變壓器保護(hù)-主設(shè)備保護(hù)

電力系統(tǒng)主設(shè)備保護(hù)專題（1）變壓器保護(hù),華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院鄭濤zhengtao_sf教五樓B309,參考書目,電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用，王維儉編著，中國電力出版社，2002發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)應(yīng)用（第2版），國家電力調(diào)度通信中心組編，中國電力出版社，2005電力系統(tǒng)繼電保護(hù)，張保會(huì)等編，中國電力出版社，2005,第一節(jié)故障類型、不正常運(yùn)行狀態(tài)及其保護(hù)方式,電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備。大容量變壓器造價(jià)十分昂貴，其故障會(huì)對供電可靠性和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響。因此應(yīng)根據(jù)變壓器容量和重要程度裝設(shè)性能良好、動(dòng)作可靠的繼電保護(hù)裝置。,（1）油箱內(nèi)部故障a、變壓器繞組相間短路；b、變壓器繞組匝間短路；c、變壓器繞組接地短路,變壓器油箱內(nèi)部故障產(chǎn)生較大的短路電流，不僅會(huì)燒壞變壓器繞組和鐵心，而且由于絕緣油汽化，可能引起變壓器爆炸。,一、變壓器故障類型,（2）油箱外部故障a、絕緣套管的相間短路與接地短路；b、引出線上的發(fā)生的相間短路和接地短路；,2004年全國220kV及以上大型變壓器故障統(tǒng)計(jì),變壓器的不正常工作狀態(tài)：（1）由于外部短路引起的過電流；（2）負(fù)荷長時(shí)間超過額定容量引起的過負(fù)荷；（3）油箱漏油造成的油面降低；（4）由于外加電壓過高或頻率降低引起的過勵(lì)磁；對于不正常工作狀態(tài)，變壓器保護(hù)也必須能夠反應(yīng)。發(fā)告警信號，或延時(shí)跳閘。,三、變壓器的保護(hù)配置,瓦斯保護(hù)：輕瓦斯（信號）和重瓦斯（跳閘）針對：油箱內(nèi)的各種故障及油面降低。優(yōu)點(diǎn)：油箱內(nèi)部所有故障，有較高靈敏性。缺點(diǎn)：動(dòng)作時(shí)間較長；不能反應(yīng)油箱外部的故障。,縱差保護(hù)或電流速斷保護(hù)（根據(jù)變壓器容量選擇）反應(yīng)繞組、套管及引出線上的相間短路，在一定程度上反應(yīng)繞組內(nèi)部匝間短路及中性點(diǎn)接地側(cè)的接地短路。特點(diǎn)：瞬時(shí)動(dòng)作切除故障,主保護(hù),3.外部相間短路的后備保護(hù)1）過電流保護(hù)2）復(fù)合電壓起動(dòng)的過流保護(hù)3）負(fù)序電流保護(hù)和單相式低壓起動(dòng)的過電流保護(hù)4）阻抗保護(hù)4.外部接地短路的后備保護(hù)1）零序電流保護(hù)（若中性點(diǎn)接地）2）零序過電壓保護(hù)、在中性點(diǎn)裝放電間隙加零序電流保護(hù)5.過負(fù)荷保護(hù)6.過勵(lì)磁保護(hù)7.其它非電氣量保護(hù)（油箱內(nèi)溫度、壓力升高、冷卻系統(tǒng)故障）,延時(shí)跳閘或發(fā)信號,第二節(jié)變壓器差動(dòng)保護(hù),一、變壓器縱差保護(hù)原理,必須適當(dāng)選擇兩側(cè)電流互感器的變比，使正常運(yùn)行及外部故障時(shí)，流過差動(dòng)繼電器的電流為0,（變壓器兩側(cè)繞組匝數(shù)之比）,二、變壓器縱差保護(hù)的不平衡電流,產(chǎn)生變壓器縱差保護(hù)不平衡電流的主要原因有：（1）變壓器兩側(cè)繞組接線方式不同；（2）變壓器、電流互感器的計(jì)算變比與實(shí)際變比不同；（3）變壓器帶負(fù)荷調(diào)節(jié)分接頭；（4）電流互感器傳變誤差的影響；（5）變壓器勵(lì)磁電流產(chǎn)生的不平衡電流；（6）變壓器勵(lì)磁涌流,1變壓器兩側(cè)繞組接線方式不同產(chǎn)生的不平衡電流,（變壓器兩側(cè)繞組匝數(shù)之比）,變壓器接線方式引起不平衡電流的消除措施：,采用電流相位補(bǔ)償（糾正）！