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1、第四章 变压器的继电保护,大型发电机变压器组继电保护概论,尹项根，CEEE HUST，2006,Chapter 4 变压器的继电保护,4.1 变压器的故障类型与保护配置4.2 变压器内部短路的差动保护（变压器差动保护的基本原理；变压器差动保护的特殊问题；微机型变压器差动保护的构成与逻辑）4.3 变压器的零序电流保护（变压器零序保护的作用；变压器零序保护的原理）4.4 变压器的后备保护（变压器的后备电流保护；变压器的后备阻抗保护）,4.5 变压器的过激磁保护（过激磁现象及危害；过激磁保护基本原理；反时限过激磁保护）4.6 变压器的非电量保护（变压器瓦斯保护重瓦斯及轻瓦斯保护；主变过温保护；主变冷
2、却器故障保护）,4.1 变压器的故障类型与保护配置,(纵联)电流差动保护(重、轻)瓦斯保护接地中性点零序电流保护、零序电压保护以及放电间隙的零序电流保护过励磁保护后备保护(低压/复合电压)过电流保护或阻抗保护过负荷保护反应变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障的相应保护,4.2 变压器内部短路的差动保护,4.2.1 变压器差动保护的基本原理1.变压器差动保护的概念变压器差动保护（如无特殊说明，特指纵联电流差动保护，下同）是变压器最重要的保护之一，如图所示(注意假定正向规定)。变压器差动保护的保护范围为由不同地点引入差动保护的各组电流互感器TA(同一地点的三相TA为一组)所限定的区域，可以反应
3、在这个区域内的变压器本体绕组的短路故障、引出线上的相间短路故障以及中性点接地侧绕组和引出线上的接地短路故障。（注意推广到多圈及多侧变压器差动保护。）由于变压器以及TA均依靠电磁传变工作,它们的电磁特性，尤其是暂态特性将对差动保护性能产生重要影响，因此变压器差动保护实际动作方程的构成比较复杂，其主要目的就是克服这种影响。,图4-2-0 变压器纵差保护原理示意图,2.比率制动式差动保护判据,下面通过一个三侧差动保护来讨论变压器比率制动式差动保护的动作判据（动作方程）。设差动电流记为，制动电流记为，变压器差动保护中通常采用三段折线式比率制动判据（以一相为例）：,(4-2-1),上述比率制动判据的特性
4、如图4-2-1所示，并且它建立在下述假设条件基础上。,设供差动保护使用的各侧电流基波相量（以一相为例）分别记为、；规定变压器各侧电流假定正向均由外部指向变压器内部；假定已通过合理选择变压器各侧的TA变比和二次接线使得变压器正常状态时各侧同名相二次电流基波相量的相量和为零。,图4-2-1 三段折线式比率制动特性,上述判据中定义差动电流：而制动电流有多种构成形式，常见的有以下两种：注意：(1)采用不同的制动形式，制动效果不同，制动系数也不同；(2)对于双圈变，常用差动和制动量为(注意，它也可以推广到多圈变压器的差动保护)：,（4-2-2）,（4-2-3）,（4-2-4）,4.2.2 变压器差动保护
5、的特殊问题,1.差动保护中影响不平衡差流的因素及对策(1)由三相变压器连接组产生的不平衡差流 原因：以双圈变压器为例，除非变压器高、低压侧三相绕组的连接方式相同（譬如Y,y12连接组），一般情况下，变压器高、低压侧三相绕组的连接方式可能不同（譬如Y,d11或Y0,d11连接组），使其两侧对外引出线同名相一次电流之间存在较大相位差，这种相位差会在差动电流中出现很大的不平衡电流。对策：为消除此相位差以避免在差流中出现很大的不平衡电流，因此需要在TA的二次侧进行相位调整或补偿。传统做法是在变压器不同侧对TA二次侧采用不同接线方式来实现消除相位差的相位调整(补充TA连接图)；而在微机差动保护中则改用计
