变压器保护-主设备保护

电力系统主设备保护专题（1）――变压器保护华北电力大学电气与电子工程学院郑涛[e-mail]教五楼B309参考书目•《电气主设备继电保护原理与应用》，王维俭编著，中国电力出版社，2002•《发电机变压器继电保护应用（第2版）》，国家电力调度通信中心组编，中国电力出版社，2005•《电力系统继电保护》，张保会等编，中国电力出版社，2005第一节故障类型、不正常运行状态及其保护方式电力变压器是电力系统中的重要电气设备。大容量变压器造价十分昂贵，其故障会对供电可靠性和系统的安全稳定运行带来严重的影响。因此应根据变压器容量和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。（1）油箱内部故障a、变压器绕组相间短路；b、变压器绕组匝间短路；c、变压器绕组接地短路变压器油箱内部故障产生较大的短路电流，不仅会烧坏变压器绕组和铁心，而且由于绝缘油汽化，可能引起变压器爆炸。一、变压器故障类型（2）油箱外部故障a、绝缘套管的相间短路与接地短路；b、引出线上的发生的相间短路和接地短路；电压等级220kV330kV500kV合计次数%次数%次数%次数%本体内部故障匝间故障1130.5611002401433.33铁芯故障12.7812.38相间接地故障822.22819.04套管故障1233.331201330.95分接开关故障411.11240614.28小计361001100510042100外部故障501354合计862896变压器总台数37211614414323本体故障变压器台数361542故障率（次/百台·年）0.960.621.130.972004年全国220kV及以上大型变压器故障统计变压器的不正常工作状态：（1）由于外部短路引起的过电流；（2）负荷长时间超过额定容量引起的过负荷；（3）油箱漏油造成的油面降低；（4）由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁；对于不正常工作状态，变压器保护也必须能够反应。发告警信号，或延时跳闸。三、变压器的保护配置1.瓦斯保护：轻瓦斯（信号）和重瓦斯（跳闸）针对：油箱内的各种故障及油面降低。优点：油箱内部所有故障，有较高灵敏性。缺点：动作时间较长；不能反应油箱外部的故障。2.纵差保护或电流速断保护（根据变压器容量选择）反应绕组、套管及引出线上的相间短路，在一定程度上反应绕组内部匝间短路及中性点接地侧的接地短路。特点：瞬时动作切除故障主保护3.外部相间短路的后备保护1）过电流保护2）复合电压起动的过流保护3）负序电流保护和单相式低压起动的过电流保护4）阻抗保护4.外部接地短路的后备保护1）零序电流保护（若中性点接地）2）零序过电压保护、在中性点装放电间隙加零序电流保护5.过负荷保护6.过励磁保护7.其它非电气量保护（油箱内温度、压力升高、冷却系统故障）延时跳闸或发信号第二节变压器差动保护一、变压器纵差保护原理必须适当选择两侧电流互感器的变比，使正常运行及外部故障时，流过差动继电器的电流为01212121122TATATATTAIIIInnnInnII-InTA1nTA2nT2I1I'1I'2ITYWnW（变压器两侧绕组匝数之比）二、变压器纵差保护的不平衡电流产生变压器纵差保护不平衡电流的主要原因有：（1）变压器两侧绕组接线方式不同；（2）变压器、电流互感器的计算变比与实际变比不同；（3）变压器带负荷调节分接头；（4）电流互感器传变误差的影响；（5）变压器励磁电流产生的不平衡电流；（6）变压器励磁涌流1．变压器两侧绕组接线方式不同产生的不平衡电流YAIYBIYCIAIBICIaIbIcIYAIYBIYCIAIBIaIbIcITYAYCacCTYCYBcbBTYBYAbaAnIIIIInIIIIInIIIII)()()(TYWnW（变压器两侧绕组匝数之比）变压器接线方式引起不平衡电流的消除措施：采用电流相位补偿（纠正）！第一种相位补偿方式（Ｙ→Δ）：变压器Y形侧TA角接；变压器Δ形侧TA星形。()dAYAYBAIIII()dBYBYCBIIII()dCYCYACIIII1YAYBYAYBTAIIIIn2AATAIIn1211()()0TdAYAYBTATAnIIInn变压器保护微机化后，变压器各侧TA接线统一为Ｙ接线方式，电流相位补偿措施通过软件实现。第二种相位补偿方式（Δ→Ｙ）：YAIYBIYCIAIBICIaIbIcIYAIYBIYCIAIBIaIbIcIAabBbcCcaIIIIIIIII233233233ACabcapBAbcabpCBcabcpIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII为防止变压器Ｙ侧区外接地故障时，零序电流导致差动保护误动，需对Ｙ侧电流进行减零处理。0101()3YAYATAYAYBYCIIInIIII21()3ACATAIIIn012apYAdAYAATATAIIIIIIInn0YATapIInII0121/1()()0TYATATAnIInn0123YBBAdBYBBTATAIIIIIIInn0123YCCBdCYCBTATAIIIIIIInn第三种绕组差动方式：对于高压或特高压大容量变压器，由于体积庞大，为便于运输，常由三个单相变压器组成三相变压器组。为构成绕组差动保护方式提供了可能。TA2TA2TA2TA1AaTA1bTA1cBC缺陷：不能反映绝缘套管的相间或接地故障。差动保护的接线构成简单，不涉及电流相位补偿问题。改进的绕组差动保护方式：差动保护的接线：由TA1和TA3构成。