变压器保护 华东电网出的教材

第十一章第十一章 变压器保护变压器保护 第一节 概述 变压器是电力系统重要的主设备之一 在发电厂通过升压变压器将发电机电压升高 而由输电线路将发电机发出的电能送至电力系统中 在变电站通过降压变压器再将电能送 至配电网络 然后分配给各用户 在发电厂或变电站 通过变压器将两个不同电压等级的 系统联起来 该变压器称作联络变压器 一 变压器的基本结构及接线组别 电力变压器主要由铁芯及绕在铁芯上的两个或三个绝缘绕组构成 为增强各绕组之间 的绝缘及铁芯 绕组散热的需要 将铁芯及绕组置于装有变压器油的油箱中 然后 通过 绝缘套管将变压器各绕组引到变压器壳体之外 另外 为提高变压器的传输容量 在变压器上加装有专用的散热装置 作为变压器的 冷却之用 大型电力变压器均为三相三铁芯柱式变压器或由三个单相变压器组成的三相组式变压 器 将变压器同侧的三个绕组按一定的方式连接起来 组成某一接线组别的三相变压器 双卷电力变压器的接线组别主要有 YN y YN d D d 及 D d d 理论分析表明 接线组别为 Y y 的变压器 运行时某侧电压波形要发生畸变 从而使变压器的损耗增加 进而使变压器过热 因此 为避免油箱壁局部过热 三相铁芯变压器按 Y y 联接的方式 只适用于容量为 1800KVA 以下的小容量变压器 而超高压大容量的变压器均采用 YN d 的接 线组别 在超高压电力系统中 YN d 接线的变压器 呈 YN形联接的绕组为高压侧绕组 而呈 d 形联接的绕组为低压侧绕组 前者接大电流系统 中性点接地系统 后者接小电流系统 中性点不接地系统 在实际运行的变压器中 在 YN d 接线的变压器的接线组别中 以 YN d11为最多 YN d1及 YN d5的也有 YN d11接线组别的含意是 a 变压器高压绕组接成 Y 型 且中性点接地 而低压侧 绕组接成 d b 低压侧的线电压 相间电压 或线电流分别滞后高压侧对应相线电压或 线电流 3300 3300相当于时钟的 11 点钟 故又称 11 点接线方式 同理 YN d1及 YN d5的接线组别 则表示 d 侧的线电流或线电压分别滞后 Y 侧对应相 线电流或线电压 300及 1500 相当时钟的 1 点及 5 点 分别称之为 1 点接线及 5 点接线方 式 在电机学中 对变压器各绕组之间相对极性的表示法 通常用减极性表示法 YN d11 YN d1及 YN d5接线组别变压器各绕组接线 相对极性及两侧电流的向量关系 分别如图 11 1 图 11 2 及图 11 3 所示 A a IA B I IC c IIb a I I abI I c BC c b b c CB c I I b a I Ia b IIc C I IBA I a A a 接线方式 b 接线方式 AI aI Ia CI cI Ic I a c I IB I b b I 30 30 30 bI 中 9 4 Ib 30 30 30 I c b I B I I b a I cI I c IC a I I a IA b 向量图 b 向量图 图 11 1 YN d11变压器绕组接线方式 图 11 2 YN d1变压器组接线方式及 及两侧电流向量图 两侧电流向量图 a A I B I C I a I b I b c a I b I c I A C B I c AI aI Ia CI cI Ic I a b I IB I b c I 30 30 30 bI a 接线方式 b 向量图 图 11 3 YN d5变压器绕组接线方式及两侧电流向量图 在上述各图中 变压器高压侧三相电流 A I B I C I 变压器低压侧三相电流 a I b I c I 各绕组之间的相对极性 由图可以看出 YN d11接线的变压器 低压侧三相电流 分别滞后高压侧三 a I b I c I 相电流 3300 YN d1接线的变压器低压侧三相电流 分别滞后高压 A I B I C I a I b I c I 侧三相电流 300 YN d5接线的变压器 低压侧三相电流分别滞后高压侧三相电 A I B I C I 流 1500 A I B I C I 二 变压器的故障及不正常运行方式 1 变压器的故障 若以故障点的位置对故障分类 有油箱内的故障和油箱外的故障 1 油箱内的故障 变压器油箱内的故障 主要有各侧的相间短路 大电流系统侧的单相接地短路及同相 部分绕组之间的匝间短路 2 油箱外的故障 变压器油箱外的故障 系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 大电流侧的接地故障 低压侧的接地故障 2 变压器的异常运行方式 大型超高压变压器的不正常运行方式主要有 由于系统故障或其他原因引起的过负荷 由于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等 三 变压器保护的配置 变压器短路故障时 将产生很大的短路电流 使变压器严重过热 甚至烧坏变压器绕 组或铁芯 特别是变压器油箱内的短路故障 伴随电弧的短路电流可能引起变压器着火 另外短路电流产生电动力 可能造成变压器本体变形而损坏 变压器的异常运行也会危及变压器的安全 如果不能及时发现及处理 会造成变压器 故障及损坏变压器 为确保变压器的安全经济运行 当变压器发生短路故障时 应尽快切除变压器 而当 变压器出现不正常运行方式时 