变压器保护的研究
摘要
电力变压器是电力系统中的重要电气设备,它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节广泛使用,因而其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的工作。因此必须根据变压器的容量和重要程度并考虑到可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况,而装设性能良好、工作可靠的继电保护装置是变压器安全运行的关键。
本文回顾了变压器保护的发展历史及研究现状,阐明了变压器主、后备保护的研究方法及存在的主要问题。文中详细描述了大型油式变压器保护的主后备保护原理、安装措施、保护的功能。变压器主保护包括瓦斯保护和差动保护。瓦斯保护是变压器的非电气量保护之一,当变压器内部发生故障时,变压器油和绝缘材料就会因高温产生大量的气体,使瓦斯保护装置动作于信号或跳闸,从而保护变压器。差动保护是靠比较变压器进出两侧的电气量的变化差异,判断变压器是否有故障的一种保护方式。差动保护能正确的区分变压器内外故障,灵敏度高,是目前应用最广泛的保护,但其中常见的励磁涌流的问题一直是保护工作中的难题。本文阐述了目前较成熟的二次谐波闭锁来弥补差动保护中的缺陷,使其更加可靠。
本文最后列出了一些变压器保护的参考文献,以便读者参考运用。
关键词: 变压器差动保护 瓦斯保护 后备保护
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目录
摘要?????????????????????????????????????????????? 1 1.绪论 ????????????????????????????????????????????4
1.1 引言 ???????????????????????????????????????????4 1.2 变压器保护的发展与现状 ???????????????????????????????4 1.3 变压器的发展趋势 ???????????????????????????????????6
1.3.1 模糊理论的应用 ?????????????????????????????????6
1.3.2 专家系统的应用 ?????????????????????????????????6
1.3.3 人工神经网络的应用???????????????????????????????6
1.3.4 自适应技术的应用???????????????????????????????? 7 2.对继电保护的基本要求??????????????????????????????? 8 2.1选择性 ??????????????????????????????????????????8 2.2速动性 ??????????????????????????????????????????8 2.3灵敏性 ??????????????????????????????????????????8 2.4可靠性 ??????????????????????????????????????????8 2.5本文的内容与任务????????????????????????????????????9 3.变压器保护总体设计方案与配置?????????????????????? 10 3.1 变压器故障特征分析?????????????????????????????????? 10 3.2 变压器保护的配置 ???????????????????????????????????10 3.3 本文保护装置主后备配置 ???????????????????????????????11 4.变压器保护基本原理和算法 ?????????????????????????13 4.1 变压器主保护 ?????????????????????????????????????13 4.1(1 差动保护原理分析?????????????????????????????????13 4.1.2 二次谐波闭锁的比率差动保护?????????????????????????? 16
4.1.2.1 比率差动保护的基本工作原???????????????????????? 16
4.1.2.2 二次谐波闭锁原理 ?????????????????????????????18
4.1.2.3 CT/PT断线闭锁??????????????????????????????? 18 4.1.3 瓦斯保护?????????????????????????????????????? 19 4.2 变压器后备保护???????????????????????????????????? 21 4.2.1 过电流保护???????????????????????????????????? 21 4.2.2 低电压启动的过电流保护???????????????????????????? 22 4.2.3 复合电压启动的过电流保护???????????????????????????23 4.2.4 负序过电流保护 ?????????????????????????????????25 4.2(5 变压器零序电流保护???????????????????????????????26
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4.2.6 变压器的过负荷 ?????????????????????????????????27 4.2.7 变压器的励磁保护???????????????????????????????? 27 4.3 小结?????????????????????????????????????????? 28 5.总结与展望?????????????????????????????????????? 30 致词?????????????????????????????????????????????? 32 参考文献 ???????????????????????????????????????????33
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1.绪论
1.1引言
电力变压器是电力系统中最重要的电气主设备之一,作为电能传送的枢纽,其重要性不言而喻。大型变压器结构复杂、造价昂贵、一旦发生严重故障而损坏,将给维修工作带来很大困难,造成经济上的重的损失。近年来,随着电力系统规模的扩大、电压等级的升高,大容量变压器的应用日趋增多。大容量变压器采用纠结式绕组,易于产生匝间短路,因此,故障率相对较高。为了保护变压器安全、可靠的运行,电力工作者不断深入分析其运行特性,研究新原理,新方法提高变压器保护的性能,对其理论探讨与装置研制一直在不断进行。针对差动保护中的励磁涌流问题,国内外积极研究各种原理予以解决,如:二次谐波制动、间断角、电压制动、磁通特性原理和等值电路法等。另外,将新兴学科和方法(如模糊集合论、专家系统、人工神经网络等)运用到变压器的保护中也是研究的热点之一。而随着计算机及网络技术的迅速发展,高性能的微处理芯片层出不穷,微机变压器保护装置的性能不断得到改善,整个微机保护系统正向傻瓜化,人工智能化,网络化,保护、控制、测量、数据通信一体化,标准化方向发展。相对于变压器主保护,变压器后备保护原理更成熟,但其保护原理众多,配置复杂。近年来,由于主变后备保护在配置上不够完善,当中、低压侧特别是低压侧母线故障,而保护或断路器拒动时,因高压侧灵敏度不够,无法切除故障,造成烧毁主变甚至引发大面积停电的事故时有发生,教训深刻。从实际配置情况看,后备保护配置的地方习惯性较强,有时地区其后备保护配置很复杂环保护不到位,最近数年来因后备保护不完善酿成了多次事故。因此,必须重视与主网相联的大型变压器的后备保护,认真研究它的合理配置、原理接线,选择合理的运行方式,提高直流电源的可搞性等,确保大型变压器自身的安全和系统的稳定运行。
1.2 变压器保护的发展及现状
追溯变压器保护的发展历史追溯变压器保护的发展历史从1885年匈牙利三位工程师发明了变压器以来,一个多世纪里,变压器有了长足的发展,电压已达到百万伏级,使输电距离超过1000km。
电力变压器一个世纪以来,电力变压器原理未曾改变,随着年代的推进,先进生产设备日臻完善,因而各项技术参数愈来愈先进。以1931年R.E. Cordray提出比率差动的变压器保护标志着差动保护作为变压器主保护时代的到来。电流差动保护也以其原理简单、选择性好、可靠性高的特点在变压器保护中获得了极其成功的应用。但由此带来的技术难题是如何将变压器的励磁涌流与内部故障区分开来。变压器保护的发展史也自此成为一部变压器励磁涌流鉴别技术发展史。1941年,C.D.Hayward首次提出了利用谐
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波制动的差动保护,将谐波分析引入到变压器差动保护中,并逐渐成为国外研究励磁涌流制动方法的主要方向。1948年,R.L.Sharp和W E. G1assBurn提出了利用二次谐波鉴别变压器励磁涌流的方法,并在模拟式保护中加以实现,同时,还提出了差动加速的方案,以差动加速、比率差动、二次谐波制动来构成整个谐波制动式保护的主体,并一直延续至今。
微机变压器保护的研究开始于60年代末70年代初。1969年,Rockerfeller首次提出数字式变压器保护的概念,揭开了数字式变压器保护研究的序幕之后,O.P.Malik和 Degens对变压器保护的数字处理和数字滤波做出了研究;1972年,Skyes发表了计算机变压器谐波制动保护方案,使得微机式变压器保护的发展向实用化方向迈进。
变压器保护在进入数字微机时代后,利用微机强大的运算和处理能力,新的励磁涌流鉴别方法不断被提出,在国内外形成研究热潮。间断角原理从分析励磁涌流波形本质出发,为励磁涌流的鉴别提供了新思路,沿着这个思路,波形比较法、波形对称法和积分型波形对称法相继被提出。现在实用的微机变压器保护中识别励磁涌流的方法也主要是:二次谐波闭锁、间断角闭锁、波形对称原理等。实践表明,在过去几十年间,上述原理基本上能达到继电保护要求。然而,随着电力系统以及变压器制造技术的日益发展,利用涌流特征的各种判据在实用中均遇到了一些无法协调的矛后。在高压电力系统中,由十TA饱和、补偿电容或长线分布电容等因素的影响,内部故障时差流中的二次谐波分量显著增大,造成保护误闭锁和延时动作。另一方面,现代大型变压器多采用冷轧硅钢片,饱和磁密度较低而剩磁可能较小,使得变压器励磁涌流中的二次谐波和间断角均明显变小。不断出现的问题推动了研究的不断深入,“虚拟二次谐波制动法”从理论上可在半周的时间使保护动作,而且采用奇次谐波鉴别使其对对称性励磁涌流的鉴别能力大大强十二次谐波制动。采样值差动原理与励磁涌流波形无关,减少了计算量,提高了保护速度。
近年来,新器件、新技术的应用为变压器保护的研究与发展提供了一个广阔的天地。数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的出现,不但可以提高微机保护数据采样与计算的速度和精度,甚至可能改变往常微机保护装置的设计思想,使得复杂的算法得以在保护装置中实现。现代数学工具如:模糊控制,神经网络,专家系统,小波分析等开始越来越多的融入到变压器保护的研究领域,一方面为传统的变压器保护方法提供了更有效的工具,另一方面,采用多个信息量,可提高变压器保护的“智能化”程度,改善可靠性和适应性。随着新的传感元件和测量元件的出现,故障诊断及预测充分利用各种现代数学分析手段对变压器的各个运行状态量进行监测与分析,越来越融入到变压器保护中。它实质上是传统变压器保护中电量与非电量保护的一个扩展,它的研究与发展,为变压器保护的研究与发展提供了一个新的思路。
随着变压器主保护的研究不断取得进展,变压器后备保护的研究和应用也日益引起
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人们的重视。对十变压器后备保护来说,由十变压器结构型式多样,运行环境不尽相同,对后备保护的配置,如保护原理、动作方向、分段跳闸方式、压板投/退控制以及模拟量和开关量的引接方式等存在不同的应用要求。为了适应运行现场的不同需要,目前的常用做法是,按典型方式构成不同型号的后备保护供用户选择,或根据用户的实际需要进行软、硬件的调整。而由于保护配置的复杂性往往容易产生保护软件的不定型性问题,这不仅提高了研制和生产成本,还有时因生产周期太短造成验证工作的不完整性,如果考虑到主设备保护受考验机会少,如现场万一把关不严,其隐藏错误一旦暴露就可能是误、拒动,造成巨大损失。为此,研制开发具有良好适应性的通用型变压器后备保护装置,对降低开发和维护成本,提高保护装置的稳定性和可靠性具有十分重要的作用。 1.3 变压器保护发展趋势
电力系统飞速发展对继电保护不断提出新要求,电子技术、计算机技术与通信技术的迅猛发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新活力。随着数字技术的发展、微型计算机和微处理器的出现,为继电保护数字化开辟了广阔前景。20世纪90年代中后期人工智能以及网络技术的飞速发展,出现了以微机和光传输技术为特征的全数字控制智能保护系统,以此为标志,微机继电保护技术呈现出网络化,智能化,以及保护、控制、测量和数据通信一体化的发展趋势。
从上世纪80年代至今,国内外学者相继把模糊理论、专家系统、人工神经网络、自适应理论等智能理论应用到电力系统中,并取得了辉煌的成就。
1.3(1模糊理论应用
模糊理论的核心思想是利用数学手段仿效人脑思维,对复杂事物进行模糊度量,模糊识别,模糊推理,模糊控制和模糊决策。在电力系统继电保护中,应用模糊数学不是要是使得输出的跳闸命令变得含含糊糊,而是利用模糊数学的理论和方法,对输入的各个电气量、开关量等信息更加有效的进行综合决策,从而得出更加精确和符合实际情况的输出。将模糊理论引入变压器主保护,其基本思想是将多个输入量及相关保护判据给以不同置信度,然后通过模糊推理决策得到最终跳闸命令。应用模糊理论对变压器励磁涌流进行了识别。
1.3(2专家系统应用
专家系统是人工智能领域中的一个重要分支,它在各个学科中都得到广泛的应用,讲述其在电力系统保护中的应用。由于继电保护对实时性要求高,这限制了专家系统的应用范围。目前的专家系统主要应用于对实时性要求不高的场合,如继电保护整定、协调,高阻接地故障检测,故障定位,故障诊断。
1.3(3人工神经网络应用
人工神经网络(ANN)的应用是目前继电保护领域文献发表最多的方向之一。人工神
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经网络是由很多神经元广泛互连而成的网络,信息存储体现在神经元之间的连接权上,存储区与操作区的合二为一,ANN有高度并行计算能力以及相当强的自适应性、鲁棒性和容错性。利用ANN的并行计算能力,可以实时实现常规保护难以做到的最优算法;利用ANN的并行处理和近似推理,可以实现对电力系统运行方式和故障类型的准确诊断和
利用ANN的高度容错能力可以使得继电保护具有更高的可靠性。在对变压器保护识别;
特征提取采用了变压器两侧电流负序分量相对方向,二、三、五次谐波含量以及一次侧电流间断角的大小来综合识别励磁涌流状态的存在,由于考虑了五次谐波的含量因此变压器是否处于过激磁状态也可以加以判别。
1.3(4自适应技术的应用
自适应继电保护是一种根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或整定值的保护。电力系统在运行过程中,其状态、参数和网络结构会经常随着运行方式的变化而变化。传统的继电保护为了达到这个要求,往往采用抬高整定值、增加闭锁判据等措施。另外实际上也有限地使用了一些自适应原理,例如反时限原理的过流、过热、过激磁保护措施。
随着微机继电保护的应用和发展,计算机运算速度的提高,逻辑判断能力增强,数据存储量不断增大,这些条件为自适应原理在继电保护中的应用创造了条件,发展迅猛。自适应继电保护能够克服同类型传统保护长期以来存在的困难和问题,改善保护的动作性能。目前,自适应保护还处在研究开发的初期,但其研究成果己说明了它的优越性。对自适应继电保护的基本要求是:系统运行方式及故障类型的自动诊断和识别,以及保护动作定值和特性的自适应调整。随着电力系统的发展,系统运行方式及故障类型越来越复杂,自适应保护必须利用各种人工智能技术和信号处理方法,有效地提取故障特征,实现系统运行方式及故障类型的自动识别。在此基础上,充分利用人工智能技术的自学习和自适应能力,根据系统不同的运行工况,自适应地调整各种保护定值和保护的动作特性。要实现上述目标,关键是选择和使用适当的故障信息实现自适应保护,以及选择和使用适当的人工智能技术和信号处理方法以实现保护性能的优化。要更有效地使用人工智能技术和信号处理方法,就需更深入地对其理论和方法进行研究,将其有机地结合起来,加以综合利用,以便获得更好的应用效果。
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2( 对继电保护的基本要求
2.1 选择性
选择性是指继电保护装置动作时,仅将故障元件从电力系统中切除,保证系统中非故障元件仍然继续运行,尽量缩短停电范围。对继电保护动作选择性的要求,同时还必须考虑继电保护装置或断路器由于故障等原因而拒动的可能性因而需要考虑后备保护的问题。
如:变压器的瓦斯保护当发生轻瓦斯是变压器发出信号报警如果故障没有排除发出重启动保护信号需要运行人员马上进行检修。 一般的,把反应被保护元件严重故障,快速动作于跳闸的保护装置称为主保护,而把在主保护系统时效时备用的保护称为后备保护。当变压器的主保护不能完全保护是必须安装后备保护一提高安全性。 2.2 速动性
快速地切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性,减少用户在电压低时工作时间,以及缩短故障元件的损坏程度。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和断路器动作时间之和。一般快速保护的动作时间为0.06~0.12s,最快的可达0.02~0.04s;一般断路器动作时间为0.06~0.15s,最快的有0.02~0.04s.。
2.3灵敏性
继电保护的灵敏性是指对于保护范围内发生故障或非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是先规定的保护范围内部发生故障时,不论短路点的位置,短路点的类型如何,以及短路点是否有过度电阻,都能敏锐感觉,正确反应。保护装置的灵敏性,通常用灵敏系数来衡量,它决定于被保护元件和电力系统的参数和运行方式。
2.4 可靠性
保护装置的可靠性是指在其规定的保护范围内发生了他应该动作的故障时,它不应该拒绝动作,而在任何其他该保护不应该动作情况下,则不应该错动作。
继电保护装置误动作和拒动作都会给电力系统造成严重的危害。但提高其不误动的可靠性和不拒动的可靠性措施常常是互相矛盾的。由于电力系统的结构和负荷性质的不同,误动和拒动的危害程度不同。
可靠性是针对保护装置本身的质量和运行维护水平而言,一般来说,保护装置的组成元件的质量越高,接线越简单,回路中继电器的触点数量越少,保护装置的可靠性越高。
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2.5 本文的内容与任务
本文系统阐述了变压器的主保护即差动保护和瓦斯保护原理、安装措施、保护的功能尤其是差动保护中常见的励磁涌流的问题。励磁涌流一直是保护工作中的一个难题。通过介绍二次谐波闭锁保护的办法控制不必要的麻烦。还介绍了瓦斯保护作为主保护之一它弥补了差动保护的缺陷,使保护更加安全、稳定。瓦斯保护的安装调试、保护范围注意事项等都是值得注意的。
本文是基于现在的变压器保护种类繁多的问题而提出的。变压器的保护种类很多保护原理各不相同。在对不同变压器的保护时由于种类比较多所以保护相对复杂。论文主要介绍传统的变压器后备保护原理计算原则,优缺点,配置原则等。为此本文介绍了大型油式变压器后备保护系统,以实现变压器的综合保护。
通过本文的介绍有助于对变压器的综合保护有了全面的了解。对不同保护相互结合配合使用有个综合把握,对装置的可靠性将发挥积极的作用。保护装置的可靠性保证电力系统安全运行。
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3.变压器保护总体设计方案与配置
3.1变压器故障特征分析
变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。内部故障是指变压器油箱里面发生的各种故障,主要有各相绕组之间的相间短路、单相匝间短路、单相接地短路等,其中匝间短路问题占了很大比率。内部故障的危害很大,因为短路电流产生的高温电弧不仅会损坏绕组的绝缘,烧毁铁芯,而且会使绝缘材料和变压器油受热分解而产生大量的气体,有可能引起变压器油箱爆炸。变压器最常见的外部故障,是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。
变压器除了出现故障外,有时还会有一些不正常运行工况。主要指过负荷、油箱漏油造成油面降低、外部短路故障引起的过电流。对于大容量变压器,因铁芯额定工作磁密与饱和磁密比较接近,所以当电压过高或频率降低时,容易发生过励磁。此外,对于中性点不直接接地运行的变压器,可能出现中性点电压过高的现象、运行中的变压器油温过高以及压力过高的现象。
3.2变压器保护的配置
不同等级的变压器及运行环境不同,需给变压器配置多种不同的保护功能,常见的保护功能如下:
?.瓦斯保护
用来反映变压器的内部故障和漏油引起的油面降低,同时也能反映绕组的开焊故障。即使是匝数很少的短路故障,瓦斯保护同样能可靠反应。瓦斯保护有轻重之分,一般重瓦斯动作于跳闸,轻瓦斯动作于信号。由于重瓦斯是按短路电流和短路点电弧的作用下产生的气体流速(流向油枕)的大小而动作的,而气体的流速在故障中往往很不稳定。所以,重瓦斯动作后必须有自保持回路,以保证有足够的时间使断路器跳闸。
?.差动保护和过流速断保护
针对内部故障的危害性大的特点,一旦发生内部故障,必须迅速切除变压器,以使变压器不被损坏。因此反映变压器内部故障的保护是其主保护。主保护一般采用反应变压器绕组和引出线的相间短路、中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路的差动保护或电流速断保护。但是对于绕组尾部的相间短路故障、绕组很少的匝间短路故障,差动保护和电流速断保护是反应不了的,即存在保护死区:此外,也不能反映绕组的开焊故障。而上面所说的瓦斯保护不能反映油箱外部的短路故障,故差动保护和瓦斯保护均是变压器的主保护,两者起到互补作用。
?.反映相间短路故障的后备保护
用作变压器外部短路故障和作为变压器的瓦斯保护、差动保护(或电流速断保护)的
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后备保护。根据变压器的容量和在系统中的作用,可分别采用过流保护、复合电压闭锁的过流保护、负序电流保护、阻抗保护。规程规定:过电流保护宜用于降压变压器;当过电流保护的灵敏度不够时,可采用低电压启动的过电流保护,主要用于升压变压器或容量较大的降压变压器;复合电压(包括负序电压及线电压)启动的过电流保护,宜用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器;负序电流和单相式低电压启动的过电流保护,可用于63MVA及以上升压变压器;按以上两条装设保护不能满足灵敏性和选择性要求时,可采用阻抗保护。
?.接地保护
对中性点直接接地的变压器,用零序电流保护构成其接地保护,用作变压器外部接地故障和中性点直接接地侧绕组、引出线接地故障的后备保护。
对中性点不直接接地的,可用零序电压保护构成的接地保护。此外,还有中性点间隙零序电流保护。
?.过负荷保护
用来反映变压器的对称过负荷。对于6.3MVA及以上电力变压器,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,装设负荷保护。对自耦变压器和多绕组变压器,保护应能反映公共绕组及各侧过负荷的情况。过负荷保护只需用一相电流,延时作用于信号。在无人值班的变电所,必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。
中小容量的变压器过负荷保护采用定时限动作特性,动作电流也是按最大允许负荷电流下能可靠返回的条件整定。动作时间应与变压器允许的过负荷时间相配合,同时应大于相间故障后备保护的最大延时,一般可增大(1,2)。 ,t
对于升压变压器,过负荷保护装设在主电源(低压侧);三绕组升压变压器,过负荷保护装设在发电机电压侧和无电源测;如三侧均有电源,三侧均应装设过负荷保护。
对于降压变压器,双绕组变压器的过负荷保护装在高压侧。单侧电源的三绕组降压变压器,过负荷保护装在电源侧和绕组容量较小的一侧;若三侧容量相同,过负荷保护仅在电源侧装设。.
