变压器继电保护.ppt

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1、变压器继电保护,变压器是电力系统重要的主设备之一。在发电厂通过升压变压器将发电机电压升高，而由输电线路将发电机发出的电能送至电力系统中；在变电站通过降压变压器再将电能送至配电网络，然后分配给各用户。在发电厂或变电站，通过变压器将两个不同电压等级的系统联起来，该变压器称作联络变压器。,一变压器的基本结构及接线组别,电力变压器主要由铁芯及绕在铁芯上的两个或三个绝缘绕组构成。为增强各绕组之间的绝缘及铁芯、绕组散热的需要，将铁芯及绕组置于装有变压器油的油箱中。然后，通过绝缘套管将变压器各绕组引到变压器壳体之外。,二 .变压器的故障及不正常运行方式,1变压器的故障 若以故障点的位置对故障分类，有油箱内的

2、故障和油箱外的故障。 (1)油箱内的故障 变压器油箱内的故障，主要有各侧的相间短路，大电流系统侧的单相接地短路及同相部分绕组之间的匝间短路。 (2)油箱外的故障 变压器油箱外的故障，系指变压器绕组引出端绝缘套管及引出线上的故障。主要有相间短路(两相短路及三相短路)故障，大电流侧的接地故障、低压侧的接地故障。 2变压器的异常运行方式 大型超高压变压器的不正常运行方式主要有；由于系统故障或其他原因引起的过负荷，由于系统电压的升高或频率的降低引起的过激磁，不接地运行变压器中性点电位升高，变压器油箱油位异常，变压器温度过高及冷却器全停等。,三变压器保护的配置,变压器短路故障时，将产生很大的短路电流，使

3、变压器严重过热，甚至烧坏变压器绕组或铁芯。特别是变压器油箱内的短路故障，伴随电弧的短路电流可能引起变压器着火。另外短路电流产生电动力，可能造成变压器本体变形而损坏。变压器的异常运行也会危及变压器的安全，如果不能及时发现及处理，会造成变压器故障及损坏变压器。,变压器继电保护的任务及保护配置： 1）变压器继电保护的任务： 就是反应上述故障或异常运行状态，并通过断路器切除故障变压器，或发出信号告知运行人员采取措施消除异常运行状态。同时变压器保护还应能用作相邻电气元件的后备保护。,2）变压器应装设的继电保护：针对上述各种故障与不正常工作状态，变压器应装设下列继电保护： （1）防御变压器油箱内部各种故障

4、和油面降低的瓦斯保护。 （2）防御变压器外部引出线、套管及内部短路故障的纵联差动保护或电流速断保护。 （3） 防御变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和纵联差动保护(或电流速断保护)后备的过电流保护等。 （4）防御大接地电流系统中变压器外部接地短路的零序电流保护。 （5） 防御变压器对称过负荷的过负荷保护。 （6）防御变压器过励磁的过励磁保护。,四、变压器主要保护基本工作原理（一）变压器瓦斯保护1）作用:保护变压器油箱内部的各种故障。 2）瓦斯保护的工作原理： 当变压器内部故障时，故障点的局部高温将使变压器油温升高，体积膨胀，甚至出现沸腾，油内空气被排出而形成上升汽泡。若故障点产生电弧，则变压器油

5、和绝缘材料将分解出大量气体。这些气体自油箱流向油枕上部，故障越严重，产生的气体越多，流向油枕的气流速度越快，甚至气流中还夹杂着变压器油。利用上述气体来实现的保护，称为瓦斯保护。 瓦斯保护主要由瓦斯继电器来实现，它是一种气体继电器，安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中。 瓦斯保护动作后，应从瓦斯继电器上部排气口收集气体，进行分析。根据气体的数量、颜色、化学成份、可燃性等，判断保护动作的原因和故障的性质。,变压器的非电量保护,气体继电器的构造和工作原理1、FJ3-80： 2、QJ1-80型反映轻瓦斯：上开口杯 反映重瓦斯：下开口杯和挡板,2. 非电量保护原理接线图,图 4.39 非电量保护原理

