第七章--电力变压器的继电保护.ppt

,第七章电力变压器的继电保护,第一节电力变压器的故障类型，不正常运行状态和应加装的保护,第二节变压器的瓦斯保护,第三节变压器的电流速断保护,第四节变压器纵联差动保护,第五节变压器相间短路的电流和电压保护,第六节变压器的零序电流保护,第一节电力变压器的故障类型，不正常运行状态和应加装的保护,变压器故障,油箱内部故障,油箱外部故障,相间短路,绕组的匝间短路,单相接地短路,引线及套管处会产生各种相间短路,接地故障,变压器的不正常状态,过电流,油面降低,过励磁,变压器应装设如下保护：,(1)为反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低，对于0.8MVA及以上的油浸式变压器和户内0.4MVA以上变压器应装设瓦斯保护。,(2)为反应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接地短路及绕组匝间短路，应装设纵差保护或电流速断保护。,(3)为反应外部相间短路引起的过电流和作为瓦斯、纵差保护(或电流速断保护)的后备，应装设过电流保护。,(4)为反应大接地电流系统外部接地短路，应装设零序电流保护。,(5)为反应过负荷应装设过负荷保护。,(6)为反应变压器过励磁应装设过励磁保护。,第二节变压器的瓦斯保护,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，保护变压器油箱内各种短路故障，特别是对绕组的相间短路和匝间短路。,由于短路点电弧的作用，将使变压器油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，利用气体的数量及流速构成瓦斯保护。,工作原理：,瓦斯继电器是构成瓦斯保护的主要元件，它安装在油箱与油枕之间的连接管道上，如右图所示。,为了不妨碍气体的流通，变压器安装时应使顶盖沿瓦斯继电器的方向与水平面具有11.5的升高坡度，通往继电器的连接管具有24的升高坡度。,为什么变压器是斜着的？,开口杯挡板式瓦斯继电器，其内部结构如右图所示。正常运行时，上、下开口杯2和l都浸在油中，开口杯和附件在油内的重力所产生的力矩小于平衡锤4所产生的力矩，因此开口杯向上倾，干簧触点3断开。,少量的气体上升后逐渐聚集在继电器的上部，迫使油面下降。而使上开口杯露出油面，此时由于浮力的减小，开口杯和附件在空气中的重力加上杯内油重所产生的力矩大于平衡锤4所产生的力矩，于是上开口杯2顺时针方向转动，带动永久磁铁10靠近干簧触点3，使触点闭合，发生“轻瓦斯”保护动作信号。,油箱内部发生轻微故障时：,大量气体和油流直接冲击挡板8，使下开口杯l顺时针方向旋转，带动永久磁铁靠近下部干簧的触点3使之闭合，发出跳闸脉冲，表示“重瓦斯”保护动作。当变压器出现严重漏油而使油面逐渐降低时，首先是上开口杯露出油面，发出报警信号，继之下开口杯露出油面后亦能动作，发出跳闸脉冲。,油箱内部发生严重故障时：,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“重瓦斯保护”，动作后起动变压器保护的总出口继电器，使断路器跳闸。,瓦斯保护的原理接线：,主要优点：,主要缺点：,因此瓦斯保护可作为变压器的主保护之一，与纵差动保护相互配合、相互补充，实现快速而灵敏地切除变压器油箱内、外及引出线上发生的各种故障。,动作迅速、灵敏度高、安装接线简单、能反应油箱内部发生的各种故障。,瓦斯保护评价：,不能反应油箱以外的套管及引出线等部位上发生的故障。,第三节变压器的电流速断保护,变压器的电流速断保护是反应电流增大而瞬时动作的保护。装于变压器的电源侧，对变压器及其引出线上各种型式的短路进行保护。为保证选择性，速断保护只能保护变压器的部分，它适用于容量在10MVA以下较小容量的变压器,当过电流保护时限大于0.5s时，可在电源侧装设电流速断保护，其原理接线如下图所示。,1.