应尽快发出告警信号及进行相应的处理 为此 对变压器 配置整套完善的保护装置是必要的 1 短路故障的主保护 变压器短路故障的主保护 主要有纵差保护 重瓦斯保护 压力释放保护 另外 根 据变压器的容量 电压等级及结构特点 可配置零差保护及分侧差动保护 2 短路故障的后备保护 目前 电力变压器上采用较多的短路故障后备保护种类主要有 复合电压闭锁过流保 护 零序过电流或零序方向过电流保护 负序过电流或负序方向过电流保护 复合电压闭 锁功率方向保护 低阻抗保护等 3 异常运行保护 变压器异常运行保护主要有 过负荷保护 过激磁保护 变压器中性点间隙保护 轻 瓦斯保护 温度 油位保护及冷却器全停保护等 第二节第二节 故障量经变压器的传递故障量经变压器的传递 当变压器某侧系统中发生故障时 变压器非故障侧各相电流的大小 相位及其他特点 除与故障侧故障类型 严重程度有关之外 尚与变压器的接线方式有关 在变压器保护配置设计及分析保护的动作行为时 必须知道变压器故障时其两侧故障 电流的大小及相位关系 以下介绍故障电流及故障电压经 YN d11 YN d1及 YN d5接线组别的变压器传递 一 简化假设 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 1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 2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 3故障点在变压器输出端部 忽略有功分量的影响 阻抗角为 900 二 YN d11变压器高压侧单相接地短路 1 边界条件及对称分量 设变压器高压侧 A 相发生金属性接地短路 故障电流为 IK 则故障点的边界条件为 0 CB II KA II 0 A U 设 A 相各序量电流及各序量电压分别为 及 则根据边 1A I 2A I AO I 1A U 2A U AO U 界条件可求得各序量 KCBAA IIaIaII 3 1 3 1 2 1 KCBAA IIaIaII 3 1 3 1 2 2 KCBAA IIIII 3 1 3 1 0 0 021 AAA UUU 在上述各式中 旋转因子 a 0 120j ea 可得 11 1 1A I 2A I AO I K I 3 1 11 2 1A U 2A U AO U 11 3 KAA KAA KA IXIXU IXIXU IXXU 0100 2122 021 3 1 3 1 3 1 在式 11 3 中 系统对故障点的等效零序电抗 0 X 系统对故障点的等效负序电抗 2 X 2 变压器高压侧电压及电流向量图和序量图 若以 A 相的正序电压为参考向量 置于纵坐标轴上 根据式 11 1 11 3 1A U 并考虑到零序电抗通常大于负序电抗 可绘制出变压器高压侧的电流 电压的序 0 X 2 X 量图及向量图 如图 11 4 所示 UA1 B1 U UC1 A2 U UB2 C2 U UB C U UA0 B0 UUC0 中 9 7中a中 IA K I IB0A0 I C0 I IA2 IA1 A0 I C2 IIB1 C1 IIB2 0 CB II a 电压序量及向量图 b 电流序量及向量图 图 11 4 YN d11变压器高压侧 A 相接地故障点的电压 电流序量图及向量图 由图 11 4 可以看出 当变压器高压侧单相接地短路时 其他两非故障相的电压不会降 低 但两相电压之间的相位差要发生变化 其变化的大小和方向与负序电抗及零序电 2 X 抗的相对大小有关 不计负荷电流影响时 0 X0 CB II 3 变压器低压侧电压 电流的序量图和向量图 由于变压器的接线组别为 YN d11 根据序量经变压器传递原理知 变压器 Y 侧的正序 电压和正序电流向 d 侧传递时 将逆时针移动 300 而负序电压和负序电流向 d 侧传递时 将顺时针移动 300 Y 侧的零序电压和零序电流不会出现在变压器 d 侧的输出端 即 d 的线 电压和线电流中不会出现零序电压及零序电流 根据图 11 4 及序量经变压器传递原理 并以高压侧的为参考向量 绘制出的变压 1A U 器 侧电压 电流的向量图及序量图如图 11 5 所示 Ub b1 UUb2 Ua1 a U Uc a2 U Uc2 9 8中a中 中 b2 I Ia1 Ia2 a I Ib1 Ic1 Ic2 Ic 中 9 8中b中 a 电压向量及序量图 b 电流向量及序量图 图 11 5 YN d11变压器高压侧 A 相接地短路时 d 侧电压 电流序量图和向量图 由图 11 5 可以看出 YN d11变压器高压侧 A 相发生单相接地故障时 低压侧故障相的后 序相 b 相 电流等于零 而电压最高 其他两相 a 相和 c 相 电流大小相等 方向相反 4 低压侧电压和电流大小的计算 1 低压侧电流 KKca IIII 3 3 30cos 3 2 0 0 b I 2 低压侧的电压 2 3 3 02202 XX I XXX I U KK b 2 002 2 2 33 3 XXXX I UU K ca 三 YN d11变压器高压侧 B C 两相接地短路 1 边界条件及对称分量 当变压器高压侧 B C 两相接地短路时 设短路电流为 可得故障点的边界条件为 K I 0 A I 0 CB UU 将该边界条件用对称分量表示 可得 11 4 3 