变压器保护分析毕业论文

华北电力大学（北京） 成人高等教育毕业论文 题目：大型变压器保护分析 专业电力工程及自动化 函授站点安徽电气工程职业技术学院 班级：2010 级 姓名：陈泽林 学号：110320575 指导老师：文老师 二 0 一二年 八 月 十 日 2 大型变压器保护分析大型变压器保护分析 摘要摘要 电力变压器是电力系统中的重要设备， 其安全运行关系到整个电力系统能否 连续稳定地工作。而随着电力系统的发展，特别是现代新材料、新工艺的发展， 变压器容量不断增大，对变压器保护的快速性和可靠性也提出了更高的要求。 作为电力系统重要设备之一的变压器，其主保护仍然是传统的差动保护。差 动保护作为变压器的电气量主保护，其性能决定着变压器保护的性能，本文对现 有的应用于变压器的差动保护做了介绍。 如何区分励磁涌流和内部故障是变压器 保护的重要研究内容， 由于变压器的特殊性， 变压器保护动作正确率不高， 拒动、 误动事件时有发生的事实说明， 我们迫切需要研究新的变压器保护方法和解决一 些存在的问题。 近年，随着技术的发展，微机保护成为主要的保护。本文对现有的变压器保 护方法进行了详尽的原理分析分析，后又通对 RCS-978 成套保护系统的工作原 理，了解了微机保护在变压器保护中的重要作用，以及变压器保护未来的发展。 文中主要设计了 220KV 变电站中变压器的保护回路、各主要参数的整定，以及 对 RCS-978 保护装置的操作进行了设置。 关键词关键词变压器保护；微机保护；保护回路 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 在电力系统中广泛使用变压器来升压或者降压。 变压器是电力系统不可或缺 的重要电气设备。 利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变成频率相同的另 一种电压的交流电能， 在电力系统中， 需要用变压器将电压升级进行远距离传输， 以降低线路损耗，当电能到达用户区后，再采用不同等级的变压器将电能降压使 用，因此，变压器的正常运行对保持系统的稳定与安全有着特殊的意义。它的故 障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响， 同时大容量的变压器也是非 常重要的设备。因此，应根据变压器的容量等级和重要程度，装设性能良好、动 作可靠的继电保护装置。 将微型计算机技术应用于变压器保护是提高变压器保护水平的一个重要途 径。采用微机保护技术构成的变压器保护系统，较现有的模拟式保护具有更加完 善的功能，提高了电力系统安全运行水平 1。 论文中也以 RCS-978E 型微机保护装置为案例，具体说明微机保护与以往的 保护区别及各自的保护方式。 1.2 电力变压器保护综述电力变压器保护综述 1.2.1 变压器的故障变压器的故障 电力变压器是电力系统中大量使用的重要电气设备， 他的故障给供电可靠性 和系统的正常运行带来严重的后果，同时大容量变压器也是非常贵重的元件，因 此，必须根据变压器的容量和重要程度装设性能良好的、动作可靠的保护元件。 电力变压器的故障分为内部和外部两种故障。 内部故障指变压器油箱里面发 生的各种故障，主要靠瓦斯和差动保护动作切除变压器；外部故障指油箱外部绝 缘套管及其引出线上发生的各种故障，一般情况下由差动保护动作切除变压器。 速动保护（瓦斯和差动）无延时动作切除故障变压器，设备是否损坏主要取决于 变压器的动稳定性。而在变压器各侧母线及其相连间隔的引出设备故障时，若故 障设备未配保护（如低压侧母线保护）或保护拒动时，则只能靠变压器后备保护 动作跳开相应开关使变压器脱离故障。因后备保护带延时动作，所以变压器必然 要承受一定时间段内的区外故障造成的过电流， 在此时间段内变压器是否损坏主 要取决于变压器的热稳定性。因此，变压器后备保护的定值整定与变压器自身的 热稳定要求之间存在着必然的联系 2。 1.2.2 电力变压器的异常工作状态电力变压器的异常工作状态 变压器处于不正常运行状态时，继电器应根据其严重程度，发出警告信号， 使运行人员及时发现并采取相应措施，以保安全运行。变压器不正常工作状态主 要有：1.由于外部短路引起的过电流；2.由于电动机自起动或并联工作的变压器 被断开及尖峰负荷等与原因引起的过负荷；3.外部接地短路引起的中性点过电 2 压；4.油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高；5.大容量变压 器在过电压或低频等异常运行工况下导致变压器过励磁， 引起铁芯和其他金属构 件过热。 1.2.3 电力变压器的保护方式电力变压器的保护方式 根据变压器的故障和异常工作状态，其通常装设的保护装置如下： 1.瓦斯保护 对变压器油箱内部的各种故障及油面的降低应装设瓦斯保护。容量为 800KVA 及以上的油浸式变压器，对于容量为 400KVA 及以上的车间内油浸式变 压器，匀应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装 置应瞬间动作于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源 侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路-变压器组，未采取使瓦斯保护能切 除变压器内部故障的技术措施时，瓦斯保护可仅动作于信号。 2.纵差保护或电流速断保护 容量在 10000KVA 及以上的变压器应装设纵差保护， 用以反应变压器内部绕 组、绝缘套管及引出线相间短路、中性点直接接地电网侧绕组和引出线的接地短 路以及绕组匝间短路。 3.