電力變壓器的繼電保護

1、第6章 電力變壓器的繼電保護,第一節(jié) 電力變壓器的故障類型及其保護,一、變壓器的故障：油箱內(nèi)故障和油箱外故障。,內(nèi)部故障：繞組的相間短路、匝間短路、接地短路、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。,不正常運行狀態(tài)：外部相間短路、接地短路引起的過電流和零序過電壓，過負荷，油面降低，過電壓，過勵磁等。,1、瓦斯保護（氣體保護）：反應變壓器油箱內(nèi)部短路故障以及油面降低。,二、變壓器繼電保護的配置,800KVA及以上

2、的油浸式變壓器和400KVA以上的車間內(nèi)油浸式變壓器，應裝設(shè)瓦斯保護。,2、縱差保護或電流速斷保護：反應變壓器繞組、套管及引出線發(fā)生的短路故障。,6.3MVA及以上并列運行的變壓器、10MVA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6.3MVA及以上重要的變壓器，應裝設(shè)縱差保護。,10MVA及以下的電力變壓器，應裝設(shè)電流速斷保護；對于2MVA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(shè)縱差保護。,3、相間短

3、路的后備保護：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。,4、接地短路的零序保護：反應變壓器高壓側(cè)（或中壓側(cè)）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(shè)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(shè)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它負荷的備用電源時，應裝設(shè)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

4、、其它保護,電壓為500KV及以上的變壓器，應裝設(shè)過勵磁保護。對變壓器溫度和油箱內(nèi)壓力升高，以及冷卻系統(tǒng)故障，應裝設(shè)相應的保護裝置。,第二節(jié) 變壓器的瓦斯保護,反應變壓器油箱內(nèi)各種短路故障，特別是繞組的相間短路和匝間短路，并且是變壓器鐵芯燒損的唯一保護方式，是變壓器油箱內(nèi)部各種故障的主保護。,一、瓦斯保護的構(gòu)成原理：反應變壓器油箱內(nèi)部故障產(chǎn)生瓦斯氣體的特征構(gòu)成。,二、瓦斯保護的工作原理,1、氣體繼電器的結(jié)構(gòu),1—罩；2—頂針；3—氣

5、塞；4—永久磁鐵；5—開口杯；6—重捶；7—探針；8—開口銷；9—彈簧；10—擋板；11—永久磁鐵；12—螺桿；13—干簧觸點（重）；14—調(diào)節(jié)桿；15—干簧觸點（輕）；16—套管；17—排氣口,2、氣體繼電器的工作原理,a)變壓器正常運行時,上下兩對觸點都斷開，不發(fā)出信號,b)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)　　　　生輕微故障,上觸點接通信號回路，發(fā)出音響和燈光信號，為“輕瓦斯動作”。,c)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生嚴重故障,下觸點接通跳閘回

6、路，使斷路器跳閘，同時發(fā)出音響和燈光信號，為“重瓦斯動作”。,d)變壓器油箱漏油,上觸點接通，發(fā)出報警信號；下觸點接通，使斷路器跳閘，同時發(fā)出跳閘信號。,3、氣體繼電器的安裝,為什么變壓器是斜著的？,為了不妨礙氣體的流通，變壓器安裝時應使頂蓋沿瓦斯繼電器的方向與水平面具有1％～1.5％的升高坡度，通往繼電器的連接管具有2％～4％的升高坡度。,安裝在油箱與油枕之間的連接管道上。,三、瓦斯保護的原理接線圖,主要優(yōu)點：,動作迅速、靈敏度高

7、、安裝接線簡單、能反應油箱內(nèi)部發(fā)生的各種故障。,四、對瓦斯保護的評價：,不能反應油箱以外的套管及引出線等部位上發(fā)生的故障。,主要缺點：,第三節(jié) 變壓器的電流速斷保護,對于容量較小的變壓器，當靈敏系數(shù)滿足要求時，可在電源側(cè)裝設(shè)電流速斷保護，與瓦斯保護配合作為變壓器油箱內(nèi)部故障和套管及引出線上故障的主保護。,一、變壓器電流速斷保護原理接線圖,,,,,安裝在電源側(cè),二、電流速斷保護的整定計算：,（1）按躲過變壓器負荷側(cè)母線短路時流過保護裝置

