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1、电力系统继电保护课程设计绪 论电力变压器是电力系统中非常重要的电力设备之一，它的安全运行对于保证电力系统的正常运行和对供电的可靠性，以及电能质量起着决定性的作用，同时大容量电力变压器的造价也十分昂贵。由于绝缘的老化或风雪雷电，以及设备的缺陷、设计安装和运行维护不当等原因，因此对电力变压器可能发生的各种故障和不正常的运行状态进行分析是十分重要的。电力变压器的保护装置大约有瓦斯保护、纵差保护、电力变压器的温度保护、相间短路的后备保护等等。在变压器油箱内常见的故障有绕组匝间或层间绝缘破坏造成的短路，或高压绕组对地绝缘破坏引起的单相接地。变压器油箱内发生的任何一个故障时，由于短路电流和短路点电弧的作用
2、，将使变压器油及其他绝缘材料因受热而分解产生气体，因气体比较轻，它们就要从油箱里流向油枕的上部，当故障严重时，油会迅速膨胀并有大量的气体产生，此时，回游强烈的油流和气体冲向油枕的上部。利用油箱内部的故障时的这一特点，可以构成反映气体变化的保护装置，称之为瓦斯保护.瓦斯保护用来反映变压器油箱内部的短路故障以及油面降低，其中重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧断路器轻瓦斯动作于发出信号。 纵差保护或电流速断保护用于反映电力变压器绕组、套管及引出线发生的故障，其保护动作于跳开变压器各电源侧断路器相间短路的后备保护。相间短路的后备保护用于反映外部相间短路引起的变压器过电流，同时作为瓦斯保护和纵差保护（或
3、电流速断保护）的后备保护，其动作时限按电流保护的阶梯形原则来整定，延时动作于跳开变压器各电源侧断路器。当变压器的冷却系统发生故障或发生外部短路和过负荷时，变压器的油温将生高。变压器的油温越高，油的劣化速度越快，使用年限少。当油温达115150时劣化更明显，以致不能使用。油温越高将促使变压器绕组绝缘加速老化影香其寿命。电力变压器相间短路的后备保护可根据变压器容量的大小和保护装置对灵敏度的要求，采用过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护等方式。对于单侧电源的变压器保护装置安装在变压器电源侧，即作为变压器本身故障的后备保护，又反映变压器外部短路引起的过电流。熟练的掌握这些继电保
4、护装置及保护装置的整定计算是十分重要的。因此，需要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的专门技术就是继电保护技术。这样就可能保证电力系统的正常运行。第1章 电力变压器的继电保护1.1 电力变压器的故障类型及保护措施1.1.1 电力变压器故障及不正常运行状态 电力变压器是电力系统中非常重要的电力设备之一，它的安全运行对于保证电力系统的正常运行和对供电的可靠性，以及电能质量起着决定性的作用，同时大容量电力变压器的造价也是十分昂贵。因此本节针对电力变压器可能发生的故障和不正常的运行状态进行分析，然后重点研究应装设的继电保护装置，以及保护装置的整定计算。变压器的内部故障可分为油箱内故
5、障和油箱外故障两类，油箱内故障主要包括绕组的相间短路、匝间短路、接地短路及经铁芯烧毁等。变压器油箱内的故障十分危险，由于变压器内充满了变压器油，故障时的短路电流使变压器油急剧的分解气化，可能产生大量的可燃性气体（瓦斯），很容易引起油箱爆炸。油箱外故障主要是套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。电力变压器不正常和运行状态主要有外部相间短路、接地短路引起的相间过电流和零序过电流，负荷超过其额定容量引起的过负荷、油箱漏油引起的油面降低，以及过电压、过砺磁等。1.1.2 电力变压器继电保护的配置为了保证电力变压器的安全运行，根据继电保护与安全自动装置的运行条例，针对变压器的上述故障和不正常运行状态，