6、算的方式(补充说明采用两相电流差问题，引出由Y或d侧变换问题及其特点的讨论)。,(2)变压器各侧电流互感器变比不匹配产生的不平衡差流,原因：因为电流互感器变比按标准变比设计，难于恰好与变压器变比相匹配，因而有可能产生不平衡电流。对策：在集成电路保护中，通常是在变换部分通过调整负载电阻来实现，可以做到较精细的调节，基本上能够消除此种不平衡电流影响。而在微机数字式保护中，可以由软件通过计算来实现此种电流平衡的精确自动调整。譬如，就主变差动保护而言，我们可以取机端侧(低压侧)为基准侧,其二次电流额定值作为基准电流,记为；而将差动保护的其它各侧作为待折算侧，并设其二次电流额定值为，那么待折算侧电流平衡
7、系数为 求出各侧电流平衡系数后，将各侧电流与其对应的平衡系数相乘即可实现电流平衡的自动调整。,(3)带负荷调压而产生的不平衡差流,原因：在改变带负荷调压变压器的分接头位置时，使变压器变比发生改变，从而产生不平衡电流。不平衡电流与调压范围有关，即（调压分接头位于Y侧）在由带负荷调压引起不平衡电流中，当 取额定电流时，为正常运行工况下的最大不平衡电流；当 取为主变星形侧最大短路电流时，则 为所有工况下最大不平衡电流。对策：采用适当提高差动保护门槛的方法来躲开带负荷调压引起的不平衡电流。,（4-2-5）,(4)变压器各侧电流互感器特性不一致而产生的不平衡差流,原因：构成差动电流的各侧电流互感器因特性
8、不一致而造成传变误差不同，从而引起附加的不平衡电流，尤其当外部短路故障时，因电流暂态分量（主要是非周期分量）及TA饱和等原因，有可能造成很大的不平衡电流。对策：首先是二次回路上的措施，包括尽量选择同型同特性的差动保护专用电流互感器，尽量减小电流互感器二次负荷等；另一方面是在差动保护动作特性上的措施。譬如：广泛使用的具有比率制动特性的差动保护原理，利用穿越电流的大小自动改善制动特性，具有良好的对付TA暂态特性不一致（如饱和）的影响；在有可能引起TA严重饱和的场合，还需要专门判据来予以对付。,(5)变压器过励磁运行工况引起的稳态不平衡差流,原因：对于差动保护而言，励磁电流相当于变压器内部故障电流，
9、从而形成不平衡差流，严重时会引起差动保护的误动作。平时励磁电流很小，仅为额定电流的1%-3%；但当运行电压升高或系统频率降低时，由于磁通密度大增而引起铁心饱和（尤其大型变压器为提高材料利用率而设计磁密工作点非常靠近膝点，极易饱和），励磁阻抗降低，会引起很大的励磁电流。这时一种稳态饱和励磁电流。对策：监测不平衡差流中的某些代表过励磁状态的电流谐波特征量（如5次谐波）来识别变压器过励磁状态，当特征谐波出现并超过基波差流某一百分比时，即判为发生过励磁，暂时闭锁差动保护的动作。,(6)变压器励磁涌流引起的暂态不平衡差流,原因：当变压器空载投人或者外部故障切除后电压恢复过程中，因电压突然升高，励磁电流将
10、突然大大增加，这种由电压突升引起的巨大的暂态励磁电流称为励磁涌流。由于励磁涌流是单侧注入性电流，其幅值又很大，因此会造成比率制动判据误判而引起差动保护误动作。对策：传统电磁式差动继电器依靠增大差流门槛和自动延时（通过继电器铁心速饱和）来躲过励磁涌流，这将严重降低差动保护在变压器内部故障时的动作速度和灵敏度，不能满足大电网和大型变压器的安全要求。现代大型变压器差动保护需要解决的突出问题就是既能可靠地躲过励磁涌流，又能灵敏、快速和正确地反应内部故障。下面专门讨论。(7)TA严重饱和引起的暂态不平衡差流,2.励磁涌流及其制动措施,某种理想情况下，三相电力变压器空投涌流波形如下。,图4-2-2 理想情
11、况下三相电力变压器空投励磁涌流的波形(a)各绕组励磁涌流波形；(b)、(c)、(d)两两绕组励磁涌流之差的波形,分析总结：对于由三个单相变压器构成的或三相五柱式大型三相电力变压器，其励磁涌流有下述特点：(1)变压器每相绕组励磁涌流中含有较大的二次谐波分量，其含量大小与铁心饱和磁通、剩磁大小及电压突变初相角等因素直接相关，一般二次谐波分量占基波分量的比例不小于20。(2)理论上，就变压器一次电流而言，每相绕组励磁涌流以及每相合成涌流（即三组二相绕组的涌流之差）均会出现波形间断，形成所谓间断角。(3)在变压器内、外部短路故障时，差动电流中二次谐波分量所占比例较小，低于15，一般不会出现波形间断，波
