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文檔簡介
1、變壓器保護原理及調試變壓器保護原理一變壓器的故障及不正常運行方式1變壓器的故障若以故障點的位置對故障分類,有油箱內的故障和油箱外的故障。(1)油箱內的故障變壓器油箱內的故障,主要有各側的相間短路,大電流系統(tǒng)側的單相接地短路及同相部分繞組之間的匝間短路。(2)油箱外的故障變壓器油箱外的故障,系指變壓器繞組引出端絕緣套管及引出短線上的故障。主要有相間短路(兩相短路及三相短路)故障,大電流側的接地故障、低壓側的接地故障。2變壓器的異常運行方式大型超高壓變壓器的不正常運行方式主要有:由于系統(tǒng)故障或其他原因引起的過負荷,由于系統(tǒng)電壓的升高或頻率的降低引起的過激磁,不接地運行變壓器中性點電位升高,變壓器油
2、箱油位異常,變壓器溫度過高及冷卻器全停等。三變壓器保護的配置變壓器短路故障時,將產生很大的短路電流,使變壓器嚴重過熱,甚至燒壞變壓器繞組或鐵芯。特別是變壓器油箱內的短路故障,伴隨電弧的短路電流可能引起變壓器著火。另外短路電流產生電動力,可能造成變壓器本體變形而損壞。變壓器的異常運行也會危及變壓器的安全,如果不能及時發(fā)現(xiàn)及處理,會造成變壓器故障及損壞變壓器。為確保變壓器的安全經濟運行,當變壓器發(fā)生短路故障時,應盡快切除變壓器;而當變壓器出現(xiàn)不正常運行方式時,應盡快發(fā)出告警信號及進行相應的處理。為此,對變壓器配置整套完善的保護裝置是必要的。1短路故障的主保護變壓器短路故障的主保護,主要有縱差保護、
3、重瓦斯保護、壓力釋放保護。另外,根據(jù)變壓器的容量、電壓等級及結構特點,可配置零差保護及分側差動保護。2短路故障的后備保護目前,電力變壓器上采用較多的短路故障后備保護種類主要有:復合電壓閉鎖過流保護;零序過電流或零序方向過電流保護;負序過電流或負序方向過電流保護;復合電壓閉鎖功率方向保護;低阻抗保護等。3異常運行保護變壓器異常運行保護主要有:過負荷保護,過激磁保護,變壓器中性點間隙保護,輕瓦斯保護,溫度、油位保護及冷卻器全停保護等。變壓器縱差保護一變壓器縱差保護的構成原理及接線與發(fā)電機、電動機及母線差動保護(縱差保護)相同,變壓器縱差保護的構成原理也是基于克希荷夫第一定律,即(11-9)式中:變
4、壓器各側電流的向量和。式(119)代表的物理意義是:變壓器正常運行或外部故障時,流入變壓器的電流等于流出變壓器的電流。此時,縱差保護不應動作。當變壓器內部故障時,若忽略負荷電流不計,則只有流進變壓器的電流而沒有流出變壓器的電流,其縱差保護動作,切除變壓器。在以前的模擬式保護中,變壓器縱差保護的原理接線如圖11-12所示。圖11-12變壓器縱差保護原理接線圖在圖11-12中:lh1、lh2分別為變壓器兩側的差動ta;ja、jb、jc分別為a、b、c三相的三個分相差動繼電器。可以看出:圖11-12為接線組別為yn,d11變壓器的分相差動保護的原理接線圖。該接線圖也適用于微機型變壓器差動保護。圖中相
5、對極性的標號采用減極性標示法。二實現(xiàn)變壓器縱差保護的技術難點實現(xiàn)發(fā)電機、電動機及母線的縱差保護比較容易。這是因為這些主設備在正常工況下或外部故障時其流進電流等于流出電流,能滿足的條件。而變壓器卻不同。變壓器在正常運行、外部故障、變壓器空投及外部故障切除后的暫態(tài)過程中,其流入電流與流出電流相差較大或很大。為此,要實現(xiàn)變壓器的縱差保護,需要解決幾個技術難點。1變壓器兩側電流的大小及相位不同變壓器正常運行時,若不計傳輸損耗,則流入功率應等于流出功率。但由于兩側的電壓不同,其兩側的電流不會相同。超高壓、大容量變壓器的接線方式,均采用yn,d方式。因此,流入變壓器電流與流出變壓器電流的相位不可能相同。當
6、接線組別為yn,d11(或yn,d1)時,變壓器兩側電流的相位相差300。流入變壓器的電流大小和相位與流出電流大小和相位不同,則就不可能等于零或很小。2穩(wěn)態(tài)不平衡電流大與發(fā)電機、電動機及母線的縱差保護相比,即使不考慮正常運行時某種工況下變壓器兩側電流大小與相位的不同,變壓器縱差保護兩側的不平衡電流也大。其原因是:(1)變壓器有激磁電流變壓器鐵芯中的主磁通是由激磁電流產生的,而激磁電流只流過電源側,在實現(xiàn)的縱差保護中將產生不平衡電流。激磁電流的大小和波形,受磁路飽和的影響,并由變壓器鐵芯材料及鐵芯的幾何尺寸決定,一般為變壓器額定電流的3%8%。大型變壓器的激磁電流相對較小。(2)變壓器帶負荷調壓