?.过励磁保护
一般用在超高压变压器上,其具有反时限特性以充分发挥变压器的过励磁能力。过励磁保护动作后可发信号或动作于跳闸。
?.非电量保护
如变压器本体和有载调压部分的油温保护,变压器的压力释放保护等,瓦斯保护也属于非电量保护。
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3.3本文保护装置主后备配置
本文以大型油式变压器为列,配备了主保护和后备保护。 主保护配置有:
主保护由差动保护和瓦斯保护组成,可以反映变压器的内部故障。 后备保护配备有:
?变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、带低电压起动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护、负序电流保护等。
?反映接地故障的零序后备保护。
?为防止变压器长期过负荷运行带来绝缘加速老化的过负荷保护。
?为了反应变压器过励磁装设的过励磁保护。
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4(变压器主要保护原理和算法
4.1变压器主保护
4.1.1差动保护原理分析
差动保护是变压器保护的主保护,是变压器保护的关键。变压器电流差动保护就是把变压器两端的电流互感器按差动接法接线,使流过变压器一次侧和二次侧的电流经电流互感器适当的变比后反向流入差动继电器,原理如图4.1.1—1
变压器差动保护接线图4.1.1—1
这样流入继电器的电流为两端的电流之差。在变压器正常运行或只发生外部故障时流过差动继电器的电流平衡,保护装置不动作。当变压器内部发生短路故障时,短路电流只流过电源侧的电流互感器,此时,流过差动继电器的.电流不平衡,当不平衡电流值达到保护装置的动作值时,保护装置动作将故障变压器从系统中切除。
差动保护在原理上只反应被保护设备的内部短路电流,而不管外部发生多严重的故障,因为它是基于节点电流定律的。长期的运行经验表明差动保护是能灵敏地区分区内和区外故障的。
由于变压器空载合闸会产生幅值可达额定电流数倍至十数倍的励磁电流,这样就很难与变压器内部短路电流相区别,从而导致差动保护误动。因此变压器差动保护的主要矛盾集中在鉴别励磁涌流和内部故障上。能否正确区分励磁涌流和内部故障。而由于励磁涌流问题的复杂性,对这一问题不断深入研究,目前已经有了多种识别励磁涌流的方法,国内外应用中比较成熟的主要是利用变压器的电流量识别励磁涌流于内故障电流的方案,包括二次谐波制动原理、间断角原理、小波变换方法等等。
每种原理,方法都有各自的优缺点和不同的应用范围。在变压器差动保护中具体采用什么样的原理方法才能更好的实现差动保护的目标,关系到很多问题。变压器差动保护经过了长时间的发展,目前国内外主要还是集中于研究以下个方面的问题:
1)正确识别励磁涌流和内部故障时的短路电流。变压器空载合闸或外部短路故障
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切除电压突然恢复时,变压器有很大的励磁电流即励磁涌流通过,因该励磁涌流仅在变压器的一侧流通,故流入差动回路。变压器内部短路故障时,差动回路流入的是很大的短路电流。显然,作为纵差动保护,励磁涌流作用下不应动作,短路电流作用下保护应可靠动作。
2)外部短路故障切除电压突然恢复的暂态过程中,应保证纵差动保护不发生误动作。应当注意在这个暂态过程中,一方面变压器存在励磁涌流,励磁涌流的非周期分量将使一侧电流互感器(励磁涌流仅在变压器一侧流通)的误差特别是角误差增大;另一方面变压器负荷电流的存在。这两方面的因素导致差动回路不平衡电流的增大,变压器微机差动保护这种情况下不应误动。
3)应解决好区外短路故障时差动回路中的不平衡电流和保护灵敏度之间的矛盾。区外短路故障时,由于纵差动保护各侧电流互感器变比不匹配、有载调压变压器抽头的改变、电流互感器误差特别是暂态误差的影响,差动回路中流过数值不小的不平衡电流,为保证纵差动保护不误动,动作电流应高于区外短路故障时的最大不平衡电流,这势必要影响到内部故障时保护的灵敏度。作为纵差动保护,既要保证区外短路故障差动回路流过最大不平衡电流时不发生误动作,又要在内部短路故障时保证一定的灵敏度。
由于励磁涌流在数值上可与内部故障时的短路电流相比拟,因此容易造成差动保护误动作;所以要变压器保护能够躲过励磁涌流,同时对短路电流又能够正确反映,使差动保护可靠动作。这是变压器差动保护所要解决的首要问题。针对该问题提出了各种区分励磁涌流与内故障的判别原理。
用于区分励磁涌流与内部故障的原理主要有二次谐波判别原理,间断角判别原理,磁通量判别原理和波形对称原理。目前,在系统中配置的变压器保护主要是采用励磁涌流中的二次谐波制动原理和励磁涌流间断角制动原理来防止变压器差动保护误动作。间断角制动原理在CT严重饱和时,由于出现反向电流,会出现间断角消失。在小电流情况下,由于电流中谐波含量和系统频率的变化对间断角测量的影响较大,造成间断角测量不准确,容易引起系统震荡时的误动。利用二次谐波电流鉴别励磁涌流的方法在常规保护中有非常成功的应用和丰富的实践经验,而且目前国内外实际投入运行的变压器保护大都采用该原理,因而在实用化方面相对成熟一些,所以本课题研究选用了最常用的二次谐判别原理。
二次谐波的原理是:在变压器的励磁涌流中含有较大的二次谐波分量(大约30%~70%),但在变压器内部或外部故障的短路电流中,二次谐波所占比例较少。利用上述特点,构成带有二次谐波制动的差动保护,可以有效躲过励磁涌流的影响。当然这种原理也存在缺陷,在变压器内部不对称故障情况下,尤其在变压器附近装有无功补偿设备时,也会在故障电流中产生较大的2次谐波分量,使差动保护被制动,直到2次谐波分量衰减后才能动作,从而延长了切除故障时间。这对于大型变压器而言,是
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不允许的,应采用加速措施来改善变压器差动保护的速动性。典型的加速措施有以下几种:
(1)差动速断:当差动电流大于变压器最大可能的励磁电流时立即跳闸出口;
(2)低压加速:这一原理的依据是内部故障时,变压器端部残余电压较低;而出现励磁涌流时,变压器端电压较高。这样当变压器端电压小于变压器出现励磁涌流的最小端电压时取消励磁涌流判据,仅有比率特性决定是否跳闸;
(3)记忆相电流加速:这一原理利用故障前一周期的相电流同时与空载励磁电流和最大负荷电流比较,根据结果来区分励磁涌流和故障电流,决定是否应该取消励磁涌流判据。其中差动速断判据原理简单,可靠性较高,在电力系统的主变差动保护中广泛采用。
,,图4.1.2给出了变压器差动保护单相原理接线,其中变压器T两侧电流I、流I,,
,,入变压器为其电流正方向。当变压器正常运行或外部故障时,必有,若电流,,0II,,
,,,互感器CTl, CT2变比合理选择,则在理想状态下有(实际是不平衡电流),I,I,I,0d12
,,,,,差动继电器KD不动作,此时与反相。当变压器发生短路故障时,比有 II,I,II,,K12
,,,(短路电流),于是为流过的相应短路电流,KD动作,此时与同相位(假设变压器IIId12
两侧均有电源),将变压器从电网中切除。为使差动保护发挥应有性能,在接线上注意如下几点:
图4.1.2变压器差动保护单相原理接线
(1) 由于变压器YN, d接线的关系,变压器两侧电流间存在相位移动,为保证正常
,,运行或外部短路故障时与有反相关系,所以必须进行相位校正。 II12
,I(2) 变压器两侧CT变比不同,为保证外部短路故障时差动继电器电流尽量小,1
,I与应相等,为此应进行幅值校正(在软件中对计算出的各侧电流乘以相应的电流平衡2
系数,达到电流的平衡)。
(3)YN侧保护区外接地故障时,图4.1.2中K点接地,零序电流3I仅在变压器一0
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,侧流通,流过电流互感器CTl,为保证差动保护不动作,电流中应扣除相应零序电流I1
分量。根据上述分析,装置对A. B, C相分别进行差电流()的计算: Icd
(4.1.1) I,I,IcdHL
其中:—变压器高压侧端电流 IH
—变压器低压侧电流,,均是经过幅值和相位校正后电流互感器二次IIILHL
侧电流的有效值。
装置差动保护的判据为:
(4. 1. 2) I,Icdsel
式中为差动速断最小动作电流(差动速断保护定值),的设定必须躲过变压器空载IIselsel
投入或差动区外部故障时穿越电流造成的不平衡电流以及变压器差动保护二次回路断线线时在差动回路中引起的差动电流的影响。
4.1(2二次谐波闭锁的比率差动保护
4.1(2.1比率差动保护的基本工作原理
所谓比率差动保护简单说就是使差动电流定值随制动电流的增大而成一定比率的提高,使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用,而在内部故障时,制动作用最小。比率差动保护较差动速断保护有较高的灵敏度。
图4.1.2.1给出了差动保护中各电流的特性曲线。
图4.1.2.1比率差动中各电流特性曲线
曲线1为差动回路的不平衡电流,它随着短路电流的增大而增大。根据差动回路接线方法的不同,在整定时,通过调整不平衡比例系数使得计算机在实时计算时的I最bp小。
曲线2是无制动时差动保护的整定电流,为一定值。它是按躲过最大不平衡电流I来整定的。 bp.max
曲线3为差动保护区内短路时的差电流,它随短路电流的增大而线性增大。
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曲线4为具有制动特性的差动继电器的差动保护特性。
在无制动时,曲线3与曲线2相交于B点,这时保护的不动作区为OB',即保护区内短路故障时的短路电流必须大于OB’所代表的电流值时,保护才动作。
在有制动时,曲线3于曲线4相交于A点,短路断流只要大于OA’所代表的电流值,
,在实际的变压器差动保护装置中,其比率制动特性如图4.1.2.2保护即能动作。以OA
所示:
图4.1.2.2比率制动特性
图4.1. 2. 2中平行于横坐标的AB段称为无制动段,它是由启动电流,和最小Iq制动电流 (又称拐点电流)构成的,动作值不随制动电流变化而变化。当制动电流Izd.min
小于变压器额定电流时,因无制动作用,通常选取制动电流等于被保护变压器高压侧的额定电流的二次值。
图4.1. 2. 2中斜线的斜率为基波制动斜率,当区外故障时,短路电流中含有大量非周期分量,制动电流I增大,动作电流(即差动电流定值)I随I。按BC段的基zd.ocd.ozd.o波制动斜率相应增大,当大于启动电流时,制动电流和动作电流的交点D必落在IIqcd.o
制动区。当区内故障时,差动电流为全部短路电流,制动电流则为流过非电源侧的短路电流,数值较小,平行于纵轴、横轴的两直线交点必落在动作区内,差动保护可靠动作。
根据上述分析,可得比率差动动作判据:
当制动电流I小于拐点电流时: Izdzd.min
(4.1.2.1) I,Icdq
当制动电流I}大于或等于拐点电流I时: zd.min
,,,, ; (4.1.2.2) I,I,I,I,Kcdqzdzd.minBC
其中制动电流可取: Izd
对于双绕组变压器:I,(I,I)/2; (4.1.2.3) zdHL
对于三绕组变压器:; (4.1.2.4) I,MAX(I,I,I)zdHML
I而启动电流、拐点电流以及制动系数的定值整定时根据相关国家标准Iqzd.min
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及性能要求计算设定的。
4.1.2.2二次谐波闭锁原理
在变压器空载合闸或外部短路故障切除,电压突然恢复时,变压器有很大的励磁电流即励磁涌流通过,因该励磁涌流仅在变压器的一侧流通,故流入差动回路。变压器内部短路故障时,差动回路通过的很大的短路电流。显然,作为差动保护,励磁涌流作用下保护不应动作,短路电流作用下保护应可靠动作。为此必须正确识别励磁涌流和短路电流。二次谐波制动是常用的区分励磁涌流和短路电流的方法。
分析和实践表明,励磁涌流中含有明显的二次谐波和偶次谐波,二次谐波的含量在一般情况下不低于基波分量的15%,而短路电流中几乎不含有二次谐波分量。所以可通过计算差动电流中二次谐波含量来区分励磁涌流和短路电流。
分相计算差动电流中的基波,和二次谐波分量,二次谐波制动判据如下: IIcd.1cd.2
(4.1.2.2.1) I,I,Kcd.2cd.12
其中KZ为二次谐波制动比率系数,一般取0. 15,0. 20
三相中任一相满足闭锁制动条件,则闭锁三相比率差动保护。
4.1.2.3 CT/PT断线闭锁
前文提到的差动保护定值整定,应躲过电流互感器二次回路断线时在差动回路中引起的差动电流的影响。所以在CT断线时做出相应处理,这里采用CT断线闭锁差动保护及零序电流保护的措施。同样PT断线是也会引起零序电压计算的错误,所以在PT断线是采用闭锁零序电压保护。
CT断线最明显的特征是电流下降,在微机保护中,只要有合理的判断,不难解决电流互感器二次回路断线时变压器差动保护误动问题。
正常情况下判断CT断线是通过检查高、(中、)低各侧电流,如果其中某侧有一相无电流,即认为该相断线。为防止变压器故障时CT断线误闭锁,装置设置一门槛电流I,ct只有所有相的电流小于I时才开放CT断线检查。 ct
I按最大负荷电路整定,则判据如下: ct
I,I,maxct,IIIIII中有个大于I,,,,,5/8,AHBHCHALBLCLct (4.1.2.3.1) ,IIIIII中有个小于I,,,,,1/8AHBHCHALBLCLct,
,III,,/8maxminct,
其中,I ,分别为A, B, C相电流的最大值和最小值; Imaxmin
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、、、、、分别为差动保护A, B, C相高压侧和低压侧经过IIIIIICHAHBHALBLBL
相位和幅值校正过的电流值。
根据小于的电流为A相、B相或是C相,可确定时A相、B相或是C相CT断I/8ct
线。
PT断线分三相失压(对称断线)和不对称断线。针对不同的情况有两个判据:
?存在一线电压小于70 V,且某一相电流大于0. 04 (人为变压器的额定电IInn
流),用于检测三相失压和不对称断线;
?负序电压大于8V,用于检测不对称断线。
CT/PT断线后发出告警信号,并选择闭锁相应保护。
4.1(3瓦斯保护
瓦斯保护范围为变压器本体及有载调压分接头油箱内部,主要元件是气体继电器(即瓦斯继电器),它安装在变压器及有载调压分接头油箱与油枕之间的连接管道上。
图4.1.3--1瓦斯继电器安装示意图
如图 4.1.3.1为了便于气流顺利通过瓦斯继电器,变压器的顶盖与水平面应有1%一1. 5%的坡度,连接管应有2%一4%的坡度,这在订变压器及安装就位时一定要注意,因为现在有的变压器厂家在制造变压器时已经满足了上述坡度要求,变压器基础就不需要考虑这个问题,只要做水平即可;如果变压器厂家在制造变压器时没有考虑坡度要求,那么在做变压器基础时,就必须考虑。
瓦斯保护的接线如图4.1.3.2为气体保护的接线,当气体继电器KG轻气体触点合闸,通过信号继电器1KS,延时发信号;重气体触点闭合后,经信号继电器2KS连接片XB接通中间继电器KM作用于短路器跳闸,切除变压器。
为避免气体继电器下触点受油流冲击出现跳闸现象造成失灵,出口中间继电器KM具有自保持功能,利用KM第三对触点进行自锁,见图以保证继电器可靠跳闸,其中按钮SB用于解除自锁如不用按钮,也可用短路器1QF辅助动合触点实现自动解除自
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锁。但这种办法只有出口中间继电器距高压配电室的断路器距离较近时才可采用,否则连线太长不经济。连接片XB用以将气体继电器下触点切换到信号灯,使重瓦斯保护退出工作。
图4.1.3--2变压器气体保护原理接线图
瓦斯继电器要采用抗震性能好、密封性强的开口杯挡板式瓦斯继电器,要用两对常开接点,一对用做轻瓦斯发信号,另一对用做重瓦斯,直接跳变压器三侧断路器。
重瓦斯保护在整定油流速度时,要以导油管中的流速为准,而不能依据气体继电器处的流速。根据运行经验,管中油流速度整定为0. 6-lm/s时,保护反应变压器内部故障是相当灵敏的。但是在变压器外部故障时,由于穿越性故障电流的影响,在导油管中油流速度约为0. 4-0. 5m/s,接近于灵敏的整定速度。为防止在穿越性故障时瓦斯保护误动作,应将油流速度整定在lm/s左右,比较理想。轻瓦斯保护整定值为250cm3即可。瓦斯保护的定值必须由获得整定资格证书的技术部门用实际的试验装置试验整定,而不能靠经验整定,以防运行中发生误动或拒动。
重瓦斯跳闸接点引出线在变压器本体端子箱转接时,正、负电源线之间必须隔3个端子,而且所用端子排必须横着排,不能竖着排,以防端子箱密封不严,流进雨水造成正、负电源短路,使瓦斯保护误动作跳闸。
图4.1.3—3瓦斯保护跳闸原理 轻瓦斯不经压板直接作用于发信号,重
瓦斯保护不需要与其他保护配合,无时限跳
闸且应经一过可切换压板跳闸或只发信号。
如图4.1.3—3所示:
由于重瓦斯保护是按油流速度的大小动
作,而油的流速在故障过程中往往是很不稳
定,所以重瓦斯保护动作后,其出口继电器
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必须有自保持功能,以保证有足够的时间使断路器跳闸,跳闸的同时发信号,信号要带保持,靠人工复位,这样便于运行人员分析判断保护动作情况。
当变压器换油、注油、潜油泵检修、瓦斯继电器试验、有载调压分接头异常、变压器新安装或大修后投入运行之初,要通过QP将瓦斯保护暂时切换到电阻R信号回路,以防重瓦斯误动作跳闸,按照运行规程要求,运行一段时间没有异常现象后投入跳闸位置。
运行中瓦斯保护动作后,要及时收集气体进行分析,并根据气体的数量、颜色、化学成份、可燃性等判别保护动作原因及故障性质。
运行中的瓦斯继电器必须加装紧固的防雨帽,以防雨水振进瓦斯继电器内部,使接点短路误动作或防雨帽松动被风吹起,造成其他故障。瓦斯保护每年应进行一次传动,以检查其接点及回路的可靠性。
因为瓦斯保护不能反应变压器油箱外套管及连接线上故障,所以不能完全取代差动保护的作用。
4.2变压器后备保护
4.2(1过电流保护
1、变压器过电流保护的单相原理接线如下图所示。
图4.2. 1—1
1、保护的起动电流按躲过变压器的最大负荷电流整定,即
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Krel (4.2.1---1) ,IIopTL,maxKre
——可靠系数,取1.2,1.3; Krel
——返回系数,取0.85. Kre
2、变压器的最大负荷电流的确定
(1)对并联运行的变压器,应考虑切除一台变压器后的负荷电流。当各台变压器的容量相同时,可按下式计算:
m (4.2.1---2) ,IITLTN,max1,m
m—并列运行变压器的最少台数
—每台变压器的额定电流 ITN
(2)对降压变压器,应考虑负荷中电动机自起动时的最大电流。
(4.2.1---3) ,IKITLssTN,max
——自启动系数,对于110KV降压变电站的6,10KV,取=1.5,2.5;KKssss35KV侧取=1.5,2.0 Kss
保护装置的灵敏系数按下式校验
(2)
Ik,min (4.2.1---4) ,Ks,minIop
(2) ——最小运行方式下,在灵敏系数校验点发生两相短路时,流过保护装置Ik,min
的最小两相短路电流。
4.2(2低电压启动的过电流保护
1、低电压启动的过电流保护原理接线如下图所示。 保护启动元件由电流继电器和低电压继电器构成。只要当电流元件和电压元件同时动作后,才能起动时间继电器经预定时间后,起动出口中间继电器动作与跳闸。
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图4.2.2—1
电流继电器1KA、2KA、3KA的一次动作电流按躲开变压器额定电流来整定,即
Krel (4.2.2---1) ,IIopTNKre
低电压继电器1、2、3KV的动作电压按躲开正常运行时的最低工作电压整定。一般取
=0.7( 微变压器的额定电压) UUUTNTNop
电流元件的灵敏系数按(4.2.1---4)校验,电压元件的灵敏参数按下式校验。
Uop (4.2.2----2) ,Ks,minUk,max
——最大运行方式下,灵敏系数校验点短路时,保护安装处的最大电压。 Uk,max
4.2(3复合电压启动的过电流保护
1、复合电压启动的过电流保护的原理接线如下图所示。
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图4.2.3---1
2、保护由三部分组成:
电流元件、电压元件(含负序电压继电器KVN和低电压继电器KV)、时间元件。 3、装置动作情况如下:
(1)当发生不对称短路时,故障相电流继电器动作,同时负序电压继电器动作,其动断触点断开,致使低电压继电器KV失压,动断触点闭合,起动闭锁中间继电器KM。相电流继电器通过KM常开触点起动时间继电器KT,经整定延时起动信号和出口继电器,将变压器两侧断路器断开。
(2)当发生对称短路时,由于短路初始瞬间也会出现短时的负序电压,KVN也会动作,使KV失去电压。当负序电压消失后,KVN返回,动断触点闭合,此时加于KV线圈上的电压已是对称短路时的低电压,只要该电压小于低电压继电器的返回电压KV不至于返回,而且KV的返回电压是其起动电压的Kre(大于1)倍,因此,电压元件的灵敏度可提高Kre倍。复合电压启动的过流保护在对称短路和不对称短路时都有较高的灵敏度。
4、整定计算
(1)电流继电器动作电流按下公式整定,
Krel (4.2.3--1) ,IIopTNKre
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(2)负序电压继电器的一次动作电压按躲过正常运行时的不平衡电压整定,根据运行经验可取(为电压额定相间电压) ,0.06UUUNpo2N
(3)接在相间电压上的低压继电器的一次动作电压,按躲过电动机自启动的条件整定。一般可取 ,0.5~0.6,,UUpoN
(4)灵敏性按后备保护范围末端两相金属性短路情况下校验,要求灵敏系数不小于1.2.
