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分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算


CHENGNAN

COLLEGE

OF

CUST

毕业设计(论文)
题目:分布式发电综合实验室变压器保护配置 及整定计算

学生姓名: 学 班 专 号: 级: 业:





200782250234

258210702 电气工程及其自动化 穆 大 庆

指导教师:

2011 年 6 月

分布式发电综合实验室变压器保护 配置及整定计算

学生姓名: 学 班 号: 级:





200782250234 258210702 电气与信息工程学院 穆 大 庆 2011 年 6 月 3 日

所在院(系): 指导教师: 完成日期:

毕业设计(论文)任务书

电气与信息工程 学院 电气工程及其自动化 专业

07-02 班





分布式发电综合实验室变压器保护 配置及整定计算

任务起止日期: 2011 年

03



日 ~ 2011 年

06





学 生 姓 名 指 导 教 师 教研室主任 院 长





学 号 200782250234

穆大庆 年 年 月 月 日审查 日批准

一、毕业设计(论文)任务
课题内容

分布式发电综合实验室为新建的省部共建重点实验室,是一个包含光伏发电、 风力发电、超级电容储能发电等新型的分布式发电电源、模拟变电站、配电站、输 配电线路及各种模拟负荷等组成的完整电力系统的全方位物理模拟, 配置了先进和 完善的继电保护系统及计算机监控系统, 该实验室在培养学生理论联系实际的意识 和基本操作技能等方面有着重要意义。 本课题是通过对已完成的分布式发电系统综 合实验室设计方案进行详细研究,针对典型系统结构中的 4 台主变压器(3 台双绕 组变、1 台三绕组变)进行保护的配置,对典型系统结构进行短路电流计算并对 4 台主变压器的保护进行整定计算,用 MATLAB 仿真软件对典型系统结构进行短路仿 真。

课题任务要求 学习并研究分布式发电系统综合实验室设计技术资料。 查阅并学习有关分布式发电电源及变压器保护方面的技术资料。 对微机型 DCAP-5000 系列中变压器各种保护的工作原理及特点进行分析说明。 利用短路电流计算软件 (由指导教师提供)对分布式发电系统综合实验室的典 型系统结构进行短路电流计算。 对典型系统结构中的主变压器进行保护配置及整定计算。 用 MATLAB 仿真软件对典型系统结构进行短路仿真并输出仿真结果。 整理编写毕业设计论文。 通过本课题的研究, 了解分布式发电电源的特点,了解电力系统网络结构特点 及运行方式, 熟练掌握短路电流计算方法, 掌握变压器保护的配置及整定计算方法, 学会用 MATLAB 仿真软件对电力系统进行仿真分析。

课题完成后应提交的资料(或图表、设计图纸) 开题报告 毕业设计论文(中、英文摘要,正文) ,包括: 分布式发电系统综合实验室介绍 DCAP-5000 系列变压器微机保护工作原理介绍 短路电流计算说明及计算结果 变压器保护整定计算过程及计算结果 MATLAB 仿真说明及仿真结果 一篇外文文献的原文及译文 毕业设计日志
主要参考文献与外文翻译文件(由指导教师选定) [1] 贺家李等.电力系统继电保护原理(第三版)[M].北京:中国电力出版社.1994,10 [2] 张志 竞 , 黄玉 铮 . 电 力系 统 继电 保 护 原理 与 运行 分 析 ( 上册 )[M]. 北 京 : 水 利 电 力出 版 社.1995,11 [3] 张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社.2005,5 [4] 杨新民,杨隽琳.电力系统微机保护培训教材[M].北京:中国电力出版社.2000,9 [5] 杨奇逊.微型机继电保护基础(第二版)[M].北京:中国电力出版社.2005,01 [6] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用(第二版)[M].北京:中国电力出版社.2002 [7] 王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].北京:中国电力出版社.1998 [8] 吕继绍.继电保护整定计算与实验[M].武汉.华中工学院出版社. 1983,12 [9] 崔家佩.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京.中国电力出版社 [10] 国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答(第二版)[M].北京:中国电力出 版社.2000,2 [11] 电力工程设计手册(1、2、3 册) (或:水电站机电设计手册 电气二次) [12] 杨兹.水电站电气部分计算机辅助设计[M].北京:水利电力出版社.1994,6 [13] 李光琦.电力系统暂态分析[M].北京:中国电力出版社.2002,6 [14] 何仰赞等.电力系统分析(上册)[M].武汉:华中理工大学出版社.1984,6 [15] 钟麟,王峰.MATLAB 仿真技术与应用教程[M].北京:国防工业出版社.2004,1 [16] 陈桂明等.应用 MATLAB 建模与仿真[M].北京:科学出版社.2001,3 [17] 吴天明等.MATLAB 电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社.2004 [18] DCAP-3000 系列微机保护技术资料(由指导教师提供) [19] 短路电流计算程序(由指导教师提供) [20] Wang Xue, Wang Zengping.Research on Setting Calculation of Transformer Protection Based on Model. 国际电网技术会议.2010 [21] 刘俊,李仁东等.分布式发电技术现状与应用前景综述.南京:南京理工大学 .2009 同组设计者 注:1. 此任务书由指导教师填写。如不够填写,可另加页。 2. 此任务书最迟必须在毕业设计(论文)开始前一周下达给学生。 3. 此任务书可从教务处网页表格下载区下载

二、毕业设计(论文)工作进度计划表
工 作 进 度 日 程 安 排 毕 业 设 计(论 文)工 作 任 务 周 次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

借参考书及查阅文献熟悉资料,写出开题报告 研究分布式发电系统综合实验室设计技术资料 DCAP 系列微机变压器保护工作原理的分析研究 短路电流计算 变压器保护的配置及整定计算 用 MATLAB 仿真软件进行系统短路仿真 整理毕业设计论文 毕业设计答辩

注:1. 此表由指导教师填写; 2. 此表每个学生人手一份,作为毕业设计(论文)检查工作进度之依据; 3. 进度安排请用“一”在相应位置画出。

三、学生完成毕业设计(论文)阶段任务情况检查表
时间 内容 组织纪律 第 一 阶 段 组织纪律 第 二 阶 段 组织纪律 第 三 阶 段

完成任务情况

完成任务情况

完成任务情况

检 查 记 录

教师 签字

签字

日期

签字

日期

签字

日期

注:1. 此表应由指导教师认真填写。阶段分布由各学院自行决定。 2. “组织纪律”一档应按《长沙理工大学学生学籍管理实施办法》精神,根据学生具体执行情况,如实填写。 3. “完成任务情况”一档应按学生是否按进度保质保量完成任务的情况填写。包括优点,存在的问题与建议 4. 对违纪和不能按时完成任务者,指导教师可根据情节轻重对该生提出忠告并督促其完成。

四、学生毕业设计(论文)装袋要求:
1. 毕业设计 (论文) 按以下排列顺序印刷与装订成一本 (撰写规范见教务处网页) 。 (1) 封面 (3) 毕业设计(论文)任务书 (5) 英文摘要 (7) 正文 (9) 致谢 (11) 附件 1:开题报告(文献综述) (2) 扉 页 (4) 中文摘要 (6) 目录 (8) 参考文献 (10) 附录(公式的推演、图表、程序等) (12) 附件 2:译文及原文影印件

2. 需单独装订的图纸(设计类)按顺序装订成一本。 3. 修改稿(经、管、文法类专业)按顺序装订成一本。 4.《毕业设计(论文)成绩评定册》一份。 5.论文电子文档[由各学院收集保存]。

学生送交全部文件日期 学生(签名)

指导教师验收(签名)

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

摘要

随着电力系统的高速发展,使得变压器的容量不断增大,对变压器的保护的可靠性 和快速性也提出了更高的要求。对变压器内部故障及励磁涌流进行仿真,有助于我们对 变压器的运行情况进行分析,改进变压器的保护性能和发展新型的变压器保护方案。本 论文对分布式发电综合实验室变压器的保护配置进行分析,并进行了整定计算。 论文首先对分布式发电的特点及现状进行了综述,然后对变压器保护基本原理及分 布式发电综合实验室模拟电力系统的基本情况进行了详细介绍。接下来的篇幅就是应用 短路计算软件进行短路电流计算,变压器的保护配置情况,变压器的主保护、相间短路 后备保护、接地短路后备保护、过负荷保护的整定计算,并整理成表。最后对变压器的 内、外部故障进行 MATLAB 仿真。

关键词:分布式发电系统;变压器保护;继电保护;MATLAB 仿真

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

TRANSFORMER’ S PROTECTION CONFIGURATION AND COORDINATION IN COMPLEX LABORATORY OF DISTRIBUTED POWER GENERATION SYSTEM

ABSTRACT

With the rapid development of power system, and the capacity of the transformer are increasing, The protection of the transformer is also the reliability and speed requirements

of a higher. we are simulated to the transformer internal fault and magnetizing inrush current, It’s good for analyze the operation of the transformer, and we can improvement of the protective properties and development a new protection of the transformer. The study analysis of transformer protection configuration of the comprehensive laboratory of distributed generation, and the setting calculation conducted. Firstly, we are reviewed the characteristics of distributed generation, then we made a detailed description for the basic principles of transformer protection and the basic situation of simulation of power system of the distributed generation integrated laboratory. The following pages is used software to circuit current calulation, transformer’s protection configuration, the setting calculation of the transformer’s primary protection 、 phase short-circuit backup protection、 ground short-circuit backup protection、 overload protection. And organized into tables. Finally, simulation the fault of the transformer internal and external used by MATLAB.

Key words: Distributed power generation system; Transformer protection; Relay Protection;
MATLAB simulate

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

目录

1

绪论 ……………………… .. ……………………………… . ………………………… .1 1.1 课题内容及意义……………………………………………………………………… 1 1.2 分布式发电特点及现状 ………………………………………………………………1 1.2.1 分布式发电的特点……………………………………………………………...1 1.2.2 分布式发电的现状……………………………………………………………...2

2

变压器保护基本原理 ……………………… … …………………………………… ...3 2.1 变压器故障特点及保护配置原则 ……………………………………………… . .3 2.1.1 变压器故障特点………………………………………………………………..3 2.1.2 变压器保护配置原则 …………………………………………………………..3 2.2 变压器主保护基本原理 …………………………………………………………… ..5 2.3 反应相间短路的后备保护基本原理 …………………………………………………5 2.4 反映接地短路的后备保护基本原理 …………………………………………………6

3

分布式发电综合实验室模拟电力系统基本情况介绍 ……………………………… 7 3.1 分布式发电综合模拟系统基本情况 …………………………………………………7 3.2 分布式发电综合模拟系统电网基本结构……………………………………………8 3.3 变压器保护测控单元 DCAP-5040 及 DCAP-5051 功能介绍……………………..10 3.3.1 变压器保护测控单元 DCAP-5040 功能介绍…………………… .. …………11 3.3.2 变压器保护测控单元 DCAP-5051 功能介绍…………………… .. …………11 4 短路电流计算说明及计算结果 ………………………………………………………...10 4.1 短路电流计算程序使用说明 ………………………………………………………10 4.2 短路电流计算程序运行操作过程说明……………………………………………13 4.3 短路电流计算结果表 ………………………………………………………………17

5

变压器保护整定计算过程及计算结果表 …………………………………………… ..19 5.1 变压器保护配置情况说明…………………………………………………………19 5.2 变压器主保护(差动保护)整定计算过程 ………………………………………19 5.2.1 A 站变压器 T1 主保护整定计算过程………………………………………19

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

5.2.2 B 站变压器 T3 主保护整定计算过程………………………………………22 5.2.3 C 站变压器 T4 主保护整定计算过程………………………………………24 5.3 变压器相间短路后备保护(复闭过流保护)整定计算过程……………………29 5.3.1 A 站 T1 的复合电压闭锁过流保护整定计算过程…………………………29 5.3.2 B 站 T3 的复合电压闭锁过流保护整定计算过程…………………………31 5.3.3 C 站 T4 的复合电压闭锁过流保护整定计算过程…………………………33 5.4 变压器接地短路后备保护(零序保护)整定计算过程…………………………34 5.4.1 A 站 T1 的零序过流保护整定计算过程……………………………………34 5.4.2 B 站 T3 的零序过流保护整定计算过程……………………………………35 5.4.3 C 站 T4 的零序过流保护整定计算过程……………………………………35 5.5 变压器过负荷保护整定计算过程…………………………………………………35 5.6 整定计算结果一览表 ………………………………………………………………36 6 变压器内部及外部故障的 MATLAB 仿真……………………………………………….38 6.1 MATLAB 仿真软件特点及说明……………………………………………………38 6.2 变压器内、 外部故障的 MATLAB 仿真模型的搭建及模块说明 …………………38 6.3 变压器内部及外部故障仿真过程及仿真波形说明 ………………………………38 7 总结 … … … …… … …… … …… … … …… … …… … …… … … … …… … . .. . .. . ..4 3 致谢 ………………………………………………………………………………… . … ..44 参考文献 ……………………………………………………………………………… .……..45 附录…………………………………………………………………………….……………..46 附录一………………………………………………………………… .…………………46 附录二 …………………………………………………………… ..…………………… 47

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

1 绪论

1.1

课题内容及意义
分布式发电综合实验室为新建的省部共建重点实验室,是一个包含光伏发电、风力

发电、超级电容储能发电等新型的分布式发电电源、模拟变电站、配电站、输配电线路 及各种模拟负荷等组成的完整电力系统的全方位物理模拟, 配置了先进和完善的继电保 护系统及计算机监控系统, 该实验室在培养学生理论联系实际的意识和基本操作技能等 方面有着重要意义。 本课题是通过对已完成的分布式发电系统综合实验室设计方案进行 详细研究,针对典型系统结构中的 4 台主变压器(3 台双绕组变、1 台三绕组变)进行 保护的配置,对典型系统结构进行短路电流计算并对 4 台主变压器的保护进行整定计算, 用 MATLAB 仿真软件对典型系统结构进行短路仿真。 通过对本课题的研究,让学生更深入的了解分布式发电电源的特点,了解电力系统 网络结构的特点及运行方式,熟练掌握短路电流计算的方法,熟悉变压器保护的配置及 整定计算方法,初步掌握电力系统工程设计的方法和步骤。通过本课题的毕业设计使学 生对所有学专业知识进行综合应用,达到提高学生分析问题和解决问题的能力。通过对 本课题的研究,使学生适应当前能源发展的需要,掌握分布式发电系统、微网系统稳定 性、负荷调配控制、轻型直流输电、模拟风力并网发电、光伏并网发电等基本结构与工 作原理,以及系统可靠性分析计算、性能测试等,培养学生在分布式发电系统等方向的 理论联系实际意识和实验基本技能。