7、為滿足電力系統(tǒng)及用戶對電壓質量的要求,在運行中,根據(jù)系統(tǒng)的運行方式及負荷工況,要不斷改變變壓器的分接頭。變壓器分接頭的改變,相當于變壓器兩側之間的變比發(fā)生了變化,將使兩側之間電流的差值發(fā)生了變化,從而增大了其縱差保護中的不平衡電流。根據(jù)運行實際情況,變壓器帶負荷調壓范圍一般為5%。因此,由于帶負荷調壓,在縱差保護產生的不平衡電流可達5%的變壓器額定電流。(3)兩側差動ta的變比與計算變比不同變壓器兩側差動ta的名牌變比,與實際計算值不同,將在縱差保護產生不平衡電流。另外,兩側ta的型號及變比不一,也將使差動保護中的不平衡電流增大。由于兩側ta變比誤差在差動保護中產生的不平衡電流可取6%變壓器額
8、定電流。3暫態(tài)不平衡電流大(1)兩側差動ta型號、變比及二次負載不同與發(fā)電機縱差保護不同,變壓器兩側差動ta的變比不同、型號不同;由各側ta端子箱引至保護盤ta二次電纜的長度相差很大,即各側差動ta的二次負載相差較大。差動ta型號及變比不同,其暫態(tài)特性就不同;差動ta二次負載不同,二次回路的暫態(tài)過程就不同。這樣,在外部故障或外部故障切除后的暫態(tài)過程中,由于兩側電流中的自由分量相差很大,可能使兩側差動ta二次電流之間的相位發(fā)生變化,從而可能在縱差保護中產生很大的不平衡電流。(2)空投變壓器的勵磁涌流空投變壓器時產生的勵磁涌流的大小,與變壓器結構有關,與合閘前變壓器鐵芯中剩磁的大小及方向有關,與合
9、閘角有關;此外,尚與變壓器的容量、距大電源的距離(即變壓器與電源之間的聯(lián)系阻抗)有關。多次測量表明:空投變壓器時的勵磁涌流通常為其額定電流的26倍,最大可達8倍以上。由于勵磁涌流只由充電側流入變壓器,對變壓器縱差保護而言是一很大的不平衡電流。(3)變壓器過激磁在運行中,由于電源電壓的升高或頻率的降低,可能使變壓器過激磁。變壓器過激磁后,其勵磁電流大大增加。使變壓器縱差保護中的不平衡電流大大增加。(4)大電流系統(tǒng)側接地故障時變壓器的零序電流當變壓器高壓側(大電流系統(tǒng)側)發(fā)生接地故障時,流入變壓器的零序電流因低壓側為小電流系統(tǒng)而不流出變壓器。因此,對于變壓器縱差保護而言,上述零序電流為一很大的不平
10、衡電流。三空投變壓器的勵磁涌流1勵磁涌流產生的機理以單相變壓器為例,說明其空投時勵磁涌流產生的機理。忽略變壓器及合閘回路電阻的影響,電源電壓的波形為正弦波。則空投瞬間變壓器鐵芯中的磁通與外加電壓的關系為(11-10)式中:w變壓器空投側繞組的匝數(shù);鐵芯中的磁通;um電源電壓的幅值;合閘角;角速率,當頻率為50hz,314。由式(11-10)可得(11-11)式(11-11)為一不定積分方程,求解得(11-12)式(11-12)中:c積分常數(shù),由初始條件確定。當t0時,則(11-13)式中:合閘前鐵芯中的剩磁通。將式(11-13)代入(11-12),并考慮到電源回路及變壓器繞組的有效電阻及損耗(
11、11-14)式是: ;t時間常數(shù),與合閘回路的損耗及感抗有關。式(11-14)中的第一項為磁通的強迫分量,而第二項為磁通的自由分量或衰減的分量。由式(11-14)可以看出,在空投變壓器的瞬間,鐵芯中的磁通由三部分組成:強迫磁通,剩磁通及決定于合閘角的磁通。根據(jù)式11-14及不考慮自由分量衰減并設合閘角剩磁時,在合閘瞬間變壓器鐵芯中的綜合磁通變化曲線如圖(11-13)所示的曲線。圖11-13空投變壓器時變壓器鐵芯中的磁通變化波形在圖(11-13)中:曲線1外加電壓波形;曲線2鐵芯中的強迫磁通(或穩(wěn)定磁通);曲線3空投變壓器時鐵芯中綜合磁通波形??梢钥闯觯寒敵跏己祥l角等于00、變壓器鐵芯中的剩余磁
12、通0.9時,鐵芯中的最大磁通達2.9,從而使變壓器鐵芯嚴重飽和,勵磁電流猛增,即產生所謂勵磁涌流。2勵磁涌流的特點在某臺變壓器空投時拍攝的變壓器三相勵磁涌流的波形如圖(11-14)所示。圖11-4空投變壓器的勵磁涌流由圖11-14可以看出勵磁涌流有以下幾個特點:(1) 偏于時間軸一側,即涌流中含有很大的直流分量;(2) 波形是間斷的,且間斷角很大,一般大于1500;(3) 由于波形間斷,使其在一個周期內正半波與負半波不對稱;(4) 含有很大的二次諧波分量,若將涌流波形用福里葉級數(shù)展開或用諧波分析儀進行測量分析,不同時刻涌流中二次諧波分量與基波分量的百分比大于30%,有的達80%甚至更大;(5)
13、 在同一時刻三相涌流之和近似等于零;另外,勵磁涌流是衰減的,衰減的速度與合閘回路及變壓器繞組中的有效電阻和電感有關。3影響勵磁涌流大小的因素由式(11-14)可以看出,空投變壓器時鐵芯中的磁通的大小與、及有關。而勵磁涌流的大小與鐵芯中磁通的大小有關。磁通越大,鐵芯越飽和,勵磁涌流就越大。因此,影響勵磁涌流大小的因素主要有:(1)電源電壓變壓器合閘后,鐵芯中強迫磁通的幅值。因此,電源電壓越高,越大,勵磁涌流越大。(2)合閘角當合閘角0時,最大,勵磁涌流大;而當900,等于零,勵磁涌流較??;(3)剩磁合閘之前,變壓器鐵芯中的剩磁越大,勵磁涌流就越大。另外,當剩磁的方向與合閘之后的方向相同時,勵磁涌
