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1、继电保护第七章第1页，本讲稿共48页第七章 电力变压器保护第2页，本讲稿共48页第七章 电力变压器保护n电力变压器是电力系统中使用相当普遍和十分重要的电气设备。如果发生故障，将给供电的可靠性和系统的正常运行带来严重的后果。同时，大容量变压器也是十分贵重的设备n为了保证变压器的安全运行，防止故障的扩大，按照变压器可能发生的故障，装设灵敏、快速、可靠和选择性好的保护装置是十分重要的第3页，本讲稿共48页第一节 变压器的故障类型和不正常工作状态第4页，本讲稿共48页第一节 变压器的故障类型和不正常工作状态n变压器的故障可以分为油箱内故障和油箱外故障两种：n油箱内故障：绕组的相间短路、接地短路、匝间短
2、路以及铁芯的烧损等n油箱外故障：套管和引出线上发生相间短路和接地短路n油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧毁铁芯；而且，由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生的大量气体，有可能引起变压器油箱的爆炸n对于变压器发生的各种故障，保护装置应尽快地将变压器切除第5页，本讲稿共48页第一节 变压器的故障类型和不正常工作状态n变压器的不正常运行状态包括：n变压器外部短路引起的过电流n负荷长时间超过额定容量引起的过负荷n风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降n变压器中性点过电压n变压器过励磁n变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员及时发现并且采取相应的措施
3、，以确保变压器的安全第6页，本讲稿共48页第二节 变压器保护典型配置方案第7页，本讲稿共48页第二节 变压器保护典型配置方案n为了保证变压器的安全运行，变压器一般应装设下列保护：n瓦斯保护n纵差保护或者电流速断保护n外部相间短路和接地短路时的后备保护n过负荷保护n过励磁保护n其他非电量保护第8页，本讲稿共48页第二节 变压器保护典型配置方案n瓦斯保护n电力变压器通常采用变压器油作为绝缘和冷却介质n当变压器油箱内故障时，变压器油和其他绝缘材料会因受热而分解，产生大量气体。气体排出的多少和速度与变压器故障的严重程度有关n利用这种气体实现保护的装置，称为瓦斯保护n瓦斯保护又可分为轻、重瓦斯保护，轻瓦
4、斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于跳变压器各侧断路器第9页，本讲稿共48页第二节 变压器保护典型配置方案n纵差保护或者电流速断保护n变压器内部故障时，如变压器引出线、套管以及油箱内部短路时，会出现两侧电流不平衡状况，可以装设纵差保护n与线路纵差保护类似，变压器纵差保护能够正确区分区内外各种故障，不需与其他元件的保护配合，可以无延时地切除区内各种故障，具有独特的优点，因而被广泛地用作变压器的主保护n对于变压器内部或者外部故障时，均会出现流过变压器电流增大的现象，可以装设电流速断保护第10页，本讲稿共48页第二节 变压器保护典型配置方案n外部相间短路和接地短路时的后备保护n除主保护以外，变压器还应
5、装设相间短路和接地短路的后备保护n后备保护的作用是防止外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻元件保护的后备以及在可能条件下作为变压器内部故障时主保护的后备n相间短路的后备保护通常采用过电流保护、阻抗保护等n接地短路的后备保护通常采用零序电流保护、零序电压保护等等第11页，本讲稿共48页第二节 变压器保护典型配置方案n过负荷保护n变压器长期过负荷运行时，绕组会因发热而受到损伤。因此，对容量400kVA的变压器，应装设过负荷保护n过励磁保护n对频率降低和电压升高而引起变压器过励磁时，励磁电流急剧增加，铁芯及附近的金属构件损耗增加，引起高温。长时间或多次反复过励磁，将因过热而使绝缘老化。因此，高
6、压侧电压等级为500kV及以上的变压器，应装设过励磁保护第12页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理第13页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理第14页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理变压器纵差保护不平衡电流产生的原因：n计算变比与实际变比不一致产生的误差n带负荷调压而产生的不平衡电流n电流互感器传变误差产生的不平衡电流n由于变压器两侧电流的相位不同而引起的不平衡电流n变压器励磁涌流而产生的不平衡电流第15页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n计算变比与实际变比不一致产生的误差第16页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n带负荷
7、调压而产生的不平衡电流n在电力系统中，经常采用带负荷调压变压器，利用改变变压器分接头的方法来保持系统电压n改变分接头的位置，实际上就是改变了变压器的变比。然而，电流互感器的变比选定后不可能根据运行方式进行调整，只能根据变压器分接头未调整时的变比进行选择n假设变压器分接头未调整时满足 ，则一旦分接头调整，就会出现变比差系数，引起不平衡电流第17页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n电流互感器传变误差产生的不平衡电流第18页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n电流互感器传变误差产生的不平衡电流第19页，本讲稿共48页上一堂课回顾n变压器的故障类型和不正常工作状态n变压器