021 A AAA U UUU 11 5 021AAA III 2 高压侧电压 电流向量图和序量图 根据式 11 4 和式 11 5 并以参考向量 置于纵坐标上 则可绘制出故障 1A U 点电压 电流的向量图和序量图 如图 11 6 所示 0 CB UU UA1 A2 UUA0 B0 UUC 0 A1 UUA3 C 2 U UB1 C 1 U UB2 A2 IIA1 Z Z 0 2 A0I IB0 C 0 I IB2 C 2 I B1 I IC 1 kB I IkC a 电压向量图及序量图 b 电流向量图及序量图 图 11 6 YN d11变压器高压侧 B C 两相接地短路时高压侧电压 电流向量图和序量图 b2 U Uc1 b1 U Uc2 a1 U Uc Ua2 a U a1 I Ia2 b2 I Ic2 Ib1 c1 I Ia bI Ic a 电压向量图及序量图 b 电流向量图及序量图 图 11 7 YN d11变压器高压侧 B C 两相接地短路时低压侧电压 电流向量图和序量图 由图 11 6 b 可以看出 YN d11变压器高压侧 B C 两相发生接地短路时 B C 两相 的电流大小相等 两者之间的相位发生变化 其变化的大小和方向决定于零序电流与负序 电流的相对大小 3 变压器低压侧电压 电流的向量图和序量图 根据图 11 6 所示的向量图 序量图以及序量经 YN d11变压器传递原理 并以正序电压 为参考向量 可以画出变压器高压侧 B C 两相接地短路时 低压侧的电压 电流的序 1A U 量图和向量图 如图 11 7 所示 4 低压侧电压和电流大小的计算 由图 11 7 a 可以看出 当 YN d11变压器高压侧 B C 两相发生接地短路时 变压器 低压侧 B 相电压等于零 即 而 a c 两相电压大小相等 方向相反 其值为0 b U A A ca U U UU 3 3 30cos 3 2 0 由图 11 7 b 可以看出 低压侧 b 相电流最大 其值等于 1 02 0 02 02 1 21 XX X XX XX X E III d bbb 02 02 02 0 02 02 1 1 XX X XX X XX XX X E II d ca 以上各式中 等值电源的电势 d E 分别为系统对故障点的等值正序电抗 负序电抗和 1 X 2 X 0 X 零序电抗 四 YN d1变压器高压侧 B C 两相短路 1 边界条件及对称分量 当变压器高压侧 B C 两相短路时 设短路电流为 故障点的边界条件为 K I 0 A I CKB III CB UU 将该边界条件用对称分量表示 则得 11 6 0 3 3 3 3 3 1 0 2 2 1 A KA KBA I II IIaaI 11 7 22121 0 3 3 0 XIjXjIUU U KAAA A 在式 11 7 中 对故障点的等值负序电抗 2 X 2 变压器高压侧电压 电流的序量图和向量图 根据式 11 6 和式 11 7 并以为参考向量 划出变压器高压侧 B C 两相短路 1A U 时故障点的电压 电流的序量图和向量图 如图 11 8 所示 9 11中a中 中 B2 U UC1 B1 U UC2 A2 UUA1 A U IC C2 I B I IC1 B2 I IA1 B1 I IA2 中 9 11中b中 U C U B UA 2中 9 12中a中 c1 U Ub2 c2 U Ub1 a2 U Ub Ua1 a U Ic c1 IIc2 b2 I Ia1 b1 I Ia2 中 9 12中b中 a IbI a 电压向量图 b 电流向量图 a 电压向量图 b 电流向量图 及序量图 及序量图 及序量图 及序量图 图 11 8 YN d1变压器高压侧 B C 两相短 图 11 9 YN d1变压器高压侧 B C 两相短 路时故障电压 电流向量图及序量图 路时低压侧电压 电流向量图及序量图 根据图 11 8 及序量经 YN d1变压器的传递原理 绘制出的变压器低压侧电压 电流序 量图及向量图 如图 11 9 所示 由图 11 9 可以看出 YN d1变压器高压侧发生 B C 两相短路时 低压侧的 C 相电压等 于零 而 a 相电压和 b 相电压大小相等 方向相反 其值也有降低 低压侧 c 相电流最大 而 a 相电流与 b 相电流大小相等 方向相同 且与 C 相电流相电流相位差为 1800 4 低压侧电压和电流值的计算 1 各相电压 由 11 9 a 可以得出 0 c U AAaa UUUU 2 3 2 3 2 2 1 2 3 2 1 Ab UU 2 3 2 各相电流 由图 11 9 b 可以得出 Ka II 3 3 Kb II 3 3 Kc II 3 32 五 YN d5变压器低压侧两相短路 1 边界条件及对称分量 变压器低压侧无电源 在变压器低压侧发生 b c 两相短路 设短路电流为 则故 K I 障点的边界条件为 0 a I CKB III cb UU 将边界条件用对称分量表示 则得 11 8 0 3 3 3 3 0 22121 21 a Kaaa Kaa U XIjXjIUU III 2 低电压侧电压 电流的序量图和向量图 若以为参考向量 则根据式 11 8 可划出故障点电压 电流序量图和向量图 1a U 如图 11 10 所示 中 2 a U b UcU 9 13中b中 中 a2 I Ib1 a1 I Ib2 c1 I Ib