14、流就大。反之亦反。此外,勵磁涌流的大小,尚與變壓器的結構、鐵芯材料及設計的工作磁密有關。變壓器的容量越小,空投時勵磁涌流與其額定電流之比就越大。測量表明:空投變壓器時,變壓器與電源之間的阻抗越大,勵磁涌流越小。在末端變電站,空投變壓器時最大的勵磁涌流可能小于其額定電流的2倍。四變壓器縱差保護的實現(xiàn)實現(xiàn)變壓器縱差保護,要解決的技術問題主要有:在正常工況下,使差動保護各側電流的相位相同或相反,使由變壓器各側ta二次流入差動保護的電流產生的效果相同,即是等效的;空投變壓器時不會誤動,即差動保護能可靠躲過勵磁涌流;大電流側系統(tǒng)內發(fā)生接地故障時保護不會誤動;能可靠躲過穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)不平衡電流。1差動保護兩側
15、電流的移相方式呈y,d接線的變壓器,兩側電流的相位不同,若不采取措施,要滿足各側電流的向量和等于零,即,根本不可能。因此,要使正常工況下差動保護各側的電流向量和為零,首先應將某一側差動ta二次電流進行移相。在變壓器縱差動保護中,對某側電流的移相方式有兩類共4種。兩類是:通過改變差動ta接線方式移相(即由硬件移相);由計算機軟件移相。4種是:改變高壓側差動ta接線方式移相;采用輔ta移相;由軟件在差動元件高壓側移相;由軟件在差元件低壓側移相。(1)改變差動ta接線方式進行移相過去的模擬式變壓器縱差保護,大多采用改變高壓側差動ta的接線方式進行移相的。對于微機型保護也可采用這種移相方式。采用上述移
16、相方式時,需首先知道變壓器的接線組別。變壓器的接線組別不同,相應的差動ta的接線組別亦不相同。(i)yn,d11變壓器差動ta的接線組別 yn,d11變壓器及縱差保護差動ta接線原理圖如圖11-12所示。在圖11-12中,由于變壓器低壓側各相電流分別超前高壓側同名相電流300,因此,低壓側差動ta二次電流(也等于流入差動元件的電流)也超前高壓側同名相電流300。而從高壓側差動ta二次流入各相差動元件的電流(分別為ta二次兩相電流之差)滯后變壓器同名相電流1500。因此,各相差動元件的兩側電流的相位相差1800。(ii)yn,d5變壓器及差動ta的接線組別yn,d5變壓器及差動ta的原理接線如圖
17、11-15所示。圖11-15 yn,d5變壓器及差動ta原理接線圖在圖11-15中:、變壓器高壓側三相一次電流;、變壓器高壓側ta二次各相輸出電流(分別為對應兩相電流之差);、變壓器低壓側ta二次三相電流;ja、jb、jc三相差動元件。由圖11-15可以看出:正常工況下,從低壓側差動ta二次流入各相差動元件的電流、分別滯后變壓器高壓側一次同名相電流、1500;而從高壓側差動ta二次流入各差動元件的電流、分別超前、300,故與、與、與相位相差1800。(iii)yn,d1變壓器及差動ta的接線yn,d1變壓器及差動ta的原理接線如圖11-16所示。圖11-16 yn,d1變壓器及差動ta原理接線
18、圖在圖11-16中,各符號的物理意義同圖11-15。由圖11-16可以看出:正常工況下,從低壓側ta二次流入各差動元件的電流、分別滯后變壓器高壓側一次同名相電流、300;而從高壓側ta二次流入各相差動元件的電流、分別超前同名相電流、1500,故與、與、與相位相差1800。由以上所述可知,改變變壓器高壓側ta接線移相的實質是:對于接線組別分別為yn,d11、yn,d1及yn,d5的變壓器,其縱差保護差動ta的接線應分別為d11,y、d1,y及d5,y,從而使正常工況下各相差動元件兩側電流的相位相差1800。(2)接入輔助ta的移相方式用輔助ta的電流移相方式,與用改變差動ta接線方式對電流進行移
19、相的方法實質相同。對于yn,d接線的變壓器,其差動ta的接線為y,y,而在保護裝置中設置一組輔助ta,接成d形,接入變壓器高壓側差動ta二次,對該側電流進行移相,以達到正常工況下使各相差動元件兩側電流相位相反的目的。當然,對于不同接線組別的變壓器,輔助ta的連接方式不相同。(3)用軟件對高壓側電流移相運行實踐表明:通過改變變壓器高壓側差動ta接線方式對電流進行移相的方法,有許多優(yōu)點,但也有缺點。其主要缺點是:第一次投運的變壓器,若某相差動ta的極性接錯,分析及處理相對較麻煩。另外,實現(xiàn)差動元件的ta斷線閉鎖也比較困難。在微機型保護裝置中,通過計算軟件對變壓器縱差保護某側電流的移相方式已被廣泛采
20、用。對于y,d接線的變壓器,當用計算機軟件對某側電流移相時,差動ta的接線均采用y,y。用計算機軟件對變壓器高壓側差動ta二次電流的移相方式,是采用計算差動ta二次兩相電流差的方式。分析表明,這種移相方式與采用改變ta接線進行移相的方式是完全等效的。這是因為取y形接線ta二次兩相電流之差與將y形接線ta改成形接線后取一相的輸出電流是等效的。應當注意的是:用軟件實現(xiàn)移相時,究竟取哪兩相ta二次電流之差?這應由變壓器的接線組別決定。當變壓器的接線組別為yn,d11時,在y側流入a、b、c三個差動元件的計算電流,應分別取、(、差動ta二次三相電流)。當變壓器的接線組別為yn,d1時,在y側三個差動元
