（电气工程专业论文）变压器综合自动保护的研究.pdf

a b s t r a c t t ob et h ec o r ec o m p o n e n to ft h ep o w e rs u p p l yn e t w o r k , t r a n s f o r m e r sp r o t e c t i o ni st h e k e ys t u d yt a r g e ta l lt h et i m e p e rm yl o n gt i m ew o r k i n ge x p e r i e n c ea n dr e l a t i v ea c c u m u l a t e d d a t a , i n f o r m a t i o n ，l e s s o n sa sw e l la st h ek n o w l e d g el e a r n e di ns c h o o l ，ip r e s e n tm yn e w i d e a s a n da p p l i c a t i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n b e g i n n i n gw i t ht h e i n t r o d u c t i o no ft h et r a n s f o r m e rs t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o n , t h i s d i s s e r t a t i o nh a si n t r o d u c e dt h ed e t a i ls t r u c t u r eo fd r yt y p ea n do i lf i l l e dt r a n s f o r m e ra n dt h e i r r e l a t i v eb u i l t i np r o t e c t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，w ec a l lf i n dt h a ta c t u a l l yt h eb u i l t i n p r o t e c t i o nf u n c t i o n sa r en o ts u f f i c i e n tf o rt r a n s f o r m e r sp r o t e c t i o n ； h e n c e ，i nt h ec h a p t e ri i i ，t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h eg e n e r a lp r o t e c t i o n sr e s to n b o mf i r s ta n ds e c o n ds i d eo ft r a n s f o r m e r f o ri n s t a n c e ：t h ed o u b l ec u r v ep r o t e c t i o na n dz o n e s e l e c t i v i t yp r o t e c t i o ne t c b e s i d e s ，i ta l s oi n t r o d u c e st h ea d v a n t a g e so f t h er o g o w s k ic o i la n d i t sb e n e f i to nt h ep r o t e c t i o n f i n a l l y , a tt h ee n do f t h i sc h a p t e r , a l lc o n c l u s i o ni ss u m m a r i z e dt o p r o v et h a ti t s h o u l du n i t et r a n s f o r m e r sb o t hs i d e sp r o t e c t i o nt oa c h i e v eab e t t e rp r o t e c t i o n o u t c o m e s i n c et h em i c r oe l e c t r o n i cc o m p o n e n t sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a ri nt h e s ed a y s a p p l i c a t i o n s ，h a r m o n i c c u r r e n t sd r a w b a c ko nn e t w o r ka n dt r a n s f o r m e r sp r o t r u d et h e n e c e s s i t yt or e d u c ei t sc o n t a i ni nn o w a d a y sn e t w o r k b e g i n n i n gw i t hh a r m o n i c sm a j o r p r i n c i p l e ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o m p a r e sd i f f e r e n tp r i n c i p l e sf o rh a r m o n i cr e d u c t i o na n df i n do u t t h e i rp r o sa n dc o n s t h r o u g ht h eo n s i t em e a s u r e m e n td a t a , w ec a ns e et h a t ，t h et r a n s f o r m e r c a r tw o r km u c hs a f e ri f t h eh a r m o n i cc a nb ef i l t e r e do u tf r o mt h en e t w o r ks y s t e m l a s tb u tn o tl e a s t ，t h r o u g hd o c w i ns o f t w a r e ，a s a m p l ea p p l i c a t i o n i ss i m u l a t e d t h r o u g ht h i ss o f t w a r e ，w ec a ns e ee a c hp o i n t sd a t ao ft h i sn e t w o r ka n dt h e i rc o o p e r a t e d p r o t e c t i o nf u n c t i o n s t h i ss i m u l a t i o nc a na l s or e f l e c tt h a tt h eu t i l i z a t i o no fa b o v ep r o t e c t i o n c a np r o v i d eab e t t e ra n dm o r ec o s te f f e c t i v es o l u t i o nf o rt r a n s f o r m e r s k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n ；h a r m o n i c ；d o u b l ec u r v ep r o t e c t i o n ；z o n es e l e c t i v i t y p r o t e c t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：森钒 日期：2 b 年月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 翻；保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：南r、 日期：怠一呼，。一i 。且 指导教师签名：乡两向百日期：如“争卜尉r h 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济的迅速发展，电力应用越来越广泛，用电量也越来越大，无论城市高 楼大厦，工厂产品生产，还是乡村农业粮食生产都离不开电。我国低压用电设备的额定 电压为4 0 0 2 3 0 v ，该电压的取得离不开电力变压器。 根据建筑配电设计实际工作中的经验，单台入网变压器的容量受到限制。低压为 0 4 k v 变电所中单台变压器的容量不宜大于1 0 0 0 k v a 。当用电设备容量较大、负荷集中 且运行合理时，可选用较大容量的变压器。但地方供电局根据实际情况，还有进一步的 规定。如广州地区，2 0 0 0 k v a 及以上变压器需要供电部门特批。而在实际应用中，现代 都市中高层楼宇的配电容量基本可达到5 0 0 0 k v a 或以上。因此，在一个配电应用项目 中往往需要多台变压器供电。而为保障高层楼宇的电梯、生活水泵、消防等重要负荷连 续可靠运行，电网中的变压器在设计寿命内稳定安全运行则尤为重要。 对变压器保护的研究，虽然由来已久，但是随着对变压器运行质量要求的不断提高 及低压电网中影响电网质量及变压器的各类负荷的不断增多，因此对变压器的保护提出 了新的要求。 1 2 变压器保护的技术背景 本文对变压器保护的讨论，主要集中在变压器内部的保护及对变压器进行的电气保 护两方面。 变压器内部的保护由于发展多年，故已经较为成熟。其主要是通过温度、气压变化、 油量变化等手段，通过机械传动方式或电信号传输方式进行保护。 而对变压器的电气保护，主要经历了两个阶段。第一个阶段，是通过纯物理感应与 机械动作配合来实现保护。比如开关的过载保护，通过传输电流的大小来引起开关内置 的双金属片的弯曲。当电流超过预设值时，相应的双金属片的弯曲程度也会变大并推动 脱扣机构脱扣。该类保护手段成本相对较低，但是保护精度由于受到双金属片本身的加 工精度及保护机构内部各机构的影响，因此较粗糙，而且保护门限值的精度漂移范围较 大，一般可达到垃o 。 第二个阶段是随着计算机及微电子技术的快速发展所出现的电子式保护装置。通过 各种探测器所采集的信号，带有中央处理器的可编程装置可以在毫秒级的时间内判断出 被测量的大小及故障性质并驱动执行单元动作。