第五講 變壓器保護(hù)

第五講變壓器保護(hù)一、變壓器故障、異常狀態(tài)及保護(hù)配置

1、

變壓器故障：電力變壓器的故障通?？煞譃橛拖鋬?nèi)部故障和油箱外部故障。油箱內(nèi)部故障主要是指發(fā)生在變壓器油箱內(nèi)包括高壓側(cè)或低壓側(cè)繞組的相間短路、匝間短路、中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)側(cè)繞組的單相接地短路。油箱外部最常見的故障主要是變壓器繞組引出線和套管上發(fā)生的相間短路和接地短路(直接接地系統(tǒng)側(cè))。

2、變壓器不正常工作狀態(tài)：變壓器的不正常工作狀態(tài)主要有過負(fù)荷、外部短路引起的過電流、外部接地短路引起的中性點(diǎn)過電壓、油箱漏油引起的油面降低或冷卻系統(tǒng)故障引起的溫度升高；以及大容量變壓器，由于其額定工作磁通密度較高，工作磁密與電壓頻率比成比例，在過電壓或低頻率下運(yùn)行時，可能引起變壓器的過勵磁故障等。

3、變壓器繼電保護(hù)的任務(wù)及保護(hù)配置：1）變壓器繼電保護(hù)的任務(wù)：就是反應(yīng)上述故障或異常運(yùn)行狀態(tài)，并通過斷路器切除故障變壓器，或發(fā)出信號告知運(yùn)行人員采取措施消除異常運(yùn)行狀態(tài)。同時變壓器保護(hù)還應(yīng)能用作相鄰電氣元件的后備保護(hù)。2）變壓器應(yīng)裝設(shè)的繼電保護(hù)：針對上述各種故障與不正常工作狀態(tài)，變壓器應(yīng)裝設(shè)下列繼電保護(hù)：（1）防御變壓器油箱內(nèi)部各種故障和油面降低的瓦斯保護(hù)。（2）防御變壓器外部引出線、套管及內(nèi)部短路故障的縱聯(lián)差動保護(hù)或電流速斷保護(hù)。（3）

防御變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護(hù)和縱聯(lián)差動保護(hù)(或電流速斷保護(hù))后備的過電流保護(hù)等。

（4）防御大接地電流系統(tǒng)中變壓器外部接地短路的零序電流保護(hù)。（5）

防御變壓器對稱過負(fù)荷的過負(fù)荷保護(hù)。（6）防御變壓器過勵磁的過勵磁保護(hù)。

二、變壓器主要保護(hù)基本工作原理（一）變壓器瓦斯保護(hù)1）瓦斯保護(hù)的工作原理：當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時，故障點(diǎn)的局部高溫將使變壓器油溫升高，體積膨脹，甚至出現(xiàn)沸騰，油內(nèi)空氣被排出而形成上升汽泡。若故障點(diǎn)產(chǎn)生電弧，則變壓器油和絕緣材料將分解出大量氣體。這些氣體自油箱流向油枕上部，故障越嚴(yán)重，產(chǎn)生的氣體越多，流向油枕的氣流速度越快，甚至氣流中還夾雜著變壓器油。利用上述氣體來實(shí)現(xiàn)的保護(hù)，稱為瓦斯保護(hù)。瓦斯保護(hù)主要由瓦斯繼電器來實(shí)現(xiàn)，它是一種氣體繼電器，安裝在變壓器油箱與油枕之間的連接導(dǎo)油管中。瓦斯保護(hù)動作后，應(yīng)從瓦斯繼電器上部排氣口收集氣體，進(jìn)行分析。根據(jù)氣體的數(shù)量、顏色、化學(xué)成份、可燃性等，判斷保護(hù)動作的原因和故障的性質(zhì)。

2）瓦斯保護(hù)的特點(diǎn)：

瓦斯保護(hù)是變壓器內(nèi)部故障最有效的一種主保護(hù)。瓦斯保護(hù)能反應(yīng)油箱內(nèi)各種故障，且動作迅速、靈敏性高、接線簡單，但不能反應(yīng)油箱外的引出線和套管上的故障。故不能作為變壓器唯一的主保護(hù)，須與差動保護(hù)配合共同作為變壓器的主保護(hù)。

