变压器保护设计

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1、1.1 继电保护的作用电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响（如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等），电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径中非故障元件的损坏。靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干

2、扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反映它们发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损坏程度尽可能降低，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。反映电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸。应该指出，要确保电力系统的安全运行，除了继电保护装置外，还应该设置电力系统

3、安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处理，以防止电力系统大面积停电和保证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正常运行。例如自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快关汽门、电气制动、远方切机、在按选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也越来越高。为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制，这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。1.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类1.2.1 基本要求对作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个基本要求，及可靠性、选择性、性和灵

4、敏性1.2.2 基本原理要完成继电保护的基本任务，首先要提取和利用电力元件在三种运行状态下的“差异”，然后“区分”出三种运行状态（正常、不正常和故障状态），最后是“甄别”出发生故障和出现异常的元件。目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。（a）正常运行情况（b）三相短路情况图 1-1 我国常用的 110kV 及以下单侧电源的供电网络发现并正确利用能可靠区分三种运行状态的可测参量或参量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。在此以图 1-1 为例分析一下利用不同电气量特征

5、分别能构成哪种保护：1.线路电流幅值 ldI 差 异 构 成正 常 时 ： 负 荷 电 流 短 路 时 电 流 幅 值 增 大 过 电 流 保 护短 路 时 ： 短 路 电 流2.母线的相间或对地电压幅值 5%10 差 异构 成正 常 时 ： 在 额 定 电 压 附 近 变 化 短 路 时 电 压 幅 值 降 低短 路 时 ： 短 路 点 的 相 间 或 对 地 电 压 降 低 到 零低 电 压 保 护3.线路始端电压与电流之比（即测量阻抗）图 1-2 220kV 及以上多侧电源的输电网路 差 异构 成正 常 时 ： 反 映 该 线 路 与 供 电 负 荷 的 等 值 阻 抗 及 负 荷 阻

6、抗 角 （ 功 率 因 数 角 ） 短 路 时 测 量 阻 抗 幅 值 降 低 ， 阻 抗 角 增 大短 路 时 ： 反 映 该 测 量 点 到 短 路 点 之 间 线 路 段 的 阻 抗距 离 保 护 （ 低 阻 抗 保 护 ）如图 1-2 所示，其中：正常运行如图 1-2（a）所示，如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，A-B 两侧电流的大小相等，相位相差 180，两侧电流的矢量和为零。外部短路如图 1-2（b）所示，如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，A-B 两侧电流的大小相等，相位相差 ，两侧电流的矢量和为零。内部短路如图 1-2（c）所示，两侧电源分别向短路点供给短路电

7、流2dI和 ，都是由母线流向线路，此时两个电流一般不相等，在理想条件下（两侧电势同相位且全系统的阻抗角相等） ，两个电流同相位，两个电流的矢量和等于短路点的总电流，其值较大。其他类型的保护有：1.纵联保护利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护。电流差动保护利用内部与外部短路时两侧电流矢量的差别构成。电流相位差动保护利用内部与外部短路时两侧电流相位的差别构成。图 1-3 过电流保护单相原理图方向比较式纵联保护利用内部与外部短路时两侧功率方向的差别构成。以上保护常被用做 220kV 及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电动机等电力元件的主保护。2.反映非电量特征

8、的保护气体保护当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于变压器油受热分解所产生的气体保护。过热保护当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于电动机绕组温度的升高而构成的保护。1.2.3 构成以过电流保护为例：（如图 1-3 所示）正常运行： fhLHIn LJ 不动故障时： ddzjI LJ 动 SJ 动（延时） XJ 动 信号TQ 动 跳闸保护装置由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分组成。 （如图 1-4 所示）图 1-4 继电保护装置组成方框图（1） 测量元件测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大

9、于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。（2）逻辑元件根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。逻辑回路有：或、与、非、延时启动、延时返回、记忆等。（3）执行元件：根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时跳闸；不正常运行时发信号；正常运行时不动作。1.2.4 分类通常分为以下几类：（1）按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；（2）按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护

10、、差动保护、方向保护、零序保护等；（3）按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；（4） 按构成继电保护装置的继电器原理分类：机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；（5） 按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种。远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。

11、近后备保护：当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现近后备保护。辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。第 2 章 主变压器保护设计2.1.变压器保护重要性变压器是电力系统中大量使用的重要电 气设备，它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。电力变压器有别于发电机，它无旋转部件，是一种静止的电气设备，结构比较简单，运行可靠性较高，发生故障的机会相对较少。但是，变压器是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境影响较大。另外，变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故

12、障的威胁较大。因此，电力变压器在运行中，仍然有可能发生各种类型的故障或出现不正常工作状态。它的故障对电力系统的安全连续运行会带来严重的影响。特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。因此，考虑到变压器在电力系统中的重要地位及故障和不正常工作状态可能造成的严重后果，必须根据电力变压器容量和重要程度装设相应的继电保护装置。2.2.变压器的故障类型和不正常运行状态（1）变压器故障类型变压器的故障可分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障主要是套管和引出线上发生相间短路及接地短路。油箱内的故障包括绕组间相间短路、接地短路、匝间短路及铁芯的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏铁芯的绝缘、烧毁

13、贴心，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱爆炸。对于变压器发生的各种故障，保护装置应尽快的将变压器切除。实践表明，变压器套管和引出线上的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式；而油箱内发生短路的情况比较少。（2）变压器不正常工作状态变压器的不正常工作状态主要有：油箱外部短路引起的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等。这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运

14、行工况下会使变压器过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，发出报警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。变压器油箱内故障时，除了变压器各侧电流、电压变化外，油箱内的油、气、温度等非电量也会发生变化。因此，变压器保护分电量保护和非电量保护两种。非电量保护装设在变压器内部。线路保护中采用的许多保护如过电流保护、纵差动保护等在变压器的电量保护中都有应用，但在配置上有区别。2.3 变压器保护配置原则1.反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护容量为 800kVA 及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微

15、瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路变压器组，在采取瓦斯保护切除变压器内部故障时，瓦斯保护可仅动作于信号。对于容量为 400kVA 及以上的车间内油浸式变压器，也应装设瓦斯保护。2.相间短路保护反应变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护，对其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也能起保护作用。容量为 6300kVA 以下并列运行的变压器以及 10000kVA 以下单独运行的变压器，当后备保护时限大于 0.5s 时，应装设电流速断保护。容量为 6300kVA 及以上

16、、厂用工作变压器和并列运行的变压器、10000kVA 及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器、以及 2000kVA 及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵联差动保护。对高压侧电压为 330kV 及以上的变压器，可装设双重差动保护。对于发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，变压器应装设单独的纵联差动保护。当发电机与断路器之间没有断路器时，100MW 及以下的发电机，可只装设发电机变压器组共用的纵联差动保护。100MW 以上的发电机，除发电机变压器组共用纵联差动保护外，发电机还应装设单独的纵联差动保护。对于 200MW 及以上的汽轮发电机，为提高快速性，在机端还宜增设复合电流速断保护，或在变压器上增设单独的纵联差动保护，即采用双重快速保护方式。如果变压器