《变压器保护》PPT课件

6电力变压器保护,6.1电力变压器的故障类型和不正常运行状态及保护配置6.2变压器纵差动保护6.3变压器的励磁涌流及其鉴别原理6.4变压器相间短路的后备保护,6.1电力变压器的故障类型和不正常运行状态及保护配置,6.1.1电力变压器的故障类型和不正常运行状态,1、电力变压器的故障类型,变压器的故障可分为油箱内故障和油箱外故障两类。内部：绕组的相间短路、匝间短路、接地短路，以及铁芯烧毁等。外部：套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。,2.不正常的运行状态,外部相间短路、接地短路引起的相间过电流和零序过电流，负荷超过其额定容量引起的过负荷、油箱漏油引起的油面降低，以及过电压、过励磁等。,6.1.1电力变压器的故障类型和不正常运行状态,（1）瓦斯保护作用：反应变压器油箱内部的短路故障以及油面降低。重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧断路器，轻瓦斯保护动作于发出信号。,6.1.2电力变压器的保护配置,应装设瓦斯保护的变压器容量界限是：800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器。同样对带负荷调压的油浸式变压器的调压装置，也应装设瓦斯保护。,当变压器油箱内部发生故障时，短路电流产生的电弧使变压器油和其它绝缘材料分解，从而产生大量的可燃性气体，人们将这种可燃性气体统称为瓦斯气体。故障程度越严重，产生的瓦斯气体越多，流速越快，气流中还夹杂着细小的、灼热的变压器油。瓦斯保护是利用变压器油受热分解所产生的热气流和热油流来动作的保护。,6.1.2电力变压器的保护配置,（2）纵差保护或电流速断保护作用：反应电力变压器绕组、套管及引出线发生的短路故障。6300kVA及以上并列运行、10000kVA及以上单独运行的变压器、发电厂厂用变，应装设纵差动保护。10000kVA及以下的变压器，应装设电流速断保护。对于2000kVA以上的变压器，当电流速断保护灵敏度不能满足要求时，也应装设纵差动保护。,6.1.2电力变压器的保护配置,（3）过电流保护作用：反应外部相间短路引起的变压器过电流，同时作为瓦斯保护和纵差保护的后备保护，其动作时限按阶梯形原则来整定。常采用：过电流保护低电压起动过电流保护复合电压起动过电流保护,6.1.2电力变压器的保护配置,（4）零序保护作用：反应变压器高压侧（或中压侧），以及外部元件的接地短路。变压器中性点直接接地运行，应装设零序电流保护；变压器中性点可能接地或不接地运行时，应装设零序电流、零序过电压保护。,6.1.2电力变压器的保护配置,（5）过负荷保护变压器长期过负荷运行时，绕组会因发热而受到损伤。400kVA以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应装设过负荷保护。过负荷保护通常只装在一相，延时动作于发信号。无人值守变电所，必要时可动作于自动化减负荷或跳闸。,6.1.2电力变压器的保护配置,（6）过励磁保护高压侧电压为500kV及以上的变压器，对频率降低和电压升高而引起的变压器励磁电流的升高，应装设过励磁保护。在变压器允许的过励磁范围内，保护作用于信号，当过励磁超过允许值时，可动作于跳闸。过励磁保护反应于实际工作磁密和额定工作磁密之比（称为过励磁倍数）而动作。实际工作磁密可通过检测变压器电压幅值与频率的比值来计算。,6.1.2电力变压器的保护配置,（7）其他保护对变压器温度和油箱内压力升高，以及冷却系统故障，应装设相应的非电量保护。,6.1.2电力变压器的保护配置,变压器保护分类：非电量保护：装设于变压器内部，反映油箱内的油、气、温度的变化。