31.5MW变压器纵差动保护设计

辽 宁 工 业 大 学

题目： 31.5MW变压器纵差动保护设计（1）

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电 学 号： 学生姓名：

指导教师： （签字） 起止时间： 2012.12.26-2013.1.11

课程设计（论文）任务及评语

续表

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要

电力系统中的变压器，它利用电磁感应原理，把输入的交流电升高或降低为同一频率的交流输出电压。譬如通过变压器升压，可以降低输送的电能损失，把电能送到远方。通过变压器把高压电降为适用的电压供用户使用。变压器在电力系统中是十分重要的电气设备，而对变压器的继电保护在整个系统中占有重要的地位，长期以来变压器一直采用差动保护作为内部故障的主保护，因此差动保护的性能好坏将直接影响到系统安全稳定运行和能否安全、稳定地供电。

本次课程设计就是有关于变压器的纵差动保护整定计算，紧密贴合电气专业的课程主要重点知识，可以对变压器保护的知识有更深入的了解和学习，并且融合了其他课程知识，涉及到正序、负序、零序网络的建立、保护原理图的绘制与动作过程分析，变压器在最大及最小运行方式下短路电流的计算以及对变压器纵差保护继电器的整定、计算及校验，利用MATLAB建立了仿真模型，对变压器在不同工作条件下进行了大量的仿真，仿真结果表明，阻抗继电器与变压器纵差动保护相配合的方式在检测变压器内部故障时有很高的灵敏度，在外部故障时又有很强的制动作用，具有一定的实用价值，最后分析动作过程并采用MATLAB建立系统模型进行仿真分析输出系统正常状态和故障状态下的电流和电压波形，判断系统是否会出现继电器的误动作并分析其动作，用准确的数据来验证计算的准确性和实用性。

关键词：变压器；差动保护；MATLAB；阻抗继电器

目 录

第1章 绪论 ......................................................... 4 第2章 变压器纵差动保护整定计算 ..................................... 5

2.1 变压器保护规划配置 ............................................ 5 2.2 确定系统运行方式 .............................................. 6 2.3动作电流整定计算及校验 ......................................... 6 第3章 保护原理图的绘制与动作过程分析 .............................. 14 第4章 MATLAB建模仿真分析 .......................................... 17 第5章 课程设计总结 ................................................ 19 参考文献 ........................................................... 20

第1章 绪论

1、变压器纵差保护基本原理

纵差保护作为变压器内部故障的主保护将有许多特点和困难。变压器具有两个或更多个电压等级，构成纵差保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的纵差保护不平衡电流将比发电机的大得多，纵差保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成。

由于纵差保护的构成原理是基于比较变压器各侧电流的大小和相位，受变压器各侧电流互感器以及诸多因素影响，变压器在正常运行和外部故障时，其动差保护回路中有不平衡电流，使纵差保护处于不利的工作条件下。 2.纵差保护不平衡电流分析 2.1 稳态情况下的不平衡电流

变压器在正常运行时纵差保护回路中不平衡电流主要是由电流互感器、变压器接线方式及变压器带负荷调压引起。

（1） 由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生。正常运行时变压器各侧电流的

大小是不相等的。为了满足正常运行或外部短路时流入继电器差动回路的电流为零，则应使高、低压两侧流入继电器的电流相等，即高、低侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比。 （2） 由变压器两侧电流相位不同而产生。变压器常常采用两侧电流的相位相差

30°的接线方式（对双绕组变压器而言）。 （3） 由变压器带负荷调整分接头产生。在电力系统中，经常采用有载调压变压器，

在变压器带负荷运行时利用改变变压器的分接头位置来调整系统的运行电压。改变变压器的分接头位置，实际上就是改变变压器的变化。 2.2 暂态情况下的不平衡电流

（1） 由变压器励磁涌流产生。变压器的励磁电流仅流经变压器接通电源的某一侧，对差动回路来说，励磁电流的存在就相当于变压器内部故障时的短路电流[3]。因此，它必然给纵差保护的正确工作带来不利影响。正常情况下，变压器的励磁电流很小，故纵差保护回路的不平衡电流也很小。在外部短路时，由于系统电压降低，励磁电流也将减小。

（2） 由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生

纵差保护是瞬动保护，它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲。

第2章 变压器纵差动保护整定计算

2.1 变压器保护规划配置

系统等值网络

图2.1正序网络

.