（二）變壓器縱差動保護(hù)

1、基本原理：

變壓器縱差動保護(hù)，是變壓器內(nèi)部及引出線上短路故障的主保護(hù)，它能反應(yīng)變壓器內(nèi)部及引出線上的相間短路、變壓器內(nèi)部匝間短路及大電流系統(tǒng)側(cè)的單相接地短路故障。另外，尚能躲過變壓器空充電及外部故障切除后的勵磁涌流。

如圖示出了雙繞組變壓器差動保護(hù)單相原理接線圖。變壓器兩側(cè)分別裝設(shè)電流互感器TA1和TA2，并按圖中所示極性關(guān)系進(jìn)行連接。

(1)正常運(yùn)行或外部故障時，流過差動繼電器中的電流等于兩側(cè)電流互感器的二次電流之差，是穿越性電流，只要恰當(dāng)選擇兩側(cè)電流互感器的變比，在這種情況下流過繼電器的電流可基本為零，這樣，正常運(yùn)行或外部故障時，差動繼電器KD不會動作。(2)當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時，流入差動繼電器的電流為兩側(cè)電流互感器的二次電流之和，相當(dāng)于故障點(diǎn)短路電流。當(dāng)IK大于繼電器KD動作電流時，KD立即動作，跳開兩側(cè)斷路器，將故障變壓器從系統(tǒng)中切除。若一側(cè)無電源，則該側(cè)電流為零，繼電器同樣能可靠動作，因?yàn)槔^電器流過的仍然是故障點(diǎn)短路電流。

2、變壓器縱差動保護(hù)的特點(diǎn)：不平衡電流較大，引起不平衡電流的因素較多。將降低變壓器內(nèi)部短路時保護(hù)的靈敏度。歸納起來，產(chǎn)生不平衡電流的原因及相應(yīng)措施主要有以下五種：

①變壓器兩側(cè)電流相位不同；通常采用相位補(bǔ)償法接線,并進(jìn)行數(shù)值補(bǔ)償.。②電流互感器計算變比與實(shí)際變比不同；1)采用自耦變流器，2))利用BCH型差動繼電器中的平衡線圈,3)在計算保護(hù)的動作值時應(yīng)予以考慮，引入一個相對誤差△f。③變壓器各側(cè)電流互感器型號不同；在計算保護(hù)的動作值時應(yīng)予以考慮，引入一個電流互感器的同型系數(shù)Ktx，取為1。④

變壓器帶負(fù)荷調(diào)節(jié)分接頭；在計算保護(hù)的動作值時應(yīng)予以考慮，引入一個由變壓器帶負(fù)荷調(diào)壓所引起的相對誤差△U，取電壓調(diào)整范圍的一半。⑤變壓器的勵磁涌流。3、變壓器的勵磁涌流的特點(diǎn)及相應(yīng)的保護(hù)措施1）變壓器的勵磁涌流的特點(diǎn)：在空載投入變壓器或外部故障切除后恢復(fù)供電等情況下，有可能產(chǎn)生很大的勵磁電流，其數(shù)值可達(dá)額定電流的6～8倍。這種暫態(tài)過程中出現(xiàn)的變壓器勵磁電流通常稱為勵磁涌流。該勵磁涌流在數(shù)值上可與變壓器內(nèi)部故障時的短路電流相比擬，且只流過變壓器的電源側(cè)，因此，常常導(dǎo)致差動保護(hù)誤動作，給變壓器差動保護(hù)的實(shí)現(xiàn)帶來困難。勵磁涌流具有如下特點(diǎn)：①

具有很大的峰值；且含有大量的非周期分量，偏于時間軸的一側(cè)。②含有大量的高次諧波，尤以二次諧波分量最為顯著。③波形有間斷角。

2）相應(yīng)的保護(hù)措施：根據(jù)上述勵磁涌流的特點(diǎn)，對于大容量變壓器在構(gòu)成變壓器縱差動保護(hù)時，為防止出現(xiàn)勵磁涌流時保護(hù)誤動，可采取以下幾種方法。①

