设备管理_变电主设备保护的定值整定与难点分析

变电主设备保护的定值整定与难点分析 西安交通大学焦在滨 电力变压器概述短路故障的主保护短路故障的后备保护异常运行保护三圈自耦变压器的继电保护铁芯饱和的相关问题 汇报内容提纲 1 电力变压器的基本结构 电力变压器概述 铁芯 变压器磁路绕组 变压器变比油箱 存储变压器油变压器油 绝缘 冷却绝缘套管 绕组端子 2 变压器的基本原理 电力变压器概述 如图所示 高低压侧电势分别为E1和E2 则 所以 即变压器高低压侧电压之比就是绕组的匝数比 这就是变压器实现电压变化的原理 3 变压器的连接组别 电力变压器概述 接线组别反应了变压器各侧绕组的接线方式和电压相位关系 如Y d11 Y Y12等 Y表示星形接线 d表示三角形接线 数字表示高压侧线电压超前于低压侧线电压的角度除以30 例如 Y d11 表示高压侧绕组星形接线 低压侧三角形接线 高压侧线电压超前于低压侧线电压330o 变压器Yd11接线图 4 变压器的故障及不正常运行方式 电力变压器概述 变压器的故障 故障点的位置 油箱内的故障 油箱外的故障 油箱内部故障 相间短路 单相接地短路 匝间短路 油箱外部故障 指变压器绕组引出端绝缘套管及引出短线上的故障 主要有相间短路 两相短路及三相短路 故障 各侧的接地故障 变压器的异常运行方式 系统故障或其他原因引起的过负荷 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 5 Yd 11接线变压器故障分析 电力变压器概述 为简化分析及突出故障分量经变压器的传递 作以下几点假设 不考虑变压器的变比 不考虑负荷电流及过渡电阻对短路电流及故障电压的影响 当变压器高压侧故障时 认为故障电流全部由低压侧供给 而变压器低压侧故障时 认为故障电流全部由变压器高压侧提供 故障点在变压器输出端部 忽略有效分量的影响 阻抗角为90 5 Yd 11接线变压器故障分析 电力变压器概述 高压侧单相接地短路 边界条件 故障电流 对称分量 高压侧电流相量及序量图 5 Yd 11接线变压器故障分析 电力变压器概述 高压侧单相接地短路 对称分量 负序电抗 零序电抗 高压侧电压相量及序量图 5 Yd 11接线变压器故障分析 电力变压器概述 高压侧单相接地短路 低压侧电流 低压侧电流相量及序量图 5 Yd 11接线变压器故障分析 电力变压器概述 高压侧单相接地短路 低压侧电压 低压侧电压相量及序量图 5 Yd 11接线变压器故障分析 电力变压器概述 高压侧B C两相接地短路 边界条件 对称分量 高压侧电流相量及序量图 5 Yd 11接线变压器故障分析 电力变压器概述 高压侧B C两相接地短路 对称分量 高压侧电流相量及序量图 电源等值电势 5 Yd 11接线变压器故障分析 电力变压器概述 高压侧B C两相接地短路 低压侧电压 低压侧电压相量及序量图 5 Yd 11接线变压器故障分析 电力变压器概述 高压侧B C两相接地短路 低压侧电流 低压侧电流相量及序量图 6 典型变压器保护配置 电力变压器概述 500KV变压器保护系统典型接线及保护配置 220KV变压器保护系统接线及保护配置 三圈变 低压侧双分支 500KV变压器保护系统典型接线及保护配置 220KV变压器保护系统接线及保护配置 1 纵差保护的基本原理 短路故障的主保护 变压器纵差保护原理接线图 纵差保护原理 2 纵差保护的实现 不平衡电流的影响 短路故障的主保护 稳态不平衡电流 变压器励磁电流变压带负荷调压两侧差动CT的变比与计算变比不同 两侧差动CT型号 变比及二次负载不同空投变压器的励磁涌流变压器过激磁大电流系统侧接地故障时变压器的零序电流 暂态不平衡电流 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 励磁涌流产生的机理 忽略变压器及合闸回路电阻的影响 电源电压的波形为正弦波 则空投瞬间变压器铁芯中的磁通与外加电压的关系为 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 励磁涌流产生的机理 由上式可知 在空投变压器的瞬间 铁芯中的磁通由三部分组成 强迫磁通 mcos wt a 剩磁通 s及决定于合闸角a的磁通 mcosa 因此 在合闸瞬间变压器铁芯中的综合磁通如图 当初始合闸角等于0 变压器铁芯中的剩余磁通 s 0 9 m时 铁芯中的最大磁通达2 9 m 从而使变压器铁芯严重饱和 励磁电流猛增 即产生所谓励磁涌流 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 励磁涌流的特点 由图可以看出励磁涌流有以下几个特点 1 偏于时间轴一侧 即含有很大的直流分量 2 波形间断角很大 一般大于150 3 一个周期内正半波与负半波不对称 4 含有很大的二次谐波分量 多数涌流中二次谐波含量大于30 有的达80 甚至更大 5 在同一时刻三相涌流之和近似等于零 6 励磁涌流是衰减的 衰减的速度与合闸回路及变压器绕组中的有效电阻及其他有效损耗有关 三相励磁涌流波形 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 