第七章电力变压器继电保护

1、第七章 电力变压器的继电保护第一节 变压器故障、不正常状态与保护方式根据我国的实际情况，变压器和发电机与高压输电线路元件相比，故障概率比较低，但其故障后对电力系统的影响却很大。但是保护装置本身的不合理，将给变压器本身造成极大的危害。因此，对电力变压器应该配置完善可靠的继电保护装置。一、变压器的故障变压器的故障主要包括以下几类。(1)相间短路。这是变压器最严重的故障类型。它包括变压器箱体内部的相间短路和引出线(从套管出口到电流互感器之间的电气一次引出线)的相间短路。由于相间短路会严重地烧损变压器本体设备，严重时会使得变压器整体报废，因此，当变压器发生这种类型的故障时，要求瞬时切除故障。(2)接地

2、(或对铁芯)短路。显然这种短路故障只会发生在中性点接地的系统一侧。对这种故障的处理方式和相间短路故障是相同的，但同时要考虑接地短路发生在中性点附近时保护的灵敏度。(3)匝间或层间短路。对于大型变压器，为改善其冲击过电压性能，广泛采用新型结构和工艺，匝间短路故障发生的几率有增加的趋势。当短路匝数少，保护对其反应灵敏度又不足时，在短路环内的大电流往往会引起铁芯的严重烧损。如何选择和配置灵敏的匝间短路保护，对大型变压器就显得比较重要。(4)铁芯局部发热和烧损。由于变压器内部磁场分布不均匀、制造工艺水平差、绕组绝缘水平下降等因素，会使铁芯局部发热和烧损，继而引发更严重的相间短路。因此，应及时检测这一类

3、故障。(5)油面下降。由于变压器漏油等原因造成变压器内油面下降，会引起变压器内部绕组过热和绝缘水平下降，给变压器的安全运行造成危害。因此当变压器油面下降时，应及时检测并予以处理。二、变压器不正常运行状态变压器不正常运行状态，是指变压器本体没有发生故障，但外部环境变化后引起了变压器的非正常工作状态。这种非正常运行状态如果不及时处理或告警，预示着将会引发变压器的内部故障。因此，从这种观点看，这一类保护也可称之为故障预测保护。(1)过负荷。变压器有一定的过负荷能力，但若长期处于过负荷下运行，会使变压器绕组的绝缘水平下降，加速其老化，缩短其寿命。运行人员应及时了解过负荷运行状态，以便能作相应处理。(2

4、)过电流。过电流一般是由于外部短路后，大电流流经变压器而引起的。由于变压器在这种电流下会烧损，一般要求和区外保护配合后，经延时切除变压器。(3)零序过流。由于变压器的绕组一般都是分级绝缘的，绝缘水平在整个绕组上不一致，当区外发生接地短路时，会使中性点电压升高，影响变压器安全运行。(4)其他故障。如通风设备故障、冷却器故障等。这些故障也都必须作相应的处理。三、变压器保护配置根据电力系统继电保护及自动装置技术规程规定，对电力变压器的下列故障及异常运行方式应装设相应的保护装置：10.8MVA及以上的油浸式变压器和0.4MVA及以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当壳内故障产生轻微瓦斯或油面下

5、降时应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，应动作于断开变压器各侧断路器，当变压器安装处电源侧无断路器或短路开关时，可作用于信号。2对变压器引出线套管及内部的短路故障，应装设相应的保护装置并应符合下列规定：（1）10MVA及以上的单独运行变压器和6.3MVA及以上的并列运行变压器，应装设纵联差动保护；6.3MVA及以下单独运行的重要变压器亦可装设纵联差动保护；（2）10MVA以下的变压器可装设电流速断保护和过电流保护；2MVA及以上的变压器当电流速断保护灵敏系数不符合要求时，宜装设纵联差动保护；（3）0.4MVA及以上，一次电压为10kV及以下线圈为三角-星形连接的变压器，可采用两相三继电器式的过