4.2(4负序过电流保护
1、变压器负序过电流保护的原理接线图
图4.2.4—1
2、保护装置组成
由电流继电器和负序电流滤过器Z以及一套低电压启动的过电流保护组成。
3、负序电流保护的起动电流按以下条件选择。
(1)躲开变压器正常运行时负序电流滤过器出口的最大不平衡电流,其值一般为(0.1,0.2) ITN
(2)躲开线路一相断线时引起的负序电流。
(3)与相邻元件上的负序电流保护在灵敏度上配合。
负序电流保护的灵敏系数按下式验算
Ik2,min (4.2.4---1) ,,1.2Ks,minIop2
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式中——远后备保护范围末端不对称短路时,流过保护的最小负序电流。 Ik2,min
4.2(5 变压器零序电流保护
在110 KV及以上中性点直接接地的电网中,接地故障的几率很大,因此对电网中性点直接接地电网的变压器,在其高压侧应装社接地保护,用来反映接地故障,并用作变压器主保护的后备保护及相邻元件接地故障的后备保护。
信号
跳、2QF
变压器零序电流保护原理
图4.2.5---1变压器零序电流保护原理接线图
中性点直接接地变压器需要装设零序电流保护,:大接地电流系统发生单相或两相接地短路时,零序电流的分布和大小与系统中变压器中性点接地的台数和位置有关。
零序电流保护的整定计算:
动作电流按与被保护侧母线引出线零序保护后备段在灵敏度上相配合的条件进行整定,即
,,, (4.2.5--1) IKKIopcobopo0,1
式中 ——配合系数,取1.1—1.2; Kco
——零序电流分支系数。其值为远后备范围内故障时,流过本保护与流过Kb
出线零序保护零序电流之比;
,——出线零序电流保护第?段的动作电流。 Iopo,1
灵敏度校验:为满足远后备灵敏度的要求
Id.o.下一末
3klm,,1.2
Io.dz
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,,,动作时限为 ,t,,toto
,,,式中 —出线零序保护第三段动作时限。(4.2.5--2) to
另外,在电力系统中有时候还会用到自耦变压器变压器,同样也需要加装保护。对于三绕组的变压器高压侧和中压侧既有磁的联系又有电的联系。所以有共同的接地点。自耦变压器的零序电流保护不能装在中性线上高压侧和中压侧分别装设零序电压保护,还要加装方向元件。
4.2(6过负荷保护
1、变压器的过负荷保护:
只用一个电流继电器,接于任一相电流中,经延时动作于信号。
2、过负荷保护的安装方式:
(1) 对双绕组升压变压器,装于发电机电压侧。
(2) 对一侧无电源的三绕组升压变压器,装于发电机电压侧和无电源侧。
(3) 对三侧有电源的三绕组升压变压器,三侧均应装设。
(4) 对于双绕组降压变压器,装于高压侧。
(5) 仅一侧电源的三绕组降压变压器,若三侧绕组的容量相等,只装于电源侧;若三侧绕组的容量不等,则装于电源侧及绕组容量较小侧。
(6) 对两侧有电源的三绕组降压变压器,三侧均应装设。
3、负荷保护的动作信号
均经过同一时间继电器作用于信号。
4、过负荷保护的动作电流整定
应按躲开变压器的额定电流整定,即
Krel, (4.2.6--1) IIactN,TKre
4.2(7变压器过励磁保护
1(变压器过励磁的原因
(1)电力系统由于发生事故而解列,造成系统,某一部分大量甩负荷时变压器电压升高,或由于发电机自励引起过电压。
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(2)由于发发电机铁磁谐振过电压,使变压器过励磁。
(3)发电机启动,机组切除过程中误操作引起过励磁。
(4)在正常情况下,突然甩负荷也会引起变压器过励磁。因为励磁调节系统与原动机调速系统都是由惯性环节组成,突然甩负荷后电压迅速上升,而频率上升缓慢,则电压频率比U1/f上升,从而使变压器过励磁。
2过励磁保护
变压器过励磁是指铁心中的磁感应强度B超过额定磁感应强度,引起励磁电流Bn,4剧增的一种异常工作情况。因变压器电动势E=4.44fNSB?(N为绕组匝数,S为铁10
心截面积,f为频率),当不计绕组漏阻抗上的电压降时,电压U?E,则磁感应强度B为
B=Ku,f (4.2.7.1)
,4其中K=1,(4.44NS×)。 10
可见,电压U升高,频率降低都将引起B升高,是铁心饱和,导致励磁电流剧增,造成过励磁。过励磁会使铁心、油箱等金属构件的涡流损耗增加导致这些构件过热绝缘老化,甚至局部变形。因此,对于高压侧为500kv的变压器,规程要求装设过励磁保护。变压器过励磁能力可用过励磁倍数表示,即
fBUUn*k (4.2.7.2) ,,,ffUBnn*
因此过励磁保护也称压频保护。通常采用两段式定时限特性。第?段过励磁倍数k=1.1,1.2 ;t=5s,动作与信号;第?段k=1.2,1.4;t=120s动作与跳闸。
4.3 小结
本章主要研究了变压器的主保护:差动保护和瓦斯保护,针对变压器保护种类多及复杂的问题,提出了变压器的后备保护。差动保护是变压器保护的主要保护之一。它能迅速反应故障,但是它也不能完全反应变压器的所有故障如油箱内部故障,因此必须安装反应内部故障的瓦斯保护。瓦斯保护能有效地反映变压器的内部故障,它有轻瓦斯和重瓦斯,能反应内部的不同程度的故障。所以变压器的这两种保护是非常关键的是变压器必不可少的,可见其重要性。对于某些变压器必须安装后备保护。本章是对几种保护进行了研究说明。如变压器的相间短路保护、零序电流保护、过负荷保护、过电流、过励磁保护等。对各种变压器的原理、整定原则、接线图动作时限等问题作了详细的说明
本章因对变压器保护作了详细的研究说明,就差动保护中出现的问题进行了讨论分析。应为差动保护中关键的问题就是励磁涌流,励磁涌流对差动保护影响是非常大
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的。它会导致变压器差动保护的误动和拒动,从而影响变压器的性能。为此,本文提出了二次谐波闭锁保护,从而较好的解决了励磁涌流的影响。另外,瓦斯保护也比较重要,由于瓦斯保护的原理相对比较简单,所以保护方便。
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5.总结与展望
电力变压器是电力系统中最重要的电气主设备之一,作为电能传送的枢纽,其重要性不言而喻。大型变压器结构复杂、造价昂贵、一旦发生严重故障而损坏,将给维修工作带来很大困难,造成经济上的重大损失。本文系统阐述了传统大型油式变压器的主保护即瓦斯保护和差动保护原理、保护的功能尤其是差动保护中常见的励磁涌流的问题。励磁涌流一直是保护工作中的一个难题。通过分析励磁涌流的特点以及结合现实,提出了二次谐波闭锁的比率差动保护来解决保护的误动。还介绍了瓦斯保护作为主保护之一它弥补了差动保护的缺陷,使保护更加安全、稳定。瓦斯保护的安装调试、保护范围注意事项等都是值得注意的。
本文是基于现在大型油式变压器保护种类繁多的问题而提出的。主要研究了变压器的主保护:差动保护和瓦斯保护,针对变压器保护种类多及复杂的问题,提出了变压器的后备保护。差动保护是变压器保护的主要保护之一。变压器的主保护差动保护常出现由于各种原因而引起不平衡电流,其中励磁涌流而引起的占很大一部分。因此本文首先主要分析了由于励磁涌流而产生的不平衡电流,由于装置的引入必然引起其它的问题如保护的误动拒动等,二次断线也会影响保护装置的性能。为此本文还分析了二次断线所产生的问题由此提出了保护的方案。差动保护虽然能迅速反应故障,但是它也不能完全反应变压器的所有故障如油箱内部故障,因此必须安装反应内部故障的瓦斯保护。瓦斯保护能有效地反映变压器的内部故障,它有轻瓦斯和重瓦斯,能反应内部的不同程度的故障。所以变压器的这两种保护是非常关键的是变压器必不可少的,可见其重要性。另外还研究了瓦斯保护由于瓦斯保护原理相对简单,因此本文就瓦斯保护的安装、保护范围、注意事项等问题作了说明。变压器的后备保护也是实际中常用到的保护它配合主保护共同保护变压器是运行更加安全、保护装置更加完善。后备保护主要有很多种本文主要就零序接地保护、相间短路、过电流、过负荷、过励磁等保护进行了说明。对各种保护的原理、接线、整定原则、动作时限、配置原则等进行讨论。
因此本文对变压器保护作了详细的研究说明,就差动保护中出现的问题进行了讨论分析。应为差动保护中关键的问题就是励磁涌流,励磁涌流对差动保护影响是非常大的。它会导致变压器差动保护的误动和拒动,从而影响变压器的性能。另外,瓦斯保护也比较重要,由于瓦斯保护的原理相对比较简单,所以保护方便。就变压器差动保护中励磁涌流的影响讨论进行了分析。
另外,随着计算机的发展以及微机保护的出现,使变压器的保护更加完善,也更加自动化,智能化。把新兴的模糊控制理论、神经网络理论、小波理论、自适应理论引入
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河北工程大学毕业设计(论文)
变压器保护,把电流差动保护与引入电压信息量的变压器保护有机地结合起来,使整套变压器保护装置达到整体最优,是一个值得电力工作者仔细研究的课题。
最近发展起来的小波理论对信号分析具有多分辨率的特点,已经在变压器保护的最新研究和分析中得到广泛的关注;用于状态辨识的人工神经网络因其具有高度神经计算能力、极强的自适应性、容错性以及自学习能力等特点,其在变压器保护中的应用也已成为变压器保护研究的另一个热点;还有其它一些新的变压器保护理论和思考都取得了一定的进展。
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河北工程大学毕业设计(论文)
致 谢
本设计是在佘老师的指导下顺利完成的,从设计的选题到完成,佘老师进行了耐心的指导。在设计期间,佘老师一直给予鼓励,及时提出建议,使得本设计不断趋于完善。佘老师严谨治学、诲人不倦之精神使我受益匪浅,树立了我今后学习和工作之榜样。
最后,我要感谢在这三年里传授给我知识的老师和给予我帮助的同学朋友们。祝老师们工作顺利,同学们前程似锦~
李学荣
2009年5月30日
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河北工程大学毕业设计(论文)
参考文献
1.广西大学硕士论文自适应技术在变压器差动保护中研究参考文献 .尹克宁 『电力工程师』 水利电力出版社 2
3.霍小卫『最新电力工程标准规范实用全书』 中国广播电视出版社 4.论文基于DSP的变压器保护装置设计参考文献
5.贺家李 『电力系统继电保护第三版』 北京水利水电出版社 6.葛耀中『新型继电保护与故障测距原理和技术』 西安西安交通大学出版社 7.刘学军『继电保护原理 第二版』 中国电力出版社,
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毕业设计----供电电力变压器的选择
(供电电力变压器的选择)
第1章 三相电力变压器的相关知识
1.1 变压器的基本工作原理及运行原理
1.1.1变压器的基本工作原理
变压器是利用电磁感应原理工作的,其主要部件是铁心和绕组。两个互相绝缘且匝数不同的绕组分别套装在铁心上,两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系,其中接电源的绕组称为一次绕组(曾称为原绕组、初级绕组)用于接负载的绕组称为二次绕组(曾称为副绕组、次级绕组)。
一次绕组加上交流电压u后,绕组中便有电流i通过,在铁心中产生与u同111
频率的变磁通Φ,根据电磁感应原理,将分别在两个绕组中感应出电动势e和e。 12
,Φ e,,N11,t
,Φ e,,N22,t
式中,负号表示感应电动势总是阻碍磁通的变化。若把负载接在二次绕组上,
ei则在电动势的作用下,有电流流过负载,实现了电能的传递。由上式可知,22
uu一、二次绕组感应电动势的大小(近似于各自的电压及)与绕组匝数成正12
比,故只要改变一、二次绕组的匝数,就可达到改变电压的目的,这就是变压器的基本工作原理。
1.1.2变压器的用途
变压器最主要的用途是在输、配电技术领域。目前世界各国使用的电能基本上均是由各类(火力、水力、核能等)发电站发出的三相交流电能,发电站一般均建在能源地,江、海边或远离城市的地区,因此,它所发出的电能在向用户输送
P,3UIcos的过程中,通常需要很长的输电线。根据,在输送功率和负载的P功率因数cos一定时,输电线路上的电压U越高,则流过输电线路中的电流I,
就越小。这不仅仅可以减小输电线的截面积,节约导体材料,同时还可减小输电线路的功率损耗。
变压器是输、配电系统中不可缺少的重要电气设备,从发电厂发出的电能升压变压器升压,输送到用户区后,再经降压变压器降压供电给用户,中间要经过4~7次变压器的升降压。根据最近的资料显示,1KW的发电设备需5~6KV.A变压器容量与之配套,由此可见,在电力系统中变压器是容量最大的电气设备。电能在传输过程中会有能量的损耗,主要是输电线路的损耗及变压器的损耗,它占整个供电容量的5%~9%。这是一个相当可观的数字。例如我国2009年发电设备的总装机容量约为9亿千瓦,则输电线路及变压器损耗的部分约为4500~8100万千瓦,它相当于目前我国30~50个装机容量最大的火力发电站的总和(我国三峡工程总装机容量为1820万千瓦)。在这个能量损耗中,变压器的损耗最大,约占60%左右,因此变压器效率的高低成为输配电系统中一个突出的问题。目前大批量生产的是S9低损耗节能变压器,并要求逐步淘汰原来在使用中的旧型号变
1
压器,据初步估算采用低损耗变压器所需要的投资费用可在4~5年时间内从节约的电费中收回。
变压器除用于改变电压外,还可用来改变阻抗以及产生脉冲等。 1.1.3单相变压器的运行原理
1、变压器的空载运行
变压器一次绕组接额定交流电压,而二次绕组开
路,即的工作方式称为变压器的空载运行,如I,02
图所示。
由于变压器在交流电源上工作,因此通过变压器
中的电压、电流、磁通及电动势的大小及方向均随时
间在不断地变化,为了正确地表示它们之间的相位关
系,必须首先规定它们的参考方向,或称为正方向。
参考方向在原则上可以任意规定,但是参考方向
的规定方法不同,由楞次定律可以知道,同一电磁过
程所列出的方程式,其正、负号也将不同。为了同一 起见,习惯上都按照“电工惯例”来规定参考方向:
(1) 在同一支路中,电压的参考方向与电流的参考方向一致。
(2) 磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。
e(3) 由交变磁通Φ产生的感应电动势,其参考方向与产生该磁通的电
e与它的磁通Φ之间符合右手螺旋流参考方向一致(即感应电动势
定则时为正方向)。
理想变压器:当主磁通Φ 同时穿过一次及二次绕组时,分别在其中产生
ee感应电动势和, (V) E,4.44fNΦ 11m12
(V) E,4.44fNΦ 22m
NN式中,为交变磁通的最大值,Wb;为一次绕组匝数;为二次绕组匝数;Φm12f为交流电的频率,HZ。
由以上两式可得:
EN11 = EN22
U如略去一次绕组中的阻抗不计,则外加电源电压与一次绕组中的感应电动1
EU,EUEE势可近似看做相等,即,而与的参考方向正好相反,即电动势111111
U与外加电压相平衡。 1
UE 在空载情况下,由于二次绕组开路,故端电压与电动势相等,即22U,E。 22
因此
U,E,4.44fNΦ 111m
(1-1)
U,E,4.44fNΦ 222m
(1-2)
2
NUE111及 ? = ,K,K(1-3) uNUE222
K式中,称为变压器的变压比,简称变比,也可用来表示,它是变压器最重Ku
要的参数之一。
由式(1-3)可见:变压器一、二次绕组的电压与一、二次绕组的匝数成正
比,也即变压器有变换电压的作用。
由式(1-1)可见:对某台变压器而言,f及,均为常数,因此当加在变压1器上的交流电压有效值,恒定时,则变压器铁心中的磁通Φ基本上保持不变。1m这个恒磁通的概念很重要,在以后的分析中经常会用到。
2、变压器的负载运行
当变压器二次绕组接上负载后,在E的作用下,二2 次绕组流过负载电流I2 ,并产生去磁磁通势N2 I2 ,为 保持铁心中的磁通Φ基本不变,一次绕组中的电流由 I0增加为 I1 ,磁通势变为N1I1,以抵消二次绕组电流产 生的磁通势的影响,由此可得磁通势平衡方程式为
由于I0 很小,可以忽略,因此可得
变压器一次、二次绕组中的电流与一次、二次绕组匝数成反比,即变压器也有变换电流的作用。
IUN211变压器的最基本公式为 , ? ? ,由式可见变压器的高压KUNI212
绕组匝数多,而通过的电流小,因此绕组所用的导线细;反之低压绕组匝数少,
通过的电流大,所用的导线粗。
1.2 三相电力变压器的结构
现代的电力系统都采用三相制供电,
因而广泛采用三相变压器来实现电压的转
换。三相变压器可以由三台同容量的单相
变压器组成,按需要将一次绕组或二次绕
组分别接成星形或三角形连结。在三相电
力变压器中,目前使用最广的是油浸式电
力变压器,它主要由铁心、绕组、油箱和
冷却装置等部件组成,其外形图如图所示。
1.2.1、铁心
铁心是三相变压器的磁路部分,与单
相变压器一样,它也是由0.3~0.35mm厚
的硅钢片叠压(或卷制)而成,20世纪70年代以前生产的电力变压器铁心采用
3
热轧硅钢片,其主要缺点是变压器体积大,损耗大,效率低。20世纪80年代起生产的新型电力变压器铁心均用高磁导率、低损耗的冷轧晶粒取向硅钢片制作,以降低其损耗,提高变压器的效率,以S7及S9为代表产品。
叠片式铁心的主要缺点是铁心的剪冲及叠装工艺比较复杂,不仅给制造而且给修理带来许多麻烦,同时,由于接缝的存在也增加了变压器的空载损耗。随着制造技术的不断成熟,像单相变压器一样,采用卷制式铁心结构的三相电力变压器已在500KV?A以下容量中被采用,其优点是体积小、损耗低、噪声小、价格低,极有推广前途。
变压器铁心的最新发展趋势是采用铁基、铁镍基、钴基等非晶态材料代替硅钢。我国已生产SH11系列非晶合金电力变压器,它具有体积小、效益高、节能等优点,极有发展前途。
1.2.2、绕组
绕组是三相电力变压器的电路部分。一般用绝缘纸包的扁铝线或扁铜线绕成,绕组的结构型式与单相变压器一样由同心式绕组和交叠式绕组。当前新型的绕组结构为箔式绕组电力变压器,绕组用铝箔或铜箔氧化技术和特殊工艺绕制,使变压器整体性能得到较大的提高,我国已开始批量生产。
1.2.3、油箱和冷却装置
由于三相变压器主要用于电力系统进行电能的传输,因此其容量都比较大,电压也比较高。为了增加散热面积,一般在油箱四周加装散热装置,老型号电力变压器采用在油箱四周加焊扁形散热油管,新型电力变压器以采用片式散热器散热为多,容量大于10000KV?A的电力变压器,采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。
1.2.4、保护装置
1、气体继电器 在油箱和储油柜之间的连接管中装有气体继电器,当变压器发生故障时,内部绝缘物汽化,使气体继电器动作,发出信号或使开关跳闸。
2、防爆管(安全气道) 装在油箱顶部,若变压器发生故障,使油箱内压力剧增时,油流冲破酚醛纸板,以免造成变压器箱体爆裂。
1.2.5、铭牌
在每台电力变压器的油箱上都有一块铭牌,标志其型号和主要参数,作为正确使用变压器时的依据。
1.3 三相电力变压器的运行特性
要正确、合理地使用变压器,必须了解变压器在运行时的主要特性及性能指标。变压器在运行时的主要特性有外特性与效率特性,而表征变压器运行性能的主要指标则有电压变化率和效率,效率特性在第二节中已叙述,这里仅介绍变压器的外特性。
1.3.1、变压器的外特性
UU变压器空载运行时,若一次绕组电压不变,则二次绕组电压也是不变12的。变压器加上负载之后,随着负载电流I的增加,I在二次绕组内部的阻抗压22
U降也会增加,使二次绕组输出的电压随之发生变化。另一方面,由于一次绕2
II组电流I1随增加,因此增加时,使一次绕组漏阻抗上的压降也增加,一次22
4
绕组电动和二次绕组电动势E2也会有所下降,这也会影响二次绕组的输出电E1
压。变压器的外特性是用来描述输出电压随负载电流的变化而变化的情UUI222况。
当一次绕组电压和负载的功率因数U1
cos一定时,二次绕组电压与负载电流U,I222 的关系,称为变压器的外特性。它可以通过实 验求得,功率因数不同时的几条外特性曲线绘
于图五中,可以看出,当cos=1时,随,UI222
的增加而下降得并不多;当cos降低时,即,2
随增加而下降的程度加在感性负载时,UI22
大,当cos为负值时,即在容性负载时,会随的增加而提高。以上叙述,UI222表明,负载的功率因数对三相电力变压器外特性的影响是很大的。
一般情况下,三相电力变压器的负载大多数是感性负载,因而当负载增加
时,输出电压总是下降的,其下降的程度常用电压变化率来描述。当三相电U2
力变压器从空载到额定负载(=)运行时,二次绕组输出电压的变化值?与IIU2N2
空载电压(额定电压) 之比的百分值就称为三相电力变压器的电压变化率,U2N
U,U2N2用,来表示。,U%,,100% ,UU2N
式中,为变压器空载时二次绕组的电压(称为额定电压);为二次绕组输出UU2N2额定电流时的电压。
电压变化率反映了供电电压的稳定性,是三相电力变压器的一个重要性能指
标。,越小,说明三相电力变压器二次绕组输出的电压越稳定,因此要求变,U
压器的,越小越好。常用的三相电力变压器从空载到满载,电压变化率约为,U
3,,5,。
5
第2章 东院的负荷统计及负荷计算
2.1 东院的负荷统计
2.1.1、实训区
实训楼104教室
每台负载情况
设备名称 数
型号 频率 功率 电流 电压 相数 量
普通车床 20 C6120 50HZ 5.5KW 10A 380V 3 C618型机7 C618 50HZ 5KW 9A 380V 3
床
内圆磨床 1 / 50HZ 5KW 9A 380V 3 万能工具铣1 X8140 50HZ 5KW 8A 380V 3
床
单柱铣床 1 X1540 50HZ 7KW 14A 380V 3 普通机床 6 CW6136A 50HZ 4KW 8A 380V 3
风扇 33 / 50HZ 100W / 220V /
电灯 33 / 50HZ 40W / 220V /
实训楼106教室
设备数量 每台负载情况
名称
型号 额定额定频额定电电流 最大加工
功率 率 压 范围 方正1 DK7763 15KW 50HZ 380V / 630×数控800mm 机床 2 DK7740 15KW 50HZ 380V / 500×
400mm 电火3 CTW320TA 14KW 50HZ 380V / / 花线3 CTW400TA
切割
机床
线切1 / 13KW 50~60HZ 380V 3.5KVA / 割控
制柜
电火2 D7140P 14KW 50HZ 380V 60A / 花线1 DK7725e
6
切割
机床
风扇 12 / 100W 50HZ 220V / / 电灯 12 / 40W 50HZ 220V / /
实训楼107教室
设备名称 数量 每台负载情况(功率)
风扇 12 100W
电灯 12 40W
实训楼115教室
设备名称 数量 型号 功率(W)
电灯 20 40W /
风扇 9 100W /
数控系统维修 4 RS-SY2-802D
实训楼116教室
设备名称 数量 型号 额定电压 额定电流 功率
电灯 20 220V / 40W /
风扇 9 220V / 100W /
高压开关柜 12 GG-1A-55 10KV 150A 30KW 整流变压器 1 380V / 25KW /
电脑 1 220V / 350W /
硅整流设备 1 GKA22-100380V 7.44A 30KW
/220
机车用三相1 JD313 390V 110A 60KW 异步电动机
实训楼117教室
7
设备名称 数量 功率 额定扭矩 风扇 18 100W / 电灯 70 40W /
CKA系列平床身4 主轴电机7.5KW / 数控车床
VDL立式加工车4 主轴电机7.5KW 30N.m 床
实训楼3楼教室
教室名称 设备名称 数量 功率(W) 302 风扇 6 100
电灯 38 40 303 风扇 6 100
电灯 38 40 304 风扇 13 100 304 电灯 38 40 307 风扇 6 100
电灯 38 40 312 风扇 6 100
电灯 20 40 316 风扇 2 100
电灯 9 40 321 风扇 4 100
电灯 12 40 322 风扇 10 100
电灯 28 40
8
323 风扇 8 100
电灯 24 40
实训楼306教室
