電力變壓器的保護

1、第第8 8章章 電力變壓器的保護電力變壓器的保護o第一節(jié) 電力變壓器的故障類型、不正常運行狀態(tài)及其相應的保護方式n變壓器的故障類型n變壓器的不正常運行狀態(tài)n根據(jù)故障類型和不正常運行狀態(tài)，對變壓器應裝設的保護類型o第二節(jié) 變壓器的縱差動保護n構成變壓器縱差動保護的基本原則n變壓器縱差動保護的特點n變壓器縱差動保護的整定計算原則o第二節(jié) 發(fā)電機變壓器組繼電保護的特點8 8、1 1 電力變壓器的故障類型、電力變壓器的故障類型、不正常運行狀態(tài)及其相應的保護方式不正常運行狀態(tài)及其相應的保護方式 8.1.1 8.1.1 變壓器的故障類型變壓器的故障類型 變壓器的內(nèi)部故障可以分為油箱內(nèi)油箱內(nèi)和油箱外故障油箱

2、外故障兩種。 油箱內(nèi)的故障包括繞組的相間短路、接地短路，匝間短路以及鐵心的燒損等，對變壓器來講，這些故障都是十分危險的，因為油箱內(nèi)故障時產(chǎn)生的電弧，將引起絕緣物質的劇烈汽化，從而可能引起爆炸，因此，這些故障應該盡快加以切除。 油箱外的故障，主要是套管和引出線上發(fā)生相間短路和接地短路。 上述接地短路均系對中性點直接接地電力網(wǎng)的一側而言。 8.1.2 8.1.2 變壓器的不正常運行狀態(tài)變壓器的不正常運行狀態(tài) 由于變壓器外部相間短路引起的過電流和外部接地短路引起的過電流和中性點過電壓；由于負荷超過額定容量引起的過負荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低。 對大容量變壓器，由于其額定工作時的磁通密度相當

3、接近于鐵心的飽和磁通密度，因此在過電壓或低頻率等異常運行方式下，還會發(fā)生變壓器的過勵磁故障。 8.1.3 8.1.3 根據(jù)故障類型和不正常運行狀態(tài)，對變根據(jù)故障類型和不正常運行狀態(tài)，對變壓器應裝設的保護類型壓器應裝設的保護類型 1 1、瓦斯保護、瓦斯保護 對變壓器油箱內(nèi)的各種故障以及油面的降低，應裝設瓦斯保護，它反應于油箱內(nèi)部所產(chǎn)生的氣體或油流而動作。其中輕瓦斯保護動作于信號，重瓦斯保護動作于跳開變壓器各電源側的斷路器。 應裝設瓦斯保護的變壓器容量界限是：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。同樣對帶負荷調壓的油浸式變壓器的調壓裝置，也應裝設瓦斯保護。 2

4、 2、縱差動保護或電流速斷保護、縱差動保護或電流速斷保護 對變壓器繞組、套管及引出線上的故障，應根據(jù)容量的不同，裝設縱差動保護或電流速斷保護。 縱差動保護適用于：縱差動保護適用于：并列運行的變壓器，容量為 6300kVA 以上時；單獨運行的變壓器，容量為l0000kVA以上時；發(fā)電廠廠用工作變壓器和工業(yè)企業(yè)中的重要變壓器，容量為 6300kVA 以上時。 電流速斷保護用于1O000kVA以下的變壓器，且其過電流保護的時限大于0.5s時。對200OkVA以上的變壓器，當電流速斷保護的靈敏性不能滿足要求時，也應裝設縱差動保護。 對高壓側電壓為330kV及以上的變壓器，可裝設雙差動保護。 上述各保護

5、動作后，均應跳開變壓器各電源側的斷路器。 3 3、外部相間短路時，應采用的保護、外部相間短路時，應采用的保護 對于外部相間短路引起的變壓器過電流，應采用下列保護作為后備保護。 (l(l）過電流保護，）過電流保護，一般用于降壓變壓器，保護裝置的整定值應考慮事故狀態(tài)下可能出現(xiàn)的過負荷電流； (2(2）復合電壓起動的過電流保護，）復合電壓起動的過電流保護，一般用于升壓變壓器、系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器及過電流保護靈敏度不滿足要求的降壓變壓器上； (3(3）負序電流及單相式低電壓起動的過電流保護，）負序電流及單相式低電壓起動的過電流保護，一般用于容量為63MVA及以上的升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器，當采用第（2）、