,第一種相位補(bǔ)償方式（）：,變壓器Y形側(cè)TA角接；變壓器形側(cè)TA星形。,變壓器保護(hù)微機(jī)化后，變壓器各側(cè)TA接線統(tǒng)一為接線方式，電流相位補(bǔ)償措施通過軟件實(shí)現(xiàn)。,第二種相位補(bǔ)償方式（）：,為防止變壓器側(cè)區(qū)外接地故障時(shí)，零序電流導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，需對側(cè)電流進(jìn)行減零處理。,第三種繞組差動(dòng)方式：,對于高壓或特高壓大容量變壓器，由于體積龐大，為便于運(yùn)輸，常由三個(gè)單相變壓器組成三相變壓器組。為構(gòu)成繞組差動(dòng)保護(hù)方式提供了可能。,缺陷：不能反映絕緣套管的相間或接地故障。,差動(dòng)保護(hù)的接線構(gòu)成簡單，不涉及電流相位補(bǔ)償問題。,改進(jìn)的繞組差動(dòng)保護(hù)方式：,差動(dòng)保護(hù)的接線：由TA1和TA3構(gòu)成。TA2接于角側(cè)某相繞組內(nèi)部，測量對應(yīng)的繞組電流。,角側(cè)各相繞組電流為：,差動(dòng)電流為：,2.TA的計(jì)算變比與實(shí)際變比不同產(chǎn)生的不平衡電流,變壓器的變比、電流互感器的變比都是根據(jù)產(chǎn)品目錄來選擇的標(biāo)準(zhǔn)變比，很難滿足：,克服措施：在微機(jī)保護(hù)中采取對不平衡電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā?對不平衡電流進(jìn)行補(bǔ)償:,3.變壓器調(diào)壓分接頭改變產(chǎn)生的不平衡電流,4.兩側(cè)電流互感器傳變誤差產(chǎn)生的不平衡電流,帶負(fù)荷調(diào)壓分接頭變壓器在運(yùn)行中常常需要改變分接頭來調(diào)電壓，這樣就改變了nT，出現(xiàn)不平衡電流。,克服措施:整定時(shí)增大動(dòng)作電流門檻值。,變壓器兩側(cè)電流互感器的型號不同，勵(lì)磁特性差別較大,1）穩(wěn)態(tài)不平衡電流,外部故障時(shí)，短路電流中還含有非周期暫態(tài)分量，非周期分量按一定的時(shí)間常數(shù)衰減，是低頻分量，大部分流經(jīng)勵(lì)磁支路，增加TA的傳變誤差，導(dǎo)致不平衡電流增大。,克服措施:選用具有較好暫態(tài)傳變特性的TA；增大動(dòng)作電流門檻值；,2）暫態(tài)不平衡電流,當(dāng)變壓器空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)過程中，由于變壓器鐵心中的磁通急劇增大，使變壓器鐵心瞬時(shí)飽和，出現(xiàn)數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流可達(dá)變壓器額定電流的68倍，如不采取措施變壓器縱差保護(hù)將會(huì)誤動(dòng)。,5.變壓器勵(lì)磁涌流的影響,涌流產(chǎn)生原因:鐵芯中的磁通不能突變,穩(wěn)態(tài)時(shí)，磁通滯后電壓90；當(dāng)U=0時(shí)投入變壓器，鐵心出現(xiàn)磁通m，鐵心中磁通不能突變，必須產(chǎn)生+m的非周期分量，以抵消m，使得=0，考慮到剩磁sy的影響，半個(gè)周波后，鐵心中的磁通達(dá)到最大值，嚴(yán)重飽和，對應(yīng)的勵(lì)磁涌流此時(shí)也達(dá)到最大。