變壓器繼電保護2.ppt

變壓器的繼電保護 第一節(jié)變壓器的故障類型不正常運行狀態(tài)及其保護方式 變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要的供電元件 它的故障將對供電的可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴(yán)重的影響 同時大容量的變壓器也是十分貴重的元件 因此需要根據(jù)變壓器容量和重要程度裝設(shè)性能良好 工作可靠的繼電保護裝置 變壓器內(nèi)部故障 油箱內(nèi)故障 繞組的相間短路 接地短路 匝間短路 鐵心燒損等 油箱外部故障 套管和引出線上發(fā)生相間短路和接地短路油箱內(nèi)部故障非常危險 高溫電弧不僅會燒毀繞組和鐵芯 還會使變壓器油絕緣分解產(chǎn)生大量氣體 引起變壓器油箱爆炸的嚴(yán)重后果 油箱內(nèi)故障 油箱外部故障 變壓器不正常運行狀態(tài)主要包括 由于變壓器外部相間短路引起的過電流 相間短路 過電流 由于變壓器外部接地短路引起的過電流和中性點過電壓 接地短路 過電流 中性點過電壓 由于負(fù)荷超過額定容量引起的過負(fù)荷 過負(fù)荷 由于漏油等原因而引起的油面降低 油面降低 在過電壓或低頻率等異常運行方式下 發(fā)生變壓器的過勵磁 過勵磁 變壓器的不正常運行狀態(tài)會使繞組和鐵芯過熱 此外 對于中性點不接地運行的星形接線方式變壓器 外部接地短路時有可能造成變壓器中性點過電壓 威脅變壓器的絕緣 大容量變壓器在過電壓或低頻率等異常運行方式下會發(fā)生變壓器的過勵磁 引起鐵芯和其它金屬構(gòu)件的過熱 變壓器不正常運行時 繼電保護應(yīng)根據(jù)其嚴(yán)重程度 發(fā)出告警信號 使運行人員及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施 以確保變壓器的安全 保護方式 瓦斯保護 特點 動作迅速 靈敏性高 安裝接線簡單 反應(yīng)油箱內(nèi)的各種故障 不反應(yīng)油箱外部的故障 對變壓器油箱內(nèi)的各種故障 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 裝設(shè)范圍 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 縱差動保護或電流速斷保護 特點 反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)外故障 對變壓器繞組 套管及引出線上的故障 應(yīng)裝設(shè)差動保護或電流速斷保護 縱差動保護范圍 6300kVA以上并列運行的變壓器 10000kVA以上單獨運行的變壓器 容量為6300kVA以上的發(fā)電廠廠用變壓器和工業(yè)企業(yè)中的重要變壓器 電流速斷的保護適用 10000kVA以下的變壓器 且其過電流保護的時限大于0 5s時 縱差動保護和電流速斷動作后 均應(yīng)跳開變壓器各電源側(cè)的斷路器 外部相間短路時 應(yīng)采用的保護 對于外部相間短路引起的變壓器過電流 應(yīng)采用下列保護 a 過電流保護 用于降壓變壓器 保護的整定值考慮在事故狀態(tài)下可能出現(xiàn)的過負(fù)荷電流 b 復(fù)合電壓 負(fù)序電壓和線電壓 起動的過電流保護 用于升壓變壓器及過電流保護靈敏性不滿足要求的降壓變壓器上 c 負(fù)序電流及單相式低電壓起動的過電流保護 用于大容量升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器 d 阻抗保護 對升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器當(dāng)采用b c的保護不能滿足靈敏性和選擇性要求時 采用阻抗保護 外部接地短路時 應(yīng)采用的保護 a 中性點直接接地電力網(wǎng)內(nèi) 應(yīng)裝設(shè)零序電流保護 b 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(dāng)有選擇性要求時 應(yīng)增設(shè)零序方向元件 過負(fù)荷保護 對400kVA以上的變壓器 當(dāng)數(shù)臺并列運行或單獨運行并作為其它負(fù)荷的備用電源時 應(yīng)根據(jù)可能過負(fù)荷的情況 裝設(shè)過負(fù)荷保護 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 在變壓器過勵磁允許的范圍內(nèi) 保護作用于信號 超過允許值 可動作于跳閘 其它保護 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)裝設(shè)可作用于信號或動作于跳閘的保護裝置 第二節(jié)變壓器縱差動保護 主要是變壓器內(nèi)部繞組故障 外部套管及引出線故障 構(gòu)成變壓器縱差動保護的基本原則 雙繞組變壓器 高壓側(cè) 