南瑞繼保變壓器保護(hù)設(shè)計及原理介紹.ppt

1、南瑞繼保電氣有限公司,變壓器保護(hù)需要解決的問題,如何減少TA二次回路在各種情況下斷線及短路對差動保護(hù)的影響 電磁兼容問題：即消除各種外部干擾對保護(hù)裝置的影響以及保護(hù)裝置對外部其它電子設(shè)備的影響 如何增強(qiáng)保護(hù)裝置的事故追憶功能及事故后的故障分析功能 保護(hù)裝置的使用、維護(hù)與調(diào)試方便等問題,裝置的總體方案與關(guān)鍵技術(shù),并行實時計算 保護(hù)主體方案 差動保護(hù)二次電流調(diào)整與涌流閉鎖判據(jù) 變壓器工頻變化量差動保護(hù) 穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù) 適用于變壓器的TA飽和判據(jù) TA二次回路斷線與短路判別方案 零序比率差動保護(hù),硬件框圖,高速數(shù)字信號處理器DSP 大規(guī)模邏輯門陣列FPGA和可編程邏輯門陣列CPLD 14位并行A/

2、D 32位微處理器CPU 單獨的CPU處理顯示、鍵盤等人機(jī)對話 大屏幕漢字液晶顯示,實時高速并行運算,特點：在較高的采樣率的前提下，裝置保證在故障全過程對所有保護(hù)繼電器（主保護(hù)與后備保護(hù)）的并行實時計算，這樣具有很高的可靠性及安全性（裝置的采樣率設(shè)計為每個周波24點，主要繼電器采用全周傅氏算法）,保護(hù)主體方案,真正實現(xiàn)一臺裝置完成所有的主保護(hù)、后備保護(hù)功能的思想。對每臺變壓器采用獨立的兩套裝置實現(xiàn)雙主、雙后備保護(hù)的配置原則。這種主后一體的設(shè)計思想完全符合國家電力公司最新的防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求中有關(guān)繼電保護(hù)的反事故技術(shù)措施的論述。 優(yōu)點 變壓器保護(hù)的雙重化配置并沒有增加額外的二

3、次回路投資，相反是減少了保護(hù)設(shè)備的投資，使得保護(hù)二次回路清析、獨立，簡化了二次電纜數(shù)量與接線。由于采用上述保護(hù)設(shè)計思想，則變壓器的主保護(hù)功能得到增強(qiáng)，考慮到變壓器主保護(hù)不像線路保護(hù)那樣存在通道問題，其后備保護(hù)配置就可以大大簡化。,保護(hù)主體方案,優(yōu)點 可以減少由于保護(hù)設(shè)備自身原因所造成的被保護(hù)變壓器失去短路故障保護(hù)與異常保護(hù)，從而引起一次設(shè)備不必要停電現(xiàn)象；同時也可避免由于保護(hù)設(shè)備的年度檢修與校驗所必需的停運一次設(shè)備的現(xiàn)象，減輕停電所造成的經(jīng)濟(jì)損失。 優(yōu)點 由于變壓器的全部電量信息量已能夠被裝置所知，那么在被保護(hù)變壓器和系統(tǒng)出現(xiàn)故障或其它異常狀況時，裝置就能記錄同一時刻下變壓器各側(cè)的電流電壓量，

4、由于有了這些模擬量，就能對事故的原因等進(jìn)行詳盡的故障分析，這對于快速而準(zhǔn)確地找到故障原因具有重要意義。,勵磁涌流判別原理1,利用諧波識別勵磁涌流 RCS-978系列變壓器成套保護(hù)裝置采用三相差動電流中二次諧波、三次諧波的含量來識別勵磁涌流，判別方程如下：,當(dāng)三相中某一相被判別為勵磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件。裝置的二次諧波制動系數(shù)固定取為0.15。,勵磁涌流判別原理2,利用波形畸變識別勵磁涌流 故障時，差流基本上是工頻正弦波。而勵磁涌流時，有大量的諧波分量存在，波形發(fā)生畸變，間斷，不對稱。利用算法識別出這種畸變，即可識別出勵磁涌流。 故障時，有如下表達(dá)式成立：,其中S是差動電流的全周積分值，