Ic2 c I Ua a1 UUa2 c2 U Ub1 c1 U Ub2 中 9 13中a中 a 电压序量图和向量图 b 电流序量图和向量图 图 11 10 YN d5变压器低压侧 B C 两相短路时电压 电流序量图及向量图 9 14中b中 中 B2 I IA1 B1 I IA2 C2 IIC1 C I UB B2 U A U UB1 A2 U UC1 A1 U UC2 中 9 14中a中 I B I A IC 2中 a 电压序量图和向量图 b 电流序量图和向量图 图 11 11 YN d5变压器低压侧 B C 两相短路时高压侧电压 电流序量图及向量图 3 变压器高压侧电压 电流的序量图和向量图 根据图 11 10 及序量经 YN d5变压器传递定理 可绘制低压侧 b c 两相短路时变压器 高压侧电压 电流的序量图和向量图 如图 11 11 所示 由图 11 11 可以看出 变压器高压侧的 C 相电压 而 A 相电压与 B 相电压大小0 c U 相等 方向相反 C 相电流最大 A 相电流与 B 相电流大小相等 相位相同 而与 C 相电流 相位相反 4 高压侧电压和电流的计算 1 各相电压 0 C U 2 0 1 30cos2XIUUU KaBA 2 各相电流 C 相电流 KC II 3 32 A 相电流等于 B 相电流 KBA III 3 3 第三节第三节 变压器纵差保护变压器纵差保护 一 变压器纵差保护的构成原理及接线 与发电机 电动机及母线差动保护 纵差保护 相同 变压器纵差保护的构成原理也 是基于克希荷夫第一定律 即 0 I 11 9 式中 变压器各侧电流的向量和 I 式 11 9 代表的物理意义是 变压器正常运行或外部故障时 流入变压器的电流等 于流出变压器的电流 此时 纵差保护不应动作 当变压器内部故障时 若忽略负荷电流不计 则只有流进变压器的电流而没有流出变 压器的电流 其纵差保护动作 切除变压器 在以前的模拟式保护中 变压器纵差保护的原理接线如图 11 12 所示 JA JB JC LH1 LH2 abc ABC 图 11 12 变压器纵差保护原理接线图 在图 11 12 中 LH1 LH2 分别为变压器两侧的差动 TA JA JB JC 分别为 A B C 三相的三个分相差动继电器 可以看出 图 11 12 为接线组别为 YN d11变压器的分相差动保护的原理接线图 该接 线图也适用于微机型变压器差动保护 图中相对极性的标号 采用减极性标示法 二 实现变压器纵差保护的技术难点 实现发电机 电动机及母线的纵差保护比较容易 这是因为这些主设备在正常工况下 或外部故障时其流进电流等于流出电流 能满足0 I 的条件 而变压器却不同 变压器 在正常运行 外部故障 变压器空投及外部故障切除后的暂态过程中 其流入电流与流出 电流相差较大或很大 为此 要实现变压器的纵差保护 需要解决几个技术难点 1 变压器两侧电流的大小及相位不同 变压器正常运行时 若不计传输损耗 则流入功率应等于流出功率 但由于两侧的电 压不同 其两侧的电流不会相同 超高压 大容量变压器的接线方式 均采用 YN d 方式 因此 流入变压器电流与流出 变压器电流的相位不可能相同 当接线组别为 YN d11 或 YN d1 时 变压器两侧电流的相 位相差 300 流入变压器的电流大小和相位与流出电流大小和相位不同 则就不可能等于零或 I 很小 2 稳态不平衡电流大 与发电机 电动机及母线的纵差保护相比 即使不考虑正常运行时某种工况下变压器 两侧电流大小与相位的不同 变压器纵差保护两侧的不平衡电流也大 其原因是 1 变压器有激磁电流 变压器铁芯中的主磁通是由激磁电流产生的 而激磁电流只流过电源侧 在实现的纵 差保护中将产生不平衡电流 激磁电流的大小和波形 受磁路饱和的影响 并由变压器铁芯材料及铁芯的几何尺寸 决定 一般为变压器额定电流的 3 8 大型变压器的激磁电流相对较小 2 变压器带负荷调压 为满足电力系统及用户对电压质量的要求 在运行中 根据系统的运行方式及负荷工 况 要不断改变变压器的分接头 变压器分接头的改变 相当于变压器两侧之间的变比发 生了变化 将使两侧之间电流的差值发生了变化 从而增大了其纵差保护中的不平衡电流 根据运行实际情况 变压器带负荷调压范围一般为 5 因此 由于带负荷调压 在 纵差保护产生的不平衡电流可达 5 的变压器额定电流 3 两侧差动 TA 的变比与计算变比不同 变压器两侧差动 TA 的名牌变比 与实际计算值不同 将在纵差保护产生不平衡电流 另外 两侧 TA 的型号及变比不一 也将使差动保护中的不平衡电流增大 由于两侧 TA 变 比误差在差动保护中产生的不平衡电流可取 6 变压器额定电流 3 暂态不平衡电流大 1 两侧差动 TA 型号 变比及二次负载不同 与发电机纵差保护不同 变压器两侧差动 TA 的变比不同 型号不同 由各侧 TA 端子 箱引至保护盘 TA 二次电缆的长度相差很大 即各侧差动 TA 的二次负载相差较大 差动 TA 型号及变比不同 其暂态特性就不同 差动 TA 二次负载不同 二次回路的暂 态过程就不同 这样 在外部故障或外部故障切除后的暂态过程中 由于两侧电流中的自 由分量相差很大 可能使两侧差动 TA 二次电流之间的相位发生变化 从而可能在纵差保护 中产生很大的不平衡电流 2 空投变压器的励磁涌流 空投变压器时产生的励磁涌流的大小 与变压器结构有关 