低壓側(cè) 為變壓器兩側(cè)的一次電流參考方向均由母線指向變壓器 分別為兩側(cè)電流互感器的變比 則流入差動繼電器KD的電流為 因此縱差動保護的動作判據(jù)為 為相應(yīng)的電流互感器二次電流 設(shè)變壓器的變比為 忽略變壓器的損耗 正常運行和區(qū)外故障時有 則差動電流可表示為 若選擇電流互感器的變比 使之滿足 則有 正常運行和變壓器外部故障時 差電流為零 保護不會動作 由于變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的額定電流不同 為確保縱差動保護的正常工作 必須適當(dāng)選取電流互感器的變比 使得在正常運行和外部故障時 兩個二次電流相等 即應(yīng)使 基本原則 要實現(xiàn)變壓器的縱差保護 必須適當(dāng)?shù)倪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 即 由于變壓器常采用Y d11的接線方式 因此 其兩側(cè)電流的相位差為 若兩側(cè)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(dāng)考慮聯(lián)接方式后 即可把二次電流的相位校正過來 變壓器星形側(cè)的三個電流互感器接成三角形 變壓器三角形側(cè)的三個電流互感器接成星形 星形側(cè)差動臂二次電流 要使A相的繼電器在正常運行及外部故障時不動作 需滿足 由于 而 流入三個差動繼電器的差動電流為 又由于 即有 所以 按相差動 式中 是流入三個差動繼電器的差電流 這樣就可以消除兩側(cè)電流相位不一致的影響 由于側(cè)采用了兩相電流差 相當(dāng)于變壓器的變比增加了倍 因此電流互感器變比的選擇應(yīng)該滿足 模擬式的差動保護都是采用這種接線方式 對于數(shù)字式差動保護 也可以將星形側(cè)的三相電流直接接入保護裝置內(nèi) 由計算機的軟件實現(xiàn)相位調(diào)整功能 以簡化接線 三繞組變壓器 電力系統(tǒng)中常常采用三繞組變壓器 三繞組變壓器的縱差動保護原理與雙繞組變壓器是一樣的 接入縱差動繼電器的差電流為 高壓側(cè) 中壓側(cè) 低壓側(cè) 正常運行時由高壓側(cè) 中壓側(cè)同時向低壓側(cè)提供功率 設(shè)變壓器的1 3側(cè)和2 3側(cè)的變比為和 考慮到正常運行和區(qū)外故障時變壓器各側(cè)電流滿足 電流互感器變比的選擇應(yīng)該滿足 變壓器高中壓側(cè)采用星形接線 低壓側(cè)采用三角形接線 三相變壓器各側(cè)電流互感器的接線方式和變比的選擇也要參照Y d11雙繞組變壓器的方式進行調(diào)整 即 側(cè)互感器用Y接線方式 兩個Y側(cè)互感器則采用 接線方式 高壓側(cè)電流折算到低壓側(cè) 中壓側(cè)電流折算到低壓側(cè) 差動保護的不平衡電流及減小不平衡電流的方法 變壓器的縱差保護同樣需要躲開流過差動回路中的不平衡電流 產(chǎn)生不平衡電流的原因和消除方法如下 由計算變比與實際變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流 由變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流 由變壓器勵磁涌流所產(chǎn)生的不平衡電流 由兩側(cè)電流互感器型號不同而產(chǎn)生的不平衡電流 1 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)電流互感器都是根據(jù)產(chǎn)品目錄選取標(biāo)準(zhǔn)變比 而變壓器的變比也是一定的 因此 三者之間很難滿足 或 的要求 此時差動回路中將有不平衡電流流過 令變比差系數(shù)為 理論上應(yīng)有 則由 在正常運行和外部故障時有 可得 上式即為由計算變比與實際變比不同而在差動回路產(chǎn)生的不平衡電流 高壓側(cè)電流折算到低壓側(cè) 如果將變壓器兩側(cè)的電流都折算到電流互感器的二次側(cè) 并忽略 fza的影響 則區(qū)外故障時變壓器兩側(cè)電流相等 即I I2 nTI1 但方向相反 I稱為區(qū)外故障時變壓器的穿越電流 設(shè)Ik max為區(qū)外故障時最大的穿越電流 則由電流互感器和變壓器變比不一致產(chǎn)生的最大不平衡電流為 如無特殊說明 變壓器各側(cè)電流都是折算到二次側(cè) 從二次側(cè)來看是同一個電流從一側(cè)流入從另一側(cè)流出 2 由變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流 調(diào)整變壓器分接頭是電力系統(tǒng)中常用的調(diào)壓方法 改變分接頭也就是改變了變壓器的變比nT 分接頭的改變 就會產(chǎn)生一個新的不平衡電流 應(yīng)在縱差保護的整定值中予以考慮 由此產(chǎn)生的最大不平衡電流為 式中 U為由變壓器分接頭改變引起的相對誤差 考慮到電壓可以正負(fù)兩個方向進行調(diào)整 