主變后備保護(hù)原理和保護(hù)范圍

1、主變后備保護(hù)原理和保護(hù)范圍一、變壓器的后備保護(hù) 當(dāng)回路發(fā)生故障時(shí)，回路上的保護(hù)將在瞬間發(fā)出信號(hào)斷開(kāi)回路的開(kāi)斷元件(如斷路器），這個(gè)立即動(dòng)作的保護(hù)就是主保護(hù)。當(dāng)主保護(hù)因?yàn)楦鞣N原因沒(méi)有動(dòng)作，在延時(shí)很短時(shí)間后（延時(shí)時(shí)間根據(jù)各回路的要求），另一個(gè)保護(hù)將啟動(dòng)并動(dòng)作，將故障回路跳開(kāi)。這個(gè)保護(hù)就是后備保護(hù)。主保護(hù)反應(yīng)變壓器內(nèi)部故障，后備保護(hù)反應(yīng)變壓器外部故障。保護(hù)范圍主要是變壓器外部線路。二、變壓器后備保護(hù)概述： 作用：電力變壓器應(yīng)裝設(shè)外部接地、相間短路引起的過(guò)電流保護(hù)及中性點(diǎn)過(guò)電壓保護(hù)裝置，以作為相鄰元件及變壓器內(nèi)部故障的后備保護(hù)。變壓器的后備保護(hù)是其主保護(hù)的備用保護(hù)，當(dāng)主保護(hù)失靈時(shí)，后備保護(hù)動(dòng)作，以保證

2、設(shè)備和人身安全。其保護(hù)范圍為變壓器和供電回路及回路上的負(fù)荷設(shè)備 。 后備保護(hù)是指阻抗保護(hù)、低電壓過(guò)流保護(hù)、復(fù)合電壓過(guò)流保護(hù)、過(guò)流保護(hù)，它們都能反應(yīng)變壓器的過(guò)流狀態(tài)，但它們的靈敏度不一樣，阻抗保護(hù)的靈敏度高，過(guò)流保護(hù)的靈敏度低。三、后備保護(hù)的分類 遠(yuǎn)后備保護(hù)：當(dāng)主保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，由相鄰電力設(shè)備或線路的保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的后備保護(hù)。 近后備保護(hù)：當(dāng)主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，由本設(shè)備或線路的另一套保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)后備的保護(hù)；當(dāng)斷路器拒動(dòng)時(shí)，由斷路器失靈保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)近后備保護(hù)。 高后備保護(hù)和低后備保護(hù)是相對(duì)變壓器而言的，變壓器高壓側(cè)的后備保護(hù)稱為高后備，變壓器低壓側(cè)的后備保護(hù)稱為低后備。1、后備保護(hù)用于在主保護(hù)故障拒動(dòng)情況下

3、，保護(hù)變壓器。一般包含：（1）高壓側(cè)復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)；（2）低壓側(cè)復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)；（3）防御外部接地短路的零序電流、零序電壓保護(hù)；（4）防止對(duì)稱過(guò)負(fù)荷的過(guò)負(fù)荷保護(hù)；（5）和高壓側(cè)母線相聯(lián)的保護(hù)：高壓側(cè)母線差動(dòng)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)；（6）和低壓側(cè)母線相聯(lián)的相關(guān)保護(hù)：低壓側(cè)母線差動(dòng)保護(hù)等。 變壓器保護(hù)裝置的工作流程如圖6-1所示，保護(hù)測(cè)量變壓器的各參量未超過(guò)定值時(shí)，保護(hù)處于正常狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，裝置中各保護(hù)根據(jù)測(cè)量判定故障是否發(fā)生在各自的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí)，縱差保護(hù)動(dòng)作跳閘；若故障點(diǎn)在油箱內(nèi)，氣體保護(hù)能以較高的靈敏度動(dòng)作于跳閘。無(wú)論是內(nèi)部故障還是外部故障，變壓器相間

