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1、PCS-978变压器保护装置变压器保护装置培训教材培训教材南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司PCS-978变压器保护装置变压器保护装置南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司i前前言言南京南瑞继保电气有限公司经过十多年的积累，秉承“科技报国，实业报国，积极承担社会责任”的宗旨，坚持“做精主业，外延发展”的发展战略，不断创新和发展壮大，向着“成就百年优秀民族企业”的目标不断前进。今天的南瑞继保已经在海内外具有相当的知名度，在本行业内与国外老牌著名继电保护及自动化生产厂家并驾齐驱。南瑞继保的产品涵盖了电网、电厂和各类工业的电力系统保护、控制领域。为了帮助大家更好了解南京南瑞继
2、保电气有限公司的产品，南京南瑞继保电气有限公司特编写“南瑞继保产品培训教材”系列丛书，这套丛书包括：RCS-900 系列高压线路保护装置培训教材RCS-915 系列母线保护装置培训教材RCS-985 系列发电机变压器成套保护装置培训教材PCS-978 变压器保护装置培训教材变压器保护装置培训教材RCS-9600C 系列保护测控装置培训教材RCS-9700 变电站综合自动化系统培训教材PCS-9580 静止型动态无功补偿系统培训教材PCS-996R 故障录波装置培训教材RCS-992 系列安全稳定控制系统培训教材本系列培训教材按照南京南瑞继保电气有限公司的产品线和产品应用领域分类，由浅入深地介绍
3、了南瑞继保产品的原理、结构、特点和应用等知识。本套培训教材的读者对象包括：南瑞继保产品用户南瑞继保新员工特别需要说明，由于本套培训教材中涉及了相当多的电力系统背景的相关知识（继电保护、变电站自动化、电力系统通讯和自动控制等），所以读者需要这些知识有相当的了解，以便能够更好地理解本培训教材的内容。PCS-978变压器保护装置变压器保护装置南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司ii版权声明版权声明当前版本 R1.00P/N:ZL_PXJC.5105.0912Copyright 2009 南京南瑞继保电气有限公司版权所有我们对本文档及其中的内容具有全部的知识产权。除非特别授权，禁止复制或向
4、第三方分发。凡侵犯本公司版权等知识产权的，本公司必依法追究其法律责任。我们定期仔细检查本文档中的内容，在后续版本中会有必要的修正。但不可避免会有一些错误之处，欢迎提出改进的意见。我们保留在不事先通知的情况下进行技术改进的权利。南京南瑞继保电气有限公司中国南京江宁开发区苏源大道 69 号电话：86-25-87178185，传真：86-25-87178208网址:www.nari-电子信箱:nr_techsupportnari-PCS-978变压器保护装置变压器保护装置南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司iii目目录录前前言言.i目目录录.iii第第 1 章章 变压器保护概述变压器保护
5、概述.11.1 对变压器保护的基本要求对变压器保护的基本要求.11.2 变压器的故障和不正常工作状态变压器的故障和不正常工作状态.11.3 PCS-978 的保护配置的保护配置.21.4 典型组屏方案典型组屏方案.4第第 2 章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理.72.1 变压器差动保护应符合的要变压器差动保护应符合的要求求.72.2 变压器差动保护基本原理变压器差动保护基本原理.72.3 变压器差动保护需考虑的特殊问题变压器差动保护需考虑的特殊问题.82.3.1 电流互感器电流互感器 CT 饱和的影响及防止措施饱和的影响及防止措施.82.3.2 变压器励磁涌流的影响及防止措施变压器励磁
6、涌流的影响及防止措施.122.3.3 变压器接线变压器接线组别对差动保护的影响及其补偿措施组别对差动保护的影响及其补偿措施.162.3.4 变压器各侧电流互感器的不同型号和变比误差的影响及解决措施变压器各侧电流互感器的不同型号和变比误差的影响及解决措施.182.3.5 带负荷调压在运行中改变分头的影响带负荷调压在运行中改变分头的影响.192.3.6 区外故障不平衡电流的增大及解决措施区外故障不平衡电流的增大及解决措施.192.3.7 变压器过激磁的影响及解决措施变压器过激磁的影响及解决措施.192.3.8 差动保护差动保护 CT 异常和断线的影响和解决措施异常和断线的影响和解决措施.202.3
7、.9 变压器差动速断的应用变压器差动速断的应用.212.4 PCS-978 变压器差动保护动作特性变压器差动保护动作特性.212.4.1 起动元件起动元件.212.4.2 保护原理保护原理.22第第 3 章章 其他主保护原理其他主保护原理.333.1 概述概述.333.2 限制性接地故障保护限制性接地故障保护.333.2.1 概述概述.333.2.2 起动元件起动元件.33PCS-978变压器保护装置变压器保护装置南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司iv3.2.3 保护原理保护原理.343.3 绕组差动保护绕组差动保护.383.3.1 概述概述.383.3.2 起动元件起动元件.3
