变压器保护设计

1、百度文库继电保护的作用电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异， 运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响（如 雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等），电力系统会发生各种故障和不 正常运行状态。最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。 故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。 从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径中非 故障元件的损坏。 靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响 产品质量。 破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。所谓不正常运行状态是指系

2、统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继 电保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反映它们发生的故障和不正常运 行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障 元件损坏程度尽可能降低，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。反映电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承受 能力，发出信号、减负荷或延时跳闸。应该指出，要确保电力系统的安全运行，除了继电保护

3、装置外，还应该设置 电力系统安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处 理，以防止电力系统大面积停电和保证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正 常运行。例如自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快关汽门、电气制 动、远方切机、在按选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。 ”随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也越来越高。为此，还应设置以各 级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统， 它能对包括正常运行在 内的各种运行状态实施控制，这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。继电保护的基本要求、原理、构成与分类1.2.1基本要求对作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个

4、基本要求，及可靠性、选择性、 性和灵敏性1.2.2基本原理要完成继电保护的基本任务，首先要提取和利用电力元件在三种运行状态下 的“差异”，然后“区分”出三种运行状态（正常、不正常和故障状态），最后 是“甄别”出发生故障和出现异常的元件。目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电 压与电流的比值即“测量阻抗”等。（b）三相短路情况图1-1我国常用的110kV及以下单侧电源的供电网络发现并正确利用能可靠区分三种运行状态的可测参量或参量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。在此以图1-1为例分析一下利用不同

5、电气量特征分别能构成哪种保护:1.线路电流幅值正常时：负荷电流h差异短路时电流幅值增大构成过电流保护短路时：短路电流Id2.母线的相间或对地电压幅值正常时：在额定电压附近变化5%10%短路时：短路点的相间或对地电压降低到零 构成差异 短路时电压幅值降低低电压保护3.线路始端电压与电流之比（即测量阻抗）扎C正常运行情说Cb）叭点短路情况差异短路时测量阻抗幅值降低，阻抗角增大/正常时：反映该线路与供电负荷的等值阻抗 及负荷阻抗角（功率因数角）短路时：反映该测量点到短路点之间 线路段的阻抗构成距离保护（低阻抗保护）如图1-2所示，其中：正常运行一一如图1-2( a)所示，如果规定电流的正方向是从母线

6、流向线路， 那么，A-B两侧电流的大小相等，相位相差180，两侧电流的矢量和为零。外部短路一一如图1-2 (b)所示，如果规定电流的正方向是从母线流向线路， 那么，A-B两侧电流的大小相等，相位相差180，两侧电流的矢量和为零。?内部短路一一如图1-2(c)所示，两侧电源分别向短路点供给短路电流| d2和?I d2，都是由母线流向线路，此时两个电流一般不相等，在理想条件下(两侧电 势同相位且全系统的阻抗角相等)，两个电流同相位，两个电流的矢量和等于短 路点的总电流，其值较大。其他类型的保护有：1. 纵联保护一一利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时 电气量差异的保护。 电流差动

7、保护一一利用内部与外部短路时两侧电流矢量的差别构成。 电流相位差动保护利用内部与外部短路时两侧电流相位的差别构成。图1-3过电流保护单相原理图 方向比较式纵联保护一一利用内部与外部短路时两侧功率方向的差别构成。 以上保护常被用做220kV及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电动机 等电力元件的主保护。2. 反映非电量特征的保护气体保护一一当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于变压器油受热分解所 产生的气体保护。过热保护一一当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于电动机绕组温度的升高 而构成的保护。123构成以过电流保护为例：（如图1-3所示）正常运行：I I fh nLH LJ不动故障时：I I

8、d n_H Idzj LJ动 SJ动（延时）| XJ动 i 信号TQ动一跳闸保护装置由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分组成。（如图1-4所示）整定值图1-4继电保护装置组成方框图（1）测量元件测量从被保护对象输入的有关物理量 （如电流、电压、阻抗、功率方向等） 并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、 “不大于”等具有“ 0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启 动。（2）逻辑元件根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。逻

9、辑回路有：或、与、非、延时启动、延时返回、记忆等。（3）执行元件：根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时- 跳闸；不正常运行时f发信号；正常运行时f不动作。124分类 通常分为以下几类：（1）按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机 保护、母线保护等；（2）按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、 零序保护等；（3）按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、 匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；（4）按构成继电保护装置的继电器原理分类： 机电型保护（如电磁型保护和感 应型保护）、整流型