21、件的計算電流應分別為-、-及-;當變壓器接線組別為yn,d5時,則三個計算電流分別為-、-、。(4)用軟件在低壓側移相方式就兩側差動ta的接線方式而言,用軟件在低壓側移相方式與用軟件在高壓側移相方式相同,差動ta的接線均為y,y。在變壓器低壓側,將差動ta二次各相電流移相的角度,也由變壓器的接線組別決定。當變壓器接線組別為yn,d11時,則應將低壓側差動ta二次三相電流以次向滯后方向移動300;當變壓器接線組別為yn,d1時,則將低壓側差動ta二次三相電流分別向超前方向移動300;而當變壓器接線組別為yn,d5時,則應分別將低壓側差動ta二次三相電流向超前方向移動1500。2消除零序電流進入差
22、動元件的措施對于yn,d接線的變壓器,當高壓側線路上發(fā)生接地故障時,(對縱差保護而言是區(qū)外故障),有零序電流流過高壓側,而由于低壓側繞組為d聯(lián)接,在變壓器的低壓側無零序電流輸出。這樣,若不采取相應的措施,在變壓器高壓側系統(tǒng)中發(fā)生接地故障時,縱差保護可能誤動而切除變壓器。當變壓器高壓側發(fā)生接地故障時,為使變壓器縱差保護不誤動,應對裝置采取措施而使零序電流不進入差動元件。對于差動ta接成d,y及用軟件在高壓側移相的變壓器縱差保護,由于從高壓側通入各相差動元件的電流分別為兩相電流之差,已將零序電流濾去,故沒必要再采取其他濾去零序電流的措施。對于用軟件在低壓側進行移相的變壓器縱差保護,在高壓側流入各相
23、差動元件的電流應分別為,因為為零序電流,故在高壓側系統(tǒng)中發(fā)生接地故障時,不會有零序電流進入各相差動元件。應當指出,對于接線為yn,y的變壓器(主要指發(fā)電廠的啟備變),在其縱差保護裝置中,應采取濾去高壓側零序電流的措施,以防高壓側系統(tǒng)中接地短路時差動保護誤動。3差動元件各側之間的平衡系數(shù)若變壓器兩側差動ta二次電流不同,則從兩側流入各相差動元件的電流大小亦不相同,從而無法滿足。在實現(xiàn)變壓器縱差保護時,采用“作用等效”的概念。即使兩個不相等的電流產生作用(對差動元件)的大小相同。 在微機型變壓器保護裝置中,引用了一個將兩個大小不等的電流折算成作用完全相同電流的折算系數(shù),將該系數(shù)稱作為平衡系數(shù)。根據(jù)
24、變壓器的容量,接線組別、各側電壓及各側差動ta的變比,可以計算出差動兩側之間的平衡系數(shù)。設變壓器的容量為se,接線組別為yn,d11兩側的電壓分別為uy及u,兩側差動ta的變比分別為及,若以變壓器側為基準側,計算出差動元件兩側之間的平衡系數(shù)k。(i)差動ta接線為d,y(用改變差動ta接線方式移相)變壓器兩側差動ta二次電流及分別為要使,則平衡系數(shù)(11-15)(ii)差動ta接線為yn, y,由軟件在高壓側移相差動兩側ta二次電流分別為、每相差動元件兩側的計算電流高壓側:兩相電流之差低壓側:故平衡系數(shù)(11-16)可以看出:式(11-15)與式(11-16)完全相同。由上所述,可以得出如下的
25、結論:對于yn,d接線的變壓器,用改變ta接線方式移相及由軟件在高壓側移相,差動元件兩側之間的平衡系數(shù)完全相同。此外,該平衡系數(shù)只與變壓器兩側的電壓及差動ta的變比有關,而與變壓器的容量無關。(iii)差動ta接線為y,y、由軟件在低壓側移相平衡系數(shù)(11-17)表11-1為三卷變壓器縱差保護各側之間平衡系數(shù)計算表表11-1y,y,d變壓器縱差保護各側之間的平衡系數(shù)(以低壓側為基準值)項目名稱各側系數(shù)高壓側(h)中壓側(m)低壓側(l)ta接線yyyta二次電流各相差動元件的計算電流對低壓側的平衡系數(shù)1說明:表中列出的平衡系數(shù)是用軟件在高壓側移相或用改變ta接線方式移相的條件下計算出來的。se
26、變壓器的額定容量;、分別為高壓側額定電壓及ta的變比;、分別為變壓器中壓側額定電壓及ta的變比;、分別為變壓器低壓側額定電壓及ta變比。4躲涌流措施在變壓器縱差保護中,是利用涌流的各種特征量(含有直流分量、波形間斷或波形不對稱、含有二次諧波分量)作為制動量或進行制動,來躲過空投變壓器時的勵磁涌流。5躲不平衡電流(暫態(tài)不平衡電流及穩(wěn)態(tài)不平衡電流)大的措施運行實踐表明,對變壓器縱差保護進行合理地整定計算,適當提高其動作門坎,可以使其有效地躲過不平衡電流大的影響。五微機變壓器縱差保護1構成及邏輯框圖大型超高壓變壓器的縱差保護,由分相差動元件、涌流閉鎖元件、差動速斷元件、過激磁閉鎖元件及ta斷線信號(
