超高压讲座----变压器保护

南京南瑞继保电气有限公司 变压器保护 概述装置介绍 电力变压器保护主要有电量保护和非电量保护 针对电力变压器的故障和不正常工作状态进行处理 变压器内部故障的电量主保护通常是差动保护 由于电力变压器的特殊结构及运行特点 对用于电力变压器的差动保护还有不同于其它差动保护的要求 如励磁涌流等差动保护能够反映变压器的接地 相间和匝间短路等故障 针对自耦变的电气特点保护增加了零序差动和分侧差动保护 RCS 900变压器保护还增加了独有的只反映故障分量的工频变化量差动 主保护动作通常跳主变各侧 概述 变压器后备保护 过流保护 可经方向和复合电压闭锁 变压器的过流保护可作为本身的后备保护亦可作为系统的后备保护 或兼作低压侧的母线 后备 保护 阻抗保护通常在单独配置过流保护无法满足要求或过流保护无法整定时增设阻抗保护 包含正方向及反方向 零序过流保护 可经方向和零序电压闭锁 间隙零序电流电压保护后备保护动作通常以不同时限跳分段 母联 本侧断路器 各侧断路器 非电量保护 通常变压器内部故障直接反映于变压器内部瓦斯 压力 温度等非电量特征的变化 特别是轻微故障 如少许的匝间故障 时往往这些非电量特征的变化比常规的稳态比率差动保护更加灵敏 非电量保护主要是重动主变本体来的信号 非电量保护动作通常跳主变各侧 在有备投的情况下有可能需考虑闭锁备投 变压器辅助保护非全相保护起动断路器失灵保护 变压器差动保护 变压器差动保护需要解决的主要问题 1 工频变化量 稳态高值 稳态低值的比率差动保护 零序比率差动和分侧比率差动保护 2 变压器差动保护TA饱和判别 3 励磁涌流识别原理 4 Y 11接线变压器电流相位补偿的新方法 5 高低压侧平衡系数 稳态量低值差动保护 首先规定TA的正极性端在母线侧 电流参考方向由母线流向变压器为正方向 稳态低值比率差动继电器 动作方程 稳态低值比率差动继电器 稳态低值比率差动保护要经过励磁涌流判据和过激磁判据闭锁 稳态低值比率差动保护要经过TA饱和判据闭锁以防止在TA饱和时误动 三折线的差动方程 三段式比率制动特性中 电流启动值是针对正常运行时的不平衡电流 因此应当躲开最大负荷情况下的不平衡电流 通常取Icdqd 0 2 0 5 IN 使用三段式比率差动的特点就是反映了故障时的实际情况 在较小的外部故障的情况下 Ie 2 3 IN 电流互感器饱和程度不深 误差还是较小的 这时允许选取较小的制动系数 Kbl 0 2 0 5 这样相应的增加了动作区 在区内故障时提高了灵敏度 在较大的外部故障的情况下 可以选择较大的制动系数 Kbl 0 75 这时电流互感器流过了很大的穿越性故障电流 互感器饱和程度加深 误差也随之增大 应当选择较大的制动系数 同时在这种区内短路电流的情况下 差动电流远远大于制动电流 可以保证保护在区内故障时可靠动作 区内故障时 如图示 各侧短路电流都是由母线流向变压器 和参考方向一致 为正值 所以差动电流很大 容易满足差动主程 差动保护动作 区外故障时 如图示在低压母线上发生故障 高 中压侧短路电流由母线流向变压器 为正值 低压侧电流由变压器流向母线 为负值 把变压器看成电路上的一个节点 由节点电流定理 流入的电流等于流出的电流 即相量和为0 所以差动电流差动保护不动作 TA饱和对差动保护的影响 1 TA饱和对差动保护的影响 2 1 由磁化曲线 知道一次电流的波形 可以画出磁通的波形 2 由电磁感应定理 可由磁通 画出e2波形 3 由于电流互感器二次侧相当于一个纯电阻回路 由 e2 R2i2可得二次电流i2波形 TA饱和时波形 TA严重饱和时的主要特征 1 二次电流波形有严重缺损 显著非正弦 2 