电量保护,6.1.2电力变压器的保护配置,变压器主保护：瓦斯保护和纵差动保护。,6.2变压器纵差动保护,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,1.基本原理与线路纵联保护相似，都是比较被保护设备各侧电流的相位和数值大小。电流参考正方向：母线指向变压器。,流入差动继电器KD的差动电流为：,与线路纵联保护的不同：变压器高低压侧的额定电流不相等，为使差动保护正确动作，需适当选择各侧的电流互感器变比，使正常运行或外部故障时各侧的二次电流相等。,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,即差动电流为0，保护不会动作；变压器内部故障时，差动电流为故障点电流（变换到TA二次侧），数值很大。,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,忽略变压器的损耗，在正常运行和区外故障时一次电流的关系为：,因此利用差动继电器的动作方程：IrIset理论上可区分区内故障和区外故障。,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,2.纵差动保护的接线（三相变压器）三相变压器通常采用Y,d11的接线方式。,Y，d11接线方式：变压器Y侧和d侧同相电流相位不一致，IdA超前IYA30。,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,2.纵差动保护的接线（双绕组三相变压器）考虑两侧电流互感器能否均采用Y型接线？,两侧电流互感器均采用Y型接线，则如果采用相对相式，会产生差流。,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,解决方法：1)更改TA接线,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,采用这样的接线，流入三个差动继电器的差动电流为：,消除了两侧电流相位的不对应。,解决方法：为保证正常运行及外部故障情况下差动回路没有电流，则该侧的电流互感器变比也应增大倍。,带来问题：由于Y侧采用两相电流差，则该侧流入差动继电器的电流增加了倍。,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,两侧电流互感器的变比应满足：,2)软件补偿：如果采用微机保护装置，则两侧电流互感器可均采用星形接线，在软件中合成对应的两侧比较电流，并考虑变换系数即可。两侧电流互感器的变比仍取：,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,以Y,d,d11接线方式为例，接入纵差动继电器的差电流为：,3.三绕组变压器接线：,6.2.1纵差动保护的基本原理和接线,同样地，d侧电流互感器用Y接线方式，两个Y侧电流互感器则采用d接线。设变压器1-3侧和2-3侧变比为nT13和nT23，则电流互感器变比的选择应满足：,设Ik.max为区外故障时的最大穿越电流（二次侧）,6.2.2不平衡电流及解决方法,1.计算变比与标准变比不同产生的不平衡电流,区外故障时：,6.2.2不平衡电流及解决方法,解决方法：,电流互感器选定后，n为一个常数。可设法补偿掉不平衡电流，则此时引入差动继电器的电流为：,1)数字式纵差动保护装置：用软件计算实现补偿。,6.2.2不平衡电流及解决方法,2)电磁式纵差动保护装置用中间变流器进行补偿。原理：磁势平衡。,在中间变流器TS的铁心上绕有主绕组Wd，接入差动电流，另外还绕有一个平衡绕组Wb和二次绕组W2。