故障时，则能反应与电流的增大而动作。在一般情况下，它不仅能够保护本线路的全长，而且保护相邻线路的全长，可以起到远后备保护的作用。定时限过电流保护由电流继电器1kA与2kA、时间继电器kT和信号继电器kS组成。其中，1kA、2kA是测量元件，用来判断通过线路电流是否超过预设值；kT为延时元件，它以适当的延时来保证装置动作有选择性；KS用来发出保护动作的信号。图5-5为定时限过电流保护的原理图和展开图。47 图6-5定时限过电流保护原理图和展开图(a)原理图(b)展开图正常情况下，断路器QF闭合，保持正常供电，线路中流过正常电流，此时电流继电器不会启动。当线路发生相问短路故障时，线路中流过的电流迅速增加，使电流继电器KA瞬时动作，启动时间继电器KT，经过延时，KT延时触点闭合，使串联的信号继电器(电流型)S和中间继电器KM动作，KS触点闭合接通报警线路，KM触点闭合，接通跳闸线圈YR回路，使断路器QF跳闸，切除短路故障。在短路故障切除后，继电保护装置除KS外的其他所有继电器都自动返回起始状态，而KS需手动复位。6.3.5变压器的过负荷保护在大多数情况下，变压器过负荷是三相对称的，故保护装置只采用一只电流继电器接于一相上，并经一定延时动作于信号。双绕组变压器，过负荷保护应装在主电源侧。单侧电源三绕组降压变压器，若三侧绕组容量相同，过负荷保护装在电源侧；若i侧绕组容量不相同，则只有电源侧和绕组容量较小的一侧装设过负荷保护。两侧电源的三绕组降压变压器或联络变压器，三侧均装设过负荷保护。一侧无电源的三绕组升压变压器，过负荷保护应装于发电机侧和无电源侧；当三侧都有电源时，各侧均装设过负荷保护。变压器的过负荷保护原理如图6—6所示47 图6-6变压器的过负荷保护原理图运行中的变压器如果过负荷，可能出现电流指示超过额定值，有功、无功功率表指示增大，或出现变压器“过负荷”信号、“温度高”信号和音响报警等信号。值班人员发现上述异常现象或信号，应按下述原则处理：(1)恢复警报，汇报班长、值长，并作好记录。(2)及时调整变压器的运行方式，若有备用变压器，应市即投入。(3)及时调整负荷的分配，与用户协商转移负荷。(4)如属正常过负荷，要可根据正常过负荷的倍数确定允许时间，若超过时间，应立即减小负荷；同时，要加强对变压器温度的监视，不得超过允许温度值。(5)如属事故过负荷，则过负荷的允许倍数和时间，应据制造厂规定执行。(6)对变压器及有关系统进行全面检查，若发现异常，应市即汇报领导并进行处理。6.3.6变压器的零序电压保护中性点直接接地系统发生接地短路时，零序电流的大小和分布与变压器中性点接地数目和位置有关。为了使零序保护有稳定的保护范围和足够的灵敏度，在发电厂和变电所中，将部分变压器中性点接地运行。因此，这些变压器的中性点，47 有时接地运行，有时不接地运行。为了限制短路电流并保证系统中零序电流的大小和分布不受系统运行方式变化的影响，变电站中通常只有部分变压器的中性点接地。变压器中性点不接地的运行方式有时根据需要也可以切换为中性点接地运行方式。 (1)全绝缘变压器。全绝缘变压器除了装设零序电流保护作为变压器中性点直接接地运行时的保护外，还应增设零序电压保护，作为变压器中性点不接地运行时的保护。原理如图6-7所示。图6—7零序电压保护的原理接线和保护逻辑电路变压器中性点接地运行时，零序电流保护投入；变压器中性点如不接地运行，当电网发生单相接地故障且失去中性点时，中性点不接地的变压器中性点将出现零序电压，放电间隙击穿，间隙零序电流启动，跳开变压器，将事故切除，避免间隙放电时间过长。如果万一放电间隙拒动，则零序电压启动将变压器切除。 (2)中性点不设放电间隙的分级绝缘变压器。对中性点不设放电间隙的分级绝缘变压器，其中性点绝缘水平较低。为了防止中性点绝缘在工频过电压作用下损坏，当发生接地故障时，应采用零序电压保护先断开中性点不接地的变压器，后采用零序电流保护断开中性点接地的变压器。47 6.3.7变压器的温度保护当变压器的冷却系统发生故障或发生外部短路和过负荷时，变乐器的油温将升高。变压器的油温越高，油的劣化速度越快，使用年限减少。当油温达115～150℃时劣化更明显，以致不能使用。油温越高将促使变压器绕组绝缘加速老化影响其寿命。因此，《变压器运行规程》规定：上层油温最高允许值为95℃，正常情况下不应超过85℃，所以运行中对变压器的上层油温要进行监视。凡是容量在1000kVA及以上的油浸式变压器均要装设温度保护，监视上层油温的情况；对于变电所，凡是容量在315kVA及以上的变压器，通常都要装设温度保护；对于少数用户变电站，凡是容量在800kVA左右的变压器，都应装设温度保护，但温度保护只作用于信号。