主设备故障分析与保护5_变压器保护

桂林清华电机系大机组保护研究所主设备（发电机/变压器）故障分析与保护个人简介：1974年出生，本、硕就读于合肥工业大学，1999年考入清华大学攻读博士学位（师从王维俭和王祥珩教授），2004年博士毕业后留电机系工作至今，现为电机系副教授。研究方向为大机组保护及故障分析，先后对三峡、拉西瓦、向家坝、溪洛渡、锦屏一级/二级、糯扎渡等36座水电站的170多台发电机进行了内部故障的分析和主保护的设计，并完成了三峡右岸（12×700MW）、托克托（8×600MW）等12个电厂60多台发变组保护定值的整定和审查工作。课程内容简介：1、发电机主保护的设计与整定（2/5)•纵联和横联差动保护的基本原理与整定•大型水轮发电机主保护的定量化及优化设计（以三峡右岸HEC和向家坝ALSTOM发电机主保护设计为例）•“加强主保护、简化后备保护”及相关注意事项2、发电机异常工况保护的基本原理与整定（2/5）•定子接地保护•低励失磁保护•失步保护、定/转子绕组过负荷保护、转子表层负序过负荷保护、过电压和过励磁保护、误上电保护、断路器闪络保护、频率异常、逆功率保护等3、变压器差动保护的特殊问题（1/5）3变压器差动保护的特殊问题3.1变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同之处3.2单相变压器励磁涌流的产生机理3.3变压器纵差保护的整定计算及注意事项3.4与励磁涌流无关的变压器主保护3.5主变后备过流保护、低压侧接地保护的整定计算及励磁变/高厂变保护的配置3.1变压器纵差保护的不同之处变压器纵差与发电机纵差保护一样，也都是采用比率制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的，但它在以下几方面存在显著不同：•变压器各侧额定电压和额定电流各不相等，因此各侧TA的型号一定不同，而且各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致，这将使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器差动保护的最大制动系数比发电机大，灵敏度相对较低。•变压器高压绕组常用调压分接头，有的还要求带负荷调节，使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应增大。变压器纵差保护的不同之处（续前）•对于定子绕组的匝间短路，发电机纵差保护完全没有作用。变压器各侧绕组的匝间短路，通过变压器铁心磁路的耦合，改变了各侧电流的大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路有作用（匝间短路可视为变压器的一个新绕组发生端口短路）。•无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，它们的纵差保护均不能动作，变压器依靠瓦斯或压力保护。•变压器纵差保护范围除了包括各侧绕组外，还包含变压器的铁心，即纵差保护区内不仅有电路还有磁路，这就违反了纵差保护的理论基础——基尔霍夫电流定律。•对于仅包含电路的纵差保护对象（如发电机、电动机、母线、电抗器等）本身没有故障时，不管外部发生什么扰动，恒有诸端子电流的相量和为零。10niiI被保护对象1I2I1nInI因此发电机纵差保护在正常运行或区外短路时，差动回路不平衡电流理论上为零；当发电机内部故障时将有（流向短路点的全部短路电流），将作为纵差保护的动作量，使保护灵敏动作。1nikiIIkI变压器纵差保护的不同之处（续前）•但是若被保护对象是变压器，它有n个绕组和一个公共铁心，即n条电路和一条公共磁路，则。10nieiII（Ie为变压器励磁电流）1U1I1nU1nI2U2InUnI1U2U1nUnUXeI1I2I1nInI变压器纵差保护的不同之处（续前）•如前所述，励磁电流Ie就是变压器纵差保护的不平衡电流，当变压器及其所在系统正常工作时，对于大型变压器，Ie1%Itn（Itn为变压器额定电流），不会影响变压器纵差保护的工作性能；当外部系统短路时，电压严重下降，Ie更微不足道。