电流速断保护的整定计算,(1)按躲开变压器负荷侧出口d3短路时的最大短路电流来整定,即Iop=KrelIdmax(7-1),(2)躲过励磁涌流。根据实际经验及实验数据，一般取Iop=(34)IN（7-2）按上两式条件计算，选择其中较大值作为变压器电流速断保护的起动电流。,2.灵敏度校验,按变压器原边d2点短路时，流过保护的最小短路电流校验,即,3.变压器电流速断保护评价：,缺点:,优点：,接线简单，动作迅速。,只保护变压器的一部分。,第四节变压器纵联差动保护,三、暂态情况下的不平衡电流及减小其影响的措施,五、带制动特性的差动保护,六、二次谐波制动的差动保护,一、变压器纵联差动保护的原理,二、变压器纵联差动保护在稳态情况下的不平衡电流及减小不平衡电流的措施,四、BCH2型差动继电器,一、变压器纵联差动保护的原理,纵联差动保护是反应被保护变压器各端流入和流出电流的相量差。对双绕组变压器实现纵差动保护的原理接线如右图所示。,为了保证纵联差动保护的正确工作，应使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等，差回路电流为零。在保护范围内故障时，流入差回路的电流为短路点的短路电流的二次值，保护动作。应使,适当选择两侧电流互感器的变比。,结论：,纵联差动保护有较高的灵敏度。,二、变压器纵联差动保护在稳态情况下的不平衡电流及减小不平衡电流的措施,在正常运行及保护范围外部短路稳态情况下流入纵联差动保护差回路中的电流叫稳态不平衡电流Ibp。,差动保护的动作电流应大于最大不平衡电流，以保证保护范围外部短路时差动保护不动作。不平衡电流增大，将使保护的灵敏度降低。,1由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流,由于变压器常常采用Y,dll的接线方式,因此,其两侧电流的相位差30。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于相位不同，会有一个差电流流入继电器。如何消除这种不平衡电流的影响？,通常都是将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形。,(b),(c),(a),将该侧电流互感器的变比加大倍，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等，故此时选择变比的条件是,当电流互感器采用上述联接方式以后，在互感器接成三角形侧的差动一臂中，电流又增大了倍。如何保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中应没有电流？,2由两侧电流互感器的误差引起的不平衡电流,变压器两侧电流互感器有电流误差I，在正常运行及保护范围外部故障时流入差回路中的电流不为零，为什么？,为什么在正常运行时，不平衡电流很小？,为什么当外部故障时，不平衡电流增大？,原因：,电流互感器的电流误差和其励磁电流的大小、二次负载的大小及励磁阻抗有关，而励磁阻抗又与铁芯特性和饱和程度有关。当被保护变压器两侧电流互感器型号不同，变比不同，二次负载阻抗及短路电流倍数不同时都会使电流互感器励磁电流的差值增大。,（1）在选择互感器时，应选带有气隙的D级铁芯互感器，使之在短路时也不饱和。（2）选大变比的电流互感器，可以降低短路电流倍数。（3）在考虑二次回路的负载时，通常都以电流互感器的10误差曲线为依据，进行导线截面校验，不平衡电流会更小。最大可能值为：,减少这种不平衡电流影响的措施：,3由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流,两侧的电流互感器、变压器是不是一定满足,或,的关系？,很难满足上述关系。,利用平衡线圈Wph来消除此差电流的影响。假设在区外故障时，如下图所示，则差动线圈中将流过电流（），由它所产生的磁势为Wcd()。