6、接线图,3 、瓦斯保护的整定轻瓦斯保护的动作值采用气体容积表示。通常气体容积的整定范围为 。 对于容量在10WVA以上变压器多采用 气体容积的调整可以通过改变重锤位置来实现。重瓦斯保护的动作值采用油流流速表示。一般整定范围在 ，该流速指的是导油管中油流的速度。QJ1-80型气体继电器进行油流流速的调整时，可先松动调节螺杆14，再改变弹簧9的长度即可，一般整定在 左右。,4、瓦斯保护的特点： 瓦斯保护是变压器内部故障最有效的一种主保护。瓦斯保护能反应油箱内各种故障，且动作迅速、灵敏性高、接线简单，但不能反应油箱外的引出线和套管上的故障。故不能作为变压器唯一的主保护，须与差动保护配合共同作为变压器

7、的主保护。,（二）变压器纵差动保护1、基本原理：工作原理：比较被保护变压器各侧电流的相位和数值的大小（反应变压器各侧电流的矢量和的大小）。 变压器纵差动保护，是变压器内部及引出线上短路故障的主保护，它能反应变压器内部及引出线上的相间短路、变压器内部匝间短路及大电流系统侧的单相接地短路故障。另外，尚能躲过变压器空充电及外部故障切除后的励磁涌流。 如图示出了双绕组变压器差动保护单相原理接线图。变压器两侧分别装设电流互感器TA1和TA2，并按图中所示极性关系进行连接。,(1)正常运行或外部故障时，流过差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差，是穿越性电流，只要恰当选择两侧电流互感器的变比，

8、在这种情况下流过继电器的电流可基本为零，这样，正常运行或外部故障时，差动继电器KD不会动作。(2) 当变压器内部故障时，流入差动继电器的电流为两侧电流互感器的二次电流之和，相当于故障点短路电流。当IK大于继电器KD动作电流时，KD立即动作，跳开两侧断路器，将故障变压器从系统中切除。若一侧无电源，则该侧电流为零，继电器同样能可靠动作，因为继电器流过的仍然是故障点短路电流。,变压器差动保护与线路差动保护的原理相同但由于由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不相等，再加上变压器各侧电流的相位往往不相等。因此，为了保证纵差动保护的正确工作，须适当选择各侧电流互感器的变比，及各侧电流相位的补偿使得正常运行和

9、区外短路故障时，两侧二次电流相等 。,2、变压器纵差动保护的特点： 不平衡电流较大，引起不平衡电流的因素较多。将降低变压器内部短路时保护的灵敏度。归纳起来，产生不平衡电流的原因及相应措施主要有以下五种： 变压器两侧电流相位不同 通常采用相位补偿法接线且进行数值补偿。 电流互感器计算变比与实际变比不同 1）采用自耦变流器；2) 利用BCH型差动继电器中的平衡线圈 3）在变压器微机保护的软件中采用补偿系数使差动回路的不平衡电流为最小。4）在计算保护的动作值时应予以考虑，引入一个相对误差f。 变压器各侧电流互感器型号不同 在计算保护的动作值时应予以考虑，引入一个电流互感器的同型系数Ktx，取为1。

10、变压器带负荷调节分接头 在计算保护的动作值时应予以考虑，引入一个由变压器带负荷调压所引起的相对误差U，取电压调整范围的一半。 YN、D接线变压器 YN 侧外部接地故障而产生的不平衡电流变压器的励磁涌流,变压器星形侧电流互感器变比变压器三角形侧电流互感器变比,3、变压器的励磁涌流的特点及相应的保护措施1）变压器的励磁涌流的特点： 在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下，有可能产生很大的励磁电流，其数值可达额定电流的68倍。这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称为励磁涌流。该励磁涌流在数值上可与变压器内部故障时的短路电流相比拟，且只流过变压器的电源侧，因此，常常导致差动保护误动作，给变