在短路后TA很快进入深饱和 以致二次绕组的感应电动势降为零 在相应的一段时间内二次电流为零 此时一次电流全部成为励磁电流 3 当一次电流全部成为励磁电流后其瞬时值下降时TA逐渐退出饱和 当它下降到零继而改变极性时铁心安全退出饱和 二次绕组的感应电动势增大 二次电流又几乎与一次电流相等 但这时铁心中有相当大的剩磁存在 4 当一次电流恢复初始的极性又上升时 由于有剩磁存在铁心又很快饱和 二次电流又降为零 5 在短路开始时铁心要维持磁通不变 或者说励磁回路的电感不允许其电流突变 一次电流全部变换为二次电流 TA无误差 这段时间虽短 一般为3 8ms 但可以被差动保护所利用 区外故障伴随TA饱和会引起差动保护误动 如图示在低压母线上发生故障 假设 I1 1000AI2 1000A则I3 2000A 如果TA没有饱和 则保护计算的差流 差动保护不会误动 但是由于低压侧TA饱和 测到的电流I3很小 假设为0 则保护计算的差动和制动电流为 满足差动方程 造成差动保护误动 TA饱和处理方法 1 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 所用的表达式如下 其中I 2为电流中的二次谐波 I 3为电流中的三次谐波 I 1为电流中的基波 k 2xb和k 3xb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 TA饱和处理方法 2 动作方程 动作特性 稳态高值比率差动继电器 高值比率差动不受TA饱和判据影响 这样当区内严重故障同时TA饱和 低值差动闭锁 高值差动保护可以动作 高值和低值差动的配合 1 区内轻微故障 短路电流小 TA不饱和 低值比率差动灵敏动作2 区内严重故障 短路电流大 TA饱和 低值闭锁 高值动作3 区外轻微故障 短路电流小 TA不饱和 差流为0 低值和高值都不动作4 区外严重故障 短路电流大 TA饱和 低值闭锁 高值差动由于定值比较高 差流进入不到动作区 也不会动作 链接 励磁涌流识别原理 在正常运行时励磁电流比较小 一般不超过额定电流的3 可是在变压器空载合闸 空投 和区外故障切除后电压恢复时可能出现很大的励磁电流 励磁涌流波形特征 励磁涌流的最大幅值很大 可能达到变压器额定电流的5 10倍 变压器容量越小 该倍数越大 有很大的非周期分量 波形偏于时间轴的一侧 因此波形严重不对称 有大量的谐波分量 尤其是二次谐波分量含量较大 二次谐波与基波分量的比值一般均大于0 15 波形出现间断 间断角一般大于60o 励磁涌流的波形与合闸瞬间电压的相位 铁芯中剩磁的大小和方向 电源容量和变压器容量的大小 铁芯材料的性质和磁化曲线 变压器的饱和磁密 合闸回路的阻抗和时间常数等因素有关 如果合闸时正好电压达到最大值 就不会出现非周期性的磁通 也就不会出现励磁涌流 而只有正常时的励磁电流 如果合闸时正好电压为零 励磁涌流最大 所以三相变压器中三相的励磁涌流大小是不一样的 考虑到变压器空投时电源三相电压互差1200 所以无论在何时合闸至少有二相会出现不同程度的励磁涌流 空投变压器时励磁涌流录波图 实际500kV自耦变压器 励磁涌流识别原理一 励磁涌流识别采用谐波制动和波形不对称两个原理 判为涌流后分相闭锁 谐波制动原理 利用差电流Id中的二次和三次谐波分量与基波分量的比值作为闭锁差动的判据 当满足 或时分相闭锁差动保护 式中K2 K3分别取为0 15和0 2 二次谐波含量高闭锁差动保护避免了励磁涌流情况下差动保护的误动 三次谐波含量高闭锁差动保护主要是为了在供给钢厂等非线性负荷较大的用户的变压器中防止差动保护误动 链接 励磁涌流识别原理二 