8、83.3.3 保护原理保护原理.393.4 过激磁保护过激磁保护.423.4.1 概概述述.423.4.2 起动元件起动元件.433.4.3 保护原理保护原理.433.5 非电量保护非电量保护.453.5.1 概述概述.453.5.2 保护原理保护原理.45第第 4 章章 变压器后备保护原理变压器后备保护原理.474.1 概述概述.474.2 频率保护频率保护.474.2.1 概述概述.474.2.2 起动元件起动元件.474.2.3 保护原理保护原理.474.3 阻抗保护阻抗保护.484.3.1 概述概述.484.3.2 起动元件起动元件.484.3.3 保护原理保护原理.494.4 过流保
9、护过流保护.524.4.1 概述概述.524.4.2 起动元件起动元件.524.4.3 保护原理保护原理.534.5 零序过流保护零序过流保护.554.5.1 起动元件起动元件.564.5.2 保护原理保护原理.564.6 相过电压保护相过电压保护.58PCS-978变压器保护装置变压器保护装置南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司v4.6.1 概述概述.584.6.2 起动元件起动元件.594.6.3 保护原理保护原理.594.7 零序过电压保护零序过电压保护.604.7.1 概述概述.604.7.2 起动元件起动元件.614.7.3 保护原理保护原理.614.8 热过负荷保护热过
10、负荷保护.624.8.1 概述概述.624.8.2 起动元件起动元件.624.8.3 保护原理保护原理.624.9 欠电压保护欠电压保护.634.9.1 概述概述.634.9.2 起动元件起动元件.644.9.3 保护原理保护原理.644.10 失灵保护失灵保护.654.10.1 概述概述.654.10.2 起动元件起动元件.654.10.3 保护原理保护原理.654.11 异常报警元件异常报警元件.664.11.1 过负荷报警过负荷报警.664.11.2 起动风冷起动风冷.674.11.3 闭锁有载调压闭锁有载调压.674.11.4 零序电压报警功能零序电压报警功能.674.11.5 零序电
11、流报警功能零序电流报警功能.67第第 5 章章 PCS-978 的其他保护功能相关元件的其他保护功能相关元件.695.1 电压元件电压元件.695.2 电流元件电流元件.695.3 出口元件出口元件.695.3.1 保护元件跳闸矩阵保护元件跳闸矩阵.70PCS-978变压器保护装置变压器保护装置南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司vi5.3.2 可编程跳闸矩阵可编程跳闸矩阵.705.4 中间变量元件中间变量元件.705.5 GOOSE 功能功能.70第第 6 章章 自检自检.736.1 概述概述.736.2 装置自检装置自检.736.2.1 装置硬件自检装置硬件自检.736.2.2
12、 出口继电器监视出口继电器监视.736.2.3 光耦电源监视光耦电源监视.736.2.4 定值自检定值自检.736.2.5 起动元件监视起动元件监视.736.2.6 电压电流零漂监视及自动调整电压电流零漂监视及自动调整.746.2.7 传动试验状态监视传动试验状态监视.746.2.8 硬件配置检测硬件配置检测.746.2.9 二次回路监视二次回路监视.746.2.10 电压互感器回路监视电压互感器回路监视.746.2.11 电流互感器回路监视电流互感器回路监视.746.3 装置异常报文装置异常报文.746.3.1 装置自检异常报文装置自检异常报文.746.3.2 保护运行异常报文保护运行异常报
13、文.75第第 7 章章 测量和录波测量和录波.797.1 测量测量.797.1.1 概述概述.797.2 事件记录和录波事件记录和录波.807.2.1 概述概述.807.2.2 事件记录事件记录.807.2.3 扰动和故障录波扰动和故障录波.807.2.4 正常录波正常录波.81第第 8 章章 硬件原理说明硬件原理说明.838.1 整体介绍整体介绍.83PCS-978变压器保护装置变压器保护装置南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司vii8.2 模块配置模块配置.858.2.1 配置原理配置原理.858.2.2 典型配置典型配置.878.3 模块端子定义模块端子定义.888.3.1
14、模块分类模块分类.888.3.2 电源模块电源模块(NR1301).888.3.3 MON 模块模块（NR1102）.908.3.4 DSP 模块模块 1（保护元件计算保护元件计算）.928.3.5 DSP 模块模块 2（起动元件计算起动元件计算）.928.3.6 开关量输入模块开关量输入模块(NR1504).938.3.7 开关量输出模块开关量输出模块.958.3.8 模拟量输入模块模拟量输入模块.978.3.9 GOOSE 模块模块(可选可选).998.4 跳闸矩阵跳闸矩阵.1008.5 输出接点输出接点.1018.5.1 跳闸输出接点跳闸输出接点.1018.5.2 信号接点信号接点.10
