變壓器的后備保護

1、6.4 變壓器的后備保護6.4.1 變壓器相間短路的后備保護及過負荷保護為了防止外部短路引起的過電流和作為變壓器縱差保護、瓦斯保護的后備，變壓器還應裝設后備保護。變壓器相間短路的后備保護既是變壓器主保護的后備保護，又是相鄰母線或線路的后備保護。.1 過電流保護變壓器過電流保護的原理邏輯框圖如圖6.16 所示。其工作原理與線路定時限過電流保護相同。保護動作后，跳開變壓器兩側(cè)的斷路器。保護的起動電流按躲過變壓器可能出現(xiàn)的最大負荷電流來整定，即 （6.12）式中，可靠系數(shù)，一般取為1.21.3；返回系數(shù)，取為0.850.95；變壓器可能出現(xiàn)的最大負荷電流。（圖6.16 變壓器過電流保護邏輯框圖）變壓

2、器的最大負荷電流應按下列情況考慮：（1）對并聯(lián)運行的變壓器，應考慮切除一臺最大容量的變壓器后，在其他變壓器中出現(xiàn)的過負荷。當各臺變壓器的容量相同時，可按下式計算： (6.13)式中，并聯(lián)運行變壓器的最少臺數(shù)； 變壓器的額定電流。（2）對降壓變壓器，應考慮負荷中電動機自啟動時的最大電流，即 (6.14)式中，綜合負荷的自啟動系數(shù)，其值與負荷性質(zhì)及用戶與電源間的電氣距離有關，對110kV降壓變電站的6kV10kV側(cè)，取1.52.5；35kV側(cè)，取1.52.0；正常工作時的最大負荷電流(一般為變壓器的額定電流)。保護的動作時限及靈敏系數(shù)校驗與第2章所講定時限過電流保護相同，這里不再贅述。按以上條件選

3、擇的起動電流，其值一般較大，往往不能滿足作為相鄰元件后備保護的要求，為此需要采用以下幾種提高靈敏性的方法。.2 低電壓啟動的過電流保護如圖6.17 所示為三相低電壓啟動的過電流保護邏輯框圖，保護的啟動元件包括電流元件和低電壓元件，一般采用電流繼電器和低電壓繼電器。其啟動元件電流繼電器的動作電流按躲過變壓器的額定電流整定計算，即 (6.15)（圖6.17 低電壓啟動的過電流保護邏輯框圖）因而其動作電流比按最大負荷電流整定的一般過電流保護的起動電流小，從而提高了保護的靈敏性。低電壓繼電器的動作電壓可按躲過正常運行時最低工作電壓整定，即按式（2.44）來整定。一般情況下也可直接取(為變壓器的額定電壓

4、)。電流元件的靈敏系數(shù)按第2章給出的公式校驗，電壓元件的靈敏系數(shù)按下式校驗： (6.16)式中，最大運行方式下，靈敏系數(shù)校驗點短路時，保護安裝處的最大電壓。對于牽引變壓器來說，一般要在高壓側(cè)裝設三相低壓啟動的過流保護，并且還要在低壓側(cè)裝設a相和b相低壓啟動的過流保護。當牽引變壓器a相或b相27.5kV母線短路時，a相或b相裝設的低壓啟動的過流保護將會動作，經(jīng)過整定的動作時限（一般為0.7s），直接將27.5kV母線a相或b相斷路器跳閘，將短路故障切除，同時發(fā)出過流保護動作的信號。當牽引變壓器a相與b相27.5kV母線之間短路或a相、b相、c相三相短路時，a相和b相裝設的低壓啟動的過流保護將會同

5、時動作，經(jīng)過整定的動作時限，將27.5kV母線a相和b相斷路器同時跳閘，將短路故障切除，同時發(fā)出過流保護動作的信號。當接觸網(wǎng)短路時，饋線保護與變壓器27.5kV側(cè)低壓啟動的過流保護可能會同時啟動，但由于饋線保護的動作延時比主變27.5kV側(cè)低壓啟動的過流保護的延時小一個時限級差，所以饋線保護先動作，使饋線斷路器跳閘，將故障切除。如果饋線保護由于某種原因拒動，那么主變27.5kV側(cè)低壓啟動的過流保護動作，將短路故障切除。也就是說，主變27.5kV側(cè)低壓啟動的過流保護可作為相應饋線保護的遠后備。在主變27.5kV側(cè)a相和b相分開裝設低壓啟動的過流保護的優(yōu)點在于：當任一相母線短路時，僅僅是短路相的保

