變壓器的保護配置

1、電力變壓器的保護配置隨著企業(yè)的快速發(fā)展，供電可靠性的要求不斷提高，變壓器的安全運行更 是必不可少的條件。 而合理可靠的保護配置是變壓器安全運行的必備條件。 現(xiàn)代 生產(chǎn)的變壓器， 雖然在設(shè)計和材料方面有所改進， 結(jié)構(gòu)上比較可靠， 相對于輸電 線路和發(fā)電機來說， 變壓器故障機會也比較少， 但在實際運行中， 仍有可能發(fā)生 備種類型的故障和異常運行情況， 這會對供電可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴重 影響。為了滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面的要求， 當(dāng)變壓器發(fā)生故障時， 要求保護裝置 快速切除故障。第一章 電力變壓器的故障及不正常工作狀態(tài)（一）變壓器的故障變壓器的故障可以分為油箱外和油箱內(nèi)兩種故障。油箱外的故障，主

2、要是套 管和引出線上發(fā)生的相間短路和接地短路。油箱內(nèi)的故障包括繞組的相間短路、 接地短路、 匝間短路以及鐵芯的燒損等。 油箱內(nèi)故障時產(chǎn)生的電弧， 不僅會損壞 繞組的絕緣、 燒毀鐵芯，而且由于絕緣材料和變壓器油因受熱分解而產(chǎn)生大量氣 體，有可能引起變壓器油箱的爆炸。因此，當(dāng)變壓器發(fā)生各種故障時，保護裝置 應(yīng)能盡快的將變壓器切除。 實踐表明， 變壓器套管和引出線上的相間短路、 接地 短路、繞組的匝間短路是比較常見的故障形式， 而變壓器油箱內(nèi)發(fā)生相間短路的 情況比較少。（二）變壓器的不正常運行狀態(tài)變壓器的不正常運行狀態(tài)主要有變壓器外部短路和過負荷引起的過電流；中性點直接接地電力網(wǎng)中， 外部接地短路引

3、起的過電流及中性點過電壓； 風(fēng)扇故障 或漏油等原因引起冷卻能力的下降等。這些不正常運行狀態(tài)會使繞組和鐵芯過 熱。大容量變壓器在過電壓或低頻率等異常運行工況下會使變壓器過勵磁， 引起 鐵芯和其他金屬構(gòu)件過熱。 變壓器處于不正常運行狀態(tài)時， 繼電保護應(yīng)根據(jù)其嚴 重程度， 發(fā)出告警信號， 使運行人員及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施， 以確保變壓器 的安全。第二章 變壓器的保護配置電力變壓器油箱內(nèi)故障時， 除了變壓器各側(cè)電流、 電壓變化外， 油箱內(nèi)的油、 氣、溫度等非電量也會發(fā)生變化。 因此，變壓器的保護分電量保護和非電量保護 兩種。非電量保護裝設(shè)在變壓器內(nèi)部。線路保護中采用的許多保護如過流保護、 縱差動保護

4、等在變壓器的電量保護中都有應(yīng)用，但在配置上有區(qū)別。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，變壓器一般應(yīng)裝設(shè)下列保護：（一）瓦斯保護規(guī)程規(guī)定對于容量為800kV A及以上的油浸式變壓器和 400kVA及以上 的車間內(nèi)油浸式變壓器，應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護。瓦斯保護是反應(yīng)油浸式變壓器內(nèi)部故障的一種保護裝置。當(dāng)油浸式變壓器油 箱內(nèi)部發(fā)生故障時， 在故障電流和電弧的作用下， 變壓器油和其他絕緣材料會受 熱而分解，產(chǎn)生氣體，這些氣體從油箱流向油枕的上部，故障越嚴重，產(chǎn)生的氣 體就越多， 流向油枕的氣流速度也越快， 利用這種氣體來動作的保護裝置， 稱為 瓦斯保護瓦斯保護的主要元件是氣體繼電器，它安裝在油箱與油枕之間的連接管道 上。氣體繼電器