4、后備保護(hù)均應(yīng)啟動(dòng)。若為接地故障，零序保護(hù)作為接地故障的后備保護(hù)也同時(shí)啟動(dòng)。在后備保護(hù)動(dòng)作延時(shí)內(nèi)，故障若消失，后備保護(hù)返回到正常工作狀態(tài)；若故障仍存在，則動(dòng)作于跳閘，將變壓器從電網(wǎng)中切除。此外，當(dāng)變壓器出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷等異常工作狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作發(fā)出信號(hào)。 四、相間短路的后備保護(hù) 變壓器的主保護(hù)通常采用差動(dòng)保護(hù)和瓦斯保護(hù)。除了主保護(hù)外，變壓器還應(yīng)裝設(shè)相間短路和接地短路的后備保護(hù)。后備保護(hù)的作用是為了防止由外部故障引起的變壓器繞組過(guò)電流，并作為相鄰元件（母線或線路）保護(hù)的后備以及在可能的條件下作為變壓器內(nèi)部故障時(shí)主保護(hù)的后備。變壓器的相間短路后備保護(hù)通常采用過(guò)電流保護(hù)、低電壓起動(dòng)的過(guò)電流保護(hù)、復(fù)合電

5、壓起動(dòng)的過(guò)電流保護(hù)以負(fù)序過(guò)電流保護(hù)等，也有采用阻抗保護(hù)作為后備保護(hù)的情況。1、過(guò)電流保護(hù) 過(guò)電流保護(hù)裝置的原理接線如圖5-18所示，其工作原理與線路定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)相同。保護(hù)動(dòng)作后，跳開(kāi)變壓器兩側(cè)的斷路器，保護(hù)的起動(dòng)電流按照過(guò)變壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流來(lái)整定,即式中 Krel 可靠系數(shù)，取1.21.3； Kr返回系數(shù)，取0.80.95；ILmax 變壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流。ILmax 可按以下情況考慮，并取最大值： （1）對(duì)并列運(yùn)行的變壓器，應(yīng)考慮切除一臺(tái)最大容量的變壓器時(shí)，在其他變壓器中出現(xiàn)的過(guò)負(fù)荷。當(dāng)各臺(tái)變壓器容量相同時(shí)，計(jì)算式為 式中 n并列運(yùn)行變壓器的可能最少臺(tái)數(shù) IN每臺(tái)變壓器

6、的額定電流 （2）對(duì)降壓變壓器，應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)時(shí)的最大電流，計(jì)算式為其中ILmax 正常工作時(shí)的最大負(fù)荷電流（一般為變壓器的額定電流） Kast綜合負(fù)荷的自起動(dòng)系數(shù)，對(duì)于110KV 的降壓變電所，低壓610KV側(cè)取Kast=1.52.5，中壓35KV側(cè)取Kast=1.52。（3）過(guò)電流保護(hù)的使用條件：宜用于降壓變壓器，安裝地點(diǎn)：電源側(cè)。2、低電壓起動(dòng)時(shí)的過(guò)電流保護(hù) 過(guò)電流保護(hù)按躲過(guò)可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流整定，起動(dòng)電流比較大，對(duì)于升壓變壓器或容量較大的降壓變，靈敏度往往不能滿足要求。為此可以采用低電壓起動(dòng)的過(guò)電流保護(hù)。 保護(hù)原理接線如圖5-19所示，只有在電流元件和電壓元件同時(shí)動(dòng)作后，才能起

7、動(dòng)時(shí)間繼電器，經(jīng)過(guò)預(yù)定的延時(shí)后動(dòng)作于跳閘。由于電壓互感器回路發(fā)生斷線時(shí)，低電壓繼電器將誤動(dòng)作，因此在實(shí)際裝置中還需配置電壓回路斷線閉鎖功能。 采用低電壓繼電器后，電流繼電器的整定值就可以不再考慮并聯(lián)運(yùn)行變壓器切除或電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷，而是按大于變壓器的額定電流整定，即 低電壓繼電器的動(dòng)作電壓按以下條件整定，并取最小值（1）按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最低工作電壓整定，計(jì)算式為式中UWmax 最低工作電壓，一般取0.9UN（UN為變壓器的額定電壓）；Krel可靠系數(shù)，取1.11.2；Kr低電壓繼電器的返回系數(shù)，取1.151.25.（2）按躲過(guò)電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)時(shí)的電壓整定；當(dāng)?shù)蛪豪^電器由變