6、護動作，斷路器跳閘，而正常相仍可照常供電，保證機車正常運行，縮小停電范圍。牽引變壓器高壓側(cè)裝設的三相低壓啟動的過流保護則是作為主變縱差保護的近后備和27.5kV側(cè)a相和b相過流保護的遠后備保護。它的動作時限應該比27.5kV側(cè)a相和b相過流保護的動作時限大一個時限級差，一般取1s。當保護范圍內(nèi)動作時，如果主變縱差保護、27.5kV側(cè)a相和b相過流保護都沒有動作，則高壓側(cè)裝設的三相低壓啟動的過流保護就會動作，使主變110kV側(cè)和27.5kV側(cè)的斷路器都跳閘，將短路故障切除，同時發(fā)出信號。.3 復合電壓啟動的（方向）過電流保護若低電壓啟動的過電流保護的低電壓繼電器靈敏系數(shù)不滿足要求，可采用復合電壓

7、啟動的過電流保護。復合電壓啟動的過電流保護由復合電壓元件（負序過電壓和相間低電壓）、相間方向元件及三相過流元件“與”構成。過流保護的起動值可配置若干段，每段可配不同的時限。裝置動作情況如下：當發(fā)生不對稱短路時，故障相過電流元件動作，同時負序過電壓元件動作，將變壓器兩側(cè)斷路器斷開。當發(fā)生三相對稱短路時，故障相過電流元件動作，低電壓元件起動，將變壓器兩側(cè)斷路器斷開。（圖6.18 復合電壓啟動的過電流保護邏輯框圖）1.復合電壓元件復合電壓元件包括負序過電壓元件和相間低電壓元件，負序電壓反應系統(tǒng)的不對稱故障，低電壓反應系統(tǒng)的對稱故障。復合電壓元件可取本側(cè)電壓，也可取變壓器對側(cè)電壓“或”的方式。負序電壓

8、繼電器的動作電壓，按躲開正常運行情況下負序電壓濾過器輸出的最大不平衡電壓整定。據(jù)運行經(jīng)驗，其動作電壓取 (6.17)低電壓元件的動作電壓的整定原則和低電壓啟動過電流保護相同，見式（2.44），其整定值也通常取。2.過流元件復合電壓啟動的過電流保護裝置中電流元件的整定原則與低電壓啟動過電流保護相同，見式（6.15）。3.相間功率方向元件方向元件采用90°接線，最大靈敏角可取-30°或-45°。相間方向元件的電壓可取本側(cè)或?qū)?cè)的，取對側(cè)時，兩側(cè)繞組的接線方式應一樣。為防止三相短路失去方向性，相間方向元件的電壓可由另一側(cè)電壓互感器提供，也可以利用微機保護的記憶功能通過記

9、憶方法保存故障前電壓信息進行計算。與低電壓啟動的過電流保護比較，復合電壓啟動的過電流保護具有以下優(yōu)點：(1) 由于負序電壓繼電器的整定值較小，因此，對于不對稱短路，電壓元件的靈敏系數(shù)較高。(2) 由于保護反應負序電壓，因此，對于變壓器后面發(fā)生的不對稱短路，電壓元件的工作情況與變壓器采用的接線方式無關。(3) 在三相短路時，如果由于瞬間出現(xiàn)負序電壓，使繼電器KVN和KV動作，則在負序電壓消失后，KV繼電器又接于線電壓上，這時，只要KV 繼電器不返回，就可以保證保護裝置繼續(xù)處于動作狀態(tài)。由于低電壓繼電器返回系數(shù)大于1，因此，實際上相當于靈敏系數(shù)提高了1.15 倍1.2 倍。由于具有上述優(yōu)點且接線比

10、較簡單，因此，復合電壓啟動的過電流保護已代替了低電壓啟動的過電流保護，從而得到了廣泛應用。對于大容量的變壓器和發(fā)電機組。由于額定電流很大，而在相鄰元件末端兩相短路時的短路電流可能較小，因此，采用復合電壓啟動的過電流保護往往不能滿足靈敏系數(shù)的要求。在這種情況下，應采用負序過電流保護，以提高不對稱短路時的靈敏性。.4 過負荷保護變壓器的過負荷保護反應變壓器對稱過負荷引起的過電流。變壓器的過負荷電流在大多數(shù)情況下都是三相對稱的，因此只需裝設單相過負荷保護。對于牽引變壓器來說，由于各相牽引負荷不相等，所以過負荷保護應該裝在牽引變壓器高壓側(cè)的重負荷相上。保護經(jīng)延時動作于信號。對于一般的電力變壓器，過負荷

11、保護的動作電流，仍按躲開變壓器的額定電流整定，見式(6.15)。為了防止過負荷保護在外部短路時誤動作，其時限應比變壓器的后備保護動作時限大一個。6.4.2 變壓器接地短路的后備保護電力系統(tǒng)中，接地故障是最常見的故障形式。接于中性點直接接地系統(tǒng)的變壓器，一般要求在變壓器上裝設接地保護作為變壓器主保護和相鄰元件接地保護的后備保護。發(fā)生接地故障時，變壓器中性點將出現(xiàn)零序電流，母線將出現(xiàn)零序電壓，變壓器的接地后備保護通常都是由反應這些電氣量構成的。大接地電流系統(tǒng)發(fā)生單相或兩相接地短路時，零序電流的分布和大小與系統(tǒng)中變壓器中性點接地的數(shù)目和位置有關。通常，對只有一臺變壓器的升壓變電所，變壓器都采用中性點