5、是“ 差動電流的瞬時值+差動電流半周前的瞬時值”的全周積分值， 是某一固定常數(shù)， 是門檻定值。 的表達(dá)式如下：,式中是 差電流的全周積分值，是某一比例常數(shù)。當(dāng)三相中的某一相不滿足以上方程，被判別為勵磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件。,TA飽和的識別方法,為防止在變壓器區(qū)外故障等狀態(tài)下TA的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)飽和所引起的穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù)誤動作，裝置利用二次電流中的二次和三次諧波含量來判別TA是否飽和，所用的表達(dá)式如下：,當(dāng)與某相差動電流有關(guān)的電流滿足以上表達(dá)式即認(rèn)為此相差流為TA飽和引起，閉鎖穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù)。此判據(jù)在變壓器處于運行狀態(tài)才投入。,變壓器工頻變化量差動保護(hù),匝間短路故障是電力變壓器主要的內(nèi)部

6、故障形式之一，根據(jù)近十年來的全國統(tǒng)計表明，匝間故障約占變壓器內(nèi)部故障的70%左右。因此采用靈敏度高且安全性高的保護(hù)來檢測出變壓器的匝間故障，對提高變壓器的安全運行水平具有重要意義。為此，我們利用變壓器各側(cè)電流中的工頻變化量與差電流的工頻變化量，實現(xiàn)變壓器工頻變化量比率差動保護(hù)。該保護(hù)由下述兩個判據(jù)構(gòu)成：,工頻變化量比率差動動作特性,工頻變化量比率差動保護(hù)的動作方程如下：,變壓器工頻變化量差動保護(hù), I：為各支路工頻變化量電流的向量和|I|：為各支路工頻變化量電流的標(biāo)量和 理論上，工頻變化量比率差動制動系數(shù)可取較高的數(shù)值，這樣有利于防止區(qū)外故障TA飽和等因素所造成的差動保護(hù)誤動，又不會受故障前負(fù)

7、荷的大小的影響而降低區(qū)內(nèi)故障時的靈敏度。,變壓器工頻變化量差動保護(hù),（2）工頻變化量差動過流繼電器： 動作方程： Id1.25Idt+Idth Idt為浮動門坎，隨著變化量輸出增大而逐步自動提高。取1.25倍可保證門檻電壓始終略高于不平衡輸出，保證在系統(tǒng)振蕩和頻率偏移情況下，保護(hù)不動作。Idth為固定門坎。工頻變化量差流起動元件不受負(fù)荷電流影響，靈敏度很高。,工頻變化量的差動繼電器與穩(wěn)態(tài)量的差動繼電器相比有這樣一些優(yōu)點, 不受負(fù)荷電流的影響。與所有工頻變化量繼電器一樣，由于它是反應(yīng)短路附加狀態(tài)中的電氣量的保護(hù)，所以負(fù)荷電流對繼電器的工作沒有影響，在求變化量的過程中已把負(fù)荷分量減掉了。所以對穩(wěn)態(tài)

8、量的差動繼電器來說，負(fù)荷電流是一個制動電流而對工頻變化量的差動繼電器來說，負(fù)荷電流并不形成制動電流。 保護(hù)過渡電阻的能力提高了; 在一側(cè)沒有電源的降壓變壓器上使用時，在變壓器內(nèi)部短路時由于負(fù)荷側(cè)的電流的變化量也是工頻變化量差動繼電器的動作電流，而對穩(wěn)態(tài)量的差動繼電器來說變壓器內(nèi)部短路時負(fù)荷側(cè)電流為零不是動作電流。因此工頻變化量差動繼電器比穩(wěn)態(tài)量差動繼電器靈敏; 由于繼電器不反應(yīng)負(fù)荷電流分量，所以比率制動特性中的起動電流不需要躲負(fù)荷電流下的不平衡電流，其值較低。 比率制動特性曲線中斜線的斜率取得比較大，抗區(qū)外故障時變壓器各側(cè)TA暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)飽和特性不一致的能力強(qiáng)。,工頻變化量比率差動繼電器, 由于

