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1、第六章 变压器保护,仉志华中国石油大学（华东）信息与控制工程学院电气工程系,电力系统继电保护,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。,本章主要内容,一、故障类型、不正常运行状态及其保护方式二、变压器纵联差动保护三、变压器励磁涌流及鉴别方法四、变压器后备保护五、变压器零序电流差动保护,第一节 故障类型、不正常运行状态及其保护方式,（1）油箱内部故障 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
2、压器爆炸。,一、变压器故障类型,一、变压器故障类型,（1）油箱内部故障 a、变压器绕组相间短路,一、变压器故障类型,（1）油箱内部故障 a、变压器绕组 相间短路；b、变压器绕组 匝间短路；,（1）油箱内部故障 a、变压器绕组 相间短路；b、变压器绕组 匝间短路；c、变压器绕组 接地短路。,一、变压器故障类型,（2）油箱外部故障 保护范围的划分,线路保护的范围,变压器保护的范围,（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。,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
3、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,瓦斯保护 轻瓦斯（信号）和重瓦斯（跳闸）针对油箱内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。缺点：1）动作时间较长；2）不能反应油箱外部的故障。,纵差保护或电流速断保护 特点：瞬时动作切除故障,主保护,纵差保护或电流速断保护（根据变压器容量选择）主要反应绕组、套管及引出线上的相间短路，并在一定程度上反应绕组内部匝间短路及中性点接地侧的接地短路。特点：瞬时动作切除故障,纵差保护或电流速断保护（根据变压器容量选择）主要反应绕组、套管及引出线
4、上的相间短路，并在一定程度上反应绕组内部匝间短路及中性点接地侧的接地短路。特点：瞬时动作切除故障,3、外部相间短路的后备保护 1）过电流保护 2）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 4）阻抗保护4、外部接地短路的后备保护 1）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,延时跳闸或发信号,延时跳闸或发信号,5、过负荷保护 6、过励磁保护7、其它非电气量保护（油箱内温度、压力升高，冷却系统故障）,第二节 变压器差动保护,一、变压器纵差保护原理,基本原理：基尔霍夫电流定律。使正常运行及外部故障时，流过差动继电器的电流为0。,
5、该式表明了两侧TA变比与变压器变比之间的理想关系(未考虑变比的 关系)。,安匝数：磁动势单位,二、变压器纵差保护的不平衡电流（影响因素）,引起变压器纵差保护不平衡电流的主要因素有：（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）变压器励磁电流产生的不平衡电流；（6）变压器励磁涌流。,特殊问题及对策归纳：,（1）接线方式不同（2）TA变比不同（3）调压分接头（4）TA传变误差（5）不平衡电流（6）变压器励磁涌流,对策 二次修正 二次修正 定值考虑 定值考虑 定值考虑 识别、闭锁（仍然研究）,
6、微机保护易于实现,微机保护识别涌流的能力提高了很多,1、变压器两侧绕组接线方式不同产生的不平衡 相位变化引起的,TA二次的接法：变压器 Y形侧二次侧接成形；（非微机）变压器形侧二次侧接成Y形。,对于非微机保护，通过TA的二次接线，完成相位修正：,Y侧二次修正,侧二次电流,差动电流,微机变压器保护的TA接法：全Y接入(回路简单)。,零线,微机变压器保护的TA接法：全Y接入(回路简单)。,零线,对于微机保护，通过内部计算，完成相位修正：,内部计算修正,2、TA的计算变比与实际变比不同产生的不平衡,实际工程中，变压器的变比、电流互感器的变比都是根据产品目录确定的标准变比，有时难以满足：由此产生了误差