为了消除这个差动电流的影响，通常都是将平衡线圈Wph接入二次电流较小的一侧，应使,减少这种不平衡电流影响的措施：,Wcd()=Wph或Wcd=(WcdWph),4带负荷调变压器的分接头产生的不平衡电流,在电力系统中为什么采用带负荷调压的变压器会产生不平衡电流？,改变分接头的位置不仅改变了变压器的变比，也破坏了变压器两侧电流互感器变比的比等于变压器变比的条件，故会产生不平衡电流。,原因：,调整分接头产生的最大不平衡电流为,在稳态情况下需要被消除的不平衡电流有电流互感器误差，变压器调节分接头及平衡线圈的计算匝数与整定匝数不一致产生的不平衡电流，即,要保证差动保护在正常运行及保护范围外部故障时不误动，差动保护的动作电流要躲开最大不平衡电流进行整定。,总结：,三、暂态情况下的不平衡电流及减小其影响的措施,1外部短路时的不平衡电流,在变压器差动保护范围外部发生故障的暂态过程中，为什么在差回路中将产生暂态不平衡电流？,原因：,变压器两侧电流互感器的铁芯特性及饱和程度不同。,在差回路中接入速饱和中间变流器SBH，如右图所示。速饱和变流器是一个铁芯截面较小，易于饱和的中间变流器。直流分量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。,减少这种不平衡电流影响的措施：,引入一个非周期分量的影响系数Kfz。外部短路时的暂态不平衡电流，在接入一级速饱和变流器时为,式中Knp非周期分量的影响系数，取1.52,在接入两级速饱和变流器时，非周期分量的影响系数取1。,计算变压器差动保护回路暂态不平衡电流,2由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流,变压器的励磁电流仅流经变压器的某一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响就更小。,但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励磁电流(又称为励磁涌流)。,变压器的励磁涌流，其数值最大可达额定电流的68倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量。,励磁涌流具有以下特点：,(1)包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；,(2)包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主；,(3)波形之间出现间断，如图所示，在一个周期中间断角为。,在变压器纵差动保护中防止励磁涌流影响的方法有：,(1)采用具有速饱和铁心的差动继电器；,(2)鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别；,(3)利用二次谐波制动等。,1.组成：,四、BCH2型差动继电器,电磁型电流继电器,三柱铁芯：两边柱铁芯截面较小，是中间柱铁芯截面的一半，易于饱和。,差动线圈Wcd：接于变压器差动保护的差回路，当安匝磁势达到一定值时，二次线圈感应的某一电势值使电流继电器起动。,两个平衡线圈Wph1、Wph2,短路线圈Wd,工作线圈W2。,差动线圈接于变压器差动保护的差回路，当安匝磁势达到一定值时，二次线圈感应的某一电势值使电流继电器起动。,平衡线圈的作用是消除变压器两侧电流互感器的计算变比与实际变比不一致所产生的不平衡安匝磁势。,短路线圈的作用是提高差动继电器躲过励磁涌流的能力。,2BCH一2型差动继电器构成的变压器差动保护的整定计算,(1)确定基本侧。将变压器两侧电流互感器流入差回路的电流中较大的一侧作为基本侧，计算步骤如表所示。,(2)确定差动保护的动作电流,躲过变压器的励磁涌流,躲外部短路时的最大不平衡电流,平衡线圈的圆整误差，其值为,躲开电流互感器二次断线产生的最大不平衡电流,取以上三条件计算结果中的最大值作为变压器差动保护一次动作电流。