5、是變壓器的一種保護用組件， 當(dāng)變壓器內(nèi)部有故障， 而使油分解 產(chǎn)生氣體或造成油流沖擊時，繼電器的觸點動作，給出信號或者使斷路器跳閘， 使變壓器退出運行。為了不妨礙氣體的流通， 通往繼電器的連接管道應(yīng)有 2%4% 的坡度。以開口杯擋板式氣體繼電器為例：正常運行時，上、下開口杯都浸在油 中，上、下觸點均斷開。當(dāng)油箱內(nèi)部發(fā)生輕微故障時，少量的氣體上升后逐漸聚 集在繼電器的上部，迫使油面下降，使上開口杯漏出油面。由于浮力減少，在重 力作用下開口杯順時針方向轉(zhuǎn)動，使上觸點閉合發(fā)出“輕瓦斯”保護動作信號。 當(dāng)油箱內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時， 大量氣體和油流直接沖擊擋板， 使下開口杯順時針 方向轉(zhuǎn)動，帶動下觸點閉合

6、，發(fā)出跳閘脈沖，表示“重瓦斯”保護動作。當(dāng)變壓 器出現(xiàn)嚴重漏油而使油面逐漸降低時， 首先是上開口杯露出油面， 發(fā)出報警信號， 然后下開口杯露出油面， 發(fā)出跳閘脈沖。 上觸點表示“輕瓦斯動作”， 動作后經(jīng) 延時發(fā)出報警信號。 下觸點表示“重瓦斯動作”， 動作后啟動變壓器保護的總出 口繼電器，使斷路器跳閘。 當(dāng)油箱內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時， 由于油流的不穩(wěn)定性可 能造成觸點的抖動， 此時為使斷路器能可靠跳閘， 應(yīng)選用具有電流自保持線圈的 出口中間繼電器，動作后由斷路器的輔助觸點來解除出口回路的自保持。此外， 為防止變壓器換油或進行試驗時引起重瓦斯保護誤動作跳閘， 可利用切換片將跳 閘回路切換到信號回路。

7、瓦斯保護的主要優(yōu)點是動作迅速、靈敏度高、安裝接線簡單、能反應(yīng)油箱內(nèi) 部發(fā)生的各種故障（如繞組輕微的匝間短路、鐵芯燒損等） 。其缺點是不能反應(yīng) 油箱以外的套管及引出線等部位上發(fā)生的故障（如變壓器絕緣子閃絡(luò)等） 。因此 瓦斯保護可作為變壓器的主保護之一， 需要與縱聯(lián)差動保護相互配合、 相互補充，才能夠?qū)崿F(xiàn)快速而靈敏的切除變壓器油箱內(nèi)、外及引出線上發(fā)生的各種故障。（二）縱差動保護和電流速斷保護對于容量為6300kVA及以上的變壓器，以及發(fā)電廠廠用變壓器和并列運行 的變壓器，10000kV 及以上的發(fā)電廠廠用備用變壓器和單獨運行的變壓器， 應(yīng)裝設(shè)縱差動保護。對于容量為10000kV以下的變壓器，當(dāng)后備

8、保護的動作 時限大于0.5s時，應(yīng)裝設(shè)電流速斷保護。對 2000kV A以上的變壓器，當(dāng)電流 速斷保護的靈敏性不能滿足要求時，也應(yīng)裝設(shè)縱差動保護。1縱差動保護（1）縱差動保護基本原理縱差動保護，是由比較被保護元件兩側(cè)電流的大小和相位而構(gòu)成的。以圖1所示雙側(cè)電源供電的短線路為例，簡要說明縱差動保護的基本原理。設(shè)線路兩端裝設(shè)特性及變比完全相同的電流互感器，兩側(cè)電流互感器一次回路的正極性均放在母線的一側(cè)，將二次回路的同極性端子相連接后，在電流互感III圖1-1正常運行及外部短路圖1-2內(nèi)部短路器的二次端子上接入差動繼電器。II當(dāng)正常運行及保護范圍外部故障時（如圖1-1所示k1點短路），兩側(cè)電流互精選