一般取可調(diào)整范圍的一半 U 2 2 5 3 由電流互感器傳變誤差而產(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 勵磁電流也不同 故在差動回路中產(chǎn)生的不平衡電流就很大 根據(jù)第四章 電流互感器誤差不會超過10 最大可能值 采用電流互感器同型系數(shù)Kat 同型號取0 5 不同型號取1 對于變壓器一般取1 對于變壓器的縱差動保護 兩側(cè)電流互感器的變比不一樣 互感器的型號肯定不同 故Kat 1 TA等效電路 一次電流中的一部分消耗在繞組勵磁上其二次電流為 電流互感器的傳變誤差就是勵磁電流 根據(jù)等效電路可得 ZL包括了電流互感器的漏抗和二次負(fù)載阻抗 一般電阻分量占優(yōu) 在定性分析時可以當(dāng)作純電阻處理 ZL 區(qū)外故障時變壓器兩側(cè)的一次電流為 折算到二次側(cè) 故由電流互感器傳變誤差引起的不平衡電流為 a 的曲線3是電流按照曲線2變化時的磁滯回線 曲線1是鐵芯的基本磁化曲線 通常簡稱為磁化曲線 由于曲線2的勵磁電流是對稱變化的 磁滯回線回繞著磁化曲線形成回環(huán) 理論分析時通常用磁化曲線來替代磁滯回線 磁化曲線上的s點稱為飽和點 由于線圈電壓與鐵芯磁通之間的關(guān)系為 故磁化曲線的斜率 嚴(yán)格講是各點切線的斜率 就是勵磁回路的電感 鐵芯未飽和時 很大且基本上是常數(shù) 鐵芯飽和后磁化曲線變得很平坦 大為減小 曲線1是鐵芯的基本磁化曲線 曲線2為勵磁電流 曲線3為磁滯回線 若勵磁電流中存在大量的非周期分量 飽和后的還會進一步減小 由于非周期分量引起I 1偏離時間軸的一側(cè) 磁通也偏離磁化曲線并按照曲線3 的局部磁滯回環(huán)變化 顯然 偏離磁化曲線后會減小 減小的程度取決于曲線3 中的數(shù)值 鐵芯未飽和時不大 仍然很大 可以認(rèn)為不會受非周期分量的影響 鐵芯飽和時會相當(dāng)大 非周期分量的存在將會顯著地減小 電流互感器一次側(cè)電流I1消失后 勵磁電流I 1也相應(yīng)地變?yōu)榱?由于磁滯回線的 磁滯 現(xiàn)象 鐵芯中將長期存在殘留磁通 稱為剩磁 剩磁的大小和方向與一次電流消失時刻的勵磁電流I 1有關(guān) 若將電流互感器一次側(cè)電流I1逐漸增大 在I1比較小時 電流互感器不飽和 此時由于很大且基本不變 勵磁電流I 1很小并隨著I1增大也按比例地增大 當(dāng)勵磁電流I 1增大到鐵芯飽和 即磁化曲線的s點后 勵磁電感減小 勵磁回路的分流增大 而勵磁回路的分流增大又導(dǎo)則勵磁電感進一步下降 其結(jié)果是勵磁電流I 1迅速增大 鐵芯越飽和則勵磁電流也越大 并且隨一次電流的增加呈非線性的增加 4 由變壓器勵磁涌流ILY所產(chǎn)生的不平衡電流 變壓器的勵磁電流I 僅流經(jīng)變壓器的某一側(cè) 故通過電流互感器反應(yīng)到差動回路中不能被平衡掉 正常情況下此電流很小 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 影響就更小 勵磁電流的大小取決于勵磁電感L 的數(shù)值 也就是取決于變壓器鐵芯是否飽和 正常運行和外部故障時變壓器不會飽和 勵磁電流一般不會超過額定電流的2 5 對縱差動保護的影響常常略去不計 當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復(fù)時 變壓器電壓從零或很小的數(shù)值突然上升到運行電壓 勵磁涌流的最大值可達額定電流的6 8倍 在這個電壓上升的暫態(tài)過程中 變壓器可能會嚴(yán)重飽和 產(chǎn)生很大的暫態(tài)勵磁電流 這個暫態(tài)勵磁電流稱為勵磁涌流 勵磁涌流的特點 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) 包含有大量的直流及高次諧波 而以二次諧波為主 波形之間出現(xiàn)間斷 一個周期中間斷角為 防止勵磁涌流影響的方法 采用具有速飽和鐵芯的差動繼電器 鑒別短路電流和勵磁涌流波形的差別 利用二次諧波制動等 利用帶比率制動的差動繼電器 當(dāng)勵磁涌流進入差動回路時 其中有很大的非周期分量使速飽和變流器SBL的鐵芯嚴(yán)重飽和 勵磁阻抗銳減 使得勵磁涌流中幾乎全部非周期分量及部分周期分量電流從SBL的一次繞組通過 傳變到二次回路的電流很小 5 減小不平衡電流的主要措施 可以通過以下措施來減小區(qū)外故障時縱差動保護的不平衡電流 1 計算變比與實際變比不一致產(chǎn)生的不平衡電流的補償 令 由計算變比與實際變比不一致產(chǎn)生的不平衡電流為 電流互感器變比選定后 n就是一個常數(shù) 所以可以用將這個不平衡電流補償?shù)?