,(3)计算变压器差动保护基本侧差动线圈匝数基本侧继电器的动作电流为基本侧差动线圈的计算匝数,继电器实际动作电流和一次动作电流分别为,差动线圈的实际匝数。,(4)计算非基本侧平衡线圈匝数,对双绕组变压器平衡线圈的实际匝数，采用四舍五入圆整。,(5)平衡线圈圆整误差的计算计算结果的变化范围在00.091内。若误差小于0.05，则以上计算结果有效；若误差大于005，则重新计算差动保护的动作电流。,(6)确定短路线圈匝数对于大容量的变压器，涌流倍数小，衰减慢，要求切除内部故障的时间尽量短，应选取较少的短路线圈匝数。相反，对于较小容量的变压器，应选用较多匝数的短路线圈，以便更有效地消除非周期分量电流的影响。,(7)灵敏度校验保护范围内部短路最小灵敏度应大于2。式中Id.min保护范围内故障，流过基本侧的最小短路电流；Iop差动保护一次动作电流。,五、带制动特性的差动保护,1BCH一1型差动继电器,三柱式铁芯电磁型电流继电器差动线圈Wcd，两个平衡线圈Wph1、Wph2制动线圈Wzh工作线圈Wgz。,组成：,差动线圈：通以电流产生磁通cd，在两个二次工作绕组上感应的电势相串联，能使电流继电器动作。,制动线圈：通以电流产生的磁通zh在两边柱形成环路，在两个二次工作绕组上感应的电势反向串联，合成电势为零，不会使电流继电器动作。它的作用是使两个边柱的铁芯饱和，加大继电器的动作安匝。,各部分作用：,铁芯：两边柱截面小，易于饱和，它的作用相当于一级速饱和变流器。,安匝制动曲线：继电器的动作安匝与制动安匝的关系曲线。当制动安匝磁势较小时，两边柱铁芯没有饱和，继电器的动作安匝不变，仍为60安匝。,当制动安匝加大，铁芯开始饱和，动作安匝开始加大。随着制动安匝磁势的加大，铁芯饱和程度变大，继电器动作安匝加大，如图曲线1或2。,带有制动线圈的变压器差动保护,以变压器的电源侧为基本侧，负荷侧为非基本侧。非基本侧接有平衡线圈、制动线圈。当保护范围外部故障时，在制动线圈中流有短路电流，使铁芯饱和，增大了继电器的动作安匝。外部故障时继电器不动。内部故障时，若B侧无电源，制动线圈中没有短路电流，不起制动作用。,制动线圈的安装位置如下：,(1)对单侧电源的双绕组变压器，制动线圈应接于负荷侧，外部故障有制动作用，内部故障没有制动作用。,(2)对于单侧电源的三绕组变压器，制动线圈应接于流过变压器最小穿越性短路电流的负荷侧。,(3)对于双侧电源的三绕组变压器，制动线圈一般接于无电源侧。,(4)对于双侧电源的双绕组变压器，制动线圈应接于小电源侧。当仅有小电源供电时，能保证保护装置的灵敏度。,2BCH一1型差动保护的整定计算,(1)确定变压器的基本侧。与BCH一2型差动继电器相同。,(2)计算差动保护的动作电流,躲开变压器空载投入时的励滋涌流：,躲开电流互感器二次断线产生的不平衡电流：,躲开未装制动线圈侧外部短路时的不平衡电流Iunb：,取以上三条件计算结果中的最大值作为变压器差动保护一次动作电流。,(3)计算差动线圈匝数与BCH一2型继电器相同。,(4)计算平衡线圈匝数与BCH一2型继电器相同。,(5)校验平衡线圈圆整误差与BCH一2型继电器相同。,(6)计算制动线圈匝数Wzh：,外部短路差回路通以最大不平衡安匝数时，以保证继电器不动来确定制动线圈的匝数。,对于双绕组变压器，制动线圈计算匝数为,制动线圈要保证外部短路时可靠制动，其实际匝数应向上圆整。,（7）灵敏度校验,首先求出保护范围内校验点短路时流过制动线圈的电流及制动安匝。依据BCH一1型差动继电器最大安匝制动曲线2求出继电器的动作安匝，其值可近似为(AW)op=tg2(AW)zh式中tg2最大安匝制动曲线2的斜率，可取为1.4。当计算出的动作安匝小于60安匝时，取60安匝。差动保护的灵敏度为,例题对一台容量为40.5MVA三相三绕组降压变压器进行差动保护整定计算。变压器的接线及各侧的短路电流如下图所示。电压：11022.5kV38.522.5kV11kV，接线方式为：Y，d11，d11，变压器的额定电流：213A608A2130A。图中标出的短路电流均为归算到110kV侧的三相短路电流值。