过流保护 变压器的过流保护用作外部短路及变压器内部短路的后备保护。 4.零序过流保护 变压器中性点直接接地或经放电间隙接地时，应补充装设零序过流保护。用 以提高保护在单相接地时的灵敏度。 零序过流保护主要用作外部电网接地短路的 后备保护。 5.过负荷保护 变压器过负荷时，应利用过负荷保护发出信号，在无人值班的变电所内可将 其作用于跳闸或自动切除一部分负荷 3。 1.3 电力变压器保护研究现状电力变压器保护研究现状 随着计算机硬件的迅速发展,微机保护硬件也在不断发展。微机保护的硬件 已由第一代单CPU硬件结构和第二代多单片机的多CPU硬件结构发展到以高性 能单片机结构的第三代硬件结构,其具有电路简单的特点,抗干扰的性能进一步 加强,并完善了通信功能,为实现变电站自动化提供了方便。近年来,数字信号处 理技术开始广泛应用于微机保护领域。DSP的特点是计算能力强、精度高、总线 速度快,将数字信号处理应用于微机继电保护,极大地缩短了数字滤波、 滤序和傅 立叶变换算法的计算时间,可以完成数据采集、信号处理的功能和传统的继电保 护功能。 差动保护为变压器主保护的主要形式,长期以来受到保护工作者的关注。 1931年, R. E. Cordray提出比率差动的变压器保护,标志着差动保护作为变压器主 保护时代的到来。1958年R. L. Sharp和WE. GlassBurn提出了利用二次谐波鉴别变 压器励磁涌流的新方法,并在模拟式保护中加以实现 4。目前国内外生产变压器 继电保护装置的厂家很多,就主保护而言,国外保护装置基本是以二次谐波制动 3 为主的比率差动保护,而国内则以二次谐波制动和间断角两种原理为主导,以波 形对称原理为补充的格局正在形成。 1.4 继电保护的发展继电保护的发展 1.4.1 计算机化计算机化 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。南京电力自动化 研究院目前在研究 32 位保护硬件系统。天津大学一开始即研制以 16 位多 CPU 为基础的微机线路保护。 采用 32 位微机芯片并非只着眼于精度， 因为精度受 A/D 转换器分辨率的限制，超过 16 位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更 重要的是 32 位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大 的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。CPU 的寄存器、数据总线、 地址总线都是 32 位的，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能， 并将高速缓存（Cache）和浮点数部件都集成在 CPU 内。 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大 容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力， 与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力， 高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台 PC 机的功能。现在， 同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小 型机，因此，用成套工控机做成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发 展方向之一。继电保护装置的微机化是不可逆转的发展趋势。 1.4.2 网络化网络化 计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱。 它深刻影 响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止， 除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气 量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围。这主要是由于 缺乏强有力的数据通信手段。 因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事 故影响范围，还要保证全系统的安全稳定运行，这就要求每个保护单元都能共享 全系统的运行和故障信息的数据， 各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和 数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的 基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来， 亦即实现微 机保护装置的网络化。 对于某些保护装置实现计算机联网， 也能提高保护的可靠性。 天津大学 1993 年针对未来三峡水电站 500kV 超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护的 原理，初步研制成功了这种装置。其原理是将传统的集中式母线保护分散成若干 个母线保护单元，分散装设在各回路保护屏上，各保护单元用计算机网络联接起 来，每个保护单元只输入本回路的电流量，将其转换成数字量后，通过计算机网 络传送给其它所有回路的保护单元， 各保护单元根据本回路的电流量和从计算机 网络上获得的其它所有回路的电流量，进行母线差动保护的计算，如果计算结果 4 证明是母线内部故障则只跳开本回路断路器，将故障的母线隔离。