8、壓器低壓側(cè)互感器供電時(shí)，計(jì)算式為Uset=（0.50.6）UN當(dāng)?shù)碗妷豪^電器由變壓器高壓側(cè)互感器供電時(shí)，計(jì)算式為Uset=0.7UN3、復(fù)合電壓起動(dòng)的過(guò)電流保護(hù) 這種保護(hù)是低電壓起動(dòng)過(guò)電流保護(hù)的一個(gè)發(fā)展，其原理接線如圖5-20所示。它將原來(lái)的三個(gè)低電壓繼電器改由一個(gè)負(fù)序過(guò)電壓繼電器KV2（電壓繼電器接于負(fù)序電壓濾過(guò)器上）和一個(gè)接于線電壓上的低電壓繼電器KV1組成。由于發(fā)生各種不對(duì)稱故障時(shí)，都能出現(xiàn)負(fù)序電壓，故負(fù)序過(guò)電壓繼電器KV2作為不對(duì)稱故障的電壓保護(hù)，而低電壓繼電器KV1則作為三相短路故障時(shí)的電壓保護(hù)。過(guò)電流繼電器和低電壓繼電器的整定原則與低電壓起動(dòng)過(guò)電流保護(hù)相同。負(fù)序過(guò)電壓繼電器的動(dòng)作電

9、壓按躲過(guò)正常動(dòng)行時(shí)的負(fù)序?yàn)V過(guò)器出現(xiàn)的最大不平衡電壓來(lái)整定，通常取U2set=（0.060.12）UN由此可見(jiàn)，復(fù)合電壓起動(dòng)過(guò)電流保護(hù)在不對(duì)稱故障時(shí)電壓繼電器的靈敏度高，并且接線比較簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用比較廣泛。復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)流保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)：1、由于負(fù)序電壓繼電器的整定值小，因此在不對(duì)稱短路時(shí)，電壓元件的靈敏系數(shù)高。2、當(dāng)經(jīng)過(guò)變壓器后發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)，電壓元件的工作情況與變壓器所采用的接線方式無(wú)關(guān)。3、在三相短路時(shí)，保護(hù)裝置的工作情況就相當(dāng)于一個(gè)低電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)。4、低阻抗保護(hù) 當(dāng)電流、電壓保護(hù)不能滿足靈敏度要求或根據(jù)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)間配合的要求，發(fā)電機(jī)和變壓器的相間故障后備保護(hù)可采用阻抗保護(hù)。阻抗保護(hù)通

10、常用于330KV500KV大型升壓及降壓變壓器，作為變壓器引線、母線、相鄰線路相間故障后備保護(hù)。 后備低阻抗保護(hù)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組和變壓器高、低壓繞組內(nèi)部短路的后備保護(hù)作用問(wèn)題： 發(fā)電機(jī)三相定子繞組內(nèi)部發(fā)生相間短路或匝間短路時(shí)，縱然故障點(diǎn)電流很大，機(jī)端三相電流有可能并不大，機(jī)端二相電壓也可能并不顯著降低，因此裝在發(fā)電機(jī)機(jī)端的阻抗保護(hù)反應(yīng)就很靈敏。 所以阻抗保護(hù)不能勝任變壓器或發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部短路的后備保護(hù)作用，只能作為發(fā)電機(jī)或變壓器引線、母線和相鄰線路的相間短路后備保護(hù)。5、負(fù)序電流和單相式低壓過(guò)電流保護(hù) 對(duì)于大容量的發(fā)電機(jī)變壓器組，由于額定電流大，電流元件往往不能滿足遠(yuǎn)后備靈敏度的要求，可采用負(fù)

