变压器保护基本原理概述讲述

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1、主要内容主要内容 主要内容： 变压器及变压器保护基本特点 变压器保护的配置原则 各种主后备保护原理 变压器在系统中的地位及特点变压器在系统中的地位及特点 电力变压器是电力系统中的重要电气设备，其广泛应 用于不同电压等级的变电站中。电力变压器属于连续 运行的静止设备，相对于输电线路和发电机来说，虽 然运行比较可靠，发生故障机会较少，但是大部分变 压器安装在户外，受自然条件影响大，还受到连接负 荷和电力系统故障影响，特别是现代电力系统，越来 越多的采用大容量电力变压器，电压等级高，造价昂 贵，结构复杂，如果因故障而遭到损坏，将造成很大 的经济损失。另外，变压器故障不仅影响供电可靠性 ，对电力系统稳

2、定运行扰动也很大，影响范围大。 变压器保护概括变压器保护概括 变压器保护对电力变压器的安全运行和电网可靠供电 起着极其重要的作用。近年来我国数字式变压器保护 研制水平和制造技术不断提高，数字式变压器保护已 经得到推广应用，数字式保护装置在硬件可靠性和保 护性能方面有了较大提高，但与线路保护等相比较， 实际运行中变压器保护的正确动作率仍然偏低。变压 器故障分析理论和变压器保护中励磁涌流等问题仍然 是需要研究的重要内容。 变压器故障变压器故障 变压器故障分为本体内部故障和外部故障。本体内部 故障是变压器油箱内发生的故障，它包括绕组间的相 间短路、绕组或引线的单相接地短路及绕组的匝间短 路，还有由于

3、各种原因在变压器油中产生的间歇性电 弧或局部过热，在发展过程中也可能引起各种故障。 外部故障主要是油箱外部引出线的各种相间短路或单 相接地短路。变压器的故障，特别是内部故障电弧， 不仅会损坏绕组绝缘、烧坏铁芯，还可能产生大量汽 化气体，引起油箱爆炸。因此变压器发生故障时，保 护装置应迅速将故障变压器切除。 变压器现场故障情况变压器现场故障情况 电压等级220kV330kV500kV合计 次数%次数%次数%次数% 本 体 内 部 故 障 匝间故障1130.5611002401433.33 铁芯故障 12.7812.38 相间接地故障 822.22819.04 套管故障 1233.33120133

4、0.95 分接开关故障 411.11240614.28 小计 361001100510042100 外部故障 501354 合 计 862896 变压器总台数37211614414323 本体故障变压器台数361542 故障率（次/百台年）0.960.621.130.97 2004年全国220kV及以上大型变压器故障统计 变压器主要故障类型变压器主要故障类型 现场变压器所发生故障的统计情况反映，变压器内部 匝间故障、相间接地故障、套管故障以及变压器外部 引线各种短路故障是变压器的主要故障类型。 变压器不正常运行状态变压器不正常运行状态 变压器不正常工作状态主要包括：由于变压器外部相 间短路引起

5、的过电流，外部接地短路引起的过电流和 中性点过电压，冷却系统故障和过负荷，大容量变压 器在过电压和低频率等异常工况下的过励磁。变压器 长时间不正常运行会造成绕组和铁芯过热以及绝缘损 坏，保护应及时发出告警信号，并采取相应措施。 变压器保护配置原则变压器保护配置原则 瓦斯保护用于反映并消除变压器油箱内部各种短路及 油面降低。对于0.4MVA及以上车间内油浸式变压器和 0.8MVA及以上油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。带 负荷调压变压器充油调压开关，亦应装设瓦斯保护。 1 1、瓦斯保护瓦斯保护 对于变压器运行中可能出现的各种故障和异常运行状 态，GB/T14285-2006继电保护和安全自动装置技

6、术 规程（以下简称规程）对各种电力变压器一般应装 设的保护作出了规定。 变压器保护配置原则变压器保护配置原则 纵差动保护或电流速断保护作为变压器内部、套管及 引出线短路故障的主保护。对于电压在10kV及以下、 容量在10MVA及以下变压器采用电流速断保护。电压 在10kV以上、容量在10MVA及以上变压器采用纵差动 保护。对于10kV重要变压器，也可采用纵差动保护。 而电压为220kV及以上变压器采用数字式保护时，应采 用双重化保护配置（非电量保护除外）。 2 2、纵差动保护或电流速断保护、纵差动保护或电流速断保护 变压器保护配置原则变压器保护配置原则 反映外部相间短路引起的变压器过电流，并作