9、將浮動門檻技術(shù)與工頻變化量等概念引入到變壓器差動保護(hù)中，因此在區(qū)內(nèi)故障，即使是在重負(fù)荷運行狀態(tài)下發(fā)生小匝間短路等故障時，或是在等值電勢角擺開而又經(jīng)過渡電阻短路時也有足夠的靈敏度。而在區(qū)外各種故障、功率倒方向、區(qū)外故障中出現(xiàn)TA飽和與TA暫態(tài)特性不一致等狀態(tài)下也不會誤動作。使得保護(hù)的安全性與靈敏度同時兼顧。,特點：,涌流閉鎖與過激磁閉鎖元件, 工頻變化量差動保護(hù)的勵磁涌流閉鎖判據(jù)采用差電流二次諧波閉鎖或波形判別閉鎖 采用差電流五次諧波進(jìn)行過激磁閉鎖,變壓器發(fā)生輕微匝間故障（C相1.5%匝間故障）,工頻變化量差動,常規(guī)差動,RCS-978工頻變化量比率差動的邏輯框圖,穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù),因此，裝置采

10、用初始帶制動的比率制動特性，穩(wěn)態(tài)比率差動元件由低值比率差動（靈敏）和高值比率差動（不靈敏）兩個元件構(gòu)成。穩(wěn)態(tài)比率差動元件的動作方程如下：,穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù),動作方程：,Kbl比率差動制動系數(shù)固定取為0.5。,穩(wěn)態(tài)高值比率差動保護(hù),穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù),動作特性,過激磁的判別,由于在變壓器過激磁時，變壓器勵磁電流將激增，可能引起差動保護(hù)誤動作。因此應(yīng)該判斷出這種情況，閉鎖差動保護(hù)。裝置中采用差電流中五次諧波的含量作為對過激磁的判斷。其判據(jù)如下： 其中 、 分別為每相差動電流中的基波和五次諧波， 為五次諧波制動系數(shù)。 當(dāng)過激磁倍數(shù)大于1.4倍時，不再閉鎖差動保護(hù)。過激磁閉鎖差動功能可整定選擇。,差回路

11、的異常情況判別1,裝置將差回路的異常情況分為兩種：未引起差動保護(hù)起動和引起差動保護(hù)起動。,未引起差動保護(hù)起動的差回路異常報警:,方法一：當(dāng)任一相差流大于差流報警定值(Ibjset)的時間超過10秒時發(fā)出差流異常報警信號，不閉鎖差動保護(hù)。差流報警定值應(yīng)避開有載調(diào)壓變壓器分接頭不在中間時產(chǎn)生的最大差流，或其他原因運行時可能產(chǎn)生的最大差流(注：差流報警定值整定時應(yīng)比差動起動定值小，一般介于有載調(diào)壓變壓器分接頭不在中間時產(chǎn)生的最大差流和最小差動起動定值之間；其值越小越靈敏)。,差回路的異常情況判別2,引起差動保護(hù)起動的差回路異常報警:,差動保護(hù)起動后滿足以下任一條件認(rèn)為是故障情況，開放差動保護(hù)，否則認(rèn)

12、為是差回路TA異常造成的差動保護(hù)起動。 i) 任一側(cè)任一相間工頻變化量電壓元件起動； ii) 任一側(cè)負(fù)序相電壓大于6V； iii) 起動后任一側(cè)任一相電流比起動前增加； iv) 起動后最大相電流大于1.1Ie。 注意： TA斷線情況下自動閉鎖零序比率差動工頻保護(hù)量差動和穩(wěn)態(tài)低值比率差動保護(hù)，開放穩(wěn)態(tài)高值比率差動保護(hù)。 裝置固定設(shè)為TA斷線或短路且差流小于1.2Ie時閉鎖差動保護(hù)，大于1.2Ie時不閉鎖差動保護(hù)。 工頻保護(hù)量差動 始終受TA斷線閉鎖,差回路異常報警后注意,不論是異常報警是否引起差動保護(hù)起動，均說明差動回路存在問題，或定 值存在問題，應(yīng)該受到同等重視。例如：當(dāng)差回路斷線時，在輕負(fù)荷