影响励磁涌流大小的因素 由上式可知 影响励磁涌流大小的因素主要有 1 电源 2 合闸角 3 剩磁 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 励磁涌流制动方案 二次谐波制动 制动原理 励磁涌流中含有大量的二次谐波 利用流过差动元件差电流中的二次谐波电流作为制动量 区分出差流是故障电流还是励磁涌流 实现躲过励磁涌流 性能分析 二次谐波制动比整定值越大 该保护躲过励磁涌流的能力越弱 反之 二次谐波制动比整定值越小 保护躲励磁涌流的能力越强 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 励磁涌流制动方案 二次谐波制动 式中 二次谐波制动比 二次谐波电流 基次谐波电流 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 励磁涌流制动方案 间断角原理 制动原理 变压器内部故障时 故障电流波形无间断 变压器空投时 励磁涌流的波形具有很大的间断角 根据差电流波形是否有间断及间断角的大小来区分故障电流与励磁涌流的 制动电流 直流 流过差动元件的差流 间断角 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 励磁涌流制动方案 间断角原理 性能分析 1 变压器正常运行时差流很小 id很小 而Izd较大 Izd直线将在id项点的上方 此时 间断角约为360 且Idz Idzo 保护可靠不动作 2 空投变压器时尽管差流id波型幅值很大 能满足Idz Idzo 但由于间断角很大 大于闭锁角 差动保护将被可靠闭锁 3 当变压器内部故障时 流入差动元件的差流很大满足Idz Idzo 且无间断角 不会闭锁 保护能可靠动作 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 励磁涌流制动方案 波形对称原理 制动原理 变压器内部故障时 故障电流波形前半波与后半波对称 而变压器励磁涌流波形有间断 波形不对称 通过比较不对称系数K的大小来区分故障电流和励磁涌流 K的定值一般取0 5 K 0 5 K 0 5 不闭锁 闭锁 前半波一点值 与前半波相差180 一点值 3 空载合闸励磁涌流问题 短路故障的主保护 励磁涌流制动方案 波形对称原理 性能分析 1 变压器内部故障时 Ij 的值与Ij 180 的值大小基本相等 相位基本相反 则Ij 与Ij 180 大小相等相反 Ij Ij 180 0 Ij Ij 180 2Ij 此时 K 0 差动保护不闭锁 2 励磁涌流的波形具有很大的间断角 Ij 的值与Ij 180 的值相差很大 相位也不会相差180 因此 Ij Ij 180 可能比Ij Ij 180 还大 K值将大于0 5 差动保护被闭锁 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 保护基本原理 1 I段折线式 比率差动保护 I段折线式动作特性曲线 动作方程 Idz 差电流Idz0 差动元件的启动电流Kz 折线的斜率 比率制动系数Izd 制动电流 一般取各侧电流中的最大者 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 2 II段折线式 II段折线式动作特性曲线 动作方程 Izd0 拐点电流 即开始出现制动作用的最小制动电流 保护基本原理 比率差动保护 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 3 III段折线式 III段折线式动作特性曲线 动作方程 Kz1 第二段折线的斜率Kz2 第三段折线的斜率Izd1 第二个拐点的电流 保护基本原理 比率差动保护 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 保护基本原理 差动速断保护 动作方程 IdzRMS 差电流有效值Idz0 差动元件的整定电流 差动速断元件反映的是差流的有效值 不管差流的波形如何及含有谐波分量的大小 只要差流的有效值超过了整定值 它将迅速动作而切除变压器 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 整定原则 比率差动保护 启动电流Idzo的整定原则是 躲过正常工况下最大的不平衡差流 Idzo可按下式计算 Ie 变压器额定电流 二次值 KH 可靠系数 取1 5 2K1 电流互感器CT的变比误差K2 变压器分接头后负荷调压带来的误差 取0 05K3 其他误差 变压器激磁电流等 取0 05K4 通道变换及调试误差 取0 1 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 整定原则 比率差动保护 比率制动系数Kz的整定原则是 躲过变压器出口三相短路时的最大不平衡差流 变压器出口区外故障时最大不平衡电流 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 整定原则 