15、2第第 9 章章 人机接口操作人机接口操作.1039.1 概述概述.1039.1.1 设计设计.1039.1.2 键盘键盘.1049.1.3 指示灯指示灯.1059.1.4 通讯串口通讯串口.1069.1.5 通讯连接通讯连接.1069.2 菜单使用说明菜单使用说明.1079.2.1 菜单概述菜单概述.1079.2.2 装置状态装置状态.1099.2.3 显示报告显示报告.1119.2.4 打印报告打印报告.1129.2.5 整定定值整定定值.113PCS-978变压器保护装置变压器保护装置南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司viii9.2.6 本地命令本地命令.1149.2.7
16、修改时钟修改时钟.1149.2.8 程序版本程序版本.1149.2.9 调试菜单调试菜单.1149.2.10 环境设定环境设定.1159.3 液晶显示说明液晶显示说明.1159.3.1 概述概述.1159.3.2 正常运行显示正常运行显示.1159.3.3 动作报文显示动作报文显示.1169.3.4 自检报文显示自检报文显示.1189.3.5 变位报文显示变位报文显示.1189.3.6 运行报文显示运行报文显示.1199.3.7 查看装置状态查看装置状态.1209.3.8 查看装置报文查看装置报文.1219.3.9 查看板卡信息查看板卡信息.1219.3.10 打印装置报文打印装置报文.122
17、9.3.11 查看装置定值查看装置定值.1229.3.12 修改装置定值修改装置定值.1239.3.13 拷贝装置定值拷贝装置定值.1259.3.14 切换装置定值切换装置定值.1269.3.15 删除装置报文删除装置报文.1279.3.16 修改装置时钟修改装置时钟.1289.3.17 检检查装置版本查装置版本.1299.3.18 后台通讯传动后台通讯传动.1299.3.19 选择显示语言选择显示语言.130第第 10 章章 版本历史和修改记录版本历史和修改记录.133PCS-978变压器保护装置变压器保护装置南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司ix第第1章章 变压器保护概述变压
18、器保护概述南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司1第第1章章 变压器保护概述变压器保护概述在电力系统中电力变压器是十分重要和必不可少的设备。它的故障将会给系统的正常供电和安全运行带来严重的后果，同时大容量的电力变压器也是十分昂贵的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。对于电力系统中的电力设备和线路，应装设短路故障和异常运行的保护装置。电力设备和线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，必要时可增加辅助保护。1.1 对变压器保护的基本要求对变压器保护的基本要求对变压器保护的基本要求有三方面：(1)在变压器发生故障时应将它与所有的电源隔离。(2
19、)在母线或其它与变压器相连的元件发生故障，而故障元件由于某种原因(保护拒动或断路器失灵等)其本身断路器未能断开情况下，应使变压器与故障部分分开。(3)当变压器过负荷、油面降低、油温过高时，应发出报警信号。对于变压器本身和各侧引线、套管的故障，为了限制故障扩大，通常采用电流速断、差动及重瓦斯保护，快速将变压器的各侧断路器跳开。对于与变压器连接的母线或接于此母线的引出线路故障，而其相应保护不能切除故障时，应通过较短时限的过电流保护，将与故障有联系的变压器的断路器断开，以停止故障电流流过变压器。过负荷引起的过电流，一般是短时的（如电动机自起动、电气火车和起重机引起的过负荷冲击等），对于较长时间的过负
20、荷（如断开并联运行的变压器），运行人员有充足的时间处理（可切除不重要的用户或过负荷的变压器），因此不必装设断开变压器的保护，而仅装设过负荷信号，提醒运行人员采取相应措施即可。对于变压器内部产生的轻微瓦斯和油面降低，应利用瓦斯继电器轻瓦斯动作触点给出信号；而对于变压器本体温度过高，应利用温度继电器触点给出报警信号。1.2 变压器的故障和不正常工作状态变压器的故障和不正常工作状态对变压器的主要故障及异常运行方式主要包括以下几种：1.绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路；2.绕组的匝间短路；3.外部相间短路引起的过电流；4.中性点直接接地或小电阻接地电力网中，外部接地短路引起的