温度继电器的工作原理：当变压器油温升高时，受热元件发热升高使连接管中的液体膨胀，温度计中的压力增大，可动指针向指示温度升高的方向转动。当可动指针与事先定位的黄色指针接触时，发出预告信号并开启变压器冷却风扇。如经强风冷却后变压器的油温降低，则可动指针逆时针转动，信号和电风扇工作停止；反之，如变压器油温继续升高，可动指针顺时针转动到与红色定位指针接触，这是为避免事故发生而接通短路器跳闸线圈回路，使短路器跳闸，切除变压器，并发出声响灯光信号。温度继电器的结构：变压器油温的监视采用温度继电器Kθ，它由变压器生产厂成套提供。它是一种非电量继电器。常用的电触头压力式温度继电器的结构图，它由受热元件、温度计及附件组成，是按流体压力原理工作的。温度计是一灵敏的流体压力表，他有一支可动指针和两支定位指针分别为黄色和红色。铜质连接管内充有乙醚液体或氯甲烷、丙酮等，受热元件插在变压器油箱定盖的温度测孔内。7各保护装置的整定计算7.1变压器纵差保护整定计算及其校验表7-1各参数47 参数变压器高压侧计算数值变压器低压侧计算数值额定电压（kV）一次侧额定电流（kA）电流互感器接线方式选用电流互感器变比电流互感器二次则额定电流（A）350.132D300/55100.46Y1000/55从上表中可以看出，所以选择较大者10kV侧为基本侧。计算变压器差动保护的动作电流，并将其归算到基本侧。确定保护装置的一次动作电流：(1)躲过外部故障时的最大不平衡电流：Iset=Krel×Iunb.max=13.×1.81=2.35kA(7-1)Iunb.max=∆f+∆U+0.1×Knp×KstIk.max=0.05+0.05+0.1×1.5×17.23=2.35kA(7-2)式中Krel：可靠系数，查阅工程手册选用1.3。∆f－由电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的误差，取0.05;∆U－由变压器调压引起的误差，取为0.05;Knp－非周期分量系数，取1.5；Kst－电流互感器同型系数，取1；Ik.max－外部短路故障时的最大短路电流；(2)躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流47 Iset=Krel×Il.max=1.3×0.69=0.897kA(7-3)式中Krel—可靠系数，取1.3；Il.max—最大负荷电流；Il.max=Kss×IN=1.5×0.46=0.69kA(7-4)Kss—综合负荷自启系数，取1.5；（3）躲过变压器最大励磁涌流：Iset=Krel×Ku×IN=1.3×4×0.46=2.39kA(7-5)式中ku—励磁涌流的最大倍数，取4；Krel—可靠系数，取1.3；IN—变压器低压侧额定电流；按上面三个条件计算纵差动保护的动作电流，并选取最大者为动作电流：Iset=2.39kA纵差动保护整定的动作时限动作时限由变压器供电的线路保护装置的一段时限阶段，一般取0.5s—0.7s，这里取0.5s比较合适。纵差动保护的灵敏系数校验式：Ksen=Ik.minIset32=5.62.3932=2.02>2(7-6)所以灵敏度要求。式中—各种运行方式下变压器区内端部故障时，流经差动继电器的最小差动电流，即系统在最小运行方式下的短路电流。7.2变压器过电流保护的整定计算Iset=KrelKre×Il.max=1.30.85×0.69=1.06kA(7-7)式中：Krel—可靠系数，一般采用1.3；Kre—返回系数，一般采用0.85；47 Il.max—变压器的最大负荷电流；过电流保护整定的动作时限。动作时限由变压器供电的线路保护装置的最大时限大一时限阶段，取0.5s—0.7s，这里取0.5s(当过电流保护的动作时限大于0.5s时，增设电流速断保护）。保护装置的灵敏校验:Ksen=IminIset=3×5.62×1.06=4.5>1.2(7-8)所以选用的保护装置满足要求。式中:Imin—最小运行方式下，在灵敏度校验发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流。7.3过负荷保护的整定计算IOP=KrelKre×IN=1.050.85×0.46=0.568kA(7-9)式中：Krel—可靠系数，一般采用1.05；Kre—返回系数，一般取0.85；IN—低压侧额定电流。电力变压器过负荷保护的动作时限一般取10—15s过负荷保护无需检验。7.4变压器零序电压保护中性点不接地变压器装设零序电压保护，在线路单相接地情况下中性点位移电压升高时保护变压器，避免绝缘破坏损坏变压器。