比率差动保护 拐点电流Izdo的整定 为躲过区外故障被切除后的暂态过程对压器差动保护的影响 应使保护的制动作用提早产生 因此 Izdo取0 6 0 8Ie是合理的 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 整定原则 差动速断保护 整定原则是 躲过变压器励磁涌流 Idz可按下式计算 Ie 变压器额定电流 二次值 Idz 差动速断元件的动作电流K 一个正值系数 一般取4 8 发电机与变压器之间无开关的大型变压器发电机组 K值取可3 4 大型发电厂的中 小型变压器 例如有空投可能性的厂高变及启备变 K值可取8 10 经长线路与系统联接的降压变电站中的中 大型变压器 K值可取4 6 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 保护不正确动作原因分析 变压器正常运行时保护误动原因 CT二次回路连线接触不良或短时开路 CT二次回路中在接触不良点产生电弧造成单相或两相短路 CT二次电缆芯线外层绝缘破坏或损伤造成接地短路 CT二次回路多点接地 接地点之间存在电位差 在差动元件中产生差流使其误动 在雷雨天易发生 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 保护不正确动作原因分析 区外故障切除时保护误动原因 区外故障被切除时 流过变压器的电流突然减小到额定负荷电流之下 在此暂态过程中 由于电流中自由分量的存在 使两侧差动CT二次电流之间的相位短时 40 60ms 发生了变化 在差动元件中产生差流 两侧差动CT的暂态特性相差越大 差流值越大 且持续时间越长 又由于流过变压器的电流较小 差动元件的制动电流较小 当差动元件拐点电流整定得过大时 差动元件处于无制动状态 此时 若初始动作电流定值偏小 保护容易误动 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 保护不正确动作原因分析 区外故障时保护误动原因 两侧差动CT暂态特性相差大及差动元件定值整定有误一侧CT饱和 差动元件中产生较大差流 如图所示 在变压器低压母线上发生故障 如果低压侧CT深度饱和 测量到的电流I3很小 假设为零 则此时差动电流为 而I1和I2都是由母线流向变压器 为正值 所以此时差动电流Id很大 可能造成差动保护误动 故障原理图 CT饱和误动分析 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 提高保护可靠性措施 CT饱和对应措施 为防止在变压器区外故障等状态下CT的暂态与稳态饱和所引起的稳态比率差动保护误动作 装置利用二次侧电流中的二次和三次谐波含量来判别CT是否饱和 所用的表达式如下 其中 为电流中的二次谐波 为电流中的三次谐波 为电流中的基波 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CT饱和引起 闭锁稳态比率差动保护 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 提高保护可靠性措施 CT饱和对应措施 变压器区内发生严重故障伴随TA饱和时 稳态低值差动保护将被闭锁 造成差动保护拒动 因此在差动保护中 增加一个稳态高值比例差动元件 此元件不受CT饱和影响 这样区内严重故障时 可由高值比例差动动作切除故障 高值比例差动动作方程为 高值比例差动动作特性图 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 提高保护可靠性措施 CT饱和对应措施 把高值和低值比例差动画在一个坐标图里 如图所示 由图可见 高值比例差动的动作区小于低值比例差动的动作区 高值的动作区包含在低值动作区内 4 比率差动及差动速断保护 短路故障的主保护 提高保护可靠性措施 其他对应措施 严防CT二次回路接触不良或开路 严格执行反措要求 所有差动CT二次回路只能有一个公共接地点 且该接地点应在保护盘上 确保差动CT二次电缆各芯线之间及各芯线对地的绝缘 在选择变压器纵差保护CT时 一定要保证各组CT的容量及精度等级 优先采用暂态特性好的TP级CT并选择合适的二次电缆 根据变压器的容量 结构在系统中的位置及系统的特点 合理而灵活地选择定值 以确保保护的动作灵敏度及可靠性 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 分侧差动保护 原理接线及特点 高压侧分侧差动原理接线图 高压侧分侧差动保护逻辑图 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 分侧差动保护 原理接线及特点 优点 不受变压器激磁电流 励磁涌流 带负荷调压及过激磁的影响 差动两侧的CT可取同型号及同变比的 因此 其动作电流可以适当降低 与变压器纵差保护相比 其动作灵敏度高 构成简单 不需要涌流闭锁元件及差动速断元件 另外 在保护的构成上 由于不需要滤去零序电流 故反映接地故障的灵敏度比纵差保护要高 缺点 对变压器同相绕组的匝间短路无保护 