电力变压器继电保护及母线保护

1、第七章电力变压器保护第一节电力变压器的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式电力变压器是电力系统中重要的供电设备，它的故障将对供电可靠性和系统的运行带来严重的影响。因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。变压器的 内部故障 可以分为油箱内和油箱外故障两种。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的烧损等。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。变压器的 不正常运行状态 主要有：外部相间短路引起的过电流、外部接地短路引起的过电流和中性点过电压、过负荷以及漏油引起的油面降低；对大容量变压器，在过电压或低频率等异常运行方式

2、下，还会发生变压器的过励磁故障。根据上述故障类型和不正常运行状态，对变压器应装设下列保护。1反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的 瓦斯保护 。 对油冷却的变压器，在油箱内短路时 ，在短路电流和短路电弧的作用下，绝缘油和其它绝缘材料会因受热而分解产生气体。这些气体会从油箱流向油枕上部。瓦斯保护就是反应油箱内部产生的气体和油流而动作的。其中轻瓦斯动作于信号；重瓦斯动作于跳闸。2反应变压器绕组和套管及引出线上的相间故障、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护3反应外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护（或电流速断保护） 后备的低电压起动过电流保护或复

3、合电压起动的过电流保护或负序过电流保护4反应大电流接地系统中变压器外部接地短路的零序电流保护5反应变压器对称过负荷的过负荷保护6反应变压器过励磁故障的过励磁保护第二节变压器的纵联差动保护一、变压器纵联差动保护的基本原理和构成原则在第四章的第一节中曾指出：采用辅助导线作为通信通道进行两端电气量比较可以构成纵联差动保护。下面就以变压器的纵联差动保护为例，说明这种保护的基本原理。为构成变压器的纵联差动保护，在变压器的各侧分别装设电流互感器，每侧电流互感器一次回路的正极性均置于靠近母线的一侧；二次回路的同极性端子用辅助导线相联接；差动继电器则并联联接在电流互感器二次回路的两个臂上。双绕组和三绕组变压器

4、纵联差动保护原理接线如图 6 1 所示，仍规定一次侧电流的正方向为从母线流向被保护的变压器，则流入差动继电器的电流即为各电流互感器二次电流的总和，即IJI2I2。由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵联差动保护在正常运行和外部故障时流入差动继电器的电流I J0 、保护不动作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比。例如在图61（ a ）中，应使I 2I1I 2I1nl1nl 2所以nl 2I 1nB（8-1）nl 1I 1式中nl 1 高压侧电流互感器的变比；nl 2 低压侧电流互感器的变比；nB 变压器的变比 (即高、低压侧额定电压之比)。由式（ 6-1）可知，构成变压器纵联差

5、动保护的基本原则就是：必须适当选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比nB 。这样选择好电流互感器变比后，当在图61（ a ）所示变压器内部发生故障时，如果变压器两侧均有电源，则两侧电源都要向短路点提供短路电流，且两侧电流按规定正方向看均为正，因此流入差动继电器的电流 I J 为两侧电源提供出的短路电流变换到二次侧的和，即等于短路点总电流归算到二次侧的数值。当I JI dz. J 时，继电器动作于跳闸。由此可见，纵联差动保护的基本原理实际上是比较被保护元件各侧电流的幅值和相位，即是对各侧电流相量的比较。二、变压器纵联差动保护不平衡电流产生的原因及消除方法根据纵联差动保护的基本原理可知

6、，变压器正常运行或外部故障时，如果不计电流互感器励磁电流的影响，则流入继电器的电流I J0 。实际中，由于励磁电流的存在以及其他因素的影响，正常运行或外部故障时I J0 ，而是有一定数值大小的电流流入差动继电器，我们称其为不平衡电流I bp 。为了保证变压器纵差动保护动作的选择性，差动继电器的动作电流I dz. J 应躲开外部短路时，出现的最大不平衡电流I bp. max 。因此不平衡电流越大，继电器的起动电流越大，灵敏度越低。由于产生变压器纵差动保护不平衡电流的原因较多，所以，如何减小不平衡电流对保护的影响成为实现变压器纵联差动保护的主要问题。现对其不平衡电流产生的原因和消除方法分别讨论如下

7、。1变压器励磁涌流 I LY 产生的不平衡电流变压器的励磁电流I L 仅流经变压器接通电源的一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中就不能被平衡。在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的2% 6%；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。但是在电压突然增加的特殊情况下，例如变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时可能出现数值很大的励磁电流，这种在暂态过程中出现的数值很大的变压器励磁电流通常称为励磁涌流。励磁涌流的存在会导致纵联差动保护误动作。下面将讨论励磁涌流产生的原因和特点，并从中找出克服励磁涌流影响的办法。因为稳态工作情况下，铁芯中的磁通滞后于外加电压90 ，

8、如图 82（ a ）所示，所以如果正好在电压瞬时值 u 0 时投入空载变压器，则铁芯中应该具有磁通m 。但是由于铁芯中的磁通不能突变，因而铁芯中将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为m 与m 相平衡。这样在经过半个周期以后，铁芯中的磁通就达到2m ，如果铁芯中还有剩余磁通s ，则总磁通将为 2 ms ，如图 82（ b ）所示。此时变压器的铁芯严重饱和，励磁电流IL将剧烈增大，成为励磁涌流 I LY ，如图 82（c）所示，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，如图8 2（ 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