此時引入差動繼電器的電流為 n就是需要補償?shù)南禂?shù) TS 對于電磁式縱差動保護裝置 可以采用中間變流器進行補償 在中間變流器TS的鐵芯上繞有主線圈Wd 接入差電流 另外還繞一個平衡線圈Wb和二次線圈W2 采用這種補償方法時 由于的匝數(shù)不能平滑調(diào)節(jié) 選用的匝數(shù)與計算的匝數(shù)不可能完全一致 故仍有一部分不平衡電流流入繼電器 但不平衡電流已大為減少 變比差系數(shù)可按下式計算 2 減少因電流互感器性能不同引起的穩(wěn)態(tài)不平衡電流 應(yīng)盡可能使用型號 性能完全相同的D級電流互感器 使得兩側(cè)電流互感器的磁化曲線相同 以減小不平衡電流 另外 減小電流互感器的二次負(fù)載 能夠減少鐵芯的飽和程度 相應(yīng)地也減少了不平衡電流 減小二次負(fù)載的方法 除了減小二次電纜的電阻外 可以增大電流互感器的變比nTA 二次阻抗Z2折算到一次側(cè)的等效阻抗為Z2 n2TA 若采用二次側(cè)額定電流為1A的電流互感器 等效阻抗只有額定電流為5A時的1 25 3 減少電流互感器的暫態(tài)不平衡電流 根據(jù)電流互感器暫態(tài)不平衡電流中有大量的非周期分量 電流特性完全偏離時間軸一側(cè)的特點 通常采用在差動回路中接入具有速飽和特性的中間變流器的方法 速飽和鐵芯 由于非周期分量使速飽和鐵芯迅速飽和 從而使非周期分量傳遞到二次側(cè)大為減少 當(dāng)差電流中只流過周期分量時 磁通沿著磁滯回線3變化 變化量很大 很容易傳變到二次側(cè) 因此速飽和中間變流器能夠大大減小電流互感器的暫態(tài)不平衡電流 對于實際保護裝置 通常在中間變流器中還要采取其它增加鐵芯飽和的輔助措施 如帶加強型速飽和中間變流器差動保護 BCH 2 以進一步減少暫態(tài)不平衡電流 1 2 S 3 1 2 速飽和中間變流器的鐵芯很容易飽和 當(dāng)差動電流中含有較大的非周期分量時 鐵芯迅速飽和 磁通沿著局部磁滯回線3 變化 一個周波內(nèi)變化量為很小 由于電流互感器的感應(yīng)電勢 即等效回路中勵磁電感上的電壓 與磁通的變化率成正比 所以非周期分量不易傳變到變流器的二次側(cè) 躲開保護范圍外部短路時流過繼電器的最大不平衡電流 此時繼電器的起動電流應(yīng)為 Iset KrelIunb max 二次側(cè) 其中 Iunb max保護外部短路時流過繼電器的最大不平衡電流 3 變壓器縱差動保護的整定計算原則 外部短路故障時最大短路電流 由于電流互感器計算變比和實際變比不一致引起的相對誤差 起動電流的整定原則 單相變壓器 接線三相變壓器 當(dāng)采用中間變流器進行補償時 取補償后剩余的相對誤差 由變壓器分接頭改變引起的相對誤差 一般可取調(diào)整范圍的一半 0 1 電流互感器容許的最大穩(wěn)態(tài)相對誤差 Kat 電流互感器同型系數(shù) 取為1 Knp 非周期分量系數(shù) 取1 5 2 當(dāng)采用速飽和變流器時 由于有躲非周期分量的性能 取為1 當(dāng)變壓器縱差保護采用波形鑒別或二次諧波制動的原理構(gòu)成時 本身就具有躲開勵磁涌流的特性 無需再作考慮 而當(dāng)采用具有速飽和鐵芯的差動繼電器時 雖可利用勵磁涌流的非周期分量使鐵芯飽和 來避開勵磁涌流的影響 但起動電流仍需整定為 躲開變壓器勵磁涌流的影響 才能躲開勵磁涌流的影響 Krel 可靠系數(shù) 取1 3 1 5 IN 變壓器的額定電流 K 勵磁涌流的倍數(shù) 即勵磁涌流與變壓器額定電流的比值 取4 8 可以根據(jù)變壓器的額定容量按勵磁涌流的上限來選擇 由于勵磁涌流很大 實際的縱差動保護通常采用其它措施來減少它的影響 一種是通過鑒別勵磁涌流和故障電流的波形差別 在勵磁涌流時將差動保護閉鎖 這時在整定值中不必考慮勵磁涌流的影響 即取K 0 另一種是采用速飽和變流器減少勵磁涌流產(chǎn)生的不平衡電流 采用加強型速飽和變流器的差動保護 BCH2型 時 取K 1 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 起動電流應(yīng)大于變壓器的最大負(fù)荷電流IL max 當(dāng)負(fù)荷電流不能確定時 可采用變壓器的額定電流IN T 并引入可靠系數(shù) rel 一般取1 3 則保護裝置的動作電流整定值為 按上面三個條件計算縱差動保護的動作電流 并選取最大者 所有電流都是折算到電流互感器二次側(cè)的數(shù)值 對于Y 11接線三相變壓器 在計算故障電流和負(fù)荷電流時 要注意Y側(cè)電流互感器接線方式 通常在 側(cè)計算比較方便 2 縱差保護靈敏系數(shù)的校驗 靈敏系數(shù)可按下式校驗 其中Ik min r采用保護范圍內(nèi)部故障時 流過繼電器的最小差動電流 按照要求 靈敏系數(shù)一般應(yīng)大于 當(dāng)不滿足時 則需采用具有制動特性的差動繼電器 注意 差動保護的整定值越大 則對變壓器內(nèi)部故障的反應(yīng)能力就越低 4 具有制動特性的差動繼電器 1 差動繼電器的制動特性 如果將變壓器兩側(cè)的電流都折算到電流互感器的二次側(cè) 則區(qū)外故障時變壓器兩側(cè)電流相等 即 I稱為區(qū)外故障時變壓器的穿越電流 如果將變壓器兩側(cè)的電流都折算到電流互感器的二次側(cè) 則可以認(rèn)為在正常運行和區(qū)外故障時 同一電流流過變壓器兩側(cè) 故稱為穿越電流 