每台负载情况
设备名称 数量
型号 功率 电流 电压 三相异步104 A025834 120W 0.47A 380V 电动机
电扇 6 / 100W / 220V 电灯 38 / 40W / 220V
实训楼317、318、319教室
教室名设备名数量 型号 频率 功率 电源 电流 称 称
317 空调 3 格力空50HZ 1300W 380V / 318 调
319 电灯 36 / 50HZ 40W 220V /
电脑 150 I07T21 50~60HZ 80~384100~2400.8~1.6
W V A 实训楼4楼
教室名称 设备名称 数量 功率(W)
风扇 4 100
408
电灯 32 40
风扇 2 100
416
电灯 9 40
风扇 6 100
421
电灯 24 40
风扇 6 100
422
电灯 16 40
9
风扇 6 100
423
电灯 20 40
风扇 6 100
412
电灯 27 40
实训楼4楼
教室名称 设备名称 数量 额定功率 频率 额定电压
电灯 30 40W 50HZ 220V 403 电脑 24 350W 50~60HZ 220V
风扇 20 100W 50HZ 220V 404 电灯 30 40W 50HZ 220V
电脑 8 350W 50~60HZ 220V
风扇 20 100W 50HZ 220V 401
电灯 30 40W 50HZ 220V
电脑 48 350W 50~60HZ 220V 418 风扇 6 100W 50HZ 220V
电灯 16 40W 50HZ 220V 418 电脑 50 350W 50~60HZ 220V
空调 1 1300W 50HZ 380V
风扇 6 100W 50HZ 220V
电灯 16 40W 50HZ 220V 419
电脑 50 350W 50~60HZ 220V
空调 1 1300W 50HZ 220V
电灯 12 40W 50HZ 220V
风扇 6 100W 50HZ 220V 420
电脑 35 350W 50~60HZ 220V
实训楼406教室
10
设备名称 数量 每台负载情况
型号 频率 功率 电流 电压 直流发电1 Z2-31 50HZ 1.4KW 0.697A 230V
机
三相异步1 Y112M-4 50HZ 4KW 8.8A 380V 电动机
立式车床 3 C5112B 50HZ 24KW 70A 380V 龙门刨床 1 B2012A 50HZ 23KW / 380V 龙门铣床 1 X2012C 50HZ 23.5KW / 380V 风扇 6 / 50HZ 100W / 220V 电灯 36 / 50HZ 40W / 220V
实训楼407教室
设备名称 数量 型号 功率 频率 电压 电流 工业运动6 ZAMS2000 25KW 50HZ 380V / 综合控制
装置
单相异步1 YY7112 0.37KW 50HZ 220V 2.5A 电动机
风扇 6 / 100W 50HZ 220V /
电灯 36 / 40W 50HZ 220V /
实训楼409教室
设备名称 数量 型号 功率 频率 电压
风扇 4 / 100W 50HZ 220V
电灯 24 / 40W 50HZ 220V 电视机 12 R2116AE 70W 50HZ 220V
实训楼516教室
11
设备名称 数量 功率 频率 额定电压 风扇 12 100W 50HZ 220V 电灯 20 40W 50HZ 220V 电脑 3 350W 50HZ 380V
实训楼501、503、504、512、513教室
教室名称 设备名称 数量 功率 频率
风扇 8 100W 50HZ
501
电灯 28 40W 50HZ
风扇 8 100W 50HZ
503 电灯 28 40W 50HZ
风扇 6 100W 50HZ
504
电灯 30 40W 50HZ
风扇 6 100W 50HZ
512 电灯 38 40W 50HZ
513 风扇 4 100W 50HZ
513
电灯 30 40W 50HZ
2.1.2、教学区
设备名称 数量 功率 电灯 378 40W 风扇 84 100W
2.1.3、办公区
12
教学楼办公区
设备名称 数量 功率 频率 额定电压 风扇 22 100W 50HZ 220V 电灯 98 40W 50HZ 220V 空调 3 1300W 50HZ 220V 电脑 15 350W 50~60HZ 220V 饮水机 3 300W 50HZ 220V 打印机 3 31W 50HZ 220V
实训楼办公区
设备名称 数量 功率 频率 额定电压 风扇 26 100W 50HZ 220V 电灯 42 40W 50HZ 220V 空调 8 1300W 50HZ 220V 电脑 16 350W 50~60HZ 220V 饮水机 8 300W 50HZ 220V 打印机 8 31W 50HZ 220V
2.1.4、宿舍区
设备名称 数量 功率 频率 额定电压 风扇 796 100W 50HZ 220V 电灯 1382 40W 50HZ 220V
2.1.5、其他生活区
13
设备名称 数量 功率 频率 额定电压
电灯 35 40W 50HZ 220V
风扇 21 100W 50HZ 220V
电视机 2 70W 50HZ 220V
电脑 3 350W 50HZ 220V
2.1.6、室外用电负荷
设备名称 数量 功率 频率 额定电压
路灯 10 250W 50HZ 220V
2.2 东院的负荷计算
2.2.1、负荷计算的基本概念
电气负荷是供配电设计所依据的基本资料,通常,电气负荷是随时变动的。
(1)负荷计算的目的是确定设计各阶段中选择和校验供配电系统及其各个元件所需的各项负荷数据,即计算负荷。
(2)计算负荷是一个假想的,在一定时间间隔中的持续负荷;它在该时间间隔中产生的特定效应与实际变动负荷的效应相等。
2.2.2、负荷计算的内容
平均负荷:(1)年平均负荷用于计算电能年消耗量;最大负荷班平均负荷用于计算最大负荷。
(2)平均负荷宜由用电设备的电能消耗量除以相应的时间间隔求得,也可由设备功率乘以利用系数算出。
2.2.3、负荷计算的基本方法
1、负荷计算法应有可信的理论与实践基础,有可靠的一套实用数据。
2、常用的负荷计算方法有需要系数法、利用系数法和单位指标法。
3、需要系数法:算法的基础是负荷曲线,特点是逐级乘系数。步骤是设备功率先乘以需要系数,再逐级乘上同时系数,求得计算负荷。
4、设备功率的确定
进行负荷计算时,应将用电设备按其性质分为不同的用电设备组,然后确定设备功率。
5、单台用电设备的设备功率
(1)连续工作制电动机的设备功率等于额定功率。
(2)电焊机的设备功率是将额定功率容量换算到负载持续率ε为100%时的有
14
功功率
Sr——电焊机的额定容量; cos,——功率因数。
(3)白炽灯和卤钨灯的设备功率为灯泡额定功率,气体放电灯的设备功率为灯管额定功率加镇流器的功率损耗(荧光灯采用普通型电感镇流器加25%,采用节能型电感镇流器加15%~18%,采用电子镇流器加10%,金属卤化物灯、高压钠灯、荧光高压汞灯用普通电感镇流器时加14%~16%,用节能型电感镇流器时加9%~10%)
2.2.4、用需要系数法求东院的计算负荷
用电设备组的计算负荷:
有功功率Pc Pc=KxPe (KW) Kx:需要系数;Pe用电设备组的设备功率
无功功率Qc Qc=Pctan, (kvar) tan,:用电设备组功率因数相对应的正切值
视在功率Sc Sc=
计算电流Ic Ic= Ur:用电设备额定电压(线电压)
1、实训区
15
2、教学区
3、办公区
4、宿舍区
5、其他生活区
16
6、室外用电负荷
2.2.5、东院用电实际负荷估算
1、需要负荷或最大负荷估算(6月~7月或12月~1月期间上班或上课期间的负
荷估算)。
2、其他月份上课时间的负荷估算
3、假期的负荷估算
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第3章 新校区供电电力变压器的使用
3.1 学院南院的负荷估算
3.2 新校区供电负荷的估算
学院东院及南院现共用两台三相电力变压器,每台均为S7-1000/10三相电力变压器,基本上可满足需要。
3.3 新校区供电电力变压器型号及使用 3.3.1、选用原则:
在分析三相电力变压器性能价格比的基础上,尽量采用我国目前生产的低损耗节能型三相电力变压器。
3.3.2、三相电力变压器型号的选择
1、我国生产的三相电力变压器标准沿革
“十一五”规划中,建设节约型社会是党中央国务院的重大方针政策,而贯彻“三相配电变压器能效限定值及节能评估值”国家标准,加速现有电网中老的配电变压器更新换代的节能潜力巨大、社会效益显著,是实施建设节约型社会的有效途径。
变压器在整个电力系统中是一种应用广泛的电气设备,一般来说,从发电、供电一直到用电,需要经过3~5次的变压过程,其自身要产生有功功率损耗和无功功率损耗。由于变压器台数多、总容量大,所以在广义电力系统(包括发、供、用电)运行中,变压器总的电能耗损占总的发电量的10%左右,其中配电变压器损耗率要高。按2007年我国供用电水平计算,意味着全年变压器总的电能损耗为2400KW?h以上,相当于3个中等用电量省份的用电量之和。我国变压器电能损耗大,是因为我国的城乡电网中和企业电网中老的高能耗变压器数量之大。
按变压器技术参数水平进行分析,可把建国以来的各类型变压器划分为四代产品:
1、第一代:热轧硅钢片变压器
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20世纪50—60年代生产SJ、SJ1型的产品,1964年国家标准生产JB500(又称64型);这些产品的铁心材料都是热轧硅钢片,当然其性能参数都是落后的,因此热轧硅钢片变压器是属于技术落后、损耗大应淘汰的老旧变压器。
2、第二代:冷轧硅钢片变压器
第二代变压器产品出现在20世纪70年代中期,变压器铁心材料由热轧硅钢片改为冷轧晶粒取向硅钢片,这是铁心材料的一个突破,大大降低了变压器的空载损耗。所以第二代变压器的出现,在当时是降低变压器损耗的一次飞跃。型号有:SJ3、SJ5、S3、S5。1973年国家标准生产JB1300。
3、第三代:低损耗节能型变压器
第三代变压器产品是20世纪80年代中期出现的低损耗节能型变压器。低损耗节能型变压器的出现是变压器产品技术进步的第二次飞跃。其原因是变压器设计者在保证原产品安全性能指标的基础上,从降低损耗技术参数上大做文章,改变了变压器产品结构,提高了产品的电气性能。变压器空载损耗下降率为38%~46%,变压器负载损耗下降率为25%~32%。其型号:GB/T6451—1986,S7、S9、S9-M、S10-M;20世纪90年代末期,S11立体三角形卷铁心变压器。
4、第四代:非晶态变压器
第四代变压器产品是近年来才出现的(20世纪90年代末期)非晶态变压器。非晶态变压器在我国处于起步阶段。非晶态变压器产品的出现是变压器产品技术进步的第三次飞跃。非晶态变压器空载损耗较S7系列下降80%,负载损耗下降50%。
非金合金材料是20世纪70年代问世的一种新型合金材料,它采用国际先进的超级冷技术,这种合金具有许多独特性能特点,如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等。非金合金变压器的价格约为同容量S9变压器的1?3~1?5倍,与S9型变压器的价格比接近1?3:1后,价差能够在五年内收回,从第六年起,可享受非金合金变压器超低损耗所带来的效益。
5、超导变压器
最近我国又自主研发了非金合金铁心、高温超导三相630KVA电力变压器,并于2005年末挂网运行,它将两种新材料非金合金与高温超导材料同时应用于变压器,由于采用了高温超导材料,负载损耗仅相当于同容量S9型变压器国家标准规定值的4.5%,我国10%配电变压器将改用非晶材料,届时非金材料的年需求量约高达7万吨。
3.3.3、国产低损耗节能型三相电力变压器主要技术参照对照
S7三相电力变压器主要技术参数
型号 容量空载损耗负载损耗空载电流% 阻抗电压%
KV?A W W
S7-30/10 30 150 800 2.8 4 S7-50/10 50 190 1150 2.6 4 S7-63/10 63 220 1400 2.5 4 S7-80/10 80 270 1650 2.4 4 S7-100/10 100 320 2000 2.3 4 S7-125/10 125 370 2450 2.2 4
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S7-160/10 160 460 2850 2.1 4 S7-200/10 200 540 3400 2.1 4 S7-250/10 250 640 4000 2.0 4 S7-315/10 315 760 4800 2.0 4 S7-400/10 400 920 5800 1.9 4 S7-500/10 500 1080 6900 1.9 4 S7-630/10 630 1300 8100 1.8 4.5 S7-800/10 800 1540 9900 1.5 4.5 S7-1000/10 1000 1800 11500 1.2 4.5 S7-1250/10 1250 2200 13800 1.2 4.5 S7-1600/10 1600 2550 16500 1.1 4.5
S9、S9-M三相电力变压器主要技术参数
型号 容量空载损耗负载损耗空载电流% 阻抗电压%
KV?A KW KW
S9-M-100/10 100 0.29 1.5 1.6 4 S9-M-200/10 200 0.48 2.6 1.3 4 S9-M-250/10 250 0.56 3.05 1.2 4 S9-M-315/10 315 0.67 3.6 1.1 4 S9-M-400/10 400 0.8 4.3 1.0 4 S9-M-500/10 500 0.96 5.1 1.0 4 S9-M-630/10 630 1.15 6.9 0.9 4.5 S9-M-800/10 800 1.4 7.5 0.8 4.5 S9-M-1000/10 1000 1.65 9.8 0.7 4.5 S9-M-1250/10 1250 1.95 11.7 0.6 4.5 S9-M-1600/10 1600 2.4 14.5 0.6 4.5
S11三相电力变压器主要技术参数
型号 容量空载损耗负载损耗空载电流% 阻抗电压%
KV?A KW KW
S11-100/10 100 0.2 1.5 1.6 4 S11-200/10 200 0.34 2.6 1.3 4 S11-250/10 250 0.4 3.05 1.2 4
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S11-315/10 315 0.48 3.65 1.1 4 S11-400/10 400 0.57 4.3 1.0 4 S11-500/10 500 0.68 5.15 1.0 4 S11-630/10 630 0.81 6.2 1.0 4.5 S11-800/10 800 0.98 7.5 0.8 4.5 S11-1000/10 1000 1.15 10.3 0.7 4.5 S11-1250/10 1250 1.36 12 0.6 4.5 S11-1600/10 1600 1.64 14.5 0.6 4.5
S10-M三相电力变压器主要技术参数
型号 容量空载损耗负载损耗空载电流% 阻抗电压%
KV?A KW KW
S10-M-250/10 250 450 3050 1.2 4 S10-M-315/10 315 550 3600 1.1 4 S10-M-400/10 400 660 4300 1.0 4 S10-M-500/10 500 760 5100 1.0 44.5 S10-M-630/10 630 910 6760 0.9 4.5 S10-M-800/10 800 1080 8230 0.8 4.5 S10-M-1000/10 1000 1260 9600 0.7 4.5 S10-M-1250/10 1250 1540 11460 0.6 4.5 S10-M-1600/10 1600 1870 13720 0.6 4.5 S10-M-2000/10 2000 2250 16500 0.6 5.5 S10-M-2500/10 2500 3400 19000 0.6 5.5
SH12-M三相电力变压器主要技术参数
型号 容量空载损耗负载损耗空载电阻抗电
KV?A KW KW 流% 压% SH12-M-100/10 100 0.075 1.50 0.9 4 SH12-M-125/10 125 0.085 1.80 0.8 4 SH12-M-160/10 160 0.10 2.20 0.7 4 SH12-M-200/10 200 0.12 2.60 0.6 4
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SH12-M-250/10 250 0.14 3.05 0.6 4 SH12-M-315/10 315 0.17 3.65 0.5 4 SH12-M-400/10 400 0.20 4.30 0.5 4 SH12-M-500/10 500 0.24 5.10 0.4 4 SH12-M-630/10 630 0.30 6.20 0.4 4.5 SH12-M-800/10 800 0.35 7.50 0.4 4.5 SH12-M-1000/10 1000 0.42 10.30 0.3 4.5 SH12-M-1250/10 1250 0.49 12.8 0.3 4.5 SH12-M-1600/10 1600 0.60 14.50 0.3 4.5
3.3.4、新校区供电变压器的型号选择
建议可选用S11三相卷铁心全密封电力变压器或S9-M全密封三相电力变压器,其经济性能分析,可通过下例粗略计算看出:
几种不同型号三相电力变压器的技术参数
型号 容量KVA 空载损耗P0 负载损耗PK
SJ1 1600 5300W 20500W
S9-M 1600 2400W 14500W
S11-M 1600 1640W 14500W
SH12 1600 600W 14500W
例如:用SJ1-1600型及用S11-M-1600型三相电力变压器在额定负载下运行一年,每天工作24小时,求S11-M型可节省多少电能,按0.7元/度电价计算,有功电能的电费可节省多少,
解:SJ1-1600总损耗ΔP=P0+PK=5300=20500=25800W=25.8KW
S11-M-1600总损耗ΔP=P0+PK=1640+14500=16140W=16.14KW
SJ1运行1年的总有功损耗电能W=ΔP?T=25.8×8760=226008KW?h
S11-M运行1年的总有功损耗电能W=ΔP?T=16.14×8760=141386KW?h
S11-M比SJ1运行一年节约电能226008,141386=84622KW?h
S11-M比SJ1运行一年节约电费84622×0.7=59235元
总结:用高效节能型三相电力变压器S11-M(或S9-M)来取代用热轧硅钢片的SJ1三相电力变压器节能效果十分明显,通常所需的新增投资费用在3年左右时间内即可收回,在整个变压器寿命期间可节约的电费支出约为整个投资费用的
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3~4倍,并有利于绿色环保。因此我国强行规定从20世纪80年代末期起新生产及新上网的必须是高效节能型三相电力变压器。
3.4 新校区供电电力变压器的容量选择
3.4.1、选用原则
应尽量使三相电力变压器在经济运行区内运行,此时变压器的损耗最小,最合乎节电及节约费用的原则。
3.4.2、三相电力变压器的功率损耗及效率(双绕组变压器)
1、有功损耗:ΔP=Pfe+Pcu
α、Pfe:不变损耗(空载损耗P0)
b、Pcu:铜损耗(负载损耗Pk)
β:负载系数
Po:空载损耗(铁损耗)
Pk:额定负载时的铜损耗
I2:变压器二次侧输出电流
I2n:变压器二次侧额定输出电流
S:变压器输出视在功率
S2n:变压器输出额定视在功率
P2=S?cos,=β?Sn?cos,
P2:变压器输出有功功率; cos,:变压器功率因数
3.4.3、无功功率损耗
变压器是一个感性无功负载,在变压器传输功率的过程中,其本身不仅存在有功功率损耗,也有无功功率损耗,但对于学校用户而言,主要以节省有功电量为主,即可以只按有功经济运行进行优化,即只按减少有功功率损耗来进行选择。 3.4.4、变压器的效率
可见变压器的效率?随负载系数β[β=I(负载系数)/IN(额定负载电流)]变化而变化。由上式还可以看出:变压器的效率还决定于铁损耗Po,铜损(额定)Pk和负载电流I的大小。当负载电流很小时,铜损很小,此时铁损(不变损耗)是决定效率的主要因素,此时若负载电流增加,总损耗增大不多,而输出功率却随电流成正比增加,故效率随负载电流而增大,当负载电流较大时,铜损耗成为总损耗的主要部分,它正比于电流平方,而输出功率只与电流的一次方成正比,故负载电流继续增加时,效率将逐步下降,变压器效率η与负载系数β的关系曲线即效率特性曲线。
最大效率可将上式对β求导数得出,即 ,可得 即不变损耗等于可变损耗时,变压器效率最高。式中 为变压器效率最高时的负载系
23
数 。
3.4.5、三相电力变压器的经济运行
1(对三相变压器经济运行误区的剖析
长期以来,由于传统理伦观念(使用热轧硅钢片的变压器分析计算)的影响,发.供.用电单位在变压器经济运行中较普遍地存在着误把浪费当节约的陈旧观念和习惯做法,也就是说在变压器经济运行领域中存在着较多的误区。其中主要误
大容量变压器运行;误认为一台区有:误认为小容量变压器接近满载后则应改用
变压器接近满载时才应两台变压器并列运行;误认为变压器效率最高点时的负载率为75%左右(或50%左右);误认为变压器负载率低于30%是“大马拉小车”;误认为两台相同容量变压器一台运行一台设备时,可随机选择运行方式。
下面利用变压器经济运行理论,即变压器效率最高时的负载系数
和我国制订的“工矿企业电力变压器经济运行导则”GB/T13462-1992所给出的变压器“大车拉小车”的判定式,即临界负载系数 ,对变压器的经济运行误区进行分析,并追溯历史,找出产生误区的原因,走出误区,正确选用变压器。
2(追溯历史
运用20世纪30年代的两台不同容量(560KVA.1000KVA)的变压器,如下表:
Sn/KVA Po/KW Pk/KW I0%(%) Uk%(%)
560 5.2 9.4 6 4.5
1000 9.5 16.8 6 4.5 根据表中技术参数,按上面公式进行计算可得
对560KV?A变压器而言,当变压器实际负载为560×βjp=560×0.744=417KV?A时变压器效率最高。
对1000KV?A变压器而言,当变压器实际负载为1000×βjp=1000×0.752=752KV?A
560KVA变压器与1000KVA变压器的“大马拉小车”的临界负载系数分别为βlp=0.554. βlp=0.566
由上计算结果得知:(1).变压器最高效率点的负载率是75%左右;(2).当变压器负载率为30%时,其损耗率是额定负载时的1.39倍,因此,确定变压器负载率30%是“大马拉小车”。
结论对当时变压器经济运行总结是完全正确的。
3(产生误区的原因
随着技术的进步,变压器制造水平不断提高,变压器技术参数发生了变化,变压器的铁损P0与铜损PK都在降低。但从20世纪30年代到50年代,P0与PK降低速度很慢。
进入到20世纪60年代,由于变压器的铁心材料硅钢片由热轧变成冷轧,近年来又出现非晶态的铁心,因此变压器铁损降低速度很快,降低率达到95%左右,同时铜损降低了65%左右。因此对变压器经济运行方式的选取,也发生了跃变,
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也就是说从前对变压器经济运行所得出的科学结论不适用于现代变压器经济运行。这是产生该误区的原因,对此可选用实例做分析和计算。下面选用20世纪70年代的S7型.80年代末和90年代初的S9型及新世纪非晶态的500KVA与1000KVA变压器参数进行分析与计算。其变压器技术参数如表:
S7.S9.SH12变压器技术参数
型号 Sn/KVA Po/KW Pk/KW Io%(%) Uk%(%)
500 2.05 8.2 5 4.5
S7
1000 3.5 14 5 4.5
500 1.08 6.9 1.4 4.5
S9
1000 1.7 10.4 0.7 4.5
500 0.27 3.78 0.18 4.5
SH12
