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1、电力变压器的保护,李薇薇,1、变压器的故障,油箱内的故障：绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等。油箱外的故障：主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。,2、变压器的不正常运行状态主要有：,由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低。大容量变压器在过电压或低频率等异常运行方式的过励磁故障,3、变压器的保护方式。,（1）瓦斯保护 瓦斯保护作用：反应变压器油箱内的各种故障以及油面的降低 瓦斯保护基本原理：反应油箱内部所产生的气体或油流而动作。瓦斯保护分类：轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯
2、保护动作于跳开变压器各电源侧的断路器。,（2）纵差动保护或电流速断保护 作用：反应变压器绕组、套管及引出线上的故障。上述各保护动作后，均应跳开变压器各电源侧的断路器。,（3）反应外部相间短路时引起的过电流和作为变压器的后备保护 过电流保护 复合电压起动的过电流保护灵敏度不满足要求的降压变压器上 负序电流及单相式低电压起动的过电流保护 阻抗保护,（4）外部接地短路时，对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。对自耦变压器和高、中压侧中性点都直接接地的三绕组变压器，当有选择性要求时，增设零序方向元件。当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止
3、发生接地短路时，中性点接地的变压跳开后，中性点不接地的变压器(低压侧有电源)仍带接地故障继续运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护，中性点装放电间隙加零序电流保护等。,（5）过负荷保护（6）过励磁保护（7）其它保护 对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应按现行变压器标准的要求，装设作用于信号或动作于跳闸的装置。,瓦斯保护,1、瓦斯保护基本原理：,在变压器油箱内部发生故障(包括轻微的匝间短路和绝缘破坏引起的经电弧电阻的接地短路)时，由于故障点电流和电弧的作用，将使变压器油及其他绝缘材料因局部受热而分解产生气体，因气体比较轻，它们将从油箱流向油枕的上部。当严重故障时，油
4、会迅速膨胀并产生大量的气体，此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。利用油箱内部故障的上述特点，可以构成反应于上述气体而动作的保护装置。,l一罩 2一顶针 3一气塞4一重锤 5开口杯 6、7一永久磁铁 8干簧触点（轻瓦斯用）9套管 10一调节杆11一干簧触点（重瓦斯用）12一螺杆 13一弹簧 14排气口 15档板,安装位置：安在油箱和油枕之间的连接管道上。,1-罩2-顶针3-气塞4-永久磁铁5-开口杯6-重锤7-探针8-开口销9-弹簧10-挡板11-永久磁铁12-螺杆13-干簧触点（重瓦斯）14-调节螺杆15-干簧触点（轻瓦斯）16-套管17-排气口,接线原理：上面的触点表示“轻瓦斯保护”
5、，动作后经延时发出报警信号。下面的触点表示“重瓦斯保护”，动作后起动变压器保护的总出口，使断路器跳闸。KOM作用：当油箱内部发生 严重故障时，由于油流的不稳定可能造成干簧触点的抖动，此时为使断路器能可靠跳闸，应选用具有电流自保持线圈的出口中间继电器KOM，动作后由断路器的辅助触点来解除出口回路的自保持。切换片XS作用：为防止变压器换油或进行试验时引起重瓦斯保护误动作跳闸可利用切换片XS将跳闸回路切换到信号回路。,瓦斯保护的评价:瓦斯保护能反应油箱内各种故障，且动作迅速、灵敏性高、接线简单，但不能反应油箱外的引出线和套管上的故障。故不能作为变压器唯一的主保护，须与差动保护配合共同作为变压器的主保
6、护。,差动保护,1、变压器差动保护的工作原理 与线路纵差保护的原理相同，都是比较被保护设备各侧电流的相位和数值的大小。,2、变压器差动保护与线路差动保护的区别：由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不相等再加上变压器各侧电流的相位往往不相同。因此，为了保证纵差动保护的正确工作，须适当选择各侧电流互感器的变比，及各侧电流相位的补偿使得正常运行和区外短路故障时，两侧二次电流相等。例如图所示的双绕组变压器，应使,电力变压器的纵联差动保护,纵联差动保护是按比较被保护的变压器两侧电流的大小和相位的原理实现的。,1、变压器纵差保护的基本原理,外部短路时，流入差动继电器的电流为最大不平衡电流。,正常运行时，由于