8、保护典型配置方案n变压器纵差保护n变压器纵差保护的基本原理n变压器纵差保护不平衡电流产生的原因n计算变比与实际变比不一致产生的误差n带负荷调压而产生的不平衡电流n电流互感器传变误差产生的不平衡电流第20页，本讲稿共48页上一堂课回顾第21页，本讲稿共48页n计算变比与实际变比不一致产生的误差上一堂课回顾n带负荷调压而产生的不平衡电流n带负荷调压变压器，利用改变变压器分接头的方法来保持系统电压；改变分接头的位置，实际上就是改变了变压器的变比；一旦分接头调整，就会出现变比差系数，引起不平衡电流第22页，本讲稿共48页n电流互感器传变误差产生的不平衡电流上一堂课回顾第23页，本讲稿共48页第三节 变
9、压器纵差保护的基本原理n由于变压器两侧电流的相位不同而引起的不平衡电流第24页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n变压器励磁涌流而产生的不平衡电流n励磁回路相当于变压器内部故障的故障支路，励磁电流全部流入差动元件中，形成不平衡电流n励磁电流的大小取决于励磁电感的数值，也就是取决于变压器铁芯是否饱和n正常运行时和外部故障时，励磁电流不超过额定电流的2%5%，对纵差保护的影响常常忽略不计第25页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n变压器励磁涌流而产生的不平衡电流n但是，当变压器在空载合闸和外部短路切除后电压恢复时，变压器电压从零或者很小的数值突然上升到运行电压n在电压上
10、升过程中，变压器可能严重饱和，产生很大的暂态励磁电流，这个暂态励磁电流称为励磁涌流。励磁涌流最大值可以达到额定电流的48倍n由于励磁涌流很大，若用动作电流来躲过影响，则纵差保护在内部故障时灵敏度可能很低。因此，必须采取其他措施来防止励磁涌流引起纵差保护的误动作。这也是纵差保护的核心问题第26页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n减小不平衡电流的主要措施：1)补偿计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流第27页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n减小不平衡电流的主要措施：2)减少电流互感器因性能不同引起的稳态不平衡电流n尽可能使用型号、性能相同的D级电流互感器，使得两
11、侧电流互感器的磁化曲线相同，以减少不平衡电流n减小电流互感器的二次负载（减少二次电缆的电阻，增大电流互感器的变比）并使各侧二次负载相同，能够减少铁芯的饱和程度（一次电流是固定的，若二次负载越小，则励磁电流越小，铁芯越不饱和），相应地减少不平衡电流第28页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n减小不平衡电流的主要措施：3)减少电流互感器的暂态不平衡电流n以前常常采用在差动回路中接入具有速饱和特性的中间变流器的方法来减少电流互感器的暂态不平衡电流n速饱和中间变流器接线与中间变流器类似，只是没有平衡绕组第29页，本讲稿共48页第三节 变压器纵差保护的基本原理n减小不平衡电流的主要措施：3
12、)减少电流互感器的暂态不平衡电流n速饱和中间变流器采用很容易饱和的铁芯，当差动电流中含有较大的非周期分量并完全偏离时间轴一侧时，铁芯迅速饱和，导致一个周波内磁通的变化率很小，非周期分量不容易传变到变流器的二次侧n但是，在变压器内部故障时，故障中电流也含有非周期分量，采用速饱和特性的中间变流器后，纵差保护需待非周期分量衰减后才能动作，延长了故障切除时间，这对变压器是非常不利的第30页，本讲稿共48页第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第31页，本讲稿共48页第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法一、变压器励磁涌流产生的原因1 变压器空载合闸时的磁通n空载合闸时变压器的磁通：n电力变压器的饱和磁通一般为n变
13、压器的运行电压一般不会超过额定电压的10%，所以在变压器稳态运行时，铁芯是不会饱和的n但是在变压器空载合闸时产生的暂态过程中，由于 的作用可能会使变压器磁通大于饱和磁通，造成变压器铁芯饱和第32页，本讲稿共48页第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第33页，本讲稿共48页第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法一、变压器励磁涌流产生的原因2 变压器空载合闸时的电流第34页，本讲稿共48页第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法n励磁涌流的波形是偏向时间轴的一侧的，且是间断的第35页，本讲稿共48页n励磁涌流中除了基波分量外，还存在大量的非周期分量和谐波分量。由于励磁涌流是周期函数，可以展开成傅里叶级数。励磁涌流中
14、各次谐波分量的幅值可以根据傅里叶级数的系数an和bn确定第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法间断角（度）非周期分量基波二次谐波三次谐波四次谐波10876.810013.27.82.815069.210028.87.53.518063.710042.40.08.5n不同间断角下励磁涌流中的谐波含量如下所示：第36页，本讲稿共48页n单相变压器励磁涌流的特点：n变压器空载合闸时，涌流是否产生以及涌流的大小与合闸角有关，合闸角为0及180度时励磁涌流最大n波形完全偏离时间轴的一侧，并且出现间断。涌流越大，间断角越小n含有很大成分的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大n含有大量的高次谐波分量，而以二次谐