该种形式的保护具有以下的优点： 华南理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 保护精度高：通过对采集信号的直接分析计算及高速d s p 的应用，相应的保 护门限值精度可缩小到l o 以内； ( 2 ) 灵敏度高：比如要达到对变压器2 3 倍额定电流的速断保护，只能通过电子 保护装置与高灵敏度的线圈配合才可以实现。 ( 3 ) 可编程性：客户可以根据需要直接在现场对保护装置进行调整，避免了对保 护装置的物理性更换： ( 4 ) 具有内部运算及延伸探测功能：电子式保护装置可以依据自身采集到的电物 理量( 电流、电压、频率等) 进行内部计算，并得出一些延伸技术参数，如有功、无功、 视在、谐波等等； ( 5 ) 通用性强：往往内部通过程序参数的选择，一个规格的电子保护装置可以同 时适应多种应用场合； ( 6 ) 具有总线接入技术：现代电子保护装置往往都具有带通讯功能的选择。通过 各种总线协议( m o d b u s ，p r o f i t b u s ，c a n ，b l u e t o o t h 等) ，电子保护装置可 以将其探测到的各项数据上传到中央控制系统，同时也可从中央控制系统接收动作指令 或者整定保护参数值。 1 3 变压器保护相关i e c 标准 变压器保护相关i e c 标准如表i i 。 表1 - 1 相关i e c 标准列表 标准编号年份题目 i e c6 0 0 3 81 9 8 3i e c 标准电压 低压系统设备绝缘配合一第一部： i e c6 0 6 6 4 12 0 0 0 原理，要求和测试 短路电流一后效计算一第一章：定 i e c6 0 8 6 5 11 9 9 3 义与计算方法 i e c6 0 0 7 6 - l2 0 0 0 电力变压器一第一部：概要 i e c6 0 0 7 6 - 21 9 9 3 电力变压器一第二部：温升 电力变压器一第三部：绝缘水平， i e c6 0 0 7 6 32 0 0 0 绝缘体测试以及外部空气隔离范围 电力变压器一第五部：短路 i e c6 0 0 7 6 5 2 0 0 0 耐受能力 i e c 厂r r6 0 6 1 61 9 7 8 电力变压器端子及出线记录 根据i e c 6 0 0 7 6 - - 1 标准之规定，本文讨论的变压器及相关保护和工作环境为普通工 作，即： 2 第一章绪论 a ) 海拔高度不超过1 0 0 0 m ； b ) 环境温度介于- 2 5 0 c 与4 0 0 c 间； c ) 其它环境因素包括环境污染，防地震等因素； 1 4 低压侧对变压器保护的贡献 对变压器一次侧保护，由于涉及比较多的因素，所以情况相对复杂。下表是针对全 国主干电网元件保护( 包括i o o m w 及以上发电机保护、2 2 0 k v 及以上变压器保护、母线 保护、高压电抗器保护) 所做的调查表，其总共动作5 0 3 5 次。而变压器保护动作1 0 7 9 次中，有2 6 1 次误动及4 次拒动。分别占变压器动作的2 4 2 ，0 3 7 。 表1 21 9 9 9 - - 2 0 0 3 年全国电网元件保护动作情况统计分析表 发电机保护变压器保护 母线保护电抗器保护共计 动作总次数 3 5 5 2 i 1 0 7 9 。 3 8 22 25 0 3 5 正确动作次数 3 4 6 5。8 1 43 2 464 6 0 9 1 不正确 误动8 6 ， 2 6 14 81 64 l l 动作次数 拒动 l41 01 5 正确动作率( ) 9 7 5 5。7 5 4 48 4 8 22 7 2 79 1 5 4 除了主干变压器保护动作机会少的原因，从上表可以看出变压器一次侧保护的保护 元件的设计、实现和验证上仍然有一些缺陷，并直接影响了保护在各种故障状态下的动 作行为。虽然主设备( 变压器等) 的保护在设计原则上是“宁误动，不拒动”，但对于变 压器保护，在不影响电网安全稳定运行的前提下，还要尽量避免高灵敏度而带来的误动 发生。从而减少不必要的生产停顿和用户损失。 对于1 0 k v o 4 k v 变压器，其原边侧保护在功能上相对主干变压器要简单，探测精 度等都相对较低，因此其误动或拒动的可能性更大。但是根据变压器发生故障的可能性 来看，其附边侧的保护虽然面对出线母排及用电设备，但是由于发生故障的几率较大， 其准确合理的保护动作也在很大程度上可以让变压器避免受到大电流冲击所引起的内 部结构及组件的寿命损失。同时也可减轻甚至避免变压器一次侧保护动作所引起的变压 器停运。 考虑到建筑成本，及相关标准的规定，许多工程会将高( 1 0 k v ) 、低( o 4 k v ) 压配 电装置及非油浸电力变压器布置在同一个地下配电室内。再考虑到铠装集柬母排的应 3 华南理工大学硕士学位论文 用，从高压开关经变压器到低压开关这段距离内发生电流故障的可能性大大减少。因此， 由低压开关切断配电室以外之故障从而保护母排及变压器往往更有实际意义。 1 5 本文的主要工作 传统对变压器的保护，一般从变压器原边的电气保护及内部保护方面入手讨论。比 如带二次谐波差动闭锁的差动保护、内部的瓦斯保护等。 但是尽量减少并避免负载侧的电气故障，及改善电网质量的角度出发，同样也可以 接近甚至达到改善变压器的运行环境，延长变压器大修时间间隔以及延长其工作寿命的 目的。 