21、过电流及中性点过电压；5.过负荷；6.过励磁；第第1章章 变压器保护概述变压器保护概述南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司27.油面降低；8.变压器油温、绕组温度过高及油箱压力过高和冷却系统故障。实践证明，上述变压器内部故障中，以油箱内绕组的故障较多，尤其是匝间短路。绕组故障产生的电弧，会损坏绕组的绝缘及铁芯，引起绝缘材料和变压器油的强烈气化，从而导致油箱的爆炸。匝间故障大都是在电压较高时的绝缘击穿，外部故障特征不明显。传统上由于机械式差动保护的动作灵敏度和速度的限制，这种故障大都由瓦斯保护完成。瓦斯的动作速度也不快，因此故障后的修复工作量很大。微机变压器差动保护动作速度大大提高，
22、可以作为匝间故障保护，并大大减轻了事故后的修复工作量。其次，引出线的接地和相间故障也是常常发生的，这种故障是故障电流很大且可能有相当大的非周期分量的故障，因而还需要设置差电流速断保护作为主保护。最常见的变压器不正常工作状态是过电流，即工作电流大于额定电流，产生过电流的原因很多，主要有外部短路故障切除时间长、并联工作变压器被断开、电动机的自起动、自动投入负荷、系统振荡等。另外，还有变压器油箱漏油造成的油面降低和油箱出现气体等。此外对于大容量的变压器，由于其额定工作时的磁通密度相当接近于铁心的饱和磁通密度，因此在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器过励磁故障。1.3 PCS-978 的保
23、护配置的保护配置PCS-978 的保护功能（如下表所列）很多，可以根据用户需求使用 PCS-PC 软件进行配置。表 1.3-1PCS-978 保护功能列表保护功能保护功能功能码功能码模块数模块数常规比率差动保护87T1差动速断保护50/87UT1工频变化量差动保护7/87DT1限制性接地故障保护64REF3绕组差动保护87WT3过激磁保护241频率保护861非电量保护(4 路非电量信号输入)26,63,711相间阻抗保护接地阻抗保护21P21G3定时限过流保护反时限过流保护50P,51P,67P3定时限零序过流保护反时限零序过流保护51G,67G3定时限零序过压保护反时限零序过压保护59G3定
24、时限相过压保护反时限相过压保护59P3第第1章章 变压器保护概述变压器保护概述南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司3保护功能保护功能功能码功能码模块数模块数相欠压保护27P3热过负和保护493断路器失灵保护50BF3过负荷报警元件493过负荷起动风冷元件493过负荷闭锁有载调压元件493零序过压报警元件59G3零序过流报警元件51G3电压元件3电流元件10电流互感器饱和检测励磁涌流检测过激磁检测谐波闭锁功能振荡闭锁功能PSBR电压互感器监视VTS电流互感器监视CTSPCS-978 用于保护三圈变和自耦变的保护功能图分别如图 1.3-1 和图 1.3-2 所示。*/fU图 1.3-1
25、 三圈变保护功能图第第1章章 变压器保护概述变压器保护概述南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司4低压侧*PCS-978高压侧*公共绕组*中压侧*87T7/87T50/87T差动保护64REF零差24 过激磁*/fU3U0计算值51G.67G零序过流50P,51P,67P相过流保护49热过负荷59P过电压27P欠电压59G零序过压21P,21N阻抗保护26,63,71非电量50BF断路器失灵变压器非电量信号81频率保护图 1.3-2 自耦变保护功能图1.4 典型组屏方案典型组屏方案1）主后一体化组屏方案第第1章章 变压器保护概述变压器保护概述南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有
26、限公司5屏柜APCS-978CZX-12R1屏柜BPCS-978CZX-12R1主保护I主保护II图 1.4-1 主后一体化组屏方案其中 PCS-978 为变压器保护装置，包含主保护和后备保护，CZX12R 为操作箱，包括断路器操作回路控制功能，电压切换功能。2）主后分开组屏方案第第1章章 变压器保护概述变压器保护概述南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司6屏柜APCS-978PCS-9611PCS-9611PCS-9611CJXCJX图 1.4-2 主后分开组屏方案其中 PCS-978 为变压器主保护装置，只包含主保护，3 台 PCS-9611 作为变压器后的三侧后备保护装置，只包
27、含后备保护。CJX 为操作继电器，包括断路器操作回路控制功能，电压切换功能。第第2章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司7第第2章章 变压器变压器差动保护差动保护原理原理2.1 变压器差动保护应符合的要求变压器差动保护应符合的要求1.应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流；2.在变压器过励磁时不应误动作；3.在电流回路断线时应发出断线信号；4.在正常情况下，纵联差动保护的保护范围应包括变压器套管和引出线，如不能包括引出线时，应采用快速切除故障的辅助措施。在设备检修等特殊情况下，允许差动保护短时利用变压器套管电流互感器。此时套管和引线故障由