由互感器變比不一致和互感器傳變誤差產(chǎn)生的不平衡電流的討論知 流入差動繼電器的不平衡電流與變壓器外部故障時的穿越電流有關(guān) 穿越電流越大 不平衡電流也越大 具有制動特性的差動繼電器正是利用這個特點 在差動繼電器中引入一個能夠反應(yīng)變壓器穿越電流大小的制動電流 繼電器的動作電流不再是按躲過最大穿越電流整定 而是根據(jù)制動電流自動調(diào)整 對于雙繞組變壓器 外部故障時由于 折算到二次側(cè) 制動電流Ires可取 Ires I1或Ires I2 為分析方便 均去掉下標(biāo) 故變壓器外部故障時的不平衡電流與Ires有關(guān) 可表示為 則具有制動特性差動繼電器的動作方程為 Krel是可靠系數(shù) 由影響變壓器差動保護的因素可知 而 Ik變壓器外部故障時的短路電流 流過變壓器的穿越電流不同 差動繼電器的動作電流也不同 差動電流大于不平衡電流時 差動保護動作 0 將差電流與制動電流的關(guān)系在一個平面坐標(biāo)上表示 顯然只有差電流處于曲線的上方時差動繼電器才能并且肯定動作 稱為差動繼電器的制動特性 而處于制動特性上方的區(qū)域稱為差動繼電器的動作區(qū) 另一個區(qū)域相應(yīng)地稱為制動區(qū) 動作區(qū) 0 a g 是一個關(guān)于Ires的單調(diào)上升函數(shù) 在Ires比較小時 電流互感器不飽和 是線性上升的 Ires Ires g Ires比較大導(dǎo)致電流互感器飽和后 的變化率增加 并不再是線性的 Ires g Ires max KTA為電流互感器未飽和時存在的線性誤差 由互感器型號決定 一般小于2 0 a g 的線性部分可以表示為 設(shè)變壓器穿越電流等于最大外部故障電流Ik max時 差動繼電器動作電流和制動電流分別為Iset max和Ires max 如圖的a點所示 顯然 此時差動繼電器的不平衡電流就是最大不平衡電流 故 理論上Ires max Ik max 但制動電流也要經(jīng)過電流互感器測量 互感器飽和會使測量到的制動電流減小 故 0 a g 0 a g 由于電流互感器的飽和與許多因素有關(guān) 制動特性中非線性部分的具體數(shù)值是不易確定的 實用的制動特性要進行簡化 在數(shù)字式縱差動保護中 常常采用一段與坐標(biāo)橫軸平行的直線和一段斜線構(gòu)成的所謂 兩折線 特性 以Iset r表示 Iset r的斜線穿過a點 并與水平直線及Krelf Ires 曲線相交于g點 g點所對應(yīng)的動作電流稱為最小動作電流Iset min 而對應(yīng)的制動電流稱為拐點電流 由于在Ires Ires max時 Iset r始終在Krelf Ires 的上方 所以外部故障時差動繼電器不會誤動 但內(nèi)部故障時靈敏度有所下降 0 a g Iset r不再經(jīng)過坐標(biāo)原點 因為存在一些與制動電流無關(guān)的不平衡電流如變壓器的勵磁電流 測量回路的雜散噪聲等 動作電流過低容易造成繼電器的誤動 制動特性的數(shù)學(xué)表達式為 式中K為制動特性的斜率 拐點電流Ires g選取的范圍為 式中IN為變壓器的額定電流 Iset min可按下式選取 2 差動繼電器在內(nèi)部故障時的動作行為 0 b c 1 2 內(nèi)部故障時 繼電器的動作電流分析 直線1 雙側(cè)電源供電時 若兩側(cè)電源的電勢和等效阻抗都相同 則有 其與制動特性相交于b點 差動電流Ir只要大于最小動作電流Iset min就能夠動作 從圖中可以看出 制動電流Ires大于Ires b時 只要差動電流大于Iset min 保護就能夠可靠動作 這時斜率為2 0 b c 1 2 單側(cè)電源供電時 若I1是負(fù)荷側(cè) 則內(nèi)部故障時有 Ires I1 0 這時繼電器的動作電流只要大于Iset min 保護就能夠動作 0 b c 1 2 直線2 單側(cè)電源供電時 若I1是電源側(cè) 內(nèi)部故障時有 Ires I1 其關(guān)系如圖直線2所示 與制動特性相交于c點 這是縱差動保護最不利的情況 從圖中可以看出 當(dāng)內(nèi)部故障時 當(dāng)制動電流Ires小于Ires c時 其差動電流總是位于制動特性曲線以下 保護不能可靠動作 只有制動電流Ires大于Ires c 差動電流才位于制動特性曲線上方 保護能夠可靠動作 除了內(nèi)部輕微故障外 這時一般來說制動電流等于短路電流 其值總是很大的 這時斜率為1 0 b c 1 2 直線2 考慮了負(fù)荷電流影響后 差動電流與制動電流之間的關(guān)系變成了曲線2 這時與制動特性相交于c 點 繼電器的動作電流將大于Iset min 電磁式的制動特性差動繼電器整定調(diào)試比較復(fù)雜 但由于優(yōu)點顯著 在變壓器縱差動保護中獲得了廣泛的應(yīng)用 而在數(shù)字式縱差動保護中幾乎都是采用制動特性差動繼電器的 盡管如此 仍比不帶制動特性時靈敏得多 由此可見 在各種運行方式下的變壓器內(nèi)部故障時 帶有制動特性差動繼電器的動作電流均為最小工作電流Iset min 不帶制動的差動繼電器也可以看作是制動特性差動保護的一個特殊情況 