6、流保护；本条规定的各项保护装置应动作于断开变压器的各侧断路器。3对由外部相间短路引起的变压器过电流，应装设相应的保护装置。保护装置动作后应带时限动作于跳闸并应符合下列规定：（1)过电流保护宜用于降压变压器；（2)复合电压起动的过电流保护或低电压闭锁的过电流保护宜用于升压变压器、系统联络变压器和过电流不符合灵敏性要求的降压变压器；（3）外部相间短路保护应符合下列规定：1）双绕组变压器应装于主电源侧，根据主接线情况保护装置可带一段或两段时限，以较短的时限动作于缩小故障影响范围，以较长的时限动作于断开变压器各侧断路器；2）三绕组变压器宜装于主电源侧及主负荷侧。主电源侧的保护，应带两段时限，以较短的时

7、限断开未装保护侧的断路器；当不符合灵敏性要求时，可在各侧装设保护装置，各侧保护装置应根据选择性的要求装设方向元件。（3）三绕组变压器的外部相间短路保护可按下列原则进行简化：1）除主电源侧外，其它各侧保护可仅作本侧相邻电力设备和线路的后备保护；2）保护装置作为本侧相邻电力设备和线路保护的后备时，灵敏系数可适当降低，但对本侧母线上的各类短路应符合灵敏性要求；4中性点直接接地的110kV电力网中，当低压侧有电源的变压器中性点直接接地运行时，对外部单相接地引起的过电流应装设零序电流保护并应符合下列规定：（1）零序电流保护可由两段组成，每段应各带两个时限并均应以较短的时限动作于缩小故障影响范围，以较长的

8、时限有选择性地动作于断开变压器各侧断路器；（2）双绕组及三绕组变压器的零序电流保护应接到中性点引出线上的电流互感器上。（3）110kV中性点直接接地的电力网中，当低压侧有电源的变压器中性点可能接地运行或不接地运行时，对外部单相接地引起的过电流以及对因失去接地中性点引起的电压升高，应装设相应的保护装置并应符合下列规定：1）全绝缘变压器应按本规范规定装设零序电流保护，并应装设零序过电压保护。当电力网单相接地且失去接地中性点时，零序过电压保护宜经0.3 0.5s时限动作于断开变压器各侧断路器；2）分级绝缘变压器的零序保护应符合下列要求：中性点装设放电间隙时，应按本规范规定装设零序电流保护，并增设反应

9、间隙回路的零序电压和间隙放电电流的零序电流保护，当电力网单相接地且失去接地中性点时，零序电压保护宜经0.3 0.5s 时限动作于断开变压器各侧断路器； 中性点不装设放电间隙时，可装设两段零序电流保护和一套零序电流电压保护。零序电流保护第一段宜设置一个时限，第二段宜设置两个时限。当每组母线上至少有一台中性点接地变压器时，第一段和第二段的较短时限宜动作于缩小故障影响范围，零序电流电压保护用于在中性点不接地运行时保护变压器，其动作时限应与零序电流保护第二段时限相配合，先切除中性点不接地变压器，后切除中性点接地变压器；当某一组母线上的变压器中性点均不接地时，零序电流保护不应动作于断开母线联络断路器，应

10、先断开中性点不接地的变压器。50.4MVA及以上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，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护，对三绕组变压器保护装置应能反应各侧过负荷的情况。过负荷保护采用单相式带时限动作于信号，在无经常值班人员的变电所，过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷；6对变压器温度升高和冷却系统故障，应按现行电力变压器标准的要求，装设可作用于信号或动作于跳闸的装置。根据以上规定，变压器装设的保护有：(1)差动保护。能反应变压器内部各种相间、接地以及匝间短路故障，同时还能反应引出线套管的短路故障。它能瞬时切除故障，是变压器最重要的保护。(2)气体重(轻)瓦斯保护。能反应

