電力系統(tǒng)繼電保護技術 第4版 課件 第6章 電力變壓器保護

第6章電力變壓器保護6.1電力變壓器的故障類型及其保護

變壓器的內部故障可分為油箱內故障和油箱外故障兩類。內部：繞組的相間短路、匝間短路、接地短路，以及鐵芯燒毀等。外部故障：套管和引出線上發(fā)生的相間短路和接地短路。

6.1變壓器故障及保護

不正常的運行狀態(tài)：外部相間短路、接地短路引起的相間過電流和零序過電流，負荷超過其額定容量引起的過負荷、油箱漏油引起的油面降低，以及過電壓、過勵磁等。（1）瓦斯保護

800KVA及以上和400KVA以上車間內油浸式變壓器，應裝設瓦斯保護。瓦斯保護可反應變壓器油箱內部的短路及油面降低，重瓦斯保護動作于跳開變壓器各電源側斷路器，輕瓦斯保護動作于發(fā)出信號。6.1變壓器故障及保護（2）縱差保護或電流速斷保護

6300KVA及以上并列運行的變壓器，10000KVA及以上單獨運行的變壓器，發(fā)電廠廠用工作變壓器和工業(yè)企業(yè)中6300KVA及以上重要的變壓器，應裝設縱差保護。

10000KVA及以下的電力變壓器，應裝設電流速斷保護。對于2000KVA以上的變壓器，當電流速斷保護靈敏度不能滿足要求時，也應裝設縱差保護。6.1變壓器故障及保護

縱差保護或電流速斷保護：反應電力變壓器繞組、套管及引出線發(fā)生的短路故障。（3）相間短路的后備保護作用：反應外部相間短路引起的變壓器過電流，同時作為瓦斯保護和縱差保護的后備保護，其動作時限按階梯形原則來整定。

（4）接地短路的零序保護6.1變壓器故障及保護作用：零序保護用于反應變壓器高壓側（或中壓側），以及外部元件的接地短路。

變壓器中性點直接接地運行，應裝設零序電流保護；變壓器中性點可能接地或不接地運行時，應裝設零序電流、電壓保護。

（5）過負荷保護

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，應裝設過負荷保護。過負荷保護通常只裝在一相，延時動作于發(fā)信號。6.1變壓器故障及保護（6）其他保護高壓側電壓為500KV及以上的變壓器，因頻率降低和電壓升高而引起的變壓器勵磁電流升高，應裝設變壓器過勵磁保護。對變壓器溫度和油箱內壓力升高，以及冷卻系統(tǒng)故障，應裝設相應的保護裝置。6.2電力變壓器的瓦斯保護1、瓦斯繼電器的構成和動作原理6.1變壓器故障及保護當變壓器油箱內部發(fā)生故障時，短路電流產生的電弧使變壓器油和其它絕緣材料分解，產生大量的可燃性氣體，將其統(tǒng)稱為瓦斯氣體。氣體繼電器安裝：6.2瓦斯保護氣體繼電器結構：6.2瓦斯保護

正常運行時，繼電器及開口杯內都充滿了油，開口杯因其自重抵消浮力后的力矩小于重錘自重抵消浮力后的力矩而處于上翹狀態(tài)，固定在開口杯旁的磁鐵4位于干簧觸點15的上方，干簧觸點可靠斷開，輕瓦斯保護不動作；

6.2瓦斯保護擋板10在彈簧9的作用下處于正常位置，磁鐵11遠離干簧觸點13，干簧觸點可靠斷開，重瓦斯保護也不動作。

當發(fā)生輕微故障時，產生的少量氣體逐漸聚集在繼電器頂蓋下面，使繼電器內油面緩慢下降，油面低于開口杯時，開口杯所受浮力減小，其自重加杯內油重抵消浮力后的力矩將大于重錘自重抵消浮力后的力矩，開口杯位置隨油面的降低而下降，磁鐵4逐漸靠近干簧觸點15，接近到一定程度時觸點閉合，發(fā)出輕瓦斯動作信號。6.2瓦斯保護當變壓器內部發(fā)生嚴重故障時，產生的大量氣體形成從油箱內沖向油枕的強烈氣流，帶油的氣體直接沖擊著擋板10，克服了彈簧9的拉力使擋板偏轉，磁鐵11迅速靠近干簧觸點13，觸點閉合(即重瓦斯保護動作)起動保護出口繼電器，使變壓器各側斷路器跳閘。6.2瓦斯保護6.2瓦斯保護2、瓦斯保護的接線6.2瓦斯保護對于容量較小的變壓器，當其過電流保護的動作時限大于0.5s時，可在電源側裝設電流速斷保護。與瓦斯保護配合，反應變壓器繞組及變壓器電源側的引出線套管上的各種故障。保護動作電流：（１）按大于變壓器負荷側母線短路時流過保護的最大短路電流6.3電流速斷保護6.3電流速斷保護（2）躲過變壓器空載投入時的勵磁涌流保護靈敏系數(shù)：要求：大于等于2。6.3電流速斷保護