与门分相开放差动保护 式中 差电流的全周积分值 S S1 S2 两个相距半周的差电流瞬时值之和的全周积分值 S S1 S2 大于1的常数 门槛值 S1 S2 S1 S2 励磁涌流 短路电流 工频变化量比率差动保护 除常规的稳态量的比率差动保护外增加了工频变化量的比率差动保护 其动作方程为 工频变化量的物理解释 I IK IN 变压器的工频变化量的比率差动保护 为各支路工频变化量电流的相量和 为各支路工频变化量电流的标量和 为固定门槛 为浮动门槛 浮动门槛的设置可防止在系统发生振荡时或频率有偏移时保护误动理论上 工频变化量比率差动制动系数可取较高的数值 这样有利于防止区外故障TA饱和等因素所造成的差动保护误动 工频变化量差动继电器的动作特性 工频变化量动作灵敏分析 如图示 设匝间故障前 I1 99A I2 99A 故障后 I1k 100A I2k 98A I1 1A I2 1A 则稳态量差动 Id I1k I2k 2A Ir 0 5 100 98 99A 工频变化量差动 Id I1 I2 2A Ir I1 I2 2A由上比较可知 工频变化量此时灵敏度远远高于稳态量差动 工频变化量比率差动继电器的优点 负荷电流对它没有影响 对稳态量的比率差动继电器 负荷电流是一个制动量 会影响内部短路的灵敏度 受过渡电阻影响小 由于上述原因工频变化量比率差动继电器比较灵敏 提高了重负荷下少匝数的匝间短路时的灵敏度 由于制动系数取得较高再加上采用浮动门槛技术 在发生区外各种故障 功率倒方向 区外故障中出现TA饱和与TA暂态特性不一致等状态下也不会误动作 使得保护的安全性与灵敏度同时得到了兼顾 变压器发生轻微匝间短路 C相1 5 匝间短路 工频变化量差动 常规差动 工频变化量比率差动保护 工频变化量差动保护经过励磁涌流判据闭锁 谐波制动原理和波形不对称原理 工频变化量差动保护经过过激磁判据闭锁 差电流五次谐波含量 电流相位补偿新方法 由 Y相位补偿新方法 在软件中将 侧电流做一个两相电流之差的运算 为求得零序电流的平衡 将Y侧电流减去零序电流 侧Y侧 RCS978采用 Y折算 其它厂家采用Y 折算 电流相位补偿新方法 采用 Y相位补偿的新方法后 由于Y侧没有进行两相电流差的计算 变压器空载合闸时各相有涌流时其特征都很明显 有涌流时闭锁保护更加可靠 另外当判别出涌流特征后可实行分相闭锁 当空投在故障变压器上时由于故障相肯定没有涌流特征所以故障相的差动保护没被闭锁可以快速跳闸 试验表明 空投在故障变压器上保护动作时间小于40mS 差动保护高低压侧折算 差动保护中的平衡系数的计算算变压器各侧一次额定电流 式中Sn为变压器最大额定容量 U1n为变压器计算侧额定电压 注意 应以运行的实际电压为准 如220kV侧实际的运行电压为242kV U1n应取242kV 2 算变压器各侧二次额定电流 式中I1n为变压器计算侧一次额定电流 nLH为变压器计算侧TA变比 3 计算变压器各侧平衡系数 其中 式中I2n为变压器计算侧二次额定电流 I2n min为变压器各侧二次额定电流值中最小值 I2n max为变压器各侧二次额定电流值中最大值 1 例如 IHn 2A IMn 10A ILn 16A 则 Imin 2 Imax 16 Kb 4 K1 2 2 4 4 K2 2 10 4 0 8 K3 2 16 4 0 5 为了提高接地故障的灵敏度 针对自耦变压器 装置设有零序差动或分侧差动 零序差动保护可保护变压器Y侧的各种接地故障 分侧差动保护可保护变压器Y侧的各种接地故障和相间故障 但它们都不能保护变压器Y侧的匝间短路 零序差动保护和分侧差动保护都不必经励磁涌流判据闭锁 零序比率差动和分侧比率差动保护 