变压器保护原理及试验方法(最终版)

变压器保护原理及试验方法1变压器保护的配置1.1主保护1.2后备保护1.3非电量保护1.1主保护变压器是变电站的电气主设备，其内部故障的主保护方案之一是差动保护。差动保护在发电机和线路上的应用是比较简单的，但作为变压器内部故障的主保护，差动保护有许多特点和困难。第一，由于变压器每相原、副边电流大小和相位不同而产生的不平衡电流；第二，变压器具有两个或更多个电压等级，构成差动保护所用的电流互感器的额定参数各不相同，因此也要产生不平衡电流；第三，在空载变压器突然合闸时，或者变压器外部短路被切除变压器端电压突然恢复时，暂态励磁电流（即励磁涌流）的大小几乎等于短路电流，在这样大的不平衡电流下，要求差动保护不误动是一个相当复杂困难的技术问题。1.2后备保护变压器的后备保护分为两大类，第一类是相间短路后备保护，第二类是接地短路后备保护。相间短路后备保护有过流保护、复压（方向）过流保护、负序过流保护、阻抗保护；接地短路后备保护有零序（方向）过流保护、零序过压保护；另外还有失灵保护、非全相保护等特殊后备保护。1.3非电量保护变压器还配备有非电量保护，具体来说有轻瓦斯、重瓦斯、压力释放、油位异常、油温高报警、油温高跳闸、绕温高报警、绕温高跳闸、冷却器全停等保护，对有载调压变压器还有调压轻瓦斯和调压重瓦斯。瓦斯保护是变压器油箱内故障（特别是铁芯故障）的一种主要保护，无论差动保护或其它内部短路保护如何改进提高性能，都不能代替瓦斯保护。轻瓦斯保护动作只发信，重瓦斯保护动作跳闸。油位异常、油温高报警、绕温高报警等动作也是只发信。压力释放、油温高跳闸、绕温高跳闸等动作后可以是跳闸，也可以是发信，一般是跳闸，在运行环境恶劣经常造成误动的地方可以改为发信。冷却器全停作用于跳闸，根据变压器运行温度来决定跳闸时间，变压器厂家会给出一个温度值，当变压器温度低于这个温度，冷却器全停后60分钟跳闸，当变压器温度高于这个温度，冷却器全停后20分钟跳闸。2变压器保护的原理2.1差动保护的原理2.2后备保护的原理2.1差动保护的原理2.1.1纵差保护的基本原理在变压器保护中所用的差动保护是纵联差动保护，简称纵差保护，保护所用CT装设在被保护元件的两侧。正常运行或外部故障时，负荷电流或故障电流从一个CT的一次极性端流入，从另一个CT的一次极性端流出，差动电流是两个CT的二次电流相减，其值理论上等于0，实际上等于不平衡电流，保护不会动作，如图1所示。图1I1I2i2i1id而在内部故障时，对两侧都有电源点的变压器，故障电流从两个CT的一次极性端流入，从非极性端流出流向故障点，对只有一侧有电源点的变压器，故障电流从电源点那侧的那个CT的一次极性端流入，从非极性端流出流向故障点，另一侧的CT中无电流，差动电流是两个CT的二次电流相加，其值快速增大，达到差动动作定值后保护动作。如图2所示。图2I1I2i2i1id在每相并联分支数为2以上的发电机中，可以使用裂相横差保护，保护所用CT装设在被保护元件的同一侧，正常运行或外部故障时，两个CT一次绕组中流过大小和方向完全一样的电流（理论上），差动电流是两个CT的二次电流相减，其值理论上等于0，实际上等于不平衡电流，当内部故障时，两个CT一次绕组中流过的电流不再相等，二次的差流增大保护动作。发电机横差保护与发电机纵差保护相比较，横差保护能保护匝间短路和大负荷时分支绕组开焊等故障。变压器保护不采用横差保护。2.1.2比率制动式差动保护如果不采用比率制动特性，保护动作电流必须按最大外部短路时周期性短路电流所引起的最大不平衡电流来整定，保护动作较慢，可靠性也不高。所谓比率制动特性差动保护简单说就是让差动电流定值随着制动电流的增大而按某一比率相应的提高。使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时制动作用明显，防止由于不平衡电流引起的保护误动。而在内部故障时，制动作用最小，保证保护能可靠、灵敏的动作。图3图3中曲线1为差动回路的不平衡电流，它随着短路电流的增大而增大。