6、（3）的保護不能滿足靈敏性和選擇性要求時，可采用阻抗保護。對500kV系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器高、中壓側均應裝設阻抗保護。保護可帶兩段時限，以較短的時限用于縮小故障影響范圍；較長的時限用于斷開變壓器各側斷路器。 4 4、外部接地短路時，應采用的保護、外部接地短路時，應采用的保護 對中性點直接接地電力網(wǎng)內(nèi)，由外部接地短路引起過電流時，如變壓器中性點接地運行，應裝設零序電流保護。零序電流保護可由兩段組成，每段可各帶兩個時限，并均以較短的時限動作于縮小故障影響范圍，或動作于本側斷路器，以較長的時限動作于斷開變壓器各側斷路器。 對自耦變壓器和高、中壓側中性點都直接接地的三繞組變壓器，當有選擇性要求時，應裝設零序

7、方向元件。 當電力網(wǎng)中部分變壓器中性點接地運行，為防止發(fā)生接地短路時，中性點接地的變壓器跳開后，中性點不接地的變壓器（低壓側有電源）仍帶接地故障繼續(xù)運行，應根據(jù)具體情況，裝設專用的保護裝置，如零序過電壓保護，中性點裝放電間隙加零序電流保護等。 5 5、過負荷保護、過負荷保護 對 400kVA以上的變壓器，當數(shù)臺并列運行，或單獨運行并作為其他負荷的備用電源時，應根據(jù)可能過負荷的情況，裝設過負荷保護。過負荷保護接于一相電流上，并延時作用于信號。對于無經(jīng)常值班人員的變電站，必要時過負荷保護可動作于自動減負荷或跳閘。 6 6、過勵磁保護、過勵磁保護 高壓側電壓為500kV及以上的變壓器，對頻率降低和電

8、壓升高而引起的變壓器勵磁電流的升高，應裝設過勵磁保護。在變壓器允許的過勵磁范圍內(nèi)，保護作用于信號，當過勵磁超過允許值時，可動作于跳閘。過勵磁保護反應于實際工作磁密和額定工作磁密之比（稱為過勵磁倍數(shù)）而動作。 7 7、其他保護、其他保護 對變壓器溫度及油箱內(nèi)壓力升高和冷卻系統(tǒng)故障，應按現(xiàn)行變壓器標準的要求，裝設可作用于信號或動作于跳閘的裝置。 8.2 8.2 變壓器的縱差動保護變壓器的縱差動保護8.2.1 8.2.1 構成變壓器縱差動保護的基本原則構成變壓器縱差動保護的基本原則 對雙繞組和三繞組變壓器實現(xiàn)縱差動保護的原理接線如圖8-1所示。 由于變壓器高壓側和低壓側的額定電流不同，因此，為了保證

9、縱差動保護的正確工作，就必須適當選擇兩側電流互感器的變比，使得在正常運行和外部故障時，兩個二次電流相等。圖8-1 變壓器縱差動保護的原理接線（a）雙繞組變壓器正常運行時的的電流分布；（b）三繞組變壓器區(qū)內(nèi)故障時的電流分布在圖8-l(a）中應使1122122111(8.1)TATATATTAIIIInnnInnI 或式中 nTA1高壓側電流互感器的變比 nTA2低壓側電流互感器的變比 nTA3變壓器的變比（高、低壓側額定電壓之比） 由此可知，要實現(xiàn)變壓器的縱差動保護，就必須適當?shù)剡x擇兩側電流互感器的變比，使其比值等于變壓器的變比nT這是與前述送電線路的縱差動保護不同的。這個區(qū)別是由于線路的縱差動

10、保護可以直接比較兩側電流的幅值和相位，而變壓器的縱差動保護則必須考慮變壓器變比的影響。 8.2.2 8.2.2 變壓器縱差動保護的特點變壓器縱差動保護的特點 變壓器的縱差動保護同樣需要躲開流過差動回路中的不平衡電流。現(xiàn)對其不平衡電流產(chǎn)生的原因和消除方法分別討論如下。 1 1、由變壓器勵磁涌流、由變壓器勵磁涌流I IEFEF所產(chǎn)生的不平衡電流所產(chǎn)生的不平衡電流 變壓器的勵磁電流IE僅流經(jīng)變壓器的某一側，因此，通過電流互感器反應到差動回路中不能被平衡，在正常運行情況下，此電流很小，一般不超過額定電流的210。在外部故障時，由于電壓降低，勵磁電流減小，它的影響就更小。 但是當變壓器空載投入和外部故障

