四川理工学院《电力系统分析》第 十 章变压器保护

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1、第 十 章 变压器保护 电力变压器是电力系统中的重要电气设备。 大容量变压器造价十分昂贵，其故障会对供电可 靠性和系统的安全稳定运行带来严重的影响。因 此，应根据变压器容量和重要程度，装设性能良 好、动作可靠的继电保护装置。 第一节 故障类型、不正常运行状态 及其保护方式 （1）油箱内部故障 变压器油箱内部故障 产生较大的短路电流， 不仅会烧坏变压器绕组 和铁心，而且由于绝缘 油汽化，可能引起变压 器爆炸。 一、变压器故障类型 一、变压器故障类型 （1）油箱内部故障 a、变压器绕组 相间短路； 一、变压器故障类型 （1）油箱内部故障 a、变压器绕组 相间短路； b、变压器绕组 匝间短路； （1

2、）油箱内部故障 a、变压器绕组 相间短路； b、变压器绕组 匝间短路； c、变压器绕组 接地短路。 一、变压器故障类型 （2）油箱外部故障 保护范围的划分 线 路 保 护 的 范 围 变压器保护的范围 （2）油箱外部故障 a、绝缘套管的相间短路与接地短路； b、引出线上的发生的相间短路和接地短路。 变压器的不正常工作状态： （1）由于外部短路引起的过电流； （2）负荷长时间超过额定容量引起的过负荷； （3）油箱漏油造成的油面降低； （4）由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁。 对于不正常工作状态，变压器保护也必须能够反 应发告警信号，或延时跳闸。 三、变压器的保护配置 1. 瓦斯保护 2.

3、轻瓦斯（信号）和重瓦斯（跳闸） 针对油箱内的各种故障及油面降低。 优点：油箱内部所有故障,有较高灵敏性。 缺点：1）动作时间较长； 2）不能反应油箱外部的故障。 2.纵差保护或电流速断保护 3. 特点：瞬时动作切除故障 主 保 护 2.纵差保护或电流速断保护 3. （根据变压器容量选择） 4. 主要反应绕组、套管及引 5.出线上的相间短路，并在一 6.定程度上反应绕组内部匝间 7.短路及中性点接地侧的接地 8.短路。 9. 特点：瞬时动作切除故障 2.纵差保护或电流速断保护 3. （根据变压器容量选择） 4. 主要反应绕组、套管及引 5.出线上的相间短路，并在一 6.定程度上反应绕组内部匝间

4、7.短路及中性点接地侧的接地 8.短路。 9. 特点：瞬时动作切除故障 3、外部相间短路的后备保护 1）过电流保护 2）复合电压起动的过流保护 3）负序电流保护和单相式低压起动的 过电流保护 4）阻抗保护 4、外部接地短路的后备保护 1）零序电流保护（若中性点接地） 2）零序过电压保护、在中性点装放电 间隙加零序电流保护 延 时 跳 闸 或 发 信 号 延 时 跳 闸 或 发 信 号 5、过负荷保护 6、过励磁保护 7、其它非电气量保护 （油箱内温度、压力升高， 冷却系统故障） 第二节 变压器差动保护 一、变压器纵差保护原理 基本原理仍然是：基尔霍夫电流定律。使正常运 行及外部故障时，流过差动

5、继电器的电流为0。 该式表明了两侧TA变比与 变压器变比之间的理想关系 (未考虑变比的 关系)。 二、变压器纵差保护的不平衡电流（影响因素） 变压器差动保护有其具体的特点。 引起变压器纵差保护不平衡电流的主要因素有： （1）变压器两侧绕组接线方式不同； （2）变压器、电流互感器的计算变比与实际变比 不同； （3）变压器带负荷调节分接头； （4）电流互感器传变误差的影响； （5）变压器励磁电流产生的不平衡电流； （6）变压器励磁涌流。 特殊问题及对策归纳： （1）接线方式不同 （2）TA变比不同 （3）调压分接头 （4）TA传变误差 （5）不平衡电流 （6）变压器励磁涌流 对策 二次修正 二次修

6、正 定值考虑 定值考虑 定值考虑 识别、闭锁 （仍然研究） 微机保护 易于实现 微机保护识别涌流的能力提高了很多 1、变压器两侧绕组接线方式不同产生的不平衡 相位变化引起的 Y A I& Y B I& Y C I& D A I& D B I& D C I& a I& b I& c I& Y A I& Y B I& Y C I& D A I& D B I&a I& b I& c I& TA二次的接法：变压器 Y形侧二次侧接成形； （非微机） 变压器形侧二次侧接成Y形。 对于非微机保护 ，通过TA的二次接 线，完成相位修正 ： Y侧二次修正 微机变压器保护的TA接法：全Y接入(回路简单)。 零线

7、微机变压器保护的TA接法：全Y接入(回路简单)。 零线 对于微机保护， 通过内部计算，完 成相位修正： 内部计算修正 2、TA的计算变比与实际变比不同产生的不平衡 实际工程中，变压器的变比、 电流互感器的变比都是根据产 品目录确定的标准变比，有时 难以满足： 由此产生了误差。 克服措施： 对不平衡电流进行补偿。 传统的方法之一如右图。 克服措施： 对不平衡电流进行补偿。 传统的方法之一如右图。 克服措施： 对不平衡电流进行补偿。 传统的方法之一如右图。 微机保护允许任意的TA变比。 3、变压器带负荷调整分接头产生的不平衡 带负荷调压分接头变压器在运行中常常需要 改变分接头来调电压，这样就改变了