其零序电压（3U0）定值一般整定为100V，保护动作后带0.3到0.5秒的延时跳变压器各侧断路器。在制造时，其辅助二次绕组的变比按100/3的电压设计，而不是按100/√3线电压设计，所以，在开口处出现100V零序电压，当发生不完全接地时，开口处的零序电压小于100V。但电压继电器的整定值只需躲过正常运行时的三相不平衡电压和电压互感器误差等引起的零序电压，一般为15V，所以发生单相接地时，通常都能使继电47 器动作。三相五柱式电压互感器常用于中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统中。在这种系统中如果发生单相接地，接地相对地电压为零，非接地相对地电压升高3倍。在这种情况下，五柱式的两旁轭为产生的零序磁通提供了畅通的磁路，这就避免了普通互感器因零序磁路磁阻太大导致电流过大而发热损坏。图7-2为一台三相五柱式电压互感器接线，一次绕组接成星型，且中性点接地。基本二次绕组也接成星型，并中性点接地，即可测量线电压又可以测量相电压。附加二次绕组每相的额定电压按1003V设计，接成开口三角形，亦要求一点接地。电网正常运行时，三相电压对称，开口三角绕组引出端子上的电压Ua1，X1为三相二次电压之相量和，其值为零，但实际上因漏磁等因素的影响，Ua1，X1一般不为零，而有几伏的不平衡电压。当电网发生单相接地故障时，电压互感器一次侧的零序电压也感应到二次侧，因三相零序电压大小相等、相位相同，故开口三角绕组两端出现100V电压，供给绝缘监视继电器，使之发出一个故障信号图7-2一台三相五柱电压互感器接线表7-1三相五柱式电压互感器参数型号额定电压（kV）二次额定容量(VA)最大容量(VA)一次线圈二次线圈辅助线圈3级JSJW-101030.130.1348096047 8.1瓦斯保护继电器的选型8.1.1瓦斯保护设计的简介及瓦斯保护原理查找相关规定我们可以知道800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器均应装瓦斯保护。本设计采用瓦斯保护作为主保护之一，瓦斯保护是反映变压器内部故障最有效最灵敏的保护装置，是最重要的变压器的保护之一，它可以反映油箱内的一切故障。包括：油箱内的多相短路、绕组匝间短路、绕组与铁芯或与外壳间的短路、铁芯故障、油面下降或漏油、分接开关接触不良或导线焊接不良等。瓦斯保护动作迅速、灵敏可靠而且结构简单。但是它不能反映油箱外部电路（如引出线上）的故障，所以不能作为保护变压器内部故障的唯一保护装置。对于变压器油箱内的故障，差动保护不会反应。又如变压器绕组产生少数线匝的匝间短路,虽然短路匝内短路电流很大会造成局部绕组严重过热产生强烈的油流向油枕方向冲击,但表现在相电流上却并不大,因此差动保护没有反应,但瓦斯保护对此却能灵敏地加以反应,这就是差动保护不能代替瓦斯保护的原因。瓦斯保护装置结构简单、经济，对缓慢发展的故障，其灵敏性比变压器的差动保护优越，能够反应变压器油箱内部各种类型的故障，但对变压器油箱外部套管引出线上的短路不能反应，对绝缘突发性击穿的反应不及差动保护；而且在强烈地震期间和变压器新投入时，瓦斯保护不能投到跳闸位置,所以瓦斯保护一般与差动保护共同使用构成变压器的主保护。本设计采取的瓦斯保护的原理如下图8-1所示。瓦斯保护不但在发生故障和危险的时候动作，也在变压器内部出现空气和油的冲击时动作，其中轻瓦斯保护作用于信号，重瓦斯保护作用于跳闸或转回信号。重瓦斯动作，会立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。47 图8-1瓦斯保护原理接线图①正常运行：在正常运行时，继电器内充满油，开口杯浸在油内，处于上浮位置，接点断开；档板则由于本身重量而下垂，其接点也是断开的。②轻瓦斯保护动作：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气体继电器的上部空间，使油面下降，开口杯随之下降而使接点闭合，接通报警信号。③重瓦斯保护动作：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向移动，使接点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸。此外变压器保护的出口中间继电器必须是自保持中间继电器。因为重瓦斯是靠油流的冲击而动作的，当变压器内部发生严重故障的时候，油流速不稳定，且断路器的跳闸有其固有动作时间，为了防止短时闭合造成动作不可靠，将2个电流自保持线圈分别和断路器两侧的跳闸线圈串联，当重瓦斯动作时，接通出口中间继电器的电压线圈，闭合其触点，这样就可以分别经2个电流线圈接通断路器的跳闸线圈而自保持，从而能保证断路器跳闸的高可靠性。