第六章变压器保护第一部分

1第六章电力变压器保护PowerTransformerProtection§6.1电力变压器的故障类型和不正常工作状态(FaultTypesAndAbnormalWorkingConditionsofPowerTransformer)变压器在电力系统中广泛地用来升高或降低电压，是电力系统不可缺少的重要电气设备。它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的设备。因此应根据变压器容量等级和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。变压器的故障可以分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路以及接地短路。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。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大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸。对于变压器发生的各种故障，保护装置应能尽快地将变压器切除。实践表明，变压器套管和引出线上的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式；而变压器油箱内发生相间短路的情况比较少。变压器的不正常运行状态主要有：变压器外部短路引起的过电流、负荷长时间超过额定容量引起的过负荷、风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等，这些运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线方式变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。变压器不正常运行时，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采取相应的措施，以确保变压器的安全。变压器油箱内故障时，除了变压器各侧电流电压变化外，油箱内的油、气、温度等非电量也会发生变化。因此，变压器保护分电量保护和非电量保护两种。非电量保护装设在变压器内部。线路保护中采用的许多保护原理如过流保护、纵差动保护等在变压器的电量保护中都有应用，但在配置上有区别。本章下面各节2重点介绍这些电量保护。§6.2变压器纵差动保护(LongitudinalDifferentialProtectionforPowerTransformer)§6.2.1变压器纵差动保护的基本原理和接线方式(Basicprincipleandconnectionoflongitudinaldifferentialprotection)21II1I1I2I***2III*图6－1双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图前面已经介绍了线路电流纵差动保护的原理。电流纵差动保护不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其它元件的保护配合，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。图6－1所示的是双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图。1I、2I分别为变压器高压侧和低压侧的一次电流，参考方向为母线指向变压器；1I、2I为相应的电流互感器二次电流。流入差动继电器II的差动电流为12rIII(6-1)纵差动保护的动作判据为rsetII(6-2)式中setI为纵差动保护的动作电流，12rIII为差动电流的有效值。设变压器高、低压侧的变比为Tn12/UU，式(6-1)可进一步表示为32121rTATAIIInn变形为1211221(1)TTATrTATATAnIInnIInnn(6-3)式中1TAn、2TAn分别为两侧电流互感器的变比。若选择电流互感器的变比，使之满足21TATTAnnn(6-4)这样式(6-3)就变为122TrTAnIIIn(6-5)忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时一次侧电流的关系为210TInI。根据式(6-5)，正常运行和变压器外部故障时，差动电流为零，保护不会动作；变压器内部(包括变压器与电流互感器之间的引线)任何一点故障时，相对于变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流(变换到电流互感器二次侧)，只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就能迅速动作。因此，式(6-4)成为变压器纵差动保护中电流互感器变比选择的依据。YAIYBIYCIYAIYBIYCIdAIdBIdCIdAIdBIdCIYBYAIIdAIIIIIIIdaIdbIdcIdaIdbIdcIdAIdBIdCI30（a）接线图（b）对称工况下的向量关系图6－2双绕组三相变压器纵差动保护原理接线图4实际电力系统都是三相变压器(或三相变压器组)，并且通常采用,11Yd的接线方式，如图6－2(a)所示（以下图中总是假定一次电流从同名端流入二次电流从同名端流出）。这样的接线方式造成了变压器高、低压侧电流的不对应，以A相为例，正常运行时，由于dAdadbIII，dAI超前daI300，如图6－2(b)所示。若仍用上述针对单相变压器的差动继电器的接线方式，将高、低侧电流引入差动保护，将会在继电器中产生很大的差动电流。可以通过改变纵差动保护的接线方式消除这个电流，就是将引入差动继电器的Y侧的电流也采用两相电流差，即()()()ArYAYBdABrYBYCdBCrYCYAdCIIIIIIIIIIII(6-6)式中ArI、BrI、CrI是流入三个差动继电器的差动电流。这样就可以消除两侧电流不对应。