1000 0.42 5.7 0.11 4.5
?500KVA及1000KVA变压器的经济负载系数分别为:
500KVA:βjp=0.5(S7). βjp=0.396(S9) . βjp=0.267(SH12) 1000KVA:βjp=0.5(S7) . βjp=0.404(S9) . βjp=0.271(SH12)
?三种不同型号.容量为1000KVA的变压器“大车拉小车”的临界负载系数分别为 βlp=0.25(S7). βlp=0.163(S9). βlp=0.073(SH12)
对以上计算结果进行分析可以得出以下几点结论:
?小容量500KVA变压器半载左右就应投入大容量1000KVA变压器运行。如S7型500KVA变压器负载率刚过半载—56%时就应将1000KVA变压器运行,其负载率仅为28%;如S9型500KVA变压器在40%负载率时就应将1000KVA变压器运行,其负载率仅为20%;如SH12型500KVA变压器在轻载28%负载率时就应将1000KVA变压器投入运行,其负载率仅为14%。
?一台1000KVA变压器半载左右时,就应投入两台1000KVA变压器运行。
?变压器经济运行负载系数—效率最高点的负载率在27%~50%之间。
?变压器“大马拉小车”的临界负载系数为0.07~0.25。
通过以上的分析与计算,充分说明,由于变压器制造技术发生了很大变化,其铜铁损耗之比(Pk:Po)发生了巨大变化。20世纪30年代铜铁损耗比为1.77:1,S7型为4:1,S9型为6.1:1,SH12型为13.6:1。因此变压器经济运行方式必然发生巨大变化,现在如果仍然按以往前热轧硅钢片变压器的结论安排运行,将成为变压器经济运行的巨大误区。
3.4.6(优选三相电力变压器的经济容量
变电站(所)结构中的变压器按经济运行理论对台数与容量进行优越,虽然
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一次性投资增多,但节电效果非常显著,多花的投资短期内很快收回。并且还提高了变电所的安全供电可靠性,提高供电能力和供电质量,经济效益显著,创建“安全优质经济型变电站(所)。
长期以来,在变电站(所)的设计中,强调了安全运行而忽视了经济运行,以一次性投资最小为原则,因此,仅根据最大负载选择变压器容量与台数,其结果不仅造成变电站(所)损耗过大,而且安全可靠性与供电能力也有所降低。对此如按变电站(所)的变压器经济运行容量与台数进行选择,把变压器容量增大与台数适当增多,虽然一次性投资有所增加,但是显著地降低了变电站(所)的电能损耗,而且也提高了变电站(所)供电的安全可靠性,提高了供电能力和供电质量,经济效益显著。
变电站(所)结构的科学发展观是:在时间上既要考虑近期供电负载对变电站(所)结构的需求,更要预测长期负载(供电设备寿命期内)对变电站(所)结构的需求;在空间上既要考虑本企业构建变电站(所)的经济效益,更要考虑构建变电站(所)的社会效益;在水平上运用科技创新构建成国际一流的安全经济优质型变电站(所),不仅使我国变电站(所)运行中的安全、经济、质量指标缩小与发达国家的差距,而且达到国际先进水平,创建国际一流的电力企业。
按变电站(所)结构的优化理论比原变电站(所)结构(常规设计)选取变压器容量要增大、台数要增多,因此变电站(所)中变压器和供电线路的容量比显著增大(增大1倍左右),运行方式增多,负载调整功能增强,这就促成了变电站(所)运行中供电设备负载率显著下降,从而提高供电能力和安全供电可靠性,减少电压损耗,提高供电质量,大大降低电网损耗。从此可见,构建“安全、优质、经济型变电站(所)”,虽然一次性投资有所增多,但由于节电降耗幅度大,因此对企业和社会都产生显著经济效益。
在电网改扩中对新型变压器容量的选择,不仅应考虑到变压器容量的利用率来满足安全供电的需求,同时更应考虑到变压器运行效率,按经济运行来选取变压器容量,来降低变压器的电能损耗。在设计中按变压器容量利用率和按经济容量时,其结果不一致的。一般来说,按变压器经济容量来选择容量比按变压器利用率来选取容量要大一些。增大了变压器一次性投资,但是运行中减少变压器的无功消耗和有功损耗,也就相应地减少了电容器的投资和节约了变压器的运行费用,由此计算出变压器容量增大所增加投资的回收年限,并计算出企业节电经济效益和节电的社会效益,择优选取变压器经济容量。
由于变压器容量的增大,降低了变电站的负载率,提高了供电能力与安全供电可靠性,减少了电压损耗,提高了供电质量。
(1)变压器的有功功率损耗
ΔP=P0+(S/Sn) ?Pk
(2)优选变压器经济容量的节电效果
a .优选变压器经济容量的功率节约
当变压器负载容量S一定时,选用大容量三相电力变压器D比选用小容量三相电力变压器X的有功功率节约ΔΔP为
ΔΔP=Pox-PoD+S?(PKX/S?NX-PKD/S?ND)
b .优选变压器经济容量全年节约电能
ΔΔAP=8760ΔΔP
3.4.7(湖铁职院新校区三相电力变压器的容量选择
假设老校区负载功率P老=900KW,假设新校区负载功率P新=1400KW
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现采用2台S9-M-1000(a)变压器供电,或用2台S9-M-1600(b)变压器供电,对供电性能进行比较。
型号 容量KVA 空载损耗(Po)W 负载损耗Pk(W)
S9-M-1000 1000 1650 9800
S9-M-1600 1600 2350 14000 负载系数:(a)β= (b) β=
经济运行时负载系数(a)βjp=
(b) βjp=
a .1000KVA损耗: ΔP=
b .1600KVA损耗: ΔP=
大容量比小容量可节省 ΔΔP=
大容量比小容量全年可节约有功电能 ΔΔAP=
加上全年无功电能节约(可按有功电能相当来近似计算)
则全年综合节约电能
全年综合节约电费(0.7元/度) 元
变压器价格小容量每台97800元,两台共计195600元
变压器价格大容量每台约125000元,两台共计250000元
变压器投资增加值 250000-195600=54400元
投资回收年限 54400/17071.488=3.18年
设变压器寿命20年,则可节省电费(20-3.18)×17071.488=287142.428元
结论:(1).当学院需用负荷1600KVA时,用2台S9-M-1600KVA电力变压器供电比用2台S9-M 1000KVA并联运行供电经济效益要好得多,虽然一次性投资较大,但增加的投资通常可在2~3年内从节约的电费中回收。在整个变压器寿命期内节约的电费约为整个投资费用的10倍以上。
(2).在供电高峰期(夏季及冬季)仍可安全可靠运行。
(3).在假期可用1台变压器供电。
3.4.8、国产电力变压器的发展
1、三相油浸式电力变压器
(1)、SJ、SJ1系列,铁心用0.35mm热轧硅钢片,铁心叠片为三相交叠式结构,铁心柱及铁轭用穿孔螺钉夹紧铁心截面为多级阶梯形,绕组用酚醛漆色绝缘铜线绕成圆桶式,绕组层向及高低压绕组之间用油道撑条(绝缘纸板)绝缘。变压器油箱上用管式散热器作变压器油的散热,变压器油箱上有储油柜,保护装置采用防爆管(安全气道)。
(2)、S9、S10系列,铁心用0.25~0.3mm优质冷轧晶粒取向硅钢片,使空载电流和铁损耗大为减小,叠片用45 o全斜接缝以减小损耗,铁心夹紧用环氧无纬玻璃丝带绑扎,铁心截面为多级阶梯形,绕组层间及高低压绕组之间采用瓦楞纸绝缘,缩小截面为多级阶梯形,绕组层间及高低压绕组之间采用瓦楞纸绝缘,缩小了绝缘尺寸,又由于铁心导磁性能好,使铁心截面减小,从而使绝缘直径缩小,使变压器负载损耗减小,变压器油箱用充油式全密封结构,没有储油柜,变压器
27
油的体积变化由波纹油箱壁式膨胀式散热器的弹性作补偿,变压器在使用中免维护,使用寿命长,保护装置采用压力释放阀。
(3)、S11系列卷铁心式,分三相平面铁心及三相形铁心,目前大多用后者,它采用专门的设备绕制而成。
优点:?、铁心没有接链,可降低变压器工作时的噪音,达到静音状态,也可简化铁心夹件结构。
?、没有接链,即没有空气隙,可以降低铁心空载损耗和空载电流。
?、铁心四角为圆角,减小角部多余部分,节省硅钢片,工艺性好,变压器绕组通常采用铜芯绝缘导线,由专用的设备在环形铁心的心柱上绕制而成。
(4)、SH12 非金合金铁心
变压器铁心材料的最新发展趋势是用铁基、铁镍基、钴基等非晶合金带 材料代替硅钢片。由于非晶合金带有高饱和磁感应强度、低矫顽磁力、低损耗(仅为硅钢片的20,,30,)等优点,因而用非晶合金铁心制作的变压器能大幅度地降低变压器的空载电流及空载损耗(铁损耗)。
第4章 新校区主要用电设备的选择
————三相异步电动机的选用
4.1 三相异步电动机的主要型号及技术参数
4.1.1、J、JO系列三相异步电动机
为我国20世纪50年代生产的仿苏产品,容量为0.6,125KW,由于其技术性能及指标均比较落后,现已淘汰,很少见到。
4.1.2、J2、J02系列三相异步电动机
为我国20世纪60年代自行设计的统一系列产品,性能比J、J0系列有较大的提高,采用热轧硅钢片铁心,容量为0.8~125KW,E级绝缘,目前已停止生产,但仍然在一定数量的设备上使用。
JO2系列三相异步电动机主要技术参数
效率% 功率因数 功率KW 2极 4极 6极 2极 4极 6极 0.75 77.5 76.5 75 0.85 0.77 0.70
1.5 81 80.5 78.5 0.87 0.81 0.74
2.2 82.5 82 80.5 0.87 0.83 0.76
4 85.5 85 84 0.88 0.85 0.79
5.5 86.5 86 85 0.88 0.86 0.80
28
7.5 87.5 87 86 0.88 0.87 0.81
11 87.5 87.5 87 0.88 0.87 0.82
15 88.5 89 88 0.89 0.88 0.83
22 88.5 89.5 89 0.90 0.88 0.85
30 89.5 90 89.5 0.91 0.88 0.86
55 90 91.5 91.5 0.92 0.89 0.88
75 91 92 92 0.92 0.89 0.89
110 92 92 / 0.92 0.90 /
4.1.3、Y系列三相异步电动机
为我国20世纪80年代设计的产品,容量为0.75~315KW,铁心虽仍采用热轧硅钢片,但与J02系列相比,效率有所提高,起动转矩倍数较大,体积比同容量J02平均减小15%,重量减轻12%,采用B级绝缘,温升裕度较大,功率等级较多,Y系列电动机符合国际电工委员会标准,有利于出口设备及进口设备电动机的互换。
Y系列小型三相异步电动机主要技术参数
效率% 功率因数 功率KW
2极 4极 6极 2极 4极 6极 0.75 73 72.1 72.5 0.84 0.76 0.7
1.5 79 79 77.7 0.85 0.79 0.74
2.2 82 81 80.5 0.86 0.82 0.74
4 85.5 84.5 84 0.87 0.82 0.77
5.5 85.5 85.5 85.3 0.88 0.84 0.78
7.5 86.2 87 86 0.88 0.85 0.78
11 87.2 88 87 0.88 0.84 0.78
15 88.2 88.5 89.5 0.88 0.85 0.81
22 89 91.5 90.2 0.89 0.86 0.83
30 90 92.2 90.2 0.89 0.87 0.85
29
55 91.4 92.6 91.6 0.89 0.88 0.87
75 91.4 92.7 92 0.89 0.88 0.87
110 91 93 92.5 0.89 0.89 0.87
4.1.4、Y2系列三相异步电动机
从20世纪90年代起,我国又设计开发了Y2系列三相异步电动机,机座中心高80~35mm,功率0.55~315KW,是在Y系列基础上更新设计的,已达到国际同期先进水平,是取代Y系列的更新换代产品。Y2系列电动机较Y系列效率高,起动转矩大,由于采用F级绝缘(用B级考核),故温升裕度大,且噪音低,电机结构合理,体积小,质量轻,外形新颖美观,与Y系列一样,电机完全符合国际电工委员会标准。从20世纪90年代末期起,我国已开始实现从Y系列向Y2系列过度。
Y2系列小型三相异步电动机主要技术参数
效率% 功率因数 功率KW
2极 4极 6极 2极 4极 6极
0.75 75 73 69 0.83 0.77 0.72
1.5 79 78 76 0.84 0.79 0.75
2.2 81 80 79 0.85 0.81 0.76
4 85 84 82 0.88 0.82 0.76
5.5 86 85 84 0.88 0.83 0.77
7.5 87 87 86 0.88 0.84 0.77
11 88 88 87.5 0.89 0.85 0.78
15 89 89 89 0.89 0.85 0.81
22 90.5 91 90 0.9 0.85 0.83
30 91.2 92 91.5 0.9 0.86 0.84
55 92.5 93 92.8 0.9 0.87 0.86
75 93.2 93.8 93.5 0.91 0.87 0.86
110 94 94.5 94 0.91 0.88 94
30
4.1.5、Y2-E系列高效节能型三相异步电动机
我国以前生产的J2、J02、Y、Y2等系列三相异步电动机效率总体水平较低的主要原因之一是电动机定子及转子铁心均采用0.35~0.5mm的热轧硅钢片制作,从而造成电动机铁损耗增大。为此国家将采用强制性措施,停止热轧硅钢片的生产,这样就迫使电机行业重新设计采用冷轧硅钢片制作铁心的YX系列、Y2-E系列及Y3系列新型三相异步电动机,除了铁心材料的改变以外,还采取了改进定子、转子槽的配合和风扇结构等措施,使这些新系列三相异步电动机的效率比Y及Y2系列提高了约1%~3%,达到了国际电工委员会颁布的能效标准,因此被称为“高效节能电机”。我国目前高效节能型三相异步电动机市场份额仅占约1%,今后将大批量生产及使用。
Y2-E系列小型三相异步电动机主要技术参数
效率% 功率因数 功率KW
2极 4极 6极 2极 4极 6极 0.75 77 75.5 72.5 0.83 0.77 0.71
1.5 80.5 79.5 78 0.85 0.78 0.74
2.2 82.5 82 81 0.85 0.81 0.75
4 86 86 85.5 0.9 0.82 0.76
5.5 88 87 86.5 0.9 0.83 0.77
7.5 88.5 88 88.5 0.9 0.85 0.78
11 90.5 90.5 89 0.9 0.85 0.8
15 91 91 90.5 0.9 0.85 0.81
22 91.7 92.8 92 0.9 0.86 0.83
30 92.7 93.2 93.5 0.9 0.86 0.85
55 94.7 94.5 93.8 0.9 0.87 0.86
75 94.8 94.7 / 0.91 0.87 /
110 / / / / / /
4.2 国际电工委员会有关三相异步电动机的能效标准
A级(超高效率) B级(高效率) C级(改进效率)
31
功率2极 4极 6极 2极 4极 6极 2极 4极 6极 KW
0.75 82.2 84.2 82 79 81.4 79 72 / 70 1.5 85.1 86.8 85.3 82.5 84.2 82.5 77.7 / 76 2.2 86.4 88 86.6 84.1 85.6 84 80.3 / 78.5 4 88.4 89.7 88.2 86.4 87.5 86 83.5 / 82.5 5.5 89.3 90.5 89.1 87.5 88.5 87 85 / 84 7.5 90.2 91.3 89.9 88.5 89.4 88 86.3 / 85.5 11 91.2 92.1 90.8 89.6 90.3 89 87.7 / 87 15 92 92.8 91.5 90.6 91.1 89.9 88.8 / 88 22 92.2 93.5 92.4 91.6 92 91 89.9 / 89.3 30 93.5 94 93.1 92.3 92.6 91.8 90.8 / 90.3 55 94.5 94.9 94.3 93.5 93.7 93.2 92.5 / 92 75 95 95.3 94.8 94.1 94.2 93.8 93.1 / 92.7 110 95.5 95.7 95.4 94.7 94.7 94.5 93.6 / 93.5
4.3 节能型三相异步电动机节能效果
举例:普通车床三相异步电动机P=5.5KW,4级,求满载使用1天(24小时),Y2-E电动机比Y系列电动机可节省多少电能,
解:Y2-E系列 5.5KW 4级电动机 效率η=87%
P =P/η=5.5/0.87=6.322KW 1
Y系列 5.5KW 4级电动机 效率η=85.5%
P =P/η=5.5/0.855=6.433KW 1
Y2-E系列比Y系列可节省功率 6.433,6.322=0.111KW
一天(24小时)可节省电 0.111×24=2.664(度)
一天节省电费 2.664×0.7=1.86(元)
一年节省电费 1.86×365=680(元)
结论:假如学校有100台三相异步电动机,一天可以节省电费186元,一年可以节省电费66216元,学校选择Y2-E系列的三相异步电动机比选Y系列电动机一年要节约66216元,所以选择Y2-E系列要划算得多。
32
第5章 电力变压器的损耗、效率及并联运行
5.1 电力变压器的损耗及效率
变压器从电源输入的有功功率P和向负载输出的有功功率P可分别用下式12计算
P,3UIcos, 11N1N1
P,3UIcos, 22N2N2
两者之差为变压器的损耗ΔP,它包括铜损耗和铁损耗两部分,即 PPCuFe
。 ,P,P,PCuFe
5.1.1、铁损耗 PFe
变压器的铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗两部分。基本铁损耗包括铁心中的磁滞损耗和涡流损耗,它决定于铁心中的磁通密度的大小、磁通交变的频率和硅钢片的质量等。附加损耗则包括铁心叠片间因绝缘损伤而产生的局部涡流损耗、主磁通在变压器铁心以外的结构部件中引起的涡流损耗等,附加损耗约为基本损耗的15%~20%左右。
变压器的铁损耗与一次绕组上所加的电源电压大小有关,而与负载电流的大小无关。当电源电压一定时,铁心中的磁通基本不变,故铁损耗也就基本不变,因此铁损耗又称“不变损耗”。
5.1.2、铜损耗P Cu
变压器的铜损耗也分为基本铜损耗和附加铜损耗两部分。基本铜损耗是由电流在一次、二次绕组电阻上产生的损耗,而附加损耗是指由漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内分布不均匀而产生的额外损耗。附加铜损耗约占基本铜损耗的3%~20%。在变压器中铜损耗与负载电流的平方成正比,所以铜损耗又称为“可变损耗”。
5.1.3、效率
PP 变压器的输出功率与输入功率之比称为变压器的效率η,即 21
PPP222,,,100%,,100%,,100% PP,,PP,P,P122CuFe
变压器由于没有旋转的部件,不像电机那样有机械损耗存在,因此变压器的效率一般都比较高,中、小型电力变压器效率在95%以上,大型电力变压器效率可达99%以上。
前面已经讲过降低变压器本身的损耗,提高其效率是供电系统中一个极为重要的课题,世界各国都在大力研究高效节能变压器,其主要途径:一是采用低损耗的冷轧硅钢片来制作铁心;二是减小铜损耗,如果能用超导材料来制作变压器
33
绕组,则可使其电阻为零,铜损耗也就不存在了。世界上许多国家正在致力于该项研究,目前已有330KV?A单相超导变压器问世,其体积比普通变压器要小70%左右,损耗可降低50%。
5.1.4效率特性
变压器在不同的负载电流时,输出功率IP 22
都在变化,因此变压器的效率也随负及铜损耗P,cu
载电流的变化而变化,其变化规律通常用变压器I 2
的效率特性曲线来表示,如图6-25所示,图中
I2称为负载系数。 ,,I2N
通过数学分析可知:当变压器的铁损耗等于铜
损耗时,变压器的效率最高,通常变压器的最高效
率在左右。 ,,0.4~0.5
34
35
变压器的温度监控系统设计毕业设计
变压器的温度监控系统设计毕业设计
目 录
绪 论 ............................................ 错误!未定义书签。 第 1章 设计任务和要求 .............................................. 1 1.1设计任务 . .......................................................................................................... 1 1.2设计实现的功能 ............................................................................................... 1 1.3主要技术参数与性能指标 ................................................................................ 2 第 2章 系统方案的设计 .............................................. 3 2.1方案的提出 . ...................................................................................................... 3 2.2方案的论证 . ...................................................................................................... 4 2.3系统工作原理 ................................................................................................... 6 第 3章 硬件电路设计 ................................................ 9 3.1从机设计 . .......................................................................................................... 9 3.2主电路设计 . .................................................................................................... 12 3.2.1 风机的选型 . ........................................................................................... 13
3.2.2
低压断路器的选择和应用 ................................................................ 14