8、的最大短路電流整定：,,（2）躲過變壓器空載投入時的勵磁涌流。,選擇其中的較大者作為保護的動作值。,,1、動作電流,2、靈敏度,式中 —系統(tǒng)最小運行方式下，保護安裝處（圖中K2點）發(fā)生兩相金屬性短路時流過保護裝置的最小短路電流。,第四節(jié) 變壓器縱聯(lián)差動保護,一、變壓器縱聯(lián)差動保護的原理,1、縱聯(lián)差動保護動作的理想判據(jù)：,2、變壓器縱聯(lián)差動保護單相原理圖,3、期望：變壓器正常運行和外部故障時,則：兩側(cè)電流互感器的變比關(guān)系,二、

9、變壓器縱聯(lián)差動保護的穩(wěn)態(tài)不平衡電流及對策,穩(wěn)態(tài)不平衡電流：在正常運行及保護范圍外部穩(wěn)態(tài)短路情況下流入縱差保護差動回路中的電流。,為了保證動作的選擇性，必須保證：,1、變壓器正常運行時的勵磁電流產(chǎn)生的不平 衡電流（影響可忽略）。,2、由變壓器各側(cè)電流相位不同而引起的不平衡電流。,,注意TA極性連接,3、TA實選變比與計算變比不等而產(chǎn)生的不平衡電流。,變壓器星形側(cè)電流互感器的變比：,變壓器三角形側(cè)電流互感器的變比：,變壓器變比：,兩側(cè)電流

10、互感器變比關(guān)系：,當該不平衡電流大于額定值的5%時，必須進行補償，常用的補償措施有以下幾種：,,—由于所選電流互感器或平衡繞組匝數(shù)與計算值不同而產(chǎn)生的相對誤差系數(shù)。,按以上方法計算，根據(jù)產(chǎn)品目錄選取與之相鄰且較大的標準變比。由于實選變比與計算變比不可能完全相同，在差動回路中引起不平衡電流的最大值為：,1）將自耦變流器（或稱自耦變壓器）UT接于電流較小的差動臂中變換其電流進行補償。,,,4、由各側(cè)電流互感器型號不同而引起的不平衡電流。,

11、電流互感器輸出的二次電流為,,同理：,電流互感器等效電路,,變壓器正常運行或保護區(qū)外部故障時，歸算至TA二次 側(cè)的電流相等：,則流入差動回路的不平衡電流為：,引入電流互感器的同型系數(shù),兩側(cè)電流互感器型號相同時，,對于變壓器的縱聯(lián)差動保護，各側(cè)電流互感器的變比不相等，因此電流互感器的型號肯定不同，故：,兩側(cè)電流互感器型號不同時，,,對策：,1）選用具有高飽和倍數(shù)差動保護專用的D級TA，并在流過T的外部短路電流為最大的條件下按TA10

12、％誤差曲線選擇其型號；,2）合理選擇TA二次連接導線的截面積以減小二次負載阻抗，并盡量使差動保護各側(cè)差動臂的阻抗相等，以減小不平衡電流；,3）采用鐵芯氣隙小的TA，以減小鐵芯剩磁對不平衡電流的影響。,變壓器縱聯(lián)差動保護中，由于各側(cè)TA型號不同而引起的穩(wěn)態(tài)不平衡電流最大值：,—電流互感器10％誤差系數(shù)，取0.1；,—電流互感器同型系數(shù)，對于變壓器縱聯(lián)差動保護取1；,—外部短路時流過變壓器的最大短路電流。,5、由變壓器帶負荷調(diào)整分接頭（