保护范围比纵差小 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 分侧差动保护 动作方程及特性 动作特性以II段折线式为例 II段折线式动作特性曲线 动作方程 Idz 差电流 Idz0 差动元件的启动电流Kz 折线的斜率 比率制动系数Izd 制动电流 一般取各侧电流中的最大者Izd0 拐点电流 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 分侧差动保护 整定计算 Idzo可按下式计算 Ie 变压器额定电流 二次值 KH 可靠系数 取1 2 1 5K1 电流互感器CT的变比误差K2 通道变换及调试误差 取0 1计算可知 Idz0 0 24 0 32 Ie 启动电流Idzo的整定 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 比率制动系数Kz的整定原则是 躲过变压器出口短路时的最大不平衡差流 变压器出口区外故障时最大不平衡电流 分侧差动保护 整定计算 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 拐点电流Izdo的整定原则 在外部故障切除后暂态过程中 差动元件被可靠制动 为躲过区外故障被切除后的暂态过程对压器差动保护的影响 应使保护的制动作用提早产生 因此 Izdo取0 5 0 7Ie是合理的 分侧差动保护 整定计算 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 零序差动保护 原理接线及特点 特点 零差保护不受变压器激磁电流及带负荷调压的影响 其构成简单 动作灵敏度高 另外 零差元件各侧CT可以取同型号及同变比的 自耦变压器零差保护原理接线图 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 零序差动保护 动作方程及特性 动作特性采用I段折线式 零差元件动作特性曲线 动作方程 I0dz 零序差流Kz 比率制动系数I0zd 零序制动电流I0dz0 零序差动元件的启动电流I0p0 差动元件的动作电流整定值 不带制动零差元件动作方程 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 零序差动保护 整定计算 最小零序动作电流Iodzo的整定原则 应躲过正常工况下差动回路的零序不平衡电流流 正常工况下零差回路的不平衡电流可按下式计算 最小零序动作电流为 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 零序差动保护 整定计算 比率制动系数Kz的整定原则是 使零差保护可靠地躲过区外接地故障时的零序不平衡电流 区外接地故障时最大不平衡零序电流 5 分侧差动和零序差动保护 短路故障的主保护 零序差动保护 整定计算 无制动特性零差保护整定原则 按躲过区外接地故障或励磁涌流产生的不平衡电流来整定 最小零序动作电流为 6 故障分量差动保护 短路故障的主保护 1 复合电压过流保护 短路故障的后备保护 基本原理 复合电压过流保护逻辑图 保护动作方程 Uac a c两相间电压 二次值 Ia b c a b c相电流 二次值 U2 负序电压 二次值 Iop 过流元件动作电流整定值Uop 低电压元件动作电压整定值U2op 负序电压元件动作电压整定值 1 复合电压过流保护 短路故障的后备保护 整定建议 过流元件 整定原则 按躲过变压器运行时的最大负荷电流来整定 1 复合电压过流保护 短路故障的后备保护 整定建议 低压元件 整定原则 按躲过无故障运行时保护安装处出现的最低电压来整定 1 复合电压过流保护 短路故障的后备保护 整定建议 负序电压元件 整定原则 按躲过正常运行时系统中出现的最大负序电压整定 还应满足使相邻线路末端两相短路时负序电压元件有足够的动作灵敏度 Ue 额定电压 二次值 1 复合电压过流保护 短路故障的后备保护 整定建议 动作延时 整定原则 按与相邻线路相间短路后备保护相配合整定 t 复合电压过流保护的动作延时动作tmax 相邻线路相间短路后备保护的最长延时 t 时间级差 一般取0 3 0 5秒 2 零序电流 零序方向电流保护 短路故障的后备保护 基本原理 三卷变压器零序方向电流保护逻辑图 零序I段动作方程 Po 零序功率元件的测量功率3Io 零序电流元件的测量电流Iop1 Iop2 Iop3 分别为零序各段动作电流整定值 零序II段动作方程 零序III段动作方程 2 零序电流 零序方向电流保护 短路故障的后备保护 整定建议 功率方向元件的动作方向 整定原则 根据变压器的作用 保护安装位置 电气位置 及电力系统的具体情况确定 I 发电厂的三卷升压变压器 保护的动作方向应分别指向各侧母线 II 大型变电站的降压变压器 高压侧保护的动作方向应指向变压器 中压侧保护的动作方向 应指向中压侧母线 2 零序电流 零序方向电流保护 短路故障的后备保护 整定建议 各段零序电流元件的动作电流 中压侧零序电流元件整定 Iop1 零序I段的动作电流Iop2 