13、情況下 不會引起差動起動，但會引起差流報警,如果此時及時處理，就可以避免負(fù)荷 增加后或者區(qū)外故障引起的差動保護(hù)動作（在不閉鎖情況下）。,變壓器零序電流差動保護(hù),變壓器的零序電流差動保護(hù)主要應(yīng)用于自耦變壓器中。只要變壓器Y側(cè)中性點直接接地，就可以構(gòu)成零序電流差動保護(hù)。 零序電流差動保護(hù)是根據(jù)接點電流定理構(gòu)成的。由于流過繞組各側(cè)TA的電流是同一串聯(lián)電路中的電流，這幾個電流之間沒有電磁感應(yīng)關(guān)系，因此變壓器的勵磁電流不會產(chǎn)生不平衡電流。所以這種差動保護(hù)不必經(jīng)勵磁涌流判據(jù)的閉鎖，也不必經(jīng)過勵磁判據(jù)的閉鎖。也正因為構(gòu)成差動保護(hù)所用的繞組各側(cè)電流間沒有電磁感應(yīng)關(guān)系，所以它不能保護(hù)匝間短路。 零序電流差動保護(hù)

14、可保護(hù)變壓器Y側(cè)兩個（三個）TA間的各種接地短路。由于不存在變壓器有載調(diào)壓產(chǎn)生的不平衡電流，此外也沒有由于TA變比不匹配產(chǎn)生的不平衡電流，因此它的定值比前面講的差動保護(hù)的定值低，所以這種差動保護(hù)保護(hù)Y側(cè)的接地短路靈敏度要高一些。,零序比率差動原理,零序比率差動保護(hù)主要應(yīng)用于自耦變壓器，其動作方程如下： 其中 、 、 分別為I側(cè)、II側(cè)和公共繞組側(cè)零序電流， 為零序比率差動起動定值， 為零序差動電流， 為零序差動制動電流， 為零序差動比率制動系數(shù)整定值， 為TA二次額定電流。推薦 整定為0.5。 當(dāng)滿足以上條件時，零序比率差動動作。零差各側(cè)零序電流通過裝置自產(chǎn)得到，這樣可避免各側(cè)零序TA極性校驗

15、問題。,零序比率差動原理,當(dāng)滿足以上條件時，零序比率差動動作。零差各側(cè)零序電流通過裝置自產(chǎn)得到，這樣可避免各側(cè)零序TA極性校驗問題。 若零序比率差動起動定值 ，則其拐點電流自動設(shè)定為 ，即動作方程如下：,零序比率差動保護(hù)的動作特性,避免TA暫態(tài)特性不同導(dǎo)致的零序比率差動誤動,為避免由于TA暫態(tài)特性差異和TA飽和造成的區(qū)外三相短路故障時的 錯誤的差動回路零序電流對零序比率差動的影響，裝置采用正序電流制動的閉鎖判據(jù)和TA飽和判據(jù)來避免。正序電流制動的原理是，零差各側(cè)的零序電流大于其正序電流的 倍時，認(rèn)為零序電流由故障造成。其表達(dá)式如下： 其中 為某側(cè)的零序電流， 為對應(yīng)側(cè)的正序電流， 是某一比例常

16、數(shù)。,RCS-978零序比率差動的邏輯框圖,復(fù)合電壓閉鎖過流,過流保護(hù)主要作為變壓器相間故障的后備保護(hù)。I、II側(cè)各設(shè)一段過流保護(hù)。III側(cè)過流保護(hù)固定采用主變低壓側(cè)三角形環(huán)內(nèi)的TA，且TA引出必須相電流接線方式，裝置內(nèi)部低壓側(cè)過流所用電流固定為減去零序電流（因為整定計算是按開關(guān)CT考慮的）。相過電流保護(hù)固定不經(jīng)過復(fù)壓閉鎖。,零序方向過流保護(hù),零序過流保護(hù)，主要作為變壓器中性點接地運行時接地故障后備保護(hù)。通過整定控制字可控制零序過流是否經(jīng)方向閉鎖，是否投入，跳哪幾側(cè)開關(guān)。I、II側(cè)設(shè)有一段一個時限的零序過流保護(hù)和一個反時限零序過流保護(hù)，反時限零序過流保護(hù)所用電流固定為本側(cè)外接零序TA的電流 。