采用帶速飽和特性的差動繼電器構(gòu)成變壓器縱差動保護(hù)。

②

采用二次諧波制動原理構(gòu)成變壓器縱差動保護(hù)。③

根據(jù)鑒別波形間斷角的原理構(gòu)成變壓器縱聯(lián)差動保護(hù)。

4、常見變壓器差動保護(hù)原理（1）比率制動特性的差動保護(hù)目前大容量發(fā)電機(jī)-變壓器組都是采用比率制動特性的縱聯(lián)差動保護(hù)。所謂比率制動特性就是指繼電器的動作電流隨外部短路電流的增大而自動增大，而且動作電流的增大比不平衡電流的增大還要快。這樣就可避免由于外部短路電流的增大而造成繼電器誤動作，同時對于內(nèi)部短路故障又有較高的靈敏度。如圖所示。（2）二次諧波制動的變壓器差動保護(hù)

不論雙繞組或三繞組電力變壓器的勵磁涌流中，均含有較大成份的二次諧波分量，但在變壓器內(nèi)部故障或外部故障的短路電流中，二次諧波分量所占比例較小。因此，可利用上述特點(diǎn)構(gòu)成二次諧波制動的差動保護(hù)，使之有效地躲過勵磁涌流的影響。如圖所示，為二次諧波制動的變壓器差動保護(hù)的一般性原理接線圖。主要包括下面四個部分：

①

比率制動回路；

②

二次諧波制動回路；

③

差動回路；

④

執(zhí)行回路。圖5.6二次諧波制動的差動保護(hù)原理接線框圖TX1TX2TX3（3）鑒別波形間斷角原理的差動保護(hù)鑒別波形間斷角原理的差動保護(hù)，是利用勵磁涌流波形間存在較大間斷角，而短路電流波形間無間斷角的兩種電流波形間的差別，區(qū)別出是涌流還是短路，從而躲過勵磁涌流影響，并利用制動特性躲過不平衡電流影響而構(gòu)成的變壓器差動保護(hù)。保護(hù)動作條件：差動電壓大于制動電壓的時間足夠長。

圖5.8各種情況下差動電壓與制動電壓的比較圖5.7鑒別波形間斷角原理的變壓器縱差動保護(hù)（a）原理框圖（b）鑒別間斷角的電路圖(a)正常運(yùn)行時(b)外部短路時(c)內(nèi)部短路時TX1TX2圖5.9出現(xiàn)勵磁涌流時電流電壓波形圖UTXX5、微機(jī)變壓器縱差動保護(hù)（包括發(fā)變組、主變、廠變、勵磁變、啟備變）

變壓器縱差保護(hù)，按比較變壓器各側(cè)同名相電流之間的大小及相位構(gòu)成。以三卷變壓器為例，其一相差動的交流接入回路示意圖如下。變壓器縱差保護(hù)由三個部分構(gòu)成：差動元件、涌流判別元件及差動速斷元件。變壓器縱差保護(hù)的邏輯框圖下圖表示“或門”制動原理縱差保護(hù)框圖下圖為分相制動原理縱差保護(hù)框圖（三）變壓器相間短路的后備保護(hù)及過負(fù)荷保護(hù)1、變壓器相間短路的后備保護(hù)根據(jù)變壓器容量的大小、地位及性能和系統(tǒng)短路電流的大小，變壓器相間短路的后備保護(hù)可采用過電流保護(hù)、低電壓起動的過電流保護(hù)、復(fù)合電壓起動的過電流保護(hù)或負(fù)序電流保護(hù)及低阻抗保護(hù)等。1）過電流保護(hù)變壓器過電流保護(hù)的單相原理接線如圖所示。保護(hù)裝置的起動電流按躲過變壓器的最大負(fù)荷電流整定。用于小容量降壓變壓器。2）低壓過流保護(hù)