TA2接于角侧某相绕组内部，测量对应的绕组电流。TA1TA2TA3AaTA1TA3bTA1TA3cBC223BABIII223CAAIII角侧各相绕组电流为：12dAAAIII12dBBBIII12dCCCIII差动电流为：2.TA的计算变比与实际变比不同产生的不平衡电流12TATTAnnn变压器的变比、电流互感器的变比都是根据产品目录来选择的标准变比，很难满足：克服措施：在微机保护中采取对不平衡电流进行补偿的方法。I-InTA1nTA2nT2I1I'1I'2I''1212112unbTATAIIIIInn1122TATTAInnIn1121/1()TTATAnInn1112/(1)TATTAnnIInn'''121()0dIIInI对不平衡电流进行补偿:3.变压器调压分接头改变产生的不平衡电流4.两侧电流互感器传变误差产生的不平衡电流带负荷调压分接头变压器在运行中常常需要改变分接头来调电压，这样就改变了nT，出现不平衡电流。克服措施:整定时增大动作电流门槛值。变压器两侧电流互感器的型号不同，励磁特性差别较大1）稳态不平衡电流LmL1δL2δiμ1i1i'1I-InTA1nTA2nT2I1I'1I'2I112212''121212()dTATATATAIIIIIIIIInnnn外部故障时，短路电流中还含有非周期暂态分量，非周期分量按一定的时间常数衰减，是低频分量，大部分流经励磁支路，增加TA的传变误差，导致不平衡电流增大。克服措施:选用具有较好暂态传变特性的TA；增大动作电流门槛值；2）暂态不平衡电流当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中，由于变压器铁心中的磁通急剧增大，使变压器铁心瞬时饱和，出现数值很大的励磁涌流。励磁涌流可达变压器额定电流的6～8倍，如不采取措施变压器纵差保护将会误动。5.变压器励磁涌流的影响××涌流产生原因:铁芯中的磁通不能突变稳态时，磁通滞后电压90°；当U=0时投入变压器，铁心出现磁通–Φm，铁心中磁通不能突变，必须产生+Φm的非周期分量，以抵消–Φm，使得Φ=0，考虑到剩磁Φsy的影响，半个周波后，铁心中的磁通达到最大值，严重饱和，对应的励磁涌流此时也达到最大。设电源电压为正弦波:sin()smuUwtsin()mdUwtdt忽略电阻及漏抗压降，根据Faraday‘sLaw，则有：cos()mUwtCw根据合闸初始条件，假设铁芯有剩磁存在，则有：cosmreUCwcosmreUCwcos()cosmmreUUwtww稳态磁通分量+暂态磁通分量cos()cosmmreUUwtww励磁涌流的影响因素:sat产生励磁涌流！当合闸初相角剩磁的大小和方向饱和磁通的大小0,90re理想情况下，不会产生励磁涌流。单相变压器励磁涌流的特征：1、数值较大，可达额定电流的6～8倍，偏于时间轴一侧；2、含有较大的直流分量；3、励磁涌流中含有大量的谐波分量；4、励磁涌流的波形中有间断。三相变压器励磁涌流：克服励磁涌流对变压器差动保护影响一般采用励磁涌流闭锁措施。1）二次谐波制动原理；2）间断角制动原理；3）波形对称原理；三相绕组接线方式中性点接地方式三相铁芯型式二次谐波制动原理：利用励磁涌流含有大量谐波分量的特征，通过计算差动电流中的二次谐波电流分量与基波电流分量的幅值之比来判别励磁涌流与故障电流。21ddIKI15%20%K存在的问题：制动门槛K的取值。铁芯材料（冷轧硅钢片）外接长线路的影响二次谐波的制动方式1）或门闭锁方式：三相差流中某一相判为励磁涌流，闭锁三相差动保护。2）按相闭锁方式：三相差流中某一相判为励磁涌流，仅闭锁该相的差动保护。3）综合相制动方式：利用三相差流中二次谐波最大值和基波最大值之比来制动差动保护。222111max(,,)max(,,)dAdBdCdAdBdCIIIKIII4）三取二方式三相差流中任意两相差流的二次谐波含量大于定值，则闭锁差动保护。间断角闭锁原理：通过检测励磁涌流波形中间断角的大小来区分励磁涌流和故障电流。在微机保护中需要较高采样率才有可能实现间断角的准确测量；考虑A/D芯片零漂对间断角测量的影响，需采用高精度的A/D芯片发生TA饱和时，可能使励磁涌流的间断角特征消失。波形对称闭锁原理：对于差动电流进行差分滤波，以尽可能地消除电流波形中所含有的衰减直流分量，然后利用经差分滤波后的差流波形的前半波与后半波作对称比较，根据比较的结果来判断是否发生了励磁涌流。KIIIIiiii180''180''基于变压器回路方程算法：111111222222mmddiuirlNdtdtddiuirlNdtdt列写原、副边回路方程如下：对第2个方程乘以变压器变比K=N1/N2111111222221mmddiuirlNdtdtddiuirlNdtdt1212112212didiuuirirlldtdt适用于变压器正常运行、励磁涌流、过励磁和外部故障的情况，但对于变压器内部故障，由于变压器模型内部的结构参数发生了变化。三、比率制动式纵差保护流入差动继电器的不平衡电流与变压器外部故障时的穿越电流有关，穿越电流越大，不平衡电流越大。比率制动差动保护，利用反应变压器穿越电流大小的制动电流，使保护动作电流随制动电流而变化，当外部短路穿越电流增大，制动电流随之增加，增强了外部故障时的制动作用，有效地防止了不平衡电流引起的误动，同时提高了内部故障时的灵敏度。目前广泛应用的数字式变压器纵差动保护，普遍使用两折线或三折线比率制动特性。minopdII)(0minresresopopdIISIII动作判据（方程）：12opIII1211)