,設(shè)電源電壓為正弦波:,忽略電阻及漏抗壓降，根據(jù)FaradaysLaw，則有：,根據(jù)合閘初始條件，假設(shè)鐵芯有剩磁存在，則有：,穩(wěn)態(tài)磁通分量+暫態(tài)磁通分量,勵(lì)磁涌流的影響因素:,產(chǎn)生勵(lì)磁涌流！,當(dāng),合閘初相角剩磁的大小和方向飽和磁通的大小,理想情況下，不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。,單相變壓器勵(lì)磁涌流的特征：1、數(shù)值較大，可達(dá)額定電流的68倍，偏于時(shí)間軸一側(cè)；2、含有較大的直流分量；3、勵(lì)磁涌流中含有大量的諧波分量；4、勵(lì)磁涌流的波形中有間斷。,三相變壓器勵(lì)磁涌流：,克服勵(lì)磁涌流對變壓器差動(dòng)保護(hù)影響一般采用勵(lì)磁涌流閉鎖措施。,1）二次諧波制動(dòng)原理；,2）間斷角制動(dòng)原理；,3）波形對稱原理；,三相繞組接線方式中性點(diǎn)接地方式三相鐵芯型式,二次諧波制動(dòng)原理：,利用勵(lì)磁涌流含有大量諧波分量的特征，通過計(jì)算差動(dòng)電流中的二次諧波電流分量與基波電流分量的幅值之比來判別勵(lì)磁涌流與故障電流。,存在的問題：制動(dòng)門檻K的取值。,鐵芯材料（冷軋硅鋼片）外接長線路的影響,二次諧波的制動(dòng)方式,1）或門閉鎖方式：三相差流中某一相判為勵(lì)磁涌流，閉鎖三相差動(dòng)保護(hù)。,2）按相閉鎖方式：三相差流中某一相判為勵(lì)磁涌流，僅閉鎖該相的差動(dòng)保護(hù)。,3）綜合相制動(dòng)方式：利用三相差流中二次諧波最大值和基波最大值之比來制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)。,4）三取二方式三相差流中任意兩相差流的二次諧波含量大于定值，則閉鎖差動(dòng)保護(hù)。,間斷角閉鎖原理：,通過檢測勵(lì)磁涌流波形中間斷角的大小來區(qū)分勵(lì)磁涌流和故障電流。,在微機(jī)保護(hù)中需要較高采樣率才有可能實(shí)現(xiàn)間斷角的準(zhǔn)確測量；考慮A/D芯片零漂對間斷角測量的影響，需采用高精度的A/D芯片發(fā)生TA飽和時(shí)，可能使勵(lì)磁涌流的間斷角特征消失。,波形對稱閉鎖原理：,對于差動(dòng)電流進(jìn)行差分濾波，以盡可能地消除電流波形中所含有的衰減直流分量，然后利用經(jīng)差分濾波后的差流波形的前半波與后半波作對稱比較，根據(jù)比較的結(jié)果來判斷是否發(fā)生了勵(lì)磁涌流。,基于變壓器回路方程算法：,列寫原、副邊回路方程如下：,對第2個(gè)方程乘以變壓器變比K=N1/N2,適用于變壓器正常運(yùn)行、勵(lì)磁涌流、過勵(lì)磁和外部故障的情況，但對于變壓器內(nèi)部故障，由于變壓器模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生了變化。,三、比率制動(dòng)式縱差保護(hù),流入差動(dòng)繼電器的不平衡電流與變壓器外部故障時(shí)的穿越電流有關(guān)，穿越電流越大，不平衡電流越大。比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)，利用反應(yīng)變壓器穿越電流大小的制動(dòng)電流，使保護(hù)動(dòng)作電流隨制動(dòng)電流而變化，當(dāng)外部短路穿越電流增大，制動(dòng)電流隨之增加，增強(qiáng)了外部故障時(shí)的制動(dòng)作用，有效地防止了不平衡電流引起的誤動(dòng)，同時(shí)提高了內(nèi)部故障時(shí)的靈敏度。