与合闸前变压器铁芯中剩 磁的大小及方向有关 与合闸角有关 此外 尚与变压器的容量 距大电源的距离 即变 压器与电源之间的联系阻抗 有关 多次测量表明 空投变压器时的励磁涌流通常为其额定电流的 2 6 倍 最大可达 8 倍 以上 由于励磁涌流只由充电侧流入变压器 对变压器纵差保护而言是一很大的不平衡电流 3 变压器过激磁 在运行中 由于电源电压的升高或频率的降低 可能使变压器过激磁 变压器过激磁 后 其励磁电流大大增加 使变压器纵差保护中的不平衡电流大大增加 4 大电流系统侧接地故障时变压器的零序电流 当变压器高压侧 大电流系统侧 发生接地故障时 流入变压器的零序电流因低压侧 为小电流系统而不流出变压器 因此 对于变压器纵差保护而言 上述零序电流为一很大 的不平衡电流 三 空投变压器的励磁涌流 1 励磁涌流产生的机理 以单相变压器为例 说明其空投时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 11 10 sin tU at d W m 式中 W 变压器空投侧绕组的匝数 铁芯中的磁通 Um 电源电压的幅值 合闸角 角速率 当频率为 50Hz 314 由式 11 10 可得 11 11 dtt W U d m sin 式 11 11 为一不定积分方程 求解得 11 12 Ct W Um cos 式 11 12 中 C 积分常数 由初始条件确定 当 t 0 时 则 11 13 s m W U C cos 式中 合闸前铁芯中的剩磁通 s 将式 11 13 代入 11 12 并考虑到电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗 11 14 T t smm T t s mm ete W U t W U cos cos cos cos 式是 W Um m T 时间常数 与合闸回路的损耗及感抗有关 式 11 14 中的第一项为磁通的强迫分量 而第二项为磁通的自由分量或衰减的分量 由式 11 14 可以看出 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 剩磁通 s 及决定于合闸角的磁通 cos m 根据式 11 14 及不考虑自由 cos t m 分量衰减并设合闸角剩磁时 在合闸瞬间变压器铁芯中的综合磁通变化曲0 mS 9 0 线如图 11 13 所示的曲线 2 m Ot u s 3 2 1 图 11 13 空投变压器时变压器铁芯中的磁通变化波形 在图 11 13 中 曲线 1 外加电压波形 曲线 2 铁芯中的强迫磁通 或稳定磁通 曲线 3 空投变压器时铁芯中综合磁通波形 可以看出 当初始合闸角等于 00 变压器铁芯中的剩余磁通 0 9 m 时 铁芯中的 s 最大磁通达 2 9 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 m 2 励磁涌流的特点 在某台变压器空投时拍摄的变压器三相励磁涌流的波形如图 11 14 所示 图 11 4 空投变压器的励磁涌流 由图 11 14 可以看出励磁涌流有以下几个特点 1 偏于时间轴一侧 即涌流中含有很大的直流分量 2 波形是间断的 且间断角很大 一般大于 1500 3 由于波形间断 使其在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 若将涌流波形用福里叶级数展开或用谐波分析仪进行测 量分析 不同时刻涌流中二次谐波分量与基波分量的百分比大于 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 另外 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和电感 有关 3 影响励磁涌流大小的因素 由式 11 14 可以看出 空投变压器时铁芯中的磁通的大小与 m 及有关 cos s 而励磁涌流的大小与铁芯中磁通的大小有关 磁通越大 铁芯越饱和 励磁涌流就越大 因此 影响励磁涌流大小的因素主要有 1 电源电压 变压器合闸后 铁芯中强迫磁通的幅值 因此 电源电压越高 越大 W Um m m 励磁涌流越大 2 合闸角 当合闸角 0 时 cos m 最大 励磁涌流大 而当 900 等于零 励磁 cos m 涌流较小 3 剩磁 s B 合闸之前 变压器铁芯中的剩磁越大 励磁涌流就越大 另外 当剩磁的方向与合 s B 闸之后的方向相同时 励磁涌流就大 反之亦反 cos m 此外 励磁涌流的大小 尚与变压器的结构 铁芯材料及设计的工作磁密有关 变压 器的容量越小 空投时励磁涌流与其额定电流之比就越大 测量表明 空投变压器时 变压器与电源之间的阻抗越大 励磁涌流越小 在末端变 电站 空投变压器时最大的励磁涌流可能小于其额定电流的 2 倍 四 变压器纵差保护的实现 实现变压器纵差保护 要解决的技术问题主要有 在正常工况下 使差动保护各侧电 流的相位相同或相反 使由变压器各侧 TA 二次流入差动保护的电流产生的效果相同 即是 等效的 空投变压器时不会误动 即差动保护能可靠躲过励磁涌流 大电流侧系统内发生 接地故障时保护不会误动 能可靠躲过稳态及暂态不平衡电流 1 差动保护两侧电流的移相方式 呈 Y d 接线的变压器 两侧电流的相位不同 若不采取措施 要满足各侧电流的向量 