11、切除后電壓恢復時，則可能出現(xiàn)數(shù)值很大的勵磁電流（又稱為勵磁涌流）。這是因為在穩(wěn)態(tài)工作情況下，鐵心中的磁通應滯后于外加電壓90，如圖8-2(a）所示。如果空載合閘時，正好在電壓瞬時值u=0時接通電路，則鐵心中應該具有磁通-m。但是由于鐵心中的磁通不能突變，因此，將出現(xiàn)一個非周期分量的磁通，其幅值為+m，這樣在經(jīng)過半個周期以后，鐵心中的磁通就達到2m。如果鐵心中還有剩余磁m，則總磁通將為2m+r，如圖8-2(b）所示。此時變壓器的鐵心嚴重飽和，勵磁電流IE將劇烈增大，如圖8一2(C）所小，此電流就稱為變壓器的勵磁涌流IEF，其數(shù)值最大可達額定電流的68倍，同時包含有大量的非周期分量和高次潛波分量，

12、如圖8-2（d）所示。勵磁涌流的大小和衰減時間，與外加電壓的相位、鐵心中剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗以及變壓器容量的大小和鐵心性質等都有關系。圖82 變壓器勵磁涌流的產(chǎn)生及變化曲線 (a）穩(wěn)態(tài)情況下，磁通與電壓的關系；(b）在u=0瞬間空載合閘時，磁通與電壓的關系；(c）變壓器鐵心的磁化曲線；(d）勵磁涌流的波形 （1 1）勵磁涌流的特點：）勵磁涌流的特點： 表8-l所示的數(shù)據(jù)，是對幾次勵磁涌流試驗數(shù)據(jù)的分析。由此可見，勵磁涌流具有以下特點。 包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于時間軸的一側； 包含有大量的高次諧波，而以二次諧波為主； 波形之間出現(xiàn)間斷，如圖8-3所示，在

13、一個周期中間斷角為。 （2 2）在變壓器縱差動保護中防止勵磁涌流影響的方法：）在變壓器縱差動保護中防止勵磁涌流影響的方法： 采用具有速飽和鐵心的差動繼電器； 鑒別短路電流和勵磁涌流波形的差別； 利用二次諧波制動等。表8-1 勵磁涌流試驗數(shù)據(jù)舉例圖8-3 勵磁涌流的波形 2 2、由變壓器兩側電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流、由變壓器兩側電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流 由于變壓器常常采用Y,d11的接線方式，因此，其兩側電流的相位差30。此時，如果兩側的電流互感器仍采用通常的接線方式，則二次電流由于相位不同，也會有一個差電流流入繼電器。為了消除這種不平衡電流的影響，通常都是將變壓器星形側的三個電流互

14、感器接成三角形，而將變壓器三角形側的三個電流互感器接成星形，并適當考慮聯(lián)接方式后即可把二次電流的相位校正過來。在微機保護中，則可以利用軟件把它校正過來。 圖8-4(a）所示為Y,d11接線變壓器的縱差動保護原理接線圖，圖中 為星形側的一次電流， 為三角形側的一次電流，后者超前30，如圖8-4(b) 所示?，F(xiàn)將星形側的電流互感器也采用相應的三角形接線，則其副邊輸出電流為了 、 和 ，它們剛好與 同相位，如圖8-4(C）所示。這樣差動回路兩側的電流就是同相位的了。 但當電流互感器采用上述連接方式以后，在互感器接成三角形側的差動一臂中，電流又增大了 倍。此時為保證在正常運行及外部故障情況下差動回路中

15、應沒有電流，就必須將該側電流互感器的變比加大 倍，以減小二次電流，使之與另一側的電流相等，故此時選擇變比的條件是:111YYYABCIII、和111ABCIII、和222ABCIII、和22YYABII-22YYBCII22YYCAII33式中 nTA1和nTA2為適應 Y , d 接線的需要而采用的新變比。21(8 .2 )/3T ATT Annn圖8-4Y,d11接線變壓器的縱差動保護接線和矢量圖（圖中電流方向對應于正常工作情況）(a）變壓器及其縱差動保護的接線；（b）電流互感器原邊電流矢量圖； (C）縱差動回路兩側的電流矢量圖 3 3、由計算變比與實際變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流、由計算變