1.2

分布式发电特点及现状
1.2.1 分布式发电的特点 分布式发电(Distributed Generation,DG)是由美国 1978 年在公共事业管理政

策法中公布并正式推广的,其定义为:①不同于传统集中发电模式,为满足特定用户和 配电网络运行的需要,以集散方式分布在用户附近,发电功率为数千瓦至数十兆瓦的小 型模块式发电系统。②不论发电系统规模大小和一次能源的类型,任何安装在用户附近 的发电设施。简言之,分布式发电就是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设 施,经济、高效、可靠地发电。由此可见,分布式发电具有高可靠性、高质量、高效率
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以及灵活性等特点。不仅这样分布式发电还具有环保性能好、安装周期短、检修维护容 易、占地面积小、并且是采用新鲜环保能源等特点。 1.2.2 分布式发电的现状 (1)在美国, 容量为 1 千瓦到 10 兆瓦的分布式发电和储能单元成为分布式供能系统 的有用单元。据美国分布式电源联盟预测,到 2020 年,美国分布式电源的容量将占全 国总容量的 3.7% 。在那时由于新的能源需求与老的电厂的退役,估计要增加 117 × 1012KW·h 的电能,几乎是近 20 年增量的 2 倍。为满足市场需要,下一个 10 年后,美 国的分布式发电市场装机容量估计每年将达 5-6×109W,为解决这个巨大的缺口,美国 能源部提出了以下几个涉及分布式发电技术的计划,包括燃料电池、分布式发电涡轮技 术、燃料电池和涡轮的混合装置等。可以预料, 在不久以后,分布式发电技术将在美国 得到相当的发展。分布式电源在美国的发展现状, 指出尚需解决的技术经济问题。分布 式电源具有高可靠性、高质量、高效率以及灵活性等特点, 可以满足工商业、居住等的 一系列要求,预计几年后,美国新一代的微燃气汽轮机可以完全商业化,为调峰和小公 司余热发电提供了新机会。 (2)在我国, 分布式电源方面的研究相对较少,且大多集中在电源本身, 在分布式电源 对电力系统规划、运行等方面影响的研究集中在定性分析基础上。分布式电源对电力系 统运行的多方面影响。我国目前应用较多的风力发电技术的相关问题进行了分析。我国 电网,特别是西部电网,网络结构相对较弱,分布式发电对主网的运行有较大的影响。 国外在分布式电源的一些研究成果还无法直接应用于我国, 解决的方法是研究我国分布 式电网的适用问题,这也是我国(尤其西部地区)大规模发展分布式发电技术需要解决 的问题。 随着我国经济建设的发展, 集中式供电网络的规模扩大, 由于地域经济的差异, 对于落后的农村地区,特别是农牧地区和偏远山区,要形成一定规模的配电网络需要很 大的投资,能源供应严重制约这些地区的经济发展。分布式发电技术弥补集中发电模式 的局限性。在我国西北的广大农村地区风力和太阳能资源比较丰富,为分布式发电技术 的发展提供了条件,内蒙古已经形成了年发电量 1 亿 kW·h 的电量,除自用外,还送往 北京地区,这种无污染绿色能源减轻了当地环境污染。在可再生能源分布式发电系统中 的除了风力发电外, 还有太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的较 好方法。因此, 我们在电网规划时应引起足够的重视。

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2 变压器保护基本原理

2.1 变压器故障特点及保护配置原则
2.1.1 变压器故障类型与特点 变压器的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,以及铁芯烧毁等。变压器油箱内的故障十分危险,由于 油箱内充满了变压器油,故障后强大的短路电流使变压器油急剧的分解气化,可能产生 大量的可燃性瓦斯气体,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 的相间短路和接地短路。 电力变压器不正常的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。 2.1.2 变压器的保护配置原则 一、瓦斯保护: 对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低,应装设瓦斯保护,它反应于油箱内部 所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯保护动作于信号,重瓦斯保护动作于跳开变压 器各电源侧的断路器。800KVA 及以上的油浸式变压器和 400KVA 及以上的的车间内油浸 式变压器,均应装设瓦斯保护。 二、纵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,装设总差动保护或电 流速断保护。 总差动保护使用于:并列运行的变压器,容量为 6300KVA 及以上时;单独运行的变 压器,容量为 10000KVA 以上时;发电厂厂用工作变压器和工业企业中的重要变压器, 容量为 6300KVA 以上时。 电流速断保护用于 10000KVA 以下的变压器,且其过流保护的时限大于 0.5S 时。 对 2000KVA 以上的变压器,当电流速断保护的灵敏性不能满足要求时,也应该装设 纵差动保护。上述各保护动作后,均应跳开变压器各电源侧的断路器。 三、外部相间短路时,应采用的保护:
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对于外部相间短路引起的变压器过电流,应采用下列保护: (1)过电流保护,一般用于降压变压器,保护装置的整定值应考虑事故状态下可能 出现的过负荷电流; (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 要求的降压变压器上; (3)负序电流及单相式低电压起动的过电流保护,一般用于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( 2) 、 (3 )的保护不能 满足灵敏性和选择性要求时,可采用阻抗保护。 四、外部接地短路时,应采用的保护: 对中性点直接接地电力网内,有外部接地短路引起过电流时,如变压器中性点接地 运行,应装设零序电流保护。 对自耦变压器和高、 中压侧中性点都直接接地的三绕组变压器, 当有选择性要求时, 应增设零序方向元件。 当电力网中部分变压器中性点接地运行,为防止发生接地短路时,中性点接地的变 压器跳开后,中性点不接地的变压器(低压侧有电源)仍带接地故障继续运行,应根据 具体情况,装设专用的保护装置,如零序过电压保护,中性点装设放电间隙加零序电流 保护等。 五、过负荷保护: 对 400KVA 以上的变压器,当数台并列运行,或单独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。过负荷保护接于一相电流上,并延 时作用于信号。对于无经常值班人员的变电所,必要时过负荷保护可动作于自动减负荷 或跳闸。 六、过励磁保护: 高压侧电压为 500KVA 及以上的变压器,对频率降低和电压升高而引起的变压器励 磁电流的升高,应装设过励磁保护。在变压器允许的过励磁范围内,保护作用于信号, 当过励磁超过允许值时,可动作于跳闸。过励磁保护反应于实际工作磁密和额定工作磁 密之比(称为过励磁倍数)而动作。 七、其它保护: 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
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设可作用于信号或动作于跳闸的装置。

2.2 变压器主保护基本原理
根据任务书要求本论文中给变压器配置的主保护均为纵差动保护, 所以变压器的主 保护为纵差动保护。下面我们来介绍纵差动的基本原理: 变压器纵差动保护的基本原理和线路纵差动保护的原理相同, 都是比较被保护设备 各侧电流的相位和大小。由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同,因此,为了保证 纵差动保护的正确工作,就必须适当选择两侧电流互感器的变比,使得在正常运行和外 部故障时,两个二次电流相等。要实现变压器的纵差动保护,就必须适当的选择两侧电 流互感器的变比,使其比值等于变压器的变比 n B ,这与线路的纵差动保护不同。因为 线路的纵差动保护可以直接比较两侧电流的幅值和相位,而变压器的纵差动保护必须考 虑变压器变比的影响。

2.3 反应相间短路的后备保护的基本原理
一、过流保护 用于降压变压器, 动作电流应考虑切除外部短路后电动机自启动和变压器可能出现 的最大过负荷时保护能可靠返回。 二、复合电压启动的过流保护 用于升压变压器、系统联络变压器,当降压变压器的过流保护灵敏度不够时也可采 用此后备保护。整定原则和发电机后备保护类似。 三、负序过流保护和单原件低压启动过流保护 于发电机后备保护一样,负序过流保护用于不对称短路,单原件低压启动过流保护 用于三相对称短路,一般用于 63MVA 及以上的升压变压器。 四、降压变压器后备阻抗保护 装设在变压器电源侧的后备保护,对于变压器内部绕组的短路故障往往灵敏度不 高,但可以作为低压母线和馈线故障的后备保护,这种保护应该做到:①整定阻抗不受 负荷的限制;②TV 断线时,后备阻抗保护不会误动,因此不需 TV 断线闭锁,但应有 TV 断线报警;③于 Y

? 接线方式无关。

满足上述要求的后备阻抗保护可选用负序阻抗继电器和上抛圆或椭圆特性阻抗继 电器。
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2.4 反应接地短路的后备保护的基本原理
变压器高压侧(110KV 及以上)单相接地短路应装设后备保护,作为变压器高压绕 组和相邻元件接地故障主保护的后备。 220KV 及以上的大型变压器,高压绕组均为分级绝缘,其中性点绝缘水平有两种类 型:一类绝缘水平很低,例如 500KV 系统的中性点绝缘水平为 38KV 的变压器,中性点 必须直接接地运行;另一类绝缘水平较高,例如 220KV 变压器的中性点绝缘水平为 110KV,其中性点可直接接地,也可在系统中不失去接地点的情况下不接地运行。当系 统发生接地短路时,变压器中性点就将承受中性点对地的电压。为了限制系统接地故障 的短路容量和零序电流水平,也为了接地保护本身的需要,有必要将 220KV 变压器的部 分中性点不接地运行。 一、中性点可能直接接地的变压器 接地短路的后备保护毫无例外地采用零序过流保护, 对高中压侧中性点均直接接地 的自耦变压器和三绕组变压器,当有选择性要求时,应增设零序方向元件。 二、中性点可能接地也可能不接地的变压器 (1)分级绝缘变压器 对于 220KV 系统的变压器,他们的中性点仅部分直接接地,另一部分变压器中性点 不接地运行。 对于这类变压器的接地后备保护, 动作后应首先跳开有关的不接地变压器, 然后再跳开直接接地的变压器,目的是防止中性点不接地系统发生接地短路时,故障点 的间隙弧光过电压可能危及电气设备的安全。 (2)全绝缘变压器 这种变压器在中性点直接接地时用零序过流保护, ,在中性点不接地时用零序过压 保护。后者动作电压按中性点部分接地电网中发生单相接地故障时保护安装处也可能出 现的最大零序电压整定,所以它只在有关的中性点接地变压器已切断后才能动作。它的 动作时间一般可取 0.5s 短时限,为的是避接地故障暂态过程的影响。 (3)中性点装设放电间隙及相应保护 这种变压器可能中性点直接接地运行, 也可能不接地运行。 在中性点不接地运行时, 中性点放电间隙过电压保护作用,例如 220KV 变压器,中性点绝缘为 110KV 等级,当中 性点对敌电压超过 110KV 时,放电间隙击穿,形成零序电流通路,利用接在放电间隙回 路的零序过流保护,切除该变压器。
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分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

3 分布式发电综合实验室模拟电力系统基本情况介绍

3.1 分布式发电综合模拟系统基本情况
一、电源: (1)容量为 1kW,出口电压为 400V 的风力发电机系统一套,包括风力发电机、控制 逆变器、风机并网控制器等,生产厂家为南京禾浩通信科技有限公司(风车高六米,布 置在工科一号楼楼顶) 。 (2)容量为 3kW,出口电压为 400V 的太阳能光伏发电系统一套,包括光伏发电板、 控制逆变器、光伏并网控制器等,生产厂家为南京禾浩通信科技有限公司(光伏板布置 在工科一号楼楼顶) 。 (3)容量为 0.5kW,出口电压为 400V 的超级电容蓄能发电系统一套,包括超级电容 器、并网控制器等,生产厂家为锦州百纳电气有限公司。 (4)容量为 2kW,出口电压为 400V 的模拟发电机组四套,采用浙江天煌科技实业有 限公司生产的 THLZD-II 型电力系统综合自动化实验平台,该实验平台既作为分布式发 电系统中的 4 个电源点,又可单独进行发电机启停机、并网及各种电力系统分析等方面 的实验。 (5)无穷大电源采用市电经感应调压器及双卷变压器接入来模拟。 二、变压器及调压器: (1)容量 5kVA,电压比 600±2×2.5%V/400V,Y0,d-11 接线的双绕组三相变压器 4 台。 (2)容量 5kVA, 电压比 600±2×2.5%V/500V/400V , Y0,y0,d-12-11 接线的三绕组三 相变压器 2 台。 (3)容量 5kVA,电压比 500V/400V,Y0,d-11 接线的双绕组三相变压器 2 台。 (4)调压器-变压器组: 容量 20kVA, 电压 430V 的三相感应调压器 1 台; 容量 20kVA, 电压比 380V/600V,接线方式为 Y,y-12 的变压器 1 台。 三、线路: 三相模拟线路 6 条。每条线路结构及参数如下(线路电流按 10A 考虑) :

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图 3.1 模拟线路结构图

电阻采用变阻器;电感采用空心线圈 每个电感线圈平均分为 4 部分,共 5 个引出头,引出头经试验端子引出(便于进行 短路实验) :

图 3.2 电感线圈和插孔布置图

四、负荷: (1)旋转负荷: 容量为 1kW, 输入电压为 380V 三相交流的低噪音轴流风机 8 个; 1.5kW 变频电机负载 2 套。 (2)三相模拟静止负荷 6 套:每套由可分别投切的 2 组电阻、2 组电感构成,每套三 相有功 1kW,三相无功 0.75kVar。 五、配电屏柜 25 个 六、SCADA 监控系统: 包(各配电屏柜上的共 39 个现地测控单元下位机;A 站、B 站、C 站及配电站各 1 台厂站监控机; 两台地区调度上位监控机; 1 台教学演示监控机及配套的网络连接设备) 和相应的软件系统。 七、直流电源柜(容量 20kVA,具有 2 路 220V/20A 直流输出)

3.2 分布式发电综合模拟系统电网基本结构
一、A 变电站: (1)所接变压器为双绕组变压器(所接变压器台数为 2 台) ,600V 和 400V 两个电压 等级。 (2)600V 电压等级有 6 条进出支路,主接线采用双母线带旁路;每条支路所接设备 (变压器或线路或电源或负荷)可灵活选择。