6、电力变压器应装设以下保护：1瓦斯保护。800KVA及以上的油浸式变压器的400KVA以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。瓦斯保护用来反映变压器油箱内部的短路故障以及油面降低，其中重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧断路器轻瓦斯动作于发出信号。2纵差保护或电流速断保护。6300KVA及以上并列运行的变压器，10000KVA及以上单独运行的变压器，发电厂厂用工作变压器和工业企业中6300KVA及以上重要的变压器，应装设纵差保护。10000KVA及以下的电力变压器，应装设电流速断保护，其过电流保护的动作时限应大于0.5。对于2000KVA以上的变压器,当电流速断保护灵敏度不能满足要求时,也应装
7、设纵差保护。纵差保护或电流速断保护用于反映电力变压器绕组、套管及引出线发生的故障，其保护动作于跳开变压器各电源侧断路器相间短路的后备保护。相间短路的后备保护用于反映外部相间短路引起的变压器过电流，同时作为瓦斯保护和纵差保护（或电流速断保护）的后备保护，其动作时限按电流保护的阶梯形原则来整定，延时动作于跳开变压器各电源侧断路器。3相间短路的后备保护的形式较多，过电流保护和低电压起动的过电流保护，宜用于中、小容量的降压变压器；复合电压起动的过电流保护，宜用于升压变压器和系统联络变压器，以及过电流保护灵敏度不能满足要求的降压变压器；6300KVA及以上的升压变压器，应采用负序电流保护及单相式低电压起
8、动的过电流保护；对大容量升压变压器或系统联络变压器，为了满足灵敏度要求，还可以采用阻抗保护。4过负荷保护。对于400KVA以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应装高过负荷保护。过负荷保护通常只装设在一相其动作进限较长。延时动作于发出信号。5其他保护。高压侧电压为500KV及以上的变压器，对频率降低和电压升高而引起的变压器励磁电流升高，应装设变压器过励磁保护。对变压器温度和油箱内压力升高，以及冷却系统故障，按变压器现行标准要求，应装设相应的保护装置。1.2 电力变压器的瓦斯保护在变压器油箱内常见的故障有绕组匝间或层间绝缘破坏造成的短路，或高压绕组对地绝缘破坏引起的单
9、相接地。变压器油箱内发生的任何一个故障时，由于短路电流和短路点电弧的作用，将使变压器油及其他绝缘材料因受热而分解产生气体，因气体比较轻，它们就要从油箱里流向油枕的上部，当故障严重时，油会迅速膨胀并有大量的气体产生，此时，回游强烈的油流和气体冲向油枕的上部。利用油箱内部的故障时的这一特点，可以构成反映气体变化的保护装置，称之为瓦斯保护.1.3 电力变压器的纵差保护变压器的纵联差动保护用来反映变压器绕组、引出线及套管上的各种短路保护故障，是变压器的主保护。纵联差动保护是按比较被保护的变压器两侧电流的大小和相位的原理实现的。为了实现这种比较，在变压器两侧各装设一组电流互感TA1、TA2，其二次侧按环
10、流法连接，即若变压器两端的电流互感器一次侧的正极性端子均置于靠近母线的一侧，则将它们二次侧的同极性端子相连接，再将差动继电器的线圈按环流法接入，构成纵联差动保护，见图1-3。变压器的纵差保护与输电线的纵联差动相似，工作原理相同，但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，为了保证变压器纵差保护的正常运行，必须选择好适应变压器两侧电流互感器的变比和接线方式，保证变压器在正常运行和外部短路时两侧的二次电流等。其保护范围为两侧电流互感TA1、TA2之间的全部区域，包括变压器的高、低压绕组、套管及引出线等。从图1-3可见，正常运行和外部短路时，流过差动继电器的电流为，在理想的情况下，其值等于零。但实际上