其制動特性是平行于坐標(biāo)橫軸的直線 動作電流為固定的Iset max 繼電器采用制動特性后 變壓器內(nèi)部故障時將動作電流從原來的Iset max下降到Iset min 故差動繼電器的靈敏系數(shù)大為提高 制動電流的選取方式對保護的靈敏度是有影響的 制動電流的選取不是唯一的 例如也可以選擇Ires I2作為制動電流 在外部故障時 和Ires I1的制動作用是一樣的 內(nèi)部故障時兩者的靈敏度不一樣 顯然選取故障電流小的一側(cè)作為制動電流時靈敏度較高 電磁式保護通常按照這一原則來選取制動電流 對于數(shù)字式保護 制動電流通常由各側(cè)電流綜合而成 以簡化整定計算和調(diào)試 例如 雙繞組變壓器 1 平均電流制動 2 復(fù)式制動 外部故障時由于 三種制動電流都等于變壓器的穿越電流 內(nèi)部故障時 制動電流的大小是不一樣的 在不考慮負(fù)荷電流影響時 后兩種方法的制動電流比較小 但應(yīng)該指出 在故障電流很大 負(fù)荷電流影響可以忽略的情況下 各種方法都有很高的靈敏度 只有在故障電流與負(fù)荷電流差不多甚至更小時 分析各種制動電流的相對大小才是有意義的 第三節(jié)變壓器的電流和電壓保護 為反應(yīng)變壓器外部故障而引起的變壓器繞組過電流 以及在變壓器內(nèi)部故障時作為差動保護和瓦斯保護的后備 變壓器主保護的近后備保護 相鄰母線或線路的遠后備保護 變壓器應(yīng)裝設(shè)過電流保護 根據(jù)變壓器容量和系統(tǒng)短路電流水平不同 實現(xiàn)保護的方式有 過電流保護 低電壓啟動的過電流保護 復(fù)合電壓起動的過電流保護及負(fù)序過電流保護 變壓器的過電流保護 I t 跳QF1 跳QF2 變壓器過電流保護的單相原理接線圖 變壓器過電流保護與線路保護中定時限過電流保護原理相同 保護動作后應(yīng)跳開變壓器兩側(cè)的斷路器 保護裝置的起動電流應(yīng)按照躲開變壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流IL max來整定 QF2 QF1 對并列運行的變壓器應(yīng)考慮因故障突然切除一臺所出現(xiàn)的過負(fù)荷 當(dāng)各臺變壓器容量相同時 可按 其中 n并列運行變壓器的最小臺數(shù) In每臺變壓器的額定電流 此時保護裝置的起動電流應(yīng)整定為 Krel 1 2 1 3Kre 0 85 0 95 IL max可按以下情況考慮 并取最大值 對降壓變壓器 考慮低壓側(cè)負(fù)荷電動機自起動時的最大電流KssIL max 起動電流應(yīng)整定為 Kss 自起動系數(shù) 其值與負(fù)荷性質(zhì)及用戶與電源間的電氣距離有關(guān) 110kV降壓變電站的6 110kV側(cè) 取Kss 1 5 2 5 110kV降壓變電站的35kV側(cè) 取Kss 1 5 2 0 保護的動作時限應(yīng)比相鄰元件保護的最大動作時限大 t 按上述條件選擇的起動電流 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 需采用以下幾種提高靈敏性的措施 低電壓起動的過電流保護 只當(dāng)電流元件和電壓元件同時動作后 才能起動時間繼電器 經(jīng)過預(yù)定的延時 起動出口繼電器動作于跳閘 分析 正常時 低壓繼電器的觸點全部斷開 中間繼電器線圈中無電流 故中間繼電器觸點斷開 abc 跳閘回路 電壓回路斷線指示 abc 跳閘回路 電壓回路斷線指示 當(dāng)a b相相間短路 低壓繼電器 1 觸頭閉合 中間繼電器線圈有電流 電流繼電器I1 I2動作 跳閘回路有信號輸出 abc 跳閘回路 電壓回路斷線指示 當(dāng)某路電壓回路斷線 中間繼電器觸點閉合 因跳閘回路無信號通過中間繼電器另一頭 故只發(fā)出電壓回路斷線指示 低電壓元件的作用是保證在上述一臺變壓器突然切除或電動機自起動時不動作 母線電壓正常 低電壓元件不動作 因而電流元件的整定值就可不再考慮可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流 而按大于變壓器的額定電流整定 即 低電壓元件的起動值應(yīng)小于在正常運行情況下母線上可能出現(xiàn)的最低工作電壓 同時 外部故障切除后 電動機自起動的過程中 它必須返回 根據(jù)運行經(jīng)驗 通常采用Uset 0 7Un 其中Un為變壓器的額定線電壓 低電壓繼電器的動作電壓按以下條件整定 并取最小值 1 按躲過正常運行時可能出現(xiàn)的最低工作電壓整定 UL min最低工作電壓 一般取0 9Un Krel可靠系數(shù) 取1 1 1 2 Kre繼電器的返回系數(shù) 取1 15 1 25 2 按躲過電動機自起動時的電壓整定 當(dāng)?shù)蛪豪^電器由變壓器低壓側(cè)互感器供電時 當(dāng)?shù)蛪豪^電器由變壓器高壓側(cè)互感器供電時 低電壓繼電器的靈敏系數(shù)按下式校驗 要求 3 復(fù)合電壓起動的過電流保護 復(fù)合電壓起動的過電流保護 