變壓器的保護(hù)配置

1、電力變壓器的保護(hù)配置隨著企業(yè)的快速發(fā)展，供電可靠性的要求不斷提高，變壓器的安全運(yùn)行更是必不可少的條件。而合理可靠的保護(hù)配置是變壓器安全運(yùn)行的必備條件?，F(xiàn)代生產(chǎn)的變壓器，雖然在設(shè)計(jì)和材料方面有所改進(jìn)，結(jié)構(gòu)上比較可靠，相對(duì)于輸電線路和發(fā)電機(jī)來說，變壓器故障機(jī)會(huì)也比較少，但在實(shí)際運(yùn)行中，仍有可能發(fā)生備種類型的故障和異常運(yùn)行情況，這會(huì)對(duì)供電可靠性和系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。為了滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面的要求，當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，要求保護(hù)裝置快速切除故障。第一章電力變壓器的故障及不正常工作狀態(tài)（一）變壓器的故障變壓器的故障可以分為油箱外和油箱內(nèi)兩種故障。油箱外的故障，主要是套管和引出線上發(fā)生的相間短路和接

2、地短路。油箱內(nèi)的故障包括繞組的相間短路、接地短路、匝間短路以及鐵芯的燒損等。油箱內(nèi)故障時(shí)產(chǎn)生的電弧，不僅會(huì)損壞繞組的絕緣、燒毀鐵芯，而且由于絕緣材料和變壓器油因受熱分解而產(chǎn)生大量氣體，有可能引起變壓器油箱的爆炸。因此，當(dāng)變壓器發(fā)生各種故障時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)能盡快的將變壓器切除。實(shí)踐表明，變壓器套管和引出線上的相間短路、接地短路、繞組的匝間短路是比較常見的故障形式，而變壓器油箱內(nèi)發(fā)生相間短路的情況比較少。（二）變壓器的不正常運(yùn)行狀態(tài)變壓器的不正常運(yùn)行狀態(tài)主要有變壓器外部短路和過負(fù)荷引起的過電流；中性點(diǎn)直接接地電力網(wǎng)中，外部接地短路引起的過電流及中性點(diǎn)過電壓；風(fēng)扇故障或漏油等原因引起冷卻能力的下降等。

3、這些不正常運(yùn)行狀態(tài)會(huì)使繞組和鐵芯過熱。大容量變壓器在過電壓或低頻率等異常運(yùn)行工況下會(huì)使變壓器過勵(lì)磁，引起鐵芯和其他金屬構(gòu)件過熱。變壓器處于不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，繼電保護(hù)應(yīng)根據(jù)其嚴(yán)重程度，發(fā)出告警信號(hào)，使運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，以確保變壓器的安全。第二章變壓器的保護(hù)配置電力變壓器油箱內(nèi)故障時(shí)，除了變壓器各側(cè)電流、電壓變化外，油箱內(nèi)的油、氣、溫度等非電量也會(huì)發(fā)生變化。因此，變壓器的保護(hù)分電量保護(hù)和非電量保護(hù)兩種。非電量保護(hù)裝設(shè)在變壓器內(nèi)部。線路保護(hù)中采用的許多保護(hù)如過流保護(hù)、縱差動(dòng)保護(hù)等在變壓器的電量保護(hù)中都有應(yīng)用，但在配置上有區(qū)別。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，變壓器一般應(yīng)裝設(shè)下列保護(hù)：（一）瓦斯保護(hù)規(guī)程

4、規(guī)定對(duì)于容量為800kVA及以上的油浸式變壓器和400kVA及以上的車間內(nèi)油浸式變壓器，應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護(hù)。瓦斯保護(hù)是反應(yīng)油浸式變壓器內(nèi)部故障的一種保護(hù)裝置。當(dāng)油浸式變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，在故障電流和電弧的作用下，變壓器油和其他絕緣材料會(huì)受熱而分解，產(chǎn)生氣體，這些氣體從油箱流向油枕的上部，故障越嚴(yán)重，產(chǎn)生的氣體就越多，流向油枕的氣流速度也越快，利用這種氣體來動(dòng)作的保護(hù)裝置，稱為瓦斯保護(hù)。瓦斯保護(hù)的主要元件是氣體繼電器，它安裝在油箱與油枕之間的連接管道上。氣體繼電器是變壓器的一種保護(hù)用組件，當(dāng)變壓器內(nèi)部有故障，而使油分解產(chǎn)生氣體或造成油流沖擊時(shí)，繼電器的觸點(diǎn)動(dòng)作，給出信號(hào)或者使斷路器跳閘，使變壓