,目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字式變壓器縱差動(dòng)保護(hù)，普遍使用兩折線或三折線比率制動(dòng)特性。,動(dòng)作判據(jù)（方程）：,動(dòng)作電流：,制動(dòng)電流（3種取法）：,上述三種制動(dòng)電流的計(jì)算方法，在正常運(yùn)行和外部故障情況下，制動(dòng)效果一致，但在內(nèi)部故障情況下，三者靈敏度有一定差別。,以單相變發(fā)生內(nèi)部故障為例，,制動(dòng)電流值較小,制動(dòng)電流值較大,制動(dòng)電流值最大,顯然，三者靈敏性：,比率制動(dòng)特性的整定,1）最小動(dòng)作電流的確定,躲過額定負(fù)載時(shí)的最大不平衡電流,可靠系數(shù)，取1.31.5,TA比誤差系數(shù)，10P型取0.032；5P和TP型取0.012,調(diào)壓誤差系數(shù)，有載調(diào)壓變壓器取0.05,TA匹配誤差系數(shù)，模擬型保護(hù)初取0.05；微機(jī)型取0,工程中，一般取：,2）最小制動(dòng)電流的確定（拐點(diǎn)電流）,3）比率制動(dòng)特性的折線斜率,3.1）最大動(dòng)作電流,按躲過區(qū)外故障最大不平衡電流計(jì)算。（以雙繞組變壓器為例說明）,非周期分量系數(shù)，取1.52,TA同型系數(shù)，取1.0,與不同的制動(dòng)原理有關(guān)，對雙繞組變壓器可取,3.2）最大制動(dòng)系數(shù),3.3）制動(dòng)特性線的斜率,4）靈敏性校驗(yàn),最小運(yùn)行方式下變壓器區(qū)內(nèi)兩相短路時(shí)最小短路電流TA二次值,變壓器區(qū)內(nèi)故障最小短路電流對應(yīng)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流,四、差動(dòng)電流速斷保護(hù),在變壓器嚴(yán)重內(nèi)部故障時(shí)，短路電流水平較高，使得電流互感器飽和，其二次電流中高次諧波分量增大，可能影響到比率差動(dòng)保護(hù)的快速動(dòng)作，因此，變壓器縱差動(dòng)保護(hù)應(yīng)配置差動(dòng)電流速斷保護(hù)，作為輔助保護(hù)加快內(nèi)部嚴(yán)重故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作速度。,五、零序電流差動(dòng)保護(hù),1.故障特征分析,變壓器側(cè)繞組中的零序電流流不到側(cè)線電流中，但不影響差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。,Y側(cè)端口A相接地短路,Y側(cè)繞組內(nèi)部A相接地短路,接地短路將Y側(cè)A相繞組分成兩部分W1和W2各自流過電流。,如果有,則側(cè)A相繞組總磁勢由同名端入，對應(yīng)側(cè)a相繞組磁勢由同名端出，電流方向如圖所示。,與差動(dòng)保護(hù)相關(guān)的兩側(cè)電流同相位（呈現(xiàn)穿越性），使差動(dòng)保護(hù)的靈敏度降低。（故障越近中性點(diǎn)，靈敏度越低）,解決方案：配置零序電流差動(dòng)保護(hù),變壓器零序電流差動(dòng)保護(hù)由變壓器中性點(diǎn)側(cè)零序電流互感器和變壓器星形側(cè)三相線電流互感器構(gòu)成的零序回路組成。,2.零序電流差動(dòng)保護(hù)原理,優(yōu)點(diǎn)：1.內(nèi)部接地故障，差動(dòng)回路能反應(yīng)全部短路電流，靈敏性高；2.不受勵(lì)磁涌流、電壓分接頭調(diào)整的影響。,整定計(jì)算：,1）按躲過外部單相（兩相）接地故障的不平衡電流整定,2）按躲過外部三相短路的不平衡電流整定,3）按躲過勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的零序不平衡電流整定,取上述最大值作為零序電流差動(dòng)的動(dòng)作值，以區(qū)內(nèi)接地短路的最小零序電流來校驗(yàn)其靈敏性，若小于2.0，則改用比率制動(dòng)式零序差動(dòng)保護(hù)。