低電壓啟動的過電流保護(hù)原理接線如圖所示。保護(hù)的啟動元件包括電流繼電器和低電壓繼電器，只要當(dāng)電流元件和電壓元件同時動作，才能起動時間繼電器經(jīng)預(yù)定時間后，起動出口中間繼電器動作與跳閘。電流元件的起動電流就可按躲過變壓器的額定電流整定。低電壓元件的起動電壓應(yīng)小于正常運(yùn)行時最低工作電壓。Uact=0.7UNT用于較大容量的降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器等。微機(jī)低壓過流保護(hù)發(fā)電機(jī)低壓過流保護(hù)的輸入量為機(jī)端TV二次相間電壓（UAB、UBC、UCA）及發(fā)電機(jī)TA二次三相電流（IA、IB、IC）。當(dāng)電壓取自變壓器Y0接線側(cè)，變壓器低壓過流保護(hù)的輸入量為二次三相電壓（UA、UB、UC）及二次三相電流。當(dāng)電壓取自變壓器?接線側(cè)，保護(hù)的輸入量為二次相間電壓（UAB、UBC、UCA）及二次三相電流。

3）復(fù)合電壓過流保護(hù)若低電壓啟動的過電流保護(hù)的低電壓繼電器靈敏系數(shù)不滿足要求時，為提高不對稱短路時電壓元件的靈敏度，可采用復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)。其原理接線如圖所示。用于升壓變壓器和靈敏度不夠的降壓變壓器。微機(jī)復(fù)合電壓過流保護(hù)保護(hù)的輸入量同低壓過流保護(hù)，保護(hù)的邏輯框圖如下。4）負(fù)序方向過流保護(hù)變壓器負(fù)序過電流保護(hù)的原理接線圖如圖所示。保護(hù)裝置由電流繼電器和負(fù)序電流濾過器Z等組成。由于它不能反映三相對稱短路，所以必須加裝一套低電壓啟動的過電流保護(hù)來反映三相對稱短路，它由電流繼電器和低電壓繼電器組成。用于63MVA及以上的升壓變壓器。負(fù)序方向過流保護(hù)，主要作為變壓器相間短路的后備保護(hù)，并兼作相鄰線路相間短路的后備保護(hù)。負(fù)序功率方向判據(jù)與負(fù)序過流判據(jù)共同構(gòu)成負(fù)序方向過流保護(hù)。保護(hù)輸入變壓器引出端TA二次三相電流及同側(cè)母線TV二次三相電壓。大型發(fā)變組配置的負(fù)序方向過流保護(hù)，其負(fù)序過電流定值通常有二段，每段帶二個延時（可以根據(jù)需要選擇）。其邏輯框圖如下圖所示。5）阻抗保護(hù)（包括發(fā)電機(jī)、變壓器）當(dāng)采用上述各種后備保護(hù)靈敏度不能滿足要求時，必須采用低阻抗保護(hù)。用作后備保護(hù)的低阻抗保護(hù)一般由兩段構(gòu)成。第Ⅰ段的保護(hù)范圍包括變壓器受電側(cè)的母線，第Ⅱ段的保護(hù)范圍為變壓器受電側(cè)引出線的末端。保護(hù)的阻抗元件可以采用簡單的全阻抗繼電器，或偏移阻抗繼電器。接線方式為三相式，電壓回路設(shè)有斷線閉鎖裝置，但一般不裝設(shè)振蕩閉鎖裝置，而用延時躲過振蕩。發(fā)電機(jī)變壓器低阻抗保護(hù)，主要作為發(fā)電機(jī)及變壓器相間短路的后備保護(hù)，有時還兼作相鄰設(shè)備（母線、線路等）相間短路的后備保護(hù)。該保護(hù)主要由三個相間阻抗元件構(gòu)成。阻抗元件的接入電壓和接入電流，可以取自機(jī)端TV及TA的二次，也可以取自主變高壓側(cè)或中壓側(cè)TV及TA二次。為提高阻抗保護(hù)動作的可靠性，設(shè)置有TV斷線閉鎖判據(jù)。此外，還設(shè)置有過電流和負(fù)序電流啟動元件。阻抗保護(hù)最大選配為二段四延時。一般一段定值二延時的阻抗保護(hù)構(gòu)成邏輯框圖如下圖。5）阻抗保護(hù)（包括發(fā)電機(jī)、變壓器）