7、。,克服措施：对不平衡电流进行补偿。传统的方法之一如右图。,克服措施：对不平衡电流进行补偿。传统的方法之一如右图。,克服措施：对不平衡电流进行补偿。传统的方法之一如右图。,微机保护允许任意的TA变比。,3、变压器带负荷调整分接头产生的不平衡 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调电压，这样就改变了n T，出现不平衡差流。克服措施：整定时增大动作电流门槛值。,4、两侧电流互感器传变误差产生的不平衡,1）稳态不平衡电流 变压器两侧电流互感器的型号不同，励磁特性差别较大；全部归算到二次侧后，差动电流为,一个电流互感器的等值图,2）暂态不平衡电流 外部故障时，短路电流中还含有非周期暂态分
8、量，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，增加了TA的传变误差，导致不平衡电流增大。,克服措施：暂态 选用具有较好暂态传变特性的TA；（如：TPY型TA）稳态 增大动作电流门槛值。,4、两侧电流互感器传变误差产生的不平衡,当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中，由于变压器铁芯中的磁通急剧增大，使变压器铁芯瞬时饱和，出现数值很大的励磁电流（称为：励磁涌流）。仅在一次侧中出现！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,稳态时，存在：，因此，磁通滞后电压90。,涌流产生原因-以单相变压器为例分析,由于铁
9、芯中磁通不能突变，所以，必须产生一个+m 的非周期分量，以抵消 m，使得=0。,由于铁芯中磁通不能突变，所以，必须产生一个+m 的非周期分量，以抵消 m，使得=0。,电流很大,磁化曲线,变压器饱和磁通一般为1.15-1.4之间；稳态运行时不会饱和。,电流很大,磁滞曲线,铁芯中的磁通达到最大值变压器严重饱和励磁阻抗降低对应的励磁电流很大类似于“涌动的潮流”，故，简称“励磁涌流”。,在电压为峰值（或谷值）时合闸，则涌流最小。,影响励磁涌流特征的因素有合闸时电压的初相角对于单相变压器而言，当=0时合闸，涌流最严重。当=90时合闸，将不产生涌流。对于三相变压器而言，三相电压的相角互差120，所以无论电
10、压初相角是多少总会产生励磁涌流。铁芯中剩磁的大小和方向变压器铁芯的饱和磁通,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 轴的一侧（含有较大的直流分量）；2、励磁涌流中含有大量的谐波分量；3、励磁涌流的波形中有间断。,三相变压器励磁涌流至少一相有涌流，因为，至少有一相在电压非峰值、非谷值时合闸。一个典型的电流波形如下：,励磁涌流的特征 1、偏向一侧 2、谐波分量大3、波形中有间断,为了克服励磁涌流对变压器差动保护的影响，一般采用：励磁涌流闭锁措施。,对策 波形对称原理 二次谐波制动原理 间断角制动原理,其中，二次谐波制动（闭锁）原理应用的最多，也最成熟。,波形对称原理
11、,波形对称,波形不对称,采取各种励磁涌流闭锁措施后，带来的问题：1）合闸在有故障的变压器时会延时动作。例如：采用二次谐波制动时，需要等谐波衰减后，才能够动作。2）大型变压器的涌流特征可能不明显。难点：涌流与短路的区别。,三、纵差动保护的整定原则,1、纵差动保护动作电流的整定原则：1）躲过区外短路故障的最大不平衡电流；,三、纵差动保护的整定原则,1、纵差动保护动作电流的整定原则：1）躲过区外短路故障的最大不平衡电流；2）变压器空载投入时，励磁涌流的影响；,三、纵差动保护的整定原则,1、纵差动保护动作电流的整定原则：1）躲过区外短路故障的最大不平衡电流；2）变压器空载投入时，励磁涌流的影响；3）躲
12、过电流互感器二次回路断线引起的差点流。,按照上述三个条件计算出纵差动保护的动作电流，选取其中最大者。,三、纵差动保护的整定原则,灵敏系数的校验 当采用上述整定原则的动作电流无法满足灵敏度要求时，需要采用具有制动特性的差动继电器。比率差动可以兼顾不平衡电流与灵敏性。比率差动的制动门槛是随着电流而浮动的。类似于线路差动保护的动作方程。,（一）比率制动特性,动作判据,-最小动作电流,-拐点电流,-比率制动特性的斜率,2、比率制动特性的变压器差动保护,1.最小动作电流 按躲过变压器在正常运行条件下产生的不平衡电流整定,式中,-可靠系数，取1.52.0,-变压器高压侧的额定电流,-高压侧电流互感器的变比
13、,（二）比率制动特性的变压器差动保护的定值整定,CT计算变比与实际变比不一致引起的相对误差,变压器分接头引起的相对误差,CT传变的相对误差,一般整定在（0.61.0）倍变压器的额定电流；,2.拐点电流,3.制动特性的斜率,四、差动电流速断保护,变压器内部严重故障时，短路电流很大，使得电流互感器饱和，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，变压器纵差动保护可配置差动电流速断保护。,差流速断,具有二次谐波和比率制动特性的变压器差动保护逻辑框图,后备保护的作用：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 能条件下作为变压器内部