5、器退出運(yùn)行。為了不妨礙氣體的流通，通往繼電器的連接管道應(yīng)有2%4%的坡度。以開口杯擋板式氣體繼電器為例：正常運(yùn)行時(shí)，上、下開口杯都浸在油中，上、下觸點(diǎn)均斷開。當(dāng)油箱內(nèi)部發(fā)生輕微故障時(shí)，少量的氣體上升后逐漸聚集在繼電器的上部，迫使油面下降，使上開口杯漏出油面。由于浮力減少，在重力作用下開口杯順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使上觸點(diǎn)閉合發(fā)出“輕瓦斯”保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。當(dāng)油箱內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，大量氣體和油流直接沖擊擋板，使下開口杯順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下觸點(diǎn)閉合，發(fā)出跳閘脈沖，表示“重瓦斯”保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)變壓器出現(xiàn)嚴(yán)重漏油而使油面逐漸降低時(shí)，首先是上開口杯露出油面，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，然后下開口杯露出油面，發(fā)出跳閘脈沖。上觸點(diǎn)

6、表示“輕瓦斯動(dòng)作”，動(dòng)作后經(jīng)延時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。下觸點(diǎn)表示“重瓦斯動(dòng)作”，動(dòng)作后啟動(dòng)變壓器保護(hù)的總出口繼電器，使斷路器跳閘。當(dāng)油箱內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，由于油流的不穩(wěn)定性可能造成觸點(diǎn)的抖動(dòng)，此時(shí)為使斷路器能可靠跳閘，應(yīng)選用具有電流自保持線圈的出口中間繼電器，動(dòng)作后由斷路器的輔助觸點(diǎn)來解除出口回路的自保持。此外，為防止變壓器換油或進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)引起重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)作跳閘，可利用切換片將跳閘回路切換到信號(hào)回路。瓦斯保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作迅速、靈敏度高、安裝接線簡(jiǎn)單、能反應(yīng)油箱內(nèi)部發(fā)生的各種故障（如繞組輕微的匝間短路、鐵芯燒損等）。其缺點(diǎn)是不能反應(yīng)油箱以外的套管及引出線等部位上發(fā)生的故障（如變壓器絕緣子閃絡(luò)等）

7、。因此瓦斯保護(hù)可作為變壓器的主保護(hù)之一，需要與縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)相互配合、相互補(bǔ)充，才能夠?qū)崿F(xiàn)快速而靈敏的切除變壓器油箱內(nèi)、外及引出線上發(fā)生的各種故障。（二）縱差動(dòng)保護(hù)和電流速斷保護(hù)對(duì)于容量為6300KV-A及以上的變壓器，以及發(fā)電廠廠用變壓器和并列運(yùn)行的變壓器，10000kV-A及以上的發(fā)電廠廠用備用變壓器和單獨(dú)運(yùn)行的變壓器，應(yīng)裝設(shè)縱差動(dòng)保護(hù)。對(duì)于容量為10000kV-A以下的變壓器，當(dāng)后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限大于0.5s時(shí)，應(yīng)裝設(shè)電流速斷保護(hù)。對(duì)2000kVA以上的變壓器，當(dāng)電流速斷保護(hù)的靈敏性不能滿足要求時(shí)，也應(yīng)裝設(shè)縱差動(dòng)保護(hù)。1縱差動(dòng)保護(hù)（1）縱差動(dòng)保護(hù)基本原理縱差動(dòng)保護(hù)，是由比較被保護(hù)元件兩側(cè)電

8、流的大小和相位而構(gòu)成的。以圖1所示雙側(cè)電源供電的短線路為例，簡(jiǎn)要說明縱差動(dòng)保護(hù)的基本原理。設(shè)線路兩端裝設(shè)特性及變比完全相同的電流互感器，兩側(cè)電流互感器一次回路的正極性均放在母線的一側(cè)，將二次回路的同極性端子相連接后，在電流互感器的二次端子上接入差動(dòng)繼電器。圖1-1正常運(yùn)行及外部短路圖1-2內(nèi)部短路當(dāng)正常運(yùn)行及保護(hù)范圍外部故障時(shí)（如圖1-1所示k1點(diǎn)短路），兩側(cè)電流互感器一次側(cè)流過的兩個(gè)電流相等。即Ii=l"假定兩側(cè)電流互感器變比相同（均為心小，在忽略互感器的勵(lì)磁電流的理想情況下，二次側(cè)的兩個(gè)電流Ii2和Iii2大小也相等，此時(shí)流入差動(dòng)繼電器的電流為零，即當(dāng)線路內(nèi)部故障時(shí)，如圖1-2所