12、宽不小于。问题与概念：合应涌流（并联与串连变压器），合动涌流？,主要的励磁涌流制动措施：利用差流特点(1)可以构成基于二次谐波电流的励磁涌流制动判据，简称为二次谐波制动。注意：对称涌流及制动方式。利用差流特点(2)可以构成基于间断角原理的励磁涌流制动判据，简称为间断角制动。注意：TA影响和实用方法！（4-4-10）式中 间断角；波宽。利用差流的虚拟三次谐波。利用差流波形的对称性。利用磁通原理。,3.变压器差动保护接线方式,(1)常规差动保护接线,图4-2-1 常规差动保护接线（Y,d11）,图中变压器星形侧的电流互感器副方采用三角形接线，而变压器三角形侧的电流互感器副方采用星形接线，这样变压器
13、两侧电流互感器二次回路同名相电流分别与的相位一致，实现了相位校正。,(2)微机型差动保护接线方式,图4-2-2 微机差动保护接线（Y,d11）,Y侧校正后电流可写为：,（4-2-7）,（4-2-8）,（4-2-9）,实际差流可写为：,（4-2-10）,（4-2-11）,（4-2-12）,在正常负荷状态和外部故障时，Y侧校正后电流与d 侧电流反相位，达到了相位校正的目的。,4.2.3 微机型变压器差动保护的构成与逻辑,完整的变压器差动保护主要由差动速断保护元件、比率差动元件、励磁涌流制动元件以及其它辅助元件等多个部分构成。1.差动速断元件,（4-2-13）,图4-2-4 差动速断元件逻辑框图,2
14、.比率差动元件,动作判据前面已说明，逻辑框图如图4-2-6所示。下面是需要考虑的一些特殊问题：(1)防止在变压器励磁涌流时误动的措施。(2)防止在变压器过励磁时误动的措施。(3)防止电流互感器严重饱和的措施（特殊情况下）。(4)电流互感器断线闭锁。根据前面分析，需进一步讨论这些问题。,图4-2-6 比率差动保护逻辑框图,3.励磁涌流制动元件,以二次谐波制动为例，其判据：制动方式问题：根据对称涌流特征，利用二次谐波不宜采用分相制动方式（间断角制动方法例外），故利用二次谐波进行涌流闭锁时采用“或”逻辑，可以可靠的防止误动，但是当空投故障变压器时，差动保护因非故障相的励磁涌流而闭锁，造成动作时间长，
15、特别是大型变压器涌流衰减很慢，将会造成变压器的严重烧损。为此，还可以采用“涌流制动混合逻辑”。,（4-2-22）,4.变压器差动保护的辅助元件,(1)过激磁闭锁元件(利用5次谐波比)(2)TA饱和闭锁元件(抗TA饱和原理有多种，这里介绍一种)在区内故障时会有 在区外故障（或区外故障且TA饱和时）上式都不成立。利用计时器：,（4-2-22）,若两计数器相等，说明是区内故障，则开放，若不相等则闭锁保护。因为若差流是由于TA饱和产生，差流将在TA饱和后一段时间产生。所以判据可为，若时差 大于10毫秒，则闭锁比率差动保护，若T小于5毫秒时则开放保护。,(3)TA断线瞬时闭锁元件 设置TA断线瞬时闭锁元
16、件，防止差动保护在TA断线时误动作。以下条件同时满足判为TA断线，瞬时闭锁差动保护（说明：通过控制字选择也可不闭锁差动保护）。1)且 2)且 3)式中 为相电流突变量；为A,B,C三相差流值；为比率差动保护动作门槛值；为额定电流；为前一次测量电流；为当前测量电流；为无流相的差动电流；为无电流门槛，取0.04倍的TA额定电流,(4)差流越限监视元件,（4-2-22）,图4-2-7 差流越限监视逻辑框图,4.3 变压器的零序电流保护,4.3.1 变压器零序保护的作用和要求单相接地故障几率最高，而接地故障要求较高的保护灵敏度，通常采用零序保护作为专用的接地保护；零序保护用作变压器及相邻元件接地故障的
17、后备保护。变电站中两台主变的中性点通常一个接地，一个不接地运行，零序保护必须有相应保护功能。超高压变压器采用分级绝缘，中性点绝缘水平较低，较易于发生接地故障，500kV变压器通常直接接地。,4.3.2 变压器零序保护的原理,典型的变压器零序保护配置原理图如图4-4-9所示。主变中性点直接接地运行时的零序保护 电流元件接到变压器中性点电流互感器的二次侧。为提高可靠性和满足选择性，变压器中性点均配置两段式零序电流保护（1段与相邻元件零序保护1段配合，2段与相邻2段配合）；每段均设置两个延时（短延时作用于跳母联，长延时作用于跳变压器）。,图4-4-9 变压器零序保护配置原理图,主变中性点不接地运行时
