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1、主讲：严红亮2004年10月,变压器保护及整定说明,交流内容,一、电力变压器介绍 二、电力变压器微机保护的配置 1、中、低压变电所主变压器的保护配置 2、高压、超高压变电所主变压器的保护配置 三、变压器的本体主保护 四、变压器的后备保护 1、复合电压闭锁方向过流保护 2、变压器过负荷保护 3、变压器零序保护、中性点直接接地的零序保护方式、中性点不接地的零序保护方式、中性点经放电间隙接地的零序保护方式,五、变压器保护的电流平衡整定 1、变压器保护TA接线原则 2、电流平衡的调整系数、变压器各侧一次额定电流的计算、变压器各侧二次额定电流的计算、平衡系数的计算、保护内部计算用变压器各侧额定二次电流
2、六、比率制动式差动保护的原理 七、变压器怎么防止励磁涌流 1、二次谐波制动原理 2、间断角及波形对称识别原理 八、阻抗保护的原理 九、过励磁保护,二、变压器不正常工作状态 由于外部短路或过负荷引起的过电流、油箱漏油造成油面降低、变压器中性点电压升高、由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁等。三、变压器的故障类型（可分内部故障和外部故障两种）（1）变压器内部故障指变压器油箱里面发生的各种故障，主要有：各绕组之间发生的相间短路，单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路，单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障等。（2）变压器外部故障指变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，主要类型有：绝缘套
3、管闪络或破碎而发生的单相接地（通过外壳）短路，引出线之间发生的相间故障等。,电力变压器介绍（一）,一、变压器的种类 油浸式变压器、干式变压器、整流变压器、自耦变压器、隔离变压器、特种变压器、控制变压器、电炉变压器等等。,电力变压器介绍（二）,四、怎么样保证变压器的安全运行 为了防止变压器在发生各种类型鼓掌和不正常运行时造成不应有的损失，保证电力系统连续安全运行，变压器一般装设以下继电保护装置：（1）防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护；（2）防御变压器绕组和引出线多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的（纵联）差动保护或电流速断保护；（3）防御变压器外
4、部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护(或电流速断保护)后备的过电流保护(或复合电压起动的过电流保护、负序过电流保护）；（4）防御大接地电流系统中变压器外部接地短路的零序电流保护；（5）防御变压器对称过负荷保护；（6）防御变压器过励磁的过励磁保护。,电力变压器保护的配置,电力变压器的微机保护和常规保护的配置原则基本上是一样的，但由于微机保护软件化的特点，一般微机保护的配置比较齐全、灵活。一、中、低压变电所主变压器的保护配置：（一）主保护配置（1）比率制动式差动保护。中、低压变电所主变容量不会很大，通常采用二次谐波闭锁原理的比率制动式差动保护。（2）差动速断保护；（3）本体主保护。本体重瓦斯、有载调
5、压重瓦斯和压力释放。（二）后备保护配置 主变后备保护均按侧配置，各侧后备保护之间、各侧后备保护与主保护之间的软件硬件均相互独立。1、小电流接地系统变压器后备保护的配置：（1）复合电压闭锁方向过流保护；（2）过负荷保护；（3）主变过温告警（或跳闸）；（4）TV断线告警或闭锁保护。,2、大电流接地系统变压器后备保护的配置 对于高压侧中性点接地的变压器，除复合电压闭锁方向过电流保护、过负荷保护、冷控失电，过温保护、TV断线告警或闭锁保护之外，还应该考虑设置接地保护。通常针对以下三种接地方式配置不同的保护：（1）中性点直接接地运行，配置二段式零序过流保护；（2）中性点可能接地或不接地运行，配置一段两时