通过选择绕组匝数，在正常运行和外部故障时，只要满足：,即Wb/Wd=n，则中间变流器内总磁通为0，在二次绕组上就没有感应电动势，从而没有电流流入继电器。,6.2.2不平衡电流及解决方法,2.变压器带负荷调整接头而产生的不平衡电流调整分接头实际上就是改变变压器的变比，其结果必然将破坏电流互感器二次电流的平衡关系，产生了新的不平衡电流。由于改变分接头位置产生的最大不平衡电流为：Iunb.max=UIk.maxU为由变压器分接头改变引起的相对误差，考虑到可以正负两个方向进行调整，一般U可取调节范围的一半。,解决办法：用提高保护动作电流的方法来躲过这种不平衡电流的影响。,电流互感器的传变误差就是励磁电流：,6.2.2不平衡电流及解决方法,3.电流互感器传变误差产生的不平衡电流,1)电流互感器的传变误差分析,电流互感器的二次电流：,Z1包含电流互感器的漏抗和二次负载阻抗。,6.2.2不平衡电流及解决方法,区外故障时，由电流互感器传变误差引起的不平衡电流：,1)电流互感器的传变误差分析,若两个互感器型号相同，则参数差异性小，不平衡电流也较小，反之较大。采用同型系数Kst表示互感器型号对不平衡电流的影响。当两TA型号、容量相同时取0.5，不同时取1，对于变压器纵差动保护，两侧TA变比肯定不一样，因此取Kst=1。,6.2.2不平衡电流及解决方法,励磁电流I1的大小取决于电流互感器铁芯是否饱和以及饱和的程度。,1)电流互感器的传变误差分析,I1与铁芯磁通之间的关系由铁芯的磁滞回线确定。2励磁电流3铁芯的磁滞回线1铁芯的基本磁化曲线，近似分析时常用1代替3。S点为饱和点，磁化曲线各点切线的斜率就是励磁回路的电感L1。铁芯未饱和时，L1很大且接近常数；铁芯饱和后磁化曲线变得很平坦，L1大大减小。,6.2.2不平衡电流及解决方法,1)电流互感器的传变误差分析,总结：一次电流I1较小时，铁芯不饱和，L1很大且不变，励磁电流很小且随着I1增大按比例增大。一次电流增大使励磁电流增大到铁芯饱和后，L1减小，励磁回路的分流增大，从而导致励磁电感进一步下降，其结果是励磁电流迅速增大。铁芯越饱和励磁电流越大，并随一次电流的增加呈非线性的增加。,6.2.2不平衡电流及解决方法,1)电流互感器的传变误差分析,若I1中存在大量的非周期分量，使I1偏于时间轴一侧，磁通也偏离磁化曲线，沿3局部磁滞回线变化，使L1显著减小。,当TA一次侧电流消失后，I1也相应变为0。由于磁滞回线的“磁滞”现象，铁芯中将长期存在残留磁通，成为剩磁。剩磁大小的方向与一次电流消失时刻的励磁电流有关。,6.2.2不平衡电流及解决方法,1)电流互感器的传变误差分析,铁芯饱和程度还和二次负载ZL有关。一次电流一定的情况下，ZL越大，Z1越大，励磁电流越大，铁芯越易饱和。磁化曲线是根据电流互感器铁芯材料和截面积决定的，电流互感器生产厂家根据产品的磁化曲线会提供10%误差曲线。为保证纵差动保护正确动作，通常根据电流互感器的10%误差曲线来选择电流互感器的型号。根据区外故障最大短路电流Ik.max，在10%误差曲线中找出相应的二次负载阻抗的数值，如果实际的负载阻抗小于该数值，则二次电流的误差一定小于10%，否则应选择容量更大的电流互感器。,则最大不平衡电流为：,6.2.2不平衡电流及解决方法,1)电流互感器的传变误差分析,因此电流互感器的最大误差就是10%，即：,另外，铁芯饱和还与一次电流的频率有关，频率越低，越容易饱和。变压器外部故障时，一次电流中除了稳态分量外，还有非周期分量等暂态分量，导致不平衡电流的瞬时值增大，因此应考虑非周期分量系数Knp(取1.52)：,6.2.2不平衡电流及解决方法,3.电流互感器传变误差产生的产生的不平衡电流,2)解决方法A.减少因电流互感器性能不同引起的稳态不平衡电流方法：尽可能使用型号、性能完全相同的D级电流互感器，使两互感器磁化曲线相同。