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1、电力系统主设备保护专题（1） 变压器保护华北电力大学 电气与电子工程学院郑 涛zhengtao_教五楼 B309参考书目电气主设备继电保护原理与应用，王维俭 编著，中国电力出版社，2002发电机变压器继电保护应用（第2版），国家电力调度通信中心 组编，中国电力出版社，2005电力系统继电保护，张保会 等编，中国电力出版社，2005第一节 故障类型、不正常运行状态及其保护方式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。（1）油箱内部故障 a、变压器绕组
2、相间短路 ； b、变压器绕组 匝间短路 ； c、变压器绕组 接地短路 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（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；电压等级电压等级220kV330kV500kV合计合计次数次数%次数次数%次数次数%次数次数%本本体体内内部部故故障障匝间故障匝间故障1130.5611002401433.33铁芯故障铁芯故障12.7812.38相间接地故障相间接地故障822.22819.04套管故障套管故障1233.331201330.9
3、5分接开关故障分接开关故障411.11240614.28小计小计3601000110510042100外部故障外部故障501354合合 计计862896变压器总台数变压器总台数37211614414323本体故障变压器台数本体故障变压器台数361542故障率（次故障率（次/百台百台年）年）0.960.621.130.972004年全国年全国220kV及以上大型变压器故障统计及以上大型变压器故障统计 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
4、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：瓦斯保护：轻瓦斯轻瓦斯（信号）和（信号）和重瓦斯重瓦斯（跳闸）（跳闸） 针对：针对：油箱内油箱内的各种故障及油面降低。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。优点：油箱内部所有故障，有较高灵敏性。 缺点：动作时间较长；缺点：动作时间较长； 不能反应油箱外部的故障。不能反应油箱外部的故障。2.纵差保护或电流速断保护纵差保护或电流速断保护（根据变压器容量选择）（根据变压器容量选择）3. 反应绕组、套管及引出线上的相间短路，在一定程度上反应绕组、套管及引出线上的相间短路，在一定程度上反应绕组内
5、部匝间短路及中性点接地侧的接地短路。反应绕组内部匝间短路及中性点接地侧的接地短路。4. 特点：瞬时动作切除故障特点：瞬时动作切除故障主保护3. 外部相间短路的后备保护外部相间短路的后备保护 1）过电流保护）过电流保护 2）复合电压起动的过流保护）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）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）阻抗保护4. 外部接地短路的后备保护外部接地短路的后备保护 1）零序电流保护（若中性点接地）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）零序过电压保护、在中性点装放电间隙加零序电流保护5.
6、 过负荷保护过负荷保护 6. 过励磁保护过励磁保护7. 其它非电气量保护其它非电气量保护（油箱内温度、压力升高、冷却系统故障）（油箱内温度、压力升高、冷却系统故障）延时跳闸或发信号第二节 变压器差动保护一、变压器纵差保护原理必须适当选择两侧电流互感器的变比，使正常运行及外部故障时，流过差动继电器的电流为0I-InTA1nTA2nT（变压器两侧绕组匝数之比） 二、变压器纵差保护的不平衡电流产生变压器纵差保护不平衡电流的主要原因有：（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