11、序電流保護(hù)。負(fù)序電流元件和反應(yīng)對(duì)稱短路故障的單相式低壓過(guò)電流保護(hù)組成。 負(fù)序電流保護(hù)靈敏度較高，且在星、三角接線的變壓器另一側(cè)發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)，靈敏度不受影響，接線也較簡(jiǎn)單。6、變壓器的過(guò)負(fù)荷保護(hù) 過(guò)負(fù)荷保護(hù)反應(yīng)變壓器對(duì)稱過(guò)負(fù)荷引起的過(guò)電流。保護(hù)用一個(gè)電流繼電器接于一相電流，經(jīng)延時(shí)動(dòng)作于信號(hào)。 過(guò)負(fù)荷保護(hù)的安裝側(cè)，應(yīng)根據(jù)保護(hù)能反應(yīng)變壓器各側(cè)繞組可能過(guò)負(fù)荷情況來(lái)選擇：（1）對(duì)雙繞組升壓變壓器，裝于發(fā)電機(jī)電壓側(cè)。（2）對(duì)一側(cè)無(wú)電源的三繞組升壓變壓器，裝于發(fā)電機(jī)電壓側(cè)和無(wú)電源側(cè)。（3）對(duì)三側(cè)有電源的三繞組升壓變壓器，三側(cè)均應(yīng)裝設(shè)。（4）對(duì)于雙繞組降壓變壓器，裝于高壓側(cè)。（5）僅一側(cè)電源的三繞組降

12、壓變壓器，若三側(cè)的容量相等，只裝于電源側(cè)；若三側(cè)的容量不等，則裝于電源側(cè)及容量較小側(cè)。（6）對(duì)兩側(cè)有電源的三繞組降壓變壓器，三側(cè)均應(yīng)裝設(shè)。相間短路后備保護(hù)方向設(shè)置 （1）三側(cè)有電源的三繞組升壓變壓器，相間故障后備保護(hù)為了滿足選擇性要求，在高壓側(cè)或中壓側(cè)要加功率方向元件，其方向可指向該側(cè)母線。方向元件的設(shè)置，有利于加速跳開(kāi)小電源側(cè)的斷路器，避免小系統(tǒng)影響大系統(tǒng)。 （2）高壓及中壓側(cè)有電源或三側(cè)均有電源的三繞組降壓變壓器和聯(lián)絡(luò)變壓器，相間故障后備保護(hù)為了滿足選擇性要求，在高壓或中壓側(cè)要加功率方向元件，其方向宜指向變壓器。 （3）反應(yīng)相間故障的功率方向繼電器，通常由兩只功率方向繼電器構(gòu)成，接入功率方

13、向繼電器的電流和電壓應(yīng)按90接線的要求。為了消除三相短路時(shí)功率方向繼電器的死區(qū)，功率方向繼電器的電壓回路可由另一側(cè)電壓互感器供電。五、接地短路的后備保護(hù) 電力系統(tǒng)中，接地故障常常是故障的主要形式，因此，大電流接地系統(tǒng)中的變壓器，一般要求在變壓器上裝設(shè)接地（零序）保護(hù)。作為變壓器本身主保護(hù)的后備保護(hù)和相鄰元件接地短路的后備保護(hù)。1、變電所單臺(tái)變壓器的零序電流保護(hù) 中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行的變壓器毫無(wú)例外都采用零序過(guò)電流保護(hù)作為變壓器接地后備保護(hù)。零序過(guò)電流保護(hù)通常采用兩段式，零序I段與相鄰元件零序電流保護(hù)I段相配合；零序電流保護(hù)II段保護(hù)與相鄰元件零序電流保護(hù)后備段相配合。與三繞組變壓器相間后備保護(hù)類

14、似，零序電流保護(hù)在配置上要考慮縮小故障影響范圍的問(wèn)題。根據(jù)需要，每段零序電流保護(hù)可設(shè)兩個(gè)時(shí)限，并以較短的時(shí)限動(dòng)作于縮小故障影響范圍，以較長(zhǎng)的時(shí)限斷開(kāi)變壓器各側(cè)斷路器。 圖5-22所示是雙繞組變壓器零序過(guò)電流保護(hù)的系統(tǒng)接線和邏輯。零序電流取自變壓器中性點(diǎn)電流互感 器的二次側(cè)。由于是雙母線運(yùn)行，在另一側(cè)母線故障時(shí)，零序電流保護(hù)應(yīng)該斷開(kāi)母聯(lián)斷路器QF，使變壓器能夠繼續(xù)運(yùn)行。所以零序電流保護(hù)I段和II段均采用兩個(gè)時(shí)限，短時(shí)限t1,t3,跳開(kāi)母聯(lián)斷路器QF，長(zhǎng)時(shí)限t2、t4跳開(kāi)變壓器兩側(cè)斷路器。2、多臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的接地后備保護(hù) 對(duì)于多臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行的變電所，通常采用一部分變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行，而

