1 设计原始资料
1.1 课题背景
电力系统各种电压等级均通过电力变压器来转换，配电变压器继电保护设计的意义在于当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内自动将故障设备从系统中切除，或者给出信号由值班人员消除异常工况的根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。变压器是配电网的主要设备,应用面广量大,其安全运行直接影响整个系统的可靠性。目前,配电变压器继电保护配置方面还存在许多问题,其中配电变压器与其继电保护不匹配或存在动作死区,造成越级跳闸、拒动导致的事故相当多。
因此,加强配电变压器继电保护优化配置,合理选择保护方案,可以提高配电变压器继电保护动作的可靠性,有效防止主线路出口断路器保护误动。
1.2 设计依据
本次课题主要是针对配电变压器继电保护设计的研究，研究任务的是体现自己对本专业各科知识的掌握程度，培养自己对本专业各科知识进行综合运用的能力，它是检验专业学习三年以来的学习结果，是毕业前的一次综合性训练，是对在大学几年所学知识的全面检查。通过本次毕业论文，既有助于提高自己综合运用知识的能力，同时也有助于今后在工作岗位能很快的适应工作环境。
1.3 设计原始参数
某配电所，变压器容量SN=630kVA 电压10/0.4KV。UK%=4.5。电源进线长度为400米。采用电缆线路进线，电源高压侧有少油断路器，低压侧出口处装有低压断路器，以母线方式向车间送电，无限大容量电力系统出口断路器的断流容量SOC=200MVA。
1.4 本次设计的任务
(1) 设计依据，原始资料和设计范围内容； (2) 短路电流计算；
(3) 继电保护方案分析和论证及继电保护配置的确定； (4) 整定计算；
(5) 继电保护的相关校验。
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2 配电变压器及其继电保护概述
配电变压器指配电系统中根据电磁感应定律变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。通常装在电杆上或配电所中，一般能将电压从6～10千伏降至400伏左右输入用户。配电变压器是配电系统中的重要设备之一，它的性能、质量直接关系到了电力系统运行的可靠性和运营效益。
2.1 配电变压器的发展趋势
配电变压器中我国中小型配电变压器最初是以绝缘油为绝缘介质发展起来的;进入20世纪90年代，干式变压器在我国才有了很快的发展。
(1) 油浸式配电变压器
油浸式的有S9系列配电变压器、S11系列配电变压器、卷铁心配电变压器、非晶合金铁心变压器。为了使变压器的运行更加完全、可靠，维护更加简单，更广泛地满足用户的需要，近年来油浸式变压器采用了密封结构，使变压器油和周围空气完全隔绝，从而提高了变压器的可靠性。目前，主要密封形式有空气密封型、充氮密封型和全充油密封型。其中全充油密封型变压器的市场占有率越来越高，它在绝缘油体积发生变化时，由波纹油箱壁或膨胀式散热器的弹性变形做补偿。
(2) 箱式变压器
箱式变压器具有占地少，能伸入负荷中心，减少线路损耗，提高供电质量，选位灵活，外形美观等特点，目前在城市10 kV、35kV电网中大量应用。我国目前所使用的箱式变压器，主要是欧式箱变和美式箱变，前者变压器作为一个单独的部件，即高压受电部分、配电变压器、低压受电部分三位一体。后者结构分为前后两部分，前部分为接线柜，后部分为变压器油箱，绕组、铁心、高压负荷开关、插入式熔断器、后备限流熔断器等元器件均放置在油箱体内。目前有些厂家，已将卷铁心变压器移置到箱式变压器中，使箱式变压器体积和质量都有所减小，实现了高效、节能和低噪声级。
(3) 高压、超高压变压器
目前，我国已具备了110 kV、220kV、330kV和500kV高压、超高压变压器生产能力。超高压变压器的绝缘介质仍以绝缘油为主，根据电网发展的需要，变压器的生产技术正在不断提高。SF6气体绝缘高压、超高压变压器正在研究开发。
2.2 配电变压器的现状
目前，我国配电变压器技术处于国际20世纪90年代初的水平，少量的处于世界20世纪90年代末的水平，与国外先进国家相比，还存在一定的差距。