7、生的不平衡电流；（6）变压器励磁涌流1变压器两侧绕组接线方式不同产生的不平衡电流YAI&YBI&YCI&DAI&DBI&DCI&aI&bI&cI&YAI&YBI&YCI&DAI&DBI&aI&bI&cI&（变压器两侧绕组匝数之比） 变压器接线方式引起不平衡电流的消除措施：采用 电流相位补偿（纠正）！第一种相位补偿方式（）：变压器变压器Y形侧形侧 TA 角接；角接； 变压器变压器形侧形侧 TA 星星形。形。变压器保护微机化后，变压器各侧TA接线统一为接线方式，电流相位补偿措施通过软件实现。第二种相位补偿方式（ ）：YAI&YBI&YCI&DAI&DBI&DCI&aI&bI&cI&YAI&YBI&
8、YCI&DAI&DBI&aI&bI&cI&为防止变压器侧区外接地故障时，零序电流导致差动保护误动，需对侧电流进行减零处理。第三种 绕组差动方式：对于高压或特高压大容量变压器，由于体积庞大，为便于运输，常由三个单相变压器组成三相变压器组。为构成绕组差动保护方式提供了可能。缺陷：不能反映绝缘套管的相间或接地故障。差动保护的接线构成简单，不涉及电流相位补偿问题。改进的绕组差动保护方式：差动保护的接线：由TA1 和 TA3 构成。TA2接于角侧某相绕组内部，测量对应的绕组电流。角侧各相绕组电流为：差动电流为：2. TA的计算变比与实际变比不同产生的不平衡电流 变压器的变比、电流互感器的变比都是根据产品
9、目录来选变压器的变比、电流互感器的变比都是根据产品目录来选择的标准变比，很难满足：择的标准变比，很难满足：克服措施：在微机保护中采取对不平衡电流进行补偿的方法。I-InTA1nTA2nT对不平衡电流进行补偿 :3. 变压器调压分接头改变产生的不平衡电流4. 两侧电流互感器传变误差产生的不平衡电流带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，这样就改变了调电压，这样就改变了nT，出现不平衡电流。出现不平衡电流。克服措施: 整定时增大动作电流门槛值。变压器两侧电流互感器的型变压器两侧电流互感器的型号不同，励磁特性差别较大号不同，励磁特性
10、差别较大 1 1）稳态不平衡电流）稳态不平衡电流I-InTA1nTA2nT外部故障时，短路电流中还含有非周期暂态分量，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，增加分流经励磁支路，增加 TA TA 的传变误差，导致不平衡电的传变误差，导致不平衡电流增大。流增大。克服措施: 选用具有较好暂态传变特性的TA； 增大动作电流门槛值； 2 2）暂态不平衡电流）暂态不平衡电流 当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中，由于变压器铁心中的磁通急剧增大，使变压器铁心瞬时饱和，出现数值很大的
11、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涌流产生原因: 铁芯中的磁通不能突变 稳态时，磁通滞后电压稳态时，磁通滞后电压 90；当；当 U=0 时投入变压器，时投入变压器，铁心出现磁通铁心出现磁通 m ，铁心中磁通不能突变，必须产生铁心中磁通不能突变，必须产生 +m 的非周期分量，以抵消的非周期分量，以抵消 m ，使得使得 =0 ，考虑到，考虑到剩磁剩磁sy的影响，半个周波后，铁心中的磁通达到最大值，的影响，半个周波后，铁心中的磁通达到最大值，严重饱和，对应的励磁涌流此时也达到最大。严重饱和，对应的励磁涌流此时也达到最大。设