11、压器差动保护的实现带来困难。励磁涌流具有如下特点： 具有很大的峰值；且含有大量的非周期分量，偏于时间轴的一侧。 含有大量的高次谐波，尤以二次谐波分量最为显著。 波形有间断角。,2）相应的保护措施：根据上述励磁涌流的特点，对于大容量变压器在构成变压器纵差动保护时，为防止出现励磁涌流时保护误动，可采取以下几种方法。 利用速饱和变流器BCH型差动继电器。 采用二次谐波制动原理构成变压器纵差动保护。 根据鉴别波形间断角的原理构成变压器纵联差动保护。,5、常见变压器差动保护原理（1）比率制动特性的差动保护 目前大容量发电机-变压器组都是采用比率制动特性的纵联差动保护。所谓比率制动特性就是指继电器的动作电

12、流随外部短路电流的增大而自动增大，而且动作电流的增大比不平衡电流的增大还要快。这样就可避免由于外部短路电流的增大而造成继电器误动作，同时对于内部短路故障又有较高的灵敏度。如图所示。,（2）二次谐波制动的变压器差动保护 不论双绕组或三绕组电力变压器的励磁涌流中，均含有较大成份的二次谐波分量，但在变压器内部故障或外部故障的短路电流中，二次谐波分量所占比例较小。因此，可利用上述特点构成二次谐波制动的差动保护，使之有效地躲过励磁涌流的影响。 如图所示，为二次谐波制动的变压器差动保护的一般性原理接线图。主要包括下面四个部分： 比率制动回路； 二次谐波制动回路； 差动回路； 执行回路。,（3）鉴别波形间断

13、角原理的差动保护 鉴别波形间断角原理的差动保护，是利用励磁涌流波形间存在较大间断角，而短路电流波形间无间断角的两种电流波形间的差别，区别出是涌流还是短路，从而躲过励磁涌流影响，并利用制动特性躲过不平衡电流影响而构成的变压器差动保护。保护动作条件：差动电压大于制动电压的时间足够长。,6、微机变压器纵差动保护（包括发变组、主变、厂变、励磁变、启备变） 变压器纵差保护，按比较变压器各侧同名相电流之间的大小及相位构成。以三卷变压器为例，其一相差动的交流接入回路示意图如下。变压器纵差保护由三个部分构成：差动元件、涌流判别元件及差动速断元件。,变压器纵差保护的逻辑框图下图表示“或门”制动原理纵差保护框图,

14、下图为分相制动原理纵差保护框图,（三）变压器相间短路的后备保护及过负荷保护1、变压器相间短路的后备保护 根据变压器容量的大小、地位及性能和系统短路电流的大小，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护或负序电流保护及低阻抗保护等。,1)过电流保护变压器过电流保护的单相原理接线如图9-20所示。保护装置的起动电流按躲过变压器的最大负荷电流整定。,2)低电压启动的过电流保护电流元件的起动电流就可以不再考虑可能出现的最大负荷电流，而是按躲过变压器的额定电流整定。低电压元件的起动电压应小于正常运行时最低工作电压，同时，外部故障切除后，电动机起动的过程中，

15、它必须返回。,低压过流保护发电机低压过流保护的输入量为机端TV二次相间电压（UAB、UBC、UCA）及发电机TA二次三相电流（IA、IB、IC）。当电压取自变压器Y0接线侧，变压器低压过流保护的输入量为二次三相电压（UA、UB、UC）及二次三相电流。当电压取自变压器接线侧，保护的输入量为二次相间电压（UAB、UBC、UCA）及二次三相电流。,3)复合电压启动的过电流保护若低电压启动的过电流保护的低电压继电器灵敏系数不满足要求时，为提高不对称短路时电压元件的灵敏度，可采用复合电压启动的过电流保护。其原理接线如图9-22所示。,复合电压过流保护保护的输入量同低压过流保护，保护的逻辑框图如下。,4）