9、示k2點(diǎn)短路，流入繼電器的電流為式中:lk2為短路點(diǎn)的總電流，當(dāng)Ik>Iop時(shí)，繼電器立即動(dòng)作，跳開線路兩側(cè)斷路器。實(shí)際上，由于兩側(cè)電流互感器總會(huì)存在勵(lì)磁電流Im,且勵(lì)磁特性不可能完全相同，所以在正常運(yùn)行及外部故障時(shí)，流過差動(dòng)繼電器的電流不為零，而存在一個(gè)不平衡電流Idsp。為了保證縱差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的選擇性，差動(dòng)繼電器的動(dòng)作電流必須躲過外部短路時(shí)出現(xiàn)的最大不平衡電流。不平衡電流的存在會(huì)使繼電器的動(dòng)作電流增大，降低內(nèi)部故障時(shí)縱差動(dòng)保護(hù)的靈敏度，因此要盡量減小不平衡電流，這是所有差動(dòng)保護(hù)必須解決的問題。（2）變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)圖2為雙繞組變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)的原理接線。高壓側(cè)和低壓側(cè)的電流Iii

10、和Iiii是不相等的，為使變行及外部故障時(shí)流入差動(dòng)繼電器的兩個(gè)二次電流II2和等，必須適當(dāng)選擇兩側(cè)電流互感器的變比，使之滿足式中kITA高壓側(cè)電流互感器的變比；kIITA低壓側(cè)電流互感器的變比。設(shè)變壓器的變比為kT，則有可見，要使變壓器差動(dòng)保護(hù)能正確動(dòng)作，必須使感器變比的比值等于變壓器的變比kT。變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)同樣需要躲過在正常運(yùn)行及各種因素造成的不平衡電流。包括變壓器勵(lì)磁涌流造圖2為雙繞組變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)的原理接線。高壓側(cè)和低壓側(cè)的電流Iii和Iiii是不相等的，為使變行及外部故障時(shí)流入差動(dòng)繼電器的兩個(gè)二次電流II2和等，必須適當(dāng)選擇兩側(cè)電流互感器的變比，使之滿足式中kITA高壓側(cè)電流

11、互感器的變比；kIITA低壓側(cè)電流互感器的變比。設(shè)變壓器的變比為kT，則有可見，要使變壓器差動(dòng)保護(hù)能正確動(dòng)作，必須使感器變比的比值等于變壓器的變比kT。變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)同樣需要躲過在正常運(yùn)行及各種因素造成的不平衡電流。包括變壓器勵(lì)磁涌流造I1QF圖2變壓器縱差動(dòng)保護(hù)原理圖兩側(cè)電流互由于變壓器壓器正常運(yùn)III2的大小相下列條件：外部短路時(shí)成的不平衡電流、變壓器兩側(cè)電流相位不同引起的不平衡電流、電流互感器變比標(biāo)準(zhǔn)化引起的不平衡電流、兩側(cè)電流互感器型號(hào)不同產(chǎn)生的不平衡電流、變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭產(chǎn)生的不平衡電流等。在電力系統(tǒng)中，縱差動(dòng)保護(hù)主要用作變壓器內(nèi)部相間故障的主保護(hù)。2電流速斷保護(hù)對(duì)于容量較

12、小的變壓器，可在電源側(cè)裝設(shè)電流速斷保護(hù)。為保證選擇性，電流速斷保護(hù)只能保護(hù)變壓器的一部分，它與瓦斯保護(hù)和過電流保護(hù)配合，可以組成小型變壓器的整組保護(hù)。當(dāng)變壓器電源側(cè)為小接地電流系統(tǒng)時(shí)，保護(hù)可采用兩相式接線；當(dāng)電源側(cè)為大接地電流系統(tǒng)時(shí)，可采用三相式或兩相三繼電器式接線。電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流應(yīng)按以下兩個(gè)條件計(jì)算，并取其中的較大者作為動(dòng)作電流的整定值。躲過變壓器二次側(cè)母線短路時(shí)的最大短路電流，即式中Kel可靠系數(shù)，取1.21.3；I一一變壓器二次側(cè)母線三相短路時(shí)，流過保護(hù)安裝處（一次側(cè)）的最大短路電流。k.max躲過變壓器空載合閘時(shí)的最大勵(lì)磁涌流，即式中INT保護(hù)安裝側(cè)變壓器的額定電流。電流速斷保