零序比率差动和分侧比率差动保护原理 高压侧 中压侧 公共绕组侧 低压侧 现有零差保护存在的问题 零序TA极性不易校验问题 在变压器区外三相短路或励磁涌流状态下 由于三相TA特性不一致和TA饱和程度不一致等因素的影响 零差保护可能误动作的问题 零序比率差动继电器 各侧零序电流均由装置自产得到 各侧TA二次零序电流由软件调整平衡 这样可避免采用零序TA极性不易校验等问题 装置在理论分析与实验的基础上 采用正序电流制动与TA饱和判据相结合的方法 保证零差保护在变压器区外三相短路 或励磁涌流情况下不误动 正序电流制动判据 满足本判据开放保护 零序比率差动继电器 动作方程 动作特性 自耦变压器正常运行发生A相1匝对地短路 零差保护动作 实例 自耦变压器区外出口三相短路并伴随TA饱和 零差保护不误动 实例 复合电压闭锁方向过流 变压器过电流保护通常是作为主变压器内部故障及相邻设备相间故障的后备保护 如果在过电流保护的灵敏度不足的情况下 一般采用复合电压闭锁过电流保护 通过整定控制字可选择各段过流是否经过复合电压闭锁 是否经过方向闭锁 是否投入 跳哪几侧开关 复合电压指相间电压低或负序电压高 U U ZD或U2 U2ZD对于变压器某侧复合电压元件可通过整定控制字选择是否引入其它侧的电压作为闭锁电压 例如对于I侧后备保护 装置分别设有控制字 如 过流保护经II侧复压闭锁 等 来控制过流保护是否经其II侧复合电压闭锁 当 过流保护经II侧复压闭锁 控制字整定为 1 时 表示I侧复压闭锁过流可经过II侧复合电压起动 当 过流保护经II侧复压闭锁 控制字整定为 0 时 表示I侧复压闭锁过流不经过II侧复合电压起动 各段过流保护均有 过流经复压闭锁 控制字 当 过流经复压闭锁 控制字为 1 时 表示本段过流保护经复合电压闭锁 方向元件 装置后备保护分别设有控制字 过流方向指向 来控制过流保护各段的方向指向 当 过流方向指向 控制字为 0 时 方向指向系统 灵敏角为225 当 过流方向指向 控制字为 1 时 方向指向变压器 灵敏角为45 同时装置分别设有控制字 过流经方向闭锁 来控制过流保护各段是否经方向闭锁方向元件按相配置 电压元件为相电压的正序分量 如A相为UA1 电流为实际相电流 如A相为IA 接相配置正序电压极化的方向元件 A型和E型 选0 接线且电压用正序电压 当电流极性指向变压器 方向元件也指向变压器时 方向元件的灵敏角为48 向量分析如图4 1所示 由图4 1 a可知 假定短路阻抗角 为78 时 在AB相间故障时 IAK落后UA148 故0 接线的A相元件能最灵敏的反应AB故障 由图4 1 b可知 当三相故障时 IAK落后UA1短路阻抗角 假设 78 时 距最灵敏线差30 由图4 1 c可知 当CA相故障时 假如 78 时 距最灵敏线差60 但在CA相故障时 C相元件最灵敏 因而 在相间故障时 故障领前相的方向元件 可在最灵敏状态下动作 三相故障时 三个方向元件均可动作 a AB故障 c CA相故障 b 三相故障 a AB故障 b 三相故障 c CA相故障 相间方向元件动作特性 方向指向变压器方向指向系统 TV异常对复合电压元件 方向元件的影响 TV异常对复合电压元件 方向元件的影响 装置设有整定控制字 TV断线保护投退原则 来控制TV断线时方向元件和复合电压元件的动作行为 若 TV断线保护投退原则 控制字为 1 当判断出本侧TV异常时 方向元件和本侧复合电压元件不满足条件 但本侧过流保护可经其它侧复合电压闭锁 过流保护经过其他侧复合电压闭锁投入情况 若 TV断线保护投退原则 控制字为 0 当判断出本侧TV异常时 方向元件和复合电压元件都满足条件 