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1、变压器保护原理及调试变压器保护原理一变压器的故障及不正常运行方式1变压器的故障若以故障点的位置对故障分类，有油箱内的故障和油箱外的故障。（1）油箱内的故障变压器油箱内的故障，主要有各侧的相间短路，大电流系统侧的单相接地短路及同相部分绕组之间的匝间短路。（2）油箱外的故障变压器油箱外的故障，系指变压器绕组引出端绝缘套管及引出短线上的故障。主要有相间短路（两相短路及三相短路）故障，大电流侧的接地故障、低压侧的接地故障。2变压器的异常运行方式大型超高压变压器的不正常运行方式主要有：由于系统故障或其他原因引起的过负荷，由于系统电压的升高或频率的降低引起的过激磁，不接地运行变压器中性点电位升高，变压器油
2、箱油位异常，变压器温度过高及冷却器全停等。三变压器保护的配置变压器短路故障时，将产生很大的短路电流，使变压器严重过热，甚至烧坏变压器绕组或铁芯。特别是变压器油箱内的短路故障，伴随电弧的短路电流可能引起变压器着火。另外短路电流产生电动力，可能造成变压器本体变形而损坏。变压器的异常运行也会危及变压器的安全，如果不能及时发现及处理，会造成变压器故障及损坏变压器。为确保变压器的安全经济运行，当变压器发生短路故障时，应尽快切除变压器；而当变压器出现不正常运行方式时，应尽快发出告警信号及进行相应的处理。为此，对变压器配置整套完善的保护装置是必要的。1短路故障的主保护变压器短路故障的主保护，主要有纵差保护、
3、重瓦斯保护、压力释放保护。另外，根据变压器的容量、电压等级及结构特点，可配置零差保护及分侧差动保护。2短路故障的后备保护目前，电力变压器上采用较多的短路故障后备保护种类主要有：复合电压闭锁过流保护；零序过电流或零序方向过电流保护；负序过电流或负序方向过电流保护；复合电压闭锁功率方向保护；低阻抗保护等。3异常运行保护变压器异常运行保护主要有：过负荷保护，过激磁保护，变压器中性点间隙保护，轻瓦斯保护，温度、油位保护及冷却器全停保护等。变压器纵差保护一变压器纵差保护的构成原理及接线与发电机、电动机及母线差动保护（纵差保护）相同，变压器纵差保护的构成原理也是基于克希荷夫第一定律，即（11-9）式中：变
4、压器各侧电流的向量和。式（119）代表的物理意义是：变压器正常运行或外部故障时，流入变压器的电流等于流出变压器的电流。此时，纵差保护不应动作。当变压器内部故障时，若忽略负荷电流不计，则只有流进变压器的电流而没有流出变压器的电流，其纵差保护动作，切除变压器。在以前的模拟式保护中，变压器纵差保护的原理接线如图11-12所示。图11-12变压器纵差保护原理接线图在图11-12中：LH1、LH2分别为变压器两侧的差动TA；JA、JB、JC分别为A、B、C三相的三个分相差动继电器。可以看出：图11-12为接线组别为YN,d11变压器的分相差动保护的原理接线图。该接线图也适用于微机型变压器差动保护。图中相
5、对极性的标号采用减极性标示法。二实现变压器纵差保护的技术难点实现发电机、电动机及母线的纵差保护比较容易。这是因为这些主设备在正常工况下或外部故障时其流进电流等于流出电流，能满足的条件。而变压器却不同。变压器在正常运行、外部故障、变压器空投及外部故障切除后的暂态过程中，其流入电流与流出电流相差较大或很大。为此，要实现变压器的纵差保护，需要解决几个技术难点。1变压器两侧电流的大小及相位不同变压器正常运行时，若不计传输损耗，则流入功率应等于流出功率。但由于两侧的电压不同，其两侧的电流不会相同。超高压、大容量变压器的接线方式，均采用YN,d方式。因此，流入变压器电流与流出变压器电流的相位不可能相同。当