12、直接接地的運行方式。對有若干臺變壓器并聯(lián)運行的變電所，則采用一部分變壓器中性點接地運行的方式，以保證在各種運行方式下，變壓器中性點接地的數(shù)目和位置盡量維持不變，從而保證零序保護有穩(wěn)定的保護范圍和足夠的靈敏度。110kV以上變壓器中性點是否接地運行，還與變壓器中性點絕緣水平有關。對于220kV及以上的大型電力變壓器，高壓繞組一般都采用分級絕緣，其中性點絕緣有兩種類型：一種是絕緣水平很低，例如500kV系統(tǒng)的中性點絕緣水平為38kV，這種變壓器，中性點必須直接接地運行，不允許將中性點接地回路斷開；另一種則絕緣水平較高，例如220kV變壓器的中性點絕緣水平為110kV，其中性點可直接接地，也可在系統(tǒng)

13、中不失去接地點的情況下不接地運行。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時，不接地運行的變壓器，應能夠承受加到中性點與地之間的電壓。因此，采用這種變壓器，可以安排一部分變壓器接地運行，另一部分變壓器不接地運行，從而可把電力系統(tǒng)中接地故障的短路容量和零序電流水平限制在合理的范圍內(nèi)，同時也是為了接地保護本身的需要。故變壓器零序保護的方式就與變壓器中性點的絕緣水平和接地方式有關，應分別予以考慮。.1 中性點直接接地變壓器的零序電流保護這種變壓器接地短路的后備保護毫無例外地采用零序電流保護。為了縮小接地故障的影響范圍及提高后備保護動作的快速性和可靠性，一般配置兩段式零序電流保護，每段還各帶兩級延時，如圖6.19 所示

14、。（圖6.19 中性點直接接地運行變壓器零序電流保護邏輯框圖）零序電流保護段作為變壓器及母線的接地故障后備保護，其動作電流和延時應與相鄰元件單相接地保護段相配合，通常以較短延時=(0.51.0)s 動作于母線解列，即斷開母線聯(lián)絡斷路器或分段斷路器，以縮小故障影響范圍；以較長的延時有選擇地跳開變壓器高壓側(cè)斷路器。由于母線專用保護有時退出運行，而母線及附近發(fā)生短路故障時對電力系統(tǒng)影響又比較嚴重，所以設置零序電流保護段，用以盡快切除母線及其附近的故障。零序電流保護段作為引出線接地故障的后備保護，其動作電流和延時應與相鄰元件接地后備段相配合。通常應比相鄰元件零序保護后備段最大延時一個，以斷開母線聯(lián)絡斷

15、路器或分段斷路器， 動作于斷開變壓器高壓側(cè)斷路器。為防止變壓器與系統(tǒng)并列之前，在變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相接地而誤將母線聯(lián)絡斷路器斷開，所以在零序電流保護動作于母線解列的出口回路中串入變壓器高壓側(cè)斷路器輔助常開接點QF1。當斷路器QF1斷開時，QF1的輔助常開接點將保護閉鎖。.2 中性點可能接地或不接地運行時變壓器的零序電流電壓保護中性點直接接地系統(tǒng)發(fā)生接地短路時，零序電流的大小和分布與變壓器中性點接地數(shù)目和位置有關。為了使零序保護有穩(wěn)定的保護范圍和足夠靈敏度，在發(fā)電廠和變電所中，將部分變壓器中性點接地運行。因此，這些變壓器的中性點，有時接地運行，有時不接地運行。1.全絕緣變壓器由于變壓器繞組各處的

16、絕緣水平相同，因此，在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，允許后斷開中性點不接地運行的變壓器。圖6.20 示出全絕緣變壓器零序保護原理接線圖。圖中除裝設與圖6.19相同的零序電流保護外，還應裝設零序電壓保護作為變壓器不接地運行時的保護。零序電壓元件的動作電壓應按躲過在部分接地的電網(wǎng)中發(fā)生接地短路時保護安裝處可能出現(xiàn)的最大零序電壓整定，一般取。由于零序電壓保護僅在系統(tǒng)中發(fā)生接地短路，且中性點接地的變壓器已全部斷開后才動作，因此，保護的動作時限不需與其他保護的動作時限相配合，為避開電網(wǎng)單相接地短路時暫態(tài)過程影響，一般取=(0.30.5)s。（圖6.20 全絕緣變壓器零序保護邏輯框圖）2.分級絕緣變壓器220kV及以上電壓等級的變壓器，為了降低造價，高壓繞組采用分級絕緣，中性點絕緣水平較低，在單相接地故障時且失去中性點接地時，其絕緣將受到破壞。為此，可在變壓器