第8章电力变压器的保护ppt课件.ppt

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1、第8章 电力变压器的保护,第一节 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 变压器的故障类型 变压器的不正常运行状态 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 第二节 变压器的纵差动保护 构成变压器纵差动保护的基本原则 变压器纵差动保护的特点 变压器纵差动保护的整定计算原则 第二节 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

2、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

3、 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

4、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 对于外部相间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、

5、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及以上的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

6、，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，应装设零序方向元件。 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

7、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 对双绕组和三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

8、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,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

9、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210。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

10、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-m。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+m，这样在经过半个周期以后，铁心中的磁通就达到2m。如果铁心中还有剩余磁m，则总磁通将为2m+r，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68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

11、的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质等都有关系。,图82 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。,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； 包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主； 波形之间出现间断，如图8-3所示，在一个周期中间断角为。,（2）在变压器纵差动保护中防止励磁涌流影响的方法： 采用具有速饱和铁心的差动继电器； 鉴别短路电流和励磁涌流

12、波形的差别； 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

13、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:,式中 nTA1和nTA2为适应 Y , d 接线的需要而采用的新变比。,图8-4Y,d11接线变压器的纵差动

14、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品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。,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

15、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,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。,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

16、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

17、的。因此，对由此而产生的不平衡电流，应在纵差动保护的整定值中予以考虑。,总括看来，上述2、3项不平衡电流可用适当地选择电流互感器二次线圈的接法和变比，以及采用平衡线圈的方法，使其降到最小。但1、4、5各项不平衡电流，实际上是不可能消除的。因此，变压器的纵差动保护必须躲开这些不平衡电流的影响。由于在满足选择性的同时，还要求保证内部故障时有足够的灵敏性，这就是构成变压器纵差动保护的主要困难。根据上述分析，在稳态情况下，为整定变压器纵差动保护所采用的最大不平衡电流Iub.max可由下式确定,式中 10%电流互感器容许的最大相对误差； Kss电流互感器的同型系数，取为l； U由带负荷调压所引起的相对误

18、差，如果电流互 感器二次电流在相当于被调节变压器额定抽头的情况下处于平衡时，则U等于电压调整范围的一半； fza由于所采用的互感器变比或平衡线圈的匝数与计算值不同时，所引起的相对误差； Ik.max/nTA保护范围外部最大短路电流归算到二次侧的数值。,1、纵差动保护起动电流的整定原则 (l）在正常运行情况下，为防止电流互感器二次回路断线时引起差动保护误动作，保护装置的起动电流应大于变压器的最大负荷电流IL.max。当负荷电流不能确定时，可采用变压器的额定电流IW.T，引入可靠系数Krel（一般采用1.3) ，则保护装置的起动电流为 (2）躲开保护范围外部短路时的最大不平衡电流，此时继电器的起动

19、电流应为 式中 Krel可靠系数，采用1.3； Iub.max保护外部短路时的最大不平衡电流。,8.2.3 变压器纵差动保护的整定计算原则,(3）无论按上述哪一个原则考虑变压器纵差动保护的起动电流，都还必须能够躲开变压器励磁涌流的影响。当变压器纵差动保护采用波形鉴别或二次谐波制动的原理构成时，它本身就具有躲开励磁涌流的性能，一般无须再另作考虑。而当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，虽然可以利用励磁涌流中的非周期分量使铁心饱和，来避越励磁涌流的影响，但根据运行经验，差动继电器的起动电流仍需整定为 时，才能躲开励磁涌流的影响。对于各种原理的差动保护，其躲开励磁涌流影响的性能，最后还应经过现场的空载

20、合闸试验加以检验。,式中 应采用保护范围内部故障时，流过继电器的最小短路电流。即采用在单侧电源供电时，系统在最小运行方式下，变压器发生短路时的最小短路电流，按照要求，灵敏系数一般不应低于2。当不能满足要求时，则需要采用具有制动特性的差动继电器。 必须指出，即使灵敏系数的校验能够满足要求，但对变压器内部的匝间短路，轻微故障等情况，纵差动保护往往也不能迅速而灵敏地动作。运行经验表明，在此情况下，常常都是瓦斯保护首先动作，然后待故障进一步发展，差动保护才动作。显然可见，差动保护的整定值越大，则对变压器内部故障的反应能力也就越低。,2、纵差动保护灵敏系数的校验 变压器纵差动保护的灵敏系数可按下式校验,