减少电流互感器的二次负载，并使各侧负载相同，减少铁芯的饱和程度，从而减少不平衡电流。,6.2.2不平衡电流及解决方法,3.电流互感器性能不同而产生的不平衡电流,2)解决方法B.减少电流互感器的暂态不平衡电流方法：采用速饱和特性的中间变流器。当差动电流中含有较大的非周期分量时，铁芯迅速饱和，使非周期分量不易传变到变流器二次侧。而差流中只有周期分量时，很容易传变到二次侧。,6.2.2不平衡电流及解决方法,4.变压器励磁涌流产生的不平衡电流励磁回路相当于变压器内部故障的故障支路，励磁电流全部流入差动继电器中，形成不平衡电流。即：励磁电流的大小取决于励磁电感的数值，即取决于铁芯是否饱和。,6.2.2不平衡电流及解决方法,4.变压器励磁涌流产生的不平衡电流,正常运行和外部故障时变压器不会饱和，励磁电流一般不超过额定电流的2%5%，对纵差动保护的影响可忽略不计;当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，电压上升的暂态过程中，变压器可能严重饱和，出现很大的暂态励磁电流，称励磁涌流，其值可达变压器额定电流的48倍。可能造成保护误动作。,如果用动作电流躲开励磁涌流，则在变压器内部故障时灵敏度很低，一般通过其他措施防止励磁涌流引起纵差动保护的误动。,解决方法：见下节。,6.2.3纵差动保护整定计算,1.整定原则1)躲开保护范围外部短路时的最大不平衡电流,计算变比与实际变比不一致引起的误差；,带负荷调压引起的相对误差；,电流互感器容许的最大相对误差；,非周期分量系数，取1.52；采用速饱和变流器时，可取1；,电流互感器的同型系数，取为1。,6.2.3纵差动保护整定计算,1.整定原则2)躲开变压器的最大励磁涌流,可靠系数，取1.31.5；,励磁涌流的最大倍数，为48；,变压器额定电流。,a.差动保护一般采用励磁涌流鉴别措施，在励磁涌流时将保护闭锁，此时可取K=0；b.采用速饱和变流器可减少励磁涌流产生的不平衡电流，可取K=1。,6.2.3纵差动保护整定计算,1.整定原则3)躲开电流互感器二次回路断线引起的差电流电流互感器二次回路断线时，另一侧电流互感器的二次电流全部流入差动继电器中，要引起保护的误动。若没有断线识别的措施，则差动保护的动作电流必须大于正常运行情况下变压器的最大负荷电流：,可靠系数，取1.3,最大负荷电流，若不能确定，取变压器的额定电流,6.2.3纵差动保护整定计算,2.灵敏系数校验,Ik.min.r为各种运行方式下变压器区内端部短路时，流经差动继电器的最小差动电流。如果不满足灵敏要求，应采用具有制动特性的差动继电器。,1.整定原则以上三个条件算出的动作电流，取最大者。所有电流都是折算到电流互感器二次侧的数值。,6.2.4具有制动特性的差动继电器,流入差动继电器的不平衡电流与变压器外部故障时的穿越电流有关，穿越电流越大，不平衡电流越大。,为了提高内部故障的灵敏度，差动继电器的动作电流不再按躲过最大穿越电流Ik.max整定，而是引入一个能反应变压器穿越电流大小的制动电流，使动作电流不再固定不变，而是根据制动电流自动调整。,1.差动继电器的动作特性,6.2.4具有制动特性的差动继电器,差动继电器的制动特性方程可表示为：,Ir动作电流Ires制动电流,在折线上方为动作区，下方为不动作区。既保证区内故障的灵敏度，也可保证外部故障时不会误动。,差动继电器的“两折线”特性,6.2.4具有制动特性的差动继电器,K为制动特性的斜率，对变压器保护通常取0.41;Ires.g为拐点电流，一般取（0.61.1）IN；Iset.min为差动电流门槛值，常取（0.20.5）IN。,Iset.min的作用是躲开与制动电流无关的不平衡电流，如变压器的励磁涌流、测量回路的杂散噪声等。