和等于零 即 根本不可能 因此 要使正常工况下差动保护各侧的电流向量和为0 I 零 首先应将某一侧差动 TA 二次电流进行移相 在变压器纵差动保护中 对某侧电流的移相方式有两类共 4 种 两类是 通过改变差 动 TA 接线方式移相 即由硬件移相 由计算机软件移相 4 种是 改变高压侧差动 TA 接 线方式移相 采用辅 TA 移相 由软件在差动元件高压侧移相 由软件在差元件低压侧移相 1 改变差动 TA 接线方式进行移相 过去的模拟式变压器纵差保护 大多采用改变高压侧差动 TA 的接线方式进行移相的 对于微机型保护也可采用这种移相方式 采用上述移相方式时 需首先知道变压器的接线组别 变压器的接线组别不同 相应 的差动 TA 的接线组别亦不相同 I YN d11变压器差动 TA 的接线组别 YN d11变压器及纵差保护差动 TA 接线原理图如图 11 12 所示 在图 11 12 中 由于变压器低压侧各相电流分别超前高压侧同名相电流 300 因此 低压侧差动 TA 二次电流 也等于流入差动元件的电流 也超前高压侧同名相电流 300 而 从高压侧差动 TA 二次流入各相差动元件的电流 分别为 TA 二次两相电流之差 滞后变压 器同名相电流 1500 因此 各相差动元件的两侧电流的相位相差 1800 II YN d5变压器及差动 TA 的接线组别 YN d5变压器及差动 TA 的原理接线如图 11 15 所示 JA JB JC LH1 LH2 a I b I c I A I B I C I a I b I c I ABC abc 图 11 15 YN d5变压器及差动 TA 原理接线图 在图 11 15 中 变压器高压侧三相一次电流 A I B I C I 变压器高压侧 TA 二次各相输出电流 分别为对应两相电流之差 a I b I c I 变压器低压侧 TA 二次三相电流 a I b I c I JA JB JC 三相差动元件 由图 11 15 可以看出 正常工况下 从低压侧差动 TA 二次流入各相差动元件的电流 分别滞后变压器高压侧一次同名相电流 1500 而从高压侧差动 TA a I b I c I A I B I C I 二次流入各差动元件的电流 分别超前 300 故与 与 a I b I c I A I B I C I a I a I b I b I 与相位相差 1800 c I c I III YN d1变压器及差动 TA 的接线 YN d1变压器及差动 TA 的原理接线如图 11 16 所示 JA JB JC LH2 a I b I c I A I B I C I a I b I c I ABC abc LH1 图 11 16 YN d1变压器及差动 TA 原理接线图 在图 11 16 中 各符号的物理意义同图 11 15 由图 11 16 可以看出 正常工况下 从低压侧 TA 二次流入各差动元件的电流 a I b I 分别滞后变压器高压侧一次同名相电流 300 而从高压侧 TA 二次流入各相 c I A I B I C I 差动元件的电流 分别超前同名相电流 1500 故与 与 a I b I c I A I B I C I a I a I b I b I 与相位相差 1800 c I c I 由以上所述可知 改变变压器高压侧 TA 接线移相的实质是 对于接线组别分别为 YN d11 YN d1及 YN d5的变压器 其纵差保护差动 TA 的接线应分别为 D11 y D1 y 及 D5 y 从而使正常工况下各相差动元件两侧电流的相位相差 1800 2 接入辅助 TA 的移相方式 用辅助 TA 的电流移相方式 与用改变差动 TA 接线方式对电流进行移相的方法实质 相同 对于 YN d 接线的变压器 其差动 TA 的接线为 Y y 而在保护装置中设置一组辅助 TA 接成 d 形 接入变压器高压侧差动 TA 二次 对该侧电流进行移相 以达到正常工况下 使各相差动元件两侧电流相位相反的目的 当然 对于不同接线组别的变压器 辅助 TA 的连接方式不相同 3 用软件对高压侧电流移相 运行实践表明 通过改变变压器高压侧差动 TA 接线方式对电流进行移相的方法 有许 多优点 但也有缺点 其主要缺点是 第一次投运的变压器 若某相差动 TA 的极性接错 分析及处理相对较麻烦 另外 实现差动元件的 TA 断线闭锁也比较困难 在微机型保护装置中 通过计算软件对变压器纵差保护某侧电流的移相方式已被广泛 采用 对于 Y d 接线的变压器 当用计算机软件对某侧电流移相时 差动 TA 的接线均采用 Y y 用计算机软件对变压器高压侧差动 TA 二次电流的移相方式 是采用计算差动 TA 二次 两相电流差的方式 分析表明 这种移相方式与采用改变 TA 接线进行移相的方式是完全等 效的 这是因为取 Y 形接线 TA 二次两相电流之差与将 Y 形接线 TA 改成 形接线后取一相 的输出电流是等效的 应当注意的是 用软件实现移相时 究竟取哪两相 TA 二次电流之差 这应由变压器的 接线组别决定 当变压器的接线组别为 YN d11时 在 Y 侧流入 A B C 三个差动元件的计算电流 应 分别取 差动 TA 二次三相电流 ba II cb II ac II a I b I c I 当变压器的接线组别为 YN d1时 在 Y 侧三个差动元件的计算电流应分别为 a I 及 当变压器接线组别为 YN