電力變壓器的繼電保護

1、電力變壓器的繼電保護電力變壓器的繼電保護 一、概一、概 述述 GB50062-1992電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范規(guī)定：對電力變壓器的下列故障及異常運行方式，應(yīng)裝設(shè)相應(yīng)的保護裝置：(1) 繞組及其引出線的相間短路和在中性點直接接地側(cè)的單相接地短路；(2) 繞組的匝間短路；(3)外部相間短路引起的過電流；(4) 中性點直接接地電力網(wǎng)中外部接地短路引起的過電流及中性點過電壓；(5) 過負荷；(6)油面降低；(7) 變壓器溫度升高，或油箱壓力升高，或冷卻系統(tǒng)故障。 對于高壓側(cè)為610kV的車間變電所主變壓器來說，通常裝設(shè)有帶時限的過電流保護；如果過電流保護的動作時間大于0.50.7s時，還應(yīng)

2、裝設(shè)電流速斷保護。容量在 800kVA及以上的油浸式變壓器和400kVA及以上的車間內(nèi)油浸式變壓器，按規(guī)定應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護。容量在400kVA及以上的變壓器，當(dāng)數(shù)臺并列運行或單臺運行并作為其他負荷的備用電源時，應(yīng)根據(jù)可能過負荷的情況裝設(shè)過負荷保護。過負荷保護及瓦斯保護在變壓器輕微故障時動作于信號；而其他保護包括瓦斯保護在變壓器發(fā)生嚴重故障時一般均動作于跳閘。 對于高壓側(cè)為35kV及以上的工廠總降壓變電所主變壓器來說，也應(yīng)裝設(shè)過電流保護、電流速斷保護和瓦斯保護（對油浸式變壓器）；對有可能過負荷時，也應(yīng)裝設(shè)過負荷保護。如果單臺運行的變壓器容量在1000kVA及以上和并列運行的變壓器每臺容量在6300

3、kVA及以上時，則要求裝設(shè)縱聯(lián)差動保護來取代電流速斷保護。 二、變壓器低壓側(cè)短路時換算到高壓側(cè)的穿越電流值二、變壓器低壓側(cè)短路時換算到高壓側(cè)的穿越電流值 常用的Yyn0聯(lián)結(jié)和Dyn11聯(lián)結(jié)的降壓變壓器在低壓側(cè)發(fā)生各種形式短路時在高壓側(cè)引起的穿越電流值，如表6-5所示。 表表6-5 變壓器低壓側(cè)短路時在高壓側(cè)引起的穿越電流值變壓器低壓側(cè)短路時在高壓側(cè)引起的穿越電流值 二、變二、變壓器低壓壓器低壓側(cè)短路時側(cè)短路時換算到高換算到高壓側(cè)的穿壓側(cè)的穿越電流值越電流值 常用的Yyn0聯(lián)結(jié)和Dyn11聯(lián)結(jié)的降壓變壓器在低壓側(cè)發(fā)生各種形式短路時在高壓側(cè)引起的穿越電流值，如表6-5所示。 下面分別就Yyn0聯(lián)結(jié)

4、的變壓器和Dyn11聯(lián)結(jié)的變壓器當(dāng)其低壓側(cè)發(fā)生單相短路時在其高壓側(cè)引起的穿越電流的換算關(guān)系作一分析。其余的請讀者自行分析。 1、Yyn0聯(lián)結(jié)的變壓器低壓側(cè)短路時在高壓側(cè)引起的穿越電流的換算關(guān)系分析 假設(shè)低壓側(cè)b相發(fā)生單相短路，其短路電流 。根據(jù)對稱分量法，這一單相短路Ib 可分解為正序分量Ib1=Ib /3，負序分量Ib2 =Ib /3，零序分量Ib0 =Ib /3。由此可繪出該變壓器低壓側(cè)b相短路時低壓和高壓兩側(cè)各序電流分量的相量圖（設(shè)變壓器的電壓比為1），如圖6-34所示。kbII圖6-34 Yyn0聯(lián)結(jié)的變壓器低壓側(cè)b相短路時的電流相量分析（設(shè)變壓器的電壓比為1） 圖6-35 Dyn11

