第8章 电力变压器的保护

第8章电力变压器的保护8、1电力变压器的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式8.1.1变压器的故障类型8.1.2变压器的不正常运行状态8.1.3根据故障类型和不正常运行状态，对变压器应装设的保护类型8、2变压器的纵差动保护8.2.1构成变压器纵差动保护的基本原则8.2.2变压器纵差动保护的特点8.2.3变压器纵差动保护的整定计算原则8、3发电机变压器组继电保护的特点8、1电力变压器的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式8.1.1变压器的故障类型变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外故障两种。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路，匝间短路以及铁心的烧损等，对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈汽化，从而可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加以切除。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。上述接地短路均系对中性点直接接地电力网的一侧而言。8.1.2变压器的不正常运行状态由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低。对大容量变压器，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，还会发生变压器的过励磁故障。8.1.3根据故障类型和不正常运行状态，对变压器应装设的保护类型1、瓦斯保护对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧的断路器。应装设瓦斯保护的变压器容量界限是：800KVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器。同样对带负荷调压的油浸式变压器的调压装置，也应装设瓦斯保护。2、纵差动保护或电流速断保护对变压器绕组、套管及引出线上的故障，应根据容量的不同，装设纵差动保护或电流速断保护。纵差动保护适用于：并列运行的变压器，容量为6300kVA以上时；单独运行的变压器，容量为l0000kVA以上时；发电厂厂用工作变压器和工业企业中的重要变压器，容量为6300kVA以上时。电流速断保护用于1O000kVA以下的变压器，且其过电流保护的时限大于0.5s时。对200OkVA以上的变压器，当电流速断保护的灵敏性不能满足要求时，也应装设纵差动保护。对高压侧电压为330kV及以上的变压器，可装设双差动保护。上述各保护动作后，均应跳开变压器各电源侧的断路器。3、外部相间短路时，应采用的保护对于外部相问短路引起的变压器过电流，应采用下列保护作为后备保护。(l）过电流保护，一般用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故状态下可能出现的过负荷电流；(2）复合电压起动的过电流保护，一般用于升压变压器、系统联络变压器及过电流保护灵敏度不满足要求的降压变压器上；(3）负序电流及单相式低电压起动的过电流保护，一般用于容量为63MVA及以仁的升压变压器；(4）阻抗保护，对于升压变压器和系统联络变压器，当采用第（2）、（3）的保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。对500kV系统联络变压器高、中压侧均应装设阻抗保护。保护可带两段时限，以较短的时限用于缩小故障影响范围；较长的时限用于断开变压器各侧断路器。4、外部接地短路时，应采用的保护对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。零序电流保护可由两段组成，每段可各带两个时限，并均以较短的时限动作于缩小故障影响范围，或动作于本侧断路器，以较长的时限动作于断开变压器各侧断路器。对自耦变压器和高、中压侧中性点都直接接地的三绕组变压器，当有选择性要求时，应增设零序方向元件。当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止发生接地短路时，中性点接地的变压器跳开后，中性点不接地的变压器（低压侧有电源）仍带接地故障继续运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护，中性点装放电间隙加零序电流保护等。5、过负荷保护对400kVA以上的变压器，当数台并列运行，或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。过负荷保护接于一相电流上，并延时作用于信号。对于无经常值班人员的变电站，必要时过负荷保护可动作于自动减负荷或跳闸。6、过励磁保护高压侧电压为500kV及以上的变压器，对频率降低和电压升高而引起的变压器励磁电流的升高，应装设过励磁保护。在变压器允许的过励磁范围内，保护作用于信号，当过励磁超过允许值时，可动作于跳闸。过励磁保护反应于实际工作磁密和额定工作磁密之比（称为过励磁倍数）而动作。7、其他保护对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应按现行变压器标准的要求，装设可作用于信号或动作于跳闸的装置。8.2变压器的纵差动保护8.2.1构成变压器纵差动保护的基本原则对双绕组和二绕组变压器实现纵差动保护的原理接线如图8-1所示。由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等。图8-1变压器纵差动保护的原理接线（a）双绕组变压器正常运行时的的电流分布；（b）三绕组变压器区内故障时的电流分布在图8-l(a）中应使1122122111(8.1)TATATATTAIIIInnnInnI或式中nTA1——高压侧电流互感器的变比nTA2——低压侧电流互感器的变比nTA3——变压器的变比（高、低压侧额定电压之比)由此可知，要实现变压器的纵差动保护，就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比nT这是与前述送电线路的纵差动保护不同的。这个区别是由于线路的纵差动保护可以直接比较两侧电流的幅值和相位，而变压器的纵差动保护则必须考虑变压器变比的影响。8.2.2变压器纵差动保护的特点变压器的纵差动保护同样需要躲开流过差动回路中的不平衡电流。现对其不平衡电流产生的原因和消除方一法分别讨论如下。1、由变压器励磁涌流IEF所产生的不平衡电流变压器的励磁电流IE仅流经变压器的某一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的2％～10％。