在母线区外故 障时，各保护单元都计算为外部故障均不动作。这种用计算机网络有较高的可靠 性。微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必 然趋势。 1.4.3 保护、控制、测量、数据通信一体化保护、控制、测量、数据通信一体化 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下， 保护装置是电力系统计算机 网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的信息和数据，也 可将它所获得的被保护元件的信息和数据传送给网络控制中心或任何一终端。 因 此，每个微机保护装置实现保护、控制、测量、数据通信一体化。 目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、 线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆 不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测 量、数据通信一体化的计算机装置，就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将 被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主 控室，则可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还可免除电 磁干扰。现在光电流互感器（OTA）和光电压互感器（OTV）已在研究试验阶段， 将来必然在电力系统中得到应用。在采用 OTA 和 OTV 的情况下，保护装置应放 在距 OTA 和 OTV 最近的地方，亦即应放在被保护设备附近。OTA 和 OTV 的光 信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后，一方面用作保护的计算判断；另 一方面作为测量量，通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备 的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操作。 1.4.4 智能化智能化 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电 力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络 是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问 题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况 下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题， 距离保护很难正确做出故障位置的 判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故障样本的训练， 只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如 遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方 法适当结合可使求解速度更快。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得 到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。 5 2 电力变压器保护的原理分析电力变压器保护的原理分析 2.1.瓦斯保护瓦斯保护 2 2.1 1.1 1 保护的工作原理保护的工作原理 瓦斯保护是反应变压器油箱内部气体的数量和流动的速度而动作的保护， 保 护变压器油箱内部各种短路故障，特别是对绕组的相间和匝间短路。由于短路点 电弧的作用，将使变压器和其他绝缘材料分解，产生气体。气体从油箱经连通管 流向油枕，利用气体数量及流速构成瓦斯保护。如图 2-1 所示： 图 2-1瓦斯保护的原理接线图 图 2-1 上面的触点表示“轻瓦斯保护”，动作后经延时发出报警信号。下面 的触点表示“瓦斯保护”，动作后启动变压器保护的总出口继电器，使断路器跳 闸。当油箱内部发生严重事故时，由于油流不稳定，可能造成弹簧触点的抖动， 此时为使断路器能可靠跳闸，应选用具有电流自保持线圈的出口中间继电器 KM，动作后由断路器的辅助触点来解除出口回路的自保持。此外，为防止变压 器换油或进行试验时引起重瓦斯保护误动作跳闸，可利用切换片 XB 将跳闸回路 切换到信号回路。 2.1.2 瓦斯保护的缺点瓦斯保护的缺点 不能反应变压器油箱外套管及联接战线上的故障，因此，不能作为防御变压 器内部事故的唯一保护。由于构造问题，在运行中正确动作率还不高。挡板式瓦 斯继电器也存在当变压器油面严重下降，需要跳闸时，动作不快的缺点。 2 2.1 1.3 3 瓦斯保护的优点瓦斯保护的优点 灵敏度高、结构简单，并能反应变压器油面内部各种类型的故障。特别是当 6 绕组短路匝数很少时，故障点的循环电流虽然很大，可能造成严重的过热，但反 应在外部电流的变化却很小，各种反应电流量的保护都难以动作，因此瓦斯保护 对保护这种故障有特殊的优越性。 2 2.2 2 电流速断保护电流速断保护 2 2.2 2.1 1 保护的工作原理保护的工作原理 变压器的电流速断保护是反应于大电流增大而瞬间动作的保护。 