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主講人：許建安6.4變壓器差動保護1、變壓器縱差保護的基本原理

縱差保護用來反映變壓器的繞組、引出線及出線套管上的各種短路故障，作為大中型變壓器的主保護。

縱聯(lián)差動保護是按比較被保護的變壓器兩側電流的大小和相位在故障前后的變化而實現(xiàn)的。6.4變壓器差動保護正常運行時：結論：正常運行時，由于型號、特性不同將產生不平衡電流。6.4變壓器差動保護外部短路：結論：外部短路時，流入差動繼電器的電流為最大不平衡電流。6.4變壓器差動保護內部短路：雙側電源：結論：內部短路時，無論是單電源，還是雙電源，保護都能正確測量到短路點短路電流。6.4變壓器差動保護2、變壓器差動保護中的不平衡電流（1）兩側電流互感器型號不同產生的不平衡電流原因：變壓器兩側的額定電壓不同兩側電流互感器的型號不同飽和特性和勵磁電流也不同解決問題的方法：整定計算時，引入同型系數(shù)。6.4變壓器差動保護（2）計算變比與標準變比不同產生的不平衡電流原因：電流互感器選用的是標準化變比，電流互感器的計算變比與實際變比不同。措施：采用自耦變流器，引入平衡系數(shù)。6.4變壓器差動保護電壓額定電流(A)電流互感器接線方式電流互感器計算變比電流互感器標準變比差動臂電流（A）不平衡電流（A）（）6.4變壓器差動保護6.4變壓器差動保護（3）變壓器帶負荷調整分接頭產生的不平衡電流

調整分接頭實際上就是改變變壓器的變比，其結果破壞了電流互感器二次電流的平衡關系，產生了新的不平衡電流。措施：提高保護動作電流，即在整定計算時，引入調壓系數(shù)。調壓系數(shù)：取調壓范圍的一半。6.4變壓器差動保護（4）變壓器接線組別的影響常用的接線組別變壓器，兩側相位存在相位差。相位補償方法：1）通過電流互感器二次接線進行相位補償。6.4變壓器差動保護6.4變壓器差動保護6.4變壓器差動保護6.4變壓器差動保護解決辦法：通過選擇電流互感器變比解決。6.4變壓器差動保護2）微機保護軟件算法6.4變壓器差動保護3）提高變壓器單相接地短路靈敏度措施星形側：三角形側：6.4變壓器差動保護內部短路零序電流相加，外部短路零序電流相減。6.4變壓器差動保護6.4變壓器差動保護(5)變壓器勵磁涌流的影響及措施定義：勵磁涌流，就是變壓器空載合閘時的暫態(tài)勵磁電流。

6.4變壓器差動保護勵磁涌流波形的特點：１）含有很大成分的非周期分量，使曲線偏向時間軸的一側；２）含有大量的高次諧波，其中二次諧波所占比重最大；3)涌流的波形削去負波之后將出現(xiàn)間斷，圖中α稱為間斷角。6.4變壓器差動保護措施：1）采用差動電流速斷保護：利用勵磁涌流隨時間衰減的特點，躲過最大勵磁涌流。