16、比與實際變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流 由于兩側的電流互感器都是根據(jù)產(chǎn)品目錄選取標準的變比，而變壓器的變比也是一定的，因此，三者的關系很難滿足 的要求，此時差動回路中將有電流流過。當采用具有速飽和鐵心的差動繼電器時，通常都是利用它的平衡線圈Wb來消除此差電流的影響。2211()TATATBTATAnnnnnn或 以雙繞組變壓器為例，假設在區(qū)外故障時 ，如圖 8-5所示，則差動線圈中將流過電流 ，由它所產(chǎn)生的磁動勢為 。為了消除這個差動電流的影響，通常都是將平衡線圈Wb接入二次電流較小的一側，如圖所示應接于 的回路中。適當?shù)剡x擇Wb的匝數(shù)，使磁動勢 能完全抵銷 ，則在二次線圈W2里就不會感應電動勢，

17、因而繼電器I中也沒有電流，達到了消除差電流影響的目的。由此可見，選擇Wb與WM的關系應為22II22()II22()MWII22()MWII2I2bW I22222()()(8.3)MbMMbWIIW IWIWWI或上式表明，由較大的電流 在WM中所產(chǎn)生的磁動勢，被較小的電流 在(WM+Wb）中所產(chǎn)生的磁動勢所抵銷，因此，在鐵心中沒有磁通，繼電器不可能動作。 按上式計算的Wb匝數(shù)，一般都不是整數(shù)，而實際上，只能按整匝數(shù)進行選擇，因此還會有一殘余的不平衡電流存在，這在整定計算時應該予以考慮。2I2I圖8-5 利用速飽和變流器的平衡線圈消除差電流影響的原理接線圖 4 4、由兩側電流互感器型號不同而

18、產(chǎn)生的不平衡電流、由兩側電流互感器型號不同而產(chǎn)生的不平衡電流 由于兩側電流互感器的型號不同，它們的飽和特性、勵磁電流（歸算至同一側）也就不同，因此，在差動回路中所產(chǎn)生的不平衡電流也就較大。此時應采用電流互感器的同型系數(shù)Ks=1。 5 5、由變壓器帶負荷調整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流、由變壓器帶負荷調整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流 帶負荷調整變壓器的分接頭，是電力系統(tǒng)中采用帶負荷調壓的變壓器來調整電壓的一種方法，實際上改變分接頭就是改變變壓器的變比nT。如果差動保護已按照某一變比調整好（如利用平衡線圈），則當分接頭改換時，就會產(chǎn)生一個新的不平衡電流流入差動回路。此時不可能再用重新選擇平衡線圈匝數(shù)的方法

19、來消除這個不平衡電流，這是因為變壓器的分接頭經(jīng)常在改變，而差動保護的電流回路在帶電的情況下是不能進行操作的。因此，對由此而產(chǎn)生的不平衡電流，應在縱差動保護的整定值中予以考慮。 總括看來，上述2、3項不平衡電流可用適當?shù)剡x擇電流互感器二次線圈的接法和變比，以及采用平衡線圈的方法，使其降到最小。但1、4、5各項不平衡電流，實際上是不可能消除的。因此，變壓器的縱差動保護必須躲開這些不平衡電流的影響。由于在滿足選擇性的同時，還要求保證內(nèi)部故障時有足夠的靈敏性，這就是構成變壓器縱差動保護的主要困難。根據(jù)上述分析，在穩(wěn)態(tài)情況下，為整定變壓器縱差動保護所采用的最大不平衡電流Iub.max可由下式確定maxm

20、ax(10%)/(8.4)ubsszakTAIKUfIn 式中 10%電流互感器容許的最大相對誤差； Kss電流互感器的同型系數(shù)，取為l； U由帶負荷調壓所引起的相對誤差，如果電流互 感器二次電流在相當于被調節(jié)變壓器額定抽頭的情況下處于平衡時，則U等于電壓調整范圍的一半； fza由于所采用的互感器變比或平衡線圈的匝數(shù)與計算值不同時，所引起的相對誤差； Ik.max/nTA保護范圍外部最大短路電流歸算到二次側的數(shù)值。 1 1、縱差動保護起動電流的整定原則、縱差動保護起動電流的整定原則 (l）在正常運行情況下，為防止電流互感器二次回路斷線時引起差動保護誤動作，保護裝置的起動電流應大于變壓器的最大負