装于变压器 的电源测， 对于变压器用引出线上各种形式的短路电流进行保护。 为证明选择性， 速断保护只能保护变压器的一部分，一般能保护变压器的原绕组，它适合用于容 量在 10MVA 以下小容量的变压器，当电流保护时限大于 0.5S 时，可在电源侧装 设电流速断保护，其接线原理如图 2-2 所示： 图 2-2 电流速断保护接线图 2 2.2 2.2 2 电流速断保护的特点电流速断保护的特点 电流速断保护的优点是接线简单、动作迅速。但作为变压器内部故障的保护 时存在以下缺点： 1.当系统容量不大时，保护区伸不到变压器的内部，即保护区很短，灵敏度 达不到要求。2.在无电源的一侧，从套管到断路器的一段故障要靠过电流保护跳 闸，这样切除故障很慢，对系统安全运行影响很大。3.对于并列运行的变压器负 荷侧故障时，将由过电流保护无选择性的切除所有变压器。 7 2.3 纵联差动保护纵联差动保护 2.3.1 变压器差动保护基本原理变压器差动保护基本原理 电力变压器可能发生的内部故障包括：各侧绕组的相间短路故障，中性点直 接接地的变压器的单相接地短路，绕组的匝间短路等。变压器内部的各种短路都 将产生电弧，引起主绝缘烧毁，绝缘油分解，内部油压增大，有可能引起油箱爆 炸起火。因此，对变压器内部故障应尽快切除。 纵差动保护是变压器的电气主保护，由于变压器在电力系统中占有重要地 位，纵差动保护必须满足如下要求： 1.能反应保护区内各种相间和接地短路故障。 2.动作速度快，一般动作时间不能大于 30ms。 3.在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复期间产生励磁涌流时不应 误动作。 4.在变压器过励磁时，纵差动保护不应该动作。 5.发生外部故障时电流互感器饱和应可靠不动作。 6.保护区内故障时，电流互感器饱和，纵差动保护不应拒动或延时动作。 7.保护区内发生短路故障，在短路电流中含有谐波分量时，纵差动保护不应 拒动或延时动作。 按照反应电流和电压量变化构成的保护装置， 测量元件限于装设在被保护元 件的一侧，无法区别保护范围末端和相邻范围始端的故障。为了保证动作的选择 性，在整定动作参数是必须与相邻元件的保护相配合，一般采用缩短保护区或延 长动作时限的方法获得选择性。差动保护的原理接线图如图 2-3 所示。 图 2-3 差动保护接线图 变压器差动保护是按照循环电流原理构成的， 图为差动保护的单相原理接线 图。双绕组变压器，在其两侧装设电流互感器当两侧电流互感器的同极性端子在 同一方向，差动继电器的工作线圈并联在电流互感器的二次端子上。由于变压器 8 高压侧和低压侧的额定电流不同，因此必须适当选择两侧电流互感器的变化，使 得在正常工作时和外部故障时两侧的二次电流相等， 流过差动继电器线圈的电流 在理论上等于零。即： BnII21 （2-2） 所以两侧的 CT 变比应不同，且应使 即：B l l ll nII n n n I n I 21 2 1 2 2 1 1 或（2-3） 按相实现的纵差动保护，其电流互感器变比的选择原则是两侧 CT 变比的比 值等于变压器的变比。 2.3.2 变压器差动保护不平衡电流分析变压器差动保护不平衡电流分析 1.稳态情况下不平衡电流 变压器在正常运行时纵差保护回路中不平衡电流主要是由电流互感器、 变压 器接线引起： （1）由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生。正常运行时变压器各侧 电流的大小是不相等的。 为了满足正常运行或外部短路时流入继电器差动回路的 电流为零，则应使高、低压两侧流入继电器的电流相等，即高、低侧电流互感器 变比的比值应等于变压器的变比。但是，实际上由于电流互感器的变比都是根据 产品目录选取的标准变比，而变压器的变比是一定的，因此上述条件是不能得到 满足的，因而会产生不平衡电流。 （2）由变压器两侧电流相位不同而产生。变压器常常采用两侧电流的相位相 差 30的接线方式（对双绕组变压器而言） 。此时，如果两侧的电流互感器仍采用 通常的接线方式（即均采用形接线方式） ，则二次电流由于相位不同，也会在 纵差保护回路产生不平衡电流。 （3）由变压器两侧电流互感器型号不同而产生。电流互感器是一个带铁心的 元件，在变换电流的过程中，需要一定的励磁电流，所以一次电流和二次电流的 关系如式（2-4） ： TAcnIII112（2-4） 当变压器两侧电流互感器的型号不同时，它们的饱和特性、励磁电流等也就 不同，即使两侧电流互感器的变比符合要求，流入差动继电器的差电流为，如式 （2-5） ： 212111TAHcYTAHcjnIInIII（2-5） 差电流也不会为零，即在正常运行或外部短路时，会有不平衡电流流入差动 继电器 5。 2.暂态情况下的不平衡电流 （1）由变压器励磁涌流产生 正常运行情况下，铁芯未饱和，相对导磁率很大，变压器绕组的励磁电感也 很大，因而励磁电流很小，一般不超过额定电流的 3%5%。当投入空载变压器 9 或外部故障切除后的电压回复时，一旦铁芯饱和后，想对导磁率接近于 1，变压 器绕组的电感降低，相应出现数值很大的励磁电流，称为励磁涌流，其值可能达 到变压器额定电流的 68 倍。励磁涌流具有如下特征：励磁涌流数值很大，最 大可达变压器额定电流的 68 倍；励磁涌流包含有很大成分的非周期分量，波 形呈尖顶波形且偏于时间轴的一侧；励磁涌流包含有大量的高次谐波，而以二 次谐波为主；励磁涌流相邻波形是不连续的，因而波形之间出现了间断角。由 于励磁涌流的存在，使变压器差动回路产生很大的不平衡电流，常常导致纵差保 护的误动作，给变压器纵差保护的实现带来困难。 （2）由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生 纵差保护是瞬动保护， 它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲。 因此， 必须考虑外部故障暂态过程的不平衡电流对它的影响。 在变压器外部故障的暂态 过程中，一次系统的短路电流含有非周期分量，它对时间的变化率很小，很难变 换到二次侧，而主要成为互感器的励磁电流，从而使互感器的铁心更加饱和。本 来按 10%误差曲线选择的电流互感器在变压器稳态外部短路时， 就会处于饱和状 态，再加上非周期分量的作用，则铁心将严重饱和。因而，电流互感器的二次电 流的误差更大，暂态过程中的不平衡电流也将更大。 2.3.3 变压器纵差保护中不平衡电流的克服方法变压器纵差保护中不平衡电流的克服方法 从上面的分析可知，构成纵差保护时，如不采取适当的措施，流入差动继电 器的不平衡电流将很大， 按躲开变压器外部故障时出现的最大不平衡电流整定的 纵差保护定值也将很大，保护的灵敏度会很低。若再考虑励磁涌流的影响，保护 将无法工作。因此，如何克服不平衡电流，并消除它对保护的影响，提高保护的 灵敏度，就成为纵差保护的中心问题。 1.由电流互感器变比产生的不平衡电流的克服方法 对于由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可采用 2 种方法来克服:一是采用自耦变流器进行补偿。 通常在变压器一侧电流互感器 （对 三绕组变压器应在两侧）装设自耦变流器，将 LH 输出端接到变流器的输入端， 当改变自耦变流器的变比时，可以使变流器的输出电流等于未装设变流器的 LH 的二次电流，从而使流入差动继电器的电流为零或接近为零。二是利用中间变流 器的平衡线圈进行磁补偿。通常在中间变流器的铁心上绕有主线圈即差动线圈， 接入差动电流，另外还绕一个平衡线圈和一个二次线圈，接入二次电流较小的一 侧。适当选择平衡线圈的匝数，使平衡线圈产生的磁势能完全抵消差动线圈产生 的磁势，则在二次线圈里就不会感应电势，因而差动继电器中也没有电流流过。 采用这种方法时，按公式计算出的平衡线圈的匝数一般不是整数，但实际上平衡 线圈只能按整数进行选择，因此还会有一残余的不平衡电流存在，这在进行纵差 保护定值整定计算时应该予以考虑。 目前微机继电保护已被广泛应用， 对于变压器纵差保护中由电流互感器计算 变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可以通过软件补偿， 也可采用在模数变 换（VFC）板上直接调整变压器各侧电流的硬件调整平衡系数的方法，把各侧的 额定电流都调整到保护装置的额定工作电流（5A 或 1A） ，这类似于整流型保护 10 调整平衡绕组的方法 6。 2.由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流的克服方法 对于由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流可以通过改变LH接线 方式的方法（也称相位补偿法）来克服。对于变压器 Y 形接线侧，其 LH 采用 形接线，而变压器形接线侧，其 LH 采用 Y 形接线，则两侧 LH 二次侧输出电 流相位刚好同相。但当 LH 采用上述连接方式后，在 LH 接成形侧的差动一臂 中，电流又增大了 3 倍，此时为保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中没 有电流，就必须将该侧 LH 的变比扩大 3 倍，以减小二次电流，使之与另一侧的 电流相等。接线图如图 2-4 图 2-4 纵差保护 BCH-II 11 差动臂中的222BAAIII和 同相位了，但 A2B2A2 I3I-I 。为使正常运 行或区外故障时，0jI，则应使 A2A2 II3 故此时选择 LH 变比的条件如式（2-7） ： BTAHTAHnnn123（2-7） 在采用微机保护的变压器中，变压器各侧 LH 均可接成 Y 形，因相位不同而 产生的不平衡电流可以通过软件进行相位校正。 3.由电流互感器型号不同和由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电 流的克服方法 该不平衡电流均可在变压器纵差保护定值整定计算中予以考虑。 在稳态情况 下，为整定变压器纵差保护所采用的最大不平衡电流可如式（2-8）确定： TAHdzatxopnIfUkI/%10maxmax（2-8） txk为 LH 的同型系数，当 LH 型号相同时取 0.5，不同时取 1.0；U为变压 器带负荷调压引起的相对误差，一般采用变压器调压范围的一半；zaf为平衡线 圈整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差。 2.3.4 实施纵差动保护遇到的问题实施纵差动保护遇到的问题 实施变压器纵差动保护，除应满足继电保护的要求外，应解决几个问题。 1.正确识别励磁涌流和内部短路故障时的短路电流。变压器空载合闸或外部 短路故障切除电压突然恢复时，变压器有很大的励磁电流即励磁涌流流过，因该 励磁涌流仅在变压器的一侧流通，故流入差动回路。变压器内部短路故障时，差 动回路通过的是很大的短路电流，应正确识别励磁涌流和短路电流。 2.应解决好区外短路故障时差动回路中的不平衡电流和保护灵敏度间的矛 盾。区外短路故障时，由于纵差动保护各侧电流互感器变比不匹配、调压变压器 分接头的改变、电流互感器误差特别是暂态误差的影响，差动回路中流过数值不 小的不平衡电流，为保证纵差动保护不动作，动作电流应高于区外短路故障的最 大不平衡电流，这势必要影响内部短路故障时保护的灵敏度。