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图 3.3

(3)400V 电压等级有 4 条进出支路, 主接线采用单母线分段; 每条支路所接设备 (变 压器或线路或电源或负荷)可灵活选择。

图 3.4

二、B 变电站(C 变电站) :

图 3.5

(1)所接变压器可为双绕组变或三绕组变,接双绕组变压器则有 600V 和 400V 两个 电压等级;接三绕组变压器则有 600V、500V 和 400V 三个电压等级。 (2)600V 电压等级有 3 条进出支路,主接线采用单母线;每条支路所接设备(变压 器或线路或电源或负荷)可灵活选择(B 站与 C 站相同) 。 (3)变压器低压侧(或中、低压侧)的主接线可灵活选择多种配电单元形式。
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三、配电站(配电单元) : 多个不同形式的配电单元,可灵活构成数量和形式可变的配电站(或变电站) ,各 支路所接设备可灵活选择。

图 3.6

四、电网结构: 由以上变电站和配电单元及相应的变压器、线路、电源、负荷等可搭接出不同形式 的网络结构。例如可搭接出如下典型网络结构:

图 3.7 分布式发电系统结构图

3.3 变压器保护测控单元 DCAP-5040 及 DCAP-5051 功能介绍
变压器保护测控单元 DCAP-5040 基于 32 位高性能 DSP (数字信号处理器) 和高速以 太网络通信技术设计,主要用于电力变压器、电抗器、发电机、发变组、电动机和其它 两端口电力设备的保护及测控;变压器保护测控单元 DCAP-5051 基于 32 位高性能 DSP 和高速以太网络通信技术设计,使用于三圈变压器要求各侧取复合电压情况。
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3.3.1 变压器保护测控单元 DCAP-5040 的功能介绍 (1)差动速断保护功能。 (2)比率制动及二次谐波制动的差动保护功能(可受 TA 断线闭锁控制) 。 (3)TA 断线报警功能。 (4)控制回路断线报警功能。 (5)四路非电量控制联跳功能。 (6)装置失电告警功能。 (7)故障录波功能(最长可录波 20 秒) 。 (8)对时功能:主机软件对时、脉冲对时。 (9)装置可掉电保存最新 40 次报警记录。 (10)装置带有 1 个 RS485 总线通信口和 1 个以太网通信口,便于实现双网通信。 (11)装置具有 6 路交流模拟量输入,1 路直流模拟量输入,12 路开关量输入,8 路开关量输出。 3.3.2 变压器保护测控单元 DCAP-5051 功能介绍 (1)三段过流保护功能(可受方向判据和复合电压判据控制,III 段带三个延时) 。 (2)反时限过流保护功能(极端反时限) 。 (3)零序过压保护功能(带两段延时) 。 (4)两段零序过流保护功能(零序过流 II 段带三个延时) 。 (5)间隙零序过流保护功能(带两段延时) 。 (6)过负荷保护功能。 (7)风冷启动。 (8)TV 和 TA 断线报警功能。 (9)控制回路断线报警功能。 (10)四路非电量控制联跳功能。 (11)装置失电告警功能。 (12)故障录波功能(最长可录波 20 秒) 。 (13)对时功能:主机软件对时、脉冲对时。 (14)装置可掉电保存最新 40 次报警记录。 (15)装置带有 1 个 RS485 总线通信口和 1 个以太网通信口,便于实现双网通信。 (16)装置具有 14 路交流模拟量输入,12 路开关量输入,8 路开关量输出。
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4 短路电流计算说明及计算结果

4.1 短路电流计算程序使用说明
一、 短路电流计算程序目录结构如下: .\DLJS.EXE .\YSQXDATA .\NOTEPAD.EXE .\CS\ .\JG\ .\README.TXT ----短路电流计算程序 ----运算曲线数据文件 ----笔记本程序(用于查看计算结果) ----参数文件目录 ----结果文件目录 ----短路电流计算程序说明文件

(注:.\CS 子目录用于存放运行过程中输入参数所形成的参数文件; .\JG 子目录用于存放运行结果的结果文件; 若.\CS 和.\JG 两个子目录不存在,则需要先自行建立这两个子目录。 ) 二、 短路电流计算程序使用步骤如下: (1)首先自行对所需计算的电网进行编号,形成网络拓扑图(本课题的拓扑图见附录 一) 。编号顺序如下: 节点编号顺序: 先短路节点,后其它节点,所有电源节点作为参考节点 0。 支路编号顺序: 先电源支路(水电,火电,有限系统,无限系统),后其它支路。 (2)然后进入文件 DLJS.EXE 所在目录并执行文件:DLJS.EXE 按秩序运行以下子程 序: A---输入系统参数 *输入网络拓扑参数 *输入系统基本参数 *输入支路原始参数 B---确定冲击系数和衰减系数(不进行设备选择时可不运行该子程序) C---计算支路正序.负序电抗 D---短路电流计算 计算结果可以在运行过程中进行打印,也可以在运行完毕后从生成的结果文件中打
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印。 计算结果包括: 各支路元件电抗计算结果; 短路电流计算结果; 残余电压计算结果。 三、计算后生成文件: .\CS\WLTPZ .\CS\XTJBCSZ .\CS\ZLSJZ .\CS\ZLDK1Z .\CS\ZLDK2Z .\CS\XSWJ .\JG\YJDK ----网络拓扑参数(由子程序 A 生成) ----系统基本参数(由子程序 A 生成) ----支路原始参数(由子程序 A 生成) ----正序支路电抗参数(由子程序 C 生成) ----负序支路电抗参数(由子程序 C 生成) ----冲击系数以及衰减系数(由子程序 B 生成) ----各支路元件电抗计算结果(标幺值)(由子程序 C 生成)

.\JG\DD(d)S(s) ----第 d 点 s 相短路时的短路电流及残余电压计算结果(由子程序 D 生成) .\JG\ICHDD(d) D 生成) (注: *短路电流计算结果中,最后一个支路为短路支路; *短路计算结果中的有名值皆为归算到相应短路点电压等级下的有名值; *两相短路计算结果是假设所有变压器皆为 Y/Y-12 接法(即不考虑相位角变 换)得到的,若实际变压器不是 Y/Y-12 接法,则经过变压器后的支路上的短路电流 需自行乘以相应的相位转换系数。 ) 四、本短路电流计算程序采用 VB4.0 编写,界面友好,使用方便,于 1999 年 5 月 完成。制作人:穆大庆 ----第 d 点三相短路时的冲击电流以及全电流计算结果(由子程序

4.2 短路电流计算程序运行操作过程说明
一、根据任务书的系统电路图画出网络拓扑图(见附图一) 根据任务书的系统电路图画出其网络拓扑图,其中重要的步骤就是如何给节点和支 路编号。节点编号的顺序是:先短路节点,后其它节点,所有电源节点作为参考节点 0 ; 支路编号顺序:先电源支路(水电、火电、有限系统、无限系统) ,后其它支路(电源
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支路方向统一从参考节点出来) 。 二、输入正、负序系统参数 (1)打开短路电流计算软件,其主界面如下图所示:

图 4.1 短路电流计算程序主界面

(2)进入主界面后,点击开始并进入主菜单界面,其图如下:

图 4.2 短路电流计算程序主菜单

(3)点击输入正、负序系统参数 首先输入网络拓扑参数,按照程序要求,按支路顺序、参照参考方向输入每条支路 对应的起始节点。存盘后输入系统基本参数,系统基本参数包括电源分类、短路节点参 数和电源参数以及系统的基准容量和基准电压。最后输入各支路原始参数,依据原始数 据,按照软件提示输入完毕便可进行下一步的输入。正、负序系统参数的输入界面如下 图所示:

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图 4.3 网络拓扑参数的输入

图 4.4 系统基本参数的输入

图 4.5 支路原始参数的输入

三、计算支路正、负序电抗 当把正、负序参数输入并确认之后,点击计算支路正、负序电抗就可以看到正、负
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序电抗值。软件自动计算,但值得注意的是在改变系统结构或者运行方式变化时都应重 新计算正、负序电抗。其值如下图所示:

图 4.6 支路电抗计算结果

四、零序系统参数的输入 输入之前,画出零序系统拓扑图。按照先短路节点后其它节点,变压器接地中性点 作为参考接地 0 标记节点;并按照先接地变压器支路后其它支路的顺序标记支路(其拓 扑图如附图一所示) 。在输入支路参数时,通过查看正、负序电抗值来确定零序支路参 数。其它输入方法和正、负序网络拓扑图的参数输入一致。其界面图如下图所示:

图 4.7 零序网络参数输入菜单

五、短路电流计算 点击短路电流计算,进入其界面(其界面如下图所示) 。然后设置4个时间点,点击
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计算并保存其结果。根据需要的短路电流计算各点各种短路形式下的短路电流,包括环 网最大最小形式,环网中一条线路断线形式下的最大最小运行方式下的短路电流计算, 由于短路电流计算值复杂而繁多,筛取需要的电流值记于自制表中。

图 4.8 短路电流计算

4.3 短路电流计算结果表
由于短路计算结果比较多, 下面列出来的将是在下面整定计算过程中用到的短路计 算数据。如下表所示:
表 4-1 短路电流计算数据采集表 短路 点 短路类型 支路 编号 运行方 式 短路 时间 短路电流、 电压 符号 数值 备注

10 9 7 6 10 10

两相短路 两相短路 三相短路 三相短路 两相短路 三相短路

8 9 14 15 8 8

最小 最小 最大 最大 最小 最大

0秒 0秒 0秒 0秒 4秒 4秒

( 2) Id 10.b8. min.0 s
( 2) Id 9.b9. min.0 s

13 A 14 A 40 A 35 A 14 A 7 V

(3) Id 7.b14. max.0 s ( 3) Id 6.b15. max.0 s
( 2) Id 10.b8. min.4 s

( 3) Ud 10.b8. max.4 s

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续表 4-1 短 路 点 10 3 3 3 9 9 9 5 5 5 7 10 两相短路 两相短路 三相短路 两相短路 两相短路 三相短路 两相短路 两相短路 三相短路 两相短路 两相短路 两相接地短路 短路类型 支路 编号 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 14 8 运行方 式 最小 最小 最大 最小 最小 最大 最小 最小 最大 最小 最小 最小 短路 时间 4秒 4秒 4秒 4秒 4秒 4秒 4秒 4秒 4秒 4秒 4秒 4秒 短路电流、 电压 符号
( 2) U2 ? d 10.b 8. min .4 s

数值

备注

0.531 47 A 349 V 0.916 15 A 155 V 0.343 44 A 327 V 0.11 35 A 0.141

标幺值

( 2) Id 3.b8. min.4 s
( 3) Ud 3.b8. max.4 s
( 2) U2 ? d 3.b 8. min .4 s

标幺值

( 2) Id 9.b9. min.4 s
(3) Ud 9.b 9. max.4 s
( 2) U2 ? d 9.b 9. min .4 s

标幺值

( 2) Id 5.b 9. min.4 s (3) Ud 5.b 9. max.4 s
( 2) U2 ? d 5.b 9. min .4 s

标幺值

( 2) Id 7.b14. min.4 s
( 2) I0 ? d 10b8. min .4 s

零序标幺 值

9

两相接地短路

9

最小

4秒

( 2) I0 ? d 9b 9. min .4 s

0.167

零序标幺 值

8

两相接地短路

13

最小

4秒

( 2) I0 ? d 8b13. min .4 s

0.097

零序标幺 值

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5 变压器保护整定计算过程及结算结果表

5.1 变压器保护配置情况说明
一、 A 站 T1、T2 及 B 站 T3 保护配置(三台变压器配置情况相同,具体配置如下) : (1)变压器主保护:配置湖南紫光测控公司的 DCAP -5040 主变两侧电流差动保护单 元一套。 (2)主变压器低压侧后备保护:配置 DCAP-5050 主变后备保护监控单元一套。 (3)主变压器高压侧后备保护:配置 DCAP-5051 主变后备保护监控单元一套。 二、 C 站 T4 保护配置: (1)变压器主保护:配置湖南紫光测控公司的 DCAP -5041A 主变三侧电流差动保护 单元一套。 (2)主变压器低压侧后备保护:配置 DCAP-5050 主变后备保护监控单元一套。 (3)主变压器高压侧后备保护:配置 DCAP-5051 主变后备保护监控单元一套。

5.2 变压器主保护(差动保护)整定计算过程
5.2.1 A 站主变 T1 主保护整定计算过程(A 站 T2 和 T1 完全相同) A 站主变 T1 采用比率制动及二次谐波制动的纵差保护整定 (用 0s 的短路计算结果) 。 (1)两侧相位调整方式及平衡系数设定 ①相位调整方式: 高压侧( Y 侧)调整定值设为 1,即:

?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) ; I ?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) ; I ?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) I 1 a b 2 b c 3 c a
低压侧( d 侧)调整定值设为 0,即:

?? ? I ?? ; I ?? ? I ?? ?? ? I ?? ; I I 1 a 2 b 3 c
②平衡系数设定: 选高压侧为基本侧,则平衡系数取为: 高压侧平衡系数:

KH ? 1
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(5-1)

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低压侧平衡系数:

KL ? 3 ?

nTA.L 10 600 / nT ? 3 ? / ? 1.15 nTA.H 10 400

(5-2)

(nTA.H, nTA.L:高压侧 TA 及低压侧 TA 的实际变比; nT = 基本侧二次额定电流:

UH I ? L :变压器变比) UT IH

Se I e. jb.?? ? 3
经平衡系数调整后: 高压侧二次电流:

( 3U e.H .? ) 5000 ? ? 0.83 (A) nTA.H 600 ? 10

(5-3)

IH.II = KH ( 3 ? 低压侧二次电流:

I H .I I ) = 3 ? H .I nTA.H nTA.H

I L.?? = KL (

I L. I n I I /n I ) = ( 3 ? TA.L / nT ) ? ( L.I ) = ( 3 ? L.I T ) = 3 ? H . I nTA.L nTA.H nTA.H nTA.H nTA.L

可见低压侧二次电流与高压侧二次电流相同,消除了不平衡电流。 (2)定值整定 该保护中:差动电流:

? H+ I ?L| Id=| I
制动电流: Ires=

(5-4)

1 ? ? L |) (| I H |+| I 2

(5-5)

图 5.1 比例制动特性图

①最小启动电流 Iq 经验公式:
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I q ? (0.3 ~ 0.5)Ie.2
取: ②拐点电流 I g

(Ie.2:变压器基本侧额定二次电流) (5-6 )

I q ? 0.4I e 2 ? 0.4 ? 0.83 ? 0.332 (A)

I g ? (0.8 ~ 1.2)Ie.2
取: ③制动特性斜率 K 一般采用经验公式计算:

I g ? 1.0Ie.2 ? 0.83 (A)

(5-7)

K ? 0.3 ~ 0.5 ,取: K ? 0.4
④二次谐波制动系数 K2 一般取 0.15~0.2,取

K 2 ? 0.18
⑤差动速断动作电流 I S 经验公式:

I S ? (4 ~ 6) I e.2


I S ? 6 ? I e.2 ? 4.98 (A)

(5-8 )

⑥校验灵敏度(用 0s 的短路计算结果) 变压器高压侧断开运行时,按高压侧金属性两相短路的最小短路电流校验: 出口两相短路时: 制动电流:

I res ?