5、聯(lián)結(jié)的變壓器在低壓側(cè)b相短路時的短路電流分布（設(shè)變壓器兩側(cè)匝數(shù)比為1） 2、Dyn11聯(lián)結(jié)的變壓器低壓側(cè)單相短路時在高壓側(cè)引起的穿越電流的換算關(guān)系分析 假設(shè)Dyn11聯(lián)結(jié)的變壓器低壓側(cè)b相發(fā)生單相短路，則根據(jù)圖6-34的相量圖可知，其高壓側(cè)各相繞組中的電流分布應(yīng)與Yyn0聯(lián)結(jié)變壓器高壓繞組中的電流分布相同，而其高壓側(cè)三相線路中的電流分布則如圖6-35所示。由于Dy聯(lián)結(jié)的三相變壓器兩側(cè)的電壓比是指其兩側(cè)的線電壓比，即 ，而線電壓 ，故 ，即 。這說明Dy聯(lián)結(jié)的變壓器兩側(cè)繞組匝數(shù)比 。因此變壓器低壓側(cè)b相發(fā)生單相短路時，其高壓側(cè)的所有電流（如圖6-35所示）均應(yīng)除以 。故如表6-5右下欄內(nèi)的接線圖

6、所示，A相電流為零，B相和C相電流均為 。12/KUU11,223UUUU12/3KUU12/3UUK12/3NNK3K/3kIKK(1)IkIkIkIkkI32kI31kI31ABCabcn 式中 為變壓器的額定二次電流； 為不平衡系數(shù)，一般取為0.25； 為零序電流互感器TAN的變流比； 為可靠系數(shù),可取1.3。2.N TIdsqKiKrelK 三、變壓器低壓側(cè)的單相短路保護三、變壓器低壓側(cè)的單相短路保護 對變壓器低壓側(cè)的單相短路保護，可采用下列措施之一： (1)在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)三相都帶過流脫扣器的低壓斷路器。這一低壓斷路器，既作低壓主開關(guān)，操作方便，且便于實現(xiàn)自動化，又可用來保護低壓側(cè)

7、的相間短路和單相短路。 (2)在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)熔斷器。這同樣可用來保護低壓側(cè)的相間短路和單相短路；但熔斷器熔斷后需更換熔體后才能恢復(fù)供電，因此只適用于供不重要負荷的變壓器。 (3) 在變壓器低壓側(cè)中性點引出線上裝設(shè)零序電流保護，如圖6-36所示。這種零序電流保護的動作電流 按躲過變壓器低壓側(cè)最大不平衡電流來整定，其整定計算的公式為 (0)opI（6-45）(0)2.reldsqopN TiKKIIK 零序電流保護的動作時間一般取為0.50.7s。 零序電流保護的靈敏度,按低壓干線末端發(fā)生單相短路來檢驗。對架空線, ；對電纜線, 。 采用這種零序電流保護,靈敏度較高,但投資較大。1.5pS 1

8、.25pS 圖6-36 變壓器的零序電流保護 QF-高壓斷路器；TAN-零序電流互感器； KA-GL型電流繼電器；YR-跳閘線圈 必須注意，高壓側(cè)如采用圖6-38所示兩相一繼電器接線，則在低壓側(cè)b相短路時，高壓側(cè)的過電流繼電器KA中無電流通過，不會動作，因此它不適于兼作低壓側(cè)的單相短路保護。 圖6-37 適于變壓器低壓側(cè)單相短路保護的過電流保護接線 a) 兩相三繼電器式接線 b) 三相三繼電器式接線 (4) 高壓側(cè)采用兩相三繼電器接線或三相三繼電器接線的過電流保護，如圖6-37所示。這兩種保護接線可使低壓側(cè)發(fā)生單相短路時的保護靈敏度大大提高。T 上述四項適于低壓側(cè)單相短路保護的措施中，以第一項

9、措施應(yīng)用最廣，因為它既滿足了低壓側(cè)單相短路保護的要求，又操作方便，便于實現(xiàn)自動化。圖6-38 高壓側(cè)采用兩相一繼電器接線的過電流保護 不適于兼作低壓側(cè)單相短路保護說明圖 四、變壓器的過電流保護、電流速斷保護和過負荷保護 (一)變壓器的過電流保護 變壓器過電流保護的組成、原理，無論是定時限還是反時限，均與線路過電流保護相同。變壓器過電流保護的動作電流整定計算公式也與線路過電流保護基本相同，仍按式（6-29）或式（6-30）計算，只是其中的 應(yīng)改為 ，這里 為變壓器的額定一次電流。其過電流保護動作時間亦按“階梯原則”整定，與線路過電流保護完全相同。但對車間變電所（電力系統(tǒng)終端變電所）的變壓器，其動