8.1.2瓦斯保护的整定一般轻瓦斯保护的动作值按气体容积为整定，变压器容量在47 以上时，一般正常整定值为。气体容积整定是通过调节重锤力臂长度来改变的。表8-1为轻瓦斯保护气体容积的参考整定值,本设计采用。表8-1轻瓦斯保护气体容量整定参考标准变压器容量（MVA）导油管直径（mm）整定范围（cm）正常整定值（cm）11～1010以上255080100～120185～215220～280110220250一般重瓦斯保护的动作值是按照导油管的油流速度为整定，为了防止特殊故障时瓦斯保护误动作，也可将流速整定在左右。表8-2为油流速度参考整定值,本设计采用1.0m/s。表8-2重瓦斯保护油流速整定参考标准变压器容量（MVA）导油管直径（mm）整定范围（m/s)正常整定值（m/s）11～1010以上2550800.75～1.250.81～1.350.95～1.550.901.01.1当变压器内部发生故障时，变压器油会膨胀并汽化，气体通过瓦斯继电器流向油枕时，使瓦斯继电器动作，发出预告信号或跳闸。瓦斯继电器有浮筒式、挡板式和开口杯式三种型式，其中开口杯式最为可靠。它采用干簧触点，型号有FJ3-80和QJ1-80型两种。FJ3-80型一般用于中、小47 型变压器中，QJ1-80型用于大容量变压器和强迫油循环冷却式变压器中。本设计瓦斯继电器选用F-80型。此型号继电器为复合式瓦斯继电器件，用开口杯代替密封浮筒，克服了浮筒渗油的缺陷，用干簧接点代替水银接点，防止震荡时误动作，是一种有较好抗震结构的瓦斯继电器。当大量气体和油流直接冲击挡板，使下开口杯顺时针方向旋转，带动永久磁铁靠近下部干簧的触点使之闭合，发出跳闸脉冲，表示“重瓦斯”保护动作。图8-2FJ3-80复合型瓦斯继电器结构原理图图8-3瓦斯继电器的安装示意图47 继电器的上、下方各有一个带干簧接点的开口杯，即上开口杯和下开口杯。正常时，上开口杯和下开口杯都浸在油内，由于开口杯及附件在油内的重力所产生的力矩比平衡锤所产生的力矩小，因此开口杯都处于上升位置，干簧触点是断开的。当油箱内发生轻微故障时，产生的少量气体（称轻瓦斯）聚集在继电器的上部，迫使油面下降，上开口杯露出油面。这时，上开口杯及附件在空气中的重力加上杯内的油重所产生的力矩大于平衡锤所产生的力矩。因此上开口杯沿顺时针方向转动，并带动永久磁铁靠近干簧触点，干簧触点依靠磁力作用而闭合，发出轻瓦斯的预告信号。当油箱内发生严重故障时，产生大量气体（称重瓦斯），形成油气流，沿连接管冲向油枕。瓦斯继电器的挡板在油流的冲击下，带动下开口杯沿顺时针方向转动，使下部干簧触点闭合，发出重瓦斯报警信号，并作用于断路器跳闸。在有人值班的场所，不需要因油面严重下降而跳闸，可将下开口杯底部的螺丝拧掉，使重瓦斯不动作，只使轻瓦斯作用于信号。8.2差动的继电器的选型在GB50062-92里规定10000kVA及以上的单独运行变压器和6300kVA及以上的并列运行变压器，应装设差动保护；6300kVA及以下单独运行的重要变压器，也可装设差动保护。当电流速断保护灵敏度不符合要求时，宜装设差动保护。而且纵联差动保护应符合下列要求：①应在变压器过励磁时不误动；②应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流；③差动保护范围应包括变压器套管及其引出线。如不能包括引出线时，采取快速切除故障的辅助措施。本设计采用较经济的BCH-2型带有速饱和变流器的继电器，以提高保护装置的励磁涌流的能力。BCH-2型差动继电器由电磁型电流继电器、三柱铁芯和几个线圈组成。中间柱截面较大，易于饱和，在其上面绕有四个线圈：差动线圈、两个平衡线圈和一个短路线圈。差动线圈接于变压器差动保护的差动回路中，当安匝磁势达到一定值时，二次绕组感应的某一电势值使电流继电器起动。平衡线圈的作用是消除变压器两侧电流互感器的计算变比与实际变比不一致所产生的不平衡安匝磁势。短路线圈的作用是提高差动继电器躲过励磁涌流的能力。BCH-2型差动继电器能预防在非故障状态时出现的暂态电流的作用，例如当电力变压器空载合闸，或在穿越性短路切除后电压恢复时出现很大的励磁涌流，其瞬时值常达额定电流的倍，这时差动保护不应误动作，但发生区内短路47 时，却能迅速动作切除故障。 差动继电器由两部分组成：DL-11型电流继电器和中间饱和变流器(以下简称变流器)。前者作为执行元件，后者具有短路绕组，它构成差动继电器的一些主要技术性能，如直流偏磁特性消除不平衡电流效应的自耦变流器性能等。 