作为纵差动保护， 既要保证区外短路故障差动回路流过最大不平衡电流时不误动， 又要在内部短路 故障时保证一定的灵敏度。 3.电流互感器饱和不应影响纵差动保护的正确动作。特别是在保护区外短路 12 故障时，一侧电流互感器的饱和导致差动回路电流增大，若不采取措施，很容易 使差动保护误动作。此外，变压器内部短路故障时一侧电流流出以及内部短路故 障时二次谐波 7。 2.4 过电流保护过电流保护 变压器相间短路的保护既是变压器主保护的后备保护， 又是相邻母线或线路 的后备保护。根据变压器容量大小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和复合电压起动的过电流保 护等。 2.4.1 不带低电压起动的过电流保护不带低电压起动的过电流保护 过电流宜用于降压变压器，过电流保护采用三相式接线，且保护应该装设在 电源侧。不带低电压起动的过电流保护的原理接线图如图 2-5： 图 2-5 变压器过电流保护单相原理接线图 保护的动作电流opI应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流maxLI来整 定，如式（2-9） ： maxL re rel opI K K I（2-9） relK可靠系数，一般为 1.21.3； reK为返回系数。 2.4.2 低电压起动的过电流保护低电压起动的过电流保护 对于升压变压器或容量较大的降压变压器，当过电流保护另名都不够时，可 13 以考虑并列变压器跳闸或电动机自起动等因素引起的最大可能的负荷电流， 而可 以按躲过变压器的额定电流来整定。这样可以降低过电流保护的整定值，从而提 高保护的灵敏度。 对升压变压器，如果低电压继电器只接在一侧电压上则当另一侧发生短路 时，往往不能满足灵敏度的要求。为此，可采用两套低电压继电器，分别接在变 压器的高、低压侧。 当采用低电压起动的过流保护时，其动作电流按躲开变压器的额定电流整 定。低电压及电器的动作电压应小于正常运行情况下的最小工作电压。双侧电源 的变压器或多台并列运行的变压器， 一般均采用低电压起动的过流保护或复合电 压起动的过流保护。 2.5 零序电流保护零序电流保护 在大电流接地的系统中，一般在变压器上装设接地保护。作为便宜变压器本 身主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。 当系统接地短路时， 零序电流的大小和分布是与系统中变压器中性点接地的 数目和位置有关。对于有一台变压器的升压变电站，变压器都采用中性点接地运 行方式。对于若干台变压器并联运行的变电站，则采用一部分变压器中性点接地 运行，而另一部分变压器中性点不接地运行。 2.5.1 中性点直接接地变压器的零序电流保护中性点直接接地变压器的零序电流保护 图 2-6 为中性点直接接地双绕组变压器的零序电流保护原理接线图。保护用 电流互感器接于中性点引出线上。其额定电压可选择低一级，其变比根据接地短 路电流的热稳定和动态稳定条件来选择。 图 2-6中性点直接接地零序电流保护原理接线图 保护灵敏系数按后备保护范围末端接地短路校验，灵敏系数不小于 1.2。保 14 护动作时限应比引出线零序电流后备段的最大动作时限大一个阶梯时限t。 为了缩小接地故障的影响范围及提高后备保护动作的快速性 ，通常配置为 两段式零序电流保护，每段各带两级时限。零序段作为变压器及母线的接地故 障后备保护，其动作电流以与引出线零序电流保护段在灵敏系数上配合整定， 以较短延时（通常为 0.5S）作用于断开母联断路器或分段断路器；以较长延时 （0.5+t） 作用与断开变压器的断路器。零序段作为引出线接地故障的后备保 护，其动作电流按上式选择，第一级延时与引出线零序后备段动作延时配合，第 二级延时比第一级延时长一个阶梯时限t 。 LopbcopIKKI00（2-13） 式（2-13）中 0op I 变压器零序过电流保护的动作电流； c K 配合系数，取 1.11.2； b K零序电流分支系数； 0.opL I引出线零序电流保护后备段的动作电流。 2.5.2 中性点可能接地或不接地变压器的保护中性点可能接地或不接地变压器的保护 当变电站部分变压器中性点接地运行时，如图（2-6）所示，当两台变压器 并列运行时，其中 T1 中性点接地运行，T2 中性点不接地运行。当线路上发生单 相接地时，有零序电流流过 QF1、QF3、QF4 和 QF5 的四套零序过电流保护。按 选择性要求应满足 t1t3， 即应由 QF3 和 QF4 的两套保护动作于 QF3 和QF4 跳闸。 若因某种原因造成 QF3 拒绝跳闸，则应由 QF1 的保护动作跳闸。当 QF1 和 QF4 跳闸后，系统成为中性点不接地系统，而且 T2 仍带着接地故障继续运行。 T2 的中性点对地电压将升高为相电压，两非接地相的对地电压将升高3倍，如 果在接地故障点出现间歇性电弧过电压，则对变压器 T2 的绝缘危害更大。如果 T2 为全绝缘变压器，可利用在其中性点不接地运行时出现的零序电压，实现零 序过电压保护，作用于断开 QF2。如果 T2 是分级绝缘变压器，则不允许上述出 现情况，必须在切除 T1 之前，先将 T2 切除。 图 2-7 中性点接地运行图 因此， 中性点有两种运行方式的变压器， 需要装设两套相互配合的接地保护装置： 零序过电流保护用于中性点接地运行方式； 零序过电压保护用于中性点不接 地运行方式。并且还要按下面的原则进行保护：对于分级绝缘变压器应先切除中 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；对于全绝缘变压器 15 应先切除中性点接地运行变压器，后切除中性点不接地运行变压器。 