10、作時間可整定為最小值0.5s。 變壓器過電流保護的靈敏度，按變壓器低壓側(cè)母線在系統(tǒng)最小運行方式下發(fā)生兩相短路時高壓側(cè)的穿越電流值來檢驗，要求 。如果靈敏度達不到要求，可采用低電壓閉鎖的過電流保護，如前面圖6-27所示。 .maxLI1.(1.5 3)N TI1.N TI1.5pS (二)變壓器的電流速斷保護 變壓器的電流速斷保護，其組成、原理與線路的電流速斷保護完全相同。變壓器電流速斷保護動作電流（速斷電流）的整定計算公式也與線路速斷保護基本相同，仍采用式（6-40）計算，只是其中的 應(yīng)取低壓母線的三相短路周期分量有效值換算到高壓側(cè)的穿越電流值，也就是變壓器電流速斷保護的動作電流應(yīng)按躲過低壓母

11、線三相短路電流周期分量有效值來整定。 變壓器電流速斷保護的靈敏度，按其裝設(shè)的高壓側(cè)在系統(tǒng)最小運行方式下發(fā)生兩相短路的短路電流 來檢驗，要求 。 變壓器的電流速斷保護，與線路的電流速斷保護一樣，也存在“死區(qū)”。彌補死區(qū)的措施，也是配置帶時限的過電流保護。 考慮到變壓器在空載投入或突然恢復(fù)電壓時將出現(xiàn)一個沖擊性的勵磁涌流，為了避免這種情況下電流速斷保護誤動作，可在速斷電流整定后，將變壓器空載試投若干次，以檢驗速斷保護是否誤動作。 1.5pS .maxkI(2)kI 圖6-39 變壓器的定時限過電流保護、電流速斷保護和過負荷保護的綜合電路 (三)變壓器的過負荷保護 變壓器過負荷保護的組成、原理，與線

12、路過負荷保護完全相同。其動作電流的整定計算公式也與線路過負荷保護基本相同，也采用式（6-44）計算，只是其中的 應(yīng)改為變壓器的額定一次電流 。其動作時間一般取1015s。 圖6-39所示為變壓器的定時限過電流保護、電流速斷保護和過負荷保護的綜合電路圖。30I1.N TI 例例6-66-6 某車間變電所裝有一臺10/0.4kV、1000kVA的變壓器。已知變壓器低壓側(cè)母線的三相短路電流 高壓側(cè)繼電保護用電流互感器的變流比為100/5，繼電器采用GL-15/10型，接成兩相兩繼電器式。試整定該繼電器的動作電流、動作時間及速斷電流倍數(shù)。 解：解：(1)過電流保護動作電流的整定 取 而 ， =115.

13、5A A 因此動作電流整定為 9A。(3)14,kIkA1.3,relK1,0.8,100/520wreiKKK.max1.221000/(310)LN TIIkVAkV 故.max1.3 1115.59.40.820relwopLreiKKIIAKK (2)過電流保護動作時間的整定 考慮到車間變電所為系統(tǒng)終端變電所，因此過電流保護的10倍動作電流的動作時間整定為0.5s。 (3)電流速斷保護速斷電流的整定 取 ，而 ， 因此速斷電流倍數(shù)整定為 1.5relK.max140.4/10560kIkAkVkVA.max1.5 15604220relwqbkiK KIIAK424.79qbqbopI

14、AnIA 五、變壓器的差動保護 差動保護分縱聯(lián)差動保護和橫聯(lián)差動保護兩種?？v聯(lián)差動保護用于單回路，橫聯(lián)差動保護用于雙回路。這里講的變壓器差動保護是一種縱聯(lián)差動保護。 差動保護利用故障時產(chǎn)生的不平衡電流來動作，保護靈敏度很高，而且動作迅速。按GB50052-1992規(guī)定：10000kVA及以上單獨運行變壓器和6300kVA及以上的并列運行變壓器，變壓器，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護；6300kVA及以下單獨運行的重要變壓器，也可裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。當(dāng)電流速斷保護靈敏度不符合要求時，亦可裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。 在變壓器正常運行或差動保護的保護區(qū)外的k-1點發(fā)生短路時，變壓器一次側(cè)電流互感器TA1的二次電流 與變壓

15、器二次側(cè)電流互感器TA2的二次電流 相等或接近相等，因此流入電流繼電器KA（或差動繼電器KD）的電流 ，繼電器KA（或KD）不動作。而在差動保護的保護區(qū)內(nèi)k-2點發(fā)生短路時，對于單端供電的變壓器來說， ，因此 ，超過繼電器KA（或KD）所整定的動作電流 ，使KA（或KD）瞬時動作，然后通過出口繼電器KM使斷路器QF跳閘，同時通過信號繼電器KS發(fā)出信號。 1I2I120KAIII20I 1KAII( )op dI (一) 變壓器差動保護的基本原理 變壓器差動保護，主要用來保護變壓器內(nèi)部以及引出線和絕緣套管的相間及相對外殼的短路，并且也可用來保護變壓器的匝間短路，其保護范圍在變壓器一、二次側(cè)所裝電