28、后备保护动作切除。如电网安全稳定运行有要求时，应将纵联差动保护切至旁路断路器的电流互感器。5.瓦斯保护虽然可以快速而灵敏地反映油箱内部的各种故障，但不能保护套管及引出线等油箱外部的故障。因此，对于容量较大的电力变压器，纵差动保护是必不可少的保护，它用以保护变压器内部、套管及引出线上的各种短路故障，而且与瓦斯保护互相配合作为变压器的主保护，使保护的性能更加全面和完善。2.2 变压器差动保护变压器差动保护基本原理基本原理变压器的差动保护是利用比较变压器各侧电流的差值构成的一种保护，其单线原理图如图2.2-1所示。变压器装设有电流互感器 CT1 和 CT2，其二次绕组按环流原则串联，差动继电器 KD
29、 并接在差回路中。变压器在正常运行或外部故障时，电流由电源侧流向负荷侧，在图 2.2-1(a)所示的接线中，CT1、CT2 的二次电流 I1、I2会以反方向流过继电器 KD 的线圈，KD 中的电流等于二次电流 I1和 I2之差，故该回路称为差回路，整个保护装置称为差动保护。若电流互感器 CT1 和CT2变比选得理想且在忽略励磁电流的情况下，则 I1=I2，继电器 KD 中电流 IKD=0，亦即在正常运行或外部短路时，两侧的二次电流大小相等、方向相反，在继电器中电流等于零，因此差动保护不动作。如果故障发生在 CT1 和CT2 之间的任一部分（如 K1点），且母线和均接有电源，则流过 CT1 和
30、CT2 一二次侧电流方向如图 2.2-1(b)所示，于是 I1和I2按同一方向流过继电器 KD线圈，即IKD=I1+I2使KD 动作，瞬时跳开 CB1 和 CB2。如果只有母线有电源，当保护范围内部有故障（如K1点）时，I2=0，故 IKD=I1，如如图2.2-1(c)，此时继电器 KD 仍能可靠动作。第第2章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司8图 2.2-1 变压器差动保护原理接线图2.3 变压器差动保护需考虑的特殊问题变压器差动保护需考虑的特殊问题从原理上讲，差动保护选择性好，而且灵敏度高，但用于变压器保护时，还有些特殊问题需要考虑和解
31、决。2.3.1 电流互感器电流互感器 CT 饱和的影响及防止措施饱和的影响及防止措施2.3.1.1 讨论电流互感讨论电流互感器的必要性器的必要性我们知道，短路电流中含有直流分量，这个直流分量会随时间以一次衰减时间常数衰减。电压等级越高，线路阻抗角越大，L/R 常数就越大，直流分量在短路电流中存在时间越长。目前的数字式继电保护装置，动作速度快，大都在直流分量还未衰减至零之前就可出口，因此很有必要讨论在短路电流中含直流分量时(即直流分量衰减过程末结束的情况下),电流互感器的暂态工作过程、这个过程对继电保护的影响和继电保护应采取的对策。另外，随着系统容量的增加和短路电流水平的提高，要求电流互感器的变
32、比越来越大，特别是在变电站的低压侧,这不仅在经济上投资太大，而且有时常选不到满意的设备，致使运行中出现了由于 CT 饱和，保护不能正确工作的现象。所有这些都促使我们要研究和讨论电流互感器的问题。2.3.1.2 10P20 模型试验室电流传变情况举例模型试验室电流传变情况举例南瑞继保公司的试验制作了模型 CT，变为1：1 它符合 10P20 真实CT 的技术指标，二次负担也合理，在试验室内作了大量的试验，用微机录波，不仅录取了一次和二次的采样值，并计算出励磁电流。在以下的各幅录波图中，上面半幅图的曲线，均为一次与二次的差流，可以认为为励磁电流。横轴为时间轴，单位为 ms。下面半幅图曲线虚线为一次
33、电流，实线为二次电流。给出了各种情况下CT 饱和的特征图。第第2章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司9050100150200250300350-50050050100150200250300350-100-50050100图 2.3-1 电流为nI40，无非周期分量050100150200250300350-200-1000100200050100150200250300350-200-1000100200图 2.3-2 电流为nI90，无非周期分量050100150200250300350-20020406005010015020025
34、0300350-40-200204060图 2.3-3 电流为nI20，时间常数 180ms（89）第第2章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司10050100150200250300350-200204060050100150200250300350-40-200204060图 2.3-4 电流为nI20，时间常数 260ms（89.3）050100150200250300350-150-100-50050050100150200250300350-150-100-50050100图 2.3-5 电流为nI40，时间常数 260ms（89.