本文结合作者在多年工程实际中的观察及应用经验，将以分析现代变压器结构入 手，通过跟踪有关变压器二次侧有关线路保护及电网质量改善的新技术，新应用，总结 出有关变压器保护的一些新的想法。 作者在文章中，将从工程应用的角度介绍并分析如何使用新式的保护手段实现对变 压器附边侧之保护以及通过减少电网谐波大小来改善变压器运行质量。并通过在工程上 实际测量之数据，证明相关推测的可行性及有效性。最后通过软件仿真的方法，计算一 个工程应用案例中各点故障电流大小及保护参数配置。 4 第二章现代变压器的主要结构及内部故障诊断 第二章现代变压器的主要结构及内部故障诊断 变压器做为现代电网中的主要供电部件，人们在其结构、能耗、尺寸等方面的改善 倾注了大量的资源和精力。 2 1 变压器结构简析 变压器是变换交流电压、电流的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯( 或磁 芯) 中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压( 或电流) 。 变压器由铁芯( 或磁芯) 和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源 的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 一、变压器的分类 按冷却方式分类：干式( 自冷) 变压器、油浸( 自冷) 变压器、氟化物( 蒸发冷却) 变压器等。 按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。 按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器( 插片铁芯、c 型铁芯、铁氧体铁芯) 、壳式 变压器( 插片铁芯、c 型铁芯、铁氧体铁芯) 、环型变压器、金属箔变压器。 按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。 按用途分类：电力变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、 脉冲变压器。 二、电力变压器的特性参数 a ) 工作频率 变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工 作频率。我国电力变压器的工作频率为5 0 h z 。 m 额定功率 在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。 额定电压 指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。 d 1 电压比 指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。 e ) 空载电流 变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由 5 华南理工大学硕士学位论文 磁化电流( 产生磁通) 和铁损电流( 由铁芯损耗引起) 组成。对于5 0 h z 电源变压器而 言，空载电流基本上等于磁化电流。 0 空载损耗： 指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电 流在初级线圈铜阻上产生的损耗( 铜损) ，这部分损耗很小。 g ) 效率 指次级功率p 2 与初级功率p l 比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就 愈高。 h 1 绝缘电阻 表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用 的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。 三、变压器的工作原理 次。 铡u 擞 毪榭 图2 1 变压器工作原理 变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原 理( 如图2 - 1 ) ：当一次侧绕组上加上电压d 。时，流过电流五，在铁芯中就产生交变磁 通l ，这些磁通称为主磁通，在它作用下，一、二次侧绕组分别感应电势宣和应：，感 应电势公式为：e = 4 4 4 口忱 式中：e 感应电势有效值 厂一频率 匝数 九主磁通最大值 由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势有效值应，和应，大小也不同，当略去 内阻抗压降后，一、二次侧电压口和d ：大小也就不同。 6 第二章现代变压器的主要结构及内部故障诊断 当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过产生主磁通的电流( 厶) ，这个电流称为激 磁电流。当二次侧加负载流过负载电流，时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通， 但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流 厶，一部分为用来平衡j ：，所以这部分电流随着j ：变化而变化。