•在变压器过励磁状态下，铁心严重饱和，励磁电流Ie剧增，对于最小动作电流为0.2～0.4Itn的变压器纵差保护，势必造成误动作。•更为严重的是变压器空载合闸时的暂态过励磁电流，其值可为Itn的数倍到10倍以上，这样大的暂态励磁电流通常称为“励磁涌流”（inrushcurrent），它流入纵差的差动回路却要求纵差保护不误动，实属困难！变压器纵差保护的不同之处（续前）3.2单相变压器励磁涌流的产生机理励磁涌流产生的根本原因是铁心的严重饱和，由可能出现的最大磁通和铁心磁化曲线来决定励磁涌流的最大值，是一个非线性问题。.maxei假定电压过零时（）合闸，此时铁心中的磁通由三部分构成：sin(),0muUtco()ss)(comrmtt稳态磁通（应是衰减的）暂态磁通铁心剩磁t2π021MΦtrΦ()eitNTxi0eixiPXSΦxΦ(不衰减）()eitrΦm-ΦΦtuu0tπ2π暂态磁通稳态磁通影响三相变压器励磁涌流波形特征的因素大致有：•电源电压大小和合闸初相角，系统等值阻抗大小和相角•变压器三相绕组的接线方式和中性点接地方式，三相铁心结构型式（三相三柱或五柱，三相变压器组）•铁心矽钢片组装工艺水平（拼接残余气隙大小），铁心材质（磁化特性、磁滞特性、局部磁滞回环），合闸前铁心剩磁的大小和方向•涌流经TA的非线性传变，即TA的饱和特性值得注意的是：空载合闸励磁涌流峰值虽大（可与短路电流比拟），但它含有二次谐波成分，且在一个周期内存在间断角，而短路电流只有基波和非周期分量、且在一个周期内没有间断角，这就引申而来我国现在通用的防止空载合闸时变压器差动保护误动的闭锁判据——二次谐波制动方式和间断角原理制动方式。3.3变压器纵差保护的整定计算及注意事项•纵差保护用TA的选型1、330kV及以上系统保护、高压侧为330kV及以上的变压器和300MW及以上的发电机变压器组差动保护用电流互感器宜采用TPY级电流互感器，这是解决变压器差动保护误动作问题的根本出路。2、坚决反对“TPY+5P”的组合，因为P级TA与TPY级TA的主要差别在于：稳态误差和暂态误差、气隙以及铁心截面的大小。3、保护装置具有判CT饱和的能力（“异步法”）：只是作为冗余。dIrI0SLOPE1SLOPE2BREAK1BREAK2TransitionRegionPICKUP•变斜率比率制动特性的整定0TT./1.520.0120.0250/0.100.45//releoprTnaTnnnaaaIInKKUmInInIn托克托电厂升压变的基本参数：55022.5%/22kV，,11nYd，3250MVA，787.3/19682.4A，0.132TX。2、低斜率S1：考虑外部短路小电流时也有非周期分量电流和CT铁心剩磁，引起不平衡电流增大，为防误动，设置低斜率S1的制动作用，由于不大(0.3)，其对内部短路的保护灵敏度影响很小。3、高斜率S2：鉴于500kV母线为3/2接线，变压器外部短路电流很大，此时应有很强的制动特性，即当时，斜率增大到0.8，这样即使一侧TA极度饱和(二次无输出)，另一侧TA不饱和，也不会使纵差保护误动。4、两种斜率不同直线之间的区域采用三次样条函数实现“平滑过渡”，有利于改善差动保护的动作性能。BREAK2rI1、广蓄A厂主变差动保护的整定计算：0.02.04.06.08.02.04.06.0refRII/refdII/refmRII/2.3.01m7.02mTrippingareaBlockingareaFaultcurrentcharacteristicforsingle-sidefeedrefdiffII/=0.2refdiffII/为了加速切除变压器严重的内部故障，常常增设差动速断保护（利用纵差保护中的差动电流，不用二次和五次谐波制动，也不用比率制动），其动作电流Iop的整定如下：1）高压侧空载合闸，出现励磁涌流，保护不动作，。