電力變壓器的保護

關(guān)于電力變壓器的保護第1頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日8、1電力變壓器的故障類型、不正常運行狀態(tài)及其相應(yīng)的保護方式

8.1.1變壓器的故障類型變壓器的內(nèi)部故障可以分為油箱內(nèi)和油箱外故障兩種。油箱內(nèi)的故障包括繞組的相間短路、接地短路，匝間短路以及鐵心的燒損等，對變壓器來講，這些故障都是十分危險的，因為油箱內(nèi)故障時產(chǎn)生的電弧，將引起絕緣物質(zhì)的劇烈汽化，從而可能引起爆炸，因此，這些故障應(yīng)該盡快加以切除。油箱外的故障，主要是套管和引出線上發(fā)生相間短路和接地短路。上述接地短路均系對中性點直接接地電力網(wǎng)的一側(cè)而言。第2頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

8.1.2變壓器的不正常運行狀態(tài)由于變壓器外部相間短路引起的過電流和外部接地短路引起的過電流和中性點過電壓；由于負荷超過額定容量引起的過負荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低。對大容量變壓器，由于其額定工作時的磁通密度相當接近于鐵心的飽和磁通密度，因此在過電壓或低頻率等異常運行方式下，還會發(fā)生變壓器的過勵磁故障。第3頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

8.1.3根據(jù)故障類型和不正常運行狀態(tài)，對變壓器應(yīng)裝設(shè)的保護類型

1、瓦斯保護對變壓器油箱內(nèi)的各種故障以及油面的降低，應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護，它反應(yīng)于油箱內(nèi)部所產(chǎn)生的氣體或油流而動作。其中輕瓦斯保護動作于信號，重瓦斯保護動作于跳開變壓器各電源側(cè)的斷路器。應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護的變壓器容量界限是：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。同樣對帶負荷調(diào)壓的油浸式變壓器的調(diào)壓裝置，也應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護。

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2、縱差動保護或電流速斷保護對變壓器繞組、套管及引出線上的故障，應(yīng)根據(jù)容量的不同，裝設(shè)縱差動保護或電流速斷保護。

縱差動保護適用于：并列運行的變壓器，容量為6300kVA以上時；單獨運行的變壓器，容量為l0000kVA以上時；發(fā)電廠廠用工作變壓器和工業(yè)企業(yè)中的重要變壓器，容量為6300kVA以上時。電流速斷保護用于1O000kVA以下的變壓器，且其過電流保護的時限大于0.5s時。對200OkVA以上的變壓器，當電流速斷保護的靈敏性不能滿足要求時，也應(yīng)裝設(shè)縱差動保護。對高壓側(cè)電壓為330kV及以上的變壓器，可裝設(shè)雙差動保護。上述各保護動作后，均應(yīng)跳開變壓器各電源側(cè)的斷路器。第5頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

3、外部相間短路時，應(yīng)采用的保護對于外部相問短路引起的變壓器過電流，應(yīng)采用下列保護作為后備保護。

(l）過電流保護，一般用于降壓變壓器，保護裝置的整定值應(yīng)考慮事故狀態(tài)下可能出現(xiàn)的過負荷電流；

(2）復合電壓起動的過電流保護，一般用于升壓變壓器、系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器及過電流保護靈敏度不滿足要求的降壓變壓器上；

(3）負序電流及單相式低電壓起動的過電流保護，一般用于容量為63MVA及以仁的升壓變壓器；

(4）阻抗保護，對于升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器，當采用第（2）、（3）的保護不能滿足靈敏性和選擇性要求時，可采用阻抗保護。對500kV系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器高、中壓側(cè)均應(yīng)裝設(shè)阻抗保護。保護可帶兩段時限，以較短的時限用于縮小故障影響范圍；較長的時限用于斷開變壓器各側(cè)斷路器。第6頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

4、外部接地短路時，應(yīng)采用的保護對中性點直接接地電力網(wǎng)內(nèi)，由外部接地短路引起過電流時，如變壓器中性點接地運行，應(yīng)裝設(shè)零序電流保護。零序電流保護可由兩段組成，每段可各帶兩個時限，并均以較短的時限動作于縮小故障影響范圍，或動作于本側(cè)斷路器，以較長的時限動作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。對自耦變壓器和高、中壓側(cè)中性點都直接接地的三繞組變壓器，當有選擇性要求時，應(yīng)增設(shè)零序方向元件。當電力網(wǎng)中部分變壓器中性點接地運行，為防止發(fā)生接地短路時，中性點接地的變壓器跳開后，中性點不接地的變壓器（低壓側(cè)有電源）仍帶接地故障繼續(xù)運行，應(yīng)根據(jù)具體情況，裝設(shè)專用的保護裝置，如零序過電壓保護，中性點裝放電間隙加零序電流保護等。第7頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