3.3自动与手动控制电路的设计 . ......................................................................... 16 3.4驱动电路的设计 ............................................................................................. 17 3.5LED 显示电路的设计 ................................................................................... 18 3.6无线数传通讯电路的设计 .............................................................................. 20 3.7保护电路的设计 ............................................................................................. 23 3.7.1 过压检测与保护 .................................................................................... 24 3.7.2 过载检测与保护 .................................................................................... 27 3.7.3 缺相检测与保护 .................................................................................... 31 3.8故障显示 . ........................................................................................................ 34 3.9报警电路 . ........................................................................................................ 37 3.10远传开关的设计 ........................................................................................... 37 3.11电源的设计 ................................................................................................... 38 第 4章 软件设计 ................................................... 41
4.1软件结构与软件设计思想 .............................................................................. 41 4.2程序流程图 . .................................................................................................... 47 第五章 设计总结 ................................................... 51参考文献 ........................................................... 52英文资料及其翻译 ................................................... 53致 谢 ............................................................. 74附 录 ............................................................. 75附录 1元器件明细表 ........................................................................................... 75 附录 2程序清单 . .................................................................................................. 79
绪 论
在电力系统中,电力变压器承担着电压变换,电能分配和传输,并提供电力 服务的重要任务。因此,变压器的安全运行对电力系统至关重要,变压器的正常 运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证,必须最大限度地防 止和减少变压器故障和事故的发生。 通常对油浸式变压器采用自然风冷方式、风 扇冷却方式、强迫循环油冷却方式、强迫油循环水冷却等方式进行降温或冷却。 这些方法都可以实现对油浸式变压器温度的控制,但自动化程度不高。
为满足自动化程度较高的需求, 对现有落后的温度控制系统进行改造,本设 计采用新型凌阳 16位单片机 SPCE0601A ,设计一个基于无线数传技术的电力变 压器温度监控系统。对变压器的油温进行实时采集,将采集结果送入 MCU 进行 处理,然后,将变压器的温度在现场和控制室实时显示,以实现全自动远程和就 地监控,系统具有完善的保护功能,包括过压、过载、缺相检测和保护,还具备 自诊断功能,在故障出现时,能自动给出故障信息,包括故障类型和故障部位, 便于工作人员及时进行设备检修; 使用无线数传通信方式实现变压器控制器与中 心控制室之间的数据通信,使中心控制室及时掌握变压器风机的运行状况,实现 对变压器温度的远程监控。
设计第一部分介绍设计任务和设计要求;第二部分确定设计方案。 先提出几 种方案, 然后比较、 论证每一种方案, 最终确定合理且简单的方式实现设计要求。 第三部分为硬件设计,包括从机的设计、主电路的设计、驱动电路、 LED 温度显 示、无线数传通讯、保护电路、故障显示、报警、远传开关信号、电源等电路的 设计。从机以 SPCE061A 为微控制器,配以温度显示和故障显示电路,以及报警 模块和远传开关信号电路。同时能实现数据的无线传输。保护电路包括过压检测 和保护、过载检测和保护、缺相检测和保护;第四部分专门写软件的设计;要求 软件实现它应完成的系统功能, 主要为软件结构的确定和程序流程图的绘制; 程 序清单列在附录中。第五部分对整个设计进行了概括性的总结。
除正文之外, 设计的完善还需要参考文献、 致谢、 元件明细表、 附录等内容。
第 1章 设计任务和要求
1.1 设计任务
系统要求对变压器的油温进行实时采集,将结果送入 MCU 处理后,在就地 和远端显示,并且要具有完善的保护功能,包括过压、过载、缺相检测和保护。 系统还要具备故障自诊断功能,在故障出现时,自动给出故障信息(故障类型和 故障部位) , 同时,主机要把信号输送给从机,以便控制室及时掌握系统运行状 况。实现远程监控。除此以外,系统要求从机端给出远传开关信号。根据系统要 求,设计应完成的设计任务如下所述:
1. 设计应按照系统要求,实现系统设计,各功能模块的设计思想和方法,以 及各电路涉及到的元器件的计算与选型。包括:
⑴主电路设计;
⑵主机温度信号的采集与调理电路的设计;
⑶主机 LED 显示电路的设计;
⑷主控电路的设计;
⑸过压检测与保护电路的设计;
⑹过载检测与保护电路的设计;
⑺缺相检测与保护电路的设计;
⑻从机设计、从机 LED 显示电路设计;
⑼无线数据通信电路的设计;
⑽主机 /从机电源设计;
⑾系统软件设计(即软件结构、程序流程图、程序) 。
主要完成从机部分软、硬件的设计,保护电路的设计 , 主电路的设计,无线 数传通信电路的设计。
2.除了完成系统软硬件的设计以外, 设计还要完成指定的英文资料的翻译。 1.2 设计实现的功能
设计以微处理器为核心,主要实现对变压器温度的检测与控制,采用多组风 机降温的方式控制变压器的油温在工艺要求的范围内。具体功能如下所述: 1. 实现变压器油温的采集 ; 将采集到的油温在就地显示和远端(控制室)用 LED 实时显示。
2. 主机将采集到的信号传送给从机。
3. 为了及时掌握系统运行状况,系统在现场和控制室都能显示故障信号。
4. 为了运行与检修的方便,系统设置自动、手动、停止三种运行方式,正常 时采用自动方式运行,主控板检修时采用手动方式运行, 并且能够灵活选择运行 方式。各种运行方式下,系统完成各自的功能。在自动方式运行下,当变压器油 温超过工艺上限时,风机全部投入;当温度低于工艺下限时,风机全部停止;当 温度介于上限值和下限值之间时,每三组风机轮流投入运行,间隔1小时,自动 切换。当温度低于下限值时,风机群停止运行。
5. 为了便于工作人员及时进行设备检修,系统设置了故障自诊断功能,当某 一风机工作异常时如过压、过载、缺相任一故障时,系统能够在现场和控制室发 出报警信号,显示故障类型和故障发生的位置。
6. 系统在从机端设置正常运行、故障运行、油温超过 75℃三项远传开关信 号。
7. 为了能方便的调节变压器油温的上限值和下限值, 系统设置了键盘控制功 能,通过按键可以改变设计中油温的上限缺省值和下限缺省值,使温度上限值可 以大于 55℃,或者使下限缺省值低于 45℃。
8.为了使系统安全运行,系统设置了保护电路;当风机出现过压、过载、 或者缺相时,故障检测电路及时检测到故障信号,并将故障信号送入主机,主机 输出相应的控制信号,对风机进行相应的控制。
1.3 主要技术参数与性能指标
控制系统的工作电源为 220V/50HZ的工频交流电, 变压器为 110KV 油浸风冷 式降压电力变压器,容量为 31500KVA ;风机有 6组,每组 2个风机,均匀排列 在变压器四周,每个风机功率为 0.375KW ,温度采集误差应小于±1℃。
第 2章 系统方案的设计
2.1 方案的提出
变压器温度监控系统设计方案的确定是根据电力系统对实际供电需求和安 全供电提出的要求、性能指标而决定的。在电力系统中,变压器担负着电能转换 和供电的任务。变压器的安全运行对电力系统至关重要。因此,设计一个电力变 压器温度监控系统,拟采用的方案有:
方案一:设计以 MCS — 51系列单片机为核心实现变压器温度的现场和控制 室监控。变压器油温的采集由埋于变压器油中的铂电阻实现;将采集到的油温经 单片机处理后,由 LCD 液晶显示屏显示。故障时,相应的故障指示灯点亮。无 线数据通信采用挪威公司的 nRF903。驱动电路由固态继电器实现。过压检测与 保护电路采用电压互感器实现电压信号的采集与变换, 将变换后的电压信号经过 整流、滤波、光电隔离后送入单片机,由单片机内部进行电压的比较与判断,即 软件实现比较与判断。过载检测由电流互感器采集电流信号,将采集到的信号通 过与阈值比较来确定是否过载;缺相检测与保护电路由 RC 组成的缺相检测电路 实现。其原理简图如图 2— 1所示:
图 2— 1
方案二:以凌阳单片机为核心,对变压器的油温进行实时监控,变压器油温 的变换由温度传感器 AD590实现;变压器温度由 LED 数码管显示;无线数据通
信采用挪威公司的 nRF401实现主机和从机之间的数据通信。驱动电路由电磁继 电器控制。过载保护由电流互感器采集电流信号,将采集到的电流信号与设定的 阈值比较来判断风机是否过载,若过载,则进行相应的处理;缺相检测与保护电 路利用缺相时缺相的一相电流为零, 而其他两相的电流明显增大原理,由电流互 感器检测三相电流的大小,并将采集到的电流信号进行放大与比较,若出现缺相 故障,则比较器输出低电平信号,经光电隔离后送给主机,从而对缺相进行了保 护。其原理简图如图 2— 2所示 :
图 2— 2
方案三:基于单片机 SPCE0601A 实现变压器温度的实时监控。温度的采集 由铂电阻的温度传感器实现。 将采集到的油温在就地和控制室用 LED 实时显示。 无线数据通信采用 Chipcon 公司推出的可编程 RF 收发器 CC1000实现。过压检 测与保护电路采用电压传感器实现电压信号的采集与变换, 并将采集到的信号经 过整流、滤波后送入一电压比较电路,由电压比较器进行采集电压与设定的阈值 电压的比较而实现。若出现过压故障,则电压比较器输出低电平信号,该信号经 光电隔离后送给主机,由主机对风机的运行状态进行控制。过载检测与保护电路 由串接于主回路中的热继电器实现。 每相主电路接一小型中间继电器,只要有一 相电缺相,中间继电器的常开触头都会断开,能够实现对缺相故障的有效保护。 原理框图如图 2— 3所示。
2.2 方案的论证
微处理器的比较:在实时控制系统、 和其他一些领域中, 需要高性能单片机, 以满足其功能、速度、可靠性方面的特殊要求,凌阳单片机能够很好的满足这些 方面的需求。另外,单片机 SPCE0601A 除了用汇编语言编程外, SPCE0601A 的
开发环境还支持 C 语言,提供了 C 函数库,并支持 C 和汇编函数的相互调用, 汇 编 语 句 无 法 实 现 的 功 能 C 函 数 可 以 很 容 易 地 实 现 。 因 此 , 单 片 机 选 用 SPCE0601A ,而不选用 MCS — 51系列。
显示部分的比较:液晶显示器 (LCD)利用在电场作用下,有机大分子的有序 排列可以透光来实现。 它的缺点是很明显的, 其一:由于有机大分子有一定厚度, 人眼从不同角度观察光线的反射效果是不一样的,其二,有机大分子在紫外线照 射下容易分散失效,其三:温度高低对有机大分子也有明显影响,其四:长时间 加一个恒定电压时大分子也会分散失效。最主要的一点是它的显示亮度不高,距 离远一点看不清显示数据。而 LED 数码管式用 7个直线段形状的发光二极管组 成,在发光二极管的两端加上一定电压产生电流后,发光二极管导通并发亮。虽 然它的功耗较大,但其亮度好,因此,一般工程上温度显示采用 LED 数码管。 设计中也采用该显示电路进行温度的显示。
铂电阻的温度传感器具有较高的精度。 基于铂电阻的电桥型温度检测电路和 电流源型温度检测电路与常用的一些检测电路相比,具有精度高,性能稳定,调 试简单,对元件要求不高,实用性强的特点。所以,设计中采用基于铂电阻的电 流源型温度检测电路实现温度的采集与处理。
固态继电器只有两个输入端(A 和 B )及两个输出端 (C和 D) ,是一种四端器 件。很容易实现隔离与驱动。工作时只要在 A 、 B 端加上一定的控制信号,就可 以控制 C 、 D 两端之间的“通”和“短” ,实现“开关”的功能,其中耦合电路的 功能是为 A 、 B 端输入的控制信号提供一个输入 /输出端之间的通道,但又在电气 上断开 SSR 中输入端和输出端之间的 (电) 联系, 以防止输出端对输入端的影响, 耦合电路动作灵敏、响应速度高、输入 /输出间的绝缘等级高;由于输入端的负 载是发光二极管,使得 SSR 的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配,在使用 时可直接与计算机输出接口相接,即受“ 1”与“ 0”的逻辑电平控制。另外,由 于固态继电器 SSR 的通断没有可动接触部分,具有噪声低、驱动电流小、可靠性 高等特点,在自动控制方面广泛运用。
所以本设计选用固态继电器而不选用电磁继电器。
CC1000的外围电路简单,功耗低;并提供了十分方便的电源管理办法。 方案二中的过载、缺相检测与保护电路需要的电流互感器多,成本太高。 过压检测与保护电路中电压信号的采集与变换可用电压变送器和电压互感 器实现,电压互感器应用广泛、选用容易,因此,设计中采用电压互感器实现电 压信号的采集与变换。
运用电流互感器实现过载与过压保护的电路,由于所需电流互感器较多,成 本太高。因此,设计中采用方案三中的过载与缺相保护措施。
上述三种方案都可实现系统的功能,但通过以上比较,方案三最合理,基于
SPCE061A 单片机的变压器温度监控系统,能够克服方案一和方案二中出现的不 足,满足自动化程度较高的需求。因此选用该方案。
2.3 系统工作原理
方案三的功能实现如下所述:利用预埋在变压器油中的铂电阻来检测变压器 绕组的温度,并设计相应的报警和控制功能,能够根据变压器绕组温度自动启停 风机对变压器进行冷却, 该方案能够控制油浸风冷式电力变压器的油温在工艺要 求的范围之内 (一般是 45℃— 55℃) 。 在变压器油温大于上限温度 (通常是 55℃) 时启动全部风机,当油温降至下限温度(通常是 45℃)时停止全部风机。并且 能够在控制室监控,保证变压器运行在安全状态。
系统原理框图如图 2— 3所示:
图 2— 3
系统的工作流程叙述如下:
首先,由埋于变压器油中的铂电阻采集温度信号,将采集到的温度信号经过 信号调理电路处理成电压信号,由于 SPCE061A 内部集成了 A/D转换器,故将
经预处理后的反映温度状况的电压信号直接送入主单片机 SPCE061A 内部, 在单 片机内部进行 A/D转换,将 A/D转换后的数字量进一步处理后转换成符合要求 的二进制代码后输出,送数码管显示。同时,单片机将接受到的温度数据与设定 的温度上下限值对比,如果当前温度超过了上限值,单片机 I/O口输出信号,经 固态继电器驱动电路,使全部风机投入运行;如果当前油温低于下限值,使全部 风机停止运行; 若温度值在监控范围之内,则每三组风机按自动运行方式交替投 入运行。同时,对风机进行过压、过载、缺相保护。故障检测电路将检测到的信 号经光电隔离后,送入单片机各检测信号输入端,单片机一旦检测到各保护电路 的低电位时,给出相应的控制信号,作用于风机的继电器;并且相应的发光二极 管点亮,报警器发出故障报警。要实现变压器的远程监控,需要主机将温度信号 和检测到的系统的运行状态通过无线数传芯片送从机显示, 从而实现了变压器的 全自动远程和就地监控。
系统有了基本的原理框架,还需要每一部分电路模块的支持,才能有效实现 系统的功能。为方便、可靠、经济、有效、易实现起见,设计各部分电路方案为: a. 温度信号的采集与处理、隔离电路的设计、键盘控制电路的设计见主机部 分。
b. 主电路部分有六个主回路,分别控制着六组风机的启停,主电路总回路中 接一断路器用于控制整个主电路,而在每一回路中接有断路器、交流接触器、热 继电器用于控制和保护电路。每组回路中有两台风机,这两台风机的运行与否, 或者是启动与停止,以及故障出现时,回路中的相应电器动作,控制风机的运行 状况,使风机正常运行,从而保证变压器能安全、可靠的工作。
c. 选择无线数传通信芯片时从功耗、接受灵敏度、收发芯片所需的外围元件 数量、芯片成本等角度考虑。全集成 UHF RF 收发芯片,有极低的电流消耗, 低供电(2.1V — 3.6V ) ,频率范围为 300MHZ — 1000MHZ ;集成位同步器,高灵 敏度程序控制输出功率(-20dBm — 10dBm ) ,接收信号强度指示(RSSI )输出; 单接点天线;很少的外接元件。因此本设计用 chipcon 公司推出的可编程 RF 收 发器芯片 CC1000。 CC1000的主要参数可由一个串行接口编成设定, 使用非常方 便并且具有灵活性。微控制器可以通过 CC1000的串行接口进行设置,通过 CC1000的 DIO 口完成数据的接收和发送。微控制器使用三个输出引脚用于接口 (PDATA 、 PCLK 、 PALE ) ,与 PDATA 相连的引脚必须是双向引脚,用于发送和 接收数据。提供数据时钟的 DCLK 应与微控制器输入端相连,其余引脚用来监 视 LOCK 信号(在引脚 CHP_ OUT) 。 当 PLL 锁定时,该信号为逻辑高电平。 d. 为使风机可靠运行,有效控制变压器油温,分别对六组风机进行过压检测 与保护、过载监测与保护、缺相检测与保护。由于每个回路的电压都相等,所以 过压检测与保护电路设置在主电路的三相电进线处就可以了, 而过载和缺相保护
毕业设计(论文)变压器的应用与维护
黑龙江交通职业技术学院 毕业设计(论文)
题目:电力机车主变压器 的应用与维护
专业班级 :铁道机车车辆 ****班 姓 名:xxx
****年 ** 月 ** 日
中期进展情况检查表
年 月 日
目 录
前言 ????????????????????????????????????? 4摘要 ????????????????????????????????????? 5 1 概 述 ?????????????????????????????????? 6 1.1 主变压器的特点 ????????????????????????????? 6 1.2 主变压器的基本结构 ??????????????????????????? 6 1.3 TBQ8型主变压器的结构特点 ??????????????????????? 6 1.3.1 器 身 ????????????????????????????????? 9 1.3.2油 箱 ????????????????????????????????? 11 1.3.3保护装置 ???????????????????????????????? 11 1.3.4冷却系统 ???????????????????????????????? 12
1.3.5出线装置 ???????????????????????????????? 13
2 主变压器的维护 ????????????????????????????? 14 2.1 电力机车变压器的维护方法 ??????????????????????? 14 2.2 电力机车变压器检查方法 ???????????????????????? 15 2.2.1变压器室检查给油顺序 ????????????????????????? 15 2.2.2变压器室重点检查给油处所 ??????????????????????? 15
2.2.3主要检查部件的技术要求 ???????????????????????? 15
3 运行中的常见故障类型 ????????????????????????? 16 3.1 按故障发生部位分类 ??????????????????????????? 16 3.2 按故障性质分类 ????????????????????????????? 17 参考文献 ?????????????????????????????????? 18附录 ????????????????????????????????????? 19
前言
铁路运输是我国经济运行的大动脉,在我国交通体系中占有重要的地位。随 着国民经济的迅速发展,我国铁路加快了以高速、重载、安全为主题的发展步伐。 但行车安全是铁路运输的永恒主题,铁路提速后对机车的安全性提出了更高更严 的要求。机车主变压器是电力机车的心脏部分,它的好坏直接影响到机车的行车 安全。从电力机车主变压器多年来运行的状况来看,主变压器的故障率虽然不高, 可是一旦出现故障就会造成很大损失。
主变压器(又称为牵引变压器) ,是交 -直流传动电力机车中的重要电器设备, 用来将接触网上取得的单相工频交流 25KV 高压电降为机车各电路所需的电压,以 满足机车各种电机、电器工作的需要。主变压器的工作原理与普通单相降压电力 变压器基本相同,但由于其工作条件特殊,特别是为了满足机车调压、整流电路 的特殊要求,故在主变压器的设计及结构型式上均有自身的特点。
我国电力牵引变压器设计及工艺技术起源于 20 世纪 50 年代从前苏联引进的 6Y2 机车牵引变压器技术 , 代表产品为 SS4 型电力机车用 TBQ8 型牵引变压器。该 变压器为立式结构 , 采用铜管冷却、车内进风等技术。经过不断的技术改进 , 基 本上形成了一个初步技术平台。国产 SS 系列电力机车上使用 TBQ 系列主变压器,其 型号其意义为:“ T ”一“铁”路机车用; “ B ”一“变”压器; “ Q ”一“牵”引; 数字为设计序号; “一”后为“容量(kV ·A ) /电压等级(kV ) ” 。例如 SS4改型电 力机车主变压器的型号为:TBQ8-4923/25型,即表示其容量为 4923kV ·A ;电压 为 25 kV。
本论文主要以 TBQ8-4923/25型电力机车主变压器为例浅谈其在运用过程中 的应用与维护。
摘 要
随着我国经济的迅速发展,高速、安全、成本低廉的铁路运输在我国运输市场上起着日 益重要的地位。而铁路运输的安全问题则是事关国民经济、社会稳定的重要问题。
电力机车主变压器是交流电力机车上的一个重要部件,其运行的可靠和持续性是机车的 行车安全的保证。电力机车主变压器的运行条件相对恶劣,从电力机车主变压器多年来运行 的状况来看,主变压器的故障率虽然不高,是一旦出现故障就会造成很大损失。本文主要从 变压器的实际理论出发,以 TBQ8型主变压器为例阐述了变压器的组成结构、各零部件的功 能,以及主变压器的维护和检查。
关键词:主变压器; TBQ8型; SS4型电力机车;
Abstract (英文摘要)
As China's rapid economic development, high-speed, secure, low-cost rail transport on the transport market in China plays an increasingly important position. The safety of rail transport is a matter of national economic and social stability of the important issues.