9、感器一次側(cè)流過的兩個電流相等。即11 =1 。假定兩側(cè)電流互感器變比相同(均為kTA)，在忽略互感器的勵磁電流的理想情況下，二次側(cè)的兩個電流Il2和IlI2大小也相等，此時流入差動繼電器的電流為零，即1I k I I2 I II 2( I I I II )0kTA當(dāng)線路內(nèi)部故障時，如圖1-2所示k2點短路，流入繼電器的電流為IkI I2 I II 2I k2kTAQF式中：Ik2為短路點的總電流，當(dāng)Ik>Iop時，繼電器立即動作，跳開線路兩側(cè)斷路實際上，由于兩側(cè)電流互感器總會存在勵磁電流 Im，且勵磁特性不可能完全 相同，所以在正常運行及外部故障時，流過差動繼電器的電流不為零，而存在一

10、個不平衡電流Idsp。為了保證縱差動保護動作的選擇性，差動繼電器的動作電流 必須躲過外部短路時出現(xiàn)的最大不平衡電流。 不平衡電流的存在會使繼電器的動 作電流增大，降低內(nèi)部故障時縱差動保護的靈敏度，因此要盡量減小不平衡電流， 這是所有差動保護必須解決的問題。(2)變壓器的縱差動保護圖2為雙繞組變壓器的縱差動保護的原 理接線。由于變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的電流 Iii和Iiii是不相等的，為使變壓器正常運行及 外部故障時流入差動繼電器的兩個二次電流 Il2和IlI2的大小相等，必須適當(dāng)選擇兩側(cè)電流互感器的變比，使之滿足下列條件:I 11k|TAI II 1k|TAIII2式中kITA高壓側(cè)電流互感器的

11、變比;kIITA低壓側(cè)電流互感器的變比。設(shè)變壓器的變比為kT，則有.I II 1kuTAkTI I 1kITA可見，要使變壓器差動保護能正確動作，必須使兩側(cè)電流互感器變比的比值等于變壓器的變比kT。變壓器的縱差動保護同樣需要躲過在正常運行及外部短路時各種因素造成 的不平衡電流。包括變壓器勵磁涌流造成的不平衡電流、 變壓器兩側(cè)電流相位不同引起的不平衡電流、電流互感器變比標(biāo)準(zhǔn)化引起的不平衡電流、 兩側(cè)電流互感 器型號不同產(chǎn)生的不平衡電流、變壓器帶負荷調(diào)整分接頭產(chǎn)生的不平衡電流等。在電力系統(tǒng)中，縱差動保護主要用作變壓器內(nèi)部相間故障的主保護。2電流速斷保護對于容量較小的變壓器，可在電源側(cè)裝設(shè)電流速斷保

12、護。為保證選擇性，電流速斷保護只能保護變壓器的一部分，它與瓦斯保護和過電流保護配合，可以 組成小型變壓器的整組保護。當(dāng)變壓器電源側(cè)為小接地電流系統(tǒng)時， 保護可采用 兩相式接線；當(dāng)電源側(cè)為大接地電流系統(tǒng)時，可采用三相式或兩相三繼電器式接電流速斷保護的動作電流應(yīng)按以下兩個條件計算，并取其中的較大者作為動作電流的整定值。躲過變壓器二次側(cè)母線短路時的最大短路電流，即1 opKrellk.max式中Krel可靠系數(shù)，取1.21.3；lk3）變壓器二次側(cè)母線三相短路時，流過保護安裝處（一次側(cè)）的最大短路電流。躲過變壓器空載合閘時的最大勵磁涌流，即1 op （3 5） I nt式中Int 保護安裝側(cè)變壓器的