13、改變KT）而引起的 不平衡電流。,—由變壓器分接頭調(diào)整而引起的相對誤差，取變壓器調(diào)壓范圍的一半。比如變壓器的電壓為110±2×2.5％/11KV，則,這一不平衡電流的最大值為：,穩(wěn)態(tài)情況下變壓器差動保護的不平衡電流為：,,三、暫態(tài)情況下的不平衡電流及對策,1、暫態(tài)過程中短路電流非周期分量的影響及對策,導致外部故障時TA二次側(cè)不平衡電流的瞬時值比穩(wěn)態(tài)時大，因此差動保護要躲過外部短路暫態(tài)過程中的不平衡電流。,,

14、對策：在差動回路中接入速飽和變流器。,(非周期分量影響系數(shù)Knp),綜合考慮暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的不平衡電流，其最大值為,,2、變壓器空載合閘的勵磁涌流所產(chǎn)生的不平衡電流及對策。,勵磁涌流具有以下特點：（1）包含有很大成分的非周期分量，涌流偏向時間軸的一側(cè)；（2）包含有大量的高次諧波，且以二次諧波為主；（3）波形之間出現(xiàn)間斷。,對策：,（1）采用具有速飽和鐵芯的差動繼電器；（2）利用二次諧波制動；（3）利用間斷角鑒別內(nèi)部短路電流和勵

15、磁涌流 波形的差別來構(gòu)成差動保護。,四、變壓器縱差動保護的整定原則（具有磁力制動 的差動保護）,,1、BCH-1型差動繼電器結(jié)構(gòu),制動電流的作用：使兩個邊柱的鐵芯飽和，加大繼電器的動作安匝（區(qū)外故障時）。,2、帶有制動繞組的變壓器差動保護原理接線,制動繞組的接入原則：保護區(qū)外短路時制動作用最大，而保護區(qū)內(nèi)部短路時制動作用最小。,(A側(cè)有電源，B側(cè)無電源時：制動繞組接在B側(cè)。),區(qū)外：制動最大區(qū)內(nèi)：無制動,繼電器的最小動作電流

16、 ：制動繞組中無電流 時，為使差動繼電器動作，需要在差動繞組中通 入的最小電流。,制動特性曲線：動作電流 與制動電流 的關(guān) 系曲線。,差動繼電器的制動特性曲線,3、具有磁力制動的差動繼電器的整定,a、當無制動作用時，差動繼電器的動作電流整定：,（2）躲開電流互感器二次側(cè)斷線產(chǎn)生的不平衡電流：,（3）躲開外部短路時的最大不平衡電流：,—可靠系數(shù)，取1.3；,取以上結(jié)果中的最大值作為 。

17、,,,,,,,當無制動作用時，按（3）整定的差動繼電器動作動作電流圖解法：,區(qū)內(nèi)故障時提高保護靈敏度的作用機理：,,僅A側(cè)有電源A、B側(cè)均有電源僅B側(cè)有電源,結(jié)論：,,,在變壓器差動保護區(qū)內(nèi)部故障時，帶制動特性差動繼電器的動作電流在 ～ 之間變化。比無制動特性差動繼電器的動作電流 小得多，所以制動特性差動保護的靈敏度比無制動特性差動保護高。,4、BCH-1型差動保護整定計算步驟,（1）確定變壓

18、器各側(cè)TA接線，計算變壓器各側(cè)額定電流，確定TA變比，選擇基本側(cè)。,,b：計算變壓器各側(cè)額定電流。,c：計算變壓器各側(cè)TA一次側(cè)額定電流。,選擇比計算值大并且最接近的實際值最為實選結(jié)果。,d：確定變壓器各側(cè)TA變比，選擇基本側(cè)。,各TA二次側(cè)電流：,選TA二次電流最大的一側(cè)作為基本側(cè)。,（2）計算變壓器各側(cè)外部短路時歸算到基本側(cè)的 最大短路電流。,（3）確定BCH-1型差動繼電器制動繞組的接入方式：保證保護區(qū)外部短路時制動作用最大