零序II段的动作电流KH 可靠系数 取1 1Kx1 零序I段分支系数Kx2 零序II段分支系数Iop1L 相邻线路零序I段的动作电流Iop2L 相邻线路零序II段的动作电流 I段的动作电流应与相邻线路零序I段或线路快速主保护配合II段的动作电流与相邻线路零序II段相配合 2 零序电流 零序方向电流保护 短路故障的后备保护 整定建议 各段零序电流元件的动作电流 高压侧零序电流元件整定 Iop1高 高压侧零序I段的动作电流Iop1中 中压侧零序I段的动作电流IopII高 高压侧零序II段的动作电流IopII中 中压侧零序II段的动作电流KH 可靠系数 取1 15 I段的动作电流应保证在中压侧母线上发生接地故障时有灵敏度II段的动作电流应与中压侧零序II段保护的动作电流相配合 2 零序电流 零序方向电流保护 短路故障的后备保护 整定建议 动作延时的整定 电流I段保护的短延时应与相邻线路零序电流I段保护的动作时间相配合 t1 变压器零序电流I段保护的短延时t1L 相邻线路零序电流I段保护的动作时间 t 时间级差 一般取0 3 0 5秒 2 零序电流 零序方向电流保护 短路故障的后备保护 整定建议 动作延时的整定 零序电流I段的长延时应比零序电流I段长一个时间级差 0 3 0 5秒 变压器各侧零序电流II段的动作短延时应与相邻线路零序电流II段的动作延时相配合 而长延时比短延时长一时间级差 当变压器高压侧零序方向电流保护的动作方向指向变压器时 其I段及II段的动作延时应分别与中压侧零序电流I段 II段保护的动作延时相配合 前者比后者 即高压侧保护比中压侧保护 长一个时间级差 需要着重指出 为有效保护变压器 零序电流I段保护的最长动作时间不应超过2秒 3 负序电流 负序方向电流保护 短路故障的后备保护 基本原理 负序方向电流保护逻辑图 P2 保护测量的负序功率I2 保护测量的负序电流I2op 负序电流元件的动作电流 负序方向过流保护动作方程 负序电流保护动作方程 3 负序电流 负序方向电流保护 短路故障的后备保护 整定建议 负序电流元件 整定原则 按相邻线路断线保护不误动的条件整定 另外 还要考虑与相邻线路零序电流后备段在灵敏度上配合 防止非选择性动作 Iop2 负序电流动作整定值ILmax 断线前流经线路的最大负荷电流KH 可靠系数 取1 2Kx 负序电流分支系数Z1 Z2 Z0 由断线处测得的正序 负序及零序阻抗 I 按相邻线路断线不误动条件整定 3 负序电流 负序方向电流保护 短路故障的后备保护 整定建议 负序电流元件 Iopo 断线线路零序过流保护后备段动作电流 II 按与断线线路零序电流后备段灵敏度配合整定 在实际应用时 一般Iop2 0 5 0 6 IeIe 变压器额定电流 3 负序电流 负序方向电流保护 短路故障的后备保护 整定建议 负序功率方向元件动作方向的整定 装于主电源侧的负序功率方向元件 其动作方向应指向变压器 作为变压器相间短路的后备保护 而装于其他侧负序功率方向元件的动作方向 可指向本侧母线 动作时间的整定 应根据变压器的类型 保护的安装位置及系统具体情况整定 但是 为有效保护变压器 其动作时间不宜过长 最好小于2秒 4 低阻抗保护 短路故障的后备保护 基本原理 低阻抗保护逻辑图 Zab Zab Zab 相间阻抗原件Ia Ib Ic 三相二次电流Zop 阻抗元件的动作阻抗Iop 相电流元件的动作电流I2 负序二次电流I2op 负序电流元件的动作电流 保护动作方程 4 低阻抗保护 短路故障的后备保护 基本原理 阻抗元件构成发电机及变压器短路后备保护的缺点很多 首先用测阻抗的方法来确定发电机 变压器内部故障的位置存在着问题 其正确动作率不高 另外 PT断线要误动 目前 为防止PT断线时低阻抗保护误动 采用以下措施 a 采用PT二次断线闭锁元件 发现PT断线时 将保护闭锁 b 采用负序电流或相过电流启动 c 采用故障变化量启动 保护问题与对策 4 低阻抗保护 短路故障的后备保护 整定建议 动作方向的整定 主电源在高压侧的三变压器 装于高压侧的阻抗元件的动作方向应指向变压器 有时高压侧阻抗元件的动作阻抗圆有5 左右的偏移度 兼作高压母线故障的后备保护 变压器中压侧的方向阻抗元件 其动作方向指向中压侧母线 作为中压侧母线及相邻线路故障的后备保护 4 低阻抗保护 短路故障的后备保护 整定建议 阻抗元件动作阻抗的整定 降压变压器高压侧阻抗元件正方向的动作阻抗 应按中压侧相间故障有灵敏度来整定 而中压侧阻抗元件的动作阻抗 应与相邻线路距离保护的动作阻抗相配合 动作时间的整定 为有效保护变压器 高压侧及中压侧I段的动作时间 最长不超过2秒 与相邻元件保护相配合 5 复合电压方向过电流保护 短路故障的后备保护 基本原理 复合电压方向过流保护逻辑图 Uca 负序电压U op 低电压元件的动作电压U2op 负序电压元件的动作电压Iop 电流元件的动作电流 保护动作方程 5 复合电压方向过电流保护 短路故障的后备保护 基本原理 保护由相间功率方向元件 过电流元件及复合电压元件 低电压和负序电压 构成 相间功率方向元件多采用90 接线 其计算功率为 5 复合电压方向过电流保护 短路故障的后备保护 整定建议 方向元件的动作方向 