18、的零序保护。由变压器中性点放电间隙零序过电流保护和取自于 TV 开口三角形的零序过电压保护构成。它经延时直接作用于变压器跳闸。变压器过电压可由放电间隙保护，上述专门的零序电流电压保护，其任务是及时切除变压器，防止间隙长时间放电，并作为放电间隙拒动的后备。,4.4 变压器的后备保护,为反映变压器外部短路而引起的变压器绕组过电流，并作为外部相邻元件保护的后备；以及在变压器内部故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备，变压器应装设反应内外部短路故障的后备保护。4.4.1 变压器的后备电流保护 模拟式继电器组成的复合电压过流保护典型原理接线图，如图4-4-11所示。它由过流元件()、负序过电压元件()、低
19、电压（线电压）元件()及时间元件构成。负序过电压元件与低电压元件共同构成复合电压启动元件。,图4-4-11 复合电压过流保护电原理图,变压器的后备阻抗保护 变压器后备阻抗保护通常装于变压器高压出线处，采用一段动作区和两段延时。阻抗继电器动作特性为一偏移圆，如图4-4-12所示。在平面上，动作区位于R-X轴以下部分，若作为发变组的后备时应包括发电机与变压器总的等值阻抗；而轴以上部分，应包括变压器到断路器引线、母线及部分出线的等值阻抗，以保证对发变组、母线及相应引出线提供后备保护。这样以来后备阻抗保护的动作区会向前延伸得较远，为保证选择性，把保护的动作时间分为两段：第段时延与出线相间后备保护动作时
20、间相配合，动作于母线解列，以缩小故障影响范围；第段时延动作时间再增加一个时段，动作于变压器跳闸。,图4-4-12 偏移阻抗继电器动作特性,4.5 变压器的过激磁保护,4.5.1 过激磁现象及危害 1.现象：变压器铁心因磁通密度超过饱和限制而使铁心严重过热，同时引起励磁电流猛增并严重畸变，引起进一步附加发热。2.原因：(1)发变组并列之前，因操作错误，误加大励磁电流引起过激磁。(2)发电机启动过程中，转子在低速下预热时，若误将电压升至额定值，则因发电机和变压器低频运行造成过激磁。(3)发电机解列减速时，若灭磁开关拒动，发变组低频引起过激磁。(4)发变组断路器跳闸，若励磁调节器失灵，电压与频率均会
21、升高，但因频率升高较慢而引起发变组过激磁。(5)运行中，当系统过电压及频率降低时也会发生过激磁。3.危害：过激磁将使发电机、变压器的温度升高，若过激磁倍数高，持续时间长，可能使发电机、变压器因过热而遭受破坏。(1)现代大型变压器额定工作磁密(1.71.8)T，饱和磁密仅为(1.92.0)T，两者很接近；(2)冷轧硅钢片，它的磁化特性曲线很“硬”。,4.5.2 过激磁保护基本原理 变压器的端电压与磁通密度的关系可表为(4-4-44)这里绕组匝数和铁心截面都是常数，因此变压器工作磁密可表为，磁密系数(4-4-45)通常用相对于额定状态的过激磁倍数来反映过激磁状况，即(4-4-46)在发生过激磁后，
22、发电机、变压器并不会立即损坏，有一个热积累过程。对于某一过激磁倍数，均有对应的允许运行时间。研究表明，过激磁倍数与允许运行时间之间的关系为一条反时限特性曲线。4.5.3 微机过激磁保护构成 1.定时限过激磁保护 定时限过激磁保护通常设有一个告警信号段和两个跳闸段。,在式（4-4-46）中，因 为常数，故只需测量并计算 就很容易确定过激磁倍数。注意到对于稳态轻微过激磁其电压基本为正弦波形，故可采用简单的半周绝对值积分算法。另外，目前稳态频率的测量往往通过检测整周波两次过零点的时间（周期）来实现，故可直接得到当前信号周期。因此对于时刻 k的过激磁倍数的算法可表为(4-4-47)定时限过激磁保护比较