当电流乘以匝数时，就 是磁势。 上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、 二次侧的能量传递。 四、常用三相变压器的连接方法及特点： 对于三相变压器而言，一次绕组和二次绕组可接成星形，也可接成三角形。星形连 接是三相绕组中有一个同名端相互连在一个公共点( 中性点) 上，其它三个同名端接电 源或负载；三角形连接是三个绕组相邻相的异名端( 绕组的首尾端) 串接成一个闭合回 路，在每两相连接点上引出三根线端，接电源或负载。 y y n 0 接线变压器： n 图2 2y y n 0 接线变压器绕组连接及电压矢量图 y y n o 接线变压器绕组连接及电压矢量图如图2 2 所示。该种连线的变压器绕组填 充系数大，机械强度高，绝缘用量少，一次绕组或二次绕组的相间承受的是相电压。可 以实现t n c 、t n s 、t n c s 接地制式的供电。常用于小容量三柱式铁心的小型变压器 上。但有三次谐波磁通，将在金属结构件中引起涡流损耗。 d y n l1 接线变压器： 7 u l 协 华南理工大学硕士学位论文 n 图2 3d y n l l 接线变压器绕组连接及电压矢量图 d y n l l 接线变压器绕组连接及电压矢量图如图2 3 所示。该种连线的变压器一次侧 采用三角形接线，可适应二次侧不平衡负载，避免二次测中性点漂移造成的电压波动， 对于大功率晶闸管整流电路有消除三次谐波、五次谐波的作用，所以该接线方式也适合 于整流变压器。该接线变压器一次侧绕组相间承受线电压，一次绕组绝缘水平高，造价 相应增高，适用于t n c 、t n s 、t n c s 接地制式的城市电网电力变压器。 2 2 现代油浸变压器的结构及其自带保护 油浸式变压器在我国有着久远的运行历史，结构已经比较成熟。具有以下特点： ( 1 ) 可于室外露天安装； ( 2 ) 室内安装需要建有单独的变压器室； ( 3 ) 经常有漏油现象，变压器油易燃、易受潮。要定期对变压器进行耐压试验。 ( 4 ) 变压器价格低廉、经久耐用，一、二次绕组断路、短路后，可以吊心拆除原 来绕组重绕后继续使用。 ( 5 ) 寿命期长，寿命期后回收方便，没有污染。 ( 6 ) 试验复杂，如吊心检查、分接开关直流电阻测定，必须由专业人员操作； ( 7 ) 运行中要经常接收巡检。 油浸变压器的主要结构包括绕组、铁，t l , 、油箱、油枕、呼吸器、绝缘套管、分接开 关、内部保护装置、放油截门、小车等。 以下列举几种常用油浸变压器内部保护装置： ( 1 ) 变压器内温度探测孔：可以安装就地目测用水银温度计或者带远程信号输出 干触点的温度探测器，如图2 - 4 所示。 8 第二章现代变压器的主要结构及内部故障诊断 编号描述 l外壳 2 前盖 3 连接线 4 探头 5 铭牌 6 电缆密封套管 7 温度设定旋钮 8 极限指针 9 呼吸装置 图2 4 带远程信号输出干触点的温度传感器 ( 2 ) 过压安全阀( 防爆管) ：由于油浸变压器内部充满冷却液体，因此必须设立过 压安全阀用于泄除由于异常引起的内部过大的压力。其一般动作门限值为 o 0 3 0 0 0 3 5 m p a ，如图2 5 所示。 图2 5 过压安全阀 ( 3 ) 在带有油枕及呼吸器的变压器中安装的油气触发继电器( 瓦斯保护继电器) ： 该继电器一般配有浮子及输出触点。通过导管连接箱体油池。当发现气体聚集时可以发 出报警信号，而一旦发现漏油则会输出信号使变压器高压侧保护装置跳闸，如图2 - 6 所示。 9 华南理工大学硕士学位论文 编号描述 1 2 跳闸信号输出端子 3 - 4 报警信号输出端子 5 接地端子 6 呼吸器 7 空气测试阀 8 报警及跳闸机械测试按钮 9 电缆密封套管p g l 6 1 0 泄油塞 l l 塞p g1 6 图2 - 6 油气触发继电器 ( 4 ) 全密封油浸变压器内置保护继电器：具有探测及保护多项功能。可以探测包 括泄漏气体及少量的油泄漏；过压或漏油探测，范围可达1 0 0 - - 5 0 0 m b a r ；油温升探测 探测，探测范围可达3 0 1 2 0 0 c + - 3 0 c ；油温显示，范围可达到3 0 1 2 0 0 c - + 5 0 c 。 ( 5 ) 压力突变继电器：一般用于5 0 0 0 k v a 及以上变压器。具有气体和液体感应类 型。通过感应变压器内部液体或气体的压力瞬间变化( 比如液体：1 7 2 k p a s 或气体 3 4 5 k p a s ) 对变压器内部的突发事故作出反应。这些突发事故一般包括：变压器内部短 路、对地短路、绕组间短路等造成的绝缘液体蒸发。此外，由于压力突变继电器内部设 计有压力平衡装置，因此对于渐变压力变化不敏感。 2 3 现代干式变压器的结构及其自带保护 随着城市规模的迅速发展，高层建筑大量出现，人口密度增加，城市用电量的大幅 度增长。为了减少电能损耗，供电设备的设置越来越靠近人口密集的区域。世界各国政 府对人类生活环境日益重视，因此，对电气产品的安全性、环境性要求越来越高。油浸 式配电变压器一般填充有有机合成液体，因此较难满足防火等环境要求。而硅油等其它 绝缘介质也会对环境造成污染。因此，6 0 年代初开发出了干式变压器。 干式变压器由早期环氧树脂浇注绝缘发展到现在利用芳香聚酰胺绝缘材料，已经具 备有以下特点： ( 1 ) 占地面积小，不必单独建造变压器室。 ( 2 ) 运行维修量小。 ( 3 ) 具有难燃、防尘、耐潮的特点，适合于安装负荷中心，对系统经济运行、节 电起到了一定作用。 1 0 第二章现代变压器的主要结构及内部故障诊断 ( 4 ) 损耗小、噪声小。 ( 5 ) 绝缘性能高，局部放电量小，耐雷电冲击力强。 ( 6 ) 机械强度高，抗温度变化、湿度变化、抗短路能力强。 ( 7 ) 价格昂贵。 ( 8 ) 寿命期后不易回收。 对干式变压器的内部保护主要是通过缜密的结构设计及对变压器运行时随时的温 度监控来实现。其保护手段相对油浸变压器要简单许多。 ( 1 ) 内部结构设计：通过绕组的模块化设计，即多间隔支撑将高低压绕组紧固起 来，从而可以避免任何由于短路电流引起的轴向或横向位移。另外，干式变压器外壳通 常密封在玻璃纤维加固的环氧树脂绝缘材料中，因此可以有效抵抗外部机械、化学及潮 湿的影响。 ( 2 ) 温度保护：一般新一代干式变压器可工作于环境温度5 5 0 c 。当温度超过时， 环境温度每升高1 0 0 c ，负载必须减少7 。同时变压器也可通过相关的温度监测继电器 进行过温保护。图2 7 是线路样图： 戳一瓣一静。一 留掣鬻 图2 7 两级温度过载探测保护器 该装置通过三组p t l 0 0 温度传感器探测普通三相变压器的三相绕组。当发现温度达 到预设值时，它可以通过本体触点指挥打开附加散热装置甚至直到指挥开关脱扣跳闸。 此外，通过变压器安装之轴流风机可以强迫变压器散热，可以使变压器额定输出增 加4 0 。 2 4 现代低压( 0 4 k v ) 电网对变压器的主要挑战 现代低压电网，特别是o 4 k v 电网对变压器供电提出了新的挑战。 首先，由于各种大用电量设备的使用，电网容量越来越大。同时，由于考虑建设成 本，变压器离用电设备的距离也越来越靠近，造成变压器负载侧可能发生的相间短路电 流越来越大。因此对变压器造成的冲击也越来越大。 营 华南理工大学硕士学位论文 其次，各种整流及电子设备的应用，也造成了电流波形畸变，并引发变压器电流、 温度过载，噪音上升，缩短变压器寿命。 此外，由于雷电、操作过电压或异物掉落造成的闪络由于故障电流较小，不易引起 系统保护的及时动作，往往会造成故障事态蔓延，引发系统崩溃，造成变压器损坏。 以上各种因素，皆对变压器的保护提出了新的要求。变压器内置的保护功能，由于 是通过探测变压器内部的物理变化才能做出反应，因此无法及时准确的判明变压器外部 的故障点及故障种类，更无法及时切除故障。因此变压器仍然会受到外部故障的影响， 工作寿命也同时不可避免地降低。此外，变压器内部保护动作还会造成故障影响面扩 大，因此我们有必要探讨从变压器外侧对变压器进行保护。而变压器内部保护，只能视 为对于故障的最后切除手段，是一种后备保护功能。 2 5 本章小结 本章通过对两种主要变压器结构及其内部保护的介绍，阐明了变压器综合保护中变 压器内部保护的种类。通过该论述我们可以看到，变压器的内部保护主要是面向变压器 内部物理参数出现异常的保护，而其对引起该物理参数变化的原因并不能作出准确判 断，更不能作出预先反应。因此其只能作为对变压器进行保护的后备手段，其一旦动作， 将引起大面积的系统停运。所造成损失将不仅仅局限于变压器本身。 1 2 第三章变压器( 1 0 k v o 4 k v ) 二次侧故障分析及保护 第三章变压器( 1 0 k v o 4 k v ) 二次侧故障分析及保护 本章主要通过对变压器二次侧故障的分析及其多种先进保护的介绍，阐述对变压器 二次测进行保护的优点。 3 1 变压器一次侧各类主要保护类型 一般情况下，为配电网络里的元件提供保护装置是为了： a ) 将配电系统里的故障元件及时从网络里隔离出来，从而保障系统能够继续运行； b ) 将损坏局限于故障元件内部； c ) 减少火灾的可能性； d ) 减少故障或者灾难波及到旁边其它装置的可能性； 在对系统元件进行保护中，特别是高压输电线路，局限系统的损坏其实成为保护继 电器对系统保护的辅产品。这是因为在系统中对一台损坏的变压器的维修费用通常是相 当高的，而快速高灵敏度的保护装置可以减少损坏的可能，从而减少甚至避免维修费用， 因此在系统中选用的保护继电器其实也可被视为对变压器进行保护的装置。 变压器内部故障通常会导致内部故障电流的产生。如果参照变压器的额定电流，该 故障电流的幅值相对较小。这要求保护继电器具有更高的灵敏度。 在变压器保护的方案中，并没有一个标准的保护形式。即便是对相同的变压器，在 不同的应用中，其保护方式也是有区别的。大部分的项目需要独立的设计及计算以达到 最优的费效比。通常，对于任何一个项目都有多种备选方案，这些方案往往可以提供不 同的灵敏度、动作速度以及选择性。选择哪种往往基于经济投入及这些因素之间的最好 平衡组合。考虑的因素包括： a ) 修复损坏的费用； b ) 修复损坏期间生产上的损失； c ) 对系统造成的不平衡影响； d ) 事故的扩大； e ) 损坏设备的停止工作时间； 对变压器的保护中，也需要考虑到后备保护手段。当变压器发生故障时，如果保护 继电器或断路器无法正常动作，则会造成变压器受故障影响而损坏甚至彻底报废。一般 情况下，变压器的后备保护是通过线路保护继电器或者其它保护继电器的动作来进行保 护的。 1 3 华南理工大学硕士学位论文 对变压器保护的继电器中，许多都是通过探测电流进行保护的。