7、型号、特性不同将产生不平衡电流。,变压器高、低压侧的额定电流不等，故必须适当选择两侧TA变比，使正常运行和区外故障时，两侧二次电流相等。,内部短路时，无论是单电源，还是双电源，保护都能正确测量到短路点电流。,G,变压器纵差动保护单相原理接线图,1、励磁涌流的特点及克服励磁涌流的方法,（1）励磁涌流：在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下，变压器励磁电流的数值可达变压器额定68倍变压器励磁电流通常称为励磁涌流。,（2）产生励磁涌流的原因 因为在稳态的情况下铁心中的磁通应滞后于外加电压90，在电压瞬时值u=0瞬间合闸，铁芯中的磁通应为-m。
8、但由于铁心中的磁通不能突变，因此将出现一个非周期分量的磁通+m，如果考虑剩磁r，这样经过半过周期后铁心中的磁通将达到2m+r，其幅值为如图8-6所示。此时变压器铁芯将严重饱和，通过图8-7可知此时变压器的励磁电流的数值将变得很大，达到额定电流的68倍，形成励磁涌流。,变压器励磁涌流的影响及措施,励磁涌流：就是变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复时的暂态励磁电流。,励磁涌流波形的特点,2）含有很大成分的非周期分量，使曲线偏向时间轴的一侧；,3）含有大量的高次谐波，其中二次谐波所占比重最大；,4）涌流的波形削去负波之后将出现间断，图中称为间断角。,1）初始值很大，可达额定电流的68倍；,（3）励
9、磁涌流的特点：励磁电流数值很大，并含有明显的非周期分量，使励磁电流波形明显偏于时间轴的一侧。励磁涌流中含有明显的高次谐波，其中励磁涌流以2次谐波为主。励磁涌流的波形出现间断角。,（4）克服励磁涌流对变压器纵差保护影响的措施：采用带有速饱和变流器的差动继电器构成差动保护；利用二次谐波制动原理构成的差动保护；利用间断角原理构成的变压器差动保护；采用模糊识别闭锁原理构成的变压器差动保护。,措施：,1）接入速饱和变流器,2）采用以二次谐波制动原理构成的纵联差动保护,3）采用鉴别波形间断角原理构成的差动保护,4）采用差动电流速断保护,2、不平衡电流产生的原因（1）稳态情况下的不平衡电流 变压器两侧电流相
10、位不同 电力系统中变压器常采用Y，d11接线方式，因此，变压器两侧电流的相位差为30，如下图所示，Y侧电流滞后侧电流30，若两侧的电流互感器采用相同的接线方式，则两侧对应相的二次电流也相差30左右，从而产生很大的不平衡电流。,变压器接线组别的影响,相位补偿方法：1）通过电流互感器二次接线进行相位补偿。,解决办法：通过选择电流互感器变比解决。,电流互感器计算变比与实际变比不同 由于变比的标准化使得其实际变比与计算变比不一致，从而产生不平衡电流。【实例分析1】由电流互感实际变比与计算变比不等产生的不平衡电流分析 在表8-2中，变压器 型号、变比、Y,d11 接线。计算由于电流互感器的实际变比与计算
11、不等引起的不平衡电流。计算结果如表8-2。由表8-2可见，由于电流互感器的实际变比与计算变比不等，正常情况将产生0.21A的不平衡电流。,解决办法,变压器各侧电流互感器型号不同 由于变压器各侧电压等级和额定电流不同，所以变压器各侧的电流互感器型号不同，它们的饱和特性、励磁电流（归算至同一侧）也就不同，从而在差动回路中产生较大的不平衡电流。,两侧电流互感器型号不同产生的不平衡电流,解决问题的方法：整定计算时，引入同型系数。,产生不平衡电流原因,变压器带负荷调节分接头 变压器带负荷调整分接头，是电力系统中电压调整的一种方法，改变分接头就是改变变压器的变比。整定计算中，差动保护只能按照某一变比整定，
12、选择恰当的平衡线圈减小或消除不平衡电流的影响。当差动保护投入运行后，在调压抽头改变时，一般不可能对差动保护的电流回路重新操作，因此又会出现新的不平衡电流。不平衡电流的大小与调压范围有关。,变压器带负荷调整分接头产生的不平衡电流,调整分接头实际上就是改变变压器的变比，其结果破坏了电流互感器二次电流的平衡关系，产生了新的不平衡电流。,解决办法,调压系数取值,（2）暂态情况下的不平衡电流 暂态过程中不平衡电流的特点：暂态不平衡电流含有大量的非周期分量，偏离时间轴的一侧。暂态不平衡电流最大值出现的时间滞后一次侧最大电流的时间（根据此特点靠保护的延时来躲过其暂态不平衡电流必然影响保护的快速性，甚至使变压