变流器的导磁体是一个三柱形铁芯，用几组“山”形导磁片叠装而成，在导磁体的中柱上防置工作绕组，平衡绕组Ⅰ、Ⅱ和短路绕组，此短路绕组与右侧边柱上的短路绕组相连接二次绕组放在导磁体的左侧边柱上，绕组在导磁体上的分布如图8-4，继电器的内部接线及其保护三次绕组电力变压器的原理接线图如图8-5所示。由于具有平衡绕组，且每隔一匝有抽头，以便调整用以消除由于电流互感器变化不一致等原因所引起的平衡电流的效应，具有两个平衡绕组就使得继电器能用于保护三绕组的电力变压器。图8-4BCH-2差动继电器原理图47 图8-5BCH-2差动继电器原理接线图继电器的基本原理是利用非故障时暂态电流中的非周期分量来磁化变流器的导磁体，提高其饱和程度从而构成躲避励磁涌流及穿越性故障时不平衡电流的作用，其相应的特性曲线为直流偏磁特性曲线簇ε=f（k），工作绕组接入保护的差动回路，平衡绕组可以按照实际需要接入电流回路或工作回路 具有短路绕组的变流器其特点是专门利用非周期性电流来磁化导磁体内部的电磁过程，当电力变压器空载合闸时，瞬时值很大的励磁涌流全部流过工作绕组、涌流波形，具有偏于时间轴一侧的特性，分析这种波形可以得到周期性分量及以一定速度衰减的非周期分量，并在导磁体里产生相应的磁通，它们在短路绕组里产生两种不同的反应，直流磁通可以无阻碍地以两个边柱为路径环流。交流磁通将遭到短路绕组的感应作用而消弱，在直流磁通的作用下导磁体迅速饱和，大大降低了导磁率，这就大大恶化了工作绕组与二次绕组间的感应条件，因而显著增大了继电器的动作电流，这便是所谓直流偏磁作用。 当穿越性短路时，短路电流中含有非周期分量电流时，也产生同样的作用，因而也能防止当穿越短路切除后电压恢复时的误动作。 差动继电器的这种直流偏磁特性用图8-6的曲线簇ε=f（k）来表征其中。47 图8-6BCH-2差动继电器的直流偏瓷特性曲线ε=ICP/ICPO：动作电流倍数，它是具有直流分量时的交流动作电流与直流分量等于零时交流动作电流的比值。 ε=I=/ICP：偏移系数，即直流分量与相应交流动作电流的比值，它表示电流波形对时间轴的偏移程度。 上述ε=f（k）是继电器的静态特性，它是在工作绕组里同时通入交流与直流电流试验取得的，直流电流是时间变化的，而非周期分量电流的数值尚随着时间的增大而逐渐衰减。 为了产生良好的速饱和特性，变流器的工作磁通密度BCP应选择较高，但也必须保证继电器可靠动作所必须的裕量，为此规定在差动继电器的动作电流为5倍起始值时，其可靠系数KH不小于1.3S。BCH-2型继电器基本参数如表8-3表8-3BCH-2型继电器基本参数交流额定电流（A)额定频率（HZ）动作电流整定范围(A)起始动作安距可靠系数动作时间（ms)功率消耗（VA）47 550用于两绕组变压器或发电机时60±45倍动作电流≥1.352倍动作电流≥1.23倍动作电流时≤35额定电流下,平衡绕组全部接入单相功率消耗≤16如图8-7，在变压器两侧安装电流互感器，其二次绕组串联成环路，继电器KA（或差动继电器KD）并接在环路上，流入继电器的电流等于变压器两侧电流互感器的二次绕组电流之差，即，为变压器一、二次侧的不平衡电流。变压器正常运行或差动保护的保护区外短路时，流入差动继电器的不平衡电流小于继电器的动作电流，保护不动作。在保护区内短路时，对单端电源供电的变压器远大于继电器的动作电流，继电器KA瞬时动作，通过中间继电器KM，使变压器两侧断路器跳闸，切除故障。差动保护的基本原理如图8-7所示:图8-7差动保护单相原理图BCH-2型差动继电器(以下简称继电器)用于两绕组或三绕组电力变压器以及交流发电机的单相差动保护线路中，作为主保护。 47 8.3过电流保护继电器的选型变压器过电流，用来保护变压器外部短路时引起的过电流，这里是作为变压器内部短路时，瓦斯保护和差动保护的后备保护，保护装置装在电源侧，单电源供电的变压器的保护原理见图8-8，和线路的定时限过电流保护相同所以在这里不再详细叙述，在下面的章节有线路过电流保护原理的详细介绍。当通过线路的电流大于继电器的动作电流，保护装置起动，并用时限保证动作的选择性，这种继电保护装置称为过电流保护。保护动作时候应切断变压器两侧断路器。图8-8变压器过电流保护单相原理图本设计所采取的过电流保护的按照变压器可能出现的最大负荷电流来整定，这里按躲过变压器额定电流来整定，根据整定电流，故本设计选择继电器DL-21CE。DL-21C电流继电器用于发电机、变压器和输电线路的过负荷和短路保护线路中，作为启动元件。DL-21C继电器是瞬时动作电磁式继电器,当电磁铁线圈中有电流通过时,衔铁克服反作用力矩而处于动作状态。