11、由于电流互感器特性、变比等因素，流过继电器的电流为不平稳电流。变压器内部故障时，流入差动继电器的电流为，即为短路点的短路电流。当该电流大于KD的动作电流时，KD动作。由于变压器各侧额定电压和额定电流不同，因此，为了保护其纵联差动保护正确动作，必须适当选择各侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部短路时，差动回路内没有电流。如图1-3中，应使 （1-1） 式中高压侧电流互感器的变比； 低压侧电流互感器的变比。 式（1-1）说明，要实现双绕组变压器的纵联差动保护，必须适当选择两侧电流互感器的变比。因此，在变压器纵联差动保护中，要实现两侧电流的正确比较，必须先考虑变压器变比的影响。实际上，由于电流互感
12、器的误差、变压器的接线方式及励磁涌流等因素的影响，即使满足式（1-1）条件，差动回路中仍回流过一定的不平衡电流 , 越大，差动继电器的动作电流也越大，差动保护灵敏度就越低。因此，要提高变压器纵联差动保护的灵敏度，关键问题是减小或消除不平衡电流的影响。1.3.1 变压器纵联差动保护的特点变压器纵联差动保护最明显的特点是不平衡电流的因素很多。现对不平衡电流产生的原因及减少或消除其影响的措施分别讨论如下：1两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流由于变压器两侧的额定电压不同，所以，其两侧电流互感器的型号也不会相同。它们的饱和特性和励磁电流（归算到同一侧）都是不相同的。因此，在变压器的差动保护中将引起
13、比较大的不平衡电流。在外部短路时，这种不平衡电流可能会很大。为了解决这个问题，一方面，应按10%误差的要求选择两侧的电流互感器，以保证在外部短路的情况下，其二次电流的误差不超过10%。另外一方面，在确定差动保护的动作电流时，引入一个同型系数Kst来消除互感器不同的影响。当两侧电流互感器的型号相同时，取=0.5，当两侧电流互感器的型号不同时，取=1。这样，当两侧电流互感器的型号不同时，实际上是采用较大的值来提高纵联差动保护的动作电流，以躲开不平衡电流的影响。2. 电流互感器实际变比与计算变比不同时的影响及其平衡办法由于电流互感器选用的是定型产品，而定型产品的变比都是标准化的，这就出现电流互感器的
14、计算变比与实际变比不完全相符的问题，以致在差动回路中产生不平衡电流。为了减少不平衡电流对纵差动保护的影响，一般采用自耦变流器或利用差动继电器的平衡线圈予以补偿，自耦变流器通常是接在二次电流较小的一侧，如图1-4（a）所示，改变自耦变流器TBL的变比，使得在正常运行状态下接入差动回路的二次电流相等，从而补偿了不平衡电流。磁势平衡法接线如图1-4（b）所示，通过选择两侧的平衡绕组Wb1 ，Wb2匝数，并使之满足关系 （1-2） 式中差动绕组；、 平衡绕组。 满足式（1-2），则差动继电器铁芯的磁化力为零，从而补偿了不平衡电流。实际上，差动继电器平衡线圈只有整数匝可供选择，因而其铁芯的磁化力不会等于
15、零，仍有不平衡电流，这可以保护的整定计算中引入相对误差系数加以解决。3 变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流电力系统中常用带负荷调整变压器分接头的方法来调整系统电压。调整分接头实际上就是改变变压器的变比，起结果必然将破坏电流互感器二次电流的平衡关系，产生了不平衡电流。由于变压器分接头的调整是根据系统运行的要求随时都可能进行的，所以在纵联差动保护中不可能采用改变平衡绕组匝数的方法来加以平衡。因此，在带负荷调压的变压器差动保护中，应在整定计算中加以考虑，即用提高保护动作电流的方法来躲过这种不平衡电流的影响。4.变压器接线组别的影响及补偿措施（1）常规保护相位补偿方法。三相变压器的接线组别不同时，其二侧的电流相位关系也不同。以常用的Y，d11接线的电力变压器为例，它们两侧的电流之间就存在着300的相位差。这时，即使变压器两侧电流互感器二次电流大小相等，也会在差动回路中产生不平衡电流IUNB。为了消除这种不平衡电流的影响，就是必须消除纵联差动保护中两臂电流的相位差。通常都是采用相位补偿的方法，即将变压器星型接线一侧电流互感器的二次的绕组接成三角形，而将变压器的三角形侧电流互感器的二次绕组接成星型，以便将电流互感器二次电流的相位校正过来。采用了这样的相位补偿后，Y，d11接线变压器差动保护的接线方式及其有关电流的相量图，如图1-5所示。图1-5中、