6、接线组别为YN,d11（或YN,d1）时，变压器两侧电流的相位相差300。流入变压器的电流大小和相位与流出电流大小和相位不同，则就不可能等于零或很小。2稳态不平衡电流大与发电机、电动机及母线的纵差保护相比，即使不考虑正常运行时某种工况下变压器两侧电流大小与相位的不同，变压器纵差保护两侧的不平衡电流也大。其原因是：（1）变压器有激磁电流变压器铁芯中的主磁通是由激磁电流产生的，而激磁电流只流过电源侧，在实现的纵差保护中将产生不平衡电流。激磁电流的大小和波形，受磁路饱和的影响，并由变压器铁芯材料及铁芯的几何尺寸决定，一般为变压器额定电流的3%8%。大型变压器的激磁电流相对较小。（2）变压器带负荷调压
7、为满足电力系统及用户对电压质量的要求，在运行中，根据系统的运行方式及负荷工况，要不断改变变压器的分接头。变压器分接头的改变，相当于变压器两侧之间的变比发生了变化，将使两侧之间电流的差值发生了变化，从而增大了其纵差保护中的不平衡电流。根据运行实际情况，变压器带负荷调压范围一般为5%。因此，由于带负荷调压，在纵差保护产生的不平衡电流可达5%的变压器额定电流。（3）两侧差动TA的变比与计算变比不同变压器两侧差动TA的名牌变比，与实际计算值不同，将在纵差保护产生不平衡电流。另外，两侧TA的型号及变比不一，也将使差动保护中的不平衡电流增大。由于两侧TA变比误差在差动保护中产生的不平衡电流可取6%变压器额
8、定电流。3暂态不平衡电流大（1）两侧差动TA型号、变比及二次负载不同与发电机纵差保护不同，变压器两侧差动TA的变比不同、型号不同；由各侧TA端子箱引至保护盘TA二次电缆的长度相差很大，即各侧差动TA的二次负载相差较大。差动TA型号及变比不同，其暂态特性就不同；差动TA二次负载不同，二次回路的暂态过程就不同。这样，在外部故障或外部故障切除后的暂态过程中，由于两侧电流中的自由分量相差很大，可能使两侧差动TA二次电流之间的相位发生变化，从而可能在纵差保护中产生很大的不平衡电流。（2）空投变压器的励磁涌流空投变压器时产生的励磁涌流的大小，与变压器结构有关，与合闸前变压器铁芯中剩磁的大小及方向有关，与合
9、闸角有关；此外，尚与变压器的容量、距大电源的距离（即变压器与电源之间的联系阻抗）有关。多次测量表明：空投变压器时的励磁涌流通常为其额定电流的26倍，最大可达8倍以上。由于励磁涌流只由充电侧流入变压器，对变压器纵差保护而言是一很大的不平衡电流。（3）变压器过激磁在运行中，由于电源电压的升高或频率的降低，可能使变压器过激磁。变压器过激磁后，其励磁电流大大增加。使变压器纵差保护中的不平衡电流大大增加。（4）大电流系统侧接地故障时变压器的零序电流当变压器高压侧（大电流系统侧）发生接地故障时，流入变压器的零序电流因低压侧为小电流系统而不流出变压器。因此，对于变压器纵差保护而言，上述零序电流为一很大的不平
10、衡电流。三空投变压器的励磁涌流1励磁涌流产生的机理以单相变压器为例，说明其空投时励磁涌流产生的机理。忽略变压器及合闸回路电阻的影响，电源电压的波形为正弦波。则空投瞬间变压器铁芯中的磁通与外加电压的关系为（11-10）式中：W变压器空投侧绕组的匝数；铁芯中的磁通；Um电源电压的幅值；合闸角；角速率，当频率为50Hz，314。由式（11-10）可得（11-11）式（11-11）为一不定积分方程，求解得（11-12）式（11-12）中：C积分常数，由初始条件确定。当t0时，则（11-13）式中：合闸前铁芯中的剩磁通。将式（11-13）代入（11-12），并考虑到电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗（