17、,方向元件所采用的零序電流：,零序方向過流保護(hù)固定采用自產(chǎn)零序電流進(jìn)行方向和大小的判斷， TV斷線之后方向元件自動滿足條件，零序方向過流指向固定指向變壓器。,零序方向元件動作特性,方向指向變壓器, 注意：,方向元件所用零序電壓固定為自產(chǎn)零序電壓。以上所指的方向均是指零序電流外接套管TA或自產(chǎn)零序電流TA的正極性端在母線側(cè)（變壓器中性點的零序電流TA的正極性端在變壓器側(cè)），否則以上說明將與實際情況不符。,本側(cè)電壓退出對零序電壓閉鎖零序方向過流的影響：,當(dāng)本側(cè)TV檢修或旁路代路未切換TV時，為保證本側(cè)零序電壓閉鎖零序方向過流的正確動作，需投入本側(cè)電壓退出壓板或整定控制字，此時它對零序電壓閉鎖零序方

18、向過流有如下影響： i) 方向元件輸出為正方向。,過激磁保護(hù),眾所周知鐵芯線圈的電壓 （V）與頻率 （Hz）、磁密 B（T）、鐵芯截面 （ ）、線圈匝數(shù) 之間有如下關(guān)系： 。所以 。當(dāng)變壓器在運行中電壓升高、頻率下降時會引起鐵芯中的磁密增高。目前大型變壓器在正常運行時的工作磁密設(shè)計得已比較高了，接近飽和磁密。所以在運行中當(dāng)電壓升高、頻率下降時會引起鐵芯飽和。如果在在鐵芯飽和狀態(tài)下長時間運行，變壓器溫度會升高到不允許的程度引起變壓器的損傷、絕緣老化，危及變壓器的安全。所以高壓側(cè)為330kV及以上電壓等級的變壓器都要裝設(shè)過勵磁保護(hù)。,過激磁保護(hù),過激磁保護(hù)主要防止過電壓和低頻率對變壓器造成的損壞。

19、 過激磁程度可用下式來衡量： 通過計算n可以得知變壓器所處的狀態(tài)，額定運行時n=1，其中 、 分別為電壓與頻率的標(biāo)么值。 裝置設(shè)有一段定時限過激磁報警元件和反時限過激磁跳閘 。,過激磁保護(hù),由于變壓器在不同的過勵磁情況下允許運行相應(yīng)的時間，因此裝置還設(shè)有反時限過激磁元件。反時限動作特性曲線由輸入的十組定值確定，因此能夠適應(yīng)不同的變壓器過勵磁要求 考慮到過激磁對變壓器造成的危害主要表現(xiàn)為變壓器局部過熱，因此利用“有效值的概念”來計算過激磁倍數(shù)n，即： 其中：T為過激磁開始到計算時刻的時間；n(t)為過激磁測量倍數(shù)，它為隨時間變化的函數(shù)。這樣過激磁測量倍數(shù)中既含有當(dāng)前時刻的過激磁信息，同時也含有過

20、激磁開始后各時間段的累積過激磁信息。,相間阻抗繼電器保護(hù),裝置I側(cè)、II側(cè)后備保護(hù)設(shè)有相間及接地阻抗I段和II段。相間阻抗保護(hù)、接地阻抗保護(hù)方向、零序方向過流指向固定指向變壓器。 阻抗保護(hù)I段、接地阻抗保護(hù)I段固定經(jīng)過振蕩閉鎖；阻抗保護(hù)II段、接地阻抗保護(hù)II段固定不經(jīng)過振蕩閉鎖。 阻抗元件的動作特性如圖所示。阻抗元件靈敏角75。,阻抗元件的比相方程為：,RCS-978G5公共繞組后備保護(hù),公共繞組設(shè)有一段零序過流保護(hù)和一段零序反時限過流保護(hù)。 注意：反時限零序過流保護(hù)所用電流固定為本側(cè)中性點外接零序TA的電流。,本側(cè)電壓退出對阻抗保護(hù)的影響：,當(dāng)本側(cè)TV檢修或旁路代路未切換TV時，需投入本側(cè)