7、为瓦斯 保护和纵差动保护的后备，35kV66kV及以下中小容 量降压变压器宜采用过电流保护，110kV500kV降压 、升压和系统联络变压器宜采用复合电压起动的过电 流保护或复合电流保护。 3 3、相间短路后备保护、相间短路后备保护 变压器保护配置原则变压器保护配置原则 对110kV及以上中性点直接接地电网中各种变压器，当 变压器中性点可能接地运行或不接地运行时，为反映 外部单相接地短路引起的过电流，以及因失去接地中 性点引起的变压器中性点升高，应装设相应的零序过 电流保护和零序过电压保护。 4 4、接地短路后备保护、接地短路后备保护 变压器保护配置原则变压器保护配置原则 应装设反映变压器各侧

8、绕组过负荷情况的过负荷保护 。 5 5、过负荷保护、过负荷保护 对于高压侧为330kV及以上电压等级的变压器，应装设 过励磁保护。 应装设能够反映变压器油温、绕组温度及油箱内压力 升高，或冷却系统故障的保护。 6 6、过励磁保护、过励磁保护 7 7、其它保护、其它保护 变压器差动保护变压器差动保护 变压器差动保护是变压器的主保护之一。通常其保护 范围包括了各侧电流互感器以内区域，可以保护变压 器绕组的相间短路、匝间短路、各侧引出线短路和中 性点接地侧变压器绕组和引出线上的单相接地短路。 然而与线路、发电机差动保护不同，变压器一般具有 两个或更多个电压等级，变压器原副边电气量反映的 是变压器各侧

9、磁耦合关系，因此变压器差动保护不平 衡电流产生的因素更多，特别是变压器励磁涌流、过 励磁均对保护有影响，需要采取相应措施防止保护误 动。 概述概述 变压器差动保护变压器差动保护 差动保护原理基于基尔霍夫电流定律，下图为双绕组 变压器纵差动保护原理接线图。 * * * * 基本原理基本原理 变压器差动保护变压器差动保护 差动保护的动作量为差动电流，差动电流为变压器各 侧电流相量和，变压器区内故障时，差动电流为流入 故障点的电流，当差动电流大于保护的动作电流时， 差动保护动作。在变压器正常运行和外部故障时，变 压器各侧流入和流出的一次电流之和为零，保护不会 动作。但变压器差动保护在实际正常运行和外

10、部短路 时，由于变压器各侧电流幅值和相位不同，以及励磁 电流的存在，使得差动回路中稳态、暂态不平衡电流 显著增加，从而造成影响差动保护动作行为的特殊问 题。 基本原理基本原理 变压器差动保护变压器差动保护 1）变压器各侧电流相位不同。变压器各侧绕组接线组 别不同，使各侧电流存在相位差，常规保护通过各侧 电流互感器的不同二次接线校正和补偿这种电流相位 差，数字式保护可由软件校正相位差。 2）计算变比与标准变比不同。电流互感器选择的标准 变比与计算变比不匹配，也会产生不平衡电流，需要 进行变比误差的幅值补偿，电磁型差动继电器采用平 衡绕组实现一定的补偿，静态型差动继电器利用电抗 变换器二次电压调平

11、衡，数字式保护可由软件计算进 行各侧幅值的补偿。 特殊问题特殊问题 变压器差动保护变压器差动保护 5）变压器励磁涌流。变压器励磁电流仅流入变压器一 侧，反映为差动回路不平衡电流。变压器稳态励磁电 流较小，但当变压器空载投入或外部短路故障切除电 压恢复时，将出现数值很大的励磁电流，称为励磁涌 流，差动保护需要采取措施防止励磁涌流造成保护误 动。 由于变压器纵差动保护的上述特点，变压器差动保护 构成比较复杂，需要采取各种方法和措施减小这些不 平衡电流的影响，还需要专门的励磁涌流和过励磁判 据防止差动保护的误动作。 特殊问题特殊问题 变压器差动保护变压器差动保护 励磁涌流是变压器纵差动保护的一个主要

