第五章电力变压器的继电保护..ppt

第六章电力变压器的继电保护 故障类型 不正常运行状态保护方式及保护配置瓦斯保护差动保护电流 电压保护 电力变压器 330KV变压器 220KV变压器 500KV变压器 110KV变压器 套管 第一节电力变压器的继电保护 电力变压器是电力系统中大量使用的重要电器设备 它的故障对供电的可靠性和系统的正常运行带来严重后果 同时大容量变压器也是非常重要的元件 因此 必须根据变压器容量和重要程度装设性能良好 动作可靠的保护 一 电力变压器的故障 相间短路油箱内接地短路匝间短路油箱内部故障对变压器来说是非常的危险 高温电弧不仅会烧毁绕组和铁芯 而且还会使变压器油绝缘受热分解产生大量气体 引起变压器油箱爆炸的严重后果 相间短路油箱外接地短路 套管和引线 变压器故障按严酷程度分类根据变压器故障程度不同 对不同故障模式进行严酷程度分类 1 类灾难性 变压器爆炸或完全损坏 2 类致命性 变压器性能严重下降或严重受损 必须立即停运 3 类临界性 变压器性能轻度下降或轻度受损 4 类轻度性 不甚影响变压器运行但要进行非计划检修 变压器故障按原因分类对变压器故障的原因 基本上可以做如下分类 1 制造 制造工艺不良 设计不合理 材料质量不良 异物进入 杂质 2 维护 维护不当 受潮 操作失误 振动 3 环境 外部短路 雷电侵袭 自然损坏 4 其它 二 不正常运行 过电流 过电压 过负荷 油面降低 过励磁等 三 保护配置 1 瓦斯保护 800KVA的油浸式Tr 400KVA的车间内Tr反映变压器油箱内部各种短路故障和油面降低 三 保护配置 2 纵差动保护 反映变压器绕组和引出线的相间短路 以及中性点直接接地电网侧绕组和引线的接地短路及绕组匝间短路 应装设纵差保护或电流速短保护一般 并列运行变压器 6300KVA单独运行变压器 10000KVA重要单独运行变压器 6300KVA都应装设差动保护 2000KVA变压器的电流速断保护Klm不够时 也装设差动保护 三 保护配置 3 电流速断保护 10000KVA变压器且过电流保护时限大于0 5S时当灵敏度不满足要求时 宜装设纵差保护 4 外部相间短路引起过电流时应采取的保护 1 过电流保护 用于降压Tr 2 低电压起动的过电流保护 3 复合电压起动的过电流保护 升压Tr及 1 的Klm不够的降压Tr 4 负序电流及单相式低电压起动的过电流保护 大容量升压Tr及联络Tr 5 阻抗保护 对升压Tr和系统联络Tr当Klm及选择性不够时采用 三 保护配置 5 外部接地短路时应采取的保护 1 零序电流保护 直接接地系统 2 零序方向电流保护 直接接地系统 有选择性要求 3 零序过电压保护 中性点装放电间隙的加零序电流保护 Tr部分接地 部分不接地 当接地变压器跳闸后 不接地变压器继续带电运行时装设相应保护 三 保护配置 6 过负荷保护并列运行变压器 备用变压器等保护接于一相流上延时作用于发信号 必要时自动减负荷或跳闸7 过励磁保护对于由于频率降低和电压升高等原因而引起的励磁电流升高允许范围内 发信号超过允许值 跳闸8 其它保护温度 压力 冷却系统等 导致变压器过励磁的原因有一 电力系统由于发生事故 而解列 造成系统中某一部分因大量甩负荷使变压器电压升高 或由于发电机自励磁引起过电压 二 由于发电机铁磁谐振过电压 使变压器过励磁 三 发电机变压器组在与系统并列之前 由于误操作 附加了较大励磁电流 造成变压器过励磁 四 发电机起动过程中 转子在低速下预热时 或双轴发电机低频下并列后 误将发电机电压升到额定值 从而使变压器因低频而过励磁 五 在切除机组过程中 主气门关闭 出口断路器断开 而灭磁开关拒动 此时由于原动机减速 自动励磁装置力求保持机端电压 