应指向变压器 作变压器或另一侧元件相间短路的后备保护 其他元件的整定同复合电压过流保护 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 变压器过激磁运行时 铁芯饱和 励磁电流急剧增加 励磁电流波形发生畸变 产生高次谐波 从而使内部损耗增大 铁芯温度升高 另外 铁芯饱和之后 漏磁通增大 使在导线 油箱壁及其他构件中产生涡流 引起局部过热 严重时造成铁芯变形及损伤介质绝缘 为确保大型 超高压变压器的安全运行 设置变压器过激磁保护非常必要 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁产生原因 变压器运行时 其输入端的电压为 式中 U 电源电压 W 次绕组的匝数 S 变压器铁芯的有效截面 f 电源频率 B 铁芯中的磁密 由于绕组匝数W和铁芯截面S均为定数 由 1 可以得到 由式 2 可以看出 变压器铁芯中的磁密 与电源电压成正比 与电源的频率成反比 即电源电压的升高或频率的降低 均会造成铁芯中的磁密增大 进而产生过激磁 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁保护判据 理论分析及运行实践表明 为有效保护变压器 其过激磁保护应由定时限和反时限两部分构成 定时限保护动作后作用于告警信号及减励磁 发电机 反时限保护动作后去切除变压器 n 测量过激磁倍数nopL 过激磁倍数低定值 定时限部分启动值nopL 过激磁倍数高定值 反时限部分启动值 保护动作方程 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁保护判据 过激磁保护反时限动作特性 ABB公司生产的反时限过激磁保护动作曲线的方程为 t 动作延时Kt 整定时间倍率 取1 63M 启动倍数 M n noph 联邦德国TU公司采用的反时限过激磁保护动作特性曲线方程为 t 动作延时n 过激磁倍数K1 K2 待定系数 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁保护判据 国内的DGT801的反时限过激磁保护动作曲线为 noph 反时限过激磁保护启动定值tmax 反时限过激磁保护动作长延时 反时限过激磁保护动作特性曲线 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁保护判据 国内生产的微机型过激磁保护的动作逻辑如图 过激磁保护动作逻辑图 由图可以看出 当变压器或发电机电压升高或频率降低时 若测量出的过激磁倍数大于过激磁保护的低定值时 定时限部分动作 经延时t1发信号或作用于减励磁 保护发电机时 若严重过激磁时 则保护反时限部分动作 经与过激磁倍数相对应的延时 切除发电机或变压器 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁保护整定建议 定时限过激磁元件 整定原则 按躲过正常运行时变压器铁芯中出现的最大工作磁密来整定 nopL 定时限元件动作过激磁倍数整定值KH 可靠系数 取1 05KB 返回系数 微机保护取0 95 0 98计算可得 nopL 1 17 1 2 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁保护整定建议 定时限过激磁元件 定时限过激磁元件动作过激磁倍数的整定值 不应超过铁芯的起始饱和磁密与额定工作磁密之比 现代的大型变压器的比值为1 12 1 18 综合上述 定时限元件动作过激磁倍数取1 15是合理的 动作延时可取6 9秒 对于发电机的过激磁保护 当作用于信号并减励磁时 其动作延时尚应考虑发电机的强励时间 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁保护整定建议 反时限过激磁元件 发电机或变压器反时限过激磁保护的动作特性应按与制造厂给出的允许过激磁特性曲线相配合来整定 如图所示 图中 曲线1为发电机或变压器的允许过激磁特性曲线 曲线2为反时限过激磁保护的动作特性曲线 变压器反时限过激磁保护整定图例 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁保护整定建议 反时限过激磁元件 微机保护的反时限过激磁保护通过整定10组离散的坐标点来拟合 定值如下表所示 变压器反时限过励磁保护定值 1 过激磁和过激磁保护 异常运行保护 过激磁保护整定建议 反时限过激磁元件 在对反时限过激磁保护进行实际整定时 应注意以下两点 对于设置在发电机机端的发电机及变压器的过激磁保护 其整定值应按发电机及变压器两者中允许过激磁特性曲线较低的进行整定 在动作特性曲线上尽量多取几个点进行整定 以确保反时限下限的动作值及动作时间的精度 2 中性点间隙保护 异常运行保护 间隙保护的作用是保护中性点不接地变压器中性点绝缘安全的 在变压器中性点对地之间安装一个击穿间隙 在变压器不接地运行时 若因某种原因变压器中性点对地电位升高到不允许值时 间隙击穿 产生间隙电流 另外 当系统发生故障造成全系统失去接地点时 