2）采用以二次諧波制動原理構成的縱聯(lián)差動保護＞其中：

是差動電流中的二次諧波電流；是二次諧波制動系數(shù)；

是差動電流。

6.4變壓器差動保護＞為差動電流采樣值，為每周采樣點數(shù)。滿足判別式時，判為勵磁涌流，閉鎖縱差動保護；當判別不滿足時，開放縱差動保護。6.4變壓器差動保護需注意問題：當系統(tǒng)帶有長線路或用電纜連接變壓器時，變壓器內部短路故障差動電流中的二次諧波含量可能較大，將引起二次諧波制動的縱差動保護拒動或延時動作。方案一：采用差動電流速斷保護；方案二：當電壓低于70%額定電壓時解除二次諧波制動；方案三：采用制動電流與差動電流間比值小于某一值時解除二次諧波制動的措施。解除二次諧波制動的動作式為＜6.4變壓器差動保護二次諧波制動方式：1）諧波比最大相制動方式，其判別式為＞二次諧波制動系數(shù)。6.4變壓器差動保護2）按相制動方式，其判別式為＞3）綜合相制動方式＞最大相制動方式的定值一般選取15%~20%；綜合相制動方式的定值一般選取15%~17%。6.4變壓器差動保護4）分相制動方式＞（3）判別電流間斷角識別勵磁涌流6.4變壓器差動保護特點：短路電流波形連續(xù)，正半周、負半周的波寬為，波形間斷角幾乎為。6.4變壓器差動保護對稱性涌流，波形不連續(xù)出現(xiàn)間斷，在最嚴重情況下有：6.4變壓器差動保護

非對稱性涌流，波形偏向時間軸一側，波形同樣不連續(xù)出現(xiàn)間斷，最嚴重情況下有：6.4變壓器差動保護判別電流間斷角識別勵磁涌流的判據(jù)為只要＞就判為勵磁涌流，閉鎖縱差保護；當≤且≥時，則判為故障電流，開放縱差保護。6.4變壓器差動保護勵磁涌流的一次波形有明顯的間斷特性，但進入差動元件的勵磁涌流的二次波形在很多情況下喪失了這種特性?？v差保護可利用間斷角特性作為涌流制動量，但是縱差保護要利用間斷角特性作為涌流制動量，在處理上要求較高且較為復雜。6.4變壓器差動保護6、2次諧波制動差動保護的邏輯框圖6.4變壓器差動保護6.4變壓器差動保護

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主講人：許建安6.5比率制動差動保護為保證區(qū)外短路保護不誤動，動作電流為1、常規(guī)比率制動動作電流、制動電流6.5比率制動差動保護微機保護變壓器制動電流取得方法有下列幾種：二次電流相量差的一半幅值和的一半幅值的最大值2、微機比率制動差動保護6.5比率制動差動保護動作電流與高、低壓側二次電流幅值差的一半低壓側電流3、具有兩折線式比率制動特性6.5比率制動差動保護＞＞＞其中6.5比率制動差動保護為差動電流為制動電流不帶制動時差流最小動作電流。

若令制動系數(shù)6.5比率制動差動保護因=顯然，與大小有關，通常由來確定制動系數(shù)。6.5比率制動差動保護4、變壓器各側縱聯(lián)差動保護整定計算（1）相位校正和電流平衡1）相位校正

常規(guī)接線軟件計算2）電流平衡電流平衡依據(jù)各側平衡系數(shù)計算，由軟件實現(xiàn)電流平衡。6.5比率制動差動保護（2）計算變壓器一次電流（3）計算電流互感器二次額定電流（4）計算平衡調整系數(shù)6.5比率制動差動保護4、兩折線比率制動特性參數(shù)整定需確定參數(shù)：通常整定參數(shù)為：（1）最小動作電流確定

按外部故障切除后，變壓器額定容量運行時，差動回路不平衡電流整定。6.5比率制動差動保護（2）拐點電流確定可暫取。（3）斜率確定：按躲過保護區(qū)外短路故障時差動回路最大不平衡電流整定。最大制動電流：6.5比率制動差動保護最大不平衡電流制動電流其中：外部短路基本側的短路電流（高壓側）。（4）制動系數(shù)但一般6.5比率制動差動保護制動系數(shù)：因（5）另一種整定方法上式最大制動系數(shù)整定值是在最大制動電流情況下求得的，定值確定后就不再發(fā)生變化，是以直線的斜率表示值。

6.5比率制動差動保護上面方法是先求斜率再求制動系數(shù)，是圖中虛線所示。另一種方法取斜率等于制動系數(shù)。因為最小動作電流確定：6.5比率制動差動保護制動特性如圖實線所示，整定簡單，但偏于保守。(6)靈敏度要求靈敏度大于等于2。(1)(2)結論：在單側電源情況下，制動電流選擇（2）式是（1）式的2倍，因此選擇（1）式靈敏度較高。6.5比率制動差動保護三折線比率制動特點：有兩個拐點電流。固定為(1)動作特性＞＞