从而造成变压器低频过励磁 事实上 正常运行情况下 突然甩负荷也会引起变压器过励磁的这是由于励磁调节系统和原动机调速系统都是由惯性环节组成 突然甩负荷后电压迅速上升 而频率上升缓慢 则电压频率比U f上升 从而使变压器过励磁 第二节 变压器的瓦斯保护 瓦斯保护的原理瓦斯保护的构成瓦斯保护的接线 一 原理 油箱内部发生故障 包括匝间短路 经电阻的接地等轻微故障 故障点电流 电弧 变压器油及其它绝缘材料受热分解 产生气体 流向油枕的上部 当故障严重时变压器油迅速膨胀产生大量的气体 气体夹杂着油流冲向油枕的上部 反映上述气体或油流而动作的保护 瓦斯保护1 气体与油的混合物 重 严重故障 反应油流速度跳闸2 气体与油的混合物 轻 不正常or少数匝间 气体体积发信号 轻瓦斯 反应油面降低 匝数很少的匝间故障重瓦斯 严重故障跳闸特点 内部保护之一 反应油箱内部故障H2 潮气CO CO2 固体绝缘材料分解C2H2 放电故障CH4 C2H4 过热性通过瓦斯气体分析 诊断变压器潜伏性故障 二 瓦斯继电器 1 瓦斯继电器安装图瓦斯保护主要是由瓦斯继电器组成 它安装在油箱与油枕之间的管道上 油枕 2 瓦斯继电器 1 构成 2 原理正常轻微故障严重故障轻微漏油严重漏油 下开口杯 上开口杯 干簧触点 永久磁铁 永久磁铁 进油挡板 平衡锤 平衡锤 放气阀 探针 支架 挡板 三 瓦斯保护的原理接线 1 原理接线图 2 说明 1 BCJ 自保持中间继电器 动作后由DL辅助触点来解除出口回路的自保持防止抖动2 信号继电器3 换油时使用3 瓦斯继电器1 轻 发重 跳4 瓦斯保护的动作过程 四 评价 1 优点 动作快 灵敏度高 接线简单 能反应油箱内任何故障2 缺点 可靠性不太高 仅能反应油箱内故障 不能反应油箱以外的套管及引出线等部位上的故障 瓦斯保护可作为变压器的主保护之一 第三节 变压器的电流速断保护 电流速断保护的原理电流速断保护的整定计算 一 原理 是反应电流增大而瞬时动作的保护装于Tr的电源侧 对Tr及其引出线上的各种短路进行保护 为保证选择性只能保护Tr的一部分 一般是保护Tr的原绕组 适用于小容量的Tr 且过流保护时限大于0 5S时 二 整定计算 1 躲过Tr负荷侧出口d1点短路时的最大短路电流来整定2 躲过励磁涌流 根据实际经验及实际数据 一般取取1 2中的较大者作起动电流 二 整定计算 3 灵敏度校验按变压器原边d2点短路时整定4 评价优点 简单迅速缺点 只能保护Tr的一部分 第四节变压器的纵差动保护 纵差动保护原理不平衡电流产生的原因及防止措施整定计算差动继电器的原理及结构 一 问题的提出 电流速断保护Klm不够瓦斯保护只能反应油箱内部故障 二 原理 1 正常和外部故障时 2 内部故障 三绕组变压器相同 3 保护特点 保护整个变压器 与其它保护无配合关系 可实现整个Tr的快速保护 与运行方式无关 必须选择合适的CT变化使与接近 即 变压器变比 即提高Klm的关键 如何减小IbP成为纵差保护的关键 三 不平衡电流产生的原因及消除方法 1 稳态不平衡电流IbP 1 由于CT变比与标准变比不一致产生 计算变比与实际变比不同 原因 确定 此情况较难满足 消除方法P175图6 5 采用通过速饱和铁芯的差动继电器的平衡线圈WPh来消除 Wcd 差动线圈WPh 平衡线圈W2 工作线圈Wd Wd 短路线圈 设 WPh接到二次侧计算小的一侧 2 由于Y 变压器接线方式产生的 Y d11变压器接线 2 由于Y 变压器接线方式产生的P174图6 4 3 由于变压器带负荷调整分接头而产生的IbP在整定中加以考虑 4 两个CT特性不同而产生的IbP尽量选用同型CT 此时Ktx 1 2 暂态不平衡电流IbP 1 