,6.2.4具有制动特性的差动继电器,1)双侧电源供电时假定两侧电源的电动势和等效阻抗都相同，则Ir=I1+I2=2Ires。（直线1）差动电流只要大于Iset.min就能动作。,2.差动继电器在内部故障时的动作行为,折线3：差动继电器的制动特性,6.2.4具有制动特性的差动继电器,2)单侧电源供电，I1为负荷侧Ires=0，差动电流只要大于Iset.min就能动作。,2.差动继电器在内部故障时的动作行为,折线3：差动继电器的制动特性,3)单侧电源供电，I1为电源侧Ir=Ires=I1，直线2，斜率为1，动作电流也为Iset.min。,6.2.4具有制动特性的差动继电器,总结：各种运行方式下的变压器内部故障时，有制动特性的差动继电器动作电流均为最小工作电流Iset.min，即内部故障时动作电流从原来的Iset.max下降到Iset.min及制动线，灵敏度大大提高。,2.差动继电器在内部故障时的动作行为,折线3：差动继电器的制动特性,6.2.4具有制动特性的差动继电器,考虑负荷电流的影响：负荷电流不影响差动电流，但会使制动电流增加。差动电流与制动电流之间的关系变成2，2与3的交点为c，继电器的动作电流将大于Iset.min，仍比不带制动特性时灵敏得多。,2.差动继电器在内部故障时的动作行为,折线3：差动继电器的制动特性,6.2.4具有制动特性的差动继电器,外部故障时：制动电流相同，都等于变压器的穿越电流。内部故障时：灵敏度不同。,3.其他制动电流选取方法,6.3变压器的励磁涌流及鉴别方法,6.3.1单相变压器的励磁涌流,变压器电压和磁通之间的关系,励磁涌流产生的原因：铁芯饱和,即铁芯中产生的磁通滞后电压90。,2)变压器空载合闸分析假定变压器在t=0时刻空载合闸。若刚好在u=0时接通电路（即=0时刻合闸），根据磁通与电压的关系，磁通应为-m。a.若接通前不考虑剩磁即接通前=0。由于磁通不能突变，因此出现非周期分量磁通+m，不考虑损耗，为直流分量。半个周期后，磁通达最大：=2m。,6.3.1单相变压器的励磁涌流,2)变压器空载合闸分析b.接通前考虑剩磁，且为任意角度,6.3.1单相变压器的励磁涌流,变压器的饱和磁通一般为sat=1.151.4。正常运行时：变压器的运行电压一般不会超过额定电压的10%，因此磁通不会超过饱和磁通，铁芯不会饱和。空载合闸的暂态过程：可能超过饱和磁通。最严重的情况：在电压过零时刻（=0）合闸，最大值为2m+r。（如上图）,2)变压器空载合闸分析,6.3.1单相变压器的励磁涌流,励磁涌流分析中，通常用=t+代替时间，这样是以2为周期变化的。,3)励磁涌流波形,6.3.1单相变压器的励磁涌流,变压器铁芯不饱和时，磁化曲线的斜率很大，励磁电流i近似为0；铁芯饱和后，磁化曲线的斜率很小，i大大增加，形成励磁涌流。如果不考虑衰减，励磁涌流表示为：,励磁涌流波形完全偏离时间轴的一侧，且是间断的。,3)励磁涌流波形,6.3.1单相变压器的励磁涌流,励磁涌流波形间断的角度称为励磁涌流的间断角J，显然：J=21。,间断角J是区别励磁涌流与故障电流的重要特征，饱和越严重间断角越小。J与变压器稳态磁通幅值m，合闸角及铁芯剩磁有关，通常只关心各种情况下的最小间断角，计算时可选m=1.1，=0，sat=1.15，r取最大剩磁0.7，由此可得到J=108。,3)励磁涌流波形,6.3.1单相变压器的励磁涌流,励磁涌流中含有大量非周期分量和谐波分量，以二次谐波为主。非周期含量及谐波含量与间断角有关。,3)励磁涌流波形,6.3.1单相变压器的励磁涌流,如果考虑衰减，励磁涌流的波形如下图：,励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁心中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质等都有关系。