5、過負荷保護對400kVA以上的變壓器，當數(shù)臺并列運行，或單獨運行并作為其他負荷的備用電源時，應(yīng)根據(jù)可能過負荷的情況，裝設(shè)過負荷保護。過負荷保護接于一相電流上，并延時作用于信號。對于無經(jīng)常值班人員的變電站，必要時過負荷保護可動作于自動減負荷或跳閘。

6、過勵磁保護高壓側(cè)電壓為500kV及以上的變壓器，對頻率降低和電壓升高而引起的變壓器勵磁電流的升高，應(yīng)裝設(shè)過勵磁保護。在變壓器允許的過勵磁范圍內(nèi)，保護作用于信號，當過勵磁超過允許值時，可動作于跳閘。過勵磁保護反應(yīng)于實際工作磁密和額定工作磁密之比（稱為過勵磁倍數(shù)）而動作。

7、其他保護對變壓器溫度及油箱內(nèi)壓力升高和冷卻系統(tǒng)故障，應(yīng)按現(xiàn)行變壓器標準的要求，裝設(shè)可作用于信號或動作于跳閘的裝置。第8頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日8.2變壓器的縱差動保護8.2.1構(gòu)成變壓器縱差動保護的基本原則對雙繞組和二繞組變壓器實現(xiàn)縱差動保護的原理接線如圖8-1所示。

由于變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的額定電流不同，因此，為了保證縱差動保護的正確工作，就必須適當選擇兩側(cè)電流互感器的變比，使得在正常運行和外部故障時，兩個二次電流相等。第9頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日圖8-1變壓器縱差動保護的原理接線（a）雙繞組變壓器正常運行時的的電流分布；（b）三繞組變壓器區(qū)內(nèi)故障時的電流分布第10頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日在圖8-l(a）中應(yīng)使式中nTA1——高壓側(cè)電流互感器的變比

nTA2——低壓側(cè)電流互感器的變比

nTA3——變壓器的變比（高、低壓側(cè)額定電壓之比)

由此可知，要實現(xiàn)變壓器的縱差動保護，就必須適當?shù)剡x擇兩側(cè)電流互感器的變比，使其比值等于變壓器的變比nT這是與前述送電線路的縱差動保護不同的。這個區(qū)別是由于線路的縱差動保護可以直接比較兩側(cè)電流的幅值和相位，而變壓器的縱差動保護則必須考慮變壓器變比的影響。第11頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

8.2.2變壓器縱差動保護的特點變壓器的縱差動保護同樣需要躲開流過差動回路中的不平衡電流。現(xiàn)對其不平衡電流產(chǎn)生的原因和消除方一法分別討論如下。

1、由變壓器勵磁涌流IEF所產(chǎn)生的不平衡電流

變壓器的勵磁電流IE僅流經(jīng)變壓器的某一側(cè)，因此，通過電流互感器反應(yīng)到差動回路中不能被平衡，在正常運行情況下，此電流很小，一般不超過額定電流的2％～10％。在外部故障時，由于電壓降低，勵磁電流減小，它的影響就更小。第12頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

但是當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時，則可能出現(xiàn)數(shù)值很大的勵磁電流（又稱為勵磁涌流）。這是因為在穩(wěn)態(tài)工作情況下，鐵心中的磁通應(yīng)滯后于外加電壓90°，如圖8-2(a）所示。如果空載合閘時，正好在電壓瞬時值u=0時接通電路，則鐵心中應(yīng)該具有磁通-Φm。但是由于鐵心中的磁通不能突變，因此，將出現(xiàn)一個非周期分量的磁通，其幅值為+Φm，這樣在經(jīng)過半個周期以后，鐵心中的磁通就達到2Φm。如果鐵心中還有剩余磁Φr，則總磁通將為2Φm+Φr，如圖8-2(b）所示。此時變壓器的鐵心嚴重飽和，勵磁電流Ie將劇烈增大，如圖8一2(C）所小，此電流就稱為變壓器的勵磁涌流IEF，其數(shù)值最大可達額定電流的6～8倍，同時包含有大量的非周期分量和高次潛波分量，如圖8-2（d）所示。勵磁涌流的大小和衰減時間，與外加電壓的相位、鐵心中剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗以及變壓器容量的大小和鐵心性質(zhì)等都有關(guān)系。第13頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日圖8—2變壓器勵磁涌流的產(chǎn)生及變化曲線

(a）穩(wěn)態(tài)情況下，磁通與電壓的關(guān)系；(b）在u=0瞬間空載合閘時，磁通與電壓的關(guān)系；(c）變壓器鐵心的磁化曲線；(d）勵磁涌流的波形第14頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