12、电源电压为正弦波 :忽略电阻及漏抗压降，根据 Faraday s Law，则有： 根据合闸初始条件， 假设铁芯有剩磁存在，则有：稳态磁通分量稳态磁通分量 + 暂态磁通分量暂态磁通分量励磁涌流的影响因素 :产生励磁涌流！产生励磁涌流！当当 合闸初相角 剩磁的大小和方向 饱和磁通的大小理想情况下，不会产生励磁涌流。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，偏于时间轴一侧；2、含有较大的直流分量；3、励磁涌流中含有大量的谐波分量；4、励磁涌流的波形中有间断。三相变压器励磁涌流： 克服励磁涌流对变压器差动保护影响一般采用励磁涌流闭锁措施。1）二次谐波制动原理；2）间断角制动原理；3
13、）波形对称原理；三相绕组接线方式中性点接地方式三相铁芯型式二次谐波制动原理：利用励磁涌流含有大量谐波分量的特征，通过计算差动电流中的二次谐波电流分量与基波电流分量的幅值之比来判别励磁涌流与故障电流。存在的问题：制动门槛 K的取值。 铁芯材料（冷轧硅钢片） 外接长线路的影响二次谐波的制动方式1）或门闭锁方式：）或门闭锁方式： 三相差流中某一相判为励磁涌流，闭锁三相差动保护。三相差流中某一相判为励磁涌流，闭锁三相差动保护。2）按相闭锁方式：）按相闭锁方式： 三相差流中某一相判为励磁涌流，仅闭锁该相的差动保护。三相差流中某一相判为励磁涌流，仅闭锁该相的差动保护。3）综合相制动方式：）综合相制动方式：
14、 利用三相差流中二次谐波最大值和基波最大值之比来制动利用三相差流中二次谐波最大值和基波最大值之比来制动差动保护。差动保护。4）三取二方式）三取二方式 三相差流中任意两相差流的二次谐波含量大于定值，则闭三相差流中任意两相差流的二次谐波含量大于定值，则闭锁差动保护。锁差动保护。间断角闭锁原理：通过检测励磁涌流波形中间断角的大小来区分通过检测励磁涌流波形中间断角的大小来区分励磁涌流和故障电流。励磁涌流和故障电流。 在微机保护中需要较高采样率才有可能实现间断角的准确测量； 考虑 A/D芯片 零漂对间断角测量的影响，需采用高精度的A/D芯片 发生TA饱和时，可能使励磁涌流的间断角特征消失。波形对称闭锁原
15、理：对于差动电流进行差分滤波，以尽可能地消除电流波形中所含有的衰减直流分量，然后利用经差分滤波后的差流波形的前半波与后半波作对称比较，根据比较的结果来判断是否发生了励磁涌流。基于变压器回路方程算法：列写原、副边回路方程如下：列写原、副边回路方程如下：对第对第2个方程乘以变压器变比个方程乘以变压器变比 K=N1 / N2适用于变压器正常运行、励磁涌流、过励磁和外部故障的情况，但对于变压器内部故障，由于变压器模型内部的结构参数发生了变化。三、比率制动式纵差保护流入差动继电器的不平衡电流与变压器外部故障时的穿越电流有关，穿越电流越大，不平衡电流越大。比率制动差动保护，利用反应变压器穿越电流大小的制动
16、电流，使保护动作电流随制动电流而变化，当外部短路穿越电流增大，制动电流随之增加，增强了外部故障时的制动作用，有效地防止了不平衡电流引起的误动，同时提高了内部故障时的灵敏度。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（方程）： 动作电流： 制动电流（3种取法）： 上述三种制动电流的计算方法，在正常运行和外部故障情况下，制动效果一致，但在内部故障情况下，三者灵敏度有一定差别。以单相变发生内部故障为例 ，制动电流值较小制动电流值较大制动电流值最大显然 ，三者灵敏性： 比率制动特性的整定比率制动特性的整定1）最小动作电流 的确定躲过额定负载时的最大不平衡电流可靠
17、系数，取1.31.5TA 比误差系数，10P型取 0.032 ； 5P和TP型取 0.012 调压误差系数， 有载调压变压器取 0.05TA匹配误差系数， 模拟型保护初取 0.05；微机型取0工程中，一般取：2）最小制动电流 的确定（拐点电流）3）比率制动特性的折线斜率3.1）最大动作电流按躲过区外故障最大不平衡电流计算。（以双绕组变压器为例说明）非周期分量系数，取1.52TA同型系数，取 1.0与不同的制动原理有关，对双绕组变压器可取3.2）最大制动系数3.3）制动特性线的斜率4）灵敏性校验最小运行方式下变压器区内两相短路时最小短路电流TA二次值变压器区内故障最小短路电流对应的差动保护动作电