当电流升高到整定值(或大于整定值)时,继电器立即动作,动合触点闭合,动断触点断开。当电流降低到0.8倍整定值时,继电器立即返回,动合触点断开,动断触点闭合。DL-21C电流继电器技术参数：(1)DL-21CE电流继电器有一个常开触电，动作于过电流。47 (1)动作时间：继电器在1.1倍整定值时，动作时间不大于0.12s。在2倍整定值时，动作时间不大于0.04s。(2)触点断开容量：在电压不大于250V，电流不大于2A时的直流有感负荷电路(时间常数不大于5±0.75ms)中，断开容量为50W；在交流电路中为250VA。(3)当继电器加1.75倍整定值或更高的电流时，继电器的动合触点应无抖动地闭合。(4)继电器的导电部分对外壳(外壳上的非导电金属部分)的绝缘，应能耐受50Hz交流电压2kV历时1min的试验。DL-21CE过流继电器接线图如图8-9，图8-10所示。图8-9背后端子接线图图8-10前接线端子接线图8.4过负荷保护继电器的选型在大多数情况下，变压器过负荷是三相对称的，故保护装置只采用一只电流47 继电器接于一相上，并经一定延时动作于信号。双绕组变压器，过负荷保护应装在主电源侧。单侧电源三绕组降压变压器，若三侧绕组容量相同，过负荷保护装在电源侧；若i侧绕组容量不相同，则只有电源侧和绕组容量较小的一侧装设过负荷保护。两侧电源的三绕组降压变压器或联络变压器，三侧均装设过负荷保护。一侧无电源的三绕组升压变压器，过负荷保护应装于发电机侧和无电源侧；当三侧都有电源时，各侧均装设过负荷保护。变压器的过负荷保护原理如图8—11所示图8-11变压器的过负荷保护原理图运行中的变压器如果过负荷，可能出现电流指示超过额定值，有功、无功功率表指示增大，或出现变压器“过负荷”信号、“温度高”信号和音响报警等信号。为了防止短时过负荷或在外部短路时发出不必要的信号，需装设一只延时闭合的时间继电器，其动作时限一般整定为10-15ｓ。所以一般会选择一个DS-26E型时间继电器。DS-26E型时间继电器是一种继电保护设备，其主要是利用电磁原理或机械原理实现延时控制电路。也可以说时间继电器是一种使用在较低的电压或较小电流的电路上，用来接通或切断较高电压、较大电流的电路的电气元件。DS-26E型时间继电器的工作原理是当线圈通电时，衔铁及托板被铁心吸引47 而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹,上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。吸引线圈断电后，继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。空气经出气孔被迅速排出。DS-26E时间继电器技术参数（1）温度条件：环境温度为-25℃~+40℃时，温度变化对硅油粘度的影响，使继电器的动作时间有所变化，则可调节该继电器下端的调节螺钉，以达到特殊要求。（2）动作时间：1.1倍整定值的动作时间不大于30ms；2倍整定值的动作时间不大于20ms。（3）绝缘电阻：在交变湿热条件下不小于4MΩ。（4）额定电流：5A，50Hz。（5）额定频率：50Hz～60Hz。（6）返回系数：不小于0.8。（7）过载能力：当继电器接②、⑥端子时，在最小整定值处，使电压均匀地自1.05倍整定电压升至2.2倍整定电压，此时继电器不应有动合触点不能工作的抖动（DY-31～34H/D/60C线圈并联时）。（8）对基波的滤过比：在2V整定值时，按下式计算的滤过比K应不小于60。（9）动作时间：在1.2倍整定点上不在于0.04s。47 8.5其他必要辅助保护本设计的辅助保护包括温度信号装置和冷却风扇自启动装置。变压器的油温越高，劣化速度越快，使用年限减少的越厉害，当油温达115~120℃时候，油开始劣化，运行规定最高允许油温为95℃，正常情况不超过85℃.因此要采用温度信号装置对变压器上层次油温进行监视。①温度信号装置本设计的温度信号装置的基本元件采用带电触点的wtz-288型压力式温度计，其结构简图如图图8-12WTZ-288型压力式温度计受热器插入变压器顶盖温度计孔中，当被测温度升高的时候，受热器里面液体的体积膨胀，温度指示表计里的流体压力感应计所受压力增大，指示指针，指示指针位置改变，当指针到达定位指针预先放置的位置的时候，定位指针的一对触点接通发出信号或者开启变压器冷却风扇。②冷却风扇自起动由WTZ-288测取温度信号。变压器负荷增大，运行温度上升,当上层油温达75℃时，系统自动启动风机冷却；当油温度低至50℃时，系统自动停止风机。