在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响就更小。但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励磁电流（又称为励磁涌流）。这是因为在稳态工作情况下，铁心中的磁通应滞后于外加电压90°，如图8-2(a）所示。如果空载合闸时，正好在电压瞬时值u=0时接通电路，则铁心中应该具有磁通-Φm。但是由于铁心中的磁通不能突变，因此，将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为+Φm，这样在经过半个周期以后，铁心中的磁通就达到2Φm。如果铁心中还有剩余磁Φr，则总磁通将为2Φm+Φr，如图8-2(b）所示。此时变压器的铁心严重饱和，励磁电流Ie将剧烈增大，如图8一2(C）所小，此电流就称为变压器的励磁涌流IEF，其数值最大可达额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非周期分量和高次潜波分量，如图8-2（d）所示。励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁心中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质等都有关系。图8—2变压器励磁涌流的产生及变化曲线(a）稳态情况下，磁通与电压的关系；(b）在u=0瞬间空载合闸时，磁通与电压的关系；(c）变压器铁心的磁化曲线；(d）励磁涌流的波形（1）励磁涌流的特点：表8-l所示的数据，是对几次励磁涌流试验数据的分析。由此可见，励磁涌流具有以下特点。①包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；②包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主；③波形之间出现间断，如图8-3所示，在一个周期中间断角为α。（2）在变压器纵差动保护中防止励磁涌流影响的方法：①采用具有速饱和铁心的差动继电器；②鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别；③利用二次谐波制动等。表8-1励磁涌流试验数据举例图8-3励磁涌流的波形2、由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流由于变压器常常采用Y,d11的接线方式，因此，其两侧电流的相位差30°。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于相位不同，也会有一个差电流流入继电器。为了消除这种不平衡电流的影响，通常都是将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，并适当考虑联接方式后即可把二次电流的相位校正过来。在微机保护中，则可以利用软件把它校正过来。图8-4(a）所示为Y,d11接线变压器的纵差动保护原理接线图，图中为星形侧的一次电流，为三角形侧的一次电流，后者超前30°，如图8-4(b)所示。现将星形侧的电流互感器也采用相应的三角形接线，则其副边输出电流为了、和，它们刚好与同相位，如图8-4(C）所示。这样差动回路两侧的电流就是同相位的了。但当电流互感器采用上述连接方式以后，在互感器接成三角形侧的差动一臂中，电流又增大了倍。此时为保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中应没有电流，就必须将该侧电流互感器的变比加大倍，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等，故此时选择变比的条件是:111YYYABCIII、和111ABCIII、和222ABCIII、和22YYABII-22YYBCII22YYCAII33式中nTA1和nTA2为适应Y,d接线的需要而采用的新变比。21(8.2)/3TATTAnnn图8-4Y,d11接线变压器的纵差动保护接线和矢量图（图中电流方向对应于正常工作情况）(a）变压器及其纵差动保护的接线；（b）电流互感器原边电流矢量图；(C）纵差动回路两侧的电流矢量图3、由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流由于两侧的电流互感器都是根据产目录选取标准的变比，而变压器的变比也是一定的，因此，三者的关系很难满足的要求，此时差动回路中将有电流流过。当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，通常都是利用它的平衡线圈Wb来消除此差电流的影响。2211()TATATBTATAnnnnnn或以双绕组变压器为例，假设在区外故障时，如图8-5所示，则差动线圈中将流过电流，由它所产生的磁动势为。为了消除这个差动电流的影响，通常都是将平衡线圈Wb接入二次电流较小的一侧，如图所示应接于的回路中。适当地选择Wb的匝数，使磁动势能完全抵销，则在二次线圈W2里就不会感应电动势，因而继电器I中也没有电流，达到了消除差电流影响的目的。由此可见，选择Wb与WM的关系应为22II22()II22()MWII22()MWII2I2bWI22222()()(8.3)MbMMbWIIWIWIWWI或上式表明，由较大的电流在WM中所产生的磁动势，被较小的电流在(WM+Wb）中所产生的磁动势所抵销，因此，在铁心中没有磁通，继电器不可能动作。按上式计算的Wb匝数，一般都不是整数，而实际上，只能按整匝数进行选择，因此还会有一残余的不平衡电流存在，这在整定计算时应该予以考虑。2I2I图8-5利用速饱和变流器的平衡线圈消除差电流影响的原理接线图4、由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流由于两侧电流互感器的型号不同，它们的饱和特性、励磁电流（归算至同一侧）也就不同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。此时应采用电流互感器的同型系数Ks=1。5、由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流带负荷调整变压器的分接头，是电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的一种方法，实际上改变分接头就是改变变压器的变比nT。如果差动保护已按照某一变比调整好（如利用平衡线圈），则当分接头改换时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。此时不可能再用重新选择平衡线圈匝数的方法来消除这个不平衡电流，这是因为变压器的分接头经常在改变，而差动保护的电流回路在带电的情况下是不能进行操作的。因