10、保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；（5）按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；主保护一一满足系统稳定和设备安全要求， 能以最快速度有选择地切除被保护设 备和线路故障的保护。后备保护一一主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种。 远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来 实现的后备保护。 近后备保护：当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现后备 的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现近后备保护。辅助保护：为 补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保 护。第2章主变压器

11、保护设计.变压器保护重要性变压器是电力系统中大量使用的重要电气设备，它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。电力变压器有别于发电机，它无旋转部件，是一种静止的 电气设备，结构比较简单，运行可靠性较高，发生故障的机会相对较少。但是， 变压器是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境影 响较大。另外，变压器时刻受到外接负荷的影响， 特别是受电力系统短路故障的 威胁较大。因此，电力变压器在运行中，仍然有可能发生各种类型的故障或出现 不正常工作状态。它的故障对电力系统的安全连续运行会带来严重的影响。 特别 是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。因此，考虑到变压器在电力系 统

12、中的重要地位及故障和不正常工作状态可能造成的严重后果，必须根据电力变压器容量和重要程度装设相应的继电保护装置。.变压器的故障类型和不正常运行状态（1）变压器故障类型变压器的故障可分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障主要是套管 和引出线上发生相间短路及接地短路。油箱内的故障包括绕组间相间短路、接地 短路、匝间短路及铁芯的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏铁芯的 绝缘、烧毁贴心，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体， 有可能引起变压器油箱爆炸。对于变压器发生的各种故障，保护装置应尽快的将 变压器切除。实践表明，变压器套管和引出线上的相间短路、接地短路、绕组的 匝间短路是

13、比较常见的故障形式；而油箱内发生短路的情况比较少。（2）变压器不正常工作状态变压器的不正常工作状态主要有：油箱外部短路引起的过电流，负荷长时 间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等。 这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形 接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压， 威胁变压器的绝 缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，发出报警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。变压器油箱内故障时，

14、除了变压器各侧电流、电压变化外，油箱内的油、气、温度等非电量也会发生变化。因此，变压器保护分电量保护和非电量保护两 种。非电量保护装设在变压器内部。线路保护中采用的许多保护如过电流保护、 纵差动保护等在变压器的电量保护中都有应用，但在配置上有区别。变压器保护配置原则1. 反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护容量为800kVA及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内部故 障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时， 瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路 变压器组，在采取瓦斯保护切除变压器内部故障时，瓦斯保护可仅动作于信号

15、。 对于容量为400kVA及以上的车间内油浸式变压器，也应装设瓦斯保护。2. 相间短路保护反应变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护，对其中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路也能起保护作用。 容量为6300kVA以下并列运行的变压器以及10000kVA以下单独运行的变压器， 当后备保护时限大于时，应装设电流速断保护。容量为6300kVA及以上、厂用工作变压器和并列运行的变压器、 10000kVA 及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器、以及 2000kVA及以上用电流速断 保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵联差动保护。对高压侧电压为330kV及以上的变压

16、器，可装设双重差动保护。对于发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时， 变压器应装设单独的 纵联差动保护。当发电机与断路器之间没有断路器时，100MW及以下的发电机， 可只装设发电机变压器组共用的纵联差动保护。100MW以上的发电机，除发电机变压器组共用纵联差动保护外，发电机还应装设单独的纵联差动保护。对于 200MW及以上的汽轮发电机，为提高快速性，在机端还宜增设复合电流速断保 护，或在变压器上增设单独的纵联差动保护，即采用双重快速保护方式。如果变压器的纵联差动保护对单相接地保护灵敏性不符合要求，可增设零序差动保护。3. 后备保护对于由外部相间短路引起的变压器过电流，可采用下列保护作为

17、后备保护。(1) 过电流保护。宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故时可能出现 的过负荷。(2) 复合电压(包括负序电压及线电压)起动的过电流保护。宜用于升压变压器 和系统联络变压器及过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。 负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护。可用于63000kVA及以上的升压变压器。(4)对于升压变压器和系统联络变压器，当采用上述、保护不能满足灵敏性 和选择性要求时，可采用阻抗保护。上述各项保护动作后，应带时限动作于跳闸。4. 中性点直接接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护110kV及以上中性点直接接地电网中，如果变压器中性点可能接地运行，对 于两侧