括号内的数字为最小三相短路电流值。fl点单相接地时,22kA。,解首先采用BCH2型差动继电器(1)确定基本侧。由下表可以看出110kV电压级为基本侧。,六、二次谐波制动的差动保护,利用二次谐波制动可躲过励磁涌流。利用制动线圈躲开外部故障时最大不平衡电流。具有二次谐波制动的变压器差动保护原理接线由外部故障制动回路、二次谐波制动回路、差动回路及执行回路组成。,外部短路制动回路由电抗变换器TXl、整流滤波回路BZ1、C1、R1组成。TX1中的一次线圈流有很大的循环电流，它使二次线圈感应较大电压并实现制动。同时差回路电流很小，保护不会动作。在保护范围内部故障时，变压器有一侧电流要改变方向或消失。电抗变换器TX1一次线圈两部分绕组中电流方向相反或有一部分为零。,TX1的二次线圈感应电势变小，制动作用消失或减小。差动回路电流增大，TX3的二次侧感应电压升高，差动保护可靠动作。,二次谐波制动回路由电抗变换器TX2、电容C2、整流桥BZ2、滤波电容C3及电位器RP2组成。电抗变换器TX2的一次线圈接在差回路中，其二次绕组与C2组成对二次谐波串联谐振回路，用以提高输出电压，增大二次谐波的制动能力。二次谐波制动作用可借助电位器RP2调节。,差动回路由电抗变换器TX3、整流桥BZ3、滤波电容C4及对50周波串联谐振回路L5、C5及电位器R3组成。谐振回路对基波分量电压有较大的输出，对不平衡电流中的非周期分量和高次谐波有较强的抑制能力。调节电位器RP3的位置可以调节继电器的起动电流。,执行回路是一个幅值比较的执行回路。当AB时，继电器动作。执行元件可以是二极管环形比较回路，也可由零指示器构成。调节电位器RP1、RP2的位置，使在保护范围外部故障及变压器空载投入时可靠不动。调节电位器RP3的位置，使在保护范围内部故障时可靠动作。,第五节变压器相间短路的电流和电压保护,反应相间短路电流增大而动作的过电流保护作为变压器的后备保护。为满足灵敏度要求，可装设过电流保护、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，甚至阻抗保护。,一、变压器相间短路的过电流保护,起动电流按躲开变压器可能出现的最大负荷电流进行整定：,(1)对并列运行的变压器，应考虑切除一台变压器时所出现的过负荷。当各台变压器的容量相同时，可按下式计算,(2)对降压变压器应考虑电动机的自起动电流。过电流保护的动作电流为,保护装置的灵敏度校验,过电流保护作为变压器的近后备保护，灵敏系数要求大于1.5，远后备保护的灵敏系数大于1.2。保护的动作时间比出线的第三段保护动作时限长1个时限阶段。过电流保护装置应装于变压器的电源侧，保护动作后，跳开变压器两侧断路器。,二、低电压起动的过流保护,当过电流保护不能满足灵敏度要求时，怎么办？,采用低压起动的过电流保护。只有电压测量元件和电流测量元件同时动作后才能起动时间继电器，经预定的延时发出跳闸脉冲。,低电压起动的过电流保护原理接线图：,三、复合电压起动的过电流保护,由负序电压滤过器、过电压继电器及低电压继电器组成复合电压起动回路。,当发生各种不对称短路时，出现负序电压，过压继电器动作其常闭接点断开低电压继电器失电其常闭接点闭合起动中间继电器，低压闭锁开放。若电流继电器也动作，则起动时间继电器，经预定延时发出跳闸脉冲。,三、复合电压起动的过电流保护,三相短路时：也会短时出现负序电压。闭锁开放。由于低电压继电器返回电压较高。三相短路后，若母线电压低于低电压继电器的返回电压，则低电压继电器不会返回。,复合电压起动的过电流保护的电流元件和低电压元件的整定同低压闭锁过电流保护。负序电压继电器的动作电压根据运行经验为灵敏度校验与上述两种过电流保护相同。这种保护方式灵敏度高，接线简单，故应用比较广泛。,四、负序电流保护,对于大型发电机一变压器组，额定电流大，电流元件往往不能满足远后备灵敏度的要求，可采用负序电流保护。其原理接线如图所示。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。