16、流互感器之間。 圖6-40是變壓器縱聯(lián)差動保護的單相原理電路圖。圖6-40 變壓器縱聯(lián)差動保護的單相原理電路圖 (二)變壓器差動保護中的不平衡電流及其減小措施 變壓器差動保護是利用保護區(qū)內(nèi)發(fā)生短路故障時變壓器兩側(cè)電流在差動回路（即其連接繼電器的回路）中引起的不平衡電流而動作的一種保護裝置。這不平衡電流 。在變壓器正常運行或保護區(qū)外短路時，希望 盡可能地小，理想情況下是 。但是這種理想情況幾乎是不可能的，因為 不僅與變壓器及電流互感器的接線方式和結(jié)構(gòu)性能等因素有關(guān)，而且與變壓器的運行有關(guān)，因此只能設(shè)法使之盡可能地減小。下面介紹不平衡電流產(chǎn)生的原因及其減小或消除的措施。12dsqIIIdsqI0d

17、sqIdsqI 在變壓器正常運行或差動保護的保護區(qū)外的k-1點發(fā)生短路時，變壓器一次側(cè)電流互感器TA1的二次電流 與變壓器二次側(cè)電流互感器TA2的二次電流 相等或接近相等，因此流入電流繼電器KA（或差動繼電器KD）的電流 ，繼電器KA（或KD）不動作。而在差動保護的保護區(qū)內(nèi)k-2點發(fā)生短路時，對于單端供電的變壓器來說， ，因此 ，超過繼電器KA（或KD）所整定的動作電流 ，使KA（或KD）瞬時動作，然后通過出口繼電器KM使斷路器QF跳閘，同時通過信號繼電器KS發(fā)出信號。 1I2I120KAIII20I1KAII()op dI (一) 變壓器差動保護的基本原理 變壓器差動保護，主要用來保護變壓器

18、內(nèi)部以及引出線和絕緣套管的相間及相對外殼的短路，并且也可用來保護變壓器的匝間短路，其保護范圍在變壓器一、二次側(cè)所裝電流互感器之間。 圖6-40是變壓器縱聯(lián)差動保護的單相原理電路圖。圖6-40 變壓器縱聯(lián)差動保護的單相原理電路圖 1、由變壓器接線引起的不平衡電流及其消除措施 工廠總降壓變電所的主變壓器通常采用Yd11聯(lián)結(jié)組，這就造成變壓器兩側(cè)電流有30的相位差。雖然可以通過恰當(dāng)?shù)剡x擇變壓器兩側(cè)電流互感器的變流比，使互感器二次電流相等，但由于這兩個電流之間存在30相位差，所以在差動回路中仍然有相當(dāng)大的不平衡電流 ，I2 為互感器二次電流。為了消除差動回路中的這一不平衡電流，因此將裝設(shè)在變壓器星形聯(lián)

19、結(jié)一側(cè)的電流互感器接成三角形聯(lián)結(jié)，而將變壓器三角形聯(lián)結(jié)一側(cè)的電流互感器接成星形聯(lián)結(jié)，如圖6-41a的電路所示。由圖6-41b的相量圖可知，這樣聯(lián)結(jié)使變壓器兩側(cè)電流相位差相互補償后，即可消除差動回路中因變壓器兩側(cè)電流相位不同而引起的不平衡電流。2268. 0IIdsq 圖6-41 Yd11聯(lián)結(jié)變壓器的縱聯(lián)差動保護接線及電流相量分析 a)差動保護接線 b)電流相量分析 （假設(shè)變壓器和互感器的變比均為1） 2、由變壓器兩側(cè)電流互感器變流比選擇引起的不平衡電流及其消除措施 由于變壓器的電壓比和電流互感器的變流比各有標準，因此不太可能使之完全配合恰當(dāng)，從而不太可能使差動保護兩邊的電流完全相等，這就必然在

20、差動回路中產(chǎn)生不平衡電流，為了消除這一不平衡電流，可在電流互感器的二次回路接入一個自耦電流互感器來進行平衡，或利用速飽和電流互感器中的平衡線圈或?qū)ｉT的差動繼電器中的平衡線圈來實現(xiàn)平衡，消除不平衡電流。 3、 由變壓器勵磁涌流引起的不平衡電流及其減小措施 由于變壓器空載投入時產(chǎn)生的勵磁涌流只通過變壓器的一次繞組，而二次繞組因開路而無電流，從而在差動回路中產(chǎn)生相當(dāng)大的不平衡電流。這可通過在差動回路中接入速飽和電流互感器，繼電器則接在速飽和電流互感器的二次側(cè)，以減小勵磁涌流對差動保護的影響。 此外，在變壓器正常運行和外部短路時，由于變壓器兩側(cè)電流互感器的型式和特性不同，從而也在差動回路中產(chǎn)生不平衡電