而以下两个因素则 可能导致变压器内部故障保护的复杂化： a ) 变压器内部有限绕组短路时，反应到变压器端子上电流大小的变化可能很小；这 可称为“最小内部故障”。该种故障往往是从某一段线圈损坏开始。其反映到变压器线圈 上的电流变化远比满载电流小。比如，当变压器线圈的1 0 发生内部短路时，其故障电 流大小一般等于满载时流过变压器端子的电流。因此，单一段的线圈与线圈间的短路故 障电流往往无法从正常电流中区分开来。 b ) 当变压器空载投入时，励磁涌流的大小可以达到变压器额定电流的6 8 倍。这 些，都要求对保护对象的认真分析及比照选择保护装置的的特性； 变压器一次侧的保护手段有多种形式，一般包括熔断器保护、差动保护、过流继电 器保护、接地故障保护、后备及对外部故障的保护等： ( 一) 熔断器保护：熔断器保护具有经济及免维护的特性。同时也不需辅助装置， 比如电池组及各种探测及保护继电器。熔断器可以为一部分变压器提供可靠的针对一次 侧及二次侧外部故障的保护。同时也可提供有限的内部故障保护。通常，对于1 0 m v a 及以上变压器需要更灵敏的针对内部故障的保护。变压器一次侧熔断器一般不针对过载 故障进行保护。需要注意的是，单相熔断器熔断并不能使系统回路中断供电。剩余两相 供电会对系统中的运行设备造成损坏。因此，还需要安装特殊的探测设备以便在缺相供 电时发出报警信号，使系统作出适当反应。相关熔断器保护需要考虑的因素包括： a ) 熔断器的故障分断能力及被保护系统的故障电流的大小； b ) 最大预期短路电流，每日峰值负载电流，紧急情况下投入的峰值负载电流，最 大允许变压器负载电流等； c ) 热态合闸和冷态合闸： d ) 已有的变压器一次侧故障电流及变压器电阻； e ) 与变压器一次侧保护设备的配合； 0 与变压器二次侧保护设备的配合； g ) 变压器二次侧最大允许故障时间； h ) 变压器连接及接地方式； i ) 对于在高阻抗情况下的保护灵敏度； j ) 变压器励磁涌流： k ) 根据厂家发表的时间电流特性曲线，环境温度，及每天紧急负载最高峰值列表等。 1 4 第三章变压器( 1 0 k v 0 4 k v ) 二次侧故障分析及保护 ( 二) 差动保护：对于1 0 m v a 及以上三相自冷却变压器，差动保护是比较常见的 保护方式。该差动保护继电器具有三种通用形式： a ) 时间过电流继电器，该继电器可根据需要包括大电流瞬动跳闸功能； b ) 带有输入、输出电流限制跳闸功能的百分比差动继电器； 带有单次或多次谐波及输入、输出电流限制跳闸功能的百分比差动继电器； 在差动保护中，不管外部故障的形式及发生位置，电流互感器( c t ) 的连接方式及 变比必须保证其对继电器动作线圈输出的电流必须等于零。图3 - 1 是一个典型的一y 连接变压器的连接线路图： q ( j ： 豢瓣缱誓- 一一劫律娩_ ! 卜豢雠誓 ! 卜劫律娩_ 图3 1 一y 连接变压器的连接线路图 从图3 - 1 中可看到，变压器差动保护是靠各侧c t 二次电流和差流工作的， 根据变压器一次及二次接线的不同，c t 的连接方式作出相应调整以补偿变压器一次及 二次间存在之相位差。如图3 - 1 中，变压器一次采用接法，相应的，电流互感器需采 1 5 华南理工大学硕士学位论文 用星型接法。二次测亦相类似。 差动保护很少使用没有限制功能的过电流继电器。因为该类继电器的抗干扰能力较 差。其中包括： a ) c t 的饱和误差或匹配误差； b ) 变压器投入使用时的励磁涌流； 为了能够补偿c t 的饱和或匹配误差，过流继电器必须设置大于预期最大电流值。 而相应地，也需要设定时间延迟以便补偿励磁涌流。 差动保护中，比较常用的是百分比过流继电器。该种继电器可以在低电流场合下保 持较高的差动保护灵敏度，而在电流很大的情况下避免匹配误差所引起的误动作。百分 比差动保护继电器是通过探测流过被保护区两端电流大小差异进行保护的。当差异达到 预设动作值时，继电器动作。 但是，由于变压器两端电压的差异，其电流大小必然存在差异。同时，由于c t 需 要按照一定方式连接以补偿变压器一次侧及辅边的相位角差异，因此必然造成电流大小 相较于真实值的差异。变压器的调压开关及不同电压等级应用下c t 性能的差异亦造成 差动保护中的匹配误差问题。因此，对于1 0 k v 0 4 k v 变压器在使用差动保护时，其成 本对比于保护效果远远低于更高电压等级的变压器的应用。因此在该等级变压器的一般 应用中，用户较少使用差动保护。 ( 三) 过流保护继电器：变压器外部的故障电流如果无法立即被发现并切除，会导 致变压器内部过热及损坏。过电流保护继电器与前述熔断器一样可以提供保护作用。同 时，对于较小的变压器，过电流保护继电器也可以提供变压器内部故障的保护；而对于 大型变压器，过流保护继电器亦可视为差动保护或压力继电器的后备保护方式。 过流保护继电器的门限值必须设定足够高以便充分利用变压器的过载能力及其它 诸如励磁涌流。由此亦导致其设定值相对较高并且动作有一定的延迟。过流保护继电器 的设定必须要平衡运行及保护的要求。其门限值必须要足够高以便变压器在需要时可短 暂工作于过载环境下。但是，设定值越高，保护效果越差。通常，设定值介于变压器铭 牌标称额定值的1 2 5 一1 5 0 之间。 如果过流保护只存在于带接地的一y 变压器一次侧，则同时保证保护的灵敏度及 与二次侧保护装置的配合是比较困难的。