主变后备保护原理和保护范围

主变后备保护原理和保护范围一、变压器的后备保护当回路发生故障时，回路上的保护将在瞬间发出信号断开回路的开断元件(如断路器），这个立即动作的保护就是主保护。当主保护因为各种原因没有动作，在延时很短时间后（延时时间根据各回路的要求），另一个保护将启动并动作，将故障回路跳开。这个保护就是后备保护。主保护反应变压器内部故障，后备保护反应变压器外部故障。保护范围主要是变压器外部线路。二、变压器后备保护概述：作用：电力变压器应装设外部接地、相间短路引起的过电流保护及中性点过电压保护装置，以作为相邻元件及变压器内部故障的后备保护。变压器的后备保护是其主保护的备用保护，当主保护失灵时，后备保护动作，以保证设备和人身安全。其保护范围为变压器和供电回路及回路上的负荷设备。后备保护是指阻抗保护、低电压过流保护、复合电压过流保护、过流保护，它们都能反应变压器的过流状态，但它们的灵敏度不一样，阻抗保护的灵敏度高，过流保护的灵敏度低。三、后备保护的分类远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。近后备保护：当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现近后备保护。高后备保护和低后备保护是相对变压器而言的，变压器高压侧的后备保护称为高后备，变压器低压侧的后备保护称为低后备。1、后备保护用于在主保护故障拒动情况下，保护变压器。一般包含：（1）高压侧复合电压启动的过电流保护；（2）低压侧复合电压启动的过电流保护；（3）防御外部接地短路的零序电流、零序电压保护；（4）防止对称过负荷的过负荷保护；（5）和高压侧母线相联的保护：高压侧母线差动保护、断路器失灵保护；（6）和低压侧母线相联的相关保护：低压侧母线差动保护等。变压器保护装置的工作流程如图6-1所示，保护测量变压器的各参量未超过定值时，保护处于正常状态。当发生故障时，装置中各保护根据测量判定故障是否发生在各自的保护范围内。当变压器内部故障时，纵差保护动作跳闸；若故障点在油箱内，气体保护能以较高的灵敏度动作于跳闸。无论是内部故障还是外部故障，变压器相间后备保护均应启动。若为接地故障，零序保护作为接地故障的后备保护也同时启动。在后备保护动作延时内，故障若消失，后备保护返回到正常工作状态；若故障仍存在，则动作于跳闸，将变压器从电网中切除。此外，当变压器出现过负荷等异常工作状态时，相应的保护动作发出信号。四、相间短路的后备保护变压器的主保护通常采用差动保护和瓦斯保护。除了主保护外，变压器还应装设相间短路和接地短路的后备保护。后备保护的作用是为了防止由外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻元件（母线或线路）保护的后备以及在可能的条件下作为变压器内部故障时主保护的后备。变压器的相间短路后备保护通常采用过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护以负序过电流保护等，也有采用阻抗保护作为后备保护的情况。1、过电流保护过电流保护装置的原理接线如图5-18所示，其工作原理与线路定时限过电流保护相同。保护动作后，跳开变压器两侧的断路器，保护的起动电流按照过变压器可能出现的最大负荷电流来整定,即式中Krel—可靠系数，取1.2—1.3；Kr—返回系数，取0.8—0.95；IL·max—变压器可能出现的最大负荷电流。IL·max可按以下情况考虑，并取最大值：（1）对并列运行的变压器，应考虑切除一台最大容量的变压器时，在其他变压器中出现的过负荷。当各台变压器容量相同时，计算式为式中n——并列运行变压器的可能最少台数IN——每台变压器的额定电流（2）对降压变压器，应考虑电动机自起动时的最大电流，计算式为其中I'L·max——正常工作时的最大负荷电流（一般为变压器的额定电流）Kast——综合负荷的自起动系数，对于110KV的降压变电所，低压6～10KV侧取Kast=1.5～2.5，中压35KV侧取Kast=1.5～2。（3）过电流保护的使用条件：宜用于降压变压器，安装地点：电源侧。