d5时 则三个计算电流分别为 c I b I a I c I b I b I a I c I b I ba II 4 用软件在低压侧移相方式 就两侧差动 TA 的接线方式而言 用软件在低压侧移相方式与用软件在高压侧移相方式 相同 差动 TA 的接线均为 Y y 在变压器低压侧 将差动 TA 二次各相电流移相的角度 也由变压器的接线组别决定 当变压器接线组别为 YN d11时 则应将低压侧差动 TA 二次三相电流以次向滞后方向移动 300 当变压器接线组别为 YN d1时 则将低压侧差动 TA 二次三相电流分别向超前方向移动 300 而当变压器接线组别为 YN d5时 则应分别将低压侧差动 TA 二次三相电流向超前方向 移动 1500 2 消除零序电流进入差动元件的措施 对于 YN d 接线的变压器 当高压侧线路上发生接地故障时 对纵差保护而言是区外 故障 有零序电流流过高压侧 而由于低压侧绕组为 d 联接 在变压器的低压侧无零序电 流输出 这样 若不采取相应的措施 在变压器高压侧系统中发生接地故障时 纵差保护 可能误动而切除变压器 当变压器高压侧发生接地故障时 为使变压器纵差保护不误动 应对装置采取措施而 使零序电流不进入差动元件 对于差动 TA 接成 D y 及用软件在高压侧移相的变压器纵差保护 由于从高压侧通入 各相差动元件的电流分别为两相电流之差 已将零序电流滤去 故没必要再采取其他滤去 零序电流的措施 对于用软件在低压侧进行移相的变压器纵差保护 在高压侧流入各相差动元件的电流 应分别为 3 1 cbaa IIII 3 1 cbab IIII 3 1 cbac IIII 因为为零序电流 故在高压侧系统中发生接地故障时 不会有零序电流进 3 1 cba III 入各相差动元件 应当指出 对于接线为 YN y 的变压器 主要指发电厂的启备变 在其纵差保护装置 中 应采取滤去高压侧零序电流的措施 以防高压侧系统中接地短路时差动保护误动 3 差动元件各侧之间的平衡系数 若变压器两侧差动 TA 二次电流不同 则从两侧流入各相差动元件的电流大小亦不相同 从而无法满足 0 I 在实现变压器纵差保护时 采用 作用等效 的概念 即使两个不相等的电流产生作 用 对差动元件 的大小相同 在电磁型变压器纵差保护装置中 BCH 型继电器 采用 安匝数 相同原理 而在模 拟式保护装置 晶体管保护及集成电路保护 中 将差动两侧大小不同的两个电流通过变 换器 例如 KH 变换器 变换成两个完全相等的电压 在微机型变压器保护装置中 引用了一个将两个大小不等的电流折算成作用完全相同 电流的折算系数 将该系数称作为平衡系数 根据变压器的容量 接线组别 各侧电压及各侧差动 TA 的变比 可以计算出差动两侧 之间的平衡系数 设变压器的容量为 Se 接线组别为 YN d11两侧的电压分别为 UY及 U 两侧差动 TA 的 变比分别为及 若以变压器 侧为基准侧 计算出差动元件两侧之间的平衡系数 K Y n n I 差动 TA 接线为D y 用改变差动 TA 接线方式移相 变压器两侧差动 TA 二次电流及分别为 Y I I yY e YY e Y nU S nU S I 3 3 nU S I e 3 要使 则平衡系数 IKIy 11 nU nU I I K yY y3 15 II 差动 TA 接线为 YN y 由软件在高压侧移相 差动两侧 TA 二次电流分别为 yY e Y IU S I 3 nU S I e 3 每相差动元件两侧的计算电流 高压侧 两相电流之差 YY e YY e y nU S nU S I 3 3 低压侧 nU S I e 3 故平衡系数 11 16 nU nU K yY 3 可以看出 式 11 15 与式 11 16 完全相同 由上所述 可以得出如下的结论 对于 YN d 接线的变压器 用改变 TA 接线方式移相 及由软件在高压侧移相 差动元件两侧之间的平衡系数完全相同 此外 该平衡系数只与 变压器两侧的电压及差动 TA 的变比有关 而与变压器的容量无关 III 差动 TA 接线为 Y y 由软件在低压侧移相 平衡系数 11 17 nU nU K yY 表 11 1 为三卷变压器纵差保护各侧之间平衡系数计算表 表 11 1 Y Y d变压器纵差保护各侧之间的平衡系数 以低压侧为基准值 各侧系数 项目名称 高压侧 H 中压侧 M 低压侧 L TA 接线 YYY TA 二次电流 hh e nU S 3 mm e nU S 3 LL e nU S 3 各相差动元件的计算 电流 hh e nU S mm e nU S LL e nU S 对低压侧的平衡系数 LL hh nU nU 3 LL mm nU nU 3 1 说明 表中列出的平衡系数是用软件在高压侧移相或用改变 TA 接线方式移相的条件下 计算出来的 Se 变压器的额定容量 分别为高压侧额定电压及 TA 的变比 h U h n 分别为变压器中压侧额定电压及 TA 的变比 分别为变压器低压侧额 m U m n L U L n 定电压及 TA 变比 4 躲涌流措施 在变压器纵差保护中 是利用涌流的各种特征量 含有直流分量 波形间断或波形不 对称 含有二次谐波分量 作为制动量或进行制动 来躲过空投变压器时的励磁涌流 5 躲不平衡电流 暂态不平衡电流及稳态不平衡电流 大的措施 运行实践表明 对变压器纵差保护进行合理地整定计算 适当提高其动作门坎 