I ( 2) I ( 2) n 1 2 1 2 ( ? nT ? d 10.b8. min.0 s ) ? K L ? ( ? nT ? d 10.b8. min.0 s ) 3 ? TA. L / nT 2 3 nTA. L 2 3 nTA. L nTA. H
( 2) Id 13 10.b8. min.0 s ? ? 1.3 (A) 10 nTA.H 1

I res ?
差动电流:

(5-9)

Id ? (
动作电流:

2 3

? nT ?

( 2) Id 10.b 8. min .0 s ) K L ? 2.6 (A) nTA.L

(5-10)

I dz ? I q ? K ( I res ? I g ) ? 0.332 ? 0.4 ? (1.3 ? 0.83) ? 0.52 (A)
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(5-11)

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灵敏度:

K lm ?

Id

I dz

?

2.6 ? 5.0 0.52

(要求 Klm>2)

(5-12)

5.2.2 B 站主变 T3 主保护整定计算过程 B 站主变 T3 主保护采用比率制动及二次谐波制动的纵差动保护整定 (用 0S 的短路 计算结果) 。 (1)两侧相位调整方式及平衡系数设定 ①相位调整方式: 高压侧( Y 侧)调整定值设为 1,即:

?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) ; I ?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) ; I ?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) I 1 a b 2 b c 3 c a
低压侧( d 侧)调整定值设为 0,即:

?? ? I ?? ; I ?? ? I ?? ?? ? I ?? ; I I 1 a 2 b 3 c
②平衡系数设定: 选高压侧为基本侧,则平衡系数取为: 高压侧平衡系数:

KH ? 1
低压侧平衡系数:

KL ? 3 ?

nTA.L 10 600 / nT ? 3 ? / ? 1.15 nTA.H 10 400
UH I ? L :变压器变比) UT IH

(nTA.H, nTA.L:高压侧 TA 及低压侧 TA 的实际变比; nT = 基本侧二次额定电流:

Se I e. jb.?? ? 3
经平衡系数调整后: 高压侧二次电流:

( 3U e.H .? ) 5000 ? ? 0.83 (A) nTA.H 600 ? 10

IH.II = KH ( 3 ? 低压侧二次电流:

I H .I I ) = 3 ? H .I nTA.H nTA.H

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I L.II = KL (

I L. I n I I /n I ) = ( 3 ? TA.L / nT ) ? ( L.I ) = ( 3 ? L.I T ) ? 3 ? H .I nTA.L nTA.H nTA.L nTA.H nTA.H

可见低压侧二次电流与高压侧二次电流相同,消除了不平衡电流。 (2)定值整定 该保护中: 差动电流:

? H+ I ?L| Id=| I
制动电流: Ires=

1 ? ? L |) (| I H |+| I 2

图 5.2 比例制动特性图

①最小启动电流 Iq 经验公式:

I q ? (0.3 ~ 0.5)I e.2
取 ②拐点电流 I g

( I e.2 :变压器基本侧额定二次电流) (5-13)

I q ? 0.4I e.2 ? 0.4 ? 0.83 ? 0.332 (A)

I g ? (0.8 ~ 1.2)Ie.2
取: I g ? 1.0I e.2 ? 0.83 (A) ③制动特性斜率 K 一般采用经验公式计算: (5-14)

K ? 0.3 ~ 0.5 ,取 K ? 0.4
④二次谐波制动系数 K2 一般取 0.15~0.2,取:

K 2 ? 0.18
⑤差动速断动作电流 I S
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经验公式:

I S ? (4 ~ 8)I e.2
取 :

I S ? 6 I e.2 ? 4.98 (A)

(5-15)

⑥校验灵敏度(用 0s 的短路计算结果) 变压器高压侧断开运行时,按高压侧金属性两相短路的最小短路电流校验: 出口两相短路时: 制动电流:

I res ? I res ?

I ( 2) 1 2 ( ? nT ? d 9.b 9. min.0 s ) ? K L 2 3 nTA. L I ( 2) n 1 2 ( ? nT ? d 9.b 9. min.0 s ) 3 ? TA. L / nT 2 3 nTA. L nTA. H
( 2) Id 14 9.b 9. min.0 s ? ? 1.4 (A) 10 nTA.H 1

I res ?
差动电流:

(5-16)

Id ? (
动作电流:

2 3

? nT ?

( 2) Id 9.b 9. min .0 s ) ? K L ? 2.8 (A) nTA. L

(5-17)

I dz ? I q ? K ? ( I res ? I g ) ? 0.332 ? 0.4 ? (1.4 ? 0.83) ? 0.56 (A)
灵敏度:

(5-18)

K lm ?

Id

I dz

?

2.8 ? 5.0 0.56

(要求 Klm>2)

(5-19)

5.2.3 C 站主变 T4 主保护整定计算过程 C 站主变 T4 的主保护采用比率制动及二次谐波制动的纵差动保护整定(用 0s 的短 路计算结果) 。 (1)两侧相位调整方式及平衡系数设定 ①相位调整方式: 高压侧( Y 侧)调整定值设为 1,即:

?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) ; I ?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) ; I ?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) I 1 a b 2 b c 3 c a
中压侧( Y 侧)调整定值设为 1,即:
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分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) ; I ?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) ; I ?Y ? ( I ?Y ? I ?Y ) I 1 a b 2 b c 3 c a
低压侧( d 侧)调整定值设为 0,即:

?? ? I ?? ; I ?? ? I ?? ?? ? I ?? ; I I 1 a 2 b 3 c
②平衡系数设定: 选高压侧为基本侧,则平衡系数取为: 高压侧平衡系数:

KH ? 1
中压侧平衡系数:

KM ?
低压侧平衡系数:

nTA.M 10 / 1 600 / nT ? 3 ? / ? 1.4 nTA.H 10 / 1 500

KL ? 3 ?
基本侧二次额定电流:

nTA.L 10 / 1 600 / nT ? 3 ? / ? 1.2 nTA.H 10 / 1 400

I e. jb.?? ? 3 ?

I e. H . I S /( 3U e. H . I ) ? 3? e nTA. H nTA. H

5000 I e. jb.?? ? 3 ?
(2)定值整定 ①该保护中: 差动电流:

( 3 ? 600) ? 0.83 (A) 10 1

?H+I ?M+I ?L| Id=| I
制动电流:

? H|, | I ? M|, | I ? L|) Ires=MAX (| I

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分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

图 5.3 比例制动特性图

②确定最小动作电流 I dz. min :躲过正常(负荷)运行时的最大不平衡电流:

I dz. min ? K k ? I bp. fh. max ? (2 f i ( e) ? ?U ? ?m) ? I e 2 ? (2 f i ( e) ? ?U ? ?m) ?

I e1

nTA. jb

(5-20)

因本实验室都是无载调压变压器,故 ?U ? 0 ,且都是采用微机保护,由软件控制 平衡,精度很高,不存在平衡误差,故 ?m ? 0 。 习惯的, I bp. fh. max 由实测而得,或采用经验公式:

I dz. min ? (0.20 ? 0.50) I e 2

5000
取: I dz. min ? 0.50 I e 2 ? 0.50 ③拐点电流:

I e1

n TA

? 0.50 ? 3 ? 600

10

? 0.24 (A)

(5-21)

I zh.0 ? (1.0 ? 1.2) ? I zh. fh
取:

I zh.0 ? 1.0I zh. fh

其中 I zh. fh :正常(负荷)运行时的制动电流,对三绕组变压器应考虑可能出现的制 动作用最小的情况。 拐点电流: ④制动特性斜率 对本站 T4,制动电流 I zh 求解原则如下,当某侧外部最大情况短路时可得到最大不 平衡电流 I bp. max :

I zh.0 ? I e 2 ? 0.48 (A)

(5-22)

I bp. max ? [ K tx K fzq f i I d .w. max ? ?U ( H ) I d .w.( H ).max ? ?U ( M ) I d .w.( M ).max ? ?m( I ) I d .w.( I ).max ? ?m( ?? ) I d .w.(?? ).max ] U e. d U e. jb
(5-23)

(nTA. jb )

第 26 页 共 47 页

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

I d .w. max :靠短路点侧的短路电流; U e.d :短路点所在电压等级的平均电压;

U e. jb :基本侧电压等级的平均电压。
因本实验室都是无载调压变压器,故 Δ U=0,且都是采用微机保护,由软件控制平 衡,精度很高,不存在平衡误差,故 Δ m=0。 动作电流应躲过 I bp。max 即: I dz. max ? K k I bp. max (可靠系数 Kk 取 1.3) 分别计算高、中、低压三侧外部短路后分别得到三点: (Izh(H) , Idz.max(H)),(Izh(M) , I dz.max(M)),(I zh(L) , Idz.max(L)) 制动特性曲线过其中一点(Izh , Idz.max),并位于另外两点的上方。 (A)高压侧最大运行方式下三相短路:(因为中低压没有电源,发生高压侧外部短 路时,中低压侧不流过短路电流,故不存在不平衡电流,保护不可能误动) (B)中压侧 d7 点最大运行方式下三相短路:

( 3) I bp. max ? [ K tx K fzq f i I d 7.b14. max.os ]

U e. d U e. jb

nTA

I bp. max

500 ? (1 ? 1 ? 0.1 ? 40) ? 600

10

? 0.33 (A)

(5-24) (5-25)

I dz. max(M ) ? K K I bp. max ? 1.3 ? 0.33 ? 0.429 (A)
制动电流:

( 3) I zh ( M ) ? I d 7.b14. max.0 s

U e. d U e. jb

nTA

? 3.3 (A)

(5-26)

得到点: ( I zh ( M ) , I dz. max(M ) )

m( M ) ?

I dz. max.(M ) ? I dx. min I zh.(M ) ? I zh.o

?

0.429 - 0.24 ? 0.07 3.3 ? 0.48

(5-27)

(C)低压侧 d6 点最大运行方式下三相短路:
第 27 页 共 47 页

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( 3) I bp. max ? [ K tx K fzq f i I d 6.b15. max.os ]

U e. d U e. jb

nTA

400 I bp. max ? [1?1? 0.1? 35] 600

10

? 0.23 (A)

(5-28) (5-29)

I dz. max(M ) ? K K I bp. max ? 1.3 ? 0.23 ? 0.303 (A)
制动电流:

( 3) I zh ( M ) ? I d 6.b15. max.0 s

U e. d U e. jb

nTA

? 2.3 (A)

(5-30)

得到点: ( I zh ( M ) , I dz. max(M ) )

m( M ) ?

I dz. max.(M ) ? I dx. min I zh.(M ) ? I zh.o

?

0.303 - 0.24 ? 0.03 2.3 ? 0.48

(5-31)

通过上述斜率比较而言,斜率都比较小,按经验公式,取 m=0.3 ⑤内部短路的灵敏度校验 (A)高压侧内部短路时的灵敏度校验 因为中低压侧没有电源,故高压侧内部短路电流一定大于中低压侧内部短路电流, 因此,只需校验中低压侧即可。 (B)中压侧内部短路时的灵敏度校验 差动电流:

( 3) I cd ? I H ? I M ? I L ? I d 7 b14. max.0 s ?

U e. d U e. jb

nTA

? 3.3 (A)

(5-32)

此时:

I dz ? I dz. min ? m( I zh ? I zh.0 ) ? 0.24 ? 0.3 ? (3.3 ? 0.48) ? 1.09 (A)

(5-33) (5-34)

K lm ?

I cd

I dz

?

3.3 ? 3.03 ? 2.0 1.09

(满足要求)

(C)低压侧内部短路时的灵敏度校验 差动电流:

第 28 页 共 47 页

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

( 3) I cd ? I H ? I M ? I L ? I d 6 b15. max.0 s ?

U e. d U e. jb

nTA

? 2.3 (A)

(5-35)

此时:

I dz ? I dz. min ? m( I zh ? I zh.0 ) ? 0.24 ? 0.3 ? (2.3 ? 0.48) ? 0.79 (A)

(5-36) (5-37)

K lm ?

I cd

I dz

?

2.3 ? 2.9 ? 2.0 0.79

(满足要求)

故,由以上可知,该差动保护均满足灵敏性要求。 (3)差动速断的整定 原则:躲过励磁涌流及外部短路的最大不平衡电流

I dz.sd ? K k ? I ly. max
经验公式:

I dz.sd ? (8 ~ 10)I e.B1 ? 9 ? 7.22 ? 65 (A)

(5-38)

5.3 变压器相间短路后备保护(复闭过流保护)整定计算过程
5.3.1 A 站 T1(T2 与 T1 完全相同)的复合电压闭锁过流保护整定计算过程(用 4s 的短路计算结果) (1)低压侧复闭过流保护 ①过电流元件 动作电流:

I dz

K K S /( 3U e. L. I ) 1.05 ? k I e .2 ? k ? e ? . Kh Kh nTA. L 0.85

5000

3 ? 400 ? 0.9 (A) 10 1

(5-39)

灵敏度校验:近后备(主变高压侧)
( 2) K jx I d 10.b 8. min .4 s

K lm ?

Ud / nTA Uj

2 ? 3

? 17 ?