外部故障时短路电流暂态非同期分量引起的IbP非周期分量使CT饱合由于饱和特性不同IbP较大 1 外部故障时短路电流暂态非同期分量引起的IbP曲线1 互感器2次侧感应非周期分量电流曲线2 总的电流 曲线3 铁芯饱和以后电流的周期分量 曲线4 短路电流中衰减的非周期分量可见其中含有较大的直流分量 消除措施 采用速饱和变流器因为暂态不平衡电流中含有较大的直流分量 直流分量电流使速饱和变流器饱和 这时 交流分量电流难于转换到速饱和变流器的副边 差动继电器不会动作 但加入速饱和变流器 以后当内部故障时 必须等到非周期分量衰减后才能动作 增加了保护动作时间 2 由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流IbP 正常情况下励磁电流只存在于变压器的某一侧 此电流一般不超过额定电流的2 10 在外部故障时 由于电压降低 励磁电流减小 其影响就更小了 在保护中可以不用考虑 空载投入变压器和外部故障切除后电压恢复时产生励磁涌流 6 8 Ie 励磁涌流的大小和衰减与外加电压相位 剩余 大小方向 电源容量大小 Tr容量大小及铁芯性质等有关 励磁涌流的产生及变化曲线 1 稳态工作时 2 空载合闸时 3 励磁涌流的构成非周期分量高次谐波励磁涌流的大小和衰减与外加电压相位 剩余 大小方向 电源容量大小 Tr容量大小回路阻抗及铁芯性质等有关 对于大型的变压器 其励磁涌流衰减相当慢 例如50MVA以上变压器 涌流衰减到最大峰值的50 需要时间长达几秒到几十秒 典型励磁涌流记录波形 励磁涌流的特点 P173 只在电源侧出现且倍数不确定 含非周期分量且往往使涌流偏于时间轴一侧 含有大量二次谐波 含间断角防止措施 内部故障存在动作延时 等非周期分量衰减后再动作 采用具有饱和铁芯的差动继电器 鉴别短路电流与励磁涌流的差别 利用二次谐波制动等 问题 以上影响不平衡电流的因素哪些可以消除 哪些是不可能消除 四 整定计算 1 整定原则原则一 躲CT二次侧断线时产生的电流及躲最大负荷电流Kk 1 3原则二 躲外部短路时最大不平衡电流IbpmaxKk 1 3稳态最大不平衡电流 见P176 原则三 躲励磁涌流当采用波形鉴别或二次谐波制动的原理构成时 无须在考虑励磁涌流的影响 当采用速饱和铁芯的继电器时一般 但都必须经过现场空载合闸实验 2 灵敏度的校验注 单侧电源供电系统最小运行方式 Tr发生短路时的最小短路电流 即使灵敏系数满足要求纵差保护也不能反应匝间故障和轻微故障 五 几种差动继电器 1 带有速饱和变流器的差动继电器BCH 2 1 速饱和变流器的工作原理P177图6 6原理 非周期分量不易通过速饱和变流器而变换到二次侧作用 防止暂态过程中不平衡电流 非周期分量 的影响 2 速饱和变流器的工作原理P177图6 6缺点 非周期分量衰减后才能动作 增加了保护动作时间Tr容量越大 衰减越慢导致t增大越不利 3 带加强型速饱和变流器的差动继电器结构 组成见图6 6 d BCH一2型差动继电器由电磁型电流继电器 三柱铁芯和几个线圈组成 如图所示 两边柱铁芯截面较小 是中间柱铁芯截面的一半 易于饱和 在中间柱上绕有四个线圈 差动线圈Wcd 两个平衡线圈Wph 两个短路线圈Wd 工作线圈W2 短路线圈 加强躲非周期分量的能力 更易躲暂态过程中的不平衡电流和励磁涌流 4 BCH 2接线 BCH 2型差动继电器直流助磁特性曲线 工作绕组接入保护的差动回路 平衡绕组可以按照实际需要接入环流回路或工作回路 短路绕组可根据保护不同的设备来选用A A B B C C D D 自学利用BCH 2型差动继电器构成的变压器差动保护的整定计算参考书 电力系统继电保护 孙国凯等中国水利水电出版社P125 129 例题1 如下图所示 