35、3）2.3.1.3 电流互感器一次电流有直流衰减分量而使电流互感器一次电流有直流衰减分量而使 CT 饱和时电流传变的饱和时电流传变的特点特点1）二次电流波形有严重缺损，显著非正弦；2）在故障后 CT 很快进入深饱和，以致二次绕组的感应电势降为零，在相应的一段时间内二次电流为零，此时一次电流全部成为励磁电流；3）当已全部成为励磁电流的一次电流的瞬时值下降时，CT 逐渐退出饱和，当它下降到零进而改变方向时,铁芯退出饱和，二次绕阻的感应电势增大，又输出二次电流，几乎与一次电流相等，但此时铁芯中有相当大的剩磁存在；4）当一次电流恢复初始的方向又上升时，由于有剩磁存在铁心又很快饱和，二次电流又降为零；5
36、）在故障起始的一小段时间内铁芯要维持磁通不变，或者说励磁回路的电感不允许其电流突变，一次电流全部变换为二次电流，CT无误差；6）由于电流互感器存在角差，因此即使一、二次电流有效值的差不大于 10%，它所引起的差流也往往会大于一次电流的 10%。7）一次电流越大，其饱和时波形畸变越大，因而励磁电流越大，但二次电流绝不会为零，即使一次电流为 100 倍的额定电流，其二次电流的起始段仍能有2ms 以上的线性段可以使用。8）对一次电流有衰减直流分量的 P型电流互感器的二次电流进行谐波分析，图 2.3-6 中，上面一幅为 CT 的一二次电流。中间一幅图是二次电流的谐波分析曲线,图中有三条曲线，以时间坐标
37、第第2章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司110.03 秒处来观察,最上面一条为基波曲线。中间一条为三次谐波曲线，下面一条为二次谐波曲线。从图中可知，在 0.02 处秒以前一次电流中有非周期分量存在，二次电流中二次谐波分量大于三次谐波分量，随着直流分量的衰减，二次谐波分量下降，三次谐波分量上升。可以这样认为：“CT暂态饱和，在二次电流中将产生以二次谐波为主的谐波分量，CT 稳态饱和，在二次电流中将产生以三次谐波为主的谐波分量。”图 2.3-6 变压器差动保护 CT 饱和研究2.3.1.4 PCS-978 的的 CT饱和识别方法饱和识别方法由
38、于 CT 进行饱和状态总需要一定的时间，保护装置可以根据故障发生的初始时刻的差动电流和制动电流的变化特点判断是否发生了区外故障，并且为防止在变压器区外故障等状态下 CT的暂态与稳态饱和所引起的稳态比率差动保护误动作，装置利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别 CT是否饱和，所用的表达式如下：133122*IkIIkIxbxb（公式 2.3-1）其中：2I为电流中的二次谐波。3I为电流中的三次谐波。1I为电流中的基波。xbk2和xbk3为某一比例常数。当某相与差动计算有关的电流满足以上表达式即认为此时的差流为 CT饱和引起，闭锁稳态比率差动保护。此判据在变压器处于运行状态才投入。第第2章章 变
39、压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司122.3.2 变变压器励磁涌流的影响及防止措施压器励磁涌流的影响及防止措施2.3.2.1 变压器的励磁涌流变压器的励磁涌流变压器的高、低压侧是通过磁路联系的，故仅在电源的一侧存在励磁电流，它通过电流互感器构成差回路中不平衡电流的一部分。在正常运行情况下，其值很小，小于变压器额定电流的 3%。当发生外部短路故障时，由于电源侧母线电压降低，励磁电流更小，因此，在这些情况下的不平衡电流对差动保护的影响一般可以不必考虑。但在变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复过程中，则会出现励磁涌流。特别是在电压过零时刻合闸时，