I dz

400 1 ? 600 10 ? 1.45 0.9

(5-40)

( K jx 是变压器的接线系数,对于 Y , d11 接线的变压器,在某侧两相短路,另一侧 的最大相短路电流是短路侧的 ②低电压元件
第 29 页 共 47 页

2 2 倍,即 K jx ? ) 3 3

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

动作电压:

U dz ? 0.7U e.2 ? 0.7

U e.1

nTV

? 0.7 ?

600 ? 105 (V) 400 100

(5-41)

灵敏度校验:近后备(主变高压侧)

K lm ? U
③负序过电压元件 动作电压:

U dz
( 3) d 10.n 8. max.4 s

Uj Ud

? / nTV

105 ? 60 600 100 7? ? 400 600

(5-42)

U dz.2 ? (0.06 ~ 0.09)U e.1
取: U dz.2 ? 0.06 灵敏度校验:近后备 (主变高压侧)
( 2) U2 *.d 10.n 8. min .4 s ? U j / nTV

U e.1

nTV

? 6 (V)

(5-43)

0.531 ? ?

K lm ?

U dz.2

600 600 100 ? 8.85 (要求 K >1.25) (5-44) lm 6

④动作时限:与线路 Line3 相间距离 III 段时限及线路 Line1 电流 III 段时限配合:

tT 1 ? MAX (t L 3.??? , t L1.??? ) ? ?t ? 2.5 ? 0.5 ? 3 (S)
(2)高压侧复闭过流保护 ①过电流元件 动作电流:

(5-45)

I dz

K K S /( 3U e. H . I ) 1.05 ? k I e .1 ? k ? e ? . Kh Kh nTA. H 0.85

5000

3 ? 600 ? 0.6 (A) 10 1

(5-46)

灵敏度校验:近后备(主变高压侧)
( 2) K jx I d 3.b 8. min .4 s

K lm ?
②低电压元件 动作电压:

Ud / nTA Uj

2 ? 3

? 47 ?

I dz

600 600 ? 10 ? 9.05 0.6

(5-47)

第 30 页 共 47 页

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

U dz ? 0.7U e.2 ? 0.7
灵敏度校验:近后备(主变高压侧)

U e.1

nTV

0.7 ?

600 ? 70 (V) 600 100

(5-48)

K lm ? U
③负序过电压元件 动作电压:

( 3) d 3.n 8. max.4 s

U dz Uj Ud

? / nTV

70 ? 1.2 600 100 349 ? ? 600 600

(5-49)

U dz .2 ? (0.06 ~ 0.09)U e.1
取: U dz.2 ? 0.06 灵敏度校验:近后备 (主变高压侧)

U e.1

nTV

? 6 (V)

(5-50)

0.916 ? 600 K lm ?
( 2) U2 *.d 3.n 8. min .4 s ? U j / nTV

U dz.2

?

6

600 100 ? 15.27

(要求 Klm >1.25) (5-51)

④动作时限:与线路 Line3 相间距离 III 段时限及线路 Line1 电流 III 段时限配合:

tT 1 ? MAX (t L 3.??? , t L1.??? ) ? ?t ? 2.5 ? 0.5 ? 3 (S)

(5-52)

5.3.2 B 站 T3 的复合电压闭锁过流保护整定计算过程(用 4s 的短路计算结果) (1)低压侧复闭过流保护 ①过电流元件 动作电流:

I dz

K K S /( 3U e. L. I ) 1.05 ? k I e .2 ? k ? e ? . Kh Kh nTA. L 0.85

5000

3 ? 400 ? 0.9 (A) 10 1

(5-53)

灵敏度校验:近后备(主变高压侧)
( 2) K jx I d 9.b 9. min .4 s

K lm ?
②低电压元件 动作电压:

Ud / nTA Uj

2 ? 3

? 15 ?

I dz

463 1 ? 600 10 ? 1.49 0.9

(5-54)

第 31 页 共 47 页

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

U dz ? 0.7U e.2 ? 0.7
灵敏度校验:近后备(主变高压侧)

U e.1

nTV

? 0.7 ?

600 ? 105 (V) 400 100

(5-55)

K lm ? U
③负序过电压元件 动作电压:

( 3) d 9.n 9. max.4 s

U dz Uj Ud

? / nTV

105 ? 4.06 600 100 155 ? ? 600 600

(5-56)

U dz.2 ? (0.06 ~ 0.09)U e.2
取: U dz.2 ? 0.06 U e.1 灵敏度校验:近后备 (主变高压侧)
( 2) U2 *.d 9.n 9. min .4 s ? U j / nTV

nTA

? 6 (V)

(5-57)

K lm ?

U dz.2

?

0.343 ? 600 ? 6

100 600 ? 57.17 (要求 K >1.25) (5-58) lm

④动作时限:与线路 Line3 相间距离 III 段时限及线路 Line1 电流 III 段时限配合:

tT 1 ? MAX (t L 3.??? , t L1.??? ) ? ?t ? 2.5 ? 0.5 ? 3 (S)
(2)高压侧复闭过流保护 ①过电流元件 动作电流:

(5-59)

I dz

K K S /( 3U e. H . I ) 1.05 ? k I e .1 ? k ? e ? . Kh Kh nTA. L 0.85

5000

3 ? 600 ? 0.6 (A) 10 1

(5-60)

灵敏度校验:近后备(主变高压侧)
( 2) K jx I d 5.b 9. min .4 s

K lm ?
②低电压元件 动作电压:

Ud / nTA Uj

2 ? 3

? 44 ?

I dz

369 1 ? 600 10 ? 5.21 0.6

(5-61)

U dz ? 0.7U e.2 ? 0.7

U e.1

nTV

0.7 ?

600 ? 70 (V) 600 100

(5-62)

第 32 页 共 47 页

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

灵敏度校验:近后备(主变高压侧)

K lm ? U
③负序过电压元件 动作电压:

( 3) d 5.n 9. max.4 s

U dz Uj Ud

? / nTV

70 ? 0.79 600 100 327 ? ? 369 600

(5-63)

U dz.2 ? (0.06 ~ 0.09)U e.2
取 : U dz.2 ? 0.06 U e.1 灵敏度校验:近后备 (主变高压侧)
( 2) U2 *.d 5.n 9. min .4 s ? U j / nTV

nTA

? 6 (V)

(5-64)

0.11 ? ?

K lm ?

U dz.2

600 600 100 ? 1.83 6

(要求 Klm >1.25) (5-65)

④动作时限:与线路 Line3 相间距离 III 段时限及线路 Line1 电流 III 段时限配合:

tT 1 ? MAX (t L 3.??? , t L1.??? ) ? ?t ? 2.5 ? 0.5 ? 3 (S)

(5-66)

5.3.3 C 站 T4 的复合电压闭锁过流保护整定计算过程(用 4s 的短路计算结果) 对三侧有电源的三绕组升压变:三侧均应装过流保护,但是对研究的实验室系统, 三绕组变压器只有高压侧有电源,所以只要在高压侧装设过流保护即可,且不需要装设 方向元件。 (1)整定 ①电流元件:

I dz.b ?

Kk K S 1.05 ? I e1 ? k ? e ? ? 4.81 ? 5.94 (A) 3U e.H 0.85 Kh Kh
I dz. j ? I dz.b nTA ? 5.94 10 ? 0.549 (A)

( K k 取 1.05, K h 取 0.85)
(5-67)

②电压元件 低电压元件:

U dz.b ? 0.7U e1 ? 0.7 ? 600 ? 420 (V)
U dz. j ? U dz.b nTV ? 420 100 600 ? 70 (V)

(5-68) (5-69)

负序电压元件:躲过正常运行时的 U bp.2. max
第 33 页 共 47 页

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

经验公式:

U dz.b.2 ? 0.06U e1 ? 0.06 ? 600 ? 36 (V)
U dz. j .2 ?
(2)校验 ①电流元件: 近后备:(中压侧短路较大)

(5-70) (5-71)

U dz.b.2

nTV

? 36

100 600

? 6 (V)

( 2) K lm ? K jx I d 7 b14. min .4 s

U e. d U e.b

I dz.b

600 ? 1 ? 35 ? 400

5.94

? 8.5 ? 1.3

(满足要求) (5-72)

K jx :变压器接线系数(对 Y/Y-12 变压器 Kjx=1);
U e.d :短路点所在电压等级的平均电压;

U e.b :保护所在电压等级的平均电压。
②低电压元件:(按最大运行方式下保护范围末端三相短路时,保护安装处的最大 相间残余电压 Ucy 来校验)

K lm.d 7 ?

U dz.b

U (U cy.d 7 e.b ) U e. d

? 420

(132 ?

400 ) 600

? 4.0 ? 1.3

(满足要求)

(5-73)

K lm.d 6 ?

U dz.b

U (U cy.d 6 e.b ) U e. d

? 420

400 (359 ? ) 600

? 12.2 ? 1.3 (满足要求) (5-74)

(3)动作时限:按阶梯原则配合。

5.4 变压器接地短路后备保护(零序保护)整定计算过程
5.4.1 A 站 T1 的零序过流保护整定计算过程 (1)零序过电流保护定值 零序过电流保护动作电流整定原则:一般与相邻线路的零序电流后备段保护配合或 按保证变压器高压侧母线接地短路时保证最低灵敏度达到 1.5 倍的要求来整定。 因本实验室线路保护未配零序电流保护, 因此主变压器零序过流保护动作电流按保 证变压器高压侧母线接地短路时保证最低灵敏度达到 1.5 倍的要求来整定:
第 34 页 共 47 页

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

I dz.0 ? 3 ?

I 0.d 10.b8. min.4 s

0.141 ? K lm ? 3?

100 ? 1000 3 ? 600 1.5 ? 27.14 (A)
(5-75)

(2)零序过流保护动作时限:一般与相邻线路的零序后备段保护配合,由于线路未装 零序电流保护,动作时限按经验取 3s。 5.4.2 B 站 T3 的零序过流保护整定计算过程 (1)零序过电流保护定值 零序过电流保护动作电流整定原则:一般与相邻线路的零序电流后备段保护配合或 按保证变压器高压侧母线接地短路时保证最低灵敏度达到 1.5 倍的要求来整定。 因本实验室线路保护未配零序电流保护, 因此主变压器零序过流保护动作电流按保 证变压器高压侧母线接地短路时保证最低灵敏度达到 1.5 倍的要求来整定:

I dz.0 ? 3 ?

I 0.d 9.b 9. min.4 s

0.167 ? K lm ? 3?

100 ? 1000 3 ? 600 1.5 ? 32.14 (A)
(5-76)

(2)零序过流保护动作时限:一般与相邻线路的零序后备段保护配合,由于线路未装 零序电流保护,动作时限按经验取 3s。 5.4.3 C 站 T4 的零序过流保护整定计算过程 (1)零序过电流保护定值 零序过电流保护动作电流整定原则:一般与相邻线路的零序电流后备段保护配合或 按保证变压器高压侧母线接地短路时保证最低灵敏度达到 1.5 倍的要求来整定。 因本实验室线路保护未配零序电流保护, 因此主变压器零序过流保护动作电流按保 证变压器高压侧母线接地短路时保证最低灵敏度达到 1.5 倍的要求来整定:

I dz.0 ? 3 ?

I 0.d 8.b13. min.4 s

0.097 ? K lm ? 3?

100 ? 1000 3 ? 600 1.5 ? 18.67 (A)
(5-77)

(2)零序过流保护动作时限:一般与相邻线路的零序后备段保护配合,由于线路未装 零序电流保护,动作时限按经验取 3s。

5.5 变压器过负荷保护整定计算过程
一、A 站主变 T1 过负荷保护整定计算过程:

I dz ?

Kk K I 1.05 5000 1 I e.2 ? k e.1 ? ? ? ? 0.89 (A) nTA 0.85 Kh Kh 3 ? 400 10
(Kk 取 1.05, Kh 取 0.85)
第 35 页 共 47 页

(5-78)

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

动作时限:比复合电压闭锁过流保护动作时限大 1~2 个时阶,一般为 9~10s,取 9s。 二、B 站主变 T3 过负荷保护整定计算过程:

I dz ?

Kk K I I e.2 ? k e.1 ? 0.89 (A) nTA Kh Kh

(Kk 取 1.05, Kh 取 0.85)

(5-79)

动作时限:比复合电压闭锁过流保护动作时限大 1~2 个时阶,一般为 9~10s,取 9s。 三、C 站主变 T4 过负荷保护整定计算过程:

I dz ?