15、波为主。间断角越小，二次谐波越小第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第37页，本讲稿共48页n对于三相变压器，当进行空载合闸时，三相绕组均会产生励磁涌流n但是，对于Y/D11接线的三相变压器，由于引入每相差动保护的电流为两个变压器绕组电流之差，其励磁涌流也应该是两个绕组涌流之差n两个励磁涌流相减后，涌流的时域特征和频域特征都会有所变化第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第38页，本讲稿共48页第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法nA相合闸角为0第39页，本讲稿共48页n三相变压器励磁涌流的特点：n任何情况下空载投入变压器，至少在两相中会产生不同程度的励磁涌流n某相励磁涌流可能不再偏离时间轴的一侧，变成了对
16、称性涌流。其他两相仍为偏离时间轴一侧的非对称性涌流n三相励磁涌流中有一相或者两相二次谐波含量比较小，但至少有一相比较大n励磁涌流的波形仍然是间断的，但间断角显著减小，其中又以对称性涌流的间断角最小n对称性励磁涌流的正向最大值与反向最大值之间的相位差120度第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第40页，本讲稿共48页n防止励磁涌流引起误动的方法：n采用速饱和中间变流器n采用很容易饱和的铁芯，当差动电流中含有较大的非周期分量并且偏向时间轴的一侧时，铁芯迅速饱和，导致非周期分量不容易传变到变流器的二次侧n但是，由于速饱和原理的纵差保护动作电流大，灵敏度低，并且在变压器内部故障时会因非周期分量的存在而延缓
17、保护的动作，已经逐渐被淘汰第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第41页，本讲稿共48页n防止励磁涌流引起误动的方法：n二次谐波制动的方法n检测到差电流二次谐波含量大于整定值时，闭锁保护，防止励磁涌流引起的误动。采用这种方法的保护称为二次谐波制动的差动保护。动作判据为第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法n早期二次谐波制动方案采用按相制动，保护可能误动（三相变压器励磁涌流时，某一相或者两相二次谐波含量可能较小）第42页，本讲稿共48页n防止励磁涌流引起误动的方法：n二次谐波制动的方法n近年来广泛采用“三相或门制动”的方案，即三相中只要有一相的二次谐波含量超过制动比，就将三相差动继电器全部闭锁n但是，变压器
18、内部故障时，测量电流中的暂态分量也可能存在二次谐波。如果二次谐波含量超过K2，则保护也被闭锁，一直等到暂态分量衰减后才能动作n电流互感器饱和也会在二次电流中产生二次谐波，电流互感器饱和越严重，二次谐波含量越大第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第43页，本讲稿共48页n防止励磁涌流引起误动的方法：n二次谐波制动的方法第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法n为了加快内部严重故障时纵差保护的动作速度，往往再增加一组不带二次谐波制动的差动保护，称为差动电流速断保护，差动电流速断保护定值按躲过最大励磁涌流整定n二次谐波制动的差动保护和差动电流速断保护通过或门，连接到纵差保护的跳闸回路第44页，本讲稿共48页n防
19、止励磁涌流引起误动的方法：n二次谐波制动的方法n优点：n原理简单、调试方便、灵敏度高，在变压器纵差保护中获得了非常广泛的应用n缺点：n在具有静止无功补偿装置等电容分量较大的系统，故障暂态电流中含有较大的二次谐波含量，差动保护的速度会受到影响n若空载合闸前变压器已经存在故障，合闸后故障相为故障电流，非故障相为励磁涌流，采用二次谐波制动方案，差动保护将被闭锁。由于励磁涌流衰减较慢，保护的动作时间可能会长大数百毫秒第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第45页，本讲稿共48页n防止励磁涌流引起误动的方法：n间断角鉴别的方法n励磁涌流的波形会出现间断角，而变压器内部故障时流入差动继电器的稳态差电流是正弦波，
20、不会出现间断角n间断角鉴别的方法就是根据这个特点鉴别励磁涌流和故障电流，即通过检测差电流是否存在间断角，当间断角大于整定值时将差动继电器闭锁，防止励磁涌流引起的误动第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第46页，本讲稿共48页n防止励磁涌流引起误动的方法：n间断角鉴别的方法n间断角的整定值一般取65度，对于Y/d11接线的三相变压器，非对称涌流的间断角比较大，间断角闭锁元件能够可靠动作；而对称性涌流的间断角可能较小，无法可靠动作n由于对称性涌流的波宽为180度，而故障电流的波宽为180度，可以在间断角判据的基础上再增加一个反应波宽的辅助判据，在波宽小于140度时也将差动保护闭锁第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第47页，本讲稿共48页n防止励磁涌流引起误动的方法：n间断角鉴别的方法n间断角原理采用按相闭锁的方法，在变压器合闸于内部故障时，能够快速动作。这是比二次谐波制动方法优越的地方n对于其他内部故障，暂态高次谐波分量会使电流波形畸变。波形畸变一般不会产生间断角，但会影响电流的波宽。若波形畸变很严重导致波宽小于整定值，差动保护也将被暂时闭锁而造成动作延缓n显然，造成保护动作延缓的因素，二次谐波制动与间断角原理是有差异的。对于大型变压器，可以同时采用两种原理的纵差动保护，能够起到优势互补，加快内部故障的动作速度，不失为一种好的配置方案第四节 变压器励磁涌流及鉴别方法第48页，本讲稿共48页