18、流四、差动电流速断保护在变压器严重内部故障时，短路电流水平较高，使得电流互感器饱和，其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，变压器纵差动保护应配置差动电流速断保护，作为辅助保护加快内部严重故障时保护的动作速度。五、零序电流差动保护1. 故障特征分析故障特征分析变压器侧绕组中的零序电流流不到侧线电流中，但不影响差动保护的灵敏度。Y 侧 端口A 相接地短路Y 侧 绕组内部 A 相接地短路接地短路将 Y 侧 A 相绕组分成两部分 W1 和 W2 各自流过电流。如果有则侧 A相绕组总磁势 由同名端入，对应侧 a相绕组磁势由同名端出，电流方向如图所示。与差动保护相关的两侧电
19、流同相位（呈现穿越性），使差动保护的灵敏度降低。（故障越近中性点，灵敏度越低）解决方案：配置零序电流差动保护变压器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三相线电流互感器构成的零序回路组成。2. 零序电流差动保护原理零序电流差动保护原理优点：优点：1.内部接地故障，差动回路能反应全部短路电流，灵敏性高；2.不受励磁涌流、电压分接头调整的影响。整定计算：1）按躲过外部单相（两相）接地故障的不平衡电流整定2）按躲过外部三相短路的不平衡电流整定3）按躲过励磁涌流产生的零序不平衡电流整定取上述最大值作为零序电流差动的动作值，以区内接地短路的最小零序电流来校验其灵敏性，若小于 2.0
20、，则改用比率制动式零序差动保护。对于自耦变压器的零序差动保护，需注意制动电流的选取。后备保护的作用：防止外部故障引起的变压器绕组过电流，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。条件下作为变压器内部故障时主保护的后备。一. 相间短路的后备保护第三节 变压器后备保护主要包括相间短路后备保护、接地短路后备保护 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。 一
21、. 相间短路的后备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. 过电流保护动作电流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动作电流按躲过变压器额定电流整定 ：负序过电压继电器作为不对称故障的电压保护，而低电压继电器作为三相短路的电压保护。 负序电压过电压继电器的动作电压按躲过正常运行时出现的最大不平衡电压整定： 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
22、流不反应三相对称短路，所以必须加装一套单相式低电压启动的过电流保护来反应三相短路故障。 4. 低阻抗保护当电流、电压保护不满足灵敏度要求或根据系统各保护之间配合的要求，可采用阻抗保护。阻抗保护常用于330-500KV大型升压及降压变压器，作为变压器引线、母线及相邻线路相间故障后备保护。 实验分析表明：测量阻抗难以反应变压器绕组内部故障（与负荷阻抗可比拟），阻抗保护难以作为变压器绕组内部故障的后备保护。仅作为变压器引线、邻接母线及相邻线路相间故障后备保护（尤其是邻接母线）。 阻抗保护可不设振荡闭锁，以其固有延时避越振荡误动（1.5s），但应具有PT断线闭锁功能。 相间短路后备保护装设位置的选择1