21、四、带有速饱和变流器的差动继电器,在差动回路中接入具有快速饱和特性的中间变流器TAM ，是防止暂态过程中不平衡电流（非周期分量）影响的有效方法之一，其原理接线如图8-6（ a ）所示。图8-6 中的曲线I 为它的磁化曲线，当其一次线圈中只流过周期分量电流时，如图8-6（b ）所示，电流沿曲线2 变化，铁心中的B 沿磁滞回线3 变化，此时B 的变比（ B ）很大，因此在二次线圈中感应的电动势也很大（正比于 B t ) ，故周期分量容易通过速饱和变流器而变换到二次侧，使继电器动作。当一次线圈中通过暂态不平衡电流时，由于它含有很大的非周期分量，电流曲线完全偏于时间轴的一侧，如图8-6(C)中曲线2

22、所示，因而使B 沿着局部磁滞回线3 变化。,图8一6 带有速饱和变流器的差动继电器 ( a ）原理接线图；( b ）通过周期分量电流；( c ）通过非周期分量电流,此时B的变化很小，因此，在二次侧感应的电动势也很小，故非周期分量不易通过速饱和变流器而变换到二次侧，此时继电器不动作。 应该指出，在被保护元件内部故障的暂态过程中，短路电流也包含有非周期分量，此时速饱和变流器也相应地暂时处于图8-6 ( C ）所示的状态之下，因此，继电器不能立即动作。需待非周期分量衰减以后，保护才能动作将故障切除。被保护的机组容量越大时，其一次回路的时间常数也越大，因而保护动作的时间就越长，这对尽快切除机组内部的故

23、障是十分不利的。,随着大容量机组和大型发电厂的出现，发电机一变压器组的接线方式在电力系统中获得了广泛的应用。在发电机和变压器每个元件上可能出现的故障和不正常运行状态，在发电机一变压器组上也都可能发生，因此，其继电保护装置应能反应发电机和变压器单独运行时所应该反应的那些故障和不正常运行状态。例如，在一般情况下，应装设纵差动保护、横差动保护、瓦斯保护、定子绕组单相接地保护、后备保护、过负荷保护以及励磁回路故障的保护等。但由于发电机和变压器的成组连接，相当于一个工作元件，因此，就能够把发电机和变压器中某些性能相同的保护合并成一个对全组公用的保护。,8.3 发电机变压器组继电保护的特点,电机变压器组纵

24、差动保护及发电机电压侧单相接地保护的特点： 1、发电机变压器组纵差动保护的特点 (l）当发电机和变压器之间无断路器时，容量在l00MW 及以下一般装设裕组共用的纵差动保护，如图8-6(a）所示。但对容量在100MW以上的发电机组，发电机应补充装设单独的纵差动保护，如图8-6(b）所示。对220300MW的发电机变压器组亦可在变压器上增设单独的纵联差动保护，即采用双重快速保护。 (2）当发电机与变压器之间有断路器时，发电机和变压器应分别装设纵差动保护，如图8-6（c）所示。 (3）当发电机与变压器之间有分支线时（如厂用电出线）应把分支线也包括在差动保护范围以内，其接线如图8-6(c) 所示。这时分支线上电流互感器的变比应与发电机回路的相同。,2、发电机电压侧单相接地保护的特点 对于发电机一变压器组，由于发电机与系统之间没有电的联系，因此，发电机定子接地保护就可以简化。对发电机变压器组，其发电机的中性点一般不接地或经消弧线圈接地。发生单相接地的接地电容电流（或补偿后的接地电流）通常小于表8-2的允许值，故接地保护可以采用零序电压保护，并作用于信号。对大容量的发电机也应装设保护范围为100的定子接地保护。,表8-2 发电机单相接地电流允许值,