③报警和跳闸47 通WTZ-288温度信号。当变压器上层油温升高达到80℃时，系统输出超温报警信号；若温度继续上升达85℃，变压器已不能继续运行，须向二次保护回路输送超温跳闸信号，应使变压器迅速跳闸。9防雷设计雷电过电压是雷云放电引起的电力系统过电压，又称为大气过电压，外部过电压。由于雷电现象极为频繁，产生的雷电过电压可达数千千伏，足以使电气设备绝缘结构发生闪络和损坏，引起停电事故，因此有必要对输电线路，发电厂和变电所的电气设备采取防雷保护设措施。9.1雷电过电压雷云放电在电网（或者电力系统）中引起的过电压，统称雷电过电压由于这种过电压和电网的工作电压本身没有直接关系，其所需要的电磁场能量来自电网外部，所以又称为外部过电压，又由于雷云放电发生在大气中，所以这种过电压也成为大气过电压。该种过电压通常为单极性，持续时间很短为级（几微秒至几十微秒）幅值可能很高，对电网危害很大，应当加以限制。雷电过电压又分为：直击雷过电压和感应雷过电压。直击雷过电压是由于雷直击于电网引起的，感应雷过电压则是雷直击于电气设备附近，由于电磁感应而在电网中产生的。感应雷过电压的幅值不太高，一般不超过500-600kV，它主要对35kV及以下电网构成威胁。9.2雷电的危害9.2.1雷的直击和绕击雷云单体浮在大地上空，其所带电荷拖着地表相反电荷犹如一个影子随风移动。如果途经变电所的避雷针或地表其它突出物，地电荷会导致突出物顶端电场畸变集中。闪电开始之前先是雷云底部的始发先导按间歇分级跃进方式向地表发展，当距地面50～100m时，由避雷针等地表突出物电场畸变集中的地方产生垂直向上的迎面先导。两者相接，进入直击或绕击的主放电阶段。通常当地面上突出物的高度为h，雷云正下方的平均电场强度大于和等于580h-0.7kV/m时，则该突出物将容易受到直击雷。原因是高为h的避雷针可影响雷云单体向下的始发先导发展方向的半径，用公式表述为:R=16.3h0.61m。该式还表明，地表安装独立避雷针后，将会在其附近出现大量的散击，甚至对避雷针进行直击，对受避雷针保护范围内的物体进行绕击。一次雷击主放电一般为几万安培到十几万安培。瞬间高热和电动力，会造成混凝土杆炸裂，小截面金属熔化，引起火灾和大爆炸，金属导体连接部分断裂破损，建筑物倒坍，电气设备损坏。47 9.2.2雷电反击直击雷电流通过地表突出物的电阻入地散流。假如地电阻为10Ω，一个30kA的雷电流将会使地网电位上升至300kV。如果受雷击变电所输电线路来自另一个不同地网的变电所，那么上升的地电位与输电线上的电位将形成巨大反差，导致与输电线路相连的电气设备的损坏。不仅仅是输电线路、动力电缆，凡是引进变电所的金属管线都会引起雷电反击。另一种雷电反击，对变电所的电子设备危害也不容忽视。雷电流沿变电所的接地网散流，支线上的雷电流和各点电位差异很大。连接在不同等电位地网上的电子设备。如果其间有电信号联系，那么超过其容许承受能力的地电位差将导致设备损坏。9.2.3感应雷直击雷放电的能量通过电磁感应和静电感应方式向四周辐射，导致设备过电压放电，则为感应雷。显然，感应雷危害是大面积的，是电子设备的克星。有资料计算表明，当雷击电流为30kA斜角波，雷云高度为3公里，导线高度为10m，击中距末端匹配的500m长架空线路中点100m处地面时，线路上感应电压为150kV幅值的振荡波。此波为电磁感应和静电感应共同作用的结果事实上，在生产实践中，雷击的静电感应破坏力数倍于电磁感应。静电感应还可用雷击的二次效应理论来解释。带电雷云飘浮在地表上空，地表带上与雷云相反的等量电荷。当雷击过后，雷击点地表变为电荷的相对空穴，周围高电荷区域内与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将像受突然击发的水波一样冲向雷击点，导致设备打火，绝缘受损和电子设备失效。特别注意的是电子设备的高阻抗输入回路，信号回路等引线较长，且直接连接的金属体积较大处，虽然已作电磁屏蔽（采用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地）仍会遭受厄运。9.2.4雷电侵入波远方落雷，通过直击或电磁感应和静电感应方式从高压输电线路、配电线路、低压电源线路、通信线、电缆线、金属管道等途径侵入变电所，由于管线相对较长，且存在着分布电感和电容，使雷电传播速度减慢，这样一种现象用波传输理论来说明的概念称作雷电波。雷电波在传输过程中通过不同参数的连接线段或线路端点时，波阻抗发生变化会产生反射、折射，可导致波阻抗突变处的电压升高许多，加大了对设备的危害。