一单独运行的变压器 采用BCH 2型纵差动保护 其中CT变比有100 150 200 250 500 750 1000 5A BCH 2动作安匝为60 求 整定电流 差动线圈匝数 平衡线圈匝数和灵敏度 解题步骤 1 计算变压器一次电流 选出CT变比 确定二次回路额定电流 选出基本侧 2 计算变压器基于基本侧电压的阻抗 计算外部最大短路电流 3 进行计算 1 躲过最大不平衡电流 2 躲过励磁涌流 3 躲过CT二次断线 4 基本侧差动线圈匝数的确定 5 确定平衡线圈的匝数 基本侧和非基本侧 6 计算平衡线圈匝数产生的相对误差4 计算灵敏系数 解 1 基本计算 2 计算最大短路电流 归算到10 5KV侧 3 按躲外部短路时的最大不平衡电流整定 4 按躲励磁涌流来整定 5 按躲互感器二次断线整定 6 基本侧动作线圈匝数的确定 7 确定110KV侧平衡线圈的匝数 8 计算由平衡线圈误差引起的计算误差 9 灵敏度的校验 例题2 2 具有磁力制动的差动继电器BCH 1P178能可靠躲开外部故障时的IbP 并提高内部故障时的Klm 1 原理 在1的基础上增加制动线圈 利用外部故障时的短路电流来实现制动 即Idz随制动电流变化 具有消除不平衡电流和励磁涌流中非周期分量的影响 2 构成及连接方式 WZh Wg W2 WPh 具有磁力制动的差动继电器BCH 1 3 工作过程 最小起动电流 当Wzh中无电流时使继电器动作的最小工作电流 制动特性曲线P179图6 8 制动系数 为防止继电器拒动 制动磁势 不可过大 4 整定 任何时候 都不会误动 5 如何提高Klm 变压器内部故障B侧无电源Wzh中无电流Ig Id 5 如何提高Klm A B侧电源相等 交点b b点以后均能动作 曲线4在3之上 5 如何提高Klm A侧无电源 最不利情况 C点以后均能动作 制动线圈原则上接于无电源或小电源的一侧以便提高灵敏度 6 BCH 1接线原理 3 具有比率制动和二次谐波制动的差动继电器 1 继电器的构成及工作原理 比率制动 穿越电流制动 回路Uzh1 二次谐波制动回路UZh2 总制动回路 工作回路 执行回路幅值比较式继电器 2 继电器工作特点分析 正常及外部故障 励磁涌流的作用 双侧电源保护范围内部故障 单侧电源保护范围内部故障 最不利的工作情况 第五节 变压器的电流和电压保护 变压器的过电流保护低电压起动的过电流保护复合电压起动的过电流保护负序过电流保护 一 作用 近后备 主保护后备瓦斯和纵差远后备 相邻元件后备母线和出线保护的后备 二 变压器的过电流保护 1 原理同线路定时限过电流保护相同 按躲最大负荷电流整定 2 接线 降压变压器 考虑电机自起动 动作时间的整定 4 特点 接线简单 可靠性高 但Klm 三 低电压起动的过电流保护 1 原理电压 电流元件同时启动后启动延时保护跳闸 2 接线低压元件作用 保证上述一台Tr突然切除或电机自起时不动作 低压元件起动值应小于正常情况下 母线可能出现的最低工作电压 且外部故障切除后电机自起动的过程中必须返回 一般 低压元件灵敏系数的校验 Udmax为最大运行方式下 相邻元件末端三相短路时保护安装处最大线电压 电流元件灵敏系数的整定同上 说明 升压Tr一般装两套低压元件 触点并联任一动作动作 PT断线监视信号 特点 提高了Klm即Idz 四 复合电压起动的过电流保护 是低电压起动过电流保护的发展三个低电压继电器改为一个负序电压继电器和一个接于线电压上的低电压继电器组成1 原理按线P185图6 14 2 工作原理 1 两相短路情况 2 三相短路情况 3 整定 Idz UdZ同低电压起动的过电流保护 负序电压U2 dZ整定 按躲正常运行方式下负序过滤器出现的最大不平衡电压整定 一般取 U2 dZ 