变电主设备保护的定值整定与难点分析

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1、变电主设备保护的定值整定与难点分析,西安交通大学 焦在滨,电力变压器概述 短路故障的主保护 短路故障的后备保护 异常运行保护 三圈自耦变压器的继电保护 铁芯饱和的相关问题,汇报内容提纲,1、电力变压器的基本结构,电力变压器概述,铁芯：变压器磁路 绕组：变压器变比 油箱：存储变压器油 变压器油：绝缘，冷却 绝缘套管：绕组端子,2、变压器的基本原理,电力变压器概述,如图所示，高低压侧电势分别为E1和E2，则： 所以： 即变压器高低压侧电压之比就是绕组的匝数比，这就是变压器实现电压变化的原理。,3、变压器的连接组别,电力变压器概述,接线组别反应了变压器各侧绕组的接线方式和电压相位关系，如Y/d11、

2、Y/Y12等。Y表示星形接线，d表示三角形接线，数字表示高压侧线电压超前于低压侧线电压的角度除以30。 例如：Y/d11：表示高压侧绕组星形接线，低压侧三角形接线，高压侧线电压超前于低压侧线电压330o。,变压器Yd11接线图,4、变压器的故障及不正常运行方式,电力变压器概述,变压器的故障,故障点的位置：油箱内的故障、油箱外的故障。 油箱内部故障：相间短路、单相接地短路、匝间短路。 油箱外部故障：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、各侧的接地故障。,变压器的异常运行方式,系统故障或其他原因引起的过负荷； 系统电压的升高或频率的降低引起的过

3、激磁； 不接地运行变压器中性点电位升高； 变压器油箱油位异常； 变压器温度过高及冷却器全停。,5、Yd-11接线变压器故障分析,电力变压器概述,为简化分析及突出故障分量经变压器的传递，作以下几点假设：,不考虑变压器的变比，不考虑负荷电流及过渡电阻对短路电流及故障电压的影响。 当变压器高压侧故障时，认为故障电流全部由低压侧供给；而变压器低压侧故障时，认为故障电流全部由变压器高压侧提供。 故障点在变压器输出端部；忽略有效分量的影响，阻抗角为90。,5、Yd-11接线变压器故障分析,电力变压器概述,高压侧单相接地短路,边界条件,故障电流,对称分量,= e 120,高压侧电流相量及序量图,5、Yd-1

4、1接线变压器故障分析,电力变压器概述,高压侧单相接地短路,对称分量,负序电抗,零序电抗,高压侧电压相量及序量图,5、Yd-11接线变压器故障分析,电力变压器概述,高压侧单相接地短路,低压侧电流,低压侧电流相量及序量图,5、Yd-11接线变压器故障分析,电力变压器概述,高压侧单相接地短路,低压侧电压,低压侧电压相量及序量图,5、Yd-11接线变压器故障分析,电力变压器概述,高压侧B、C两相接地短路,边界条件,对称分量,高压侧电流相量及序量图,5、Yd-11接线变压器故障分析,电力变压器概述,高压侧B、C两相接地短路,对称分量,高压侧电流相量及序量图,电源等值电势,5、Yd-11接线变压器故障分析

5、,电力变压器概述,高压侧B、C两相接地短路,低压侧电压,低压侧电压相量及序量图,5、Yd-11接线变压器故障分析,电力变压器概述,高压侧B、C两相接地短路,低压侧电流,低压侧电流相量及序量图,6、典型变压器保护配置,电力变压器概述,500KV变压器保护系统典型接线及保护配置,220KV变压器保护系统接线及保护配置（三圈变，低压侧双分支）,500KV变压器保护系统典型接线及保护配置,220KV变压器保护系统接线及保护配置,1、纵差保护的基本原理,短路故障的主保护,变压器纵差保护原理接线图,纵差保护原理：,式中： 变压器各侧电 流的向量和,2、纵差保护的实现不平衡电流的影响,短路故障的主保护,稳态

6、不平衡电流,变压器励磁电流 变压带负荷调压 两侧差动CT的变比与计算变比不同,两侧差动CT型号、变比及二次负载不同 空投变压器的励磁涌流 变压器过激磁 大电流系统侧接地故障时变压器的零序电流,暂态不平衡电流,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,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：,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,励磁涌流产生的机理,由上式可知，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mcos(wt+a)，剩磁通s及决定于合闸角a的磁通mcosa 。因此，在合闸瞬间变压器铁芯

7、中的综合磁通如图：,当初始合闸角等于0、变压器铁芯中的剩余磁通s0.9m时，铁芯中的最大磁通达2.9m，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。,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,励磁涌流的特点,由图可以看出励磁涌流有以下几个特点： 1、偏于时间轴一侧，即含有很大的直流分量； 2、波形间断角很大，一般大于150； 3、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，多数涌流中二 次谐波含量大于30%，有的达80%甚至更大； 5、在同一时刻三相涌流之和近似等于零； 6、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及其他有效 损耗有关

8、。,三相励磁涌流波形,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,影响励磁涌流大小的因素,由上式可知，影响励磁涌流大小的因素主要有： 1、电源； 2、合闸角； 3、剩磁；,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,励磁涌流制动方案,二次谐波制动,制动原理：励磁涌流中含有大量的二次谐波，利用流过差 动元件差电流中的二次谐波电流作为制动量， 区分出差流是故障电流还是励磁涌流，实现躲 过励磁涌流。,性能分析：二次谐波制动比整定值越大，该保护躲过励磁 涌流的能力越弱；反之，二次谐波制动比整定 值越小，保护躲励磁涌流的能力越强。,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,励磁涌流制动方案,二次谐波制