40、变压器铁芯中的磁通急剧增大，使铁芯瞬间饱和，这时出现数值很大的冲击励磁电流（可达510 倍的额定电流），通常称为励磁涌流。IaIbIc3I0图 2.3-7 变压器合闸时励磁涌流电流波形图图 2.3-7 为一变压器合闸时励磁涌流的电流波形图（由保护装置所录，也就是说从电流互感器二次所见到的波形）。由图可见，励磁涌流 Ie 中含有大量的非周期分量与高次谐波，因此励磁涌流已不是正弦波，且可能在最初瞬间完全偏于时间轴的一侧。励磁涌流的大小和衰减速度，与合闸瞬间外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量、变压器的容量及铁芯材料等因素有关。对于单相的双绕组变压器，在其它条件相同的情况下，当电压瞬时值
41、过零时合闸，励磁电流最大；如果在电压瞬间值最大时合闸，则不会出现励磁涌流，而只有正常的励磁电流。对于三相变压器，无论任何瞬间合闸，至少有两相会出现不同程度的励磁涌流。对于一般的中小型变压器，经0.51.0 秒后其值不超过额定电流的 0.250.5 倍；大型电力变压器励磁涌流的衰减速度较慢，衰减到上述值时约需 23 秒，乃至数十秒。根据试验和理论分析结果得知，励磁涌流在最初瞬间可能完全偏于时间轴的一侧，且其中含有大量的高次谐波分量，其中二、三次谐波分量所占比例最大，四次以上谐波分量很小。这里我们要主要分析三相变压器的励磁涌流，但必须在熟悉单相变压器涌流波形的基础上进行，因此以单相变压器为例，说明
42、单相变压器空投时励磁涌流产生的机理。为考虑空载合闸的最严重条件，同时有利于简化分析工作，假设电源内阻抗为零，而且不计合闸回路电阻（涌流波形不衰减）。设合闸时电源电压为：)sin(tUUM（公式 2.3-2）第第2章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司13当二次侧开路的空载变压器突然合到电压为 U 的无穷大系统上，忽略变压器漏抗压降，并令变压器一次绕组匝数 N，则有：)sin(tUdtdNM（公式 2.3-3）由此可以得到：CtNUM)cos(（公式 2.3-4）上式中积分常数 C 由合闸初瞬间（t=0）的铁芯剩磁 决定，即：RMNUCcos（
43、公式 2.3-5）因此空载合闸的铁芯磁通为：TtRMMet)cos()cos(（公式 2.3-6）上式中，M=UM/N 为对应电压 UM的磁通幅值，在额定工况下M=E。T 为时间常数，与合闸回路的损耗及感抗有关。由上式可以看出，其第一项为磁通的强迫分量，而第二项为磁通的自由分量或衰减分量。当=0 时，同时不考虑自由分量的衰减时，我们称 Mcos(t+)为稳态磁通，将非同期磁通Mcos和剩磁 R合称为暂态磁通。此种情况下，空投变压器时变压器铁芯中磁通变化波形如所示。图 2.3-8 可以看出，在整个过程中，铁芯中最大磁通达到 2M+R，从而使变压器铁芯严重饱和，励磁电流猛增，即产生所谓励磁涌流。图
44、 2.3-8 空载合闸时变压器铁芯中的磁通变化波形第第2章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司142.3.2.2 在涌流作用下电流互感器的二次电流在涌流作用下电流互感器的二次电流电流互感器的等效电路如图 2.3-9(a)所示。当电流互感器是理想情况其铁芯不饱和时，涌流可被毫无畸变的完全传变到二次，其波形与一次涌流完全相同，见图 2.3-9(b)。此波形偏向时间轴一方，明显含有直流分量和偶次谐波。图 2.3-9 电流互感器等效电路图及涌流二次波形（CT 不饱和）在实际工作中，电流互感器的铁芯励磁特性度非理想，涌流中的直流分量是作为励磁电流出现的
45、，若电流互感器的铁芯剩磁与直流分量同方向，则电流互感器的铁芯会饱和而非线性；由于铁芯是一个很大的电感，励磁电流不能突变，铁芯的饱和是有时延的；当 CT 不饱和时，由于不计励磁电流，所以当一次电流过零时，二次电流也过零。但当 CT 饱和后，当一次电流过零时（二次电流与一次电流不同相，不过零），情况就不同了，此时励磁回路中储藏的磁能开始释放，它不可能向一次释放，因为一次是内阻无穷大的电流源，因而只能向负荷侧（二次侧）释放，因此就产生了反向电流，如图 2.3-10所示。图 2.3-10 电流互感器等效电路图及涌流二次波形（CT 饱和）在励磁涌流的暂态过程中，一次非周期分量按一次时间常数在衰减，铁芯的