6、限零序无流 闭锁零序过压保护；（3）中性点经放电间隙接地运行，配置一套两时限式间隙零序过流保护。对于双卷变压器，后备保护可以只配置一套，装于降压变的高压侧（或升压变的低压侧）；对于三卷变压器，后备保护可以配置两套：一套装于高压侧作为变压器本身的后备保护，另一套装于中压或低压的电源一侧，并只作为相邻元件的近后备保护，而不作为变压器本身的后备保护。因为一般变压器均装有瓦斯保护和一套主保护，再有一套高压侧（即主电源侧）的后备保护就足够了。,二、高压、超高压变电所主变的保护配置（一）主保护配置（1）比率制动式差动保护，除采用二次谐波闭锁原理外，还可以采用波形鉴别闭锁原理或对识别原理克服励磁涌流误动；（
7、2）工频变化量比率差动保护；（3）差动速断保护。（二）后备保护配置 高压侧后备保护可按如下方式配置（1）相间阻抗保护，方向阻抗元件带3%的偏移度；（2）二段零序方向过流保护；（3）反时限过激磁保护；（4）过负荷报警。中压侧后备保护同高压侧。低压侧后备保护设过流保护及零序过压保护。,变压器本体主保护,变压器的任何形式的差动保护都只是电气保护，任何情况下都不能代替反映变压器油箱内部故障的温度、油位、油流、气流等非电气量的本体主保护。变压器本体主保护有三个：本体重瓦斯、有载调压重瓦斯和压力释放。三个本体保护均按开关量输入方法引入保护装置的输入端来实现保护的出口重动与发信，有的变压器保护装置中不含轻瓦
8、斯保护，所以仅需发信的轻瓦斯（本体轻瓦斯和有载调压轻瓦斯）仅作为遥信开关量，由保护装置或者远动RTU采集。,变压器的后备保护,一、变压器的复合电压闭锁方向过流保护 复合电压闭锁元件：是利用正序低电压和负序过电压反应系统故障，防止保护误动作的对称序电压测量元件。复合电压闭所过流保护的灵敏性比低电压启动的过流保护灵敏度要高，虽然两种保护的动作电流都是按躲过变压器额定电流来整定，但是低电压元件是按变压器额定电压的70%左右来整定，而复合电压闭锁元件中的负序电压是按变压器额定电压的0.060.12倍来整定的。复合电压闭所方向过流保护的逻辑图：,变压器的后备保护,二、变压器的过负荷保护 过负荷保护一般取
9、三相电流，该保护在变压器保护中有三个作用：（1）用于发变压器过负荷告警信号；（2）用于启动变压器风扇冷却设备；（3）对于有载调压变压器则还要作用于闭锁有载调压。过负荷保护的逻辑图：,变压器的后备保护,二、变压器的零序保护 主变零序保护适用于110kV及以上电压等级的变压器。由主变零序电流、零序电压、间隙零序电流元件构成，根据不同的主变接地方式分别设置如下三种保护形式：中性点直接接地保护方式、中性点不直接接地保护方式、中性点经间隙接地的保护方式。（1）中性点直接接地保护方式 变压器中性点直接接地的零序保护方式一般是由两段式的零序电流构成，可选择经或者不经零序电压闭所。两段的时限可分别设置，一般I
10、段时限跳母联断路器或者跳三绕组变压器中压侧有电源线路；II段跳本侧或者全部跳开断路器。需要注意的是，目前微机保护均不采用零序过流时跳另一台不接地变压器的方式，以避免两台主变的后备保护相互联系造成的接地混乱，也可以避免变压器中性点切换时因未切换保护压板引起的误动现象。（2）中性点不直接接地保护方式 在发电厂或变电所有两台及以上变压器并列运行时，为限制接地故障时的零序电流，通常只有一部分变压器的中性点接地，另一部分变压器的中性点不接地。变压器中性点不接地的运行方式有时根据需要也可以切换为中性点接地的运行方式。此类变压器需装设零序无流闭锁零序过电压保护。中性点不接地运行时，不会出现I0，不闭锁零序过
11、压保护。当中性点改接地运行时，发生接地故障时出现I0，即闭锁零序过压保护。,变压器的后备保护,中性点不直接接地保护方式时应注意零序电压时限应要求大于零序过流I段的时限而小于零序II段的时限，这样安排时限的目的是保证中性点不接地变压器先跳闸，接地变压器后跳闸。在发生接地故障时，零序过流I段先动作解列母联，使两台主变分列运行。解列后如故障消失，则表明故障不在本变压器保护范围内。解列后如故障仍存在，对中性点不接地变压器可由零序电压保护跳闸切除故障；对于中性点接地变压器，由于仍有零序电流而闭锁零序电压保护，由零序II段跳闸，最终全部切除故障。（3）中性点经放电间隙接地保护方式 变压器中性点经放电间隙接