14、故障时 主保护的后备。,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。,后备保护主要以各种相电流、零序电流、负序电流+延时构成。,一、相间短路的后备保护,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。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。,（一）过电流保护（类似于电流保护中的第段）,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
15、度需要与相邻元件的过电流保护相配合。,1、起动电流：躲过变压器的最大负荷电流整定（1）对并列运行的变压器（2）对降压变压器,定值一般较大，可能不满足后备保护的要求；,2.单相原理接线,主要应用于降压变压器，装设在主电源侧，可以设定两个时限，短时限切除母线分段开关，长时限切除变压器两侧开关。,（二）低电压起动的过电流保护,1.单相原理接线,主要应用于升压变压器、系统联络变压器以及大容量的降压变压器。,（1）起动电流。按变压器的额定电流整定（2）动作电压。按小于正常运行时母线上可能出现的最低工作电压，且外部故障切除后，电动机自起动的过程中应能返回。根据运行经验,2.整定计算,当电压互感器发生断线时
16、，低电压继电器将会误动；,（三）复合电压起动的过电流保护,1.原理接线,1.负序过电继电器和过电流继电器配合作为各种不对称短路的保护；2.低压继电器和过电流继电器配合作为三相对称短路的保护；,负序电压继电器的动作电压，可按躲开正常运行时的最大不平衡电压整定。通常取,2.整定计算,3.优缺点,由于负序电压继电器的整定值小，在不对称短路时灵敏系数高；对于大容量变压器，在相邻元件末端两相短路短路电流小可能不满足要求；,第五节 变压器接地短路的后备保护,（一）中性点直接接地变压器的零序电流保护,（二）部分变压器中性点接地的零序电流电压保护,（三）中性点经放电间隙接地的零序电流电压保护,（一）中性点直接
17、接地变压器的零序电流保护,中性点直接接地变压器均采用零序电流保护作为接地后备设置两段，I段断开QF，缩小故障范围；II段断开QF1，QF2，,全部采用零序电流保护，有选择性要求时可增加零序方向元件。,通常采用两段式，段和相邻零序段配合，和相邻零序后备段配合；,每段设两个时限，短时限动作缩小故障范围，长时限动作断开变压器各侧断路器。,零序电流取自主变中性点侧，主变未并网时发生单相接地也有零序电流。,按与相邻元件的零序电流保护段配合,相邻元件的零序电流保护段动作电流,1.零序一段整定原则,按与相邻元件的零序电流保护后备段配合,相邻元件的零序电流保护后备段动作电流,2.零序二段整定原则,（二）部分变
18、压器中性点接地的零序电流电压保护,当变压器接地时可采用“（一）中性点直接接地变压器的零序电流保护”的方法,当变压器不接地时采用零序电压保护。零序电压继电器的动作电压按躲过部分变压器接地电网发生接地故障时，保护安装处可能出现的最大零序电压整定。一般取180V。动作时间取,1.全绝缘变压器,跳QF1,跳QF,2.分级绝缘变压器,为保证变压器的安全，应先切除不接地变压器，后切除接地变压器,跳QF2,零序电流保护设有两个时限，时限跳开分段断路器，时限跳开本变压器,零序电压保护设有一个时限。其动作电压按躲过零序电压过滤器最大不平衡电压整定，一般取二次值为5V,为保证先跳开不接地变压器，时限配合关系为：,
19、（三）中性点经放电间隙接地变压器的零序电流电压保护,（）中性点经隔离刀闸直接接地时，配置两段式零序电流保护,（）中性点经放电间隙接地时，配置间隙电流保护和零序电压保护。当放电间隙击穿时有零序电流，当放电间隙恢复后有零序电压，所以间隙电流与零序电压保护按或门构成，保护经短延时跳闸,跳变压器各侧断路器,一、三绕组变压器差动保护的特点,补充 三绕组变压器保护的特点,.,.,.,.,.,.,电流互感器的选择在正常或外部故障时：,二、三绕组变压器过电流保护的特点,1.对单侧电源的三绕组变压器，可以只装两套过电流保护。,用于切除3DL,用于切除所有三侧的断路器,跳2DL,二、三绕组变压器过电流保护的特点,2.对多侧电源的三绕组变压器，应该在三侧都装设独立的过电流保护。且必须在时限最小的电源侧加装方向元件。,若,，I侧加方向元件,同时增设不带方向的过电流保护，其时间 比 都大。,The end,