11、11-14）式是： ；T时间常数，与合闸回路的损耗及感抗有关。式（11-14）中的第一项为磁通的强迫分量，而第二项为磁通的自由分量或衰减的分量。由式（11-14）可以看出，在空投变压器的瞬间，铁芯中的磁通由三部分组成：强迫磁通，剩磁通及决定于合闸角的磁通。根据式11-14及不考虑自由分量衰减并设合闸角剩磁时，在合闸瞬间变压器铁芯中的综合磁通变化曲线如图（11-13）所示的曲线。图11-13空投变压器时变压器铁芯中的磁通变化波形在图（11-13）中：曲线1外加电压波形；曲线2铁芯中的强迫磁通（或稳定磁通）；曲线3空投变压器时铁芯中综合磁通波形。可以看出：当初始合闸角等于00、变压器铁芯中的剩余磁
12、通0.9时，铁芯中的最大磁通达2.9，从而使变压器铁芯严重饱和，励磁电流猛增，即产生所谓励磁涌流。2励磁涌流的特点在某台变压器空投时拍摄的变压器三相励磁涌流的波形如图（11-14）所示。图11-4空投变压器的励磁涌流由图11-14可以看出励磁涌流有以下几个特点：（1） 偏于时间轴一侧，即涌流中含有很大的直流分量；（2） 波形是间断的，且间断角很大，一般大于1500；（3） 由于波形间断，使其在一个周期内正半波与负半波不对称；（4） 含有很大的二次谐波分量，若将涌流波形用福里叶级数展开或用谐波分析仪进行测量分析，不同时刻涌流中二次谐波分量与基波分量的百分比大于30%，有的达80%甚至更大；（5）
13、 在同一时刻三相涌流之和近似等于零；另外，励磁涌流是衰减的，衰减的速度与合闸回路及变压器绕组中的有效电阻和电感有关。3影响励磁涌流大小的因素由式（11-14）可以看出，空投变压器时铁芯中的磁通的大小与、及有关。而励磁涌流的大小与铁芯中磁通的大小有关。磁通越大，铁芯越饱和，励磁涌流就越大。因此，影响励磁涌流大小的因素主要有：（1）电源电压变压器合闸后，铁芯中强迫磁通的幅值。因此，电源电压越高，越大，励磁涌流越大。（2）合闸角当合闸角0时，最大，励磁涌流大；而当900，等于零，励磁涌流较小；（3）剩磁合闸之前，变压器铁芯中的剩磁越大，励磁涌流就越大。另外，当剩磁的方向与合闸之后的方向相同时，励磁涌
14、流就大。反之亦反。此外，励磁涌流的大小，尚与变压器的结构、铁芯材料及设计的工作磁密有关。变压器的容量越小，空投时励磁涌流与其额定电流之比就越大。测量表明：空投变压器时，变压器与电源之间的阻抗越大，励磁涌流越小。在末端变电站，空投变压器时最大的励磁涌流可能小于其额定电流的2倍。四变压器纵差保护的实现实现变压器纵差保护，要解决的技术问题主要有：在正常工况下，使差动保护各侧电流的相位相同或相反，使由变压器各侧TA二次流入差动保护的电流产生的效果相同，即是等效的；空投变压器时不会误动，即差动保护能可靠躲过励磁涌流；大电流侧系统内发生接地故障时保护不会误动；能可靠躲过稳态及暂态不平衡电流。1差动保护两侧
15、电流的移相方式呈Y,d接线的变压器，两侧电流的相位不同，若不采取措施，要满足各侧电流的向量和等于零，即，根本不可能。因此，要使正常工况下差动保护各侧的电流向量和为零，首先应将某一侧差动TA二次电流进行移相。在变压器纵差动保护中，对某侧电流的移相方式有两类共4种。两类是：通过改变差动TA接线方式移相（即由硬件移相）；由计算机软件移相。4种是：改变高压侧差动TA接线方式移相；采用辅TA移相；由软件在差动元件高压侧移相；由软件在差元件低压侧移相。（1）改变差动TA接线方式进行移相过去的模拟式变压器纵差保护，大多采用改变高压侧差动TA的接线方式进行移相的。对于微机型保护也可采用这种移相方式。采用上述移相方式时，需首先知道变压器的接线组别。变压器的接线组别不同，相应的差动TA的接线组别亦不相同。（I）YN,d