(1) 铁心材料方面在20世纪70年代，武汉钢铁公司在引进消化吸收日本冷轧硅钢片制造技术生产冷轧硅钢片的基础上，于20世纪90年代又引进了日本高导磁晶粒向冷轧硅钢片(HI-B)制造技继电保护测试仪器术，制造出了节能效果更好的变压器'电力变压器铁心材料。但是由于产品数量不能满足需求及生产工艺两方面的问题，仍然要从日本、俄罗斯以及西欧等国进口部分冷轧硅钢片。在研制配电变压器铁心用非晶合金材料方面继电保护测试仪器，我国于20世纪90年代初曾由原机械部、原冶金部、原电力部、国家计委、国家经贸委、原国家科委组成了专门工作组，对非晶合金
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铁心材料和非晶合金铁心变压器的设计和制造工艺开展了深入研究，研制的非晶合金铁心材料基本达到原计划指标的要求，并于1994年试制出电压10kV、容量160～500kVA的配电变压器，经电力用户试用表明，基本达到实用化的要求。
但对非晶合金材料制造工艺仍需进一步改进，才能达到批量生产的要求。1998年，上海置信公司引进了美国GE公司的制造技术，用美国非晶合金材料生产了非晶合金铁心变压器，目前已能生产电压10kV、容量50～2500kVA、空载损耗34～700W之间、负载损耗在870～21500W之间的非晶合金铁心变压器，而且已将此种材料应用于环氧树脂干式变压器上，进一步促进了我国非晶合金铁心变压器制造水平的提高。我国已有一些变压器厂家应用引进非晶合金材料铁心制造出的产品投入电网运行。
(2) 工装设备方面在20世纪80年代以前，我国变压专用设备技术水平，整体上是比较低的，除绕线设备有专业生产厂生产外，其余绝大部分都是企业自制的比较简单的设备，只有少数几家有简易的铁心加工纵剪线。进入20世纪80年代变压器行业开始引进国外先进的专用关键设备，如铁心纵剪线、低频电热燥系统等。到20世纪90年代，由于干式变压器的大力推广，引进了一批环氧浇注设备和箔式绕线机，几个大型生产厂还引进了绝缘件加工中心，使我国变压器生产工装装备水平大大提高。国内一些专用设备厂家经过消化吸收，也开发了纵、横间生产线等专用设备，这些国产专用设备，其功能及主要技术参数基本达到或接近国际水平，对保证我国变压器产品量，提高变压器的技术性能，提高生产效率起到了至关重要的作用。
(3) 变压器工艺设计方面在近20年，对110kV及以下电压等级的油浸变压器进行了不少优化设计，已逐步取代了64、73、79、86等标准，目前推行的是20世纪90年代后期的99标准，形成了节能变压器的新系列，使各种损耗进一步降低，替代了高能耗产品的生产。1998年国家又进一步明确，在电网中运行的64系列、73系列老旧变压器必须淘汰更新，按1979年标准生产的S7型变压器也必须停止生产。1998～2001年的城乡电网建设改造中大力推行的S9型配电变压器，符合1999年国家标准。2000年开始，在两网建设改造中还使用了卷铁心变压器。
在干式变压器中，在自主开发的基础上，引进了德国、瑞士、意大利、葡萄牙等国多家公司的有关10kV、35kV干式变压器系列的设计、制造等多种技术，并早已批量生产10kV、35kV干式变压器，目前可生产最高电压等级为110kV、单相容量为1.05万kVA的干式变压器，产品质量已达到引进的国外同类产品的技术水平。
在高压、超高压设计方面，除开展了科技攻关、自主开发外，在进入20世纪80年代以来还先后引进了日立、东芝、ABB、三菱、西门子等公司的制造技术。目前在超高压500kV变压器制造中，从最初的大部分依赖进口，发展到如今可与进口产品具有相当竞争能力的产品。随着三峡工程的建设需要，引进的西门子公司变压器制造技术，在三峡水电站左岸应用的84kVA三相变压器制造中，我国已同外商合作，每台承担30%左右的制造份额;对于西门子公司设计、制造技术的关键部分已能完全掌握，三峡右岸所用变压器的制造，应用西门子技术，要求做到由国内承制，为参加投标创造了条件。
2.3 继电保护的基本要求
(1) 选择性
继电保护的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的非故障部分仍能继续安全运行。
通常，为保证其选择性，在动作时要尽量断开离故障点最近的断路器。
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(2) 速动性