13、器差动保护不能接受）。,减小不平衡电流的措施,（1）减小稳态情况下的不平衡电流 变压器差动保护各侧用的电流互感器，选用变压器差动保护专用的D级电流互感器；当通过外部最大稳态短路电流时，差动保护回路的二次负荷要能满足10%误差的要求。,（2）减小电流互感器的二次负荷 这实际上相当于减小二次侧的端电压，相应地减少电流互感器的励磁电流。减小二次负荷的常用办法有：减小控制电缆的电阻(适当增大导线截面，尽量缩短控制电缆长度)；采用弱电控制用的电流互感器(二次额定电流为lA)等。,（3）采用带小气隙的电流互感器 这种电流互感器铁芯的剩磁较小，在一次侧电流较大的情况下，电流互感器不容易饱和。因而励磁电流较小
14、，有利于减小不平衡电流。同时也改善了电流互感器的暂态特性。,（4）减小变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流采用相位补偿,数值补偿 变压器星形侧电流互感器变比,变压器三角形侧电流互感器变比,软件校正 微机保护中采用软件进行相位校正,（5）减小电流互感器由于计算变比与标准变比不同而引起的不平衡电流采用数值补偿 采用自耦变流器。利用BCH型差动继电器中的平衡线圈。在变压器微机保护的软件中采用补偿系数使差动回路的不平衡电流为最小。,（6）由变压器两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流 在差动保护的整定计算中加以考虑。,（7）由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流 在变压器差动保护的整定计算中
15、考虑。在稳态情况下，变压器的差动保护的不平衡电流可由下式决定,（8）减小暂态过程中非周期分量电流的影响 差动保护采用具有速饱和特性的中间变流器，选用带制动特性的差动继电器或间断角原理的差动继电器等，利用其它方法来解决暂态过程中非周期分量电流的影响问题。,和差式比率制动式差动保护原理,1.双绕组变压器比率制动的差动保护原理。（1）和差式比率制动的动作判据,差动电流：,（4）内部故障灵敏度校验 在系统最小运行方式下，计算变压器出口金属性短路的最小短路电流（周期分量），同时计算相应的制动电流，由相应的比率制动特性查出对应与的起动电流则灵敏系数 要求Ksen2.0,变压器比率差动保护程序逻辑框图,变压
16、器差动保护程序逻辑原理 在程序逻辑框图中D1=Iact0、D2=KrelId/Ibrk为比率制动系数 整定值，D3为二次谐波制动系数整定值。可见比率差动保护动作的三个判据是“与”的关系(图8-14中的与门Y2)，必须同时满足才能动作于跳闸。而差动速断保护是作为比率差动保护的辅助保护。其定值为D4=Iact.s，在比率差动保护不能快速反映严重区内故障时，差动速断保护应无时延地快速出口跳闸。因此这两种保护是“或”的逻辑关系(图8-14中 的或门H3)。比率差动保护在TA二次回路断线时会产生很大的差电流而误动作，所以必须经TA断线闭锁的否门再经与门Y3才能出口动作。当TA断线时 与门Y3被闭锁住，不
17、能出口动作。,差动电流速断保护,动作电流的整定原则：(1)躲过变压器的励磁涌流(2)躲过变压器外部故障时的最大不平衡电流,2.54.5,灵敏性校验,对于容量较小的变压器，当其过电流保护的动作时限大于0.5s时，可在电源侧装设电流速断保护。它与瓦斯保护配合，以反应变压器绕组及变压器电源侧的引出线套管上的各种故障。,电力变压器电流速断保护,保护动作电流：,（）按大于变压器二次侧母线短路时流过保护的最大短路电流,（2）躲过变压器空载投入时的励磁涌流,保护灵敏系数：,Ksen2,变压器相间短路后备保护及过负荷保护,变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保
18、护或负序电流保护等。,过电流保护,保护的起动电流按躲过变压器的最大负荷电流整定,3、变压器的最大负荷电流的确定（1）对并联运行的变压器，应考虑切除一台变压器后的负荷电流。当各台变压器的容量相同时，可按下式计算：,（2）对降压变压器，应考虑负荷中电动机自起动时的最大电流。,保护的灵敏系数按下式校验：,要求：作为近后备保护，取变压器低压侧母线为校验点，要求Ksen=1.52.0；作为远后备保护，取相邻线路末端为校验点，要求Ksen1.2。5、保护的动作时限 应比相邻元件保护的最大动作时限大一个阶梯时限t。,低电压启动的过电流保护,保护的启动元件包括电流继电器和低电压继电器，只要当电流元件和电压元件