,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口的最大不平衡电流。其值为Iop=(0.10.2)IN.T,(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。灵敏度校验,负序电流保护的灵敏度较高，接线也较简单，但整定计算比较复杂，通常用在31.5MVA及以上的升压变压器。,五、变压器的过负荷保护,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接于一相电流回路中，经过较长的延时后发出信号。原理接线如图所示。,过负荷保护的整定计算：过负荷保护的动作电流按躲过变压器的额定电流进行整定：,过负荷保护的延时应比变压器过电流保护时限长一个时限阶段，一般取10s。,第六节变压器的零序电流保护,对l10kV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(接地)保护，作为变压器主保护的后备保护和相邻元件短路的后备保护。,大接地电流系统发生单相或两相接地短路时，零序电流的分布和大小与系统中变压器中性点接地的台数和位置有关。,一、变电所单台变压器的零序电流保护,零序电流保护装于变压器中性点接地引出线的电流互感器上，其原理接线如图所示。保护动作后切除变压器两侧的断路器。,零序电流保护的整定计算：动作电流按与被保护侧母线引出线零序保护后备段在灵敏度上相配合的条件进行整定，即,动作时限为,式中Kco配合系数，Kph取1.11.2；Kb零序电流分支系数。其值为远后备范围内故障时,流过本保护与流过出线零序保护零序电流之比；,出线零序电流保护第三段的动作电流。,灵敏度校验：为满足远后备灵敏度的要求,二、变电所多台变压器的零序电流保护,当变电所有多台变压器并列运行时，只允许一部分变压器中性点接地。中性点接地的变压器可装设零序电流保护，而不接地运行的变压器不能投入零序电流保护。,当发生接地故障时，变压器接地保护不能辨认接地故障发生在哪一台变压器。若接地故障发生在不接地的变压器，会产生什么后果？,接地保护动作，切除接地的变压器后，接地故障并未消除，且变成中性点不接地系统在接地点会产生较大的电弧电流，使系统过电压。同时系统零序电压加大，不接地的变压器中性点电压升高，其零序过电压可能使变压器中性点绝缘损坏。,为此，变压器的零序保护动作时，首先应切除非接地的变压器。若故障依然存在，经一个时限阶段t后，再切除接地变压器，其原理接线如图所示。,每台变压器都装有同样的零序电流保护，它是由电流元件和电压元件两部分组成。正常时零序电流及零序电压很小，零序电流继电器及零序电压继电器皆不动作，不会发出跳闸脉冲。,发生接地故障时，出现零序电流及零序电压，当它们大于起动值后，零序电流继电器及零序电压继电器皆动作。电流继电器起动后，常开触点闭合，起动时间继电器KT1。时间继电器的瞬动触点闭合，给小母线A接通正电源，将正电源送至中性点不接地变压器的零序电流保护。,不接地的变压器零序电流保护的零序电流继电器不会动作，常闭触点闭合。小母线A的正电源经零序电压继电器的常开触点、零序电流继电器的常闭触点起动有较短延时的时间继电器KT2经较短时限首先切除中性点不接地的变压器。,若接地故障消失，零序电流消失，则接地变压器的零序电流保护的零序电流继电器返回，保护复归。若接地故障没有消失，接地点在接地变压器处，零序电流继电器不返回，时间继电器KT1一直在起动状态，经过较长的延时KT1跳开中性点接地的变压器。,零序电流保护的整定计算：动作电流：(1)与被保护侧母线引出线零序电流第三段保护在灵敏度上相配合，所以(2)与中性点不接地变压器零序电压元件在灵敏度上相配合，以保证零序电压元件的灵敏度高于零序电流元件的灵敏度。设零序电压元件的动作电压为，则零序电流元件的动作电流为,动作电压整定：按躲开正常运行时的最大不平衡零序电压进行整定。根据经验，零序电压继电器的动