故障时母线PT的开口三角形绕组两端将产生很大的3U0电压 变压器间隙保护是用流过变压器中性点的间隙电流及PT开口三角形电压作为危及中性点安全判据来实现的 2 中性点间隙保护 异常运行保护 保护原理判据 间隙保护原理接线图 2 中性点间隙保护 异常运行保护 保护原理判据 I0 流过击穿间隙的电流 二次值 3U0 PT开口三角形电压U0op 间隙保护动作电压I0op 间隙保护动作电流 保护的动作方程 间隙保护动作逻辑图 2 中性点间隙保护 异常运行保护 保护整定建议 动作电流 当流过击穿间隙的电流大于或大于等于100A时保护动作 即 I0op 间隙保护动作电流nT 间隙CT的变比 动作电压 U0op 间隙保护动作电压 2 中性点间隙保护 异常运行保护 保护整定建议 动作延时 为躲过暂态过电压 间隙保护具有动作延时 一般其值为t 0 3秒 1 三圈自耦变压器的特点 三圈自耦变压器的继电保护 各侧的额定容量不同三卷变压器低压侧的额定容量 由高压侧同中压侧的共公绕组容量决定 比高压侧或中压侧的额定容量要小 高压侧与中压侧之间有电的联系变压器的高压侧与中压侧之间除了磁的耦合之外 尚有电的联系 当高压侧系统或中压侧系统中发生接地故障时 故障电流可直接由非故障系统流入故障系统 三卷自耦变压器运行时 变压器的中性点必须直接接地 高压侧 中压侧与低压侧之间的额定容量之比为 2 三圈自耦变压器的故障特征 三圈自耦变压器的继电保护 自耦变压器高压侧接地故障 自耦变压器接线示意图 变压器高压侧接地故障时的零序等值回路 U0 接地故障点零序电压X0 中 变压器中压侧网络的等值零序电抗I高0 I中0 折算到中压侧的变压器各侧的零序电流X01 X02 X03 变压器高 中 公共及低压侧零序电抗 2 三圈自耦变压器的故障特征 三圈自耦变压器的继电保护 自耦变压器高压侧接地故障 变压器高压侧接地故障时的零序等值回路 变压器中性点电流 2 三圈自耦变压器的故障特征 三圈自耦变压器的继电保护 自耦变压器中压侧接地故障 变压器中压侧接地故障时的零序等值网络 变压器中性点电流 X0 高 变压器高压侧网络的等值零序电抗 变压器零序电流 2 三圈自耦变压器的故障特征 三圈自耦变压器的继电保护 由上式可以看出 当X01 X02 X03 X0 等于K高中 X03时 变压器高压侧接地短路时流经变压器中性点的零序电流等于零 当X01 X02 X03 X0 大于K高中 X03时 变压器高压侧短路时流经变压器中性点的电流方向与高压侧零序电流方向相同 当X01 X02 X03 X0 小于K高中 X03时 变压器高压侧短路时流经变压器中性点的电流与高压侧零序电流方向相反 2 三圈自耦变压器的故障特征 三圈自耦变压器的继电保护 总之 变压器高压侧或中压侧接地故障时 流经变压器中性点零序电流的大小和方向与故障位置有关 与系统的运行方式及参数有关 在某种工况下变压器高压侧接地故障 该电流可能等于零 另外 当变压器的高压侧或中压侧的网路中发生接地故障时 由于两侧的零序电流不相等 在对零序电流无滤去作用的变压器纵联差动保护中将产生很大的差流 该差流实际上等于流经自耦变压器公共绕组中的零序电流 3 三圈自耦变压器的保护配置及整定 三圈自耦变压器的继电保护 保护配置 过负荷保护 由于变压器低压侧的额定容量比其他两侧要小 故容易过负荷 应在该侧设置过负荷保护 当自耦变压器的高压侧或中压侧接有大电源时 由于运行时可能由大电源侧向其他两侧供电 该侧容易过负荷 应设置过负荷保护 当变压器高压侧及中压侧均接有大电源时 应在三侧均装设过负荷保护 3 三圈自耦变压器的保护配置及整定 三圈自耦变压器的继电保护 保护配置 零序差动保护 由于自耦变的高压侧和中压侧均为大电流接地系统 且中压侧与高压侧之间有电的联系及运行时中性点必须接地 因此 装设能保护高压 中压及公共绕组全部而不受空投变压器的影响 且变压器内部接地故障时且有很高动作灵敏度的零序差动保护是适宜的 3 三圈自耦变压器的保护配置及整定 三圈自耦变压器的继电保护 保护配置 零序过电流保护应带方向 由于自耦变压器高压侧与中压侧有电的联系 又有共同的接地中性点 因此 当高压侧系统或中压侧系统发生接地故障时 零序电流将由一个系统流向另一个系统 因此 为确保零序电流保护的选择性 该保护应设置有方向 3 三圈自耦变压器的保护配置及整定 三圈自耦变压器的继电保护 零序方向保护动作方向的整定 变压器低压侧接有大电源 通常为发电机 当自耦变压器低压侧接大型发电机时 其高压侧及中压侧零序方向过流保护的动作方向 应分别指向母线 而作为母线及出线接地故障的后备保护 这是因为 发电机的后备保护对变压器的内部故障有足够的灵敏度 3 三圈自耦变压器的保护配置及整定 三圈自耦变压器的继电保护 零序方向保护动作方向的整定 低压无电源而主电源在高压侧 目前 我国的超高压大型变电站 其主电源大都在高压侧 低压侧及中压侧一般无电源 或接有容量很小的地方电站 此时 当变压器高压侧线路上发生接地故障时 流经变压器的电流为很小的零序电流 而当变压器内部或中压侧发生接地故障时 故障电流很大 此时 如不迅速切 将损坏变压器 为有效保护变压器 高压侧零序电流方向保护的动作方向应指向变压器 