（＜≤）＞（＜）

6.5比率制動差動保護可調。

固定為或可調。斜率固定為1。這種比率特性對于降壓變壓器，升壓變壓器都適用，且容易滿足靈敏度要求。6.5比率制動差動保護

在大型變壓器縱聯(lián)差動保護中，為進一步提高匝間短路故障的靈敏度

,比率特性由三段直線組成。比率制動特性由

、、直線段組成。

固定為0.2。斜率固定為固定為固定為6.5比率制動差動保護（2）三折線參數(shù)整定因需整定參數(shù)是和（1）雙繞組變壓器最大不平衡電流由于電流調整不連續(xù)不平衡系數(shù)6.5比率制動差動保護1）雙繞組變壓器不平衡電流應考慮兩種情況2）三繞組變壓器不平衡電流6.5比率制動差動保護3）確定第二拐點制動電流對應的動作電流

先求最大制動電流，當制動電流以各側電流幅值和的一半，則制動電流為雙繞組變壓器三繞組變壓器6.5比率制動差動保護取4）確定斜率6.5比率制動差動保護變壓器外部故障切除后，差動回路不平衡電流為雙繞組三繞組變壓器基本側的負荷電流變壓器額定容量運行時，則6.5比率制動差動保護取、額定負荷時不平衡電流，就可求得。5）確定最小動作電流因取6.5比率制動差動保護因保證區(qū)外短路保護不誤動保證外部短路切除后不誤動保證輕微故障差動保護靈敏度6.5比率制動差動保護3、內部短路靈敏度計算

運行方式和短路類型：最小運行方式下變壓器引出線發(fā)生兩相金屬性短路（折算基本側）和相應制動電流（折算基本側），根據(jù)制動電流大小求得相應動作電流。靈敏系數(shù)要求大于等于2。注意：單側電源變壓器，采用不同制動方式內部故障的靈敏度不同。6.5比率制動差動保護4、諧波制動比整定

差動回路中2次諧波電流與基波電流的比值一般整定為。

5、差動電流速斷保護定值定值應躲過變壓器初始勵磁涌流和外部短路故障時的最大不平衡電流。6.5比率制動差動保護差動電流速斷保護在正常運行方式下保護安裝處兩相短路,要求靈敏系數(shù)大于1.2。值根據(jù)變壓器容量確定。倍數(shù)。＞＞6.5比率制動差動保護

變壓器相間短路后備保護

變壓器相間短路后備保護接地短路保護

變壓器相間短路保護作為變壓器主保護的近后備保護、母線或相鄰線路的遠后備保護。1、過電流保護使用條件：過電流保護適用于降壓變壓器。6.6變壓器相間短路后備保護6.6變壓器相間短路后備保護安裝地點確定：安裝地點：電源側。若安裝在低壓側,內部短路故障無法測量到短路電流.動作電流確定：最大電流確定：（并列變壓器）降壓變壓器：6.6變壓器相間短路后備保護保護原理接線保護靈敏度6.6變壓器相間短路后備保護6.6變壓器相間短路后備保護2、復合電壓啟動的過電流保護動作電流：低壓元件動作電壓：負序元件動作電壓：6.6變壓器相間短路后備保護當變壓器高壓側斷路器合上，低壓側未合。結論：電流元件、電壓元件安裝在高壓側才能起到保護作用。其他側復合電壓控制字6.6變壓器相間短路后備保護邏輯框圖相的功率方向元件。

為保護安裝側、、相、相、為“1”時，方向元件投入，為“0”退出。

6.6變壓器相間短路后備保護6.6變壓器相間短路后備保護為“1”時，復合電壓起閉鎖作用，為“0”時，復合電壓不起閉鎖作用。

保護投入、退出控制字6.6變壓器相間短路后備保護復合電壓方向過電流方向過電流過電流復合電壓過電流

多側電源的三繞組變壓器，一般情況下三側均要裝設反映相間短路故障的后備保護，每側設兩段。6.6變壓器相間短路后備保護6.6變壓器相間短路后備保護高壓側的第Ⅰ段為復合電壓閉鎖的方向過電流保護，設有兩個時限，短時限跳本側母聯(lián)斷路器，長時延跳本側或三側斷路器；第Ⅱ段為復合電壓閉鎖的過電流保護，設一個時限，可跳本側或三側斷路器。負序電壓元件靈敏度＞6.6變壓器相間短路后備保護電流元件靈敏度＞低壓元件靈敏度＞6.6變壓器相間短路后備保護電流元件靈敏度按1臺機2臺變。低壓元件靈敏度按2機2變計算。6.6變壓器相間短路后備保護負序電壓靈敏度按2機1變計算。3、三繞組變壓器后備保護的配置原則6.6變壓器相間短路后備保護（1）對單側電源的三繞組變壓器，應設置兩套后備保護，分別裝于電源側和負荷側。