继电保护速动性是指继电保护装置应尽可能快的速度切除故障设备。短路时快速切除故障，可以缩小故障范围，减轻短路引起的破坏程度，减小对用户工作的影响，提高电力系统的稳定性。因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。
故障切除的总时间等于保护装置的动作时间和断路器动作时间之和。在实用中根据对切除时间的具体要求、经济性以及运行维护水平等条件确定合理的保护动作时间。
(3) 灵敏性
灵敏性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该在预先规定的保护范围内发生故障时，不论短路点的位置、短路形式及系统的运行方式如何，都能敏锐感觉，正确反应。
(4) 可靠性
继电保护的可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在其他不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。
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3 配电变压器继电保护
3.1 配电变压器的故障和不正常运行状态
配电变压器是电力系统中大量使用的重要电气设备，它的故障对供电可靠性和系统的正常运行带来严重后果，同时大容量变压器也是非常贵重的元件。因此，必须根据变压器容量和重要程度装设性能良好、动作可靠的保护。变压器故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。
油箱内部故障包括相间短路、绕组的匝间短路和单相接地短路。油箱内部故障对变压器来说是非常危险的，高温电弧不仅会烧毁绕组和铁芯，而且还会使变压器油绝缘受热分解产生大量气体，引起变压器油箱爆炸的严重后果。变压器油箱外部故障包括引线及套管处会产生各种相间短路和接地故障。于此，由于油浸式变压器的内部和外部故障大多会产温升和电弧 ,因此,瓦斯保护分轻瓦斯动作和重瓦斯动作。前者 瞬时动作于信号,后者延时动作于跳闸。
变压器不正常运行时的状态有：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。根据变压器型号及运行条件选用合适的继电保护措施，并对保护装置进行合理的整定，变压器就能安全的运行。
配电变压器的不正常工作状态主要是由外部短路或过负荷引起的过电流、油面降低和过励磁等。
对于上述故障和不正常工作状态，根据DL400一91《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，变压器应装设如下保护：
(1) 为反应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户内0.4MVA以上变压器应装设瓦斯保护。
(2) 为反应变压器绕组和引出线的相间短路，以及中性点直接接地电网侧绕组和引线接地短路及绕组匝间短路，应装设纵差保护或电流速断保护。对于6.3MVA及以上并列运行变压器和10MVA及以上单独运行变压器，以及 6.3MVA及以上的厂用变压器，应装设纵差保护。对于10MVA以下变压器且其过电流时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。当灵敏度不满足要求时（2MVA及以下变压器）宜装纵差保护。
(3) 为反应外部相间短路引起的过电流和作为瓦斯、纵差保护（或电流速断保护）的后备，应装设过电流保护。例如，复合电压起动过电流保护或负序过电流保护。
(4) 为反应大接地电流系统外部接地短路，应装设零序电流保护。 (5) 为反应过负荷应装设过负荷保护。
(6) 为反应变压器过励磁应装设过励磁保护。
3.2 配电变压器瓦斯保护
瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障 、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同。瓦斯保护是利用反应气体状态的瓦斯继电器来保护变压器内部的故障。
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