,4)单相变压器励磁涌流的特点,6.3.1单相变压器的励磁涌流,变压器空载合闸时，涌流是否产生以及涌流的大小与合闸角有关，合闸角=0和=时励磁涌流最大；波形完全偏离时间轴一侧，并且出现间断。涌流越大，间断角越小。含有很大成分的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。含有大量的高次谐波分量，以二次谐波为主。间断角越小，二次谐波越小。,6.3.2三相变压器的励磁涌流,三相变压器空载合闸时，三相绕组都会产生励磁涌流。,每相差流中的励磁涌流都是两个绕组的励磁涌流之差。,6.3.2三相变压器的励磁涌流,三相变压器励磁涌流的特点：1)三相对称，因此三相励磁涌流不会相同，任何情况下空载投入变压器，至少在两相中要出现不同程度的励磁涌流；2)某相励磁涌流可能不再偏离时间轴一侧（如i.B.r），变成了对称性涌流，数值比较小，无非周期分量。其他两相仍为非对称性涌流，含有大量非周期分量。,6.3.2三相变压器的励磁涌流,三相变压器励磁涌流的特点：3)三相励磁涌流中有一相或两相中二次谐波含量比较小，但至少有一相比较大；4)励磁涌流的波形仍然是间断的，但间断角显著减小，对称性涌流间断角最小。对称性涌流的一个显著特点：涌流的正向最大值与反向最大值之间的相位差120，称为“波宽”（稳态故障电流波宽为180）。,6.3.3防止励磁涌流引起误动的方法,1.采用速饱和中间变流器励磁涌流中含有大量非周期分量，所以可以采用速饱和中间变流器快速饱和，不传变到变流器二次侧，从而防止差动保护误动。对于Y，d11接线的三相变压器，常有一相是对称性涌流，没有非周期分量，中间变流器不能饱和，只能通过差动继电器的动作电流来躲过，考虑到对称性涌流的幅值比较小，因此整定计算中可取K=1。缺点：速饱和原理的纵差动保护动作电流大，灵敏度低，且在变压器内部故障时，会因非周期分量的存在而延缓保护动作。已逐渐被淘汰。,2.二次谐波制动的方法依据：励磁涌流中含有大量二次谐波分量。判据：Ir.2K2Ir.1Ir.2和Ir.1分别为差动电流中的二次谐波分量和基波分量的幅值；K2为二次谐波制动比，一般取15%20%。需要考虑的问题：1)考虑到涌流严重时，二次谐波含量可能较小，而三相涌流中至少有一相二次谐波含量较高，因此采用“三相或门”方案。2)变压器内部故障时，测量电流中的暂态分量也可能存在二次谐波，若含量大于K2，则差动保护被闭锁，一直等到暂态分量衰减后才能动作；另外，TA饱和也会在二次电流中产生二次谐波。,6.3.3防止励磁涌流引起误动的方法,2.二次谐波制动的方法,6.3.3防止励磁涌流引起误动的方法,增加不带二次谐波制动的差动继电器，构成“差动电流速断保护”。整定按躲开最大励磁涌流整定：取K=48。,3.间断角鉴别的方法依据：励磁涌流的波形中会出现间断角，变压器内部故障时流入差动继电器的是稳态差电流，为正弦波，无间断角。一般间断角整定值取65。考虑到三相变压器中，对称性涌流的间断角有可能较小，增加反映波宽的判据：波宽140时，为涌流，否则为变压器内部故障。,6.3.3防止励磁涌流引起误动的方法,6.4变压器相间短路的后备保护,作用：防止由外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻元件（母线或线路）保护的后备，以及在可能的条件下作为变压器内部故障时主保护（瓦斯保护和纵差动保护）的后备。,过电流保护低电压起动过电流保护复合电压起动过电流保护,6.4.1过电流保护,1)接线原理工作原理与线路定时限过电流保护相同。保护动作后，跳开变压器两侧的断路器。,2)整定计算按躲开变压器可能出现的最大负荷电流整定：,Krel可靠系数，取1