作为变压器内部接地及中压侧接地故障的后备保护 1 超饱和及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 变压器在首次空冲以带负荷合闸的时 可能会产生超饱和现象 以感性负载为例 超饱和现象 变压器带负载合闸 变压器有载合闸电路模型 1 超饱和及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 超饱和现象 变压器带负载合闸 利用拉普拉斯变换和反变换求解微分方程可得 1 超饱和及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 超饱和现象 变压器带负载合闸 变压器带负载合闸时磁通会产生两个衰减的直流分量 在某些情况下磁通可能远远大于稳态磁通 使变压器处于超饱和状态 产生更大的涌流现象 1 超饱和及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 超饱和现象 直流电阻测试 由于特殊的检修工艺 220kV变压器在投运前 进行直流电阻测试后 没有进行正确的消磁 引起变压器的剩磁较大 也可能使得变压器在首次空载合闸时进入深度饱和区域 和应涌流 变压器在线路故障切除重合闸的过程中由于下级变压器剩磁通方向相同 在重合闸的过程中 产生了很大的串联型和应涌流 引起上级变压器的磁通可能完全进入深度饱和区域 1 超饱和及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 保护误动分析 变压器进入超饱和时 励磁涌流波形特征将发生变化 以剩磁过大引起超饱和为例 变压器深度饱和示意图 由图可知 由于剩磁较大 变压器工作点几乎逼近饱和点 如果此时发生0 合闸 变压器的磁链大部分时间工作在饱和点以上 导致涌流的间断角变小 二次谐波也减小 间断角和二次谐波制动元件将失效 较大的差流将引起差动保护误动 2 和应涌流及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 在电网中邻近的并联或串联变压器之间 已经工作的变压器由于其他变压器的合闸也可能会产生涌流的现象 该涌流在合闸变压器涌流持续一段时间后才产生 偏向时间轴的另一侧 然后逐渐增大 达到最大值后又逐渐衰减 这个涌流被称为和应涌流 2 和应涌流及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 产生机理 以并联变压器为例 设T2空载运行 T1投入后 T2的磁通满足 一个周期后 磁通变化为 对于T1有 变压器并联电路图 2 和应涌流及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 产生机理 由以上两式可得 由此可见 T1的涌流在T2中产生了偏磁 变压器并联电路图 2 和应涌流及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 和应涌流特点 和应涌流是在空载合闸变压器产生的初始涌流之后的一段时间才出现 并由小到大 再逐渐衰减 和应涌流与初始涌流偏向于不同的时间轴侧且交替出现 和应涌流的出现使得初始涌流衰减变慢 持续时间加长 和应涌流的最大值小于初始涌流的最大 2 和应涌流及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 保护误动分析 和应涌流中二次谐波与基波的比值相对较小 并且不是在和应涌流最大时最大 所以采用通常的二次谐波闭锁条件不能完全闭锁 会使保护误动 和应涌流本身应不是导致差动保护误动的主要原因 而其中含有的较大的直流衰减分量 可能使变压器两侧的电流互感器发生暂态饱和 产生差流 导致保护误动 2 和应涌流及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 保护误动分析 案例分析 变压器与多电源相连运行实例 变压器T1正常运行 变压器T2由110kV系统侧通过102开关充电 导致运行变压器差动保护误动作 2 和应涌流及其引起的误动分析 铁芯饱和的相关问题 保护误动分析 误动原因分析 由保护装置的录波及谐波分析结果可以看出 发电机侧的电流接近于正弦波 而110kV侧的电流含有涌流的特征 尤其是C相电流 因此可判断此时110kV侧系统向运行变压器T1提供了和应涌流电流 并联和应涌流占主要 成分 对比各侧电流波形 可看出110kV侧电流互感器饱和相对严重 三相差流中的二次谐波比都低于20 C相差流接近正弦波使其二次谐波比低于15 二次谐波原理判据无法闭锁而使差动保护误动 此时差流中的三次谐波含量也很低 不到5 即使保护配置基于三次谐波的电流互感器饱和判据也起不到闭锁作用 3 单极 大地运行方式对变压器保护的影响 铁芯饱和的相关问题 4 磁通制动 不适合三相一体的变压器 铁芯饱和的相关问题 制动原理 变压器的等值网路 L1 L2 变压器原边与副边漏感M 变压器激磁电感i1 i2 变压器两侧电流u1 u2 变压器两侧电压iM 变压器激磁电流 由图可得到变压器的电势简化方