12、地，对分级绝缘变压器的中性点绝缘薄弱部分，可以起到过电压保护的作用，尤其是对220kV以上电压等级的变电所，断路器有非全相跳、合闸的情况。非全相跳合闸时如出现系统失步，中性点与地之间电压有可能升至两倍的最高运行相电压，这时零序电压保护因有延时，将危害变压器绝缘安全不能起到保护作用。为此，在变压器装设放电间隙作为过电压保护。在放电间隙放电时，应避免放电时间过长。为此对于这种接地方式，应装设专门的反应间隙放电的零序电流保护，其任务是及时切除变压器，防止间隙长时间放电。间隙零序电流保护是由间隙零序过流和零序过压元件按并联逻辑方式构成的。当系统接地故障时，如间隙放电，间隙零序过流元件动作，经延时保护动
13、作；若放电间隙不放电，则利用零序电压元件动作实现零序保护。间隙零序电流保护时限也是I段两时限方式，第一时限跳母联开关，第二时限跳变压器各侧开关。但要注意，该保护对时间元件有要求：当发生间隙性弧光接地时，间隙保护用的时间元件不得“中途返回”（微机保护可采用累加计时方法），以保证间隙接地保护可靠动作。,变压器的后备保护,主变零序保护的逻辑图：,变压器保护的电流平衡整定,一、变压器差动保护的不平衡电流产生的原因：1、稳态情况下的不平衡电流（1）由于变压器各侧电流互感器型号不同，即各侧电流互感器的饱和特性和励磁涌流不同引起的不平衡电流。它必须满足 电流互感器的10%误差曲线的要求；（2）由于实际的电流
14、互感器变比和计算变比不同引起的不平衡电流；（3）由于改变变压器调压分接头引起的不平衡电流。2、暂态情况下的不平衡电流（1）由于短路电流的非周期分量主要为电流互感器的励磁涌流，使其铁芯饱和，误差增大而引起不平衡电流；（2）变压器空载合闸的励磁涌流，仅在变压器一侧有电流。,变压器保护的电流平衡整定,二、变压器保护接线原则：由于变压器各侧的接线方式不同（Y/-11），造成变压器两侧电流相位差30度，从而在变压器差动回路中产生较大的不平衡电流。为此要求两侧TA二次侧采用相位补偿法接线，在微机保护中，由于软件计算的灵活性，允许变压器各侧TA二次都按Y形接线。在进行差动计算时由软件对变压器Y形侧电流进行相
15、位校准及电流补偿。,变压器保护的电流平衡整定,二、变压器额定电流的计算：1、变压器各侧额定一次电流的计算 式中Sn变压器额定容量（kVA）（注意：与各侧功率分配无关）Un该侧额定电压（kV）2、变压器各侧额定二次电流的计算 式中Kjx该侧CT接线系数（二次三角形接线Kjx=，星形接线Kjx=1）nln该侧CT变比,变压器保护的电流平衡整定,3、平衡系数的计算设变压器三侧的平衡系数分别为Kh、Km和Kl，则：（a）降压变压器：选取高压侧（主电源侧）为基本侧，平衡系数为（b）升压变压器：选取低压侧（主电源侧）为基本侧，平衡系数为,变压器保护的电流平衡整定,4、保护内部计算用变压器各侧额定二次电流
16、经平衡折算后，保护内部计算用变压器各侧二次电流分别为:保护内部计算用各侧额定二次电流分别为：对降压变压器：对升压变压器：可见经平衡折算后Inh=Inm=Inl,即保护内部计算用变压器各侧额定二次电流完全相等，都等于所选的基本侧的额定二次电流。因而，在进行整定计算时，完全不考虑变压器的实际变比，而以折合到基本侧的标幺值进行计算，此时容量基值应使用变压器额定容量Sn，电压基值应使用基本侧的额定电压Un，电流值就是Inh(=Inm=Inl)。,比率制动式差动保护的原理,差动保护为防止区外故障时，由于CT特性不一致，引起不平衡电流造成误动，采取了比率制动特性。比率制动式差动保护的动作电流是随外部短路电
17、流按比率增大，既能保证外部短路不误动，又能保证内部短路有较高的灵敏度。图中Idz0为最小动作电流，Izd0为最小制动电流，Isd为差流速断动作电流，K为比例制动系数。动作电流：制动电流：式中：,比率制动式差动保护的原理,说明：差动保护采取比率制动特性。理性的制动特性曲线为通过原点、且斜率为制动系数为K1的一条直线，如图中OBC线。在变压器内部短路，当短路电流较小时，具有无制动作用，使之灵敏动作，为此制动特性是具有一段水平线的比率制动特性曲线，如图中ABC折线。水平的动作电流称为最小动作电流Idz0，微机开始具有制动作用的最小制动电流称为拐点电流Izd0。由于制动特性曲线不一定经过原点0，如图中