18、或三侧电源的升压变压器或降压变压器上应装设零序电流保护。作为变压器主保护的后备保护，并作为相邻元件的后备保护。5. 过负荷保护对于400kVA及以上的变压器，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，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。对自耦变压器和多绕组变压器，保护装置应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。过负荷保护应接于 一相电流上，带时限动作于信号。在无经常值班人员的变电所，必要时过负荷保 护可动作于跳闸或断开部分负荷。6. 过激磁保护为降低材料消耗，现代大型变压器铁芯一般都用新型电工硅钢片制成，其额 定磁密近于饱和磁密，过电压或低频率时容易引起过激磁，因此500kVA及以上

19、的大容量变压器宜装设过激磁保护。变压器纵联差动保护变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，理想情况下，流入差动继电 器的电流等于零。但实际上由于变压器的励磁电流、 接线方式和电流互感器误差 等因素的影响，继电器中有不平衡电流流过。由于这些特殊因素的影响，变压器 差动保护的不平衡电流远比发电机差动保护的大。因此，变压器差动保护需要解决的主要问题之一是采取各种措施避越不平衡电流的影响。在满足选择性的条件下，还要保证在内部故障时有足够的灵敏系数和速动性。按照励磁涌流方法的不同，变压器差动继电器可按不同的工作原理来实现。目前，国内广泛应用有以下几种类型继电器构成差动保护： 带短路线匝的BCH-2型差

20、动继电器； 带磁制动特性的BCH-1型差动继电器； 多侧磁制动特性的BCH-4型差动继电器； 鉴别涌流间断角的差动继电器； 二次谐波制动的差动继电器。此外，有些单位还研制了高次谐波制动的差动继电器。241构成变压器纵差动保护的基本原则睾释厂| 巧亠图2-1双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图如图2-1所示，其中：? ?Il、12 分别为变压器高压侧和低压侧的一次电流，参考方向为母线指向变压器；? ?Il、丨2为相应的电流互感器二次电流；I I 差动继电器。流入差动继电器的差动电流为? ? ?/Ir Il 丨2（ 2-1）纵差保护的动作判据为/Ir Iset、（ 2-2）? ?式中，Iset为

21、纵差动保护的动作电流；I r Il I 2为差动电流的有效值。设变压器的变比为门丁U1，式（2-1 ）可进一步表示为U 212nTA2IlnAi34变形为n t 1112n TA2n taiFn TA2IlnTA1(2-3)(2-4)(2-5)式中，n TA1、nTA2分别为两侧电流互感器的变比。若选择电流互感器的变比，使之满足叶2nTnTA1这样式(2-3)变为? ?I?Gh I2I rnTA2忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时一次电流的关系为I2 nT I1 0根据式（2-5），正常运行和变压器外部故障时，差动电流为零，保护不会动作;变压器内部（包括变压器与电流互感器之间的引线）任何一

22、点故障时，相当于变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流（变换到电流互感器二次侧），只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就 能迅速动作。因此，式（2-4）成为变压器纵差动保护中电流互感器变比选择的 依据。实际电力系统都是三相变压器（或三相变压器组），并且通常采用丫，d11接 线方式，如图2-2（a）所示（假定一次电流从同名端流入，二次电流从同名端流 出）。这样的接线方式造成了变压器一、二次电流的不对应，以、 A相为例，正常? ? ? ? ?运仃时，由于I dA I da I db ， 1 dA超前1 da 30，如图2-2 （ b）所示。若仍用上述针对单相变压器的差动继电器的接线方式，将一、二次电流直接 引入差动保护，则会在继电器中产生很大的差动电流。 可以通过改变纵差动保护 的接线方式消除这个电流，就是将引入差动继电器的丫侧的电流也采用两相电流差，即I ArI YA I YB I dAI BrI YB I YC I dB(2-6)?式中，I（b）对称工况下的向量关系图2-2双绕组三相变压器纵差动保护原理接线图I Br、ICr分别为流入三个差动继电器的差动电丨Ar、A5这样就可以消除两侧电流不对应。由于Y侧采用了两相电流差，该侧流入