21、荷電流IL.max。當負荷電流不能確定時，可采用變壓器的額定電流IW.T，引入可靠系數(shù)Krel（一般采用1.3) ，則保護裝置的起動電流為 (2）躲開保護范圍外部短路時的最大不平衡電流，此時繼電器的起動電流應為式中 Krel可靠系數(shù)，采用1.3； Iub.max保護外部短路時的最大不平衡電流。8.2.3 8.2.3 變壓器縱差動保護的整定計算原則變壓器縱差動保護的整定計算原則1max(8.5)acrelLIKI1max(8.6)k acrelubIKI (3）無論按上述哪一個原則考慮變壓器縱差動保護的起動電流，都還必須能夠躲開變壓器勵磁涌流的影響。當變壓器縱差動保護采用波形鑒別或二次諧波制動的

22、原理構成時，它本身就具有躲開勵磁涌流的性能，一般無須再另作考慮。而當采用具有速飽和鐵心的差動繼電器時，雖然可以利用勵磁涌流中的非周期分量使鐵心飽和，來避越勵磁涌流的影響，但根據(jù)運行經(jīng)驗，差動繼電器的起動電流仍需整定為 時，才能躲開勵磁涌流的影響。對于各種原理的差動保護，其躲開勵磁涌流影響的性能，最后還應經(jīng)過現(xiàn)場的空載合閘試驗加以檢驗。11.3/k acN TTAIIn式中 應采用保護范圍內(nèi)部故障時，流過繼電器的最小短路電流。即采用在單側電源供電時，系統(tǒng)在最小運行方式下，變壓器發(fā)生短路時的最小短路電流，按照要求，靈敏系數(shù)一般不應低于2。當不能滿足要求時，則需要采用具有制動特性的差動繼電器。 必須

23、指出，即使靈敏系數(shù)的校驗能夠滿足要求，但對變壓器內(nèi)部的匝間短路，輕微故障等情況，縱差動保護往往也不能迅速而靈敏地動作。運行經(jīng)驗表明，在此情況下，常常都是瓦斯保護首先動作，然后待故障進一步發(fā)展，差動保護才動作。顯然可見，差動保護的整定值越大，則對變壓器內(nèi)部故障的反應能力也就越低。 2 2、縱差動保護靈敏系數(shù)的校驗、縱差動保護靈敏系數(shù)的校驗 變壓器縱差動保護的靈敏系數(shù)可按下式校驗min(8.7)kksenk actIIIminkkI四、帶有速飽和變流器的差動繼電器 在差動回路中接入具有快速飽和特性的中間變流器TAM ，是防止暫態(tài)過程中不平衡電流（非周期分量）影響的有效方法之一，其原理接線如圖8-6

24、（ a ）所示。圖8-6 中的曲線I 為它的磁化曲線，當其一次線圈中只流過周期分量電流時，如圖8-6（b ）所示，電流沿曲線2 變化，鐵心中的B 沿磁滯回線3 變化，此時B 的變比（ B ）很大，因此在二次線圈中感應的電動勢也很大（正比于 B t ) ，故周期分量容易通過速飽和變流器而變換到二次側，使繼電器動作。當一次線圈中通過暫態(tài)不平衡電流時，由于它含有很大的非周期分量，電流曲線完全偏于時間軸的一側，如圖8-6(C)中曲線2 所示，因而使B 沿著局部磁滯回線3 變化。 圖8一6 帶有速飽和變流器的差動繼電器( a ）原理接線圖；( b ）通過周期分量電流；( c ）通過非周期分量電流 此時B

25、的變化很小，因此，在二次側感應的電動勢也很小，故非周期分量不易通過速飽和變流器而變換到二次側，此時繼電器不動作。 應該指出，在被保護元件內(nèi)部故障的暫態(tài)過程中，短路電流也包含有非周期分量，此時速飽和變流器也相應地暫時處于圖8-6 ( C ）所示的狀態(tài)之下，因此，繼電器不能立即動作。需待非周期分量衰減以后，保護才能動作將故障切除。被保護的機組容量越大時，其一次回路的時間常數(shù)也越大，因而保護動作的時間就越長，這對盡快切除機組內(nèi)部的故障是十分不利的。 隨著大容量機組和大型發(fā)電廠的出現(xiàn)，發(fā)電機一變壓器組的接線方式在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。在發(fā)電機和變壓器每個元件上可能出現(xiàn)的故障和不正常運行狀態(tài)，在發(fā)電機一變壓器組上也都可能發(fā)生