在设定保护门限值时，需要参考变压器的瞬时 过载能力，其设定值必须满足防止变压器过载的要求而不是参考可能发生故障的大小。 ( 四) 接地故障保护：一般可以通过差动保护或者专门设计的过流继电器来实现灵 1 6 第三章变压器( 1 0 k v 0 4 k v ) 二次侧故障分析及保护 敏的接地故障保护。根据变压器的连接方式，c t 的安装位置，零序电流源和系统的设 计及工作实际可以制定出不同的保护方案。 根据以上描述我们可以看到，对于变压器一次侧的保护，一般是通过探测变压器一 次侧的电气参数异常来实现保护的。但是其局限性也是显而易见的。首先，变压器二次 侧产生的故障仍然会对变压器造成影响；其次，为了避免误动作，变压器一次侧的保护 功能往往会通过延长动作时间或提高动作门限值来实现选择性动作，而这也会将变压器 暴露在故障环境下。再次，变压器一次侧的保护动作会造成事故的扩大话，其停运时间 损失相当高。最后，从成本来看，变压器一次侧保护功能的成本相对于二次侧的保护功 能成本要高许多( 一到两倍) 。特别是较精确且保护功能完善的继电保护装置，甚至可 以达到变压器二次侧保护继电器成本的十倍。 此外，从故障多发的角度来看，变压器二次侧所发生故障的概率在工程实际统计来 看是变压器及变压器一次侧与一次侧保护装置之间发生故障概率的十倍左右。 因此，从费效比及保护的有效性角度考虑，合理选择变压器二次侧保护功能，构建 从变压器一次侧到二次侧的整套完整保护可以达到对变压器更好的保护效果。 3 2 变压器二次侧短路电流计算及工程应用中的简化计算 通过变压器二次侧进行保护，计算短路电流是确定保护装置的重要一环。对于短路 电流的一般计算方法可简化为如下步骤： a ) 画出系统的简化图( 单线图) ； b ) 计算从电源到假设发生短路点处的阻抗； c ) 根据发生短路故障前瞬间电压值，参考欧姆定律计算短路电流的大小； 当然，实际计算中，根据电网的实际情况，需要进行复杂的校验及计算。设系统的 阻抗分为三部分：z ，和乙分别代表电源和回路的阻抗，互代表负载的阻抗。一般情况 下，负载阻抗是三者中最大的，直接影响电流的大小。负载阻抗同时也呈现电阻特性， 因此负载电流与电源电压间相位差相对较小。短路可被视为通过导体短接了系统中某部 分阻抗而只剩余下部分阻抗的结果。因此，由于z 。和乙具有电感特性，短路电流与电 源电压间相位差趋于9 0 。同时，由于从负载电流变化为短路电流，其变化速度是相当 快的。而电感性回路中，电流是无法实现瞬间变化的。因此可得到短路电流包括两部分 成份： 对称交流电流部分； 1 7 华南理工大学硕士学位论文 偏移直流电流( 自由电流或非周期分量) ，其大小在短路发生瞬间大小与交流电 流( 周期分量) 相等，方向相反。由于该电流没有外部电动势来维持，它将随时间按指 数规律衰减，一般经o 1 5 0 2 s 即衰减完毕。 以上两部分之和刚好等于短路前的系统电流。 直流初始时刻的大小由短路故障发生瞬间的电压波形决定。如果短路发生在波形的 自然过零点，那么瞬时大小是最大的。如果发生在波形的顶点，那么其瞬时大小是最小 的。之后，直流的瞬时值衰减快慢由时间常数决定。该时间常数由电抗与电阻之比决定。 以下公式可用于计算电流的瞬时大小： 砸，= ( 寿牛c 帅竹s 咿印啦l p - ， 以下介绍一种简单的估算短路电流的方法，短路容量法。当然，精确计算短路电流 也可通过计算机完成。这个在后面的章节中论述。 如果要确定系统中某处的短路电流，要弄清包括故障点及系统中其它有可能造成短 路电流扩大的设备。比如说系统中的马达设备。 以图3 - - 2 为例，对于断路器c b i ，最严酷的情况是故障发生在断路器的进线侧。 在该种情况下，也需要考虑其它两台并联变压器的影响。 黼熊? i 女b q 量碍蠢冠l 图3 2 故障点于开关两侧的对比 以下归纳几种主要短路类型及其计算公式： 1 8 第三章变压器( 1 0 k v o 4 k v ) 二次侧故障分析及保护 图3 - 3 三相短路故障 图3 - 4 两相短路故障 图3 5 相对零线故障 图3 - 6 相对地故障 1 9 华南理工大学硕士学位论文 短跆谷鱼纭计算短跆电况i k 所利用阴公瓦是： 对于图3 - 3 所示三相短路电流： l 2 南2 彘 对于图3 - 4 所示两相短路电流： 厶= 南= 差 对于图3 - 5 所示相对零线故障，视零线与相线截面积比率可分为三种情况： 零线与相线截面积相等( z 上= z n ) ： 厶2 丽u r2 志2 志 零线面积为相线的一半( z n22 z l ) ： 2 再丽u r2 丽u r2 丽s k 零线面积远大于相线截面积( 一般零线为相线的2 0 0 - - 3 0 0 ) ： ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 厶2 志2 盏2 击 ， 对于图3 - 6 所示相对地故障，具体分析可参见图3 5 中方法。 上式中，s 。：故障点处短路视载功率； ( ，：额定电压； 在计算过程中，首先要确定短路视载功率瓯。其中要考虑的有可能影响视载功率的 元件包括： 可以增大短路电流大小的元件：系统网络、发电机、马达等； 可以限制短路电流大小的元件：各连接导体、变压器等； 具体的计算步骤包括： a ) 计算系统中各元件的短路容量； b ) 计算故障点处的短路容量； c )