图2.2负序网络

参数如下：

系统：短路容量Sx=800MVA

"

发电机F1和F2 Xd%13%

Sn=25MW cosφ=0.8

变压器T1 型号：SFL1-31500/121kV Y0/Δ-11接线

短路电压百分数为Ud%=10.5% 变压器T2 型号：SFSL-31500/121kV Y0/Y/Δ-11接线，

短路电压百分数为Ud(1-2)%=17%，Ud(1-3)%=10.5% Ud(2-3)%=6.0% 变压器T3和T4 型号：SFL1-20000/121kV Y0/Δ-11接线

短路电压百分数为Ud%=10.5% 输电线路：线路电抗为0.4Ω/km

L1、L2、L3、L4的长度分别为100km、50km、30km、60km。

2.2 确定系统运行方式

最大方式：A厂、B厂发电机、变压器全部投入，双回线运行。

最小方式1：A厂停一台25MW发电机和31.5MVA变压器，双回线运行。 最小方式2：B厂停一台25MW发电机，单回线运行。

最小方式3：A厂停一台50MW发电机和63MVA变压器，双回线运行。

2.3动作电流整定计算及校验

2.3.1元件标幺值计算：

"

发电机：50MW： Xd=0.124×*

100

0.1984 .8100

0.2448 .8

X2*0.153

"

25MW： Xd=0.13×*

100

0.416 .8

X2*0.16变压器：31.5MVA： X*

100

0.512 .8

10.5100

0.3333 10031.510.5100

63MVA： X*0.1667

1006310.5100

40MVA： X*0.2625

10040

1

31.5MVA： UK1%(17.510.56.5)10.75

21

UK2%(17.56.510.5)6.75

21

UK3%(10.56.517.5)0.25

2

10.75100X1*0.3413

10031.56.75100X2*0.2143

10031.50.25100X3*0.0079

10031.5

0.460100

输电线：单回：X1*0.1815 2

115

X0*3X1*30.18150.5445

双回：X1*

0.450100

0.1512

1152

X0*5X1*50.15120.756

2.3.2短路电流计算

〈1〉最大方式

图2.3最大方式原理图

外部短路： d1短路：I1

11

1.6372

0.16670.13872

11

d2短路：I21.6540

0.13560.16672

1

10.649

(0.16670.1387)//0.1356

1

10.518

(0.16670.1356)//0.1387

内部短路：d1短路：I1

d2短路： I2〈2〉最小方式

1

图2.4最小方式原理图

外部短路： d1短路：I1

d2短路：I2

1

1.8474

0.33330.208

1

2.13265

0.13560.3333

内部短路： d1短路：I1

1

9.2220

(0.33330.208)//0.1356

d2短路：I2

1

6.940

(0.13560.3333)//0.208

3〉最小方式2

图2.5最小方式2原理图

外部短路：d1短路：I1

11

1.6372

0.16670.13872

11

d2短路：I21.6202

0.14190.16672

1

10.3216

(0.16670.1387)//0.1419

1

10.4502

(0.16670.1419)//0.1387

内部短路：d1短路：I1

d2短路：I2〈4〉最小方式3

图2.6最小方式3原理图

外部短路：d1短路：I1

11

1.6372

0.16670.13872

11

d2短路：I21.3072

0.21580.16672

1

7.9083

(0.16670.1387)//0.2158

1

9.8242

(0.16670.2158)//0.1387

内部短路：d1短路：I1

d2短路：I2

2.3.3短路电流计算结果表

2.3.4基本侧的选择

由表可见，110kV的二次额定电流大于11kV侧的二次额定电流，故应选110kV侧为基本侧。

2.3.5由短路电流计算结果比较可得

最大外部短路电流为三相外部短路时d2点的短路电流：

Idmax2.13265

100115

1070.7A（最小方式1）

最小内部短路电流为最小方式1时在d2点发生的两相短路时的短路电流：

Idmin6.0102

10010.5

33047.5A

2.3.6确定保护的动作电流

〈1〉躲开变压器投入，切除外部短路后及电压恢复时的励磁涌流：

IdzKkIe1.3

40110

272.94A

〈2〉躲开电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷：

IdzKrelIe1.3

403110

272.94A

〈3〉躲开变压器外部短路时的最大不平衡电流：

'""'