AC electric locomotive electric locomotive transformer is an important component, and its reliable and continuous operation of motorcycle traffic safety is guaranteed. Electric locomotive operating conditions are relatively poor transformer, transformer of electric locomotive over the years from running position, the main transformer failure rate is not very high, is the event of a failure will cause a great loss. In this paper, the actual theory from the transformer to the main transformer is described TBQ8 type composition of the transformer structure, the function of various components, as well as maintenance and inspection of the main transformer.
1 概 述
1.1 主变压器的特点
主变压器与电力机车其他部件相比较, 其特点大致可归纳为:绕组多、 电压波动 范围大、负载变化大、耐振动、重量轻、体积小、用铜多
1.2 主变压器的基本结构
主变压器由器身、油箱、保护装置、冷却系统和出线装置等部件组成。图 1所示为 TBQ84923/25型主变压器结构图。
1.3 TBQ8型主变压器的结构特点
TBQ8型主变压器为国产 SS4系列电力机车配套的主变压器,由于各型机车的 功率、调压方式及总体布置的不同,各型主变压器的具体结构型式、技术数据也 有所不同。特别是为适应不同的机车调压电路的需要,主变压器的绕组结构、布 置及连接方式会有较大的差别。
TBQ8— 4923/25型(简称 TBQ8型)主变压器是用于 SS4改型电力机车上的主 变压器,其外形结构如图 1所示,主要技术数据见下表。
表一
图 1 TBQ8型主变压器总图(单位:mm )
1-100蝶阀; 2-波纹管; 3-油流继电器; 4-BJL-25/300套管; 5-信号温度计; 6-油样活门; 7-下 油箱; 8-出线装置; 9-吸湿器; 10-上油箱; 11-油位表; 12-储油柜; 13-主变压器铭牌; 15-滤 波电抗器铭牌; 16-潜油泵; 17-通风机; 18-冷却柜; 19-压力释放阀; 20-50活门。
1.3.1器 身
器身由铁心、绕组(线圈) 、器身绝缘和引线装置等组成。
1.铁心
铁心的作用是构成变压器的闭合磁路,同时也是支撑绕组及引线装置的机械 骨架。因此,要求铁心必须具有良好的导磁性能和足够的机械稳定性。
TBQ8型主变压器采用单相二柱式叠铁心 (见图 2) , 用 0-0.35mm 厚 DQ151-35晶粒取向冷轧电工钢片叠装而成,由于该电工钢片表面覆有一层薄的氧化膜,有 一定的绝缘作用,所以表面不涂漆。电工钢片的叠积按图 8-2中 Ⅰ、Ⅱ方式交替 进行。心柱截面为 10级阶梯形。心柱采用环氧玻璃粘带绑扎,每柱 7道,为使接 缝处平整, 降低铁心噪音, 在心柱最外级有 4块 6 mm厚的环氧玻璃布板做成的撑 条;上、下铁轭采用夹件夹紧。
图 2 TBQ8型主变压器的单相二柱式心式叠铁心(单位:mm )
2.绕组
绕组是主变压器最关键的部件,为了保证变压器安全可靠运行,变压器绕组 必须具有足够的电气强度、耐热强度、机械强度和良好的散热条件,使变压器既 能在额定工作条件下长期使用,又能经受住过渡过程中(如短路、雷击、操作等) 产生的过电压、过电流以及相应的电磁力作用,不致发生绝缘击穿、过热、变形 或损坏。
TBQ8型主变压器的绕组有:高压绕组、牵引绕组、辅助绕组和励磁绕组等 4种,如图 3所示。
图 3 TBQ8— 4923/25主变压器电气原理图
3、器身绝缘和引线装置
油浸式变压器的内部绝缘分为主绝缘和纵绝缘两类,主绝缘是指绕组(或引 线)对地及对其他绕组(或引线)之间的绝缘;纵绝缘则指同一绕组不同部位之 间的绝缘。绝缘结构尺寸,特别是主绝缘尺寸将直接影响变压器的重量和外形尺 寸,以及阻抗电压、损耗等性能数据。
对于同心式绕组的主绝缘广泛采用油隔板绝缘结构, TBQ8主变压器的绕组与 心柱、不同绕组之间的隔板为 4~5mm厚的酚醛纸筒,绕组均匀绕在酚醛纸筒上, 并且绕组与油箱、铁心以及不同绕组之间必须有足够的绝缘距离(油隙) 。绕组不 同部位间的纵绝缘为由垫块、撑条构成的轴向、径向油道组成。
图 4 TBQ8-4923/25型主变压器的绕组布置和绝缘结构
1-压板; 2-上铁轭绝缘; 3-牵引绕组 DY2; 4-高压绕组 GY1; 5-牵引绕组 DY3、励磁绕组 DY5; 6-辅助绕组 DY4; 7-下铁轭垫块; 8-隔板组; 9-下铁轭垫块。
1.3.2油 箱
油箱是油浸式主变压器的外壳,变压器的器身就放在充满变压器油的油箱内。 对油箱的基本要求是:
(1)在保证内部必要的绝缘距离条件下,尽可能减小体积,以节约用油;
(2)应具有必要的真空强度,以便在检修时能利用油箱进行真空干燥;
(3)油箱外部各种附件的布置应便于安装和维护。
TBQ8型主变压器的油箱箱底用 10mm 厚钢板制成, 上面焊有用来限制器身移 动的 4个定位钉,并设有放油塞。箱壁长边用 8mm 、短边用 6mm 厚钢板焊接而 成,为防止变形,四周焊有一些加强筋板。箱壁上焊有吊攀、冷却器安装座、 50活门、油样活门及接地螺栓等附件;箱壁两侧焊有两块 14mm 厚的安装板,安装 板上共有 16个长孔,用 M24的螺栓把变压器固定在车体上。箱壁上开有多处用 于安装出线装置和作为手孔的长方形孔。
上油箱由钢板制成,其内腔用作安装 4台滤波电抗器。上油箱和下油箱的箱 沿间垫有直径为 20mm 的耐油圆橡胶密封圈,四周用 73个 M16螺栓紧固,以防 漏油。上油箱上安装有储油柜和 1个 WTZ -288型信号温度计。
1.3.3保护装置
TBQ8型变压器油是从石油中提炼出来的优质矿物油。在油浸式变压器中,变 压器油既是一种绝缘介质,又是一种冷却介质。因此,对变压器油的要求是:介 质绝缘强度高、粘度低、网点高、凝固点低、酸值低、灰粉等杂质及水分少。变 压器油在较高温度下长期与空气中的氧接触时会逐渐老化,在油中生成不传热的 悬浮物,堵塞油道,并使酸值增加,绝缘强度降低,这对变压器的安全运行是十 分不利的。
为了减缓变压器油受潮或老化的程度, 使油能较长久地保持良好状态, 在 TBQ8主变压器上专门设置了下列几种保护装置:
1.储油柜(油枕)
2.油位表
3.吸湿器
4.信号温度计(如图 5所示)
图 5 WTZ-288型信号温度计
1-测温筒; 2-毛细管; 3-刻度盘; 4-支架; 5-拉杆; 6-扇形齿轮; 7-小齿轮; 8-游丝; 9-弹簧管。 5.油流继电器
图 6 YJ-100-A 型油流继电器原理示意图
1-动板; 2-油联管; 3-密封环; 4、 5-磁钢; 6-电气部分; 7-指针; 8-壁;
6压力释放阀
图 7 YSF-70/25J 型压力释放阀
1-防雨帽; 2-调压螺母; 3-上罩; 4-内、外弹簧; 5-标志杆; 6-阀盖; 7-上封环;
8-侧封环; 9-阀座; 10-下封环。
1.3.4冷却系统
主变压器运行中产生的所有损耗将转变为热能,使各部件的温度升高,当主 变压器温升超过规定的限值, 将使绝缘损坏, 直接影响主变压器的使用寿命 (20~ 30年) 。因此,主变压器必须具有相应的散热能力。
图 8 冷却系统示意图
1-主变压器器身; 2-下油箱; 3-上油箱; 4-滤波电抗器; 5-储油柜;
6-潜油泵; 7-100蝶阀; 8-油流继电器; 9-通风机; 10-冷却柜; 11-平波电抗器。
TBQ8型主变压器采用独立的强迫导向油循环风冷却系统 (见图 8) 。 系统中设 置有 STD-1型铝冷却器, 为全铝合金板翅式结构, 经硬钎焊的冷却器心刚度高, 强 度好,能承受 700kPa 的压力。
1.3.5出线装置
主变压器各绕组的引线从油箱内引至油箱外时,必须采用出线装置,以便使 带电的导线与接地的油箱绝缘。
TBQ8型主变压器的出线装置采用两种套管:A-BJL-25/300型一个; X-BF-1/300, 一个。以上两种套管,是以电瓷件为绝缘件的。此外, TBQ8型主变压器还采用多 种以胶木板为绝缘件的出线装置。以接线头个数区分,可分为二联、三联、四联、 五联等。
如图 9所示的 4种。
图 9 绝缘瓷套管
(a)BLJ-25/300型穿缆式套管; (b)BF-1/300和 BF-1/600型套管;
(c)BF-1/800型套管; (d)BF-6/2000型套管和 BF-6/300型套管。
1-接线头; 2-圆螺母; 3-衬垫; 4-磁盖; 5-封环; 6-上磁套; 7-密封垫圈; 8-纸垫圈; 9-下 磁套; 10-导电杆; 11-纸垫圈; 12-磁套; 13-衬垫; 14-压钉; 15-电缆; 16-放气塞。
2 主变压器的维护
电力机车主变压器运行条件特殊,接触网电压变化大,机车额定工作电压 25kV ,正常的工作电压 20~29kV,允许偏差 +16%和 -20%,故障运行电压为 19kV 。 在实际运行中, 接触网首端电压有时达到 31kV , 机车再生制动时, 网压可达到 32kV 。 而电力变压器网压变化率只有 ±5%。 与一般变压器相比, 主变压器的馈电电压变动 范围大 ; 另外,馈电的分段处有电力中断,同时还伴有相位变化,所以主变压器常 受到大的电冲击。
机车运行时要求无流通过分相区,接触网分相距离一般为 20~40km。牵引变 压器要经常断开和接通。 当列车平均速度为 80km/h时, 机车主变压器约 15~ 30min投切一次。当列车平均速度为 200kn/ h时,则 10~ 20min就要投切一次。
综上所述,主变压器的工作条件与普通电力变压器截然不同,它的工作条件 和工作环境是相当恶劣的。
因此为了保证机车安全稳定的运行,电力机车主变压器的维护就相当的重要。 2.1 电力机车变压器的维护方法
为了使主变压器经常处于良好的工作状态,必须对主变压器进行日常的维护 和定期的检修。以减少或避免主变压器在运行过程中发生故障及不必要的临时检 修,从而保证主变压器安全可靠运行。
1. 主变压器必须保持正常的油量, 以保证良好的冷却作用和绝缘性能。 油 量不足时,必须及时补充合格的同型号的变压器油。
2. 定时检查和校验测量油用的温度计,以保证指示正确。
3. 经常检查油的温度。正常运行时,主变压器上层油温应不大于 95℃, 绕组平均温度不得大于 105℃。
4. 主变压器各部分电气接触应保持良好,若有触头发热等不正常现象时, 应及时处理。绝缘瓷瓶应经常保持清洁、无裂纹、无放电痕迹及其他异常现象, 确保瓷瓶绝缘性能良好。
5. 主变压器刚开始投入运行、 长期停运或检修后投入运行时, 必须仔细检 查它的外部状态,并对主变压器的各绕组及变压器油进行绝缘强度试验,确认合 格后,方能投入运行。
6. 加强对变压器油的保养。 若变压器油不净或老化, 将严重威胁变压器的 安全运行。若变压器油制造厂过滤不净或在使用过程中由于油泵烧损、轴承磨损、 泵轮转子铁芯松动等原因都可能使变压器油内混入金属碎片和产生游离,使油变 污;变压器长期使用后,也会发生老化析出酸及油泥。因此在下列情况下,变压 器必须进行滤油处理, 。以提高变压器油的质量:
(1)变压器油泵烧损修复后;
(2)烧损油泵时;
(3)运行多年而未经滤油的;
(4)主变压器中修时;
(5)闪点下降及发生其他情况认为需要滤油时。
7. 定时检查吸湿器中的干燥剂,观察是否变色。硅胶在干燥时呈蓝色,吸 收潮气后呈粉红色。因此当吸湿器中的硅胶 2∕ 3呈粉红色时,需要进行干燥或更 换。受潮的硅胶在 140℃温度下烘焙约 8h (或在 300℃下烘焙 2h )后,便可以完 全变成蓝色。
2.2 电力机车变压器检查方法
2.2.1变压器室检查给油顺序
1. 变压器左侧
变压器门及门连锁→主断路器下部→主变压器吸湿干燥器及油位表→变压器 储油柜→电度表及单极自动开关→高压电流互感器及穿墙瓷瓶→变压器潜油泵→ PFC 柜→油流继电器及变压器散热器
2. 变压器右侧
变压器门及门连锁→变压器风机→油温表→主断路器下部
2.2.2变压器室重点检查给油处所
1. 主断路器分合闸线圈、传动部件、穿墙瓷瓶等。
2. 主变压器油位表、油温表、抽头接线、阻容保护、空气干燥器。
3. 潜油泵、变压器冷却风机。
2.2.3主要检查部件的技术要求
1. 变压器使用 25号变压器油。油量不足时,必须及时补足合格的同型号变压 器油。
2. 定期检查和校验测温用温度计,以保证其指示正确。
3. 经常检查变压器油的温度。当环境温度为 25℃时,变压器油的最高温升应 不大于 55℃,油温一般应维持在 70℃以下。
4. 加强对牵引变压器油的保养。 添加变压器油时, 应使用滤油机由变压器下方
50活门处压入。定期进行变压器油的化验。
5. 注意观察吸湿器中的硅胶变色情况,当有 2∕ 3的硅胶由蓝变红时,应予更 换。
6. 主断路器分合闸电磁铁衔铁与气动阀杆间隙 5~10mm。
表二
变压器检查内容及要求
3 运行中的常见故障类型
3.1按故障发生部位分类
①变压器外部故障
油箱 :焊接质量不好, 密封填圈不好 ; 电压分接开关传动装置 :机械操动部分, 控 制部分等问题 ; 冷却装置 :风扇,输油泵、控制设备等问题 ; 附件 :绝缘套管、温度计、
油位计、各种继电器等问题。
②变压器内部故障
绕组 :绝缘击穿,断线,变形 ; 铁心 :铁心叠片之间绝缘不好,接地不好,铁心两 点或多点接地及铁心螺栓绝缘击穿 ; 内部的装配金具问题 :电压分节开关控制不到 位,引线绝缘薄弱 ; 绝缘油老化。
3.2按故障性质分类
变压器的内部故障主要有 :过热性故障、放电性故障、油故障等类型。加速变 压器寿命终结的根源是绝缘的老化。它使变压器逐渐丧失原有的机械性能和绝缘 性能,容易产生局部放电,降低绝缘的工频及冲击击穿强度,缩短变压器的使用 寿命。
参考文献
附录
TBQ8型主变压器总图(单位:mm )
1-100蝶阀; 2-波纹管; 3-油流继电器; 4-BJL-25/300套管; 5-信号温度计; 6-油样活门; 7-下 油箱; 8-出线装置; 9-吸湿器; 10-上油箱; 11-油位表; 12-储油柜; 13-主变压器铭牌; 15-滤 波电抗器铭牌; 16-潜油泵; 17-通风机; 18-冷却柜; 19-压力释放阀; 20-50活门。
毕业设计(论文)变压器的应用与维护
黑龙江交通职业技术学院
题目:电力机车主变压器
的应用与维护
专业班级:铁道机车车辆****班
姓 名:xxx
****年 ** 月 ** 日
黑龙江交通职业技术学院
题目:电力机车主变压器的应用与维护
1( 本课题的来源、选题依据:
经过两年以来所学专业知识和实践的经验,以TBQ8型主变压器为标准,总结电力机车主变压器的应用与维护。
2( 本课题的设计(研究)意义(相关技术的现状和发展趋势):
TBQ8型主变压器及其相关故障发生的原因分析,并总结故障的处理与预防的方法,TBQ8型主变压器的保养与使用规程,及其主电路原理。 3( 本课题的基本内容、重点和难点,拟采用的实现手段(途径):(可以
另附页)
1. TBQ8型主变压器结构组成;
2. 主变压器维护检修的技术要求;
3. 主变压器常见故障的简单介绍。
4( 文献综述(列出主要参考文献的作者、名称、出版社、出版时间以及与本
课题相关的主要参考要点):
指导教师意见:
指导教师:
年 月 日 专业部意见:
签字
年 月 日
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中期进展情况检查表
年 月 日
课题名称 电力机车主变压器的应用与维护 学生姓名 吴旻 学 号 专 业 铁道机车 指导教师 职 称 主要研究研究内容:电力机车主变压器的应用与维护 内容及进进展:分析TBQ8型主变压器的保养、使用规程、主电路原理 展
尚须完成整理图纸,结题,打印论文 的任务
存在的主存在的问题:对于TBQ8型主变压器知识没有具体了解 要问题及解决措施:向专业老师咨询和查阅相关参考资料 解决措施
指导教师
审查意见
专业部审
查意见
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目 录
前言????????????????????????????????????? 4 摘要????????????????????????????????????? 5 1 概 述??????????????????????????????????6 1.1 主变压器的特点?????????????????????????????6 1.2 主变压器的基本结构???????????????????????????6 1.3 TBQ8型主变压器的结构特点???????????????????????6 1.3.1 器 身?????????????????????????????????9 1.3.2油 箱?????????????????????????????????11 1.3.3保护装置????????????????????????????????11 1.3.4冷却系统????????????????????????????????12 1.3.5出线装置????????????????????????????????13 2 主变压器的维护?????????????????????????????14 2.1 电力机车变压器的维护方法???????????????????????14 2.2 电力机车变压器检查方法????????????????????????15 2.2.1变压器室检查给油顺序?????????????????????????15 2.2.2变压器室重点检查给油处所???????????????????????15 2.2.3主要检查部件的技术要求????????????????????????15 3 运行中的常见故障类型?????????????????????????16 3.1 按故障发生部位分类???????????????????????????16 3.2 按故障性质分类?????????????????????????????17 参考文献??????????????????????????????????18 附录?????????????????????????????????????19
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前言
铁路运输是我国经济运行的大动脉,在我国交通体系中占有重要的地位。随着国民经济的迅速发展,我国铁路加快了以高速、重载、安全为主题的发展步伐。但行车安全是铁路运输的永恒主题,铁路提速后对机车的安全性提出了更高更严的要求。机车主变压器是电力机车的心脏部分,它的好坏直接影响到机车的行车安全。从电力机车主变压器多年来运行的状况来看,主变压器的故障率虽然不高,可是一旦出现故障就会造成很大损失。
主变压器(又称为牵引变压器),是交-直流传动电力机车中的重要电器设备,用来将接触网上取得的单相工频交流25KV高压电降为机车各电路所需的电压,以满足机车各种电机、电器工作的需要。主变压器的工作原理与普通单相降压电力变压器基本相同,但由于其工作条件特殊,特别是为了满足机车调压、整流电路的特殊要求,故在主变压器的设计及结构型式上均有自身的特点。
我国电力牵引变压器设计及工艺技术起源于20 世纪50 年代从前苏联引进的6Y2 机车牵引变压器技术, 代表产品为SS4 型电力机车用TBQ8 型牵引变压器。该变压器为立式结构, 采用铜管冷却、车内进风等技术。经过不断的技术改进, 基本上形成了一个初步技术平台。国产SS系列电力机车上使用TBQ系列主变压器,其型号其意义为:“T”一“铁”路机车用;“B”一“变”压器;“Q”一“牵”引;数字为设计序号;“一”后为“容量(kV?A)/电压等级(kV)”。例如 SS4改型电力机车主变压器的型号为:TBQ8,4923/25型,即表示其容量为4923kV?A;电压为25 kV。
本论文主要以TBQ8,4923/25型电力机车主变压器为例浅谈其在运用过程中的应用与维护。
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摘 要
随着我国经济的迅速发展,高速、安全、成本低廉的铁路运输在我国运输市场上起着日益重要的地位。而铁路运输的安全问题则是事关国民经济、社会稳定的重要问题。
电力机车主变压器是交流电力机车上的一个重要部件,其运行的可靠和持续性是机车的行车安全的保证。电力机车主变压器的运行条件相对恶劣,从电力机车主变压器多年来运行的状况来看,主变压器的故障率虽然不高,是一旦出现故障就会造成很大损失。本文主要从变压器的实际理论出发,以TBQ8型主变压器为例阐述了变压器的组成结构、各零部件的功能,以及主变压器的维护和检查。
关键词:主变压器;TBQ8型;SS4型电力机车;
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Abstract(英文摘要)
As China's rapid economic development, high-speed, secure, low-cost rail transport on the transport market in China plays an increasingly important position. The safety of rail transport is a matter of national economic and social stability of the important issues.