11、铁芯内部烧损、绕组内部短路及断线、绝缘逐渐劣化、油面下降等故障，不能反应变压器本体以外的故障。它的优点是灵敏度高，几乎能反应变压器本体内部的所有故障。但也有其缺点，如动作时间较长等。(3)零序电流保护。能反应变压器内部或外部发生的接地性短路故障。一般是由零序电流、间隙零序电流、零序电压共同构成完善的零序电流保护。(4)过负荷保护。反应变压器过负荷状态。(5)后备保护。阻抗保护、复合电压过流保护、低压过流保护、过流保护都能反应变压器的过流状态。但它们的灵敏度不一样，阻抗保护的灵敏度最高，过流保护的灵敏度最低。(6)开入量保护。温度保护、油位保护、通风故障保护、冷却器故障保护等等。反应相应的温度、

12、油位、通风等故障。第二节 变压器纵差保护一、变压器纵差保护的基本原理和接线方式图 7-1 双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线如图7-1所示为双绕组变压器单相纵差保护的原理接线图。、分别为变压器一次侧和二次侧的一次电流，参考方向为母线指向变压器；、为相应的电流互感器的二次侧电流。流入差动继电器的电流为纵差保护的动作判据为 （7-1） 式中为纵差动保护的动作电流，为差动电流的有效值。 忽略变压器损耗，正常运行和外部故障时，由于变压器两侧电流相位相差180，所以差动电流为零，图7-2 双绕组三相变压器纵差动保护原理接线图（a）接线图；（b）对称工况下的相量关系保护不会误动作；当变压器发生内部故障时

13、，差动继电器中，将流入两侧短路电流之和，只要故障电流大于保护的动作电流，保护即可以迅速动作。1相位补偿由于三相电力变压器通常采用Y，d11接线方式。正常运行时，两侧电流存在30相位差，若仍然采用上述的变压器的单相差动保护接线方式，将两侧电流直接引入差动保护，则会在继电器中产生很大的差动电流。通常采用相位补偿法接线方式来消除这个差流，即变压器的Y侧电流互感器二次侧采用连接，侧电流互感器二次侧采用Y连接，如图7-2所示。这样引入差动继电器的Y侧电流就是两相电流差，即 （7-2）式中，、 、分别为流入三个差动继电器的差动电流。图7-3 相位补偿电流相量图（a）变压器高压侧电流相量；（b）变压器低压侧

14、电流相量这样就可以消除两侧电流的相位的不对应。由于Y侧采用了两相电流差，该侧流入差动继电器的电流将增大倍，为了保证正常及外部短路故障情况下差动回路没有电流，该侧的电流互感器变比必须相应增大倍。在微机保护中，如果Y侧电流互感器三相电流采样值为、 、，则软件按（7-3）式可求得差动保护所需要计算的三相电流、 、，其相量图如图7-3所示。图7-4 单相接地短路时零序电流分量流向图（a）外部单相接地短路时零序电流分量；（b）内部单相接地短路时零序电流分量 （7-3）经软件转换后的、 、就与、 、同相位了。2提高单相接地短路灵敏度方法如图7-4所示，在变压器高压侧发生单相接地短路与在保护区外发生单相接地

15、短路时，流过差动回路高压侧电流互感器的零序分量电流与变压器中性点零序电流互感器的零序电流分量的方向不同。差动保护在变压器高压侧采用式（7-4）方法进行二次电流的匹配 （7-4）变压器低压侧采用的相位补偿方程为 （7-5）式中 、 、就与、 、加入继电器的电流。若不计零序电流分量，相位补偿相量图如图7-5所示。图7-5 相位补偿电流相量图（a）变压器高压侧电流相量（b）变压器低压侧电流相量由图7-5可知，经软件计算后，变压器在不计零序分量电流的情况下(即变压器在对称的情况下)高、低两侧电流相位得到了补偿。这种补偿方式克服了一相涌流三相闭锁的缺点，实现了涌流情况下分相闭锁。差动保护电流互感器采用全