27、或閉鎖)元件構成。涌流閉鎖方式可采用分相閉鎖或采用“或門”閉鎖方式。其邏輯框圖分別如圖11-17及圖11-18所示。圖11-17“或門”閉鎖式變壓器縱差保護邏輯框圖圖11-18“分相”閉鎖式變壓器縱差保護邏輯框圖涌流“分相”閉鎖方式,是指某相的涌流閉鎖元件只對本相的差動元件有閉鎖作用,而對其它相無閉鎖作用。而涌流“或門”閉鎖方式,是指:在三相涌流閉鎖元件中,只要有一相滿足閉鎖條件,立即將三相差動元件全部閉鎖。由圖11-14可以看出,變壓器空投時,三相勵磁涌流是不相同的。各相勵磁涌流的波形、幅值及二次諧波的含量不相同。對某些變壓器空投錄波表明,在某些條件下,三相涌流之中的某一相可能不滿足閉鎖條件
28、。此時,若采用“或門閉鎖的縱差保護,空投變壓器時不會誤動。而采用“分相”閉鎖方式的差動保護,空投變壓器時容易誤動。采用“分相”閉鎖方式的優(yōu)點是:如果空投變壓器時發(fā)生內部故障,保護能迅速而可靠動作并切除變壓器;而“或門”閉鎖方式的差動保護,則有可能拒動或延緩動作。2差動元件的作用原理目前,在廣泛應用的變壓器縱差保護裝置中,為提高內部故障時的動作靈敏度及可靠躲過外部故障的不平衡電流,均采用具有比率制動特性的差動元件。不同型號的縱差保護裝置,其差動元件的動作特性不相同。差動元件的動作特性曲線,有i段折線式、ii段折線式及三段折線式。采用較多的為二段折線式。(1)動作方程差動元件動作特性不同,其動作方
29、程有差異。以下,介紹動作特性為i段折線式、ii段折線式及iii段折線式差動元件的動作方程。(i)i段折線式差動元件國外生產的變壓器縱差保護中,有采用i段折線式動作特性的差動元件的。其動作方程可用下式表示 (11-18)式中:差電流,對于兩卷變壓順(、分別為差動元件兩側的電流); 差動元件的啟動電流,也叫最小動作電流,或初始動作電流;折線的斜率,通常叫比率動系數(shù);制動電流,一般取差動元件各側電流中的最大者,即,也有采用的。(ii)二段折線式差動元件在國內,廣泛采用的變壓器縱差保護,多采用具有二段折線式動作特性的差動元件。其動作方程為.(11-19)在式(11-19)中:拐點電流,即開始出現(xiàn)制動作
30、用的最小制動電流;其他符號的物理意義同式(11-18)。(iii)三段折線式差動元件根據(jù)用戶的要求,微機變壓器縱差保護的動作特性可作成三段折線式或多段折線式。三段折絲式差動元件的動作方程為 .(11-20)在式(11-20)中:第二段折線的斜率;第三段折線的斜率;第二個拐點電流;其他符號的物理意義同式(11-19)。(2)動作特性曲線根據(jù)式(11-18)、式(11-19)及式(11-20),繪制出動作特性分別i段折線式、ii段折線式及三段折線式差動元件的動作特性曲線,分別如圖11-19、圖11-20及圖11-21所示。圖11-19動作特性為i段折線式差動元件圖11-20二段折線式差動元件的的動
31、作特性曲線動作特性曲線圖11-21三段折線式差動元件的動作特性曲線(3)對三種差動元件動作特性的比較由圖11-19、圖11-20及圖11-21可以看出,具有比率制動特性差動元件的動作特性,由三個物理量來決定:即由啟動電流,拐點電流、及比率制動系數(shù)(特性曲線的斜率、)來決定。由于差動元件的動作靈敏度及躲區(qū)外故障的能力與其動作特性有關,因此,與、及有關。比較動作特性曲線不同幾個差動元件的動作靈敏度,可比較它們的、及??梢钥闯觯寒攩与娏骷氨嚷手苿酉禂?shù)相同的情況下,拐點電流越小,其動作區(qū)越小,動作靈敏度就低。此時(各曲線的及s相同),動作特性如圖11-19所示的差動元件的動作靈敏度,比其他兩個差動元
32、件低,而躲區(qū)外故障的能力比其他兩個高。在比較幾個差動元件的動作靈敏度及躲區(qū)外故障的能力時,只有將上述三個物理量中的兩個固定之后才能進行,而當三個物理量均為變量時是無法比較的。在其他兩個量固定之后,比率制動系數(shù)越小,或拐點電流越大,或初始動作電流越小,差動元件動作靈敏度越高,但躲區(qū)外故障的能力越差。數(shù)十年的運行實踐表明,只要對啟動電流、,拐點電流及比率制動系數(shù)進行合理的整定,具有二段折線式動作特性的差動元件,完全能滿足動作靈敏度及工作可靠性的要求。3涌流閉鎖元件目前,在廣泛應用的變壓器縱差保護裝置中,通常采用勵磁涌流的特征量之一作為閉鎖元件來實現(xiàn)躲過勵磁涌流。在電磁型差動繼電器中(bch型繼電器
33、),設置速飽和變流,是根據(jù)涌流中有直流分量原理躲涌流的。在晶體管保護和集成電路保護裝置中,是采用波形間斷原理或二次諧波制動原理躲過涌流的。在微機型保護裝置中,是采用二次諧波制動或間斷角原理或波形對稱原理來區(qū)分故障電流與勵磁涌流的。(1)二次諧波制動原理二次諧波制動原理的實質是:利用差動元件差電流中的二次諧波分量作為制動量,區(qū)分出差流是故障電流還是勵磁涌流,實現(xiàn)躲過勵磁涌流。在具有二次諧波制動的差動保護中,采用一個重要的物理量,即二次諧波制動比來衡量二次諧波電流的制動能力。所謂二次諧波制動比,是指:在差動元件的差電流中,含有基波分量和二次諧波分量,其基波分量大于差動元件的動作電流,而差動元件處于