19、，保護區(qū)內(nèi)部短路時制動作用最小（P138)。,（4）按以下條件確定保護裝置在無制動情況下的一 次動作電流（各參數(shù)都歸算到基本側(cè)電壓級）：,,2）躲開電流互感器二次側(cè)斷線產(chǎn)生的不平衡流：,3）躲開外部短路時的最大不平衡電流：,取以上結(jié)果中的最大值作為 。,（5）確定基本側(cè)差動繞組和平衡繞組的匝數(shù)：,1）基本側(cè)差動繼電器動作電流計算值為：,,2）工作繞組匝數(shù)：,選擇比計算值小而接近的匝數(shù)作為工作繞組實用匝數(shù)WW；由WW＝ WD+

20、Wb選擇差動繞組實際匝數(shù)WD和平衡繞組實際匝數(shù)Wb。,,3）根據(jù)實際選擇匝數(shù)，計算出差動繼電器對應基本側(cè)的實際動作電流：,（6）其它側(cè)平衡繞組計算匝數(shù)：,,四舍五入取整選擇實際的平衡繞組匝數(shù)。,,,(9)計算制動繞組匝數(shù) ：,應該按躲過外部故障最不利的曲線1選擇制動繞組匝數(shù)（制動最?。?則：,選用與計算值相近且較大的匝數(shù)作為制動繞組實選匝數(shù),（10）靈敏度校驗,1）計算最小運行方式下保護區(qū)內(nèi)故障時流入繼電器的最小短路電流；

21、,2）計算繼電器的工作安匝：,3）計算繼電器的制動安匝（要考慮通過接制動繞組側(cè)的負荷電流和短路電流） ：,,,5)計算最小靈敏系數(shù),。,,例6-1 對一臺容量為40.5MVA的三相三繞組降壓變壓器進行差動保護整定計算（采用BCH-1型差動繼電器）。變壓器的接線及各側(cè)的短路電流如下圖所示。電壓：110±2×2.5％kV／38.5±2×2.5％kV／11kV，接線方式為：Y，d11，d11，變壓器

22、的額定電流：213A／608A／2130A。圖中標出了最大運行方式下歸算到110kV側(cè)的三相短路電流值，括號內(nèi)的數(shù)值為最小運行方式下歸算到110kV側(cè)的兩相短路電流值。dl點單相接地時, 。,解：（1）確定基本側(cè)。,（110KV側(cè)為基本側(cè)）,（2）制動繞組的接入方式：將制動繞組接在35KV側(cè)。,（3）差動保護無制動情況下的一次動作電流計算：,,1）躲過勵磁涌流,,2）躲開電流互感器二次側(cè)斷線產(chǎn)生的不平衡電流：,,

23、3）躲過外部短路時的最大不平衡電流 (10KV側(cè)d2點)：,,(4)  確定基本側(cè)差動繞組和平衡繞組的接法、差動繞組匝數(shù)：,1）對于三繞組變壓器，基本側(cè)接差動繞組，其余兩側(cè)接相應的平衡繞組。,2）差動繼電器基本側(cè)動作電流計算：,,3）差動線圈匝數(shù),：,,差動繞組計算匝數(shù)：,：,實選匝數(shù)取為 匝。,4）基本側(cè)差動繼電器實際動作電流為：,（5）計算非基本側(cè)平衡繞組的匝數(shù)：,1）35KV側(cè)平衡繞組匝數(shù)：,,

24、實選匝數(shù)為 匝。,2）10KV側(cè)平衡繞組匝數(shù)：,實選匝數(shù)為 匝。,（6）實選匝數(shù)與計算匝數(shù)不等而產(chǎn)生的相對誤差 ：,,1）35KV側(cè)：,,2）10KV側(cè)：,（7）計算制動繞組匝數(shù)（35KV側(cè)）：,2）制動繞組匝數(shù)：,制動繞組的實選匝數(shù)：,（8）靈敏度校驗（10KV側(cè)出口處）：,1）相間短路的最小靈敏度：,,工作安匝：,,,制動安匝：,,查BCH-1型差動繼電器制動特性曲線，求出校驗最小靈敏度所用的動作安