这样复合电压闭锁方向过流保护就变为纯过流保护不论 TV断线保护投退原则 控制字为 0 或 1 都不会使本侧复合电压元件起动其它侧复压过流 本侧电压退出对复合电压元件 方向元件的影响 当本侧TV检修或旁路代路未切换TV时 为保证本侧复合电压闭锁方向过流的正确动作 需投入 本侧电压退出 压板或整定控制字 此时它对复合电压元件 方向元件有如下影响 1 本侧复合电压元件不启动 但可由其它侧复合电压元件起动 过流保护经过其它侧复合电压闭锁投入情况 2 本侧方向元件输出为正方向 3 不会使本侧复合电压元件起动其它侧过流元件 其它侧过流保护经过本侧复合电压闭锁投入情况 方向指向系统或变压器时的保护范围 过流保护方向元件指向系统时 此时做为系统故障的后备保护 保护范围是本侧母线故障及母线出口处故障 方向元件指向变压器时 保护范围是 变压器故障 对侧母线故障及母线出口处故障 复合电压闭锁方向过流逻辑框图 零序方向过流保护 零序过流保护 主要作为变压器中性点接地运行时接地故障后备保护 通过整定控制字可控制各段零序过流是否经方向闭锁 是否经零序电压闭锁 是否经谐波闭锁 是否投入 跳哪几侧开关 方向元件所采用的零序电流 装置设有 零序方向判别用自产零序电流 控制字来选择方向元件所采用的零序电流 若 零序方向判别用自产零序电流 控制字为 1 方向元件所采用的零序电流是自产零序电流 若 零序方向判别用自产零序电流 控制字为 0 方向元件所采用的零序电流为外接零序电流 零序方向元件 装置分别设有 零序方向指向 控制字来控制零序过流各段的方向指向 当 零序方向指向 控制字为 1 时 方向指向变压器 方向灵敏角为255 当 零序方向指向 控制字为 0 时 表示方向指向系统 方向灵敏角为75 方向元件的动作特性如下图所示 同时装置分别设有 零序过流经方向闭锁 控制字来控制零序过流各段是否经方向闭锁 当 零序过流经方向闭锁 控制字为 1 时 本段零序过流保护经过方向闭锁 零序方向元件动作特性 方向指向系统方向指向变压器 注意 方向元件所用零序电压固定为自产零序电压 以上所指的方向均是指零序电流外接套管TA的正极性端在母线侧 变压器中性点的零序电流TA的正极性端在变压器侧 具体参见前面保护配置图 否则以上说明将与实际情况不符 零序过流I段和II段所采用的零序电流 装置分别设有 零序过流用自产零序电流 控制字来选择零序过流各段所采用的零序电流 若 零序过流用自产零序电流 控制字为 1 时 本段零序过流所采用的零序电流为自产零序电流 若 零序过流用自产零序电流 控制字为 0 时 本段零序过流所采用的零序电流是外接零序电流 零序过流III段固定为外接零序电流 零序电压闭锁元件 装置设有 零序过流经零序电压闭锁 控制字来控制零序过流各段是否经零序电压闭锁 当 零序过流经零序电压闭锁 控制字为 1 时 表示本段零序过流保护经过零序电压闭锁 TV异常对零序方向元件的影响 TV异常对零序电压闭锁元件 零序方向元件的影响 装置设有 TV断线保护投退原则 控制字来控制TV断线时零序方向元件和零序电压闭锁元件的动作行为 若 TV断线保护投退原则 控制字为 1 当装置判断出本侧TV异常时 方向元件和零序电压闭锁元件不满足条件 若 TV断线保护投退原则 控制字为 0 当装置判断出本侧TV异常时 方向元件和零序电压闭锁元件都满足条件 零序电压闭锁零序方向过流保护就变为纯零序过流保护 本侧电压退出对零序方向过流的影响 当本侧TV检修或旁路代路未切换TV时 为保证本侧零序电压闭锁零序方向过流的正确动作 需投入 本侧电压退出 压板或整定控制字 此时它对零序电压闭锁零序方向过流有如下影响 1 