2、低电压起动时的过电流保护过电流保护按躲过可能出现的最大负荷电流整定，起动电流比较大，对于升压变压器或容量较大的降压变，灵敏度往往不能满足要求。为此可以采用低电压起动的过电流保护。保护原理接线如图5-19所示，只有在电流元件和电压元件同时动作后，才能起动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压继电器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能。采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动机自起动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定，即低电压继电器的动作电压按以下条件整定，并取最小值（1）按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定，计算式为式中UW·max——最低工作电压，一般取0.9UN（UN为变压器的额定电压）；Krel——可靠系数，取1.1～1.2；Kr——低电压继电器的返回系数，取1.15～1.25.（2）按躲过电动机自起动时的电压整定；当低压继电器由变压器低压侧互感器供电时，计算式为Uset=（0.5—0.6）UN当低电压继电器由变压器高压侧互感器供电时，计算式为Uset=0.7UN3、复合电压起动的过电流保护这种保护是低电压起动过电流保护的一个发展，其原理接线如图5-20所示。它将原来的三个低电压继电器改由一个负序过电压继电器KV2（电压继电器接于负序电压滤过器上）和一个接于线电压上的低电压继电器KV1组成。由于发生各种不对称故障时，都能出现负序电压，故负序过电压继电器KV2作为不对称故障的电压保护，而低电压继电器KV1则作为三相短路故障时的电压保护。过电流继电器和低电压继电器的整定原则与低电压起动过电流保护相同。负序过电压继电器的动作电压按躲过正常动行时的负序滤过器出现的最大不平衡电压来整定，通常取U2·set=（0.06—0.12）UN由此可见，复合电压起动过电流保护在不对称故障时电压继电器的灵敏度高，并且接线比较简单，因此应用比较广泛。复合电压启动过流保护的优点：1、由于负序电压继电器的整定值小，因此在不对称短路时，电压元件的灵敏系数高。2、当经过变压器后发生不对称短路时，电压元件的工作情况与变压器所采用的接线方式无关。3、在三相短路时，保护装置的工作情况就相当于一个低电压启动的过电流保护。4、低阻抗保护当电流、电压保护不能满足灵敏度要求或根据网络保护间配合的要求，发电机和变压器的相间故障后备保护可采用阻抗保护。阻抗保护通常用于330KV—500KV大型升压及降压变压器，作为变压器引线、母线、相邻线路相间故障后备保护。后备低阻抗保护对发电机定子绕组和变压器高、低压绕组内部短路的后备保护作用问题：发电机三相定子绕组内部发生相间短路或匝间短路时，纵然故障点电流很大，机端三相电流有可能并不大，机端二相电压也可能并不显著降低，因此装在发电机机端的阻抗保护反应就很灵敏。所以阻抗保护不能胜任变压器或发电机绕组内部短路的后备保护作用，只能作为发电机或变压器引线、母线和相邻线路的相间短路后备保护。5、负序电流和单相式低压过电流保护对于大容量的发电机变压器组，由于额定电流大，电流元件往往不能满足远后备灵敏度的要求，可采用负序电流保护。负序电流元件和反应对称短路故障的单相式低压过电流保护组成。负序电流保护灵敏度较高，且在星、三角接线的变压器另一侧发生不对称短路故障时，灵敏度不受影响，接线也较简单。6、变压器的过负荷保护过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流。保护用一个电流继电器接于一相电流，经延时动作于信号。过负荷保护的安装侧，应根据保护能反应变压器各侧绕组可能过负荷情况来选择：（1）对双绕组升压变压器，装于发电机电压侧。（2）对一侧无电源的三绕组升压变压器，装于发电机电压侧和无电源侧。（3）对三侧有电源的三绕组升压变压器，三侧均应装设。（4）对于双绕组降压变压器，装于高压侧。