,對于自耦變壓器的零序差動(dòng)保護(hù)，需注意制動(dòng)電流的選取。,后備保護(hù)的作用：防止外部故障引起的變壓器繞組過電流，并作為相鄰元件（母線或線路）保護(hù)的后備，以及在可能條件下作為變壓器內(nèi)部故障時(shí)主保護(hù)的后備。,一.相間短路的后備保護(hù),第三節(jié)變壓器后備保護(hù),主要包括相間短路后備保護(hù)、接地短路后備保護(hù),相間后備保護(hù)用以防止變壓器外部短路引起變壓器繞組的過電流及作為變壓器本身差動(dòng)保護(hù)和瓦斯保護(hù)的后備，當(dāng)變壓器所連接母線未裝設(shè)專用母線保護(hù)時(shí)也作為母線的保護(hù)。,一.相間短路的后備保護(hù),相間后備保護(hù)可選用過電流保護(hù)、復(fù)合電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)以及負(fù)序過電流保護(hù)等,1.過電流保護(hù),動(dòng)作電流按躲過變壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流整定：,需要分別考慮躲過并列運(yùn)行的變壓器切除一臺(tái)時(shí)產(chǎn)生的過負(fù)荷電流，躲過電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的自起動(dòng)電流等，動(dòng)作時(shí)限和靈敏度需要與相鄰元件的過電流保護(hù)相配合。,2.復(fù)合電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù),動(dòng)作電流按躲過變壓器額定電流整定：,負(fù)序過電壓繼電器作為不對稱故障的電壓保護(hù)，而低電壓繼電器作為三相短路的電壓保護(hù)。,負(fù)序電壓過電壓繼電器的動(dòng)作電壓按躲過正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的最大不平衡電壓整定：,3.負(fù)序過電流保護(hù),負(fù)序電流保護(hù)靈敏度較高，但整定計(jì)算相對復(fù)雜，由于負(fù)序電流不反應(yīng)三相對稱短路，所以必須加裝一套單相式低電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)來反應(yīng)三相短路故障。,4.低阻抗保護(hù),當(dāng)電流、電壓保護(hù)不滿足靈敏度要求或根據(jù)系統(tǒng)各保護(hù)之間配合的要求，可采用阻抗保護(hù)。阻抗保護(hù)常用于330-500KV大型升壓及降壓變壓器，作為變壓器引線、母線及相鄰線路相間故障后備保護(hù)。,實(shí)驗(yàn)分析表明：測量阻抗難以反應(yīng)變壓器繞組內(nèi)部故障（與負(fù)荷阻抗可比擬），阻抗保護(hù)難以作為變壓器繞組內(nèi)部故障的后備保護(hù)。僅作為變壓器引線、鄰接母線及相鄰線路相間故障后備保護(hù)（尤其是鄰接母線）。,阻抗保護(hù)可不設(shè)振蕩閉鎖，以其固有延時(shí)避越振蕩誤動(dòng)（1.5s），但應(yīng)具有PT斷線閉鎖功能。,相間短路后備保護(hù)裝設(shè)位置的選擇,1.雙繞組變壓器的主電源側(cè)（升壓變的低壓側(cè)，降壓變的高壓側(cè)）；,2.三繞組變壓器和自耦變壓器的主電源側(cè)和主負(fù)荷側(cè)。當(dāng)這種方式不滿足靈敏性要求時(shí)，可在各側(cè)均裝設(shè)后備保護(hù)，并根據(jù)選擇性要求裝設(shè)必要的方向元件。,3.