13、額定電流。電流速斷保護的靈敏度應(yīng)按下式校驗Ik2）iKk.min 2s可式中I Aax 保護安裝處發(fā)生短路時的最小兩相短路電流（三）外部相間短路和接地短路時的后備保護變壓器的主保護通常采用差動保護（小容量變壓器可采用電流速斷保護）和瓦斯保護。除了主保護外，變壓器還應(yīng)裝設(shè)相間短路和接地短路的后備保護。 后備保護的作用是為了防止由外部故障引起的變壓器繞組過電流，并作為相鄰元件（母線或線路）保護的后備以及在可能的條件下作為變壓器內(nèi)部故障時主保護 的后備。變壓器的相間短路后備保護通常采用過電流保護、 低電壓啟動的過電流 保護、復(fù)合電壓啟動的過電流保護以及負序過電流保護等， 也有采用阻抗保護作為后備保護

14、的情況。接地短路時的后備保護應(yīng)根據(jù)變壓器臺數(shù)及接地情況配置1變壓器相間短路的后備保護（1）過電流保護過電流保護應(yīng)裝在變壓器的電源側(cè)，采用完全星形接線。保護動作后，跳開 變壓器兩側(cè)斷路器。過電流保護裝置的動作電流應(yīng)按照躲開變壓器可能出現(xiàn)的最大負荷電流來 整定，具體問題作如下考慮：對并列運行的變壓器，應(yīng)考慮切除一臺時所出現(xiàn)的過負荷，當(dāng)各臺變壓器容量相同時，可按下式計算：opK relKre1 NT式中n并列運行變壓器的臺數(shù)；I NT每臺變壓器的額定電流對于降壓變壓器，應(yīng)考慮低壓側(cè)負荷電動機自啟動時的最大電流，即K rel K st |I opI NTK re式中Krel可靠系數(shù)，取1.21.3；K

15、re 返回系數(shù)，取0.85；Kst 自啟動系數(shù)，取1.525保護裝置的動作時限應(yīng)比出線過電流保護的動作時限大一個時限級差t保護裝置的靈敏度按下式計算：I巴Ks1 k.min1 op式中Ik2min 后備保護范圍末端兩相短路時，流過保護裝置的最小短路電流規(guī)程規(guī)定，作為近后備時，要求 Ks > 1.5 ;作為遠后備時，要求Ks > 1.2 若靈敏度不滿足要求，可采用低電壓啟動的過電流保護或復(fù)合電壓啟動的過電流 保護來提高保護的靈敏度。(2)低電壓啟動的過電流保護低電壓啟動的過電流保護，只有當(dāng)電流元件和電壓元件同時動作后，才能 啟動時間繼電器，經(jīng)過預(yù)定的延時后，啟動出口中間繼電器動作于跳

16、閘。當(dāng)采用低電壓啟動的過電流保護時，電流元件的動作電流按躲開變壓器的 額定電流整定，即lop JlNTK re低電壓元件的動作電壓，按正常運行情況下母線上可能出現(xiàn)的最低工作電壓來整定，同時，在外部故障切除后電動機自啟動的過程中，保護必須返回。根據(jù)運行經(jīng)驗，通常取op0.7UNT式中U nt變壓器的額定電壓低電壓元件靈敏度按下式校驗:KsUop1.2k.max式中，Uk.max最大運行方式下，相鄰元件末端三相短路時，保護安裝處的最 大線電壓。對升壓變壓器，如果低電壓元件只接于某一側(cè)的電壓互感器上，則當(dāng)另一 側(cè)故障時， 往往靈敏度不能滿足要求。 此時，可采用兩套低電壓元件分別接在變 壓器兩側(cè)的電壓