15、另一部分變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行的方式。這樣可以將接地故障電流水平限制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)也使整個(gè)電力系統(tǒng)零序電流的大小和分布情況盡量不受運(yùn)行方式的變化，提高系統(tǒng)零序電流保護(hù)的靈敏度。 如圖5-23所示，T2和T3中性點(diǎn)接地運(yùn)行，T1中性點(diǎn)不接地運(yùn)行，K2點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，T2和T3由零序電流保護(hù)動(dòng)作而被切除，T1由于無(wú)零序電流，仍將帶故障運(yùn)行，此時(shí)由于接地中性點(diǎn)失去，變成了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的情況，將產(chǎn)生接近額定相電壓的零序電壓，危及變壓器和其它電力設(shè)備的絕緣，因此需要裝設(shè)中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式下的接地保護(hù)將T1切除。 中性點(diǎn)有兩種運(yùn)行方式的變壓器，需要裝設(shè)零序過(guò)電流保護(hù)用于中性點(diǎn)接

16、地運(yùn)行方式；零序過(guò)電壓保護(hù)用于中性點(diǎn)不接為地運(yùn)行方式。 原則：對(duì)于分級(jí)絕緣變壓器應(yīng)先切除中性點(diǎn)不接地運(yùn)行的變壓器，后切除中性點(diǎn)接地運(yùn)行的變壓器；對(duì)于全絕緣變壓器應(yīng)先切除中性點(diǎn)接地運(yùn)行的變壓器，后切除中性點(diǎn)不接地運(yùn)行的變壓器。后備保護(hù)保護(hù)配置（1）中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行，配置三段式零序過(guò)電流保護(hù)。（2）中性點(diǎn)可能接地或不接地運(yùn)行，配置一段兩時(shí)限零序無(wú)流閉鎖零序過(guò)電壓保護(hù)。（3）中性點(diǎn)經(jīng)放電間隙接地運(yùn)行，配置一段兩時(shí)限式間隙零序過(guò)電流保護(hù)。 對(duì)于雙圈變壓器，后備保護(hù)可以只配置一套，裝于降壓變的高壓側(cè)（或升壓變的低壓側(cè)）；三繞組變壓器，后備保護(hù)可以配置兩套：一套裝于高壓側(cè)作為變壓器的后備保護(hù)，另一套裝于

17、中壓側(cè)或低壓的電源側(cè)，作相鄰后備。六、后備保護(hù)的保護(hù)范圍：1、220kV復(fù)壓方向過(guò)流保護(hù)：方向指向變壓器，做為變壓器、各中低壓母線及出線的相間故障的后備保護(hù)。（中低壓側(cè)無(wú)電源，可不用方向）2、110kV復(fù)壓方向過(guò)流保護(hù)：一般方向指向變壓器，在110kV有電源時(shí)，做為變壓器的后備保護(hù)。（我們現(xiàn)在往往110kV是開(kāi)環(huán)運(yùn)行的，一般不存在電源，有些地方將方向元件退出和“110kV復(fù)壓過(guò)流保護(hù)”相同應(yīng)用，多一套保護(hù)而矣。）作為110KV母線及各110kV出線的相間故障的后備保護(hù)。3、35kV復(fù)壓過(guò)流I段保護(hù)：作為35KV母線及各35kV出線的相間故障的后備保護(hù)。（定值較高，時(shí)間和線路速斷配合，一般只考慮保證35KV母線故障有靈敏度） 4、220kV復(fù)壓過(guò)流保護(hù)：做為變壓器、各中低壓母線及出線的相間故障的后備保護(hù)5、110kV復(fù)壓過(guò)流保護(hù)：作為110KV母線及各110kV出線的相間故障的后備保護(hù)。6、35kV復(fù)壓過(guò)流II段保護(hù)：作為35KV母線及各35kV出線的相間故障的后備保護(hù)。（定值低，要保證出線全線有靈敏度，時(shí)間與出線過(guò)流配合）7、220kV零序方向過(guò)流保護(hù)：（一般方向多指向變壓器），當(dāng)方向指向220kV母線時(shí)，作為220KV母線及各220kV出線的接地故障的后備保護(hù)。當(dāng)方向指向變壓器時(shí)：作為變壓器、110KV母