16、负序方向过流保护负序方向过流保护，主要作为变压器相间短路的后备保护，并兼作相邻线路相间短路的后备保护。负序功率方向判据与负序过流判据共同构成负序方向过流保护。保护输入变压器引出端TA二次三相电流及同侧母线TV二次三相电压。大型发变组配置的负序方向过流保护，其负序过电流定值通常有二段，每段带二个延时（可以根据需要选择）。其逻辑框图如下图所示。,5）阻抗保护（包括发电机、变压器）当采用上述各种后备保护灵敏度不能满足要求时，必须采用低阻抗保护。用作后备保护的低阻抗保护一般由两段构成。第段的保护范围包括变压器受电侧的母线，第段的保护范围为变压器受电侧引出线的末端。保护的阻抗元件可以采用简单的全阻抗继电

17、器，或偏移阻抗继电器。接线方式为三相式，电压回路设有断线闭锁装置，但一般不装设振荡闭锁装置，而用延时躲过振荡。,阻抗保护（包括发电机、变压器） 发电机变压器低阻抗保护，主要作为发电机及变压器相间短路的后备保护，有时还兼作相邻设备（母线、线路等）相间短路的后备保护。 该保护主要由三个相间阻抗元件构成。阻抗元件的接入电压和接入电流，可以取自机端TV及TA的二次，也可以取自主变高压侧或中压侧TV及TA二次。 为提高阻抗保护动作的可靠性，设置有TV断线闭锁判据。此外，还设置有过电流和负序电流启动元件。阻抗保护最大选配为二段四延时。一般一段定值二延时的阻抗保护构成逻辑框图如下图。,图(a)阻护保护装在高

18、压侧，对高压母线故障灵敏系数最高，对线路保护的后备作用(不是主要的)也较好。但作发电机与变压器的后备作用较差。 图(b)阻抗保护装在发电机端，对发电机与变压器的后备保护作用最好，但对高压侧保护灵敏系数减小。 图(c)阻抗保护装在发电机中性点的电流互感器上，对变压器及高压侧母线的故障灵敏系数最差，但能作发电机的起动保护用。,对发电机变压器组双母线接线，双母线的母线差动保护接线较复杂，可靠性较低，退出跳闸的较多，且没有设双重化母线保护，故如果发电机变压器组的主保护均为双重化时，阻抗保护主要作为母线保护的后备，推荐装在高压侧，如图(a)。 对发电机变压器组，如高压侧为一个半断路器接线时，此时线路保护

19、及母线保护都多为双重化，保护比较完善，故阻抗保护可采用图(b)所示的接线。 如果运行单位要求用阻抗保护作为发电机的起动保护用，则建议采用图(c)所示的接线。如果封闭母线处无快速双重主保护时，则建议阻抗保护装在发电机端，如图(b)。,2、变压器过负荷保护变压器的过负荷电流在大多数情况下都是三相对称的，因此只需装设单相过负荷保护。变压器的过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流。保护只用一个电流继电器，接于任一相电流中，经延时动作于信号。过负荷保护的安装侧，应根据保护能反映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，

20、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，若三侧绕组的容量相等，只装于电源侧；若三侧绕组的容量不等，则装于电源侧及绕组容量较小侧。(6) 对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设。装于各侧的过负荷保护，均经过同一时间继电器作用于信号。,八.变压器零序电流保护,中性点接地的要求： 只有一台变压器的升压变电所，变压器采用中性点直接接地的运行方式。 有若干台变压器并列运行的变电所，则采用一部分变压器中性点接地运行的方式。 对于220KV及以上的大型变压器，高压绕组一般采用分级绝

21、缘： 绝缘水平低的中性点必须直接接地运行； 绝缘水平高的中性点可直接接地，也可在系统中不失去接地点的情况下不接地运行。,变压器零序保护的方式与变压器中性点的绝缘水平和接地方式有关，应分别予以考虑。（一）中性点直接接地变压器的零序电流保护 这种变压器接地短路的后备保护毫无例外地采用零序电流保护。一般配置两段式零序电流电流保护，每段还各带两级延时，如下图所示。,中性点直接接地变压器的零序电流保护 1、零序电流保护的配置,零序段：作为变压器及母线的接地故障后备保护，其动作电流和延时应与相邻元件单相接地保护段相配合,零序段：作为引出线接地故障的后备保护，其动作电流和延时应与附近元件接地后备段配合。,通