8、n T，出现不 平衡差流。 克服措施：整定时增大动作电流门槛值。 4、两侧电流互感器传变误差产生的不平衡 1）稳态不平衡电流 变压器两侧电流互感器的型号不同，励磁特性 差别较大。 一个电流互感 器的等值图 2）暂态不平衡电流 外部故障时，短路电流中还含有非周期暂态分量 ，非周期分量按一定的时间常数衰减，是低频分量 ，大部分流经励磁支路，增加了TA的传变误差，导 致不平衡电流增大。 克服措施： 暂态 选用具有较好暂态传变特性的TA； （如：TPY型TA） 稳态 增大动作电流门槛值。 4、两侧电流互感器传变误差产生的不平衡 当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程 中，由于变压器铁芯中的磁通急

9、剧增大，使变压器铁 芯瞬时饱和，出现数值很大的励磁电流（称为：励磁 涌流）。 励磁涌流可达变压器额定电流的 68 倍，如不采 取措施，变压器纵差保护将会误动。 5、变压器励磁涌流的影响 稳态时，存在： ， 因此，磁通滞后电压90。 涌流产生原因： 由于铁芯中磁通不能突变，所以，必须产生一个 +m 的非周期分量，以抵消 m，使得=0。 由于铁芯中磁通不能突变，所以，必须产生一个 +m 的非周期分量，以抵消 m，使得=0。 电流很大 磁化曲线 电流很大 磁滞曲线 铁芯中的磁通达到最大值变压器严重饱和 励磁阻抗降低对应的励磁电流很大 类似于“涌动的潮流”，故，简称“励磁涌流”。 在电压为峰值（或谷值

10、）时合闸，则涌流最小。 单相变压器励磁涌流的特征： 1、数值较大，可达额定电流的68倍，偏于时间 轴的一侧（含有较大的直流分量）； 2、励磁涌流中含有大量的谐波分量； 3、励磁涌流的波形中有间断。 三相变压器励磁涌流至少一相有涌流，因 为，至少有一相在电压非峰值、非谷值时合闸。 一个典型的电流波形如下： 励磁涌流的特征 1、偏向一侧 2、谐波分量大 3、波形中有间断 为了克服励磁涌流对变压器差动保护的影响，一 般采用：励磁涌流闭锁措施。 对策 波形对称原理 二次谐波制动原理 间断角制动原理 其中，二次谐波制动（闭锁）原理应用的最多， 也最成熟。 波形对称原理 波形对称 波形不对称 采取各种励磁

11、涌流闭锁措施后，带来的问题： 1）合闸在有故障的变压器时会延时动作。 例如：采用二次谐波制动时，需要等谐波衰减后， 才能够动作。 2）大型变压器的涌流特征可能不明显。 难点：涌流与短路的区别。 三、比率制动式纵差保护 纵差动保护的主要问题： 1）区外短路故障的不平衡电流； 2）变压器空载投入时，励磁涌流的影响； 3）内部短路故障时，还要保证差动保护的灵敏性 和快速性。 比率差动可以兼顾不平衡电流与灵敏性。 比率差动的制动门槛是随着电流而浮动的。 类似于线路差动保护的动作方程。 目前广泛应用的数字 式变压器纵差动保护， 普遍使用两折线或三折 线比率制动特性。 动作判据： 动作电流： 制动电流：

12、比率系数 四、差动电流速断保护 变压器内部严重故障时，短路电流很大，使得电 流互感器饱和，二次电流中高次谐波分量增大，可 能影响到比率差动保护的快速动作，因此，变压器 纵差动保护可配置差动电流速断保护。 差流速断 五、零序电流差动保护 由变压器中性点侧零序电流互感器和变压器星形 侧电流互感器的零序回路构成 。 优点：不受励磁涌流、电压分接头调整的影响。 但是，中性点TA特性还不太理想，极性的验证（ 正常无电流）。 后备保护的作用：防止外部故障引起的变压器绕组 过电流，并作为相邻元件（母线 或线路）保护的后备，以及在可 能条件下作为变压器内部故障时 主保护的后备。 第三节 变压器后备保护 主要包

13、括： 相间短路后备保护、接地短路后备保护。 后备保护主要以各种相电流、零序电流、负序 电流 + 延时构成。 一、相间短路的后备保护 相间后备保护用以防止变压器外部短路引起变压 器绕组的过电流及作为变压器本身差动保护和瓦斯 保护的后备，当变压器所连接母线未装设专用母线 保护时也作为母线的保护。 相间后备保护可选用过电流保护、复合电压启动 的过电流保护以及负序过电流保护等。 1、过电流保护（类似于电流保护中的第段） 按躲过变压器可能出现的最大负荷电流整定： 需要分别考虑躲过并列运行的变压器切除一台时 产生的过负荷电流，躲过电动机负荷的自起动电流 等，动作时限和灵敏度需要与相邻元件的过电流保 护相配合。 2、复合电压启动 的过电流保护 负序过电压反映不对称故障 低 电 压反映三相短路 1）动作电流按躲变压器额定电流整定； 2）负序过电压按躲不平衡电压整定： 3、负序过电流保护 负序电流保护灵敏度较高，但整定计算相对复 杂，由于负序电流不反应三相对称短路，所以必须 加装一套低电压启动的过电流保护来反应三相对称 短路。 用负序电流代替过流保护中的电流测量元件。