18、ABD折线，只有斜率m=(Icd-Idz0)/(Izd-Izd0)为常数，而制动系数K=Icd/Izd却随制动电流不断变化，故整定的比率制动系数K，实质上是折线的斜率m。为防止区外故障时误动，依靠的是制动系数K，而不是斜率m，因此必须使各点的K值均满足选择性及灵敏性，使制动特性曲线位于理想的制动曲线K1的上部，如ABD线。当差动电流达到一个较大值时，此时为了其装置速动及灵敏性，不考虑制动电流的大小，直接动作，这个定值称为差动速断定值Isdz。制动特性曲线由下叙三个定值决定：（1）、比率制动系数K1（2）、拐点电流（最小制动电流）Izd0（3）、最小动作电流Idz0,变压器怎样防止励磁涌流,变压
19、器空投入系统或在系统故障切除后电压又恢复时会产生很大的励磁涌流，其值可达变压器额定电流的68倍，并且在主变一侧产生，所以将产生很大的差流。励磁涌流有以下特点：（1）包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；（2）包含有大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主，一般约占基波分量的40%以上；（3）励磁涌流波形出现间断；防止励磁涌流影响的方法有：（1）常规保护中采用具有速饱和铁芯的差动继电器；（2）鉴别短路电流和励磁涌流波形的区别，要求间断角为6065度；（3）利用二次谐波制动，制动比为15%20%；（4）利用波形对称识别原理的差动保护（利用三相差流波形的对称性作为鉴别励磁涌流和故障波形
20、的依据）。,阻抗保护原理,一、变压器阻抗元件的构成 阻抗保护作为变压器相间短路的后备保护，输入信号为三相电压、三相电流，由Uab和Iab、Ubc和Ibc、Uca和Ica分别构成三个阻抗元件。依据整定的不同，分别实现偏移阻抗、全阻抗和方向阻抗的动作特性。阻抗保护还设有负序电流启动判据和电压断线闭锁判据，以防止系统振荡、三相失压或TV断线时误动。二、变压器阻抗元件存在的拒动问题 一般来说，变压器的相间短路后备保护是在校验复合电压方向过流保护灵敏度不足时才选用阻抗保护的，似乎阻抗保护的灵敏度是比较高的，其实这不是绝对的，有关资料中通过计算证明在大型自耦变压器的高、中压侧的公共绕组靠近中性点处发生故障
21、时，测量阻抗Z趋近于无穷大，显然保护装置将拒动。此外测量阻抗的大小还与两侧的电源助增系数有关，当助增系数增大时测量阻抗也就较大，也有可能拒动。因此，阻抗作为变压器的后备保护，对某些运行方式下某些故障类型是不适宜的。,过励磁保护原理,由于变压器发生过励磁故障时并非每次都造成设备的明显破坏，所以往往容易被人忽视，但多次反复过励磁，将因过热而使绝缘，降低设备的使用寿命。我国继电保护规程规定，对频率降低和电压升高引起的铁芯工作磁密过高，500kVA变压器应装设过励磁保护。变压器是由铁芯绕组构成，其外加电压U与磁感应强度B的关系为：U=4.44 f W B S 由于W和S都是为定数，所以有：B=K U/
22、f 式中 f频率 W绕组匝数 S-铁芯截面积（平方米）K对于给定的变压器来说，K为常数：K=1/4.44WS 由上式可以看出，工作磁密B与电压、频率U/f成正比，即电压升高或频率降低都会使工作磁密增加。现代大型变压器，额定工作磁密Bn=1.71.8T，饱和工作磁密为B=1.92.0T，两者相差不大。当U/f增加时，工作磁密增加，使变压器励磁电流增加，特别是在铁芯饱和后，励磁电流要急剧增大，造成变压器过励磁。过励磁会是铁损增加，铁芯温度升高；同时还会使漏磁场增强，使靠近铁芯的绕组导线、油箱壁和其他的金属构件产生涡流损耗，发热，引起高温等，严重时要成局部变形和损伤周围的绝缘介质。变压器过励磁的原因是过电压，尤其是升压变压器更容易遭受过励磁，而且多发生在与系统并列前，降压变压器虽然机会较少，但超高压输电线路突然失去负荷也会发生过电压，如果控制不住电压的上升，也将发生过电压，事故解列后系统被分割为多个局部区域，这些局部区域如功率缺额造成频率下降，也会引起变压器过励磁。目前使用比较多的是ABB公司提出的过励磁反时限保护。,参考资料,一、电气主设备继电保护原理与应用（第二版）二、电力系统继电保护与安全自动装置整定计算 三、电力系统继电保护实用技术问答（第二版）四、电力系统继电保护原理（第三版）五、电力系统微机保护培训教材 六、电网继电保护应用,感谢各位、不足之处、请多指教,