由于Y侧采用了两相电流差，该侧流入差动继电器的电流增加了3倍。为了保证正常运行及外部故障情况下差动回路没有电流，该侧电流互感器的变比也要相应地增大3倍，即两侧电流互感器变比的选择应该满足213TATTAnnn(6-7)为了满足式(6-6)，变压器两侧电流互感器采取不同的接线方式，如图6－2(a)所示。d侧采用,12Yd的接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内；Y侧采用,11Yd的接线方式，将两相电流差接入差动继电器内。模拟式的差动保护都是采用图6－2(a)的方式，对于数字式差动保护，一般将Y侧的三相电流直接接入保护装置内，由计算机的软件实现式(6-6)的功能，以简化接线。51I1I3I3I2III2I图6－3三绕组变压器纵差动保护接线单相示意图电力系统中常常采用三绕组变压器。三绕组变压器的纵差动保护原理与双绕组变压器是一样的。图6－3所示的是,,11Yyd接线方式三绕组变压器纵差动保护单相示意图，接入纵差动继电器的差电流为123rIIII(6-8)三相变压器各侧电流互感器的接线方式和变比的选择也要参照,11Yd双绕组变压器的方式进行调整，即d侧互感器用Y接线方式；两个Y侧互感器则采用d接线方式。设变压器的1－3侧和2－3侧的变比为13Tn和23Tn，考虑到正常运行和区外故障时变压器各侧电流满足13123230TTnInII，电流互感器变比的选择应该满足3131323233TATTATATTAnnnnnn(6-9)§6.2.2变压器差动保护的不平衡电流及减小不平衡电流影响的方法(TheUnbalancedCurrentofDifferentialProtectionforPowerTransformerandmeasurestoeliminateitseffect)变压器的纵差动保护同样需要躲过流过差动回路的不平衡电流unbI。下面以双绕组单相变压器为例，对其不平衡电流产生的原因和消除方法分别讨论如下。61．计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取的标准变比，其规格种类是有限的。变压器的变比也是有标准的，三者的关系很难完全满足式(6-4)，令变比差系数为121TATzaTAnnfn(6-10)根据式(6-3)可得...11221TzaunbTATAnIIfIInn(6-11)如果将变压器两侧的电流都折算到电流互感器的二次侧，并忽略zaf不为零的影响，则区外故障时变压器两侧电流大小相等，即21TIInI,但方向相反，I称为区外故障时变压器的穿越电流。设.maxkI为区外故障时最大的穿越电流，根据式(6-11)知，由电流互感器和变压器变比不一致产生的最大不平衡电流.maxunbI为maxmaxunbzakIfI(6-12)在本章以下内容中，如无特殊说明，变压器各侧电流都是折算到二次侧的，即1TnI记为1I。2．由变压器带负荷调节分接头而产生的不平衡电流电力系统中经常采用带负荷调压的变压器，利用改变变压器分接头的位置来保持系统的运行电压。改变分接头的位置，实际上就是改变变压器的变比Tn。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。因此，由于改变分接头的位置产生的最大不平衡7电流为maxmaxunbkIUI(6-13)式中U为由变压器分接头改变引起的相对误差，考虑到电压可以正负两个方向进行调整，一般可取调整范围的一半。3．电流互感器传变误差产生的不平衡电流LZ1L1I1I1I1Z图6－4电流互感器等效电路电流互感器的等效电路如图6－4所示。图中1L是励磁回路等效电感、LZ为二次负载的等效阻抗；1I为励磁电流。电流互感器的二次电流为111III(6-14)电流互感器的传变误差就是励磁电流1I。根据图6－4的等效电路，得1111111111ZIIILjLZjZ(6-15)1Z包括了电流互感器的漏抗和二次负载阻抗，一般电阻分量占优，在定性分析时可以当作纯电阻处理。区外故障时变压器两侧的一次电流为21II(折算到二次侧)，故由电流互感器传变误差引起的不平衡电流为1221unbIIIII(6-16)不平衡电流实际上就是两个电流互感器励磁电流之差。由式(6-15)知，励磁电流总是落后于一次电流，故1I与2I之间的相位差不会超过90o，它们是相互8抵消的。不失一般性，假设1I比较大，不平衡电流将小于1I。若两个电流互感器的型号相同，它们的参数差异性小，不平衡电流也比较小；反之，不平衡电流比较大。通常采用同型系数stK来表示互感器型号对不平衡电流的影响，即1unbstIKI(6-17)当两个电流互感器型号相同时，取0.5stK；否则取1stK。对于变压器的纵差动保护，两侧电流互感器的变比不一样，互感器的型号肯定不同，故取1stK。12S3tI123btI(a)(b)图6－5电流互感器铁芯的磁滞回线励磁电流1I的大小取决于电流互感器铁芯是否饱和以及饱和的程度。1I与铁芯磁通之间的关系由铁芯的磁滞回线确定，如图6－5所示。图6－5(a)的曲线3是励磁电流按照曲线2变化时的磁滞回线，曲线1是铁芯的基本磁化曲线(通常简称为磁化曲线)。由于曲线2的励磁电流是对称变化的，磁滞回线回绕着磁化曲线形成回环，近似分析时通常用磁化曲线来替代磁滞回线。磁化曲线上的s点称为饱和点。由于线圈电压u与铁芯磁通之间的关系为duWdt(W是线圈的匝数，定性分析时可假设1W)，故磁化曲线的斜率(严格讲是各点切线的斜率)就是励磁回路的电感1L。铁芯未饱和时，1L很大且接近常数；铁芯饱和后磁化曲线变得很平坦，1L大为减小。9若励磁电流1I中存在大量的非周期分量，饱和后的1L还会进一步减小，如图6－5(b)所示。由于非周期分量引起1I偏离时间轴的一侧，磁通也偏离磁化曲线并按照曲线3的局部磁滞回环变化。显然，偏离时间轴后1L会减小。非周期分量的存在将会显著地减小1L。顺便指出，电流互感器一次侧电流消失后，励磁电流1I也相应地变为零。于磁滞回线的‘磁滞’现象，铁芯中将长期存在残留磁通，称为剩磁。剩磁的大小和方向与一次电流消失时刻的励磁电流1I有关。关于铁芯剩磁的概念在6.3节中会用到。根据式(6-15)可知，当1I比较小时，电流互感器不饱和。此时由于