1.分级绝缘变压器 图 2-8 为分级绝缘变压器的零序过电流和零序过电压保护原理接线图。当系 统发生接地故障时， 中性点不接地运行变压器的 TAN 无零序电流， 装置中的 KA 不动作，零序过电流保护动作，KV 因有零序电压 3U0而动作。这时，与之并列 运行的中性点接地运行变压器的零序过电流保护则因 TAN 有零序电流， KA 动作 并经其时间继电器 1KT 的瞬时闭合常开接地将正电源加到小母线 WB 上。此正 电源经中性点不接地运行变压器的KV接点和KA的常闭接点使KT2起动零序过 电压保护。在主保护拒绝动作的情况下，经过较短时限使 KCO 动作，先动作于 中性点不接地运行变压器的两侧断路器跳闸。 与之并列运行的中性点接地运行变 压器的 KV 虽然也已动作，但由于 KA 已处于动作状态，其常闭接点已断开，故 小母线上的正电源不能使 KT2 动作，其零序过电压保护不能起动，要等到整定 时限较长的 KT1 延时接点闭合时，才动作于中性点接地运行变压器的两侧断路 器跳闸。 图 2-8 分级绝缘变压器的接地保护原理图 2.全绝缘变压器 图 2-9 为全绝缘变压器的零序过电流和零序过电压保护原理图。当发生接地 故障时，中性点接地运行变压器的零序过电流保护和零序过电压保护都会起动。 因 KT1 的整定时限较短，故在主保护拒绝动作的情况下先动作于中性点接地运 行变压器的两侧断路器跳闸。与之并列运行的中性点不接地运行变压器，则只有 零序过电压保护动作，其零序过电流保护并不起动作。因 KT2 的整定时限较长， 故后切除中性点不接地运行变压器的两侧短路器。 16 图 2-9 全绝缘变压器的接地保护装置原理接线图 2.6 过负荷保护过负荷保护 当变压器过负荷电流三相对称，过负荷保护装置只采用一个电流继电器，经 过较长的延时后发出信号。对于三绕组变压器，三侧都装有过负荷启动元件；对 于双绕组变压器，过负荷保护应装设在电源侧。其原理如图 2-10 所示。 图 2-10变压器过负荷保护接线图 17 3 微机保护微机保护 3.1 RCS-978 系列变压器成套保护装置系列变压器成套保护装置 RCS-978系列数字式变压器保护适用于220kV及以上电压等级，需要提供双 套主保护、双套后备保护的各种接线方式的变压器。 RCS-978装置中可提供一台变压器所需要的全部电量保护，主保护和后备保 护可共用同一TA。这些保护包括：稳态比率差动、差动速断、工频变化量比率 差动、零序比率差动/分侧比率差动、复合电压闭锁方向过流、零序方向过流、 零序过压。后备保护可以根据需要灵活配置于各侧。另外还包括以下异常告警功 能：过负荷报警、起动冷却器、过载闭锁有载调压、零序电压报警、差流异常报 警、零序差流异常报警、差动回路TA断线、TA异常报警和TV异常报警。 3.1 性能特征性能特征 1.高性能的硬件，实时计算 采用32位微处理器双DSP的硬件结构，三个CPU并行工作，32位微处理器 负责出口逻辑，两个DSP负责保护运算。高性能的硬件保证了装置在每一个采样 间隔对所有继电器进行实时计算。 2.独立的起动元件启动保护动作出口跳闸方式，杜绝保护装置硬件故障起 的误动。 3.强电磁兼容性整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，取消传统背配方 式，同时在软件设计上也采取相应的抗干扰措施，装置的抗干扰能力大大提高， 对外的电磁辐射也满足相关标准。 4.双主、双后备保护的配置原则 真正实现一台装置完成所有的主保护后备保护功能。 5.程序模块化 模块化的程序使保护配置灵活， 功能调整方便。 可选择的励磁涌流判别原理， 提供了二次谐波原理和波形识别原理两种方法识别励磁涌流， 可经整定选择使用 任一种原理，或同时使用两种原理。高灵敏度的工频变化量差动保护利用工频故 障分量构成的工频变化量比率差动保护，不受负荷电流影响，灵敏度高，抗TA 饱和能力强。可靠的差动回路TA异常判断功能结合电压量对差回路的异常情况 进行判别，可以判断出TA多相断线，多侧断线，短路等复杂情况。整定，留有 可以配置的备用接点，方便特殊应用。 6.汉化界面显示、报告、定值等相关的内容均为简体汉字。 7.完善的事件记录功能 可记录32次故障及动作时序，8次故障波形，32次开关量变位及自检结果。 9.丰富的PC机辅助软件 基于Windows 9X/Me/2000/NT的PC机软件，使装置更易于应用。 18 3.2 保护工作原理保护工作原理 主程序按固定的采样周期接受采样中断进入采样程序， 在采样程序中进行模 拟量采集与滤波，开关量的采集、装置硬件自检、外部异常情况检查和起动判据 的计算，根据是否满足起动条件而进入正常运行程序或故障计算程序。硬件自检 内容包括RAM、E2PROM、跳闸出口三极管等。正常运行程序进行装置的自检， 装置不正常时发告警信号， 信号分两种， 一种是运行异常告警， 这时不闭锁装置， 提醒运行人员进行相应处理；另一种为闭锁告警信号，告警同时将装置闭锁，保 护退出。故障计算程序中进行各种保护的算法计算，跳闸逻辑判断。 3.2.1 稳态比率差动保护稳态比率差动保护 由于变比和联接组的不同，电力变压器在运行时，各侧电流大小及相位也不 同。在构成继电器前必须消除这些影响。现在的数字式变压器保护装置，都利用 数字的方法对变比与相移进行补偿。 以下的说明的前提均为已消除了变压器各侧 幅值和相位的差异。 稳态比例差动保护用来区分差流是由于内部故障还是不平衡输出 （特别是外 部故障时）引起。 RCS-978 采用了的稳态比率差动动作方程，如式（3-1），（3-2）： m i id m i ir cdqdeeberd cdqdeerbd cdqdrd II II IIIKIII IIIIKI III 1 1 1 1 2 1 1 . 