IdzKkIbp1.3(IbpIbpIbp)

=1.3（KfzqKtxfwcUfph）Idmax Kk 为可靠系数，取1.3

'Ibp 电流互感器的误差引起的不平衡电流 "Ibp 变压器电压分接头改变引起的不平衡电流

"'Ibp 平衡线圈不能对变压器Ⅰ与Ⅱ侧电流差值进行完全补偿引起的不平衡电

流

Kfzq 非同期分量引起的误差，取1

Ktx 电流互感器的同型系数

当电流互感器型号相同且处于同一情况下，Ktx0.5 当电流互感器型号不同时，Ktx1

fwc 电流互感器容许最大相对误差，取0.1

fph 继电器整定匝数与计算匝数不等而引起的相对误差

fph

WphjsWphzWphjsWphz

∴Idz1.3（KfzqKtxfwcUfph）Idmax

=1.3（1×1×0.1+0.05+0.05）×1070.7

=278.38A

因此，保护的基本侧的动作电流取上述三者中最大值： ∴Idz=278.38A

2.3.7确定继电器基本侧线圈匝数及各线圈接法

〈1〉基本侧继电器动作电流

Idzjbjs

IdzbhIezjb

Ie1jb



278.383.3467

4.64A

200.8

〈2〉基本侧线圈匝数（差动线圈匝数）

WgWcdz

W060

12.93匝 Idzj4.64

取Wgjbz13匝

〈3〉确定基本侧线圈接入匝数

Wgjbz13WphzWcdz112

继电器实际动作电流：

Idzjb

6060

4.62A Wcdz13

保护一次动作电流为：

IdzbhjbIdzjjb

IejbIe2jb

4.62

200.8

277.2A

3.3467

〈4〉确定非基本侧平衡线圈及工作线圈匝数

WphfjjsWgjbz

Ie2jbIe2fj

Wcdz13

3.3467

123.82匝

2.7493

确定平衡线圈Ⅱ实用匝数为

WphⅡz3匝

〈5〉计算由实用线圈与计算匝数不等引起的相对误差

fph

3.823

0.049＜0.05

3.8212

∴动作电流满足要求。 〈6〉灵敏度：Klm因此，合格

IdminK33047.51

2.38＞2 Idzjb4.62300

第3章 保护原理图的绘制与动作过程分析

根据基尔霍夫第一定律，

I0



I

；式中表示变压器各侧电流的向量和，其



物理意义是：变压器正常运行或外部故障时，若忽略励磁电流损耗及其他损耗，则流入变压器的电流等于流出变压器的电流。因此，纵差保护不应动作。当变压器内部故障时，若忽略负荷电流不计，则只有流进变压器的电流而没有流出变压器的电流，纵 差保护动作，切除变压器。

图3.1变压器纵差动保护的原理接线图

动作过程分析：

(1）正常运行和区外故障时，被保护元件两端的电流和的方向如图1.5.5（a）所示，则流入继电器的电流为

IrI1.2I2.2

继电器不动作。

1

nTA

I1I20

（2

）区内故障时，被保护元件两端的电流和的方向如图1.5.5（b）所示，则流入继电器的电流为

IrI1.2I2.2

1

nTA

I1I2

IK



nTA

此时为两侧电源提供的短路电流之和，电流很大，故继电器动作，跳开两侧的断路器。

由上分析可知，纵联差动保护的范围就是两侧电流互感器所包围的全部区域，即被保护元件的全部，而在保护范围外故障时，保护不动作。

变压器在正常负荷状态下，差动回路中的不平衡电流很小，但当发生区外短路故障时，由于电流互感器可能饱和等等因素，会使不平衡电流增大，当不平衡电流超过了保护动作电流时，差动保护就会误动。比率差动保护就是用来区分差流是由内部故障还是不平衡输出（特别是外部故障）引起的，它引入了外部短路电流作为制动电流，当外部短路电流增大时，制动电流随之增大，使得继电器的动作电流也相应增大，这样就可以有效的躲过不平衡电流，避免误动的出现。比率差动元件采用初始带制动的变斜率比率制动特性，由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成。为了保证区内故障的快速切除，只有低值比率差动元件（灵敏）设有TA饱和判据，高值比率差动元件（不灵敏）不设TA饱和判据。 三折线比率差动保护的动作特性如图所示。