13、護(hù)的靈敏度應(yīng)按下式校驗(yàn)式中Ikax保護(hù)安裝處發(fā)生短路時(shí)的最小兩相短路電流。（三）外部相間短路和接地短路時(shí)的后備保護(hù)變壓器的主保護(hù)通常采用差動(dòng)保護(hù)（小容量變壓器可采用電流速斷保護(hù)）和瓦斯保護(hù)。除了主保護(hù)外,變壓器還應(yīng)裝設(shè)相間短路和接地短路的后備保護(hù)。后備保護(hù)的作用是為了防止由外部故障引起的變壓器繞組過電流，并作為相鄰元件（母線或線路）保護(hù)的后備以及在可能的條件下作為變壓器內(nèi)部故障時(shí)主保護(hù)的后備。變壓器的相間短路后備保護(hù)通常采用過電流保護(hù)、低電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)、復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)以及負(fù)序過電流保護(hù)等，也有采用阻抗保護(hù)作為后備保護(hù)的情況。接地短路時(shí)的后備保護(hù)應(yīng)根據(jù)變壓器臺(tái)數(shù)及接地情況配置。1

14、變壓器相間短路的后備保護(hù)（1）過電流保護(hù)過電流保護(hù)應(yīng)裝在變壓器的電源側(cè)，采用完全星形接線。保護(hù)動(dòng)作后，跳開變壓器兩側(cè)斷路器。過電流保護(hù)裝置的動(dòng)作電流應(yīng)按照躲開變壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流來整定，具體問題作如下考慮：對(duì)并列運(yùn)行的變壓器，應(yīng)考慮切除一臺(tái)時(shí)所岀現(xiàn)的過負(fù)荷，當(dāng)各臺(tái)變壓器容量相同時(shí)，可按下式計(jì)算：式中n并列運(yùn)行變壓器的臺(tái)數(shù)；INT每臺(tái)變壓器的額定電流。對(duì)于降壓變壓器，應(yīng)考慮低壓側(cè)負(fù)荷電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)的最大電流，即式中Krei可靠系數(shù)，取1.21.3；Kre返回系數(shù)，取0.85;Kst自啟動(dòng)系數(shù)，取1.52.5。保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)比岀線過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限大一個(gè)時(shí)限級(jí)差.:t。保護(hù)裝置的靈

15、敏度按下式計(jì)算：式中Ik2min后備保護(hù)范圍末端兩相短路時(shí)，流過保護(hù)裝置的最小短路電流。規(guī)程規(guī)定，作為近后備時(shí)，要求Ks>1.5；作為遠(yuǎn)后備時(shí)，要求Ks>1.2。若靈敏度不滿足要求，可采用低電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)或復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)來提高保護(hù)的靈敏度。（2）低電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)低電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)，只有當(dāng)電流元件和電壓元件同時(shí)動(dòng)作后，才能啟動(dòng)時(shí)間繼電器，經(jīng)過預(yù)定的延時(shí)后，啟動(dòng)岀口中間繼電器動(dòng)作于跳閘。當(dāng)采用低電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)時(shí)，電流元件的動(dòng)作電流按躲開變壓器的額定電流整定，即低電壓元件的動(dòng)作電壓，按正常運(yùn)行情況下母線上可能岀現(xiàn)的最低工作電壓來整定，同時(shí)，在外部故障切除后

16、電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)的過程中，保護(hù)必須返回。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通常取式中Unt變壓器的額定電壓。低電壓元件靈敏度按下式校驗(yàn)：式中，Uk.max最大運(yùn)行方式下，相鄰元件末端三相短路時(shí)，保護(hù)安裝處的最大線電壓。對(duì)升壓變壓器，如果低電壓元件只接于某一側(cè)的電壓互感器上，則當(dāng)另一側(cè)故障時(shí)，往往靈敏度不能滿足要求。此時(shí)，可采用兩套低電壓元件分別接在變壓器兩側(cè)的電壓互感器上，其觸點(diǎn)采用并聯(lián)方式。為防止電壓互感器二次回路斷線時(shí)低電壓繼電器誤動(dòng)作，在低電壓保護(hù)中應(yīng)裝設(shè)電壓回路斷線的信號(hào)裝置，以便及時(shí)發(fā)岀信號(hào)，由運(yùn)行人員處理。2變壓器的接地保護(hù)大接地電流系統(tǒng)的電力變壓器，一般應(yīng)裝設(shè)接地保護(hù)，作為變壓器和相鄰元件接地短路的后備