05 . 5675. 0 1 . 05 . 0 2 . 0 （3-1） er eerd II IIII 8 . 0 2 . 18 . 06 . 0 （3-2） 其中eI为变压器额定电流，cdqdI为稳态比率差动起动定值，dI为差动电流， rI为制动电流，1bK为比率制动系数整定值,推荐整定为0.5。 稳态比率差动保护按相判别，满足以上条件时动作。式（3-1）所描述的比 率差动保护经过TA饱和判别，TA断线判别（可选择），励磁涌流判别后出口。 它可以保证灵敏度。同时由于TA饱和判据的引入，区外故障引起的TA饱和不会 造成误动。式（3-2）所描述的比率差动保护只经过TA断线判别（可选择），励 磁涌流判别即可出口。它利用其比率制动特性抗区外故障时TA的暂态和稳态饱 和，而在区内故障TA饱和时能可靠正确动作。 19 3.2.2 励磁涌流识别原理励磁涌流识别原理 1.利用谐波识别励磁涌流 RCS-978 系列变压器成套保护装置采用三相差动电流中二次谐波、 三次谐波 的含量来识别励磁涌流，判别方程如式（3-3）： stxbrd stxbnd IKI IKI 133 122 （3-3） 其中ndI2、rdI3分别为每相差动电流中的二次谐波和三次谐波，stI1为对 应相的差流基波，xbK2、xbK3分别为二次谐波和三次谐波制动系数整定值。 推荐xbK2整定为0.10.2，xbK3整定为0.10.2。 当三相中某一相被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。 2.利用波形畸变识别励磁涌流 故障时， 差流基本上是工频正弦波。 而励磁涌流时， 有大量的谐波分量存在， 波形发生畸变，间断，不对称。利用算法识别出这种畸变，即可识别出励磁涌流。 故障时，有表达式成立，如式（3-4） t b SS SKS （3-4） 其中S是差动电流的全周积分值，S+是“差动电流的瞬时值+差动电流半周 前的瞬时值”的全周积分值，bK是某一固定常数，是门槛定值。tS的表达式如 式（3-5）： edtIIS1 . 0（3-5） 式中dI是差电流的全周积分值，是某一比例常数。 当三相中的某一相不满 足以上方程，被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。 装置设有“涌流闭锁方式控制字供用户选择差动保护涌流闭锁原理。当“涌流闭 锁方式控制”字为“0”时，装置利用谐波原理识别涌流；当“涌流闭锁方式控 制字”为“1”时，装置利用波形判别原理识别涌流。 3.TA饱和的识别方法 为防止在变压器区外故障等状态下TA的暂态与稳态饱和所引起的稳态比率 差动保护误动作，装置利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别TA是否饱 和，所用的表达式如式（3-6）： 133 122 xb xb IKI IKI （3-6） 其中2I为电流中的二次谐波，3I为电流中的三次谐波，1I为电流中的基 波，xbK2和xbK3为某一比例常数。当与某相差动电流有关的电流满足以上表 达式即认为此相差流为TA饱和引起，闭锁稳态比率差动保护。此判据在变压器 处于运行状态才投入。 20 3.2.3 差动回路的异常情况的判别差动回路的异常情况的判别 装置将差回路的异常情况分为两种： 未引起差动保护起动和引起差动保护起 动。 1.未引起差动保护起动的差回路异常报警 方法一： 当任一相差流大于差流报警定值的时间超过10秒时发出差流异常报警信 号，不闭锁差动保护。差流报警定值应避开有载调压变压器分接头不在 中间时产生的最大差流，其他原因运行时可能产生的最大差流。 方法二：当任一相差流满足下式的时间超过10秒时发出差流异常报警信号，不闭 锁差动保护。差流报警起始定值应避开变压器的励磁电流。 m i id m i ir rd setbjd II II II II 1 1 _ 2 1 18. 0 （3-7） 2.引起差动保护起动的差回路异常报警 差动保护起动后满足以下任一条件认为是故障情况，开放差动保护，否则认 为是差回路TA 异常造成的差动保护起动。 通过“TA 断线闭锁差动控制字”，引起差动起动的差回路异常可只发报警 信号，或额定负荷下闭锁差动保护，或任何情况下闭锁差动保护。当“TA断线 闭锁差动控制字”整定为“0”时，比率差动、零序或分侧比率差动不经过TA 断 线和短路闭锁。当“TA断线闭锁差动控制字” 整定为“1”时，比率差动的式 和零序或分侧比率差动经过TA断线和短路闭锁，比率差动的式不经过TA断线和 短路闭锁；当“TA断线闭锁差动控制字”整定为“2”时，比率差动、零序或分 侧比率差动均经过TA断线和短路闭锁。工频变化量比率差动保护始终经过TA断 线和短路闭锁。由于上述判据采用了电压量与电流量相结合的方法，使得差回路 TA二次回路断线与短路判别更准确、更可靠 8。 3.2.4 过激磁的判别过激磁的判别 由于在变压器过激磁时， 变压器励磁电流将激增， 可能引起差动保护误动作。 因此应该判断出这种情况，闭锁差动保护。装置中采用差电流中五次谐波的含量 作为对过激磁的判断。其判据如式（3-8）： stxbthIKI155（3-8） 其中stI1、thI5分别为每相差动电流中的基波和五次谐波，xbK5为五次谐 波制动系数。当过激磁倍数大于1.4倍时，不再闭锁差动保护。过激磁闭锁差动 功能可整定选择。 21 3.3 零序比率差动保护与分侧比率差动保护零序比率差动保护与分侧比率差动保护 3.3.1零序比率差动原理：零序比率差动原理： 零序比率差动保护主要应用于自耦变压器，其动作方程如式（3-9）： cwd cwor cdqdnorbd cdqdd IIII IIII IIIKI II