（5）仅一侧电源的三绕组降压变压器，若三侧的容量相等，只装于电源侧；若三侧的容量不等，则装于电源侧及容量较小侧。（6）对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设。相间短路后备保护方向设置（1）三侧有电源的三绕组升压变压器，相间故障后备保护为了满足选择性要求，在高压侧或中压侧要加功率方向元件，其方向可指向该侧母线。方向元件的设置，有利于加速跳开小电源侧的断路器，避免小系统影响大系统。（2）高压及中压侧有电源或三侧均有电源的三绕组降压变压器和联络变压器，相间故障后备保护为了满足选择性要求，在高压或中压侧要加功率方向元件，其方向宜指向变压器。（3）反应相间故障的功率方向继电器，通常由两只功率方向继电器构成，接入功率方向继电器的电流和电压应按90接线的要求。为了消除三相短路时功率方向继电器的死区，功率方向继电器的电压回路可由另一侧电压互感器供电。五、接地短路的后备保护电力系统中，接地故障常常是故障的主要形式，因此，大电流接地系统中的变压器，一般要求在变压器上装设接地（零序）保护。作为变压器本身主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。1、变电所单台变压器的零序电流保护中性点直接接地运行的变压器毫无例外都采用零序过电流保护作为变压器接地后备保护。零序过电流保护通常采用两段式，零序I段与相邻元件零序电流保护I段相配合；零序电流保护II段保护与相邻元件零序电流保护后备段相配合。与三绕组变压器相间后备保护类似，零序电流保护在配置上要考虑缩小故障影响范围的问题。根据需要，每段零序电流保护可设两个时限，并以较短的时限动作于缩小故障影响范围，以较长的时限断开变压器各侧断路器。图5-22所示是双绕组变压器零序过电流保护的系统接线和逻辑。零序电流取自变压器中性点电流互感器的二次侧。由于是双母线运行，在另一侧母线故障时，零序电流保护应该断开母联断路器QF，使变压器能够继续运行。所以零序电流保护I段和II段均采用两个时限，短时限t1,t3,跳开母联断路器QF，长时限t2、t4跳开变压器两侧断路器。2、多台变压器并联运行时的接地后备保护对于多台变压器并联运行的变电所，通常采用一部分变压器中性点接地运行，而另一部分变压器中性点不接地运行的方式。这样可以将接地故障电流水平限制在合理范围内，同时也使整个电力系统零序电流的大小和分布情况尽量不受运行方式的变化，提高系统零序电流保护的灵敏度。如图5-23所示，T2和T3中性点接地运行，T1中性点不接地运行，K2点发生单相接地故障时，T2和T3由零序电流保护动作而被切除，T1由于无零序电流，仍将带故障运行，此时由于接地中性点失去，变成了中性点不接地系统单相接地故障的情况，将产生接近额定相电压的零序电压，危及变压器和其它电力设备的绝缘，因此需要装设中性点不接地运行方式下的接地保护将T1切除。中性点有两种运行方式的变压器，需要装设零序过电流保护—用于中性点接地运行方式；零序过电压保护—用于中性点不接为地运行方式。原则：对于分级绝缘变压器应先切除中性点不接地运行的变压器，后切除中性点接地运行的变压器；对于全绝缘变压器应先切除中性点接地运行的变压器，后切除中性点不接地运行的变压器。后备保护保护配置（1）中性点直接接地运行，配置三段式零序过电流保护。（2）中性点可能接地或不接地运行，配置一段两时限零序无流闭锁零序过电压保护。（3）中性点经放电间隙接地运行，配置一段两时限式间隙零序过电流保护。对于双圈变压器，后备保护可以只配置一套，装于降压变的高压侧（或升压变的低压侧）；三绕组变压器，后备保护可以配置两套：一套装于高压侧作为变压器的后备保护，另一套装于中压侧或低压的电源侧，作相邻后备。六、后备保护的保护范围：1、220kV复压方向过流保护：方向指向变压器，做为变压器、各中低压母线及出线的相间故障的后备保护。（中低压侧无电源，可不用方向）2、110kV复压方向过流保护：一般方向指向变压器，在110kV有电源时，做为变压器的后备保护。（我们现在往往110kV是开环运行的，一般不存在电源，有些地方将方向元件退出和“110kV复压过流保护”相同应用，多一套保护而矣。）作为110KV