34、臨界制動狀態(tài),此時,二次諧波分量電流與基波分量電流的百分比,叫做二次諧波制動比。即.(11-21)式中:二次諧波制動比;基波電流;二次諧波電流。由二次諧波制動比定義的邊界條件及式(11-21)可以看出,二次諧波制動比越大,與基波電流相比,單位二次諧波電流產生的作用相對越?。欢沃C波制動比越小,單位二次諧波電流產生的制動作用相對越大。因此,在對具有二次諧波制動的差動保護進行定值整定時,二次諧波制動比整定值越大,該保護躲過勵磁涌流的能力越弱;反之,二次諧波制動比整定值越小,保護躲勵磁涌流的能力越強。(2)間斷角原理變壓器內部故障時,故障電流波形無間斷;而變壓器空投時,勵磁涌流的波形是間斷的,具有
35、很大的間斷角(一般大于1500)。按間斷角原理構成的差動保護,是根據(jù)差電流波形是否有間斷及間斷角的大小來區(qū)分故障電流與勵磁涌流的。(i)關于間斷角說明間斷角原理的波形圖如圖11-22所示。圖11-22間斷角原理圖在圖11-22中:制動電流(直流),其中包括直流門坎值折算成的制動電流量;流過差動元件的差流(將負半波反向之后);間斷角。由圖可以看出,間斷角的物理意義是:在差流的半個周期內,差動量小于制動量的角度。(ii)差動元件的閉鎖角閉鎖角,是按間斷角原理構成的變壓器縱差保護的一個重要物理量,用它來判斷差動元件中的差流是故障電流還是勵磁涌流引起的。當測量出的間斷角,滿足時,則判斷差流為勵磁涌流,
36、將保護閉鎖。此時,即是,保護也不會動作。當測量出的間斷角,滿足時,則認為差動元件中的差流為故障電流。當故障電流時,差動保護動作,切除變壓器。(iii)保護工況分析變壓器正常運行時差流很小,圖11-22中的很小,而較大,直線將在項點的上方。此時,間斷角,且,保護可靠不動作。變壓器空投時,產生很大的勵磁涌流。設勵磁涌流的波形如圖11-23中的所示。圖11-23空投變壓器時的差流和制動電流波形由圖11-23可以看出:盡管差流波型幅值很大(能滿足),但由于間斷角很大(大于閉鎖角),差動保護將被可靠閉鎖。當變壓器內部故障時,流入差動元件的差流很大且無間斷。設故障電流波形如圖11-24中的所示。圖11-2
37、4變壓器內部故障時差流和制動電流波形由圖11-24可以看出,很?。ǎ?。又由于差流幅值很大,能滿足,故差動保護動作,作用于切除變壓器。(iv)定值的影響當差動元件的啟動電流為定值時,整定的閉鎖角越小,則要求在半個周期內差流大于制動電流的角度越大,即交流制動系數(shù)越大。空投變壓器時,差動元件越不容易誤動。反之,閉鎖角整定值越大,躲勵磁涌流的能力越小。(3)波形對稱原理在微機型變壓器縱差保護中,采用波形對稱算法,將勵磁涌流同變壓器故障電流區(qū)分開來。其計算方法如下:首先將流入差動元件的差流進行微分,濾去電流中的直流分量,使電流波形不偏移橫坐標軸(即時間軸)的一側,然后比較每個周期內差電流的前半波與后半波
38、的量值。設表示差流微分后波形上前半周某一點的值,表示差流波形微分后波形上與點相差1800點的值,k為比率常數(shù),則當若滿足(11-22)則認為波形是對稱的,否則認為波形不對稱。在式(11-22)中,k又稱不對稱系數(shù),通常等于1/2。變壓器內部故障時,值與值大小基本相等、相位基本相反,則與大小相等方向相反,+,-。此時,k。差動保護動作。勵磁涌流的波形具有很大的間斷角,值與值相差很大,相位也不會相差1800,因此,+可能較-還大,k值將大于1/2。差動保護被閉鎖。(4)磁制動原理磁制動涌流閉鎖原理,是利用計算變壓器的磁通特性來區(qū)分勵磁涌流與故障電流的。忽略不計變壓器繞組電阻及鐵芯的有效損耗,帶電后
39、變壓器的t型等值網(wǎng)路如圖11-25所示。圖11-25變壓器的等值網(wǎng)路在圖11-25中:l1、l2分別為變壓器原邊與付邊的漏感;m變壓器激磁電感;、變壓器輸入及輸出電流;、變壓器輸入及輸出電壓;變壓器的激磁電流,。由圖11-25可得到變壓器的電勢的簡化方程 (11-23)由于l1是漏磁通產生的,其值很小,故可將式(11-23)簡化為 (11-24)激磁電感m的大小與變壓器鐵芯激磁特性有關,當變壓器工作磁密變化時(沿磁化曲線變化),m值也隨之變化。因此,m值能反映鐵芯中的磁密在磁化曲線上的部位。當工作磁密在磁化曲線上的飽和位置時,m值大大降低,從而出現(xiàn)勵磁涌流。在微機型變壓器差動保護裝置中,可用檢
40、測激磁電感m的變化來區(qū)分勵磁涌流和故障電流。由式(11-24)可得。再進一步簡化得(11-25)在式(11-25)中:n時刻的外加電壓值;(n+1)時刻的激磁電流;(n-1)時刻的激磁電流;n時刻的激磁電感。在保護裝置中,結合對差流波形的計算,計算電流上升沿開始幾個點的m值。當(11-26)時,判斷為勵磁涌流,否則判為故障電流。式(11-26)中:上升沿第n個采樣點激磁電感;上升沿第n+m個采樣點的激磁電感;k常數(shù)。4過激磁閉鎖元件運行中的變壓器,當由于某種原因造成過激磁時,可能導致縱差保護誤動。對于超高壓大型變壓器,為防止過激磁運行時縱差保護誤動,設置過激磁閉鎖元件。當變壓器過激磁時,將縱差