1.2IeIcdqd

图3.2三折线比率差动保护的动作特性

Id0.2IrIcdqd Ir0.5Ie

IdKblIr0.5IeIr0.1IrIcdqd 0.5IeIr6Ie

Id0.75Ir6IeIrKbl5.5Ie0.1IrIcdqd Ir0.6Ie

Ir0.5Ii

i1m

Id

I

i1

m

i

式中：Ie为变压器额定电流；I1~Im分别为变压器各侧电流；Icdqd为稳态比率差动起动电流；Id为差动电流；Ir为制动电流；Kbl为比率制动系数整定值0.2Kbl0.75。 比率差动保护按相判别，满足以上条件时动作。但是保护出口必须还要经过TA的饱和判别，TA断线判别（可选），励磁涌流判别。

由图可以看出，具有比率制动特性差动元件的动作特性主要由起动电流，拐点电流，比率制动系数（即特性曲线的斜率）决定，而动作特性又决定了差动元件的动作灵敏度和躲区外故障的能力，当这三个量中的两个固定以后，比率制动系数越小，或拐点电流越大，或初始动作电流越小，差动元件的动作灵敏度越高，而此时躲区外故障的能力越差。

第4章 MATLAB建模仿真分析

图4.1 5%匝间短路时电压、电流、等效瞬时电感和电感变化量的波形

仿真分析：

从仿真结果可以看出，在空载合闸时产生励磁涌流时，由于励磁电感交替处于饱和区和非饱和区，等效瞬时电感出现了急剧变化，这是由于电压和电流差存在相位差，但对等效瞬时的计算无太大影响，考虑到合闸角，剩磁等因素，对应于各种情况下的等效瞬时电感的变化有所不同，励磁涌流时，等效电感的变化量分布在60至500中，且在0时的数值相对较大。

所以，变压器在发生励磁涌流和内部故障时的等效时电感的变化量很大，所以，以等效瞬时电感的变化量为特征量，设置一个门槛值可以有效的区分内部故障和励磁涌流。

第5章 课程设计总结

这次课程设计主要对继电保护中变压器纵差保护的整定计算进行了综合的考查，重点难点在于最大最小运行系统的确定，如何区分励磁涌流与故障电流，详细介绍了变压器纵差保护的原理，又整合了电力系统的暂态分析内容，进行了短路电流的计算，其中也涉及到正序、负序、零序网络的建立、保护原理图的绘制与动作过程分析，变压器在最大及最小运行方式下短路电流的计算以及对变压器纵差保护继电器的整定及计算及校验，运用MATLAB建立了仿真模型，对变压器在不同工作条件下进行了大量的仿真，考虑了其综合性强，知识考查面广，极大地提高了变压器继电保护的设计能力而且对所学的知识有了全面地结合和应用。

本次课程设计的主要针对方向是输电线路的距离保护，这对电力系统的稳定性至关重要。系统在正常运行时，不可能总工作于最大运行方式下，因此当运行方式变小时，电流保护的保护范围将缩短，灵敏度降低；而距离保护测量的是短路点至保护安装处的距离，受系统运行方式影响较小，保护范围稳定因此常用于线路保护。灵敏度的计算同时也是很重要的一环，这能影响到计算所得的灵敏度是否满足系统的要求。在计算中由于对概念和动作过程了解的不够详细，计算灵敏度的时候也出现了错误，导致后续的分析出了很大的问题。时候及时的修正路数据，才避免了后面的计算错误。计算出来的数据一定要留出一定的裕量，有利于实际中的断路器和其他元件电气参数的合理选取。时系统运行的更方便、灵活、有效。

参考文献

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