17、互感器上， 其觸點采用并聯(lián)方式。 為防止電壓互感器二次回路斷 線時低電壓繼電器誤動作， 在低電壓保護中應(yīng)裝設(shè)電壓回路斷線的信號裝置， 以 便及時發(fā)出信號，由運行人員處理。2 變壓器的接地保護大接地電流系統(tǒng)的電力變壓器，一般應(yīng)裝設(shè)接地保護，作為變壓器和相鄰 元件接地短路的后備保護。 系統(tǒng)發(fā)生接地短路時， 零序電流的大小和分布與系統(tǒng) 中變壓器中性點接地數(shù)目和位置有關(guān)。 對于只有一臺變壓器的變電所， 一般均采 用變壓器中性點直接接地運行方式。對于有兩臺及以上變壓器并列運行的變電 所，一般采用一部分變壓器中性點接地運行， 另一部分變壓器中性點不接地運行 的方式，以保持在各種運行方式下， 變壓器中性點接

18、地數(shù)目和位置應(yīng)盡量維持不 變，從而保證零序保護有穩(wěn)定的保護范圍和足夠的靈敏度。（1）只有一臺變壓器的變電所對只有一臺變壓器的變電所，通常裝設(shè)普通的零序過電流保護，保護接于 中性點引出線的電流互感器上。 保護動作電流與被保護側(cè)母線引出線零序電流保 護后備段在靈敏度上相配合的條件進行整定，即Iop.0 KrelKbI式中 Krel 可靠系數(shù)，取 1.11.2；Kb 零序電流分支系數(shù)，其值為出線零序電流保護后備段保護范圍末端接地短路時，流過本保護的零序電流與流過出線零序保護的零序電流之比;I op.0.L 出線零序電流保護后備段的動作電流。保護的靈敏度按零序電流后備保護范圍末端接地短路校驗，要求Ks

19、 > 1.2.保護的動作時限比出線零序電流保護后備段大一個t。（2）兩臺變壓器并列運行的變電所圖3變電所兩臺變壓器并列運行對兩臺變壓器并列運行的變電所，如圖 3 所示，一般采用一臺變壓器中性點接地運行（如 T1）,另一臺中性點不接地運行（如T2）。這時， 若在高壓系統(tǒng)發(fā)生接地短路，T1跳閘后，T2仍將帶故障運行，則將產(chǎn)生危險的過電壓，T2的絕緣將遭到損壞。因此，對部分變壓器中性 點接地運行的變電所，在構(gòu)成接地保護時，應(yīng)考慮一下兩個問題：a發(fā)生故障時，應(yīng)能切除所有與接地短路系統(tǒng)相連接的變壓器；b、接地故障發(fā)生后，應(yīng)首先跳開中性點不接地運行的變壓器，以防止過電 壓造成的危害，然后再跳開中性點

20、接地運行的變壓器。（四）過負荷保護變壓器長期過負荷運行時，繞組會因發(fā)熱而受到損傷。對400kV A以上的 變壓器，當(dāng)數(shù)臺并列運行，或單獨運行并作為其他負荷的備用電源時， 應(yīng)根據(jù)可 能過負荷的情況，裝設(shè)過負荷保護。變壓器的過負荷電流一般都是三相對稱的， 因此，過負荷保護只接于一相電流上，經(jīng)較長的延時作用于信號。對于無值班人 員的變電所，必要時過負荷保護可動作于自動減負荷或跳閘。 對自耦變壓器或多 繞組變壓器，過負荷保護應(yīng)能反映公共繞組及各側(cè)過負荷的情況。過負荷保護安裝側(cè)的選擇，應(yīng)能反映變壓器各繞組的過負荷情況。對雙繞組升壓變壓器，過負荷保護一般裝設(shè)在低壓側(cè)。對一側(cè)無電源的三繞組升壓變壓 器，應(yīng)裝在發(fā)電機側(cè)和無電源側(cè)；若三側(cè)都有電源時，各側(cè)均應(yīng)裝設(shè)過負荷保護。 對雙繞組降壓變壓器，過負荷保護一般裝在高壓側(cè)。對單電源的三繞組降壓變壓 器，若三繞組容量相同，過負荷保護僅裝在電源側(cè)