負荷側保護的動作時限，按比該側母線選擇。

所連接的元件保護的最大動作時限大一個階梯時限6.6變壓器相間短路后備保護電源側保護帶兩級時限，以較小的時限

跳開6.6變壓器相間短路后備保護以較大的時限tⅠ()斷開變壓器各側斷路器。（2）對于多側電源的三繞組變壓器，應在三側都裝設后備保護。對動作時限最小的保護，應加方向元件，動作功率方向取為由變壓器指向母線。各側保護均動作于跳開本側斷路器。

6.6變壓器相間短路后備保護

在裝有方向性保護的一側，加裝一套不帶方向的后備保護，其時限應比三側保護最大的時限大一個階梯時限△t，保護動作后，斷開三側斷路器，作為內部故障的后備保護。4、變壓器的過負荷保護6.6變壓器相間短路后備保護

過負荷保護反應變壓器對稱過負荷引起的過電流。保護用一個電流繼電器接于一相電流，經延時動作于信號。

過負荷保護的安裝側的選擇：(1)對雙繞組升壓變壓器，裝于發(fā)電機電壓側。(2)對一側無電源的三繞組升壓變壓器，裝于發(fā)電機電壓側和無電源側。6.6變壓器相間短路后備保護(3)對三側電源的三繞組升壓變壓器，三側均應裝設。(4)對于雙繞組降壓變壓器，裝于高壓側。(5)僅一側電源的三繞組降壓變壓器，若三側的容量相等，只裝于電源側；若三側的容量不等，則裝于電源側及容量較小側。6.6變壓器相間短路后備保護(6)對兩側有電源的三繞組降壓變壓器，三側均應裝設。過負荷保護動作電流6.6變壓器相間短路后備保護6.6變壓器相間短路后備保護實例：已知歸算至變壓器高壓側系統(tǒng)阻抗圖示，歸算至高壓側變壓器等值阻抗線路單位公里阻抗為計算變壓器復合電壓起動過電流保護定值。

6.6變壓器相間短路后備保護

解：（1）電流、電壓元件均保護安裝在高壓側。（2）動作值計算：高壓側額定電流動作電流低壓元件動作值6.6變壓器相間短路后備保護負序電壓元件動作值（3）線路阻抗最大阻抗為：6.6變壓器相間短路后備保護最小阻抗為遠后備保護靈敏系數(shù)分別為：1）保護區(qū)末端最小三相短路電流6.6變壓器相間短路后備保護電流元件靈敏度

＞1.2最小負序電壓2）負序電壓靈敏度6.6變壓器相間短路后備保護最高殘壓為3）低壓元件靈敏度6.6變壓器相間短路后備保護4）在變壓器低壓側加裝電壓元件動作電壓負序電壓靈敏度最小殘壓6.6變壓器相間短路后備保護阻抗折算

負序電壓靈敏度6.6變壓器相間短路后備保護阻抗折算最高殘壓

低壓元件靈敏度

電力系統(tǒng)中，接地故障常常是故障的主要形式，中性點接地系統(tǒng)中的變壓器，要求在變壓器上裝設接地（零序）保護。作為變壓器本身主保護的后備保護和相鄰線路接地短路的后備保護。1、中性點直接接地變壓器的零序保護6.7變壓器接地保護6.7變壓器接地保護6.7變壓器接地保護保護定值

零序電流分支系數(shù)；

引出線零序電流保護后備段的動作電流。6.7變壓器接地保護式中：配合系數(shù)，取1.1～1.2；

保護的靈敏系數(shù)按后備保護范圍末端接地短路校驗，靈敏系數(shù)應不小于1.2。2.分級絕緣變壓器的零序保護

分級絕緣的變壓器中性點一般裝設放電間隙，當變壓器中性點接地運行時，投入中性點接地零序電流保護；當變壓器中性點不接地（隔離開關斷開）運行時，投入間隙零序電流保護和零序電壓保護，作為變壓器不接地運行時的零序保護。

6.7變壓器接地保護變壓器的零序保護裝設在變壓器中性點接地一側，