22、常t3应比相邻元件零序保护后备段大一个延时t ，以t4=t3+t延时动作于断开变压器QF。,图5.18 中性点直接接地运行变压器零序电流保护原理接线图,零序电流保护I段:作为变压器及母线的接地故障后备保护，其起动电流和延时t1应与相邻元件单相接地保护I段相配合，通常以较短延时t1=0.51.0S动作于母线解列；以较长的延时t2=t1+t有选择地动作于断开变压器高压侧断路器。零序电流保护II段:作为引出线接地故障的后备保护，其动作电流和延时t3应与相邻元件接地后备段相配合。通常t3应比相邻元件零序保护后备段最大延时大一个t，以断开母联断路器或分段断路器，t4=t3+t动作于断开变压器高压侧断路器

23、。,2、零序电流保护的整定计算 零序I段动作电流与相邻元件零序电流I段相配合,配合系数，取1.11.2,零序电流段的动作时限为,零序电流段的起动电流按与相邻元件零序后备保护动作电流配合整定，即,零序电流段的动作时限为,微机变压器零序电流保护（包括主变、厂变、备变）变压器零序电流保护，反映变压器Y0侧零序电流的大小，是变压器接地短路的后备保护，也兼作相邻设备接地短路的后备保护。保护的接入电流可取变压器中性点TA二次电流，或引出端TA二次零序电流，或由TA二次三相电流进行自产。当零序电流大于整定值时，经延时作用于信号及出口。零序电流保护最大选配为二段四延时，可通过下载方便选用。二段式变压器零序电流

24、保护的逻辑框图如下图所示。,（二）中性点可能接地或不接地运行时变压器的零序电流电压保护 为了使零序保护有稳定的保护范围和足够灵敏度，有时将部分变压器中性点接地运行。因此，这些变压器的中性点，有时接地运行，有时不接地运行。（1）全绝缘变压器由于变压器绕组各处的绝缘水平相同，因此，在系统发生接地故障时，允许后断开中性点不接地运行的变压器。图示出全绝缘变压器零序保护原理接线图。图中除装设与前面相同的零序电流保护外，还应装设零序电压保护作为变压器不接地运行时的保护。,零序电压元件的动作电压：应按躲过在部分接地的电网中发生接地短路时保护安装处可能出现的最大零序电压整定。,一般取t5=0.30.5s。,零

25、序电压元件的动作电压应按躲过在部分接地的电网中发生接地短路时保护安装处可能出现的最大零序电压整定。由于零序电压保护仅在系统中发生接地短路，且中性点接地的变压器已全部断开后才动作，因此保护的动作时限t5不需与其他保护的动作时限相配合，为避开电网单相接地短路时暂态过程影响，一般取t5=0.30.5s。,（2）分级绝缘变压器分级绝缘变压器中性点有较高绝缘水平时，其中性点可直接接地运行，也可在系统不失去中性点接地的情况下不接地运行。对于分级绝缘变压器且中性点可能接地或不接地运行的变压器，其中性点接地的形式可采用如图所示的形式。变压器高压侧中性点与地之间有接地刀闸QS、放电间隙或同时装设避雷器和放电间隙

26、。其保护除装设上述中性点经常接地运行的变压器零序电流保护外，还增设了一套反应间隙放电电流的零序电流保护和一套零序电压保护，作为变压器中性点不接地运行时的保护。其中零序电压保护作为间隙放电电流保护的后备。,（2）分级绝缘变压器 放电间隙的设置目的：是当发生冲击电压和工频过电压时，用它们来保护变压器中性点的绝缘。 零序电流电压保护：任务是及时切除变压器，防止间隙长时间放电，并作为放电间隙拒动的后备。 反应间隙放电电流的零序电流保护和一套零序电压保护：作为变压器中性点不接地运行时的保护。其中零序电压保护作为间隙放电电流保护的后备。,动作情况：首先切除中性点接地的变压器，然后根据故障实际情况再切除中性