可以 使其有效地躲过不平衡电流大的影响 五 微机变压器纵差保护 1 构成及逻辑框图 大型超高压变压器的纵差保护 由分相差动元件 涌流闭锁元件 差动速断元件 过 激磁闭锁元件及 TA 断线信号 或闭锁 元件构成 涌流闭锁方式可采用分相闭锁或采用 或门 闭锁方式 其逻辑框图分别如图 11 17 及图 11 18 所示 A相差动元件 1A I B相差动元件 C相差动元件TA断线 A相涌流判别 C相涌流判别 B相涌流判别 信号 信号 出口 An I 2A I Cn I 1B I Bn I 2B I 2C I 1C I A相差动速断元件 B相差动速断元件 C相差动速断元件 1 1 1 1 图 11 17 或门 闭锁式变压器纵差保护逻辑框图 A相差动速断元件 B相差动速断元件 C相差动速断元件 A相差动 B相差动 C相差动 TA断线 A相涌流判别 C相涌流判别 B相涌流判别 信号 1A I An I 2A I Cn I 1B I Bn I 2B I 2C I 1C I 出口 信号 1 1 1 图 11 18 分相 闭锁式变压器纵差保护逻辑框图 涌流 分相 闭锁方式 是指某相的涌流闭锁元件只对本相的差动元件有闭锁作用 而对其它相无闭锁作用 而涌流 或门 闭锁方式 是指 在三相涌流闭锁元件中 只要 有一相满足闭锁条件 立即将三相差动元件全部闭锁 由图 11 14 可以看出 变压器空投时 三相励磁涌流是不相同的 各相励磁涌流的波 形 幅值及二次谐波的含量不相同 对某些变压器空投录波表明 在某些条件下 三相涌 流之中的某一相可能不满足闭锁条件 此时 若采用 或门闭锁的纵差保护 空投变压器 时不会误动 而采用 分相 闭锁方式的差动保护 空投变压器时容易误动 采用 分相 闭锁方式的优点是 如果空投变压器时发生内部故障 保护能迅速而可 靠动作并切除变压器 而 或门 闭锁方式的差动保护 则有可能拒动或延缓动作 2 差动元件的作用原理 目前 在广泛应用的变压器纵差保护装置中 为提高内部故障时的动作灵敏度及可靠 躲过外部故障的不平衡电流 均采用具有比率制动特性的差动元件 不同型号的纵差保护装置 其差动元件的动作特性不相同 差动元件的动作特性曲线 有 I 段折线式 II 段折线式及三段折线式 采用较多的为二段折线式 1 动作方程 差动元件动作特性不同 其动作方程有差异 以下 介绍动作特性为 I 段折线式 II 段折线式及 III 段折线式差动元件的动作方程 I I 段折线式差动元件 国外生产的变压器纵差保护中 有采用 I 段折线式动作特性的差动元件的 其动作方 程可用下式表示 11 18 resd oopd SII II 式中 差电流 对于两卷变压顺 分别为差动元件两侧的电流 d I 21 IIIdz 1 I 2 I 差动元件的启动电流 也叫最小动作电流 或初始动作电流 oop I 折线的斜率 通常叫比率动系数 S 制动电流 一般取差动元件各侧电流中的最大者 即 也有 res I 21 maxIIIres 采用的 2 21 II Ires II 二段折线式差动元件 在国内 广泛采用的变压器纵差保护 多采用具有二段折线式动作特性的差动元件 其动作方程为 11 19 oresresooporesresd oresresoopd IIIIISI IIII 在式 11 19 中 拐点电流 即开始出现制动作用的最小制动电流 ores I 其他符号的物理意义同式 11 18 III 三段折线式差动元件 根据用户的要求 微机变压器纵差保护的动作特性可作成三段折线式或多段折线式 三段折丝式差动元件的动作方程为 11 20 1 1 2 1 1 1 resresresresoresresoopd oresresresooporesresd oresresoopd IIIISIISII IIIIIISI IIII 在式 11 20 中 第二段折线的斜率 1 S 第三段折线的斜率 2 S 第二个拐点电流 1 res I 其他符号的物理意义同式 11 19 2 动作特性曲线 根据式 11 18 式 11 19 及式 11 20 绘制出动作特性分别 I 段折线式 II 段 折线式及三段折线式差动元件的动作特性曲线 分别如图 11 19 图 11 20 及图 11 21 所示 动 作 区 tgS op o I res I d I 动 作 区 tgS op o I res I d I res o I 图 11 19 动作特性为 I 段折线式差动元件 图 11 20 二段折线式差动元件的 的动作特性曲线 动作特性曲线 动 作 区 11 tg S 1 op o I res I d I res o I 2 22 tg S 1res I 图 11 21 三段折线式差动元件的动作特性曲线 3 对三种差动元件动作特性的比较 由图 11 19 图 11 20 及图 11 21 可以看出 具有比率制动特性差动元件的动作特性 由三个物理量来决定 即由启动电流 oop I 拐点电流 ores I 及比率制动系数 特性曲 1 res I 线的斜率 来决定 由于差动元件的动作灵敏度及躲区外故障的能力与其动作特性 1 S 2 S 有关 因此 与 ores I 及有关 oop I S 比较动作特性曲线不同几个差动元件的动作灵敏度 可比较它们的 ores I 及 oop I S 可以看出 当启动电流 oop I 及比率制动系数相同的情况下 拐点电流 ores I