根据差动回路接线方法的不同，在整定时，通过调整不平衡比例系数使得计算机在实时计算时的Ibp最小。曲线2是无制动时差动保护的整定电流，它是按躲过最大不平衡电流Ibpmax来整定的。曲线3为变压器差动保护区内短路时的差电流，它随短路电流的增大而线性的增大。曲线4为具有制动特性的差动继电器的差动保护特性。在无制动时，曲线3与曲线2相交于B点，这时保护的不动作区为OB′，即保护区内短路时的短路电流必须大于OB′所代表的电流值时，保护才能动作。在有制动时，曲线3与曲线4相交于A点，短路电流只要大于OA′所代表的电流值时，差动电流就能达到差动电流定值，保护即能动作。OA′OB′，这说明在同样的区内短路状态下，有制动特性的差动保护比无制动特性的差动保护灵敏度要高。在实际的变压器差动保护装置中，其比率制动特性如图4所示，图4中平行于横坐标的AB段称为无制动段，它是由启动电流和最小制动电流构成的，动作值不随制动电流变化而变化。我们希望制动电流小于变压器额定电流时无制动作用，通常选取制动电流等于被保护变压器高压侧的额定电流的二次值。即:Izd=Ie/nLH图4图4中斜线的斜率为基波制动斜率，以双绕组变压器为例，当区外故障时短路电流中含有大量非周期分量会产生较大不平衡电流，但此时制动电流Izdo增大，当动作电流Idzo大于启动电流时，制动电流和动作电流的交点D必落在制动区内。当区内故障时，差电流即动作电流为全部短路电流之和，制动电流则为两侧短路电流绝对值的平均值，平行于纵、横轴的二直线交点必落在动作区内，差动保护可靠动作。2.1.3比率制动式差动保护的动作判据以图4为例。2I2I1Izd2I1IIcdIzdminIzdIzdmin)-m(IzdIcdqdIcdIzdminIzdIcdqdIcd2.1差动保护的原理式中Icd——差动电流Icdqd——差动启动电流Izd——制动电流Izdmin——最小制动电流m——比例制动斜率I1——变压器第一侧电流I2——变压器第二侧电流2.1.4励磁涌流闭锁原理如前所述，变压器空载合闸或切除外部短路的电压恢复过程中，全部励磁涌流将流入差动回路，如果不采取闭锁措施，势必造成差动保护的误动作。励磁涌流闭锁原理有两种：原理一：谐波制动原理。励磁涌流中含有大量的二次谐波I2，保护装置采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据，动作方程：I2＞K2xbI1。K2xb为二次谐波制动系数整定值，推荐为0.15。满足动作方程就闭锁差动保护，否则开放差动保护。原理二：波形判别原理。基波的波形是正弦波，完整对称。励磁涌流存在大量谐波分量，波形是间断不对称的。保护装置利于三相差动电流的波形判别作为励磁涌流的识别判据，判断波形是对称完整的就开放差动保护，否则就闭锁差动保护。由于不能模拟励磁涌流，无法对波形判别原理进行验证。2.1.5防止过励磁误动的五次谐波制动方案变压器过压或过励磁时，励磁电流急剧增大，波形严重畸变。当过电压达额定电压的120%～140%，励磁电流可增至额定电流的10%～43%，这个电流将作为不平衡电流流入差动保护的动作回路，完全可能使差动保护误动作。传统的防误动措施是增设五次谐波制动回路，当过电压为115%～120%时，有最大的五次谐波分量I5，约为基波电流I1的50%，过电压超过120%时，五次谐波分量将减小，过电压达140%时，五次谐波是基波的35%。动作方程：I5＞K5xbI1，K5xb为五次谐波制动系数整定值，一般由厂家在程序中固定设置，不能由用户更改。有的厂家整定为0.25。2.1.6差动速断保护变压器差动保护原理复杂，装置中常用到各种滤波环节，使保护动作速度比较慢。为了取得在严重的内部短路时有高速保护，一般在比率制动式差动保护的基础上，利用装置中不经滤波电路的差动电流，将其全波形幅值作为动作量，没有制动量，这就是差动速断保护。差动速断保护的动作电流应按变压器空载合闸、有最大励磁涌流时不误动作作为整定原则。