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(shí)，可能引起變壓器的過勵(lì)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(hào)告知運(yùn)行人員采取措施消除異常運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)稱過負(fù)荷的過負(fù)荷保護(hù)。（6）防御變壓器過勵(lì)磁的過勵(lì)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)保護(hù)配合共同作為變壓器的主保護(hù)。

（二）變壓器縱差動(dòng)保護(hù)

1、基本原理：

變壓器縱差動(dòng)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(lì)磁涌流。

如圖示出了雙繞組變壓器差動(dòng)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(shí)，流過差動(dòng)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(shí)，差動(dòng)繼電器KD不會(huì)動(dòng)作。(2)當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí)，流入差動(dòng)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(dòng)作電流時(shí)，KD立即動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(jì)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(dòng)繼電器中的平衡線圈,3)在計(jì)算保護(hù)的動(dòng)作值時(shí)應(yīng)予以考慮，引入一個(gè)相對(duì)誤差△f。③變壓器各側(cè)電流互感器型號(hào)不同；在計(jì)算保護(hù)的動(dòng)作值時(shí)應(yīng)予以考慮，引入一個(gè)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(jì)算保護(hù)的動(dòng)作值時(shí)應(yīng)予以考慮，引入一個(gè)由變壓器帶負(fù)荷調(diào)壓所引起的相對(duì)誤差△U，取電壓調(diào)整范圍的一半。⑤變壓器的勵(lì)磁涌流。3、變壓器的勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)及相應(yīng)的保護(hù)措施1）變壓器的勵(lì)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(lì)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(lì)磁電流通常稱為勵(lì)磁涌流。該勵(lì)磁涌流在數(shù)值上可與變壓器內(nèi)部故障時(shí)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(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，給變壓器差動(dòng)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)帶來困難。勵(lì)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(shí)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(lì)磁涌流的特點(diǎn)，對(duì)于大容量變壓器在構(gòu)成變壓器縱差動(dòng)保護(hù)時(shí)，為防止出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)保護(hù)誤動(dòng)，可采取以下幾種方法。①

采用帶速飽和特性的差動(dòng)繼電器構(gòu)成變壓器縱差動(dòng)保護(hù)。

②

采用二次諧波制動(dòng)原理構(gòu)成變壓器縱差動(dòng)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(dòng)保護(hù)。

4、常見變壓器差動(dòng)保護(hù)原理（1）比率制動(dòng)特性的差動(dòng)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(dòng)特性的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。所謂比率制動(dòng)特性就是指繼電器的動(dòng)作電流隨外部短路電流的增大而自動(dòng)增大，而且動(dòng)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(dòng)作，同時(shí)對(duì)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(dòng)的變壓器差動(dòng)保護(hù)

不論雙繞組或三繞組電力變壓器的勵(lì)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(dòng)的差動(dòng)保護(hù)，使之有效地躲過勵(lì)磁涌流的影響。如圖所示，為二次諧波制動(dòng)的變壓器差動(dòng)保護(hù)的一般性原理接線圖。主要包括下面四個(gè)部分：

①

比率制動(dòng)回路；

②

二次諧波制動(dòng)回路；

③

差動(dòng)回路；

④

執(zhí)行回路。圖5.6二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)原理接線框圖TX1TX2TX3（3）鑒別波形間斷角原理的差動(dòng)保護(hù)鑒別波形間斷角原理的差動(dòng)保護(hù)，是利用勵(lì)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(lì)磁涌流影響，并利用制動(dòng)特性躲過不平衡電流影響而構(gòu)成的變壓器差動(dòng)保護(hù)。保護(hù)動(dòng)作條件：差動(dòng)電壓大于制動(dòng)電壓的時(shí)間足夠長。

圖5.8各種情況下差動(dòng)電壓與制動(dòng)電壓的比較圖5.7鑒別波形間斷角原理的變壓器縱差動(dòng)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(shí)(b)外部短路時(shí)(c)內(nèi)部短路時(shí)TX1TX2圖5.9出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)電流電壓波形圖UTXX5、微機(jī)變壓器縱差動(dòng)保護(hù)（包括發(fā)變組、主變、廠變、勵(lì)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(dòng)的交流接入回路示意圖如下。變壓器縱差保護(hù)由三個(gè)部分構(gòu)成：差動(dòng)元件、涌流判別元件及差動(dòng)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(dòng)原理縱差保護(hù)框圖下圖為分相制動(dòng)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(dòng)的過電流保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)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(dòng)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(dòng)的過電流保護(hù)原理接線如圖所示。保護(hù)的啟動(dòng)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(shí)動(dòng)作，才能起動(dòng)時(shí)間繼電器經(jīng)預(yù)定時(shí)間后，起動(dòng)出口中間繼電器動(dòng)作與跳閘。電流元件的起動(dòng)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(dòng)電壓應(yīng)小于正常運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(shí)，為提高不對(duì)稱短路時(shí)電壓元件的靈敏度，可采用復(fù)合電壓啟動(dòng)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(duì)稱短路，所以必須加裝一套低電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)來反映三相對(duì)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(gè)延時(shí)（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(shí)，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(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)元件。阻抗保護(hù)最大選配為二段四延時(shí)。一般一段定值二延時(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)元件。阻抗保護(hù)最大選配為二段四延時(shí)。一般一段定值二延時(shí)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(duì)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(duì)稱過負(fù)荷引起的過電流。保護(hù)只用一個(gè)電流繼電器，接于任一相電流中，經(jīng)延時(shí)動(dòng)作于信號(hào)。（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(jí)延時(shí)，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(shí)，經(jīng)延時(shí)作用于信號(hào)及出口。零序電流保護(hù)最大選配為二段四延時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)接地運(yùn)行，有時(shí)不接地運(yùn)行。對(duì)于分級(jí)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(shí)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(jí)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(shí)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(shí)，經(jīng)延時(shí)動(dòng)作，切除變壓器。保護(hù)的接入電流為間隙零序TA二次電流