41、保護閉鎖。變壓器過激磁,激磁電流中的5次諧波分量大大增加。變壓器縱差保護的過激磁閉鎖元件,實際上是采用5次諧波電流制動元件。即當差流中的5次諧波分量大于某一值時,將差動保護閉鎖。在變壓器縱差保護中,采用5次諧波制動比這個物理量,來衡量5次諧波電流的制動能力。所謂5次諧波制動比,是指:差流中有基波電流及5次諧波電流,其中基波電流大于差動元件的動作電流,而差動元件處于臨界制動狀態(tài)。此時,5次諧波電流與基波電流的百分比(11-27)叫5次諧波制動比。式(11-27)中:5次諧波電流;基波電流。與二次諧波制動比類似,5次諧波制動比越大,單位5次諧波電流產生的制動作用越小,差動保護躲過激磁的能力越差;反
42、之,5次諧波制動比越小,單位5次諧波電流產生的制動作用越大,差動保護躲變壓器過激磁的能力越強。5差動速斷元件差動速斷元件,實際上是縱差保護的高定值差動元件。前已述及,對變壓器縱差保護設置的涌流閉鎖元件,主要是根據(jù)勵磁涌流的特征量之一:“波形畸變”或“諧波分量大”實現(xiàn)的。當變壓器內部嚴重故障ta飽和時,ta二次電流的波形將發(fā)生嚴重畸變,其中含有大量的諧波分量,從而使涌流判別元件誤判斷成勵磁涌流,致使差動保護拒動或延緩動作,嚴重損壞變壓器。為克服縱差保護的上述缺點,設置差動速斷元件。差動速斷元件反映的也是差流。與差動元件不同的是:它反映差流的有效值。不管差流的波形如何及含有諧波分量的大小,只要差流
43、的有效值超過了整定值,它將迅速動作而切除變壓器。第四節(jié)其他差動保護根據(jù)變壓器的類型、容量、電壓等級及其他特點,除應裝設反應變壓器內部故障的縱差保護之外,還可裝只反映某一側故障的分側差動保護及反應大電流系統(tǒng)側內部故障的零序差動保護。一分側差動保護1構成接線及特點分側差動保護是將變壓器的各側繞組分別作為被保護對象,在各側繞組的兩端設置電流互感器而實現(xiàn)差動保護。實際上,分側差動保護多用于超高壓大型變壓器的高壓側,其原理接線如圖11-26所示。圖11-26變壓器高壓側分側差動原理接線圖在圖11-26中:lh1、lh2差動兩側ta;ja、jb、jc差動繼電器。由圖11-26可以看出:分側差動保護的原理接
44、線圖與發(fā)電機縱差保護的原理接線圖完全相同。該保護的優(yōu)點是:它不受變壓器激磁電流、勵磁涌流、帶負荷調壓及過激磁的影響。差動兩側的ta可取同型號及同變比的。因此,其動作電流可以適當降低。與變壓器縱差保護相比,其動作靈敏度高、構成簡單(不需要涌流閉鎖元件及差動速斷元件)。另外,在保護的構成上,由于不需要濾去零序電流,故反映內部靠近中性點繞組接地故障的靈敏度比縱差保護要高。其缺點是,由于只差接變壓一側的繞組,故對變壓器同相繞組的匝間短路無保護作用。另外,保護范圍比縱差小。在三卷自耦變壓器上,可實現(xiàn)將高壓側、中壓側繞組作為保護對象的高、中壓側分相差動保護。此時,分別在高壓輸出端、中壓輸出端及中性點側設置
45、ta。以一相差動為例,其原理接線如圖11-27所示。三卷自耦變壓器高、中壓側差動保護的優(yōu)缺點與高壓側差動保護相同。圖11-27三卷自耦變壓器高、中壓側差動保護原理接線圖(以c相差動為例)2邏輯框圖以圖11-26所示的分側差動保護為例,其構成邏輯框圖如圖11-28所示。圖11-28變壓器分側差動保護邏輯框圖在圖11-28中:、分別為變壓器輸出端差動ta二次a、b、c三相電流;、分別為變壓器中性點差動ta二次a、b、c三相電流。由圖11-28可以看出,它與發(fā)電機縱差保護的邏輯框圖相似。但是,裝于大電流系統(tǒng)側的分側差動保護,不能采用循環(huán)閉鎖。在三相差動元件中,只要有一相動作,便立即作用于切除變壓器。
46、3差動元件的動作方程及動作特性變壓器分側差動元件的動作特性與縱差元件的動作特性相似。不同的是整定值。以動作特性為二段折線式的差動元件為例,其動作方程為(11-31)在式(11-31)中:差流,;制動電流,或;啟動電流;拐點電流;出線側ta二次a相(或b相或c相)電流;max取最大值;中線點側ta二次a相(或b相或c相)電流。根據(jù)式(11-31)繪制出的差動元件的動作特性如圖11-29所示。圖11-29分側差動元件的動作特性曲線在圖11-29中:各符號的物理意義同式(11-31)。 第五節(jié)差動保護的ta斷線閉鎖為確保差動保護的動作靈敏度,具有比率制動特性的差動元件的啟動電流均很小。這樣,當差動元