將原來的三個低電壓繼電器改由一個負(fù)序電壓繼電器和一個接于線電壓的低電壓繼電器 組成 分析 正常時 無負(fù)序電壓 觸點閉合 觸點斷開 線圈中無電流 觸頭斷開 無跳閘信號 當(dāng)發(fā)生各種不對稱短路時 由于出現(xiàn)負(fù)序電壓 因此繼電器 動作 其常閉觸點打開 于是加于低電壓繼電器 上的電壓被迫變成零 則 動作 觸點閉合 這時電流繼電器 中至少應(yīng)有兩個動作 于是就可以起動時間繼電器 經(jīng)過預(yù)定的時限動作于跳閘 當(dāng)發(fā)生三相短路時 由于在短路開始瞬間一般會短時出現(xiàn)一個負(fù)序電壓 使繼電器4動作 因此 低電壓繼電器5不動作 5觸點閉合 待負(fù)序電壓消失后 繼電器4返回 觸點閉合 則繼電器5又接于線電壓Uca上 由于三相短路時 三相電壓均降低 故繼電器5仍將處于動作狀態(tài) 這時保護裝置的工作情況就相當(dāng)于一個低電壓起動的過電流保護 負(fù)序電壓元件的起動電壓按躲開正常運行方式下負(fù)序過濾器出現(xiàn)的最大不平衡電壓來整定 根據(jù)運行經(jīng)驗 起動電壓U2 set可取為 U2 set 0 06 0 12 Un 復(fù)合電壓起動的過電流保護具有以下優(yōu)點 由于負(fù)序電壓繼電器的整定值小 故在不對稱短路時 電壓元件的靈敏系數(shù)高 由于保護反應(yīng)負(fù)序電壓 因此對于變壓器的不對稱短路 與變壓器的接線方式無關(guān) 在三相短路時 如果由于瞬間出現(xiàn)負(fù)序電壓 使繼電器4和5動作 則在負(fù)序電壓消失后 5又接于線電壓上 只要5不返回 就可保證保護裝置繼續(xù)處于動作狀態(tài) 由于具有上述優(yōu)點且接線比較簡單 復(fù)合電壓起動的電流保護得到廣泛應(yīng)用 4 三繞組變壓器相間短路后備保護的特點 三繞組變壓器一側(cè)斷路器跳開后 另外兩側(cè)還能夠繼續(xù)運行 所以三繞組變壓器的相間后備保護在作為相鄰元件的后備時 應(yīng)該有選擇性地只跳開近故障點一側(cè)的斷路器 保證另外兩側(cè)繼續(xù)運行 盡可能的縮小故障影響范圍 而作為變壓器內(nèi)部故障的后備時 應(yīng)該跳開三側(cè)斷路器 使變壓器退出運行 4 三繞組變壓器相間短路后備保護的特點 I II III 為此 通常要在變壓器的兩側(cè)或三側(cè)都裝設(shè)過電流保護裝置 或復(fù)合電壓起動過電流等 各側(cè)保護之間要相互配合 保護的配置與變壓器主接線方式及其各側(cè)電源情況等因素有關(guān) 不同的運行單位配置方法也有所不同 k1點故障時 應(yīng)只跳開斷路器QF3 k2點故障時則將QF1 QF2 QF3全部跳開 第四節(jié)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(shè)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)零序電流和零序電壓 變壓器的接地后備通常都是反應(yīng)這些電氣量構(gòu)成的 一 變電所單臺變壓器的零序電流保護 中心點直接接地運行的變壓器都采用零序電流保護作用變壓器接地后備保護 零序電流保護通常采用兩段式 零序電流I段與相鄰元件零序電流保護I段 瞬時段 相配合 零序電流II段與相鄰元件零序電流保護后備段 注意 不是II段 相配合 與三繞組變壓器相間后備保護類似 零序電流保護在配置上要考慮縮小故障影響范圍的問題 根據(jù)需要 每段零序電流可設(shè)兩個時限 并以較短的時限動作于縮小故障影響范圍 以較長的時限斷開變壓器各側(cè)斷路器 QF1 TA QF QF2 系統(tǒng)接線 母聯(lián)斷路器 零序電流取自變壓器中性點電流互感器的二次側(cè) 由于是雙母線運行 在另一條母線故障時 零序電流保護應(yīng)該跳開母聯(lián)斷路器QF 使變壓器能夠繼續(xù)運行 所以零序電流I段和II段均采用兩個時限 短時限t1 t3跳開母聯(lián)斷路器QF 長時限t2 t4跳開變壓器兩側(cè)斷路器 若是母線 故障 則母聯(lián)斷開后 零序電流保護將自動返回 若不是母線 故障 則經(jīng)長時限后跳開變壓器兩側(cè)的斷路器 零序電流I段的動作電流按下式整定 Krel 可靠系數(shù) 取1 2 Kb 零序電流分支系數(shù) 相鄰元件零序電流I段的動作電流 零序電流I段的短時限取t1 0 5 1s 長延時在t2 t1 t上再增加一級時限 零序電流I段的靈敏系數(shù)按變壓器母線處故障校驗 II段按相鄰元件末端故障校驗 校驗方法與線路零序電流保護相同 對于三繞組變壓器 往往有兩側(cè)中性點直接接地運行 應(yīng)該在兩側(cè)的中性點上分別裝設(shè)兩段式的零序電流保護 各側(cè)的零序電流保護作為本側(cè)相鄰元件保護的后備和變壓器主保護的后備 在動作電流整定時要考慮對側(cè)接地故障的影響 靈敏度不夠時可考慮裝設(shè)零序電流方向元件 若不是雙母線運行 各段也設(shè)兩個時限 短時限動作于跳開變壓器的本側(cè)斷路器 