Kk K I I e.2 ? k e.1 ? 0.89 (A) nTA Kh Kh

(Kk 取 1.05, Kh 取 0.85)

(5-80)

动作时限:比复合电压闭锁过流保护动作时限大 1~2 个时阶,一般为 9~10s,取 9s。

5.6 整定计算结果一览表
表 5-1 A 站变压器 T1、T2 整定计算结果表(T1 和 T2 相同) 保护类型 纵差保护 低压侧复闭过流保护 高压侧复闭过流保护 零序过电流保护 过负荷保护 定值 备注 用 0s 的短路计算结果 用 4s 的短路计算结果 用 4s 的短路计算结果 用 4s 的短路计算结果

I d ? 2.6 I dz ? 0.52 Klm ? 5.0 ? 2
K lm.1 ? 1.45 K lm.2 ? 60 K lm.3 ? 8.85

K lm.1 ? 9.05 K lm.2 ? 1.2 K lm.3 ? 15.27
I dz.0 ? 27.14 I dz ? 0.89

注: K lm.1 为过电流元件的灵敏度校验值; K lm.2 为低电压元件的灵敏度校验值; K lm.3 为负序过电压元件的
灵敏度校验值。

表 5-2 B 站变压器 T3 整定计算结果表 保护类型 纵差保护 低压侧复闭过流保护 高压侧复闭过流保护 定值 备注 用 0s 的短路计算结果 用 4s 的短路计算结果 用 4s 的短路计算结果

I d ? 2.8 I dz ? 0.56 K lm ? 5.0 ? 2
K lm.1 ? 1.49 K lm.2 ? 4.06 K lm.3 ? 57.17 K lm.1 ? 5.21 K lm.2 ? 0.79 K lm.3 ? 1.83

第 36 页 共 47 页

分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算

续表 5-2

保护类型 零序过电流保护 过负荷保护

定值

备注 用 4s 的短路计算结果

I dz.0 ? 32.14 I dz ? 0.59

注: K lm.1 为过电流元件的灵敏度校验值; K lm.2 为低电压元件的灵敏度校验值; K lm.3 为负序过电压元件的
灵敏度校验值。

表 5-3 C 站变压器 T4 整定计算结果表 保护类型 定值 备注

I dz. min ? 0.24 I zh.0 ? 0.48
纵差保护

m ? 0.3 K lm ? 3.03 ? 2
I dz.sd ? 65

用 0s 的短路计算结果

差动速断 过流保护 零序过电流保护 过负荷保护

用 0s 的短路计算结果 用 4s 的短路计算结果 用 4s 的短路计算结果

K lm ? 8.5 K lm.d 7 ? 4.0 K lm.d 6 ? 12.2
I dz.0 ? 18.67 I dz ? 0.59

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6 变压器内部及外部故障的 MATLAB 仿真

6.1 MATLAB 仿真软件特点及说明
Matlab 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件, 用于算法开发、 数据可视化、 数据分析 以及数 值计算 的高级 技术计 算语言 和交互 式环境 ,主要 包括 Matlab 和 Simulink 两大部分。 Matlab 是矩阵实验室(Matrix Laboratory )的简称。它在数学类科技应用软件中 在数值计算方面首屈一指。可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户 界面、连接其他编程语言的程序等。 Simulink 是 Matlab 最重要的组件之一, 它提供一个动态系统建模、 仿真和综合分 析的集成环境。在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作, 就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近 实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数 字信号处理的复杂仿真和设计。 同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用 于 Simulink。

6.2 变压器内、外部故障的 MATLAB 仿真模型的搭建及模块说明
通过本论文提供的模拟系统电路搭建好仿真模块,其图形见附图二所示。对实际一 次系统进行仿真,由于 A、B、C 站变压器的保护配置基本相同,所以我们只对 A 站 T1 (T2)进行内、外部故障的仿真。 模块基本按系统电路图来搭建,由发电机、变压器、线路(5km 和 10km) 、负荷等 组成。

6.3 变压器内部及外部故障仿真过程及仿真波形说明
一、流过节点 3(4)的电流波形图

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图 6.1 A 相电流波形图

图 6.2 B 相电流波形图

图 6.3 C 相电流波形图

二、节点 3(4)的电压波形图

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图 6.4 A 相电压波形图

图 6.5 B 相电压波形图

图 6.6 C 相电压波形图

三、流过节点 10 的电流波形图

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图 6.7 A 相电流波形图

图 6.8 B 相电流波形图

图 6.9 C 相电流波形图

四、节点 10 的电压波形图

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图 6.10 A 相电压波形图

图 6.11 B 相电压波形图

图 6.12 C 相电压波形图

由以上图形可知,当在 10 点即高压侧三相短路时,变压器低压侧电流电压波形保 持不变,幅值降低;高压侧电压在三相短路时为 0,当故障恢复,电压波形变正常,电 流幅值有一个明显的冲击过程,幅值很大,该图对变压器的冲击电流保护很有作用。
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7 总结

全国用电量的增加,使得电力的建设更为重要,变压器是不同等级电网的节点,在 电网运行中起着十分重要的作用,大型变压器的出现既为保护增加了难度,同时又对保 护提出了更高的要求。要从原理和实现上同时解决变压器继电保护的问题,才能保证变 压器的安全稳定运行。论文首先对分布式发电的特点及现状、变压器保护的基本原理进 行了综述。研究了纵差保护的基本原理,对纵差保护中不平衡电流的产生和消除方案进 行了分析。克服励磁电流对变压器保护的影响一直是变压器保护的难点,文章从励磁涌 流的产生机理分析入手,仿真研究了变压器内部及外部故障。变压器比率制动差动保护 在变压器保护中应用较广,比率制动特性曲线灵敏性和可靠性的矛盾一直是研究的重 点。本课题是通过对已完成的分布式发电系统综合实验室设计方案进行详细研究,主要 的任务包括: (1)针对典型系统结构中的4台主变压器(3台双绕组变、1台三绕组变) 进行保护的配置; (2)对典型系统结构进行短路电流计算; (3)对4台主变压器的保护 进行整定计算; (4)用MATLAB仿真软件对典型系统结构进行短路仿真。 变压器保护作为非常重要的一种元件保护,保护装置的正确动作率还比较低,其保 护理论还有待完善,待研究的领域主要还有:(1)纵差保护作为变压器的主保护,从 理论上说存在着一定的缺陷,深入研究各种外在因素对差动判据的影响,充分利用微机 保护的优势解决相关问题需要进一步研究。(2)大容量变压器的比率制动判据还应结 合内外部故障情况详细分析,要更深层次的对变压器内、外部故障的仿真,严格考虑比 率制动判据的可靠性和灵敏性,分析各种判据的优劣,从而得出更有意义的结论。

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致谢

经过长达几个月的努力,终于把论文完成了。这次和以前的课程设计不同,以前是 和同学们一起完成一个课程设计,而这次毕业设计是每个同学自己独立完成的。更能显 示出自己的能力。随着论文的完成,意味着我们在大学的时光也将接近尾声。回首四年 的光阴仿佛一瞬间,军训的场景还历历在目,而现在我们却要毕业了。心中充满了喜悦 和失落!本论文的选题到结束,都是在导师穆大庆老师细心的指导下完成的。穆老师一 丝不苟的工作作风、平易近人的长者风范和严谨的科研态度使我深深的折服。不由自主 的成了我心中最尊重的人。穆老师的这种精神让我在以后的学习、工作和生活中受益匪 浅。在此,谨向穆老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!感谢穆老师孜孜不倦的教导!同 时还要感谢大学四年曾教过我们的马士英老师、屈桂银老师等。 本论文的顺利完成,离不开老师的帮助,但其中也少不了同学的关心和帮助。在这 里谢谢您们! 最后,感谢我的家人。感谢家人一直对我默默的支持和鼓励。感谢他们对我的无私 奉献。

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参考文献

[1] 贺家李等.电力系统继电保护原理(第三版)[M].北京:中国电力出版社.1994,10 [2] 张志竞,黄玉铮. 电力系统继电保护原理与运行分析( 上册)[M].北京:水利电力出版 社.1995,11 [3] 张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社.2005,5 [4] 杨新民,杨隽琳.电力系统微机保护培训教材[M].北京:中国电力出版社.2000,9 [5] 杨奇逊.微型机继电保护基础(第二版)[M].北京:中国电力出版社.2005,01 [6] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用(第二版)[M].北京:中国电力出版社.2002 [7] 王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].北京:中国电力出版社.1998 [8] 吕继绍.继电保护整定计算与实验[M].武汉.华中工学院出版社. 1983,12 [9] 崔家佩.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京.中国电力出版社 [10] 国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答( 第二版)[M].北京:中国 电力出版社.2000,2 [11] 电力工程设计手册(1、2、3 册) (或:水电站机电设计手册 电气二次) [12] 杨兹.水电站电气部分计算机辅助设计[M].北京:水利电力出版社 .1994,6 [13] 李光琦.电力系统暂态分析[M].北京:中国电力出版社.2002,6 [14] 何仰赞等.电力系统分析(上册)[M].武汉:华中理工大学出版社 .1984,6 [15] 钟麟,王峰.MATLAB 仿真技术与应用教程[M].北京:国防工业出版社.2004,1 [16] 陈桂明等.应用 MATLAB 建模与仿真[M].北京:科学出版社.2001,3 [17] 吴天明等.MATLAB 电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社.2004 [18] DCAP-3000 系列微机保护技术资料(由指导教师提供) [19] 短路电流计算程序(由指导教师提供) [20] Wang Xue, Wang Zengping.Research on Setting Calculation of Transformer Protection Based on Model.国际电网技术会议.2010 [21] 刘俊,李仁东等.分布式发电技术现状与应用前景综述.南京:南京理工大学.2009

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附图

附录一 模拟系统电路图的拓扑图

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附录二 MATLAB 仿真图

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毕业设计(论文)开题报告

题目:

分布式发电综合实验室变压器保护配置 及整定计算

课 题 类 别: 设计 □ 学 生 姓 名: 学 班 号: 级: 刘 星

论文

?

200782250234 258210702 电气工程及其自动化 穆 大 庆

专业(全称) : 指 导 教 师:

2011 年 3 月

一、

本课题设计(研究)的目的: 分布式发电系统综合实验室为在建的省部共建重点实验室项目,包含光伏发电、

风力发电、超级电容储能发电等新型的分布式发电电源,具备有由变电站、配电站、 线路、负荷等组成的可灵活组网的模拟电力系统,配备有先进的计算机监控系统及保 护系统。在培养学生理论联系实际的意识和基本操作技能等方面有着重要意义。该实 验室设计方案及设备招标工作已基本完成,但后续的建设、安装及调试等还有许多具 体细节的设计与考虑及相关工作。本课题是通过对已完成的分布式发电系统综合实验 室设计方案进行详细研究,针对系统中的所有变压器进行保护的配置及整定计算。 通过本课题的研究,要求学生了解分布式发电电源的特点,了解电力系统网络结 构特点及运行方式,熟练掌握短路电流计算方法,熟悉变压器保护的配置及整定计算 方法,初步掌握电力系统工程设计的方法与步骤。通过本课题的毕业设计使学生对所 学专业知识进行综合应用,达到提高学生分析问题和解决问题的能力之目的。 二、 设计(研究)现状和发展趋势(文献综述) : 投资 300 万元的省部共建的教育部重点特色专业实验室——分布式发电综合实验 室,于 2007 年申报,2008 年 3 月批准立项,2008 年 5 月确定基本方案并开始建设, 历经多方调研、具体方案设计、方案论证、设备招投标、设备安装调试等,2009 年 9 月竣工。分布式发电综合实验室,是一个包含分布式发电电源、模拟变电站、配电站、 输配电线路及各种模拟用电负荷等组成的完整电力系统的全方位物理模拟,配置了先 进和完善的电气二次设备,并包含一个配备了变电站仿真系统、电力系统潮流计算、 短路计算、保护整定计算等软件的计算与仿真室本课题是通过对已完成的分布式发电 系统综合实验室设计方案进行详细研究,针对典型系统结构中的 4 台主变压器(3 台 双绕组变、1 台三绕组变)进行保护的配置,对典型系统结构进行短路电流计算并对 4 台主变压器的保护进行整定计算,用 MATLAB 仿真软件对典型系统结构进行短路仿真。 分布式发电综合实验室包括风力发电、 光伏发电、 超级电容发电等多种电源形式, 发布式发电能提高能源的利用效率、开发新能源、加强可再生能源的利用,是解决我 国经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境 保护之间矛盾的必然选择。开展分布式发电供能技术方面的研究符合国家重大需求。 分布式发电供能技术,有助于充分利用各地丰富的清洁和可再生的能源,向用户提供 “绿色电力” ,是实现我国“节能减排”目标的重要举措;分布式发电供能技术的广 泛应用,将从规划建设、运行管理、发展理念等多方面给传统电力系统带来革命的变

化,适时开展相关基础性研究工作,将大大提供电网建设和改造的科学性,有助于电 力系统的健康发展。所以分布式发电综合实验室的建立是符合社会的发展、未来的需 要,并且给同学们带来了最新、最好的科学知识。 变压器的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,以及铁芯烧毁等。变压器油箱内的故障十分危险, 由于油箱内充满了变压器油,故障后强大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瓦斯气体,很容易引起油箱爆炸。油箱外故障主要是套管和引出 线上发生的相间短路和接地短路。 电力变压器不正常的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。 根据变压器的不同型号及其所需我们可以给变压器配置相应的的保护装置。变压 器的保护配置有:瓦斯保护、纵差动保护或电流速断保护、相间短路的后备保护、接 地短路的零序保护、过负荷保护、过励磁保护等其他保护。对于三绕组变压器的后备 保护,当变压器油箱内部故障时,应断开各侧断路器,当油箱外部故障时,只应断开 近故障点侧的变压器断路器,使变压器的其余两侧继续运行。 可分为:1、对于单侧 电源的三绕组变压器,应设置两套后备保护,分别装于电源侧和负荷侧。保护带两级 时限, 以较小的时限跳开变压器断路器 QF3, 以较大的时限断开变压器各侧断路器; 2、 对于多侧电源的三绕组变压器,应在三侧都装设后备保护。对于变压器保护的整定计 算根据不同的保护配置进行相应的整定计算。 变压器是电力系统中最重要的电气设备之一,它的故障对供电的可靠性和系统的 正常运行带来严重的影响。变压器保护原理和实现技术的研究一直受到继电保护工作 者的广泛关注。因此,深入进行变压器的保护配置及整定计算的研究与探索,正是顺 应电力系统新技术发展的需要,所以开展这个课题的研究与设计是有较大意义的。

三、设计(研究)的重点与难点,拟采用的途径(研究手段) : 1、本课题的重点与难点如下: (1)重点:通过本课题的研究,深入研究分布式发电综合实验室变压器的工作原 理,了解分布式发电电源的特点,了解电力系统网络结构特点及运行方式,熟练掌握 短路电流计算方法,掌握变压器保护的配置及整定计算方法,学会用 MATLAB 仿真软 件对电力系统进行仿真分析。 (2)难点:对典型系统结构中的主变压器进行保护配置及整定计算。 2、拟采用的途径(研究手段)如下: 查阅有关分布式发电综合实验室变压器保护配置及整定计算的文献及技术资料; 对分布式发电电源及变压器保护方面的技术进行详细地分析、研究; 通过分析研究对分布式发电综合实验室的典型系统结构进行断了路电流计算; 通过分 析研 究对 典型系 统结 构中 的主 变压器 进行 保护 配置 及整定 计算并 用 MATLAB 仿真软件进行仿真; 整理编写毕业设计论文。 四、设计(研究)进度计划: 周 次 毕 业 设 计(论 文)工 作 任 务 第4周 借参考书及查阅文献熟悉资料,写出开题报告 第5周 学习并研究分布式发电系统综合实验室设计技术资料; 查 阅并学习有关分布式发电电源及变压器保护方面的技术 资料。 第 6—8 周 熟悉微机型 DCAP-5000 系列中变压器各种保护的工作原 理及特点;并利用短路电流计算软件(由指导教师提供) 对分布式发电系统综合实验室的典型系统结构进行短路 电流计算。 第 9—11 周 第 12—15 周 第 16 周 第 17 周 对典型系统结构中的主变压器进行保护配置及整定计算。 用 MATLAB 仿真软件对典型系统结构进行短路仿真并输出 仿真结果。 整理毕业设计论文 毕业设计答辩