21、電壓退出壓板，這樣可不再報異常。 本側(cè)阻抗保護(hù)固定退出！,RCS-978零序過壓保護(hù),由于220kV500kV變壓器低壓側(cè)常為不接地系統(tǒng)，裝置設(shè)有 零序過壓作為變壓器低壓側(cè)接地報警。,跳閘矩陣,整定方法：在保護(hù)元件投入位和其所跳開關(guān)位填1，其它位填0，則可得到該元件的跳閘方式。 例如：若I側(cè)后備保護(hù)阻抗I段整定為跳I側(cè)母聯(lián)開關(guān)，則在其控制字的第0位和第4位填1，其它位填0。這樣得到該元件的一個十六進(jìn)制跳閘控制字為：0011H。注意： 用戶在使用跳閘控制字時一定要結(jié)合具體工程圖紙中的跳閘輸出定義。,RCS-978的功能壓板,投差動保護(hù) 投零序差動保護(hù) 投高壓側(cè)相間后備保護(hù) 投高壓側(cè)接地零序保護(hù)

22、投公共繞組后備保護(hù) 投過激磁保護(hù) 退高壓側(cè)電壓,RCS-978的功能壓板,投中壓側(cè)相間后備保護(hù) 投中壓側(cè)接地零序保 退中壓側(cè)電壓,RCS-978的功能壓板,投低壓側(cè)后備保護(hù) 退低壓側(cè)電壓,裝置中的平衡系數(shù)的計算,1計算變壓器各側(cè)一次額定電流： 式中Sn為變壓器最大額定容量，U1n為變壓器計算側(cè)額定電壓。 2 計算變壓器各側(cè)二次額定電流： 式中I1n為變壓器計算側(cè)一次額定電流，nLH為變壓器計算側(cè)TA變比。 3 計算變壓器各側(cè)平衡系數(shù)： 其中 式中I2n為變壓器計算側(cè)二次額定電流，I2n_min為變壓器各側(cè)二次額定電流值中最小值，I2n_max為變壓器各側(cè)二次額定電流值中最大值。,平衡系數(shù)的計算

23、方法即以變壓器各側(cè)中二次額定電流為最小的一側(cè)為基準(zhǔn)，其它側(cè)依次放大。若最大二次額定電流與最小二次額定電流的比值大于4，則取放大倍數(shù)最大的一側(cè)倍數(shù)為4，其它側(cè)依次減?。蝗糇畲蠖晤~定電流與最小二次額定電流的比值小于4，則取放大倍數(shù)最小的一側(cè)倍數(shù)為1，其它側(cè)依次放大。裝置為了保證精度，所能接受的最小系數(shù)Kph為0.25，因此差動保護(hù)各側(cè)電流平衡系數(shù)調(diào)整范圍最大可達(dá)16倍。,差動各側(cè)電流相位差的補償,變壓器各側(cè)電流互感器采用星形接線，二次電流直接接入本裝置。電流互感器各側(cè)的極性參見前圖，都以母線側(cè)為極性端。 變壓器各側(cè)TA二次電流相位由軟件調(diào)整，裝置采用-Y變化調(diào)整差流平衡，這樣可明確區(qū)分涌流和故障

24、的特征，大大加快保護(hù)的動作速度。對于Y0/-11的接線，其校正方法如下： Y0側(cè)：,側(cè)：,RCS-978G5 TV異常判別原理,TV異常判別判據(jù)如下： (1)、正序電壓小于30V，且任一相電流大于0.04In或開關(guān)在合位狀態(tài)； (2)、負(fù)序電壓大于8V。 滿足上述任一條件，同時保護(hù)起動元件未起動，延時10秒報該側(cè)母線TV異常，并發(fā)出報警信號，在電壓恢復(fù)正常后延時10秒恢復(fù)。在異常期間，根據(jù)整定控制字選擇是退出經(jīng)方向或電壓閉鎖的各段過流保護(hù)還是暫時取消方向和電壓閉鎖，以上各節(jié)均有詳細(xì)說明。 注意： 當(dāng)某側(cè)電壓退出時，該側(cè)TV異常判別功能自動解除。 裝置設(shè)有TA異常判別判據(jù)為：當(dāng)負(fù)序電流大于0.06In后延時10秒報該側(cè)TA異常，同時發(fā)出報警信號，在電流恢復(fù)正常后延時10