發(fā)電機(jī)變壓器低阻抗保護(hù)，主要作為發(fā)電機(jī)及變壓器相間短路的后備保護(hù)，有時還兼作相鄰設(shè)備（母線、線路等）相間短路的后備保護(hù)。該保護(hù)主要由三個相間阻抗元件構(gòu)成。阻抗元件的接入電壓和接入電流，可以取自機(jī)端TV及TA的二次，也可以取自主變高壓側(cè)或中壓側(cè)TV及TA二次。為提高阻抗保護(hù)動作的可靠性，設(shè)置有TV斷線閉鎖判據(jù)。此外，還設(shè)置有過電流和負(fù)序電流啟動元件。阻抗保護(hù)最大選配為二段四延時。一般一段定值二延時的阻抗保護(hù)構(gòu)成邏輯框圖如下圖。

2、變壓器過負(fù)荷保護(hù)變壓器的過負(fù)荷電流在大多數(shù)情況下都是三相對稱的，因此只需裝設(shè)單相過負(fù)荷保護(hù)。變壓器的過負(fù)荷保護(hù)反應(yīng)變壓器對稱過負(fù)荷引起的過電流。保護(hù)只用一個電流繼電器，接于任一相電流中，經(jīng)延時動作于信號。（四）變壓器零序保護(hù)變壓器零序保護(hù)的方式與變壓器中性點(diǎn)的絕緣水平和接地方式有關(guān)，應(yīng)分別予以考慮。1、中性點(diǎn)直接接地變壓器的零序電流保護(hù)這種變壓器接地短路的后備保護(hù)毫無例外地采用零序電流保護(hù)。一般配置兩段式零序電流電流保護(hù)，每段還各帶兩級延時，如下圖所示。

圖5.18中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行變壓器零序電流保護(hù)原理接線圖微機(jī)變壓器零序電流保護(hù)（包括主變、廠變、備變）變壓器零序電流保護(hù)，反映變壓器Y0側(cè)零序電流的大小，是變壓器接地短路的后備保護(hù)，也兼作相鄰設(shè)備接地短路的后備保護(hù)。保護(hù)的接入電流可取變壓器中性點(diǎn)TA二次電流，或引出端TA二次零序電流，或由TA二次三相電流進(jìn)行自產(chǎn)。當(dāng)零序電流大于整定值時，經(jīng)延時作用于信號及出口。零序電流保護(hù)最大選配為二段四延時，可通過下載方便選用。二段式變壓器零序電流保護(hù)的邏輯框圖如下圖所示。

2、中性點(diǎn)可能接地或不接地運(yùn)行時變壓器的零序電流電壓保護(hù)為了使零序保護(hù)有穩(wěn)定的保護(hù)范圍和足夠靈敏度，有時將部分變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行。因此，這些變壓器的中性點(diǎn)，有時接地運(yùn)行，有時不接地運(yùn)行。對于分級絕緣變壓器且中性點(diǎn)可能接地或不接地運(yùn)行的變壓器，除裝設(shè)上述中性點(diǎn)經(jīng)常接地運(yùn)行的變壓器零序電流保護(hù)外，還增設(shè)了一套反應(yīng)間隙放電電流的零序電流保護(hù)和一套零序電壓保護(hù)，作為變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行時的保護(hù)。其中零序電壓保護(hù)作為間隙放電電流保護(hù)的后備。圖5.20分級絕緣變壓器零序保護(hù)原理接線圖微機(jī)變壓器間隙零序保護(hù)變壓器間隙零序保護(hù)用于保護(hù)變壓器中性點(diǎn)絕緣，當(dāng)變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行時投入。保護(hù)反映變壓器中性點(diǎn)間隙零序電流及大電流系統(tǒng)側(cè)母線TV開口三角電壓的大小。當(dāng)間隙電流或變壓器系統(tǒng)側(cè)母線TV開口三角電壓超過整定值時，經(jīng)延時動作，切除變壓器。保護(hù)的接入電流為間隙零序TA二次電流