19、同时动作后，才能起动时间继电器经预定时间后，起动出口中间继电器动作与跳闸。,（1）电流元件的起动电流按躲过变压器的额定电流整定（2）低电压元件的起动电压应小于正常运行时最低工作电压，同时，外部故障切除后，电动机起动的过程中，它必须返回。根据运行经验，通常用,4、灵敏系数校验（1）电流元件的灵敏系数校验 与过电流的校验相同（2）电压元件的灵敏系数按下式校验：,复合电压启动的过电流保护,保护由三部分组成：电流元件、电压元件（含负序电压继电器KVN和低电压继电器KV）、时间元件。,装置动作情况如下：,（1）当发生不对称短路时，故障相电流继电器动作，同时负序电压继电器动作，其动断触点断开，致使低电压继
20、电器KV失压，动断触点闭合，起动闭锁中间继电器KM。相电流继电器通过KM常开触点起动时间继电器KT，经整定延时起动信号和出口继电器，将变压器两侧断路器断开。（2）当发生对称短路时，由于短路初始瞬间也会出现短时的负序电压，KVN也会动作，使KV失去电压。当负序电压消失后，KVN返回，动断触点闭合，此时加于KV线圈上的电压已是对称短路时的低电压，只要该电压小于低电压继电器的返回电压KV不致于返回，而且KV的返回电压是其起动电压的Kre（大于1）倍，因此，电压元件的灵敏度可提高Kre倍。复合电压启动的过流保护在对称短路和不对称短路时都有较高的灵敏度。,负序电压继电器的起动电压按躲开正常运行情况下负序
21、电压滤过器输出的最大不平衡电压整定。根据运行经验，取,复合电压启动的过电流保护的优点：,(1)由于负序电压继电器的整定值较小，因此对于不对称短路，其灵敏系数较高。(2)对于对称短路，电压元件的灵敏性可提高1.151.2倍。(3)由于保护反应负序电压，因此对于变压器后的不对称短路，与变压器的接线方式无关。,负序过电流保护,2、保护装置组成 由电流继电器和负序电流滤过器Z以及一套低电压启动的过电流保护组成。3、负序电流保护的起动电流按以下条件选择。(1)躲开变压器正常运行时负序电流滤过器出口的最大不平衡电流，其值一般为(0.10.2)IN.T(2)躲开线路一相断线时引起的负序电流。(3)与相邻元件
22、上的负序电流保护在灵敏度上配合。,过负荷保护,变压器的过负荷保护：只用一个电流继电器，接于任一相电流中，经延时动作于信号。,过负荷保护的安装方式：,(1)对双绕组升压变压器，装于发电机电压侧。(2)对一侧无电源的三绕组升压变压器，装于发电机电压侧和无电源侧。(3)对三侧有电源的三绕组升压变压器，三侧均应装设。(4)对于双绕组降压变压器，装于高压侧。(5)仅一侧电源的三绕组降压变压器，若三侧绕组的容量相等，只装于电源侧；若三侧绕组的容量不等，则装于电源侧及绕组容量较小侧。(6)对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设。,变压器零序电流零序电压保护,中性点直接接地变压器的零序电流保护,零序电流
23、保护I段作为变压器及母线的接地故障后备保护，其起动电流和延时t1应与相邻元件单相接地保护I段相配合，通常以较短延时t1=0.51.0S动作于母线解列；以较长的延时t2=t1+t有选择地动作于断开变压器高压侧断路器。零序电流保护II段作为引出线接地故障的后备保护，其动作电流和延时t3应与相邻元件接地后备段相配合。通常t3应比相邻元件零序保护后备段最大延时大一个t，以断开母联断路器或分段断路器，t4=t3+t动作于断开变压器高压侧断路器。,变压器高压侧断路器辅助接点QF作用 防止变压器与系统并列之前，在变压器高压侧发生单相接地而误将母线联络断路器断开。,中性点可能接地或不接地运行时变压器的零序电流
24、电压保护,（2)零序电压元件的动作电压整定2)零序电压元件的动作电压整定 按躲过在部分接地的电网中发生接地短路时保护安装处可能出现的最大零序电压整定。（3)保护的动作时限t5 t5=0.30.5s。,（2)分级绝缘变压器零序保护组成 由零序电压保护、零序电流保护、间隙零序电流保护共同构成（3)分级绝缘变压器零序保护原理 当系统发生一点接地，中性点接地运行的变压器由其零序电流保护动作于切除。若高压母线上已没有中性点接地运行的变压器，而故障仍然存在时，中性点电位将升高，发生过电压而导致放电间隙击穿，此时中性点不接地运行的变压器将由反应间隙放电电流的零序电流保护瞬时动作于切除。如果中性点过电压值不足以使放电间隙击穿，则可由零序电压保护带0.30.5S的延时将中性点不接地运行的变压器切除。,（5)放电间隙零序电流保护的起动电流 击穿电流根据经验数据整定，一般一次值为100A。,