23、. 双绕组变压器的主电源侧（升压变的低压侧，降压变的高压侧）； 2. 三绕组变压器和自耦变压器的主电源侧和主负荷侧。当这种方式不满足灵敏性要求时，可在各侧均装设后备保护，并根据选择性要求装设必要的方向元件。3. 对发-变组单元接线，在变压器低压侧不需另设后备保护，而利用发电机的后备保护反应外部故障。灵敏性不满足要求时，可在高压、中压侧装设后备阻抗保护。（对母线短路应满足灵敏性要求，作为相邻线路的远后备，可适当降低灵敏性要求）对110kV及以上中性点直接接地电网（大接地电流系统）中的变压器，应装设接地故障后备保护，作为变压器内部绕组、引线以及相邻元件（母线和线路）接地故障的后备保护。二. 接地短
24、路的后备保护变压器接地保护的方式与变压器中性点的接地方式以及所连系统的中性点运行方式密切相关。变压器接地故障的后备采用零序保护。变压器中性点是否接地运行与变压器中性点的绝缘水平有关。220KV及以上大型变压器，高压绕组一般采用分级绝缘，中性点绝缘有两种：500KV变压器中性点绝缘水平38KV，必须直接接地运行；220KV变压器中性点绝缘水平110KV，可以直接接地也可以在系统中不失去接地点情况下不接地运行。变压器中性点不同的运行方式，接地保护的配置也不尽相同。1. 中性点直接接地的变压器零序电流保护 由两段式零序过电流保护构成，通常以较短时限动作于缩小故障范围，以较长时限动作于断开变压器各侧断
25、路器。 2. 中性点可能接地或不接地变压器的零序电流、电压保护 对于有多台变压器并列运行的情况，通常只有部分变压器中性点接地运行，而另一部分变压器中性点不接地。当相邻母线或线路发生接地故障，故障元件保护拒动时，则中性点接地变压器的零序电流保护动作，将中性点接地变压器切除，此时中性点不接地变压器可能产生过电压。1）全绝缘变压器 全绝缘变压器绕组各处的绝缘水平相同，用于变压器中性点不接地时，系统发生接地故障，同时又失去接地中性点的情况。 零序电流保护作为变压器中性点接地运行时的接地保护，零序电压保护作为变压器中性点不接地运行时的接地保护。动作电压躲过部分中性点接地电网发生接地故障时，出现的最大零序
26、电压，同时在发生接地故障且失去接地中性点时具有足够灵敏度。一般取为 1.8Un 2）分级绝缘变压器 分级绝缘变压器绕组各处的绝缘水平不同，中性点绝缘水平较低，一般需装设放电间隙。 当电网发生接地故障且失去中性点时，放电间隙击穿，放电电流使零序电流元件启动，迅速切除变压器，零序电压元件作为放电间隙拒动的后备。 3. 自耦变压器的接地后备保护 自耦变压器的高、中压侧之间有电的联系，有公共的接地中性点。当系统发生接地短路时，零序电流可在高、中压电网间流动，而接地中性点的零序电流的大小和方向，随系统的运行方式的不同而有较大变化。故自耦变压器的零序过电流保护应分别在高压和中压侧配置，并接在由本侧三相TA
27、构成的零序电流滤过器上。 自耦变压器发生接地故障时的自耦变压器发生接地故障时的零序电流零序电流三绕组自耦变O-YN,y12,d111）自耦变高压侧接地故障）自耦变高压侧接地故障由此可见，高压侧发生接地故障，自耦变压器中性点零序电流 随着中压侧系统阻抗 XN0 的变化而变化，其大小和方向都是不确定的。流经自耦变压器中性点的零序电流为 0 ；流经自耦变压器中性点的零序电流与高压侧零序电流方向 相同；流经自耦变压器中性点的零序电流与高压侧零序电流方向相反 ；2）自耦变中压侧接地故障）自耦变中压侧接地故障由此可见，中压侧发生接地故障，自耦变压器中性点零序电流 大小与高压侧系统零序阻抗有关。流经自耦变压
28、器中性点的零序电流方向 如图示：第四节 变压器过励磁保护现代大型变压器饱和磁密与额定工作磁密（1.7-1.8T）较为接近，容易发生过励磁。发生过励磁使变压器铁损增加，铁芯温度上升加速绝缘老化，降低使用寿命。 对于铁磁元件可有： 过励磁程度可以用过励磁倍数来表征：过励磁保护的动作特性应与被保护设备的允许过励磁能力相匹配，一般采用反时限动作特性。1 瓦斯保护瓦斯保护2,3 纵差保护纵差保护4,5,6 高高 中中 低低压侧的复压启动压侧的复压启动的过流保护的过流保护7 高压侧零序电高压侧零序电压电流保护压电流保护8 中压侧零序电中压侧零序电流保护流保护9,10,11 高高 中中 低压过负荷保护低压过负荷保护12 其他非电量其他非电量保护保护