47、件某側ta二次的一相或多相斷線時,差動保護必將誤動。目前,國內生產的微機型變壓器差動保護中,均設置有ta斷線閉鎖元件。在變壓器運行時,一旦出現(xiàn)差動ta二次回路斷線,立即發(fā)出信號并將差動保護閉鎖。一ta斷線閉鎖元件的作用原理在理想情況下,若不考慮差動保護區(qū)內、外不同兩點接地短路,則ta二次三相電流之和應等于零,即若ta二次回路中一相斷線時,則根據(jù)以上原理及變壓器接線組別、變壓器中性點是否接地運行,提出以下ta二次回路斷線閉鎖判據(jù):.(11-42)式中:、門檻值,可根據(jù)不平衡差流的大小確定;零序電流,ta二次值;、分別為ta二次a、b、c三相電流。該判別ta斷線的方法有一很大的缺點,應由其他ta供
48、給。目前,在微機型保護裝置中,多采用根據(jù)電流變化情況、變化趨勢及電流量值大小來判斷ta斷線的。當測量出只有變壓器一側的電流發(fā)生了變化,且變化趨勢是電流由大向小變化、而電流值小于額定電流時,被判為電流變化側的ta斷線。當變壓器各側電流均發(fā)生變化,且電流變化趨勢是由小向大變化、而變化后電流的幅值又大于額定電流,則說明電流的變化是由故障引起的。二關于ta斷線閉鎖元件的作用眾所周知,ta二次回路不能開路。如果ta二次回路開路,將在開路點的兩側產生很高的電壓,危及人身及二次設備的安全。另外,在開路點可能產生電弧,進而引起火災。變壓器的容量越大及ta變比越大,ta二次回路開路的危害越嚴重。運行實踐已充分證
49、明。因此,當差動保護ta二次開路時,差動保護動作切除變壓器,是防止人身傷害及損壞設備的有效辦法。對于大容量的主設備,由于ta的變比很大,ta斷線閉鎖元件只應發(fā)信號而不要閉鎖差動保護。第六節(jié)短路故障的后備保護大、中型變壓器短路故障后備保護的類型,通常有復合電壓過電流保護、零序電流及零序方向電流保護、負序電流及負序方向電流保護、低阻抗保護及復合電壓方向過流保護。一復合電壓過電流保護復合電壓過電流保護,實質上是復合電壓啟動的過電流保護。它適用于升壓變壓器、系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器及過電流保護不能滿足靈敏度要求的降壓變壓器。1動作方程及邏輯框圖復合電壓過流保護,由復合電壓元件、過電流元件及時間元件構成,作為被保
50、護設備及相鄰設備相間短路故障的后備保護。保護的接入電流為變壓器某側ta二次三相電流,接入電壓為變壓器該側或其他側tv二次三相電壓。為提高保護的動作靈敏度,三相電流一般取自電源側,而電壓一般取自負荷側。保護的動作方程為.(11-43).(11-44)式中:tv二次a、c兩相之間電壓;ta二次a相或b相或c相電流;負序電壓(tv二次值);過電流元件動作電流整定值;低電壓元件動作電壓整定值;負序電壓元件的動作電壓整定值。復合電壓過電流保護動作邏輯框圖如圖11-32所示。圖11-32復合電壓過電流保護邏輯框圖在圖中:uac接在a、c兩相電壓之間低電壓元件;u2負序過電壓元件;ia、ib、ic分別為a、
51、b、c相過電流元件。由圖可以看出:當變壓器電壓降低,或負序電壓大于整定值及a相或b相或c相過電流時,保護動作,經延時t作用于切除變壓器。2整定原則及定值建議(1)過電流元件過電流元件的動作電流,按躲過變壓器運行時的最大負荷電流來整定,即.(11-45)式中:動作電流整定值;可靠系數(shù),取1.151.2;返回系數(shù),取0.950.98;變壓器額定電流,ta二次值。代入式(11-45)可得(1.171.2)。(2)低電壓元件低電壓元件的動作電壓按躲過無故障運行時保護安裝處出現(xiàn)的最低電壓來整定。即(11-46)式中:動作電壓整定值;正常運行時出現(xiàn)的最低電壓值;返回系數(shù),取1.05;可靠系數(shù),取1.2。發(fā)
52、電廠廠高變復合電壓過電流保護低電壓元件的引入電壓,通常取自變壓器低壓側各段廠用母線。其低電壓元件的動作電壓,應按躲過電動機自啟動的條件整定。對于發(fā)電廠升壓變壓器,當?shù)碗妷涸碾妷喝∽詸C端tv二次時,還應考慮躲過發(fā)電機失磁運行出現(xiàn)的低電壓。一般(0.60.7)式中:額定電壓(tv二次值)。(3)負序電壓元件按躲過正常運行時系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大負序電壓整定。此外,還應滿足相鄰線路末端兩相短路時負序電壓元件有足夠的動作靈敏度。通常式中:額定電壓(tv二次值)。(4)動作延時應按與相鄰線路相間短路后備保護相配合整定。即式中:t復合電壓過流保護的動作延時;相鄰線路相間短路后備保護的最長延時;時間級差,一般取0.30.5秒。二零序電流及零序方向電流保護電壓為110kv及以上的變壓器,在大電流系統(tǒng)側應設置反映接地故障的零序電流保護。有兩側接大電流系統(tǒng)的三卷變壓器及三卷自耦變壓器,其零序電流保護應帶方向,組成零序方向電流保護。兩卷或三卷變壓器的零序電流保護的零序電流,可取自中性點ta二次,也可取自本側ta二次三相零線上的電流,或由本側ta二次三相電流自產。零序功率方向元件的接入零序電壓,可以取自本側tv
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