16、星形接线，由于继电器采用内部算法实现相位补偿，差动保护仅感受到星形侧绕组的零序电流，而感受不到三角形侧的零序电流 (事实上三角形侧变压器引出线也不存在零序分量电流)。现就算法中引人变压器中性点的零序分量电流作用分析如下:设变压器外部U相发生单相接地短路故障时，流过变压器高压侧U相的短路电流IUK为：，变压器中性点的电流为，方向与U相零序电流方向相反，加入U相继电器的电流为，由于变压器的低压侧不存在零序电流分量，故在外部发生单相接地短路时不会产生不平衡电流。若在变压器的内部发生单相接地短路，此时变压器高压侧加入U相继电器的电流为。也就是说，在变压器内部发生单相接地短路时，加入继电器的短路电流增大

17、了I0，从而提高了差动保护的灵敏度。从分析可知，相位补偿采用方式不同，将影响在变压器高压侧发生单相接地短路时差动保护的灵敏度，加入变压器中性点零序电流分量补偿后，在变压器外部发生单相接地短路故障时不会产生不平衡电流，而在变压器内部发生单相接地短路时又可以提高变压器差动保护的灵敏度。二、不平衡电流产生的原因及消除变压器的纵联差动保护的主要特点是需要避开流过差动回路中的不平衡电流。现对其不平衡电流产生图7-6 变压器励磁涌流的产生及变化曲线（a）稳态情况下，磁通与电压的关系；（b）在u=0瞬间空载合闸时，磁通与电压的关系；（c）变压器铁芯的磁化曲线；（d）励磁涌流的波形的原因和消除方法分别讨论如下

18、：(1)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，仅流经变压器的电源侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡：在正常运行情况下此电流很小，一般不超过额定电流的210；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。这是因为在稳态工作情况下，铁芯中的磁通应滞后与外加电压90，如图7-6(a)所示，如果空载合闸时，正好在电压瞬时值时接通电路，则铁芯中应该具有磁通-。由于铁芯内的磁通不能突变，将出现个非周期分量的磁通，其幅值为+。经过半个周期以后，铁芯中的磁通就达到2。如果铁芯中还有剩余磁通，

19、则总磁通将为2+，如图7-6(b)所示。此时变压器的铁芯严重饱和，励磁电流将剧烈增大，如图7-6(c)所示。此电流称为变压器的励磁涌流。其数值最大值可达额定电流的68倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量，如图7-6(d)所示。励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁芯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芯性质等都有关系。例如：对单相变压器来说，当电压瞬时值为最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而只有正常时的励磁电流。对三相变压器而言，无论在任何瞬间合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。表7-1所示的数据，是对几次励磁涌流试验数据的分析。由此可见

20、，励滋涌流具有以下特点：表7-1 励磁涌流试验数据举例励磁涌流（%）例1例2例3例4基波100100100100二次谐波36315023三次谐波76.99.410四次谐波96.25.4-五次谐波5-直流668062731)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7-7所示在一个周期中间断角为。图7-7 励磁涌流波形 根据以上特点，在变压器纵联差动保护中防止励滋涌流影响的办法有： 1)鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别； 2)利用二次谐波制动等。 (2)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

21、Y，d11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采用Y/Y接线方式，则二次电流由于相位不同，也会有一个差电流流入继电器。为了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，称为相位补偿法接线，这样就把二次电流的相位校正过来。在微机继电保护中可用软件自动校正其相位。 (3)由两侧电流互感器型号不同产生不平衡电流 由于两侧电流互感器的型号不同，它们的饱和特性、励磁电流(归算至同一侧)也就不同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。此时应采用电流互感器的同型系数取1，不平衡电流按式(7-6)计算。另外，由于电流互感器的计算变比与实际变比不同也会有不平衡电流存在，整定计算时应一并考虑。 (4)由变压器带负荷调整分接头产生不平衡电流 带负荷调整变压器的分接头，是电力系统中采用带负荷调压的变压器来调整电压的方法，实际上改变分接头就是改变变压器的变比。如果差动保护已按照某一变比调整好(如利用平衡线圈)，则当分接头改换时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。此时不可能