12、问题。励磁 涌流的出现有三种情况，当投入空载变压器时产生空 投励磁涌流，当外部故障切除电压恢复时产生恢复励 磁涌流，当两台并联变压器，一台正常运行，另一台 空载合闸时，不仅合闸变压器有励磁涌流，另一台并 联运行变压器中会出现和应涌流。对于后二种涌流， 由于变压器是部分励磁，因此均比空投励磁涌流小。 励磁涌流及其特点励磁涌流及其特点 变压器差动保护变压器差动保护 励磁涌流是由于变压器铁芯严重饱和产生的。下图为 三绕组变压器空载合闸励磁涌流。 励磁涌流及其特点励磁涌流及其特点 变压器差动保护变压器差动保护 对于空投励磁涌流，当空载变压器合闸时，某一侧突 然加上电源电压，由于铁芯中磁通不能突变，因此

13、出 现非周期分量磁通，从而增大的暂态铁芯磁通使铁芯 严重饱和，变压器励磁电感降低，相应出现数值很大 的励磁电流。励磁涌流的大小与空载合闸电压初相角 ，电源电压和系统阻抗大小、铁芯材质和型式、剩磁 大小和方向及饱和磁通大小、TA传变特性有关，对于 三相变压器还与三相绕组的接线方式等有关。大量文 献和现场实际数据分析表明，励磁涌流具有如下特点 ： 励磁涌流及其特点励磁涌流及其特点 变压器差动保护变压器差动保护 1）励磁涌流波形明显偏于时间轴一侧，含有很大的非 周期分量电流，励磁涌流数值大且随时间衰减，衰减 时间与变压器和电网时间常数有关，中小变压器涌流 倍数大，衰减较快（可达10Ie，衰减时间0.

14、51s），大 型变压器涌流倍数较小，衰减慢（46 Ie，23s，甚至 1min） 2）励磁涌流中含有大量的高次谐波分量，其中以二次 谐波分量电流为主。对于三相变压器，三相二次谐波 大小不同，但总有至少一相的二次谐波较大。但也有 一相可能出现近似对称性涌流，谐波含量很低。 励磁涌流及其特点励磁涌流及其特点 变压器差动保护变压器差动保护 3）励磁涌流呈现尖顶波，相邻两个波形之间出现间断 ，波形间断的宽度为间断角，间断角大小与铁芯饱和 磁通和剩磁大小有关。 励磁涌流将造成差动保护误动，因此，在考虑变压器 纵差动保护的各种方案时，需要根据励磁涌流的上述 特点，采取相应的防止保护误动的措施。 励磁涌流及

15、其特点励磁涌流及其特点 变压器差动保护变压器差动保护 励磁涌流判别一直是变压器保护研制和运行的主要问 题，多年来进行了大量研究和探索，迄今具有现场运 行经验的励磁涌流判别原理可归纳为以下几类： 1）常规BCH型具有速饱和变流器的差动继电器，利用 非周期分量使速饱和变流器迅速饱和，抑制涌流传变 ，防止差动保护误动作。但在变压器内部故障时，非 周期分量的存在也使纵差动保护延迟动作。在三相励 磁涌流中，可能有一相没有非周期分量，必须通过提 高差动继电器动作值来躲过涌流，使得保护灵敏度较 低。 励磁涌流判别方法励磁涌流判别方法 变压器差动保护变压器差动保护 2）二次谐波电流是励磁涌流的显著特点，二次谐

16、波制 动方法判别差动电流中二次谐波分量与基波分量的比 值，大于整定值时闭锁差动保护，一般二次谐波比的 整定值为1520%。二次谐波制动是运行经验最多，应 用最为广泛的避越励磁涌流的方法。 励磁涌流判别方法励磁涌流判别方法 变压器差动保护变压器差动保护 现代大型变压器采用冷轧硅钢片，饱和磁密较高，剩 磁较大，使励磁涌流中二次谐波含量减少。三相差动 电流中某一相可能会出现对称性涌流，但三相涌流中 至少有两相或一相二次谐波比能达到定值，因此，二 次谐波制动采用三相“或”门闭锁方式，只要有一相二次 谐波含量达到定值，就闭锁纵差动保护。试验和分析 表明，在内部故障电流中有较大的二次谐波分量时， 差动保护的动作速度会受到影响，特别是当空载合闸 于故障变压器上，非故障相呈现励磁涌流，差动保护 可能被闭锁，随着涌流衰减，保护动作时间长达几百 毫秒。 励磁涌流判别方法励磁涌流判别方法 变压器差动保护变压器差动保护 3）采用波形间断角原理判别励磁涌流，当差动电流波 形的间断角大于整定值时，可判别为励磁涌流，闭锁 差动保护。由于电流互感器传变可能导致间断角消失 ，因此需采取