备注:可根据需要适当调整

五、参考文献: [1] 贺家李等.电力系统继电保护原理(第三版)[M].北京:中国电力出版社.1994,10 [2] 张志竞, 黄玉铮. 电力系统继电保护原理与运行分析( 上册)[M].北京:水利电力出 版社.1995,11 [3] 张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社.2005,5 [4] 杨新民,杨隽琳.电力系统微机保护培训教材[M].北京:中国电力出版社.2000,9 [5] 杨奇逊.微型机继电保护基础(第二版)[M].北京:中国电力出版社.2005,01 [6] 王维俭 . 电气主设备 继电保 护原理 与应用 ( 第 二版 )[M]. 北京 : 中国电力 出版 社.2002 [7] 王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].北京:中国电力出版社.1998 [8] 吕继绍.继电保护整定计算与实验[M].武汉.华中工学院出版社. 1983,12 [9] 崔家佩.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京.中国电力出版社 [10] 国家电力调度通信中心. 电力系统继电保护实用技术问答( 第二版)[M].北京:中 国电力出版社.2000,2 [11] 电力工程设计手册(1、2、3 册) (或:水电站机电设计手册 电气二次) [12] 杨兹.水电站电气部分计算机辅助设计[M].北京:水利电力出版社 .1994,6 [13] 李光琦.电力系统暂态分析[M].北京:中国电力出版社.2002,6 [14] 何仰赞等.电力系统分析(上册)[M].武汉:华中理工大学出版社 .1984,6 [15] 钟麟,王峰.MATLAB 仿真技术与应用教程[M].北京:国防工业出版社.2004,1 [16] 陈桂明等.应用 MATLAB 建模与仿真[M].北京:科学出版社.2001,3 [17] 吴天明等.MATLAB 电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社.2004 [18] DCAP-3000 系列微机保护技术资料(由指导教师提供) [19] 短路电流计算程序(由指导教师提供) [20] Wang Xue, Wang Zengping.Research on Setting Calculation of Transformer Protection Based on Model.国际电网技术会议.2010 [21] 刘俊,李仁东等 . 分布式 发电技术 现状与应 用前景综 述 . 南 京 : 南京理工大 学.2009

指导教师意见

签名: 月 教研室(学术小组)意见 日

教研室主任(学术小组长) (签章) : 月 日

2010 International Conference on Power System Technology

Research on Setting Calculation of Transformer Protection Based on Model
Wang Xue, Wang Zengping, Member, IEEE

model is demonstrated. Secondly, the factors that influence
Abstract-The protection based on model has the advantage of operating properly under the condition of energization without load and can provide a better protection instead of the differential protection. Prior to its practical application, there must be a method to compute its pickup value. But up to now no method is presented, in many articles the pickup value is made according to the test data obtained from the laboratory transformer, obviously the pickup value may be smaller, and it is not reliable to prevent the protection from misoperation. In this paper, the factors that influence the performance of the protection are analyzed, and a feasible method for computing the pickup value is presented. The conclusion is supported by the test data.

the performance of the protection are analyzed. Lastly, the method is applied to the test data, and the feasibility of the method is verified. II. THEORY OF TRANSFORMER PROTECTION BASED ON
MODEL

The

connection
i

diagram

of

three-phase

delta-wye

connected transformer is shown in fig.I.
a

A

Index Terms-- Transformer Protection, Setting Calculation,
Transformation error, Tap changing

restraint is used to prevent the needless tripping of a sound transformer due to large inrush currents. But for the modem large transformers the second harmonic of the inrush current becomes smaller, meanwhile that of external faulty current becomes greater due to the distributed capacitance of high? voltage transmission lines, so it becomes difficult to determine the pickup value for identifying inrush current. In fact, it is not always reliable to discriminate between inrush and fault by using those methods based on the waveform characteristic of inrush current

THE

I. INTRODUCTION differential protection is the most common form of protection. The second harmonic current

Co--;.....,...;.I

?=--oC

transformer

Fig. 1. Three-phase delta-wye connected transformer

Considering the transformer shown in fig. the voltage equations as follow,

1,

we can write

[1]-[4].
The basic theory of this protection will be

In order to avoid the problem of the identification of inrush currents, the transformer protection principle based on model is proposed

[5]-[7].

demonstrated in the next section. The determination of the pickup value of the protection is a key issue for the study of the reliability and sensitivity of the protection. In the earlier articles, this issue is neglected, and the pickup value is determined experimentally by a number of tests. Due to the limitation of the tests, the pickup value may be smaller. As a result, there is the risk of misoperation for the protection. In this paper, a method for calculating the pickup value is proposed. Firstly, the principle of the protection based on

diA d?a uA =lA R? +1.-+N-. dt dt diB d?b uB =lBR? +1.-+N. dt dt die d?e +Nue =leR? +1. . dt dt (1) di a +N d?a 1) +L2ua -ue =la"2 2-dt dt dib d?b Ub -ua =lb? +L2-+N2dt dt di d? e e 1) +L2-+N2Ue -Ub =Ie"2 dt dt where ua,ub,ue are phase voltages on the delta side, UA' UB' Ue are phase voltages on the wye side, ia,ib,ie are phase current on the delta side, iA,iB ' ie are phase current on the wye side, R2,L2 are resistance and leakage inductance of delta winding, R, . 1. are resistance and leakage inductance of wye winding, ?a'?b'?e are main flux, N. . N2 are the turns of wye
· · · · · ·

This work was supported by the National Science Foundation of China (50777016). Wang Xue, Wang Zengping are all with North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China (e-mail: wangxuedl@126.com). 978-1-4244-5940-7/10/$26.00?2010 IEEE

winding and delta winding. measurable, so we

In general the quantities ?a'?b'?e and ia, must rearrange

ib, ie in (1)

are not the

quantities ?a'?b'?e and substitute the line currents

(1),

iLA, iLbe, iLe

omit

2

instead of the phase currents ia, re

ib, ic

[6]. The equations after

Use,

=Kre/Uunbmax

(5) 1.0.
current, the values a large inrush

arrangement can be expressed as,

where the constant Kre/ is greater than Even if there is

of UAB'UBC,UCA is always smaller than Use, as long as the transformer is sound, so the protection will not operate. Therefore there is no need for any other methods to detect the inrush currents. But up to now there is no method to compute the value of

(2) di? , , " Uc -uA -(2uc -ub -Ua )+iLcRk +Lk dt . .')? =L d (iC -iA +i' lc ) -(1C -IA +1lc . dt whereu?, u;, u;, i;"', i;' and i? are the voltages and currents on the delta side which are referred to the wye side. Rk, Lk are
.

Uunbmax

,

in

[6]

we

compute

the

values

of

UAB'U BC and UCA with the data obtained from a sound transformer, the maximum value of those results is assumed to be the value ofUunbmax' and then we can compute the setting

Uset following

(5).

Obviously, because there are no sufficient

amounts of the data, the result obtained from the test data may not be the maximum value, so it is possible for the protection to misoperate. Therefore it is necessary for us to study the factors that induce the unbalance between the two sides of the equations in

resistance and leakage inductance. We defme three quantities

UAB ,UBC'UCA ,

which are the

differences between the left-hand and the right-hand side of respectively. Then, from the above defmition we can write,

(2)

(2)

when the transformer is sound, and then we can obtain

the theoretical value

ofUunbmax' subsequently

following

(5)

a

, , , ., di;'" uAB =uA -UB -( 2ua -uc -Ub )+ILaRk +Lk dt d (i i ) A B +i' La ')? -L. -(1 A -I B +1La dt , , , ., di;' UBC =UB -Uc -( 2ub -Ua -Uc )+'LbRk +Lk--;;( ( 3) d (i B -i C +i' ) Lb T Y -'1. ')''I -(1 B -I C +1Lb dt , , , ., di? UCA =UC -UA -(2uc -Ub -UJ+ILcRk +Lk--;;( d (iC -iA +i' lc ) . .')? -(1C -IA +1lc -L. dt For a sound transformer, (2) is satisfied no matter what
. . . . . . .

suitable pickup value can be determined. III. ANALYSIS OF FACTORS INFLUENCING THE PROTECTION

A.

Influence of tap changing
The larger sizes of transformers are equipped with on-load

tap changing. Taps are often available on power transformers in

±An

change in the transformation ratio. The designed ratio

of transformer and the ratio adopted in the protection are assumed to be nr and nr

(1 +An) respectively, then the vector form of the first voltage equation in (3) can be written as,
U= UAB -(U?c -U;")(I+An)+

L.) IAB -(R I +jOJ

ofuAB,uBC' uCA are

conditions

the

transformer

is

under,

so

the

values is no

(

_

AnI;"' I+An

)

?( + ) Rk jXk I+An

( 6)
(3). The

all zero. On the other hand, if an internal

where these quantities are the vector forms of those in other two equations in

longer satisfied, the quantities U AB' U BC,uCA will increase from zero. Therefore the following criterion can be used to provide a method of internal faulty condition detection,

fault develops, the parameters will change, then

(2)

(3) can be rewritten similarly.

Here the transformation errors of current transformers (CTs) and voltage transformers (VTs) are ignored. In order to foregoing equation to, U= analyze the variation ofU in (6) with An, we can simplify the

(4)
whereUAB,UBC,UCA are the rms values the pickup value. Considering the influence of many factors, in fact, UAB'UBC'UCA are not always zero when a sound transformer is under the external faulty condition, steady-state load condition or energization condition. Assuming

ofuAB,uBC'UCA'

Use, is

I3

(Ua '-U' )An + 0

( Y' Anl' La H2 +J I+An

X')I
2

(7)

where U? is zero sequence voltage. the value ofU will increase as An or the load current increases. When the transformer is under the normal load condition,

Corresponding to a fixed An, the value ofU will approach its transformer. When the transformer is under the external fault condition, the decrease of phase voltages will decrease the value ofU ,

Uunbmax is

the maximum

maximum value when the rated current flows through the

value ofUAB,UBc,UCA when the transformer is sound, and we can computeUse, as follow,

3

meanwhile the increase of currents will increase the value of U . By considering that the resistance reactance

a difference between them. Therefore on the basis of obtain, Ud

(13),

?

and leakage

considering the transformation errors of CT and VT, we

X?

are generally small, the influence of voltage on

the value ofU is greater than that of current, therefore the value ofU will decrease. Here, we are only concerned with the maximum value of U , so only the normal rated load condition is considered. If we let U;

=

where ker is the maximum transformation error of VT. The angle between Ud and

( IGU % nI +2ker )U
k .,fj

n

(14)

=Un andIla =In ' the maximum

calculated by, Umax

AnIn ( Y' + J = 3UnAn + l+An

Following the defmition of impedance voltage ( have,

I

"2

:X') I
2

value of U can be

Id is

theoretically equal to 90' ,

but it may vary due to the CT and VT errors. Assuming the

(8 )
U k% ),
we

maximum variation range of the angle is 90' , we can compute the value ofUmax as the following formula,

Umax =Un

.,fjInZk .,fjInZ? (9) = k2Un Un where In and Un are the rated current and voltage respectively, Zk =IRk +jXkl,Z? =I? +jX?I,k2 =Z/ ? Zk·

(klu?nI +2ker J +(klu?nI J
500
and

(15)

Uk % =

IV. VERIFICATION WITH TEST DATA A two-winding three-phase transformer rated at with primary and secondary voltages of voltage of this transformer is equal to

30 kva, 416 V IG
is

respectively, is used to verify the analysis. The impedance

Substituting

(9)

into

(8),

and neglecting the quantity

An in

14.5%,

and the quantity

denominators, we get, Umax

k u k% N'L e =AnUn 1 +
2

wherelPL is the angle of the load impedance.

1

0.569.

The line currents and terminal voltage on the

.,fj

I

(10)

two sides are measured when the transformer is under the condition of normal load and the condition of energization without load. The computation results obtained by using

(3)

and

(10)

are

B.

Influence of transformation errors of CT,

VT

called "test value" and "calculated value" respectively, which is given in Table I. From Table I it can be found that there is good agreement between the test and calculated values, and the differences between them are small and almost constant. So we can draw the conclusion that the results obtained from

When a steady-state load current flows through the primary side of CT, the transformation error is small, therefore the values of UAB'UBC or UCA are also small (theoretically zero). But if the current (e.g., inrush current) has substantial amounts of harmonic components and DC component, there may be severe saturation in the CT core, and the secondary current of CT may not represent the primary current faithfully, then the values of UAB'UBC orUCA may become very large, and hence the protection is likely to misoperate. So the influence of transformation error of CT must be considered when the pickup value is determined. If we defme, side of the first equation in can be simplified as,

(10) have sufficient accuracy.
TABLE I THE TEST AND CALCULATED VALUE

An (% ) 10 8 6 4 2 1 0

test value

calculated value

id4B =i - iB + ila 'Ud4B is equal to the left-hand (2), then the first equation in (3)
A
-

uAB =ud4B L..
-

did4B dt

9.34 7.55 5.77 3.98 2.12 1.16 0.41

9.05 7.24 5.43 3 .62 1 .81 0 .91 0

(11)

As mentioned earlier, the transformation error of CT and VT is another main factor, the influence of which is shown in Table II. The so-called "maximum test value" listed in the third column in Table II is the maximum value computed by using

Omitting the subscript AB , we can get the vector form of

(11) as,
U =Ud - jXJd

I

l
(9),

(12)
we can obtain the

(3)

during the test, the so-called "calculated value" here

Following the relation given by following formula,

is the value computed by using

(15), and the variation ranges

of the ratio of the "calculated value" to the "test value" during Un x

Id = lG X l
where

.,fj IG =L..lLk, nI =Id lIn .

u k% nI

(13)

the test are listed in the fourth column in Table II. From Table II we fInd that all the ratios during various cases are always larger than and

1.0,

and it indicates that if the

The value ofUd is theoretically equal to that of XJd' but owing to the transformation errors of CT and VT, there will be

pickup value of the protection is determined according to

(5)

(15),

the protection will not misoperate even if a large

inrush current (e.g., case

9)

occurs. At the same time, we also

4

fmd that the maximum test values during various cases are of much difference from each others, the main reason for which is that the amplitudes of the inrush currents during various cases are different. The larger the inrush current is, the larger the transformation error is, and hence the larger the test value is. This is illustrated in fig.