2.2后备保护的原理2.2.1过流保护过流保护用于降压变压器，动作电流Idz的整定应考虑躲过切除外部短路后电机自启动和变压器可能出现的最大负荷电流，动作方程：I＞Idz且t＞Tdz。即短路电流I大于动作电流定值Idz，持续时间t大于动作时间定值Tdz。一个装置中可以设置多段过流保护，每段的Idz和Tdz各不相同，Idz越大Tdz越小。2.2.2复压（方向）过流保护复压（方向）过流保护用于升压变压器、系统联络变压器，当降压变压器的过流保护灵敏度不够时也可采用此后备保护。复压过流保护就是在过流保护的基础上加入复合电压判据，优点是可以提高过流保护的灵敏度。复压方向过流保护就是在复压过流保护的基础上加入方向判据，可以根据现场需要调整保护区域，既可以作为变压器本体的后备保护，也可以调整为母线的后备保护。复合电压元件由相间低电压和负序电压经或门构成，动作方程：Uph＜Uphdz或U2＞U2dz，当任一复压条件满足时，开放过流保护，没有复压条件满足时，闭锁过流保护。复压方向过流保护就是当复压条件和过流条件都满足时还要判断方向元件，在正方向保护动作，否则闭锁保护。复压方向过流保护中设有多个控制字，用“过流经复压闭锁”控制字来控制是否投入复压元件，用“过流经方向闭锁”控制字来控制过流保护是否经方向闭锁，用“过流方向控制字”来控制方向指向。此外，某些厂家的变压器保护装置还设有“TV断线保护投退原则”控制字，控制字为“1”，当判断出本侧TV断线时，本侧复合电压元件不满足条件，但本侧过流保护可以经其它侧复合电压闭锁；控制字为“0”，当判断出本侧TV断线时，本侧复合电压元件满足条件，复压过流保护变为纯过流保护。2.2.3负序过流保护负序过流保护用于不对称短路。动作方程：I2＞I2dz且t＞Tdz。2.2.4阻抗保护阻抗保护装设在变压器的电源侧，对于变压器内部绕组的短路故障往往灵敏度不高，但可以作为低压母线和馈线故障的后备保护。阻抗元件取阻抗安装处相间电压、相间电流。主变阻抗保护可以通过整定值的设定来选择采用方向阻抗圆、偏移阻抗圆或全阻抗圆。当阻抗反向定值整定为零时，选择的是方向阻抗圆；当阻抗正向定值大于反向定值时，选择的是偏移阻抗圆；当阻抗正向定值等于反向定值时，选择的是全阻抗圆。2.2.5零序（方向)过流保护接地短路的后备保护毫无例外地采用零序过流保护，动作方程：I0＞I0dz且t＞Tdz，可以设置多段。对高、中压侧中性点均直接接地自耦变和三绕组变压器，当有选择性要求时，应增设零序方向元件。和复压方向过流保护类似，零序方向过流保护也设有多个控制字，用“零序电流经零序电压闭锁”控制字来控制是否经零序电压闭锁；用“零序过流经方向闭锁”控制字来控制是否经方向闭锁；用“零序方向判别用自产零序电流”控制字来选择方向元件所用的电流；用“零序方向指向”控制字来控制零序方向过流的方向指向。2.2.6零序过压保护对全绝缘的变压器，中性点直接接地时采用零序过流保护，而在中性点不接地时采用零序过压保护。有些变压器在中性点装设放电间隙作为过电压保护，这种变压器保护的零序过流保护和零序过压保护就变为间隙零序过流保护和间隙零序过压保护，在间隙击穿过程中，间隙零序过压和零序过流交替出现，有的厂家的装置一旦零序过压或零序过流元件动作后，两个保护就相互展宽，使保护可靠动作。2.2.7失灵保护220kV以上的断路器发生拒动时，会危及整个系统的稳定，按《继电保护及安全自动装置技术规程》的要求220kV及以上的电力网中以及110kV电力网中个别重要部分应装设断路器失灵保护。变压器保护起动断路器失灵保护时必须设有相电流元件，并且不允许由瓦斯等非电量保护起动失灵保护。对双母线（或分段单母线）接线，断路器失灵保护的出口回路一般是与母联差动保护共用的，但失灵起动回路配置在断路器本身的线路保护装置或变压器保护装置上。我们要说的实际是变压器保护装置上的失灵保护的起动回路，它是由变压器保护动作出口接点与失灵相电流元件的接点串联而成2.2.8非全相保护对220kV及以上的断路器，当发生非全相运行时可