9.3防雷保护装置变配电所的防雷保护，包括对直击雷的保护和对沿电力线路入侵的雷电侵入波保护。实际运行表明，对于变配电所防直击雷的保护避雷针和避雷器是很有效的，47 雷电波入侵则必须装设阀型避雷器保护，防雷保护涉及应认真调查地质地貌气象环境等条件和雷电的活动规律，以及被保护物的特点等，因地制宜地采取防雷保护措施，做到安全可靠、技术先进、经济合理等。避雷针是发电厂，变电站用来保护电气设备和建筑物免受直接雷击的主要防护装置。避雷针的接闪器（针尖）一般用直径10~20mm，长1~2m的钢棒制成。引下线一般使用截面不小于25mm的圆钢，扁钢活镀锌钢绞线，如果支持物为钢筋混凝土或钢支架时，也可以用支架内的钢筋或支架本身作为引下线。9.4防雷设计对于所建的变电所的特点，采用避雷针保护，因为变电所设计的地理位置决定的，直击雷和感应雷无法对其造成危害，但是侵入波却可以沿架空线进入变电所，因此对雷电的危害，设计中选择了避雷针保护。单只避雷针的保护范围像一个由它支撑的“帐篷”。当避雷针的高度为h时，从针顶向下作45o的斜线，在距地面h/2处转折，再与地面上距针底1.5h处相连，即构成了保护空间帐篷的外缘，如图8-1所示。图10-2避雷针的保护范围避雷针在地面上的保护半径，应按式（1）计算r=1.5hP（1）式中：r:保护半径，m；h:避雷针的高度，m；P:高度影响系数，h≤30m，P=1；30m120m47 时，取其值等于120m。在被保护物高度h，水平面上的保护半径应按下列方法确定：1）当hx≥0.5h时rx=h-hxP=haP式中：rx:避雷针在hx水平面上的保护半径，m；hx:被保护物的高度，m；ha:避雷针的有效高度，m；2）当hx<0.5h时，rx=（1.5h-2hx）式中：rx:避雷针在hx水平面上的保护半径，m；hx:被保护物的高度，m；根据变电站防雷保护规程要求，当电压等级为35kv时，建筑物与电力线路的安全距离如下：垂直安全距离为4米，水平安全距离为3米。当电压等级为10kv时，建筑物与电力线路的安全距离如下：垂直安全距离为3米，水平安全距离为1.5米。由于本次设计的是35kv的变电站，根据附录一变电所剖面图，可以得出变电所的最小直径为12米，并且根据变电站防雷保护规程要求，35kv的垂直安全距离为4米，所以我们将被保护物的高度定为6米，所以设计的避雷针的水平面上的保护半径应大于12米。将避雷针的高度选为20米。根据计算可得，避雷针在地面上的保护半径为30米，在水平面上的保护半径为18米，足够保护变电所的范围。符合设计要求。本次设计的单支避雷针与在地面上的保护范围如附录二避雷针保护范围图所示。47 参考文献：[1]王士政，冯金光主编.发电厂变电所电气设备[M].中国水利水电出版社,2014[2]吕铁民,陈家瑂,陈霖编著,罗钰玲主编.电力系统微机继电保护[M].人民邮电出版社,2005[3]丁毓山主编.变电所设计[M].辽宁科学技术出版社,1993[4]高波.关于10kV变电所二次回路设计的探讨[J].价值工程.2010(33)[5]王国光编著.变电站综合自动化系统二次回路及运行维护[M].中国电力出版社,2005[6]国家电力调度通信中心编.电力系统继电保护实用技术问答[M].中国电力出版社,2000[7]傅知兰主编.电力系统电气设备选择与实用计算[M].中国电力出版社,2004[8]包晶晶.35/10kV总降压变电站电气设计与防雷保护研究[D].南昌大学2012[9]孙荣.刍议10kV变电所设计要点分析[J].科技展望.2014(17)[10]隋伟,马庆超.变电所设计中常见问题分析[J].黑龙江科技信息.2012(33)[11]MusoweC.Hospitalsandprimaryhealthcare.[J].Worldhospitalsandhealthservices:theofficialjournaloftheInternationalHospitalFederation,1995,32(3).[12]EdlerL.4.4Theproposedreplacementofthenoobservedadverseeffectlevelwithbenchmarkdoselevelsinfoodriskassessment.[J].Human&ExperimentalToxicology,2009,28(2-3).47 附录1：各元件参数及数量电气设备型号数量主变压器高压断路器低压断路器隔离开关母线绝缘子SFZ9-8000/35LW8-35LW3-10/630-6.3GW5-35G/600-7235kV侧母线63×1010kV侧母线63×6.3ZPD-10-352532443047'