27、点不接地变压器。,图5.20分级绝缘变压器零序保护原理接线图,延时0.30.5S,零序电压元件的起动电压，应低于变压器中性点工频耐受电压（1.8为暂态系数），即,取0.9,起动电压还应躲过电网存在中性点的情况下单相接地短路时的最大零序电压，即,在工程上,放电间隙零序电流保护的起动电流：根据间隙击穿电流的经验数据整定，一般一次值为100A。 注意： 放电间隙的击穿电压受众多因素的影响，可能动作特性不甚稳定，如果放电间隙拒动，变压器完全靠零序过电压保护，后者有0.5S左右延时，因此变压器中性点可能在0.5S期间承受内部过电压，对于间歇性弧光接地故障，此内部过电压值可达相电压的33.5倍，有可能损坏

28、变压器绝缘。 若变压器中性点只装避雷器，不装设放电间隙时，对于冲击过电压，用避雷器可保护变压器中性,点绝缘。但是，当单相接地且电网失去中性点接地时，在弧光接地或断路器非同期跳合闸等原因引起工频过电压作用下，避雷器放电后将不能灭弧以至自身难保，因而不能保证变压器中性点绝缘。此时，变压器零序保护的任务是设法防止电网失去接地的中性点，即当发生接地短路后，必须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。,微机变压器间隙零序保护变压器间隙零序保护用于保护变压器中性点绝缘，当变压器中性点不接地运行时投入。 保护反映变压器中性点间隙零序电流及大电流系统侧母线TV开口三角电压的大小。当间隙电

29、流或变压器系统侧母线TV开口三角电压超过整定值时，经延时动作，切除变压器。保护的接入电流为间隙零序TA二次电流，接入电压为系统母线TV二次开口三角电压，当变压器中性点不接地时自动投入运行。其逻辑框图如下图所示。,若变压器中性点只装避雷器，不装设放电间隙时，对于冲击过电压，用避雷器可保护变压器中性点绝缘。但是，当单相接地且电网失去中性点接地时，在弧光接地或断路器非同期跳合闸等原因引起工频过电压作用下，避雷器放电后将不能灭弧以至自身难保，因而不能保证变压器中性点绝缘。此时，变压器零序保护的任务是设法防止电网失去接地的中性点，即当发生接地短路后，必须先切除中性点不接地运行的变压器，后切除中性点接地运

30、行的变压器。,（五） 变压器过励磁保护对于某些大型变压器，当工作磁密达到额定值的1.31.4倍时，其励磁电流可达到变压器的额定电流。变压器过励磁会引起变压器严重过热。变压器的工作磁密B与电压频率比U/f成正比，电压的升高和频率的降低均可导致磁密的增大。下图则是以测量电压频率比U/f为依据的过励磁保护。,图5.21变压器过励磁保护原理图,微机过激磁保护（包括发电机、变压器） 发电机或变压器过激磁运行时，电流会很大，电流波形将发生严重畸变，漏磁大大增加，长时间运行损坏发电机或变压器。因此，对于大容量发电机及变压器，装设过激磁保护非常必要。 过激磁保护反映的是过激磁倍数，而过激磁倍数等于电压与频率之比。发电机或变压器的电压升高或频率降低，可能产生过激磁。 对于单元接线的发电机变压器，可只装一套过激磁保护，按发电机及变压器两者之中过激磁能力较低的进行整定。(一般装在变压器上） 微机保护装置所提供的过激磁保护由定时限段和反时限段组成。其动作特性如下图所示。通常，定时限用于发信号，或发信号并减励磁，反时限用于切除发电机或变压器。过激磁保护构成的逻辑框图如下图所示。,