（1）勵磁涌流的特點：表8-l所示的數(shù)據(jù)，是對幾次勵磁涌流試驗數(shù)據(jù)的分析。由此可見，勵磁涌流具有以下特點。

①包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于時間軸的一側(cè)；

②包含有大量的高次諧波，而以二次諧波為主；

③波形之間出現(xiàn)間斷，如圖8-3所示，在一個周期中間斷角為α。

（2）在變壓器縱差動保護中防止勵磁涌流影響的方法：

①采用具有速飽和鐵心的差動繼電器；

②鑒別短路電流和勵磁涌流波形的差別；

③利用二次諧波制動等。第15頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日表8-1勵磁涌流試驗數(shù)據(jù)舉例第16頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日圖8-3勵磁涌流的波形第17頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

2、由變壓器兩側(cè)電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流由于變壓器常常采用Y,d11的接線方式，因此，其兩側(cè)電流的相位差30°。此時，如果兩側(cè)的電流互感器仍采用通常的接線方式，則二次電流由于相位不同，也會有一個差電流流入繼電器。為了消除這種不平衡電流的影響，通常都是將變壓器星形側(cè)的三個電流互感器接成三角形，而將變壓器三角形側(cè)的三個電流互感器接成星形，并適當考慮聯(lián)接方式后即可把二次電流的相位校正過來。在微機保護中，則可以利用軟件把它校正過來。第18頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

圖8-4(a）所示為Y,d11接線變壓器的縱差動保護原理接線圖，圖中為星形側(cè)的一次電流，為三角形側(cè)的一次電流，后者超前30°，如圖8-4(b)所示?，F(xiàn)將星形側(cè)的電流互感器也采用相應(yīng)的三角形接線，則其副邊輸出電流為了、和，它們剛好與同相位，如圖8-4(C）所示。這樣差動回路兩側(cè)的電流就是同相位的了。但當電流互感器采用上述連接方式以后，在互感器接成三角形側(cè)的差動一臂中，電流又增大了倍。此時為保證在正常運行及外部故障情況下差動回路中應(yīng)沒有電流，就必須將該側(cè)電流互感器的變比加大倍，以減小二次電流，使之與另一側(cè)的電流相等，故此時選擇變比的條件是:式中nTA1和nTA2為適應(yīng)Y,d接線的需要而采用的新變比。第19頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日圖8-4Y,d11接線變壓器的縱差動保護接線和矢量圖（圖中電流方向?qū)?yīng)于正常工作情況）(a）變壓器及其縱差動保護的接線；（b）電流互感器原邊電流矢量圖；(C）縱差動回路兩側(cè)的電流矢量圖第20頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

3、由計算變比與實際變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流由于兩側(cè)的電流互感器都是根據(jù)產(chǎn)目錄選取標準的變比，而變壓器的變比也是一定的，因此，三者的關(guān)系很難滿足的要求，此時差動回路中將有電流流過。當采用具有速飽和鐵心的差動繼電器時，通常都是利用它的平衡線圈Wb來消除此差電流的影響。第21頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

以雙繞組變壓器為例，假設(shè)在區(qū)外故障時，如圖8-5所示，則差動線圈中將流過電流，由它所產(chǎn)生的磁動勢為。為了消除這個差動電流的影響，通常都是將平衡線圈Wb接入二次電流較小的一側(cè)，如圖所示應(yīng)接于的回路中。適當?shù)剡x擇Wb的匝數(shù)，使磁動勢能完全抵銷，則在二次線圈W2里就不會感應(yīng)電動勢，因而繼電器I中也沒有電流，達到了消除差電流影響的目的。由此可見，選擇Wb與WM的關(guān)系應(yīng)為上式表明，由較大的電流在WM中所產(chǎn)生的磁動勢，被較小的電流在(WM+Wb）中所產(chǎn)生的磁動勢所抵銷，因此，在鐵心中沒有磁通，繼電器不可能動作。按上式計算的Wb匝數(shù)，一般都不是整數(shù)，而實際上，只能按整匝數(shù)進行選擇，因此還會有一殘余的不平衡電流存在，這在整定計算時應(yīng)該予以考慮。第22頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日圖8-5利用速飽和變流器的平衡線圈消除差電流影響的原理接線圖第23頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

4、由兩側(cè)電流互感器型號不同而產(chǎn)生的不平衡電流

由于兩側(cè)電流互感器的型號不同，它們的飽和特性、勵磁電流（歸算至同一側(cè)）也就不同，因此，在差動回路中所產(chǎn)生的不平衡電流也就較大。此時應(yīng)采用電流互感器的同型系數(shù)Ks=1。