零序电压闭锁元件开放 2 方向元件输出为正方向 RCS 978零序过流保护逻辑框图 变压器的零序电流保护间隙零序电流保护零序过电压保护 大接地电流系统中 中心点直接接地的变压器装设零序电流保护作为接地短路的后备保护 大接地电流系统中 中心点又可能不接地的分级绝缘变压器需装设间隙零序电流保护和零序过电压保护作为接地短路的后备保护 大接地电流系统中 中心点又可能不接地的全绝缘变压器需装设零序过电压保护作为接地短路的后备保护 当变压器中性不接地运行时 如图示 当发生单相接地故障 中性点N电位升高到相电位 如果不设放电间隙 容易把中性点绝缘击穿 此时设放电间隙 防止过电压 同时间隙击穿后有间隙零序电流 间隙过流保护动作 中心点直接接地的变压器装设零序电流保护作为接地短路的后备保护 变压器的间隙零序电流保护和零序过电压保护 相间阻抗继电器保护 装置I侧 II侧后备保护各有一个控制字 即阻抗指向 来控制阻抗I段和II段的方向指向 当阻抗指向的控制字为 1 时 表示方向指向变压器 当阻抗指向的控制字为 0 时 表示方向指向系统 阻抗元件的动作特性如图所示 阻抗元件灵敏角75 图中Zn为阻抗反向整定值 Zp为阻抗正向整定值 阻抗元件的比相方程为 TV断线或异常对阻抗保护的影响 当装置判断出本侧TV断线或异常时 自动退出阻抗保护 此时可通过整定控制字是否选择投入一段过流保护作为后备保护 若 阻抗退出投入过流保护 控制字为 1 时 表示在TV断线时投入一段过流保护 其动作后跳变压器各侧开关 若 阻抗退出投入过流保护 控制字为 0 时 则不投入过流保护 本侧电压退出对阻抗保护的影响 当本侧TV检修或旁路代路未切换TV时 为避免阻抗保护的误动作 需投入 本侧电压退出 压板或整定控制字 此时自动退出阻抗保护 TA TV异常判别原理 TV异常判别判据如下 1 正序电压小于30V 且任一相电流大于0 04In或开关在合位状态 2 负序电压大于8V 满足上述任一条件 同时保护起动元件未起动 延时10秒报该侧母线TV异常 并发出报警信号 在电压恢复正常后延时10秒恢复 在异常期间 根据整定控制字选择是退出经方向或电压闭锁的各段过流保护还是暂时取消方向和电压闭锁 以上各节均有详细说明 注意 当某侧电压退出时 该侧TV异常判别功能自动解除 装置设有TA异常判别判据为 当负序电流大于0 06In后延时10秒报该侧TA异常 同时发出报警信号 在电流恢复正常后延时10秒恢复 其它异常判别 装置各侧后备保护设有过负荷报警 起动风冷 过载闭锁调压 各侧复压动作并联起动输出接点等异常保护 上述异常保护可分别通过控制字来控制其投退 起动风冷输出两付常开接点 过载闭锁调压动作后输出一付常开接点 一付常闭接点 跳闸矩阵 整定方法 在保护元件投入位和其所跳开关位填 1 其它位填 0 则可得到该元件的跳闸方式 例如 若I侧后备保护过流I段第一时限整定为跳I侧开关 则在其控制字的第0位和第1位填 1 其它位填 0 这样得到该元件的一个十六进制跳闸控制字为 0003H 功能压板 投差动保护投零序差动保护投高压侧相间后备保护投高压侧接地零序保护投公共绕组后备保护投过激磁定时限保护投过激磁反时限保护退高压侧电压投中压侧相间后备保护投中压侧接地零序保退中压侧电压投低压侧后备保护退低压侧电压 RCS978采用 Y折算 Y侧 侧 RCS 978调试 如图示 在Y高压侧和 低压侧做差动试验 高压侧电流是A进B出 低压侧是a进n出 高压侧电流 代入折算公式 IA 1 0 IB 1 180 IC 0 所以IN 0 折算后 IA 1 0 IB 1 180 IC 0 低压侧电流 代入折算公式 Ia 180 Ib 0 Ic