0 06 0 12 Ue B UdZ 0 5 0 6 Ue B 4 特点 1 负序电压整定值小 不对称短路时电压元件Klm 2 电压元件的工作情况与变压器接线方式无关 3 K 3 可提高Klm 因为低电压继电器的返回系数 1 4 接线简单 5 对大容量Tr当Klm远不够时采用负序过电流保护 五 负序过电流保护 对于大型发电机变压器组 额定电流大 电流元件往往不能满足远后备灵敏度的要求 它是由反应对称短路的低电压起动的过电流保护和反应不对称短路的负序电流保护组成 1 原理接线 2 整定计算 负序电流继电器的一次动作电流按以下条件选择 1 躲开变压器正常运行时负序电流滤过器出现的最大不平衡电流 其值为I2 DZ 0 1 0 2 Ie B 2 躲开线路一相断线时引起的负序电流 3 与相邻元件负序电流保护在灵敏度上相配合 3 灵敏度校验 Id 2 min 在远后备校验点发生不对称短路时 流过保护的最小负序电流 4 特点 1 负序电流保护的灵敏度较高 且在Y d接线的变压器另一侧发生不对称短路时 灵敏系数不受影响 2 接线也较简单 3 整定计算比较复杂 4 通常用在31 5MVA及以上的升压变压器 六 变压器过负荷保护 1 保护原理变压器过负荷在大多数情况下都是三相对称的 故保护装置只采用一个电流继电器接于一相上 并经一定延时作用于信号 来反映对称过负荷 过负荷保护的装配原则 应能反映变压器各侧绕组的过负荷情况 1 对于双绕组变压器对于双绕组升压变压器 过负荷保护装于低压侧 而对于双绕组降压变压器 则装于高压侧 2 对于三绕组变压器单侧电源三绕组降压变压器 若三侧绕组容量相同 过负荷保护装在电源侧 若三侧绕组容量不相同 则只有电源侧和绕组容量较小的一侧装设过负荷保护 两侧电源的三绕组降压变压器或联络变压器 三侧均装设过负荷保护 一侧无电源的三绕组升压变压器 过负荷保护应装于发电机电压侧和无电源侧 当三侧都有电源时 各侧均装设过负荷保护 简单 双绕组变压器 电源侧 三双绕组变压器 三侧都装 2 接线 3 整定计算 第六节变压器的零序电流保护 对于110KV以上中性点直接接地系统中的电力变压器 一般应装设零序电流保护作为变压器主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护 大接地电流系统发生接地故障 零序电流的大小和分布与系统中变压器中性点接地的位置和数量有关 为使整个系统在各种运行方式下零序电流的大小和分布基本不变 零序保护范围稳定 要求整个系统内变压器中性点接地的位置和数量不变 对单台变压器的变电所变压器中性点要求接地 对多台变压器的变电所要求变压器的中性点部分接地 如两台变压器的变电所 要求一台变压器中性点接地 另一台中性点不接地运行 当接地的变压器退出工作时 另一台变压器中性点接地 以保证系统在运行中接地点的位置和数量不变 一 中性点直接接地运行变压器的零序保护 1 原理与接线中性点直接接地运行变压器可配置两段式零序电流保护 其原理图如图所示 每段都有两个时限 每段动作后都以较小时限t1 t3断开母线联络断路器或分段断路器DL 以减少故障范围 以较长时限t2 t4断开变压器高压侧断路器1DL 2 整定计算 1 零序 段零序 段动作电流与相邻元件零序 段配合整定 即I dz o KphKfzI dz o x式中Kph 配合系数 取1 1 1 2 Kfz 零序电流分支系数 其值为在最大运行方式下 相邻元件 段保护范围末端发生单相接地短路时 流过保护的零序电流与流过相邻元件零序电流之比 I dz o x 相邻元件零序 段电流保护动作电流 零序 段动作时限与相邻元件零序 段时限配合整定 一般取tdz t下 t t下 0 5 2 零序 段 零