9、动,式中：,：二次谐波制动比,：二次谐波电流,：基次谐波电流,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,励磁涌流制动方案,间断角原理,制动原理：变压器内部故障时，故障电流波形无间断；变 压器空投时，励磁涌流的波形具有很大的间断 角。根据差电流波形是否有间断及间断角的大 小来区分故障电流与励磁涌流的。,制动电流（直流 流过差动元件的差流 间断角,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,励磁涌流制动方案,间断角原理,性能分析：1、变压器正常运行时差流很小，id 很小，而Izd较 大，Izd直线将在id 项点的上方。此时，间断角约为 360，且Idz Idzo，保护可靠不动作。 2、空投变压器

10、时尽管差流id波型幅值很大（能满足 IdzIdzo)但由于间断角很大（大于闭锁角），差动 保护将被可靠闭锁。 3、当变压器内部故障时，流入差动元件的差流很大 满足Idz Idzo，且无间断角，不会闭锁，保护能可 靠动作。,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,励磁涌流制动方案,波形对称原理,制动原理：变压器内部故障时，故障电流波形前半波与后 半波对称，而变压器励磁涌流波形有间断，波 形不对称，通过比较不对称系数K的大小来区分 故障电流和励磁涌流。,K的定值一般取0.5,K0.5,K0.5,不闭锁,闭锁,前半波一点值,与前半波相差180一点值,3、空载合闸励磁涌流问题,短路故障的主保护,励

11、磁涌流制动方案,波形对称原理,性能分析：1、变压器内部故障时，Ij的值与 Ij+180的值大小 基本相等、相位基本相反，则Ij与 Ij+180大小相等 相反， Ij+Ij+1800，Ij-Ij+1802Ij。此时， K 0。差动保护不闭锁。 2、励磁涌流的波形具有很大的间断角， Ij的值与 Ij+180的值相差很大，相位也不会相差180，因此， Ij+Ij+180可能比Ij-Ij+180还大，K值将大于 0.5。 差动保护被闭锁,4、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,保护基本原理,1、I段折线式,比率差动保护,I段折线式动作特性曲线,动作方程：,Idz差电流 Idz0差动元件的启动电流

12、 Kz折线的斜率，比率制动系数 Izd制动电流，一般取各侧电流中的最大者,4、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,2、II段折线式,II段折线式动作特性曲线,动作方程：,Izd0拐点电流，即开始出现制动作用的最小 制动电流,保护基本原理,比率差动保护,4、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,3、III段折线式,III段折线式动作特性曲线,动作方程：,Kz1第二段折线的斜率 Kz2第三段折线的斜率 Izd1第二个拐点的电流,保护基本原理,比率差动保护,4、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,保护基本原理,差动速断保护,动作方程：,IdzRMS差电流有效值 Idz0差动元件的整定

13、电流,差动速断元件反映的是差流的有效值。不管差流的波形如何及含有谐波分量的大小，只要差流的有效值超过了整定值，它将迅速动作而切除变压器。,4、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,整定原则,比率差动保护,启动电流Idzo的整定原则是：躲过正常工况下最大的不平衡差流。,Idzo可按下式计算：,Ie变压器额定电流（二次值） KH可靠系数，取1.52 K1电流互感器CT的变比误差 K2变压器分接头后负荷调压带来的误差，取0.05 K3其他误差（变压器激磁电流等），取0.05 K4通道变换及调试误差，取0.1,4、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,整定原则,比率差动保护,比率制动系数Kz的

14、整定原则是：躲过变压器出口三相短路时的最 大不平衡差流。,变压器出口区外故障时最大不平衡电流：,Ikmax变压器出口三相短路时的最大短路电流（二次值） K1取0.1 K5CT暂态特性不一致造成的不平衡电流系数，取0.1 计算可知：Ix=0.4Ikmax 特性曲线斜率K0.4 KZ=(1.1 1.3)K=0.48 0.52 实践表明：比率制动系数KZ取0.40.5是合理的,4、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,整定原则,比率差动保护,拐点电流Izdo的整定:,为躲过区外故障被切除后的暂态过程 对压器差动保护的影响，应使保护的制动作用提早产生。因此，Izdo取0.60.8Ie是合理的。,4

15、、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,整定原则,差动速断保护,整定原则是：躲过变压器励磁涌流。,Idz可按下式计算：,Ie变压器额定电流（二次值） Idz差动速断元件的动作电流 K一个正值系数，一般取48,、发电机与变压器之间无开关的大型变压器发电机组，K值取可34； 、大型发电厂的中、小型变压器（例如有空投可能性的厂高变及启备 变），K 值可取810； 、经长线路与系统联接的降压变电站中的中、大型变压器，K值可取 46。,4、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,保护不正确动作原因分析,变压器正常运行时保护误动原因,CT 二次回路连线接触不良或短时开路； CT二次回路中在接触不良点产生电弧造成单相或两相短路； CT二次电缆芯线外层绝缘破坏或损伤造成接地短路； CT 二次回路多点接地，接地点之间存在电位差，在差动元件中产生差流使其误动。在雷雨天易发生。,4、比率差动及差动速断保护,短路故障的主保护,保护不正确动作原因分析,区外故障切除时保护误动原因,区外故障被切除时，流过变压器的电流突然减小到额定负荷电流之下。在此暂态过程中，由于电流中自由分量的存在，使两侧差动CT二次电流之间的相位短时（4060ms）发生了变化，在差动元件中产