25、匝為：,,相間短路最小靈敏系數(shù)：,2）單相接地短路的靈敏度校驗：,,,第五節(jié) 變壓器的電流和電壓保護,過電流保護低壓啟動的過電流保護復合電壓啟動的過電流保護負序過電流保護阻抗保護。,變壓器相間短路的后備保護：,一、變壓器相間短路的過電流保護,1、使用條件：宜用于降壓變壓器。,2、安裝地點：電源側(cè)。,4、單相原理接線圖,3、動作：經(jīng)整定延時動作于變壓器各側(cè)QF跳閘。,5、保護的整定計算：,變壓器的最大負荷電流應考慮下述情況

26、：,（1）動作電流 ：按躲開變壓器的最大負荷電流整定。,1）對并列運行的變壓器：,2）對降壓變壓器：,（2）保護的靈敏度,二、低電壓啟動的過電流保護,1、保護原理接線圖,2、保護的整定計算：,（1）KA的動作電流：按躲開變壓器額定電流整定：,按躲開正常運行時母線上可能出現(xiàn)的最低工作電壓，且在外部故障切除后電動機自啟動的過程中，低電壓元件必須可靠返回。根據(jù)運行經(jīng)驗，一般取,（2）低電壓繼電器KV的動作電壓,,（3）保護的靈敏度,1）電流元

27、件的靈敏系度校驗,,2）電壓元件的靈敏度校驗,,最大運行方式下，后備保護范圍末端金屬性三相短路時，保護安裝處的最大線電壓。,三、復合電壓起動的過電流保護,1、保護原理接線圖,2、保護的整定計算,火電廠升壓變壓器：,（3）負序電壓元件：,（1）KA的動作電流：按躲開變壓器額定電流整定：,（2）低電壓繼電器KV的動作電壓：,動作值：,靈敏度：,,—保護末端金屬性兩相短路時，保護安裝處的最小負序電壓。,四、負序電流及單相式低壓起動的過電流

28、保護,1、保護原理接線圖,2、保護的整定計算,負序電流元件（1）躲過變壓器正常運行時負序電流濾過器輸出的最大不平衡電流；,（2）躲過變壓器相鄰線路發(fā)生一相斷線時出現(xiàn)的負序電流； （3）與相鄰元件的負序電流保護在靈敏系數(shù)上相配合。,五、三繞組變壓器后備保護的配置原則,六、變壓器的過負荷保護,過負荷保護：反應變壓器對稱過負荷引起的過電流。過負荷保護只需接于一相電流上，裝于各側(cè)的過負荷保護均經(jīng)過同一時間繼電器經(jīng)整定延時（一般取

29、9～10s）作用于信號。,過負荷保護的安裝側(cè)：,(1)對雙側(cè)電源的三繞組升壓變壓器，裝于發(fā)電機電壓側(cè)和無電源側(cè)。,(2)對三側(cè)有電源的三繞組變壓器，三側(cè)均應裝設(shè)。,(3)僅一側(cè)電源的三繞組降壓變壓器，若三側(cè)的容量相等，只裝于電源側(cè)；若三側(cè)的容量不等，則裝于電源側(cè)及容量較小側(cè)。,(4)對兩側(cè)有電源的三繞組降壓變壓器，三側(cè)均應裝設(shè)。,(5)對雙繞組變壓器，裝于電源側(cè)。,第六節(jié) 變壓器的零序保護,變壓器高壓繞組中性點是否接地運行與變壓器絕緣水

30、平有關(guān)：220kV及以上的大型變壓器，高壓繞組采用分級絕緣，若其中性點絕緣水平較低（如500kV系統(tǒng)中，中性點絕緣水平為38kV的變壓器），則中性點必須接地運行；若其絕緣水平高（如 220kV變壓器中性點絕緣水平為110kV的情況），則中性點可直接接地運行，也可在系統(tǒng)不失去接地中性點的條件下不接地運行。,1、中性點直接接地變壓器的零序保護,(1)中性點直接接地變壓器零序電流保護原理框圖,(2)中性點直接接地變壓器零序電流保護原理圖,