對發(fā)-變組單元接線，在變壓器低壓側(cè)不需另設(shè)后備保護(hù)，而利用發(fā)電機(jī)的后備保護(hù)反應(yīng)外部故障。靈敏性不滿足要求時(shí)，可在高壓、中壓側(cè)裝設(shè)后備阻抗保護(hù)。（對母線短路應(yīng)滿足靈敏性要求，作為相鄰線路的遠(yuǎn)后備，可適當(dāng)降低靈敏性要求）,對110kV及以上中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)（大接地電流系統(tǒng)）中的變壓器，應(yīng)裝設(shè)接地故障后備保護(hù)，作為變壓器內(nèi)部繞組、引線以及相鄰元件（母線和線路）接地故障的后備保護(hù)。,二.接地短路的后備保護(hù),變壓器接地保護(hù)的方式與變壓器中性點(diǎn)的接地方式以及所連系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式密切相關(guān)。,變壓器接地故障的后備采用零序保護(hù)。,變壓器中性點(diǎn)是否接地運(yùn)行與變壓器中性點(diǎn)的絕緣水平有關(guān)。220KV及以上大型變壓器，高壓繞組一般采用分級絕緣，中性點(diǎn)絕緣有兩種：500KV變壓器中性點(diǎn)絕緣水平38KV，必須直接接地運(yùn)行；220KV變壓器中性點(diǎn)絕緣水平110KV，可以直接接地也可以在系統(tǒng)中不失去接地點(diǎn)情況下不接地運(yùn)行。變壓器中性點(diǎn)不同的運(yùn)行方式，接地保護(hù)的配置也不盡相同。,1.中性點(diǎn)直接接地的變壓器零序電流保護(hù),由兩段式零序過電流保護(hù)構(gòu)成，通常以較短時(shí)限動(dòng)作于縮小故障范圍，以較長時(shí)限動(dòng)作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。,2.中性點(diǎn)可能接地或不接地變壓器的零序電流、電壓保護(hù),對于有多臺(tái)變壓器并列運(yùn)行的情況，通常只有部分變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行，而另一部分變壓器中性點(diǎn)不接地。當(dāng)相鄰母線或線路發(fā)生接地故障，故障元件保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，則中性點(diǎn)接地變壓器的零序電流保護(hù)動(dòng)作，將中性點(diǎn)接地變壓器切除，此時(shí)中性點(diǎn)不接地變壓器可能產(chǎn)生過電壓。,1）全絕緣變壓器,全絕緣變壓器繞組各處的絕緣水平相同，用于變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生接地故障，同時(shí)又失去接地中性點(diǎn)的情況。,零序電流保護(hù)作為變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行時(shí)的接地保護(hù)，零序電壓保護(hù)作為變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行時(shí)的接地保護(hù)。動(dòng)作電壓躲過部分中性點(diǎn)接地電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，出現(xiàn)的最大零序電壓，同時(shí)在發(fā)生接地故障且失去接地中性點(diǎn)時(shí)具有足夠靈敏度。一般取為1.8Un,2）分級絕緣變壓器,分級絕緣變壓器繞組各處的絕緣水平不同，中性點(diǎn)絕緣水平較低，一般需裝設(shè)放電間隙。,當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生接地故障且失去中性點(diǎn)時(shí)，放電間隙擊穿，放電電流使零序電流元件啟