長時限動作于跳開變壓器的各側(cè)斷路器 若是雙母線運行 也需要按照盡量減少影響范圍的原則 有選擇性的跳開母聯(lián)斷路器 變壓器本側(cè)斷路器和各側(cè)斷路器 第五節(jié)變壓器的瓦斯保護 電力變壓器通常是利用變壓器油作為絕緣和冷卻介質(zhì) 當(dāng)變壓器油箱內(nèi)故障時 在故障電流和故障點電弧的作用下 變壓器油和其它絕緣材料會因受熱而分解 產(chǎn)生大量氣體 氣體排出的多少以及排出速度 與變壓器故障的嚴(yán)重程度有關(guān) 利用這種氣體來實現(xiàn)保護的裝置 稱為瓦斯保護 瓦斯保護能夠保護變壓器油箱內(nèi)的各種輕微故障 例如繞組輕微的匝間短路 鐵芯燒損等 對于反應(yīng)電氣量的保護 這些故障往往靈敏度不夠 但像變壓器絕緣子閃絡(luò)等油箱外面的故障 瓦斯保護不能反應(yīng) 而這些故障屬于變壓器保護的范圍內(nèi) 所以瓦斯保護和縱差動保護一起構(gòu)成變壓器的主保護 應(yīng)該說 瓦斯保護的動作速度是比較慢的 如何提高縱差動保護在繞組匝間短路時的靈敏度仍是一個重要的課題 瓦斯繼電器有兩個輸出接點 一個反應(yīng)變壓器內(nèi)部的不正常情況或輕微故障 稱為 輕瓦斯 另一個反應(yīng)變壓器的嚴(yán)重故障 稱為 重瓦斯 輕瓦斯動作于信號 使運行人員能夠迅速發(fā)現(xiàn)故障并及時處理 重瓦斯動作于跳開變壓器各側(cè)斷路器 瓦斯保護的主要元件是瓦斯繼電器 又稱氣體繼電器 它安裝在油箱和油枕之間的連接管道上 瓦斯繼電器安裝圖 變壓器發(fā)生輕微故障時 油箱內(nèi)產(chǎn)生的氣體較少且速度慢 由于油枕處在油箱的上方 氣體沿管道上升到油面并集聚 使瓦斯繼電器周圍的油面下降 當(dāng)下降到動作門檻時 輕瓦斯動作 發(fā)出警告信號 發(fā)生嚴(yán)重故障時 故障點周圍的溫度劇增而迅速產(chǎn)生大量的氣體 變壓器內(nèi)部壓力升高 迫使變壓器油從油箱經(jīng)過管道向油枕方向沖擊 繼電器感受到的油速達到動作門檻時 重瓦斯動作 瞬時作用于跳閘回路 切除變壓器 以防事故擴大 2 過負(fù)荷保護 變壓器長期過負(fù)荷運行時 繞組會應(yīng)發(fā)熱而受到損傷 我國繼電保護規(guī)程規(guī)定 容量為400kVA及其以上的變壓器 應(yīng)根據(jù)過負(fù)荷的可能性及其大小裝設(shè)過負(fù)荷保護 過負(fù)荷保護在檢測到繞組電流大于動作電流后 經(jīng)延時發(fā)出信號 運行人員據(jù)此通過減少負(fù)荷等措施使變壓器保持正常運行狀態(tài) 由于變壓器三相負(fù)荷是基本對稱的 通常只檢測一相電流 過負(fù)荷保護的動作電流和延時根據(jù)變壓器繞組的過負(fù)荷倍數(shù) 相對于額定電流的倍數(shù) 和允許運行時間來整定 對于三繞組變壓器 各側(cè)負(fù)荷不同 額定容量也不一定相同 過負(fù)荷保護裝設(shè)于哪一側(cè)或哪幾側(cè) 需以能夠反映變壓器各繞組可能的過負(fù)荷情況確定 對于雙繞組變壓器 兩側(cè)繞組的負(fù)荷是相同的 而繞組的額定容量也相同 所以過負(fù)荷保護只需安裝在其中的一側(cè) 過負(fù)荷倍數(shù)比較大時 允許運行時間較短 反之允許運行時間較長 對于大型變壓器 可以采用反時限的過負(fù)荷保護 反時限特性與變壓器過負(fù)荷曲線相配合 對于一般的變壓器 則用定時限過負(fù)荷保護 時限設(shè)一段或兩段 3 過勵磁保護 由于電壓升高或頻率降低 引起變壓器鐵芯飽和 勵磁電流急劇增加 這個現(xiàn)象稱為變壓器的過勵磁 變壓器過勵磁后 鐵損增加 使鐵芯的溫度上升 同時還會使靠近鐵芯的金屬構(gòu)件產(chǎn)生渦流損耗 使這些部位發(fā)熱 引起高溫 過勵磁時并非每次都造成變壓器的明顯破壞 往往容易被人忽視 但是多次反復(fù)過勵磁 將因過熱而使絕緣老化 降低變壓器的使用壽命 我國繼電保護規(guī)程規(guī)定 對于有可能發(fā)生過勵磁的500kV變壓器應(yīng)裝設(shè)過勵磁保護 當(dāng)加在鐵芯繞組上的電壓是正弦波時 鐵芯磁密B 即磁通與鐵芯截面積之比 與電壓和頻率之間的關(guān)系為 其中K為常數(shù) 變壓器正常運行時 頻率和電壓均運行在額定值附近 鐵芯不會飽和 當(dāng)由于電壓升高或頻率降低等原因?qū)е麓琶艹^飽和磁密時 鐵芯就發(fā)生飽和 例如 超高壓遠距離輸電線路由于突然失去負(fù)荷而造成變壓器的過電壓 發(fā)電機變壓器組在起動過程中 在低轉(zhuǎn)速時由于操作上的失誤將電壓調(diào)整到額定值 從而使比值上升等 都會發(fā)生變壓器的過勵磁 n越大 對變壓器的危害越大 變壓器允許運行的時間t也越小 n與t的關(guān)系曲線稱為變壓器過勵磁倍數(shù)曲線 變壓器過勵磁保護通常采用反應(yīng)n大小的反時限保護 反時限特性與變壓器過勵磁倍數(shù)曲線相配合 第六章習(xí)題 1 變壓器可能發(fā)生哪些故障和不正常運行狀態(tài) 它們與線路相比有何異同 2