31、(3)零序電流保護整定計算,1)零序電流保護Ⅰ段：與引出線零序電流保護Ⅰ段在靈敏系數(shù)上相配合。,a、動作電流：,,,b、保護動作時限:,,,,2)零序電流Ⅱ段：與相鄰元件零序保護的后備段相配合。,,a、動作電流：,b、保護動作時限:,2、中性點可能接地或不接地變壓器的接地保護,對于110kV及以上中性點直接接地的系統(tǒng)中，當變壓器的中性點可能接地運行或不接地運行時，對應外部單相接地短路引起的過電流，以及因失去接地中性點引起的電壓升高，應按

32、變壓器絕緣情況裝設(shè)相應的保護。,全絕緣變壓器：若因某種原因造成QF3拒絕跳閘，則保護先由零序電流保護動作于QF1跳閘。當QF1和QF4 跳閘后，系統(tǒng)成為中性點不接地系統(tǒng)，而且T2仍帶著接地故障繼續(xù)運行。T2的中性點對地電壓將升高為相電壓，兩非接地相的對地電壓將升高相間電壓。此時，可利用在其中性點不接地運行時出現(xiàn)的零序電壓，實現(xiàn)零序過電壓保護，作用于斷開QF2。,分級絕緣變壓器：必須先將T2切除，然后切除T1，以防止不接地變壓器在系統(tǒng)失去

33、中性點后產(chǎn)生的中性點過壓將其絕緣擊穿。,中性點有兩種運行方式的變壓器，需要裝設(shè)：零序過電流保護─用于中性點接地運行方式；零序過電壓保護─用于中性點不接地運行方式。,分級絕緣變壓器：先切除中性點不接地運行的變壓器，后切除中性點接地運行的變壓器；全絕緣變壓器：先切除中性點接地運行的變壓器，后切除中性點不接地運行的變壓器。,b、保護動作原則：,a、保護設(shè)置原則：,c、全絕緣變壓器零序保護原理框圖,d、全絕緣變壓器零序保護原理圖,e、中性

34、點無放電間隙的分級絕緣變壓器零序保護原理框圖,中性點無放電間隙的分級絕緣變壓器零序保護原理框圖,f、中性點裝有放電間隙的分級絕緣變壓器零序保護原理框圖,第七節(jié) 變壓器的過勵磁保護,一、變壓器過勵磁的危害,變壓器一次側(cè)電壓 可表示為：,,,,即：變壓器工作磁密B與U和f的比值成正比,電壓升高或頻率下降都會使磁通密度增加，使鐵芯飽和。鐵芯飽和后，勵磁電流急劇增大，造成變壓器過勵磁。,二、變壓器過勵磁的原因（1）電力系統(tǒng)由于發(fā)生事故而

35、解列，造成系統(tǒng)中某一部分因大量甩負荷使變壓器電壓升高，或由于發(fā)電機自勵磁引起過電壓；（2）由于發(fā)電機鐵磁諧振過電壓，使變壓器過勵磁；（3）發(fā)電機組啟動過程中，由于誤操作引起過勵磁；（4）在正常運行情況下，突然甩負荷也會引起變壓器過勵磁。因為勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)與原動機調(diào)速系統(tǒng)都是由慣性環(huán)節(jié)組成，突然甩負荷后電壓迅速上升，而頻率上升緩慢，則電壓頻率比增大，從而使變壓器過勵磁。,（1）變壓器鐵損增加,鐵芯溫度升高；（2）使漏磁場增強,使靠近

36、鐵芯的繞組導線、油箱 壁和其它金屬構(gòu)件產(chǎn)生渦流損耗、發(fā)熱、引起高 溫，嚴重時造成局部變形和損傷周圍的絕緣介質(zhì)。,三、過勵磁的危害：,500KV及以上電壓級的變壓器,應裝設(shè)過勵磁保護。,四、過勵磁的對策：,五、變壓器的過勵磁保護,1、構(gòu)成原理：過勵磁時磁通密度增加，遠大于正常時的數(shù)值。,2、變壓器過勵磁保護原理框圖,,,,的大小反應了工作磁通密度 。,因此，可將 的大小作為變壓器過勵磁保護的判據(jù)。過勵磁保護的整定，