46、饱和情况在变化，二次的这个衰减电流的值和衰减时间常数也在变化；总之，是个复杂的过程，但从以上定性的分析可知，不管如何变，电流互感器二次电流波形不对称，含有谐波的结论不变。2.3.2.3 涌流对差动保护的影响及解决措施涌流对差动保护的影响及解决措施通过以上分析可知，在变压器差动保护中，如不采取有效措施消除励磁涌流的影响，必将导致保护的误动作。根据励磁涌流的性质，可采取下述措施：(1)利用励磁涌流中的非周期分量使继电器铁芯饱和，自动地提高保护的动作电流，如过去用速饱和铁芯的差动继电器。这是一个很好的自适应思路，但利用微机保护装置实现起来有一定困难。(2)利用延时动作或提高保护动作值来躲过励磁涌流。
47、但前者失去了速动的优点，后者降低了保护动作的灵敏度。作为变压器内部故障保护是不可取的。(3)用短路电流和励磁涌流波形的差异来区分涌流与故障。当差流中含二次谐波量达到某第第2章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司15值时，判为空载合闸，闭锁比率差动保护。2.3.2.4 PCS-978 的的励磁涌流判别方法励磁涌流判别方法2.3.2.4.1 利用谐波识别励磁涌流利用谐波识别励磁涌流PCS-978 系列变压器成套保护装置采用三相差动电流中二次谐波、三次谐波的含量来识别励磁涌流，判别方程如下：stxbrdstxbndIKIIKI133122*（公式
48、2.3-7）其中：ndI2、rdI3分别为每相差动电流中的二次谐波和三次谐波。stI1为对应相的差流基波。xbk2、xbk3分别为二次谐波和三次谐波制动系数整定值。推荐xbk2整定为 0.10.2，xbk3整定为 0.10.2。当三相中某一相被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。2.3.2.4.2 利用波形畸变识别励磁涌流利用波形畸变识别励磁涌流故障时，差流基本上是工频正弦波。而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，波形发生畸变，间断，不对称。利用算法识别出这种畸变，即可识别出励磁涌流。故障时，有如下表达式成立：tbSSSkS*（公式 2.3-8）其中 S 是差动电流的全周积分值，S是“差动电
49、流的瞬时值+差动电流半周前的瞬时值”的全周积分值，bk是某一固定常数，tS是门槛定值。tS的表达式如下：edtIIS*1.0*（公式 2.3-9）式中：dI是差电流的全周积分值。第第2章章 变压器差动保护原理变压器差动保护原理南京南瑞继保电气有限公司南京南瑞继保电气有限公司16是某一比例常数。当三相中的某一相不满足以上方程，被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。装置设有逻辑定值涌流闭锁方式逻辑定值供用户选择差动保护涌流闭锁原理。当涌流闭锁方式逻辑定值为”0”时，装置利用谐波原理识别涌流；当涌流闭锁方式逻辑定值为”1”时，装置利用波形判别原理识别涌流。2.3.2.4.3 励磁涌流的自适应措施
50、励磁涌流的自适应措施装置中设置了专用的变压器空充检测元件，通过电流信号就能够自动检测到变压器是否处于空充过程(不需要额外的断路器位置信息)，在检测到变压器处于空充之后，保护将采用自适应措施来提高躲避励磁涌流的能力：1)自动减低励磁涌流闭锁定值，并随着时间的推移自动提高励磁涌流闭锁定值（最高不超过二次谐波制动整定定值，这样在提供闭锁能力的同时也能够保证空投到故障变压器的动作速度。2)自适应的投入循环闭锁判据，保护装置根据三相差电流的综合特征，如果判断为励磁涌流状态，会自动投入短时有效的循环闭锁判据，并在一段时间之后自动切换到分相闭锁。3)保护装置通过差电流二次谐波含量的变化趋势进行辅助判断，在差