5、由變壓器帶負荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流

帶負荷調(diào)整變壓器的分接頭，是電力系統(tǒng)中采用帶負荷調(diào)壓的變壓器來調(diào)整電壓的一種方法，實際上改變分接頭就是改變變壓器的變比nT。如果差動保護已按照某一變比調(diào)整好（如利用平衡線圈），則當分接頭改換時，就會產(chǎn)生一個新的不平衡電流流入差動回路。此時不可能再用重新選擇平衡線圈匝數(shù)的方法來消除這個不平衡電流，這是因為變壓器的分接頭經(jīng)常在改變，而差動保護的電流回路在帶電的情況下是不能進行操作的。因此，對由此而產(chǎn)生的不平衡電流，應(yīng)在縱差動保護的整定值中予以考慮。第24頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

總括看來，上述2、3項不平衡電流可用適當?shù)剡x擇電流互感器二次線圈的接法和變比，以及采用平衡線圈的方法，使其降到最小。但1、4、5各項不平衡電流，實際上是不可能消除的。因此，變壓器的縱差動保護必須躲開這些不平衡電流的影響。由于在滿足選擇性的同時，還要求保證內(nèi)部故障時有足夠的靈敏性，這就是構(gòu)成變壓器縱差動保護的主要困難。根據(jù)上述分析，在穩(wěn)態(tài)情況下，為整定變壓器縱差動保護所采用的最大不平衡電流Iub.max可由下式確定式中10%——電流互感器容許的最大相對誤差；

Kss——電流互感器的同型系數(shù)，取為l；△U——由帶負荷調(diào)壓所引起的相對誤差，如果電流互感器二次電流在相當于被調(diào)節(jié)變壓器額定抽頭的情況下處于平衡時，則△U等于電壓調(diào)整范圍的一半；

△fza——由于所采用的互感器變比或平衡線圈的匝數(shù)與計算值不同時，所引起的相對誤差；

Ik.max/nTA——保護范圍外部最大短路電流歸算到二次側(cè)的數(shù)值。第25頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日1、縱差動保護起動電流的整定原則

(l）在正常運行情況下，為防止電流互感器二次回路斷線時引起差動保護誤動作，保護裝置的起動電流應(yīng)大于變壓器的最大負荷電流IL.max。當負荷電流不能確定時，可采用變壓器的額定電流IW.T，引入可靠系數(shù)Krel（一般采用1.3)，則保護裝置的起動電流為

(2）躲開保護范圍外部短路時的最大不平衡電流，此時繼電器的起動電流應(yīng)為式中Krel——可靠系數(shù)，采用1.3；

Iub.max——保護外部短路時的最大不平衡電流。8.2.3變壓器縱差動保護的整定計算原則第26頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日(3）無論按上述哪一個原則考慮變壓器縱差動保護的起動電流，都還必須能夠躲開變壓器勵磁涌流的影響。當變壓器縱差動保護采用波形鑒別或二次諧波制動的原理構(gòu)成時，它本身就具有躲開勵磁涌流的性能，一般無須再另作考慮。而當采用具有速飽和鐵心的差動繼電器時，雖然可以利用勵磁涌流中的非周期分量使鐵心飽和，來避越勵磁涌流的影響，但根據(jù)運行經(jīng)驗，差動繼電器的起動電流仍需整定為時，才能躲開勵磁涌流的影響。對于各種原理的差動保護，其躲開勵磁涌流影響的性能，最后還應(yīng)經(jīng)過現(xiàn)場的空載合閘試驗加以檢驗。第27頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日式中應(yīng)采用保護范圍內(nèi)部故障時，流過繼電器的最小短路電流。即采用在單側(cè)電源供電時，系統(tǒng)在最小運行方式下，變壓器發(fā)生短路時的最小短路電流，按照要求，靈敏系數(shù)一般不應(yīng)低于2。當不能滿足要求時，則需要采用具有制動特性的差動繼電器。必須指出，即使靈敏系數(shù)的校驗能夠滿足要求，但對變壓器內(nèi)部的匝間短路，輕微故障等情況，縱差動保護往往也不能迅速而靈敏地動作。運行經(jīng)驗表明，在此情況下，常常都是瓦斯保護首先動作，然后待故障進一步發(fā)展，差動保護才動作。顯然可見，差動保護的整定值越大，則對變壓器內(nèi)部故障的反應(yīng)能力也就越低。

2、縱差動保護靈敏系數(shù)的校驗變壓器縱差動保護的靈敏系數(shù)可按下式校驗第28頁，共32頁，星期日，2025年，2月5日

隨著大容量機組和大型發(fā)電廠的出現(xiàn)，發(fā)電機一變壓器組的接線方式在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。在發(fā)電機和變壓器每個元件上可能出現(xiàn)的故障和不正常運行狀態(tài)，在發(fā)電機一變壓器組上也都可能發(fā)生，因此，其繼電保護裝置應(yīng)能反應(yīng)發(fā)電機和變壓器單獨運行時所應(yīng)該反應(yīng)的那些故障和不正常運行狀態(tài)。例如，在一般情況下，應(yīng)裝設(shè)縱差動保