17、保護(hù)。系統(tǒng)發(fā)生接地短路時(shí)，零序電流的大小和分布與系統(tǒng)中變壓器中性點(diǎn)接地?cái)?shù)目和位置有關(guān)。對(duì)于只有一臺(tái)變壓器的變電所，一般均采用變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式。對(duì)于有兩臺(tái)及以上變壓器并列運(yùn)行的變電所，一般采用一部分變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行，另一部分變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行的方式，以保持在各種運(yùn)行方式下，變壓器中性點(diǎn)接地?cái)?shù)目和位置應(yīng)盡量維持不變，從而保證零序保護(hù)有穩(wěn)定的保護(hù)范圍和足夠的靈敏度。（1）只有一臺(tái)變壓器的變電所對(duì)只有一臺(tái)變壓器的變電所，通常裝設(shè)普通的零序過電流保護(hù)，保護(hù)接于中性點(diǎn)引出線的電流互感器上。保護(hù)動(dòng)作電流與被保護(hù)側(cè)母線引岀線零序電流保護(hù)后備段在靈敏度上相配合的條件進(jìn)行整定，即式中Krei可

18、靠系數(shù)，取1.11.2；Kb零序電流分支系數(shù)，其值為岀線零序電流保護(hù)后備段保護(hù)范圍末端接地短路時(shí)，流過本保護(hù)的零序電流與流過出線零序保護(hù)的零序電流之比；Iop0L岀線零序電流保護(hù)后備段的動(dòng)作電流。保護(hù)的靈敏度按零序電流后備保護(hù)范圍末端接地短路校驗(yàn)，要求Ks>1.2.保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限比岀線零序電流保護(hù)后備段大一個(gè)t。（2）兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行的變電所圖3變電所兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行般采用一臺(tái)變行（如T2）。這故障運(yùn)行，則部分變壓器中下兩個(gè)問題：連接的變壓行的變壓器，的變壓器。400kV-A以上的變壓器，當(dāng)數(shù)臺(tái)并列運(yùn)行,對(duì)兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行的變電所，如圖3所示，一壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行（如T1），另一臺(tái)

19、中性點(diǎn)不接地運(yùn)時(shí)，若在高壓系統(tǒng)發(fā)生接地短路，T1跳閘后，T2仍將帶將產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓，T2的絕緣將遭到損壞。因此，對(duì)性點(diǎn)接地運(yùn)行的變電所，在構(gòu)成接地保護(hù)時(shí)，應(yīng)考慮一a、發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能切除所有與接地短路系統(tǒng)相器；b、接地故障發(fā)生后，應(yīng)首先跳開中性點(diǎn)不接地運(yùn)以防止過電壓造成的危害，然后再跳開中性點(diǎn)接地運(yùn)行（四）過負(fù)荷保護(hù)變壓器長(zhǎng)期過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，繞組會(huì)因發(fā)熱而受到損傷。對(duì)或單獨(dú)運(yùn)行并作為其他負(fù)荷的備用電源時(shí)，應(yīng)根據(jù)可能過負(fù)荷的情況，裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)。變壓器的過負(fù)荷電流一般都是三相對(duì)稱的，因此，過負(fù)荷保護(hù)只接于一相電流上，經(jīng)較長(zhǎng)的延時(shí)作用于信號(hào)。對(duì)于無值班人員的變電所，必要時(shí)過負(fù)荷保護(hù)可動(dòng)作于自動(dòng)減負(fù)荷或跳閘。對(duì)自耦變壓器或多繞組變壓器，過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)能反映公共繞組及各側(cè)過負(fù)荷的情況。過負(fù)荷保護(hù)安裝側(cè)的選擇，應(yīng)能反映變壓器各繞組的過負(fù)荷情況。對(duì)雙繞組升壓變壓器，過負(fù)荷保護(hù)一般裝設(shè)在低壓側(cè)。對(duì)一側(cè)無電源的三繞組升壓變壓器，應(yīng)裝在發(fā)電機(jī)側(cè)和無電源側(cè)；若三側(cè)都有電源時(shí)，各側(cè)均應(yīng)裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)。對(duì)雙繞組降壓變壓器，過負(fù)荷保護(hù)一般裝在高壓側(cè)。對(duì)單電源的三繞組降壓變壓器，若三繞組容量相同，過負(fù)荷