[2]

Chen Deshu, Yin Xianggen, Zhang Zhe, "Virtual third harmonics restrained transformer differential protection principle and practice,"

Proceedings ofthe CSEE, vol. 21, pp. 19-23, Apr. 2001. [3]
Zhiqian Bo, Geoff Weller, Tom Lomas, "A new technique for transformer protection based on transient detection," IEEE Trans. Power

2 further.
maximum test value ratio

[4]

TABLE II CALCULATION RESULTS BY USING (3) AND (10)

Delivery, vol. 15, pp. 870-875, Mar. 2000. Lin X N, Malik 0 P, "Studies for identification of the inrush based on improved correlation algorithm," IEEE Trans. Power Delivery, vol. 17, pp. 901-907, Apr. 2002.
Wang Zengping, "The research of large generator-transformer units protection," Harbin: Harbin Institute of Technology, 1997. Wang Zengping, Xu Yan, Wang Xue, "Study on the novel transformer protection principle based on the transformer model," Proceedings ofthe

[5] [6]

condition

case

energization without load

normal load

o

?t'-:::-_, :t:
o ? o 20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4

0.77 1.52 1.42 1.26 0.39 0.35 0.19 2.24 4.35 1.33 0.29 0.34 0.42 0.36

1.86-2.53 2.27-18.67 1.3-3.07 1.28-2.06 1.5-4.28 2.14-3.19 1.29-5.4 1.25-3.02 1.23-2.12 1.65-3.14 1.2-3.6 1.5-3.9 1.3-1.96 1.4-1.9
-:_

CSEE, vol. 23, pp. 54-58, Dec. 2003.

[7]

Hao Zhiguo, Zhang Baohui, Chu yunlong, "Study on transformer protection principle based on equivalent circuit equilibrium equation,"

Proceedings ofthe CSEE, vol. 26, pp. 67-72, Oct. 2006.

VII. BIOGRAPHIES
Wang Xue was born in He Bei, China, on
October 28, 1978. He graduated from North China Electric Power University, and work at the same University. His special fields of interest included power system automation and protection. He received the B.S. and M.S. degree Electric Engineering all from North China Electric Power University, China, in 2001 and 2004 respectively. Now he is a lecturer, at the same time is studying for the Ph.D. degree.

Wang Zengping was born in He Bei, China, on
November 3, 1964. He received the B.S. and M.S. degree Electric Engineering all from North China

__ __ ? AB ______ __ __ ? ____ ____ __

Electric Power University, China, in 1985 and 1988 respectively. He received the Ph.D. degree from Harbin Institute of Technology, China, in 1997. Now he is a professor and the chairman of the Science and Technology Department at North China Electric Power University. His special fields of interest included power system automation and protection.

__ _

?

W

00 BC

100

1?

I?

lW

100

?o

40

60

00

=
100

Now he is member of IEEE PES and in the Key Laboratory of Power

1?

1?

lW

100

200

System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education, North China Electric Power University, Baoding, Hebei Province, China.

?t'--:-:_,
o 20

______ ___ CA ______ ____ _ __ __ __ ______

40

60

00 100 Time(ms)

1?

1?

lW

100

200

Fig. 2. The test value during energization without load

Each curve represents the variation of the test value during the condition of energization without load. It can be known clearly that the test value decreases as the inrush current decays. V. CONCLUSION In the paper the factors that influence the performance of the protection based on model are studied, and then the method used to compute the pickup value is proposed and proved feasible by the test data. VI. REFERENCES
[I]
Bogdan Kasztenny, Mladen Kezunovic, "Digital relays improve protection of large transformer." IEEE computer Applications in Power, vol. II, pp. 39-45, Apr. 1998.

基于变压器保护整定计算模型的研究

Wang Xue, Wang Zengping, Member, IEEE

摘要——模型的保护在正常通电无负载的条件下运行具有优势且可以提供 比差动保护更好的保护。 在此之前它的实际应用, 必须有一种方法来计算其起动 值。 但到现在都没办法给出其值,在许多文章起动值是根据在测试实验室的变压 器的数据而获得,很明显,起动值可能较小,而且它是不可靠的防止误操作的保 护。在本文中,我们对保护性能的影响因素进行了分析,并为起动值的计算,提 出了可行的方法。最后,得出的测试数据是支持结论的。

索引词汇——变压器保护,整定计算,误差转换,调压。

1 简介

差动保护在变压器的保护中是最常见的形式。 由于变压器跳闸产生大量涌流 电流,所以用二次谐波电流来限制其产生的声音。 但现代大型变压器的二次谐波 的涌流电流变得更小, 与此同时高电压输电线路的分布电容成为使外部故障电流 变得更大的原因,因此,很难判断识别涌流电流的起动值。实际上,它并不总是 靠区分于侵入和故障的方法来分析涌流电流的波形特点。 为了避免大量涌流电流的确定出现问题, 于是提出了变压器保护原理的基本 模型。这种保护的基本理论具体表现在下一个部分。研究的可靠性和灵敏度的保 护是确定该起动值保护价值的一个关键问题。 在前面的文章中, 这个问题被忽视, 而且该起动值是通过多项测试实验确定的。 由于测试的局限性, 起动值可能较小。 结果,保护的误操作是有风险的。 本文,提出了一种计算起动值的方法。第一,论证模型的保护原则。第二, 对保护性能的影响的因素进行了分析。最后,该方法应用到测试数据,和对该方 法的可行性进行了验证。

2 变压器保护模型

连接变压器的三相△— Y 型接线图如图 1:

就变压器如上图 1 所示,我们能写出电压方程式如下:

其中 侧相电流,

是△上侧相电压, 是 Y 上侧相电流, 是主磁通,

是 Y 上侧相电压 , 是三角形绕组的电阻和,

是△上 是星

形绕组的电阻和漏感, 数。 在一般的数量 和

是星形绕组和三角形绕组的匝

在公式(1 )中是不会平衡的,所以我们必 和代替线电流 而不是相电流

须重新整理公式(1 ) ,省略的数量

【6 】 。重组后的方程式可以表示为如下:

其中当



是三角形一侧指向星形一侧的电压和电流。

是电感和漏感。 我们定义了三个数量 ,公式(2 )就像左手和右手边的分别

差异一样。然后,从上述定义我们可以写成:

对于一个健全的变压器,公式( 2)是满足任何条件下的变压器的根据, 所以 的值都为零。在另一方面,如果内部故障发展,这些参数就会 将从零增加。

改变,然后公式(2)将不在满足。额定

因此下面的标准可用来检测内部故障条件的方法,

其中当



均方根的值,

是起动值。

考虑到诸多因素的影响,实际上,

不总是为零当一个健全的变 是 的

压器外部故障条件下, 稳态加载条件或通电条件。 假设 最大值当变压器是健全的。我们可以计算 如下,

其中常数

大于 1.0。 的电压值常常小于 只要变压器是

即使有一个大的涌流电流,

正常的,因此保护不能运行。因此没有其它方法来检测涌流电流。 但直至现在也没有方法来计算 的价值,在公式( 6 )中我们计 算



的值从正常变压器中获得的数据,这些结果的最大价值是假定 以下公式(5) 。显然,因为有没有足

的价值,然后我们就可以计算出

够的数据量,从测试数据得到的结果未必是最高值,所以可能是的保护。 因此,有必要为我们研究的因素,导致方程之间的不平衡,双方在公式( 2) 当这个变压器正常运行时, 然后我们就可以得到 (5)一个合适的起动值可确定。 的理论值, 随后以下公式

3 保护影响因素的分析

A.调压的影响 大型号的变压器都配备有载调压。往往可以对电力变压器加减△N 变化中的 变化率。变压器的设计和比例比在保护通过假设 一个电压方程向量形式在公式(3)可写为, 和 的分别,然后第

如果这些数量是这些矢量形式在公式(3)中。另外两个方程式在公式(3) 中同样可以被改写。 在这里,电流互感器和电压互感器的错误转换被忽略。为了分析公式(6) 中的变化和 ,我们可以简化上述方程,

其中

是零序电压。 或者增加负载电流。对应一

当变压器是在正常负载条件,U 的值将增加 个固定的

,U 的值将接近其最大值时,通过变压器的额定电流。

当变压器是根据外部故障条件时,相电压的下降将减少 U 的值,同时,电流 的增加将增加 U 的值。通过考虑 的阻值和 的漏抗值是一般很小的,这对电

压 U 值得影响比对电流的影响更大,因此,U 的值将减少。 在这里, 我们只关心 U 的最大值, 因此只有正常额定负载条件下被认为是最 大值。如果我们让 和 ,那么 U 的最大值就可以计算出来了,

从而阻抗电压就可以定义为(

) ,我们就有,





分别为额定电流和额定电压,

将公式(9)代入公式(8)中,化简了

的分母,于是得到公式,

其中

为负载的阻抗角。

B.转换误差对 CT,VT 的影响 当稳态负载电流流经原边 CT 时,转换误差较小,因此, 或者 的

值都很小(趋向于零) 。但是,如果这趋势具有大量的谐波分量和直流分量,有 可能导致 CT 核心严重饱和,与 CT 二次电流可能无法真实地代表了初始电流, 然 后 和 的值会变得很大,因此保护可能失控。因此,CT 的转换误差影

响必须考虑到启动电压值。 如果我们定义, 是等于公式(2)中第一个方程式

的左边,那么在公式(3)中的第一方程式可化简为,

省略下标 AB,我们就可以得到向量形式的公式(11)如,

给出以下的关系式到(9)中,我们可以得到下列公式,

其中: 的值是理论上等于 的,但由于 CT 和 VT 的转换错误,所以他们之间存

在区别。因此,在公式(13)的基础上,考虑 CT 和 VT 的转换错误,我们得到,

其中的 和

是 VT 的最大转换错误。

的夹角理论上时等于 90°,但它可能会因 CT 和 VT 的转换错误而改

变。假设最大的角度变化范围为 90°,我们就可以计算出 U 的最大值公式如下,

4 用测试数据验证

一个额定容量为 30 千伏安双绕组三相变压器,一次侧和二次侧电压分别为 500 伏和 416 伏,是用来验证分析。这种变压器的阻抗电压时 14.5%,及其数量 K1 是等于 0.569。 分别在变压器正常负载条件下和无负载条件下通电测量线电流 和两侧端电压。 通过计算得到的结果用到公式(3)和(10)中变得到的值分别为“测量值” 和“计算值” ,由于在表一中。从表一中可以看出,测量值和计算值相差不大, 而且他们的差异很小,几乎不变。所以我们能从公式(10)中得出正确的结果。

正如前面提到的, CT 和 VT 的转换错误是一个主要因素, 其影响如表二所示。 在测试过程中代入表二中第三列中的最大值到公式(3)中进行计算。便得到所 谓的“最大测量值” 。用公式(15)计算得到的值便是所谓的“计算值” ,在表二 中第四列是测试过程中对“测量值”和“计算值”的变化范围的统计。 从表二中我们发现所有的比值都比 1.0 要大, 它表明, 如果起动值得保护确 定是通过公式(5)和(15) ,即使发生大的涌入电流保护也不会失控。与此同时, 我们还发现,在各种情况下最大测量值是有很大差异的, 其主要原因是涌入电流 的振幅在不同的条件中是不同的。较大的涌入电流,就会有较大的转换错误,因 此有较大的测量值。图二进一步说明了这一点。

每条曲线代表了在无负荷条件下通电测量值的变化, 可以清晰的知道涌入电 流的衰减到时测量值的减少。

5 结论

在文中对基于模型的保护性能的影响因素进行了研究, 然后用启动值来计算 的方法是提出并证明可行性的测试数据。

6 参考文献

[I] Bogdan Kasztenny, Mladen Kezunovic, 《数字继电器改善大型变压器》 ,在 电力计算机的应用,第一卷.11,第 39-45 页,1998 年 4 月; [2] Chen Deshu, Yin Xianggen, Zhang Zhe, 《虚拟三次谐波抑制变压器差动保 护原理与实践》 ,电力系统及其电机工程学报,第一卷.21,第 19-23 页,2001 年 4 月; [3] Zhiqian Bo, Geoff Weller, Tom Lomas , 《变压器保护瞬间检测基础上的一 种新技术》 ,电力输送,第一卷.15,第 870-875 页,2000 年 3 月; [4] Lin X N, Malik 0 P , 《涌入电流计算的改进识别分析》 , 电力输送, 第一卷.17, 第 901-907 页,2002 年 4 月; [5] Wang Zengping , 《大型发电机变压器组保护研究》 ,哈尔滨:哈尔滨工业大 学,1997 年; [6] Wang Zengping, Xu Yan, Wang Xue , 《在变压器的模型上研究新型变压器保 护原理》 ,电力系统及其电机工程学报,第一卷.23,第 54-58 页,2003 年 12 月; [7] Hao Zhiguo, Zhang Baohui, Chu yunlong , 《在等效电路平衡的基础上研究 变压器保护原理》 ,电力系统及其电机工程学报,第一卷.26,第 62-72 页,2006 年 10 月。

7 履历

王学出生于中国湖北 1978 年 10 月 28 日,他毕业于北方中国电力大学,并 在这所大学工作。 他感兴趣的专业领域,包括电力系统自动化及保护。 他收到了 B.S.和 M.S.电气工程学士学位从所有中国北方电力大学,分别在 2001 年和 2004 年。现在他是一位讲师同时也在读博士学位。 王曾平生于中国湖北,1964 年 11 月 3 日。他收到了 B.S.和 M.S.电气工程 学士学位从所有中国北方电力大学,分别在 1985 年和 1988 年。1997 年他获得 哈尔滨工业大学的博士学位。现在,他是一个教授,担任北中国电力大学科学和 技术部董事长。 他感兴趣的专业领域,包括电力系统自动化及保护。 现在,他是对 IEEE PES 和在电力系统保护与动态安全监测与控制重点实验 室教育部下成员,中国北方电力大学,中国河北省保定。


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