2）外部最大三相短路时不误动，3）差动速断保护定值的最终确定应维持主保护的比率制动特性。/opTnaIKIn.max.maxunbapccerKIKKKUmI•纵差速断保护定值的整定.max/oprelunbaIKIn•空载合闸和变压器匝间短路同时出现的处理措施1、“一相闭锁三相”：即一相出现涌流特征，三相纵差保护全部闭锁，目的是防止励磁涌流造成变压器纵差保护误动。2、“按相涌流闭锁”：防止变压器空投于匝间短路时纵差保护延时动作，从而对变压器造成危害。3、“3取2的出口方式”：三相电流中有两相满足涌流特征，即闭锁三相差动保护。3.4与励磁涌流无关的变压器主保护•分侧差动保护将变压器的各侧绕组分别作为被保护对象，在各绕组的两端装设TA（变比相同并按星形接线），以实现差动保护；如同发电机纵差保护一样，无需考虑绕组的励磁电流、过励磁、调压等的影响；对相间和单相短路灵敏度高，但不反应匝间短路。•零序差动保护零序差动保护就是为保护变压器单相接地故障而设置的；因为对于220～500kV的变压器，单相接地短路是其主要故障型式之一，特别是三相变压器组，变压器油箱内部相间短路不可能发生；而在传统的变压器纵差保护三相互感器二次接线方式下，纵差保护根本不反应零序电流，使其对内部单相短路的灵敏度较低甚至拒动。3.5主变后备过流保护、低压侧接地保护的整定计算及励磁变/高厂变保护的配置3.5.1主变后备过流保护•主变复压过流保护A5.011000/3749.02.1/aTnrrelopnIKKInopUU6.0（对应的二次值为60V，取18kV侧PT线电压）nopUU08.0.2（对应的二次值为4.62V，相电压）当18kV相间短路时，500kV侧残压为：所以残压很高，低压元件若取500kV侧电压，其灵敏度很低，为此必须取18kV侧PT电压，相间短路时有很高灵敏度。0.04410.9250.04410.00357remU•主变方向过流保护主变复压过流保护应与系统保护和高厂变保护配合，延时动作于发变组全停；而主变方向过流保护在GCB断开时投入使用，作为主变倒送电时的相间故障后备保护，延时只需躲过系统振荡，不必与厂用系统配合。A5.011000/3749.02.1/aTnrrelopnIKKI(2).min.max20.866///0.52.04/0.54.081.233BsenKopaSTTnSKIInXXU3.5.2主变低压侧接地保护该保护用于发电机机端断路器开断，主变单独与500kV系统相联。当500kV系统接地故障时，计算零序传递电压时发电机定子绕组每相对地电容不起作用：909910(29.073.061)144.3kV12551.2V1010(29.073.061)3.061LjUjj144.3kV0LU3.061nF3.061nF29.07nF传递电压计算用近似简化电路V8.1203/180003/1002.125513)(30二次LU此时基波零序电压保护“应该”动作，难以通过定值来躲过，只能依靠延时配合，故选取，延时3.0s动作于跳闸（长延时，应大于500kV高压系统和6.3kV厂用系统接地故障的最大切除时间）。V10opU3.5.3励磁变/高厂变保护的配置鉴于以下原因，不采用差动保护，而采用最简单的电流速断＋过流保护：•《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB/T14285-2006）4.3.3.2——电压在10kV以上、容量在10MVA及以上的变压器，采用纵差保护，而广州蓄能水电厂A厂励磁变的容量只有2.01MVA（高厂变的容量也只有4.2MVA）。•励磁变电流中谐波成分大，谐波制动式差动保护特性恶化；•差动保护要求两侧CT暂态特性一致，但通常只用5P型，且两侧CT参数不同；•励磁变/高厂变容量小，阻抗大，采用电流速断＋过流保护的灵敏度和可靠性都很高。•电流速断保护按励磁变/高厂变低压侧最大三相短路不误动整定：311001080001.25/0.14A3.4831318opI（励磁变）31100