23、简单，但 不能很好反映设备过激磁状态。2.反时限过激磁保护 完整的反时限过激磁保护动作 特性见图4-4-14。其中反时限过 激磁特性是指a点和b点之间的非 线性曲线，特性上方为动作区。图4-4-14 反时限过激磁保护的动作特性,由图可见，当过激磁倍数小于启动值 时,反时限元件不启动；当大于 时，按反时限曲线动作。实际的反时限元件均有一个最小动作时间（由最短有效计算时间确定），记为，它与反时限曲线的交点记为b，对应的过激磁倍数为。当过激磁倍数大于时，无论多大，其动作时间均为。请注意，当激磁倍数很接近于 时，按反时限曲线得到的动作时间很长，会引起较大的计时误差，同时也没有实际意义，因此，在设计反时
24、限元件时往往也事先给定一个最长动作时间限制，记为，它与反时限曲线的交点记为a，对应的过激磁倍数为。当过激磁倍数在 与 之间时，动作时间均为。故真正反时限电流特性仅为a点和b点之间的曲线。反时限过激磁定值须根据变压器制造厂提供的过激磁曲线确定。过激磁倍数的整定值范围一般为1.01.6，延时最大可到3000s。实际使用中，反时限动作曲线通常由若干个给定的离散点的坐标给定，并作为整定值存放；因此，对由有限个点描述的反时限过激磁特性曲线需要进行补足处理，即在计算得到过激磁倍数后，采用分段线性插值求出对应的动作时间，实现完整的反时限特性。过激磁保护动作的时间可能较长，这期间过激磁倍数会发生变化，引起对应
25、的总延时也随之变化，这是一个变化的热积累过程，因此需要考虑相应对策来构造算法，以保证正确延时。,对策之一：采用基于发热效应的所谓等效过激磁倍数的方法，即根据所谓等效过激磁倍数在反时限特性曲线上查找延时，然后扣除已经历的延时便可确定余下的延时，或者说不断按计算间隔累积延时，但总是使用当前等效过激磁倍数在反时限过激磁曲线上所对应的延时作为动作总延时。下面介绍一种等效过激磁倍数 的计算方法。(4-4-49)式中 为发生过激磁开始(启动元件动作)到当前计算时刻的时间；为当前计算时刻的过激磁测量倍数，为随时间变化的函数。式（4-4-49）离散后的表达式为，(4-4-50)式中 为计算间隔时间。,4.6
26、变压器的非电量保护,4.6.1 变压器瓦斯保护（重瓦斯及轻瓦斯保护）油浸变压器内部发生严重漏油或小匝数匝间短路以及绕组断线故障时，差动保护等反应电量的保护因灵敏度不够而不能动作，而瓦斯保护却能动作，因此瓦斯保护是变压器内部故障的重要的保护装置。瓦斯保护分为轻、重瓦斯保护，装于油箱与油枕之间的导管上。轻瓦斯保护动作值用气体容积表示。整定范围为(250300)cm3。重瓦斯保护动作值用油流速度表示。整定范围为（0.61.5）m/s。瓦斯保护与差动保护特点互补，共同构成变压器主保护。4.6.2 主变过温保护 变压器运行中，损耗(如铜损、铁损、介损等)使变压器温度升高。绕组温度过高会加速绝缘的老化，缩
27、短变压器寿命。变压器过温保护在冷却系统发生故障或其它原因(譬如过负荷)引起变压器温度超过限值时，发出告警信号(以便采取措施)；或者延时作用于跳闸。温度保护定值与绝缘材料级别有关，一般可整定为75。,4.6.3 主变冷却器故障保护 当冷却器故障引起变压器温度超过安全限值时，并不是立即将变压器退出运行，常常允许其短时运行一段时间，以便处理冷却器故障。这期间可以降低变压器负荷运行，使变压器温度恢复到正常水平。若在规定时间内温度不能降至正常水平，才切除变压器。冷却器故障保护一般由反应变压器绕组电流的过流继电器与时间继电器构成，并与温度保护配合使用，构成两段时限保护。当变压器冷却器发生故障时，温度升高，超过限值后温度保护首先动作，发出报警的同时开放冷却器故障保护出口。这时变压器电流若超过段整定值，先按继电器固有延时动作于减出力，使变压器负荷降低，促使变压器温度下降，若温度保护返回，则变压器维持在较低负荷下运行，以减少停运机会；若温度保护仍不能返回，即说明减出力无效，为保证变压器的安全，变压器冷却器保护将以段延时动作于跳闸。延时值通常按失去冷却系统后，变压器允许运行时间整定。,