AC electric locomotive electric locomotive transformer is an important component, and its reliable and continuous operation of motorcycle traffic safety is guaranteed. Electric locomotive operating conditions are relatively poor transformer, transformer of electric locomotive over the years from running position, the main transformer failure rate is not very high, is the event of a failure will cause a great loss. In this paper, the actual theory from the transformer to the main transformer is described TBQ8 type composition of the transformer structure, the function of various components, as well as maintenance and inspection of the main transformer.
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1 概 述
1.1 主变压器的特点
主变压器与电力机车其他部件相比较,其特点大致可归纳为:绕组多、电压波动范围大、负载变化大、耐振动、重量轻、体积小、用铜多
1.2 主变压器的基本结构
主变压器由器身、油箱、保护装置、冷却系统和出线装置等部件组成。图1所示为TBQ84923/25型主变压器结构图。
1.3 TBQ8型主变压器的结构特点
TBQ8型主变压器为国产SS4系列电力机车配套的主变压器,由于各型机车的功率、调压方式及总体布置的不同,各型主变压器的具体结构型式、技术数据也有所不同。特别是为适应不同的机车调压电路的需要,主变压器的绕组结构、布置及连接方式会有较大的差别。
TBQ8—4923/25型(简称TBQ8型)主变压器是用于SS4改型电力机车上的主变压器,其外形结构如图1所示,主要技术数据见下表。
表一
TBQ8-4923?25型主变压器技术数据
绕组 高压绕组 牵引绕组 辅助绕组 励磁绕组 出线标志 A,X a1,b1,x1,a2,x2,a3,b3,x3,a4,a6,x6?b6,x6 a5,x5
x4
额定容量 4 923 1 168.25×4 250 87.6 额定电压 25 000 (695.4,347.7×2) ×2 399.86?266 104.3 额定电流 196.92 1 680 625?100 840 调压方式:三段桥顺控
空载电流:0.4%
空载损耗:4 000w
负载损耗(75?):90 000w
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图1 TBQ8型主变压器总图(单位:mm)
1-100蝶阀;2-波纹管;3-油流继电器;4-BJL-25/300套管;5-信号温度计;6-油样活门;7-下油箱;8-出线装置;9-吸湿器;10-上油箱;11-油位表;12-储油柜;13-主变压器铭牌;15-滤波电抗器铭牌;16-潜油泵;17-通风机;18-冷却柜;19-压力释放阀;20-50活门。
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1.3.1器 身
器身由铁心、绕组(线圈)、器身绝缘和引线装置等组成。
1(铁心
铁心的作用是构成变压器的闭合磁路,同时也是支撑绕组及引线装置的机械骨架。因此,要求铁心必须具有良好的导磁性能和足够的机械稳定性。
TBQ8型主变压器采用单相二柱式叠铁心(见图 2),用 0-0.35mm厚 DQ151-35晶粒取向冷轧电工钢片叠装而成,由于该电工钢片表面覆有一层薄的氧化膜,有一定的绝缘作用,所以表面不涂漆。电工钢片的叠积按图8-2中 ?、?方式交替进行。心柱截面为10级阶梯形。心柱采用环氧玻璃粘带绑扎,每柱7道,为使接缝处平整,降低铁心噪音,在心柱最外级有4块6 mm厚的环氧玻璃布板做成的撑条;上、下铁轭采用夹件夹紧。
图2 TBQ8型主变压器的单相二柱式心式叠铁心(单位:mm)
2(绕组
绕组是主变压器最关键的部件,为了保证变压器安全可靠运行,变压器绕组必须具有足够的电气强度、耐热强度、机械强度和良好的散热条件,使变压器既能在额定工作条件下长期使用,又能经受住过渡过程中(如短路、雷击、操作等)产生的过电压、过电流以及相应的电磁力作用,不致发生绝缘击穿、过热、变形或损坏。
TBQ8型主变压器的绕组有:高压绕组、牵引绕组、辅助绕组和励磁绕组等4种,如图3所示。
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图3 TBQ8—4923/25主变压器电气原理图
3、器身绝缘和引线装置
油浸式变压器的内部绝缘分为主绝缘和纵绝缘两类,主绝缘是指绕组(或引线)对地及对其他绕组(或引线)之间的绝缘;纵绝缘则指同一绕组不同部位之间的绝缘。绝缘结构尺寸,特别是主绝缘尺寸将直接影响变压器的重量和外形尺寸,以及阻抗电压、损耗等性能数据。
对于同心式绕组的主绝缘广泛采用油隔板绝缘结构,TBQ8主变压器的绕组与心柱、不同绕组之间的隔板为4~5mm厚的酚醛纸筒,绕组均匀绕在酚醛纸筒上,并且绕组与油箱、铁心以及不同绕组之间必须有足够的绝缘距离(油隙)。绕组不同部位间的纵绝缘为由垫块、撑条构成的轴向、径向油道组成。
图4 TBQ8,4923/25型主变压器的绕组布置和绝缘结构 1-压板;2-上铁轭绝缘;3-牵引绕组DY2;4-高压绕组GY1;5-牵引绕组DY3、励磁绕组DY5;6-辅助绕组DY4;7-下铁轭垫块;8-隔板组;9-下铁轭垫块。
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1.3.2油 箱
油箱是油浸式主变压器的外壳,变压器的器身就放在充满变压器油的油箱内。对油箱的基本要求是:
(1)在保证内部必要的绝缘距离条件下,尽可能减小体积,以节约用油;
(2)应具有必要的真空强度,以便在检修时能利用油箱进行真空干燥;
(3)油箱外部各种附件的布置应便于安装和维护。
TBQ8型主变压器的油箱箱底用10mm厚钢板制成,上面焊有用来限制器身移动的4个定位钉,并设有放油塞。箱壁长边用 8mm、短边用6mm厚钢板焊接而成,为防止变形,四周焊有一些加强筋板。箱壁上焊有吊攀、冷却器安装座、50活门、油样活门及接地螺栓等附件;箱壁两侧焊有两块 14mm厚的安装板,安装板上共有 16个长孔,用M24的螺栓把变压器固定在车体上。箱壁上开有多处用于安装出线装置和作为手孔的长方形孔。
上油箱由钢板制成,其内腔用作安装4台滤波电抗器。上油箱和下油箱的箱沿间垫有直径为20mm的耐油圆橡胶密封圈,四周用 73个 M16螺栓紧固,以防漏油。上油箱上安装有储油柜和1个WTZ,288型信号温度计。 1.3.3保护装置
TBQ8型变压器油是从石油中提炼出来的优质矿物油。在油浸式变压器中,变压器油既是一种绝缘介质,又是一种冷却介质。因此,对变压器油的要求是:介质绝缘强度高、粘度低、网点高、凝固点低、酸值低、灰粉等杂质及水分少。变压器油在较高温度下长期与空气中的氧接触时会逐渐老化,在油中生成不传热的悬浮物,堵塞油道,并使酸值增加,绝缘强度降低,这对变压器的安全运行是十分不利的。
为了减缓变压器油受潮或老化的程度,使油能较长久地保持良好状态,在TBQ8主变压器上专门设置了下列几种保护装置:
1(储油柜(油枕)
2(油位表
3(吸湿器
4(信号温度计(如图 5所示)
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图 5 WTZ-288型信号温度计
1-测温筒;2-毛细管;3-刻度盘;4-支架;5-拉杆;6-扇形齿轮;7-小齿轮;8-游丝;9-弹簧管。
5(油流继电器
图6 YJ-100-A型油流继电器原理示意图
1-动板;2-油联管;3-密封环;4、5-磁钢;6-电气部分;7-指针;8-壁;
6压力释放阀
图7 YSF-70/25J型压力释放阀
1- 防雨帽;2-调压螺母;3-上罩;4-内、外弹簧;5-标志杆;6-阀盖;7-上封环;
8-侧封环;9-阀座;10-下封环。
1.3.4冷却系统
主变压器运行中产生的所有损耗将转变为热能,使各部件的温度升高,当主变压器温升超过规定的限值,将使绝缘损坏,直接影响主变压器的使用寿命(20,30年)。因此,主变压器必须具有相应的散热能力。
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图 8 冷却系统示意图
1-主变压器器身;2-下油箱;3-上油箱;4-滤波电抗器;5-储油柜;
6-潜油泵;7-100蝶阀;8-油流继电器;9-通风机;10-冷却柜;11-平波电抗器。
TBQ8型主变压器采用独立的强迫导向油循环风冷却系统(见图8)。系统中设置有STD-1型铝冷却器,为全铝合金板翅式结构,经硬钎焊的冷却器心刚度高,强度好,能承受700kPa的压力。
1.3.5出线装置
主变压器各绕组的引线从油箱内引至油箱外时,必须采用出线装置,以便使带电的导线与接地的油箱绝缘。
TBQ8型主变压器的出线装置采用两种套管:A-BJL-25/300型一个;X-BF-1/300,一个。以上两种套管,是以电瓷件为绝缘件的。此外,TBQ8型主变压器还采用多种以胶木板为绝缘件的出线装置。以接线头个数区分,可分为二联、三联、四联、五联等。
如图9所示的4种。
图9 绝缘瓷套管
(a)BLJ-25/300型穿缆式套管;(b)BF-1/300和BF-1/600型套管;
(c)BF-1/800型套管;(d)BF-6/2000型套管和BF-6/300型套管。 1-接线头;2-圆螺母;3-衬垫;4-磁盖;5-封环;6-上磁套;7-密封垫圈;8-纸垫圈;9-下磁套;10-导电杆;11-纸垫圈;12-磁套;13-衬垫;14-压钉;15-电缆;16-放气塞。
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2 主变压器的维护
电力机车主变压器运行条件特殊,接触网电压变化大,机车额定工作电压25kV,正常的工作电压20~29kV,允许偏差+16%和-20%,故障运行电压为19kV。在实际运行中,接触网首端电压有时达到31kV,机车再生制动时,网压可达到32kV。而电力变压器网压变化率只有?5%。与一般变压器相比,主变压器的馈电电压变动范围大;另外,馈电的分段处有电力中断,同时还伴有相位变化,所以主变压器常受到大的电冲击。
机车运行时要求无流通过分相区,接触网分相距离一般为20~40km。牵引变压器要经常断开和接通。当列车平均速度为80km/h时,机车主变压器约15~ 30min投切一次。当列车平均速度为200kn/ h时,则10~ 20min就要投切一次。
综上所述,主变压器的工作条件与普通电力变压器截然不同,它的工作条件和工作环境是相当恶劣的。
因此为了保证机车安全稳定的运行,电力机车主变压器的维护就相当的重要。 2.1 电力机车变压器的维护方法
为了使主变压器经常处于良好的工作状态,必须对主变压器进行日常的维护和定期的检修。以减少或避免主变压器在运行过程中发生故障及不必要的临时检修,从而保证主变压器安全可靠运行。
1. 主变压器必须保持正常的油量,以保证良好的冷却作用和绝缘性能。油量不足时,必须及时补充合格的同型号的变压器油。
2. 定时检查和校验测量油用的温度计,以保证指示正确。
3. 经常检查油的温度。正常运行时,主变压器上层油温应不大于95?,绕组平均温度不得大于105?。
4. 主变压器各部分电气接触应保持良好,若有触头发热等不正常现象时,应及时处理。绝缘瓷瓶应经常保持清洁、无裂纹、无放电痕迹及其他异常现象,确保瓷瓶绝缘性能良好。
5. 主变压器刚开始投入运行、长期停运或检修后投入运行时,必须仔细检查它的外部状态,并对主变压器的各绕组及变压器油进行绝缘强度试验,确认合格后,方能投入运行。
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6. 加强对变压器油的保养。若变压器油不净或老化,将严重威胁变压器的安全运行。若变压器油制造厂过滤不净或在使用过程中由于油泵烧损、轴承磨损、泵轮转子铁芯松动等原因都可能使变压器油内混入金属碎片和产生游离,使油变污;变压器长期使用后,也会发生老化析出酸及油泥。因此在下列情况下,变压器必须进行滤油处理,。以提高变压器油的质量:
(1)变压器油泵烧损修复后;
(2)烧损油泵时;
(3)运行多年而未经滤油的;
(4)主变压器中修时;
(5)闪点下降及发生其他情况认为需要滤油时。
7. 定时检查吸湿器中的干燥剂,观察是否变色。硅胶在干燥时呈蓝色,吸收潮气后呈粉红色。因此当吸湿器中的硅胶2?3呈粉红色时,需要进行干燥或更换。受潮的硅胶在140?温度下烘焙约8h(或在300?下烘焙2h)后,便可以完全变成蓝色。
2.2 电力机车变压器检查方法
2.2.1变压器室检查给油顺序
1.变压器左侧
变压器门及门连锁?主断路器下部?主变压器吸湿干燥器及油位表?变压器储油柜?电度表及单极自动开关?高压电流互感器及穿墙瓷瓶?变压器潜油泵?PFC柜?油流继电器及变压器散热器
2.变压器右侧
变压器门及门连锁?变压器风机?油温表?主断路器下部
2.2.2变压器室重点检查给油处所
1.主断路器分合闸线圈、传动部件、穿墙瓷瓶等。
2.主变压器油位表、油温表、抽头接线、阻容保护、空气干燥器。
3.潜油泵、变压器冷却风机。
2.2.3主要检查部件的技术要求
1.变压器使用25号变压器油。油量不足时,必须及时补足合格的同型号变压器油。
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2.定期检查和校验测温用温度计,以保证其指示正确。
3.经常检查变压器油的温度。当环境温度为25?时,变压器油的最高温升应不大于55?,油温一般应维持在70?以下。
4.加强对牵引变压器油的保养。添加变压器油时,应使用滤油机由变压器下方50活门处压入。定期进行变压器油的化验。
5.注意观察吸湿器中的硅胶变色情况,当有2?3的硅胶由蓝变红时,应予更换。
6.主断路器分合闸电磁铁衔铁与气动阀杆间隙5~10mm。
表二
变压器检查内容及要求
检查部位 检查内容及要求
变压器上盖 1.插座安装牢固,接线良好无破损。
2.各瓷瓶清洁无破损,无漏油。
3.各扁线无烧损。
4.变压器上部无异物。
储油柜及附属1. 吸湿器安装牢固无破损,硅胶颜色正常。
装置 2. 油表完好标记齐全清晰。
3. 储油柜无溢漏。加油堵、检查孔螺栓齐全牢固,排气堵无松漏。 变压器潜油泵 安装牢固,各管路接头无松漏,各蝶阀位置正确,电机接线无松
脱。
油流继电器及1. 油流继电器518K安装牢固,接线无松动。
变压器散热器 2. 端子排接线无松脱,安装牢固。
3. 变压器散热器各螺栓紧固,无漏泄。
3 运行中的常见故障类型
3.1按故障发生部位分类
?变压器外部故障
油箱:焊接质量不好,密封填圈不好;电压分接开关传动装置:机械操动部分,控制部分等问题;冷却装置:风扇,输油泵、控制设备等问题;附件:绝缘套管、温度计、
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油位计、各种继电器等问题。
?变压器内部故障
绕组:绝缘击穿,断线,变形;铁心:铁心叠片之间绝缘不好,接地不好,铁心两点或多点接地及铁心螺栓绝缘击穿;内部的装配金具问题:电压分节开关控制不到位,引线绝缘薄弱;绝缘油老化。
3.2按故障性质分类
变压器的内部故障主要有:过热性故障、放电性故障、油故障等类型。加速变压器寿命终结的根源是绝缘的老化。它使变压器逐渐丧失原有的机械性能和绝缘性能,容易产生局部放电,降低绝缘的工频及冲击击穿强度,缩短变压器的使用寿命。
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TBQ8型主变压器总图(单位:mm)
1-100蝶阀;2-波纹管;3-油流继电器;4-BJL-25/300套管;5-信号温度计;6-油样活门;7-下油箱;8-出线装置;9-吸湿器;10-上油箱;11-油位表;12-储油柜;13-主变压器铭牌;15-滤波电抗器铭牌;16-潜油泵;17-通风机;18-冷却柜;19-压力释放阀;20-50活门。
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