21、流。變壓器分接頭電壓的改變，改變了變壓器的電壓比，而電流互感器的變流比不可能相應(yīng)改變，從而破壞了差動回路中原有的電流平衡狀態(tài)，也會產(chǎn)生新的不平衡電流?？傊?，產(chǎn)生不平衡電流的因素很多，不可能完全消除，而只能設(shè)法使之減小到最小值。 (三)變壓器差動保護動作電流的整定 變壓器差動保護的動作電流 應(yīng)滿足以下三個條件： (1)應(yīng)躲過變壓器差動保護區(qū)外短路時出現(xiàn)的最大不平衡電流 ，即 式中 為可靠系數(shù)，可取1.3。 (2)應(yīng)躲過變壓器的勵磁涌流，即 （6-47）式中 為變壓器額定一次電流； 為可靠系數(shù)，可取1.31.5。 (3)在電流互感器二次回路斷線且變壓器處于最大負荷時，差動保護不應(yīng)誤動作，因此 （6

22、-48）式中 為最大負荷電流，取 ； 為可靠系數(shù)，可取1.3。( )op dI.maxdsqI （6-46）( ).maxop drel dsqIK IrelK( )1.op drelN TIKI1.N TIrelK( ).maxop drelLIKI.maxLI1.(1.2 1.3)N TIrelK 六、變壓器的瓦斯保護 瓦斯保護的主要元件是瓦斯繼電器（氣體繼電器）。它裝在油浸式電力變壓器的油箱與油枕（儲油柜）之間的聯(lián)通管中部，如圖6-42所示。為了使油箱內(nèi)產(chǎn)生的氣體能夠順暢地通過瓦斯繼電器排往油枕，變壓器安裝時應(yīng)取1%1.5%的傾斜度，而在制造變壓器時，聯(lián)通管對油箱頂蓋也有2%4%的傾斜度

23、。圖6-42 瓦斯繼電器在變壓器上的安裝 1-變壓器油箱；2-聯(lián)通管；3-瓦斯繼電器（氣體繼電器）；4-油枕（儲油柜） 圖6-43 FJ3-80型瓦斯繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖 1-蓋；2-容器；3-上油杯；4-永久磁鐵；5-上動觸點；6-上靜觸點； 7-下油杯；8-永久磁鐵；9-下動觸點；10-下靜觸點；11-支架； 12-下油杯平衡錘；13-下油杯轉(zhuǎn)軸；14-擋板；15-上油杯平衡錘； 16-上油杯轉(zhuǎn)軸；17-放氣閥；18-接線盒(一) 瓦斯繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理 瓦斯繼電器主要有浮筒式和開口杯式兩種型式，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是開口杯式。FJ3-80型開口杯式瓦斯繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-43所示。開口

24、杯式瓦斯繼電器與浮筒式繼電器相比，其抗振性較好，誤動作的可能性大大減少，可靠性大大提高。 當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生輕微故障時，由故障產(chǎn)生的少量氣體慢慢上升，進入瓦斯繼電器容器內(nèi)并由上而下地排除其中的油，使油面下降，上油杯因其中盛有殘余的油而使其力矩大于另一端平衡錘的力矩而降落，如圖6-44b所示。這時上觸點閉合而接通信號回路，發(fā)出音響和燈光信號，這稱為“輕瓦斯動作”。 當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時，由于故障產(chǎn)生的氣體很多，帶動油流迅猛地由變壓器油箱通過聯(lián)通管進入油枕。這大量的油氣混合體在經(jīng)過瓦斯繼電器時，沖擊擋板，使下油杯下降，如圖6-44c所示。這時下觸點閉合而接通跳閘回路，使斷路器跳閘，同時發(fā)出音響和燈光信號這稱為“重瓦斯動作”。 如果變壓器油箱漏油，使得瓦斯繼電器容器內(nèi)的油也慢慢流盡，如圖6-44d所示。先是繼電器的上油杯下降，發(fā)出報警信號，接著繼電器的下油杯下降，使斷路器跳閘，同時發(fā)出跳閘信號。 在變壓器正常運行時，瓦斯繼電器容器內(nèi)的上下油杯均由于各自的平衡錘作用而升起，如圖6-44a所