9、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，正好在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。励磁涌流具有以下特点：（1）包含有很大成分的非周期分量，使涌流偏于时间抽的一侧；（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83 所示，在一个周期中间断角为。根据以上特点，在变压器纵联差动保护中防止励磁涌流影响的方法有：（1）鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别 励磁涌流的相邻波形是不连续的，因而出现了间断角。分析表明，间断角的大小与合闸瞬间电压的初相角

10、有关，大型单相变压器励磁涌流的最小间断角一般不小于120 。因此通过测量I LY 持续为零的时间可知间断角的大小。当间断角大于预先给定的整定值时，可认为出现了励磁涌流，此时将纵联差动保护闭锁，防止其误动作。（2）利用二次谐波制动 对图 62（d）的波形分析可见，在励磁涌流的作用下，差动回路中含有很大成份的二次谐波电流，因此从差动电流回路中滤出二次谐波，采用二次谐波作为制动量，可有效地防止出现励磁涌流造成保护的误动作。2变压器两侧电流相位不同产生的不平衡电流由于变压器常常采用 Y,d11的接线方式，其两侧电流的相位差 30 。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产生

11、很大的不平衡电流流入继电器。为了消除这种不平衡电流的影响，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，这样可以使二次电流的相位相同，如图6-4所示。图中 I A1Y、 IBY1和 ICY1 为星形侧的次电流， I A1 、 I B1 和 I C1 为三角形侧的一次电流； I A2YI BY2 、I BY2 ICY2 和 ICY2 I A2Y 为星形侧电流互感器副边输出电流，它们刚好与三角侧电流互感器的副边输出电流 IA2、 IB2和 IC2 同相位。但是，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臂中，电流又增大了3 倍。为了保证在正

12、常运行及外部故障情况下流入差动回路的电流为零，就必须将该侧电流互感器的变比加大 3 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nl 2nB（6-2）nl 1 /3式中 nl 1 和 nl 2 为适应 Y /接线的需要而采用的新变比。3计算变比与实际变比不同产生的不平衡电流由于两侧的电流互感器都是根据产品目录选取标准的变比，而变压器的变比也是一定的。因此，三者的关系很难满足nl 2nB （或nl 2nB ）的要求，从而在差动回路中产生不平nl 1nl 1 /3衡电流。4两侧电流互感器型号不同产生的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

13、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。这种不平衡电流是不可避免的，只能靠尽可能减少电流互感器铁芯的饱和程度来消弱它的影响。为此应严格按照电流互感器的10%误差曲线选择二次负载，负载小了等于降低了二次电压，也就降低了电流互感器的磁感应强度，减弱了铁芯饱和程度，相应地也就减小了不平衡电流。5变压器带负荷调整分接头产生的不平衡电流带负荷调整变压器的分接头是保证电力系统运行电压稳定的重要手段。改变分接头就是改变变压器的变比nB ，如果差动保护已按照某一变比调整好，则当分接头改变时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。 此时不可能用改变整定值的方法来消除这个不平衡电流，这是

14、因为变压器的分接头经常在改变，而差动保护的电流回路在带电的情况下是不能进行操作的。在整定计算时，对这一不平衡电流也要予以考虑。上述第 2 项不平衡电流可用适当地选择电流互感器二次线圈的接法和变比使其降到最小。但 l 、3、4、5 各项不平衡电流，实际上是不可能消除的。因此，在稳态情况下，变压器纵联差动保护的最大不严衡电流 I bp. m ax 可由下式确定I bp. maxK tx 10% U f za I d .max / nl（63）式中10%电流互感器容许的最大相对误差；K tx 电流互感器的同型系数，取为1；U 由带负荷调压所引起的相对误差，如果电流互感器二次电流在变压器额定抽头的情况

15、下处于平衡时，则U 等于电压调整范围的一半；f za 由于所采用的互感器变比与计算值不同时，所引起的相对误差。I d . max / nl 保护范围外部最大短路电流归算到二次侧的数值。微机变压器保护1 对微机变压器保护的要求变压器是电力系统的重要设备之一，它的可靠运行对输电系统的安全、经济运行具有重大意义。为保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，大型变压器继电保护应满足如下要求：1）高灵敏度要求能灵敏动作于匝间短路故障，同时亦能灵敏动作于内部高电阻接地故障。2）高速度对于联接超高压远距离输电线路的变压器，当发生内部故障时，由于谐振会产生谐波电流，可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有

16、效的加速措施或寻求鉴别励磁涌流的新原理和新方法。3）有效地对付过激磁大型变压器的工作磁密通常取得较高，电压或频率降低，励磁电流会激增。此时一方面要求差动保护不能误动，另一方面为防止励磁电流过大使变压器发热烧损，需要装设满足过励磁倍数要求和具有反时限特性并能计及过热积累效应的过激磁保护。目前，计算机变压器保护的研究成果主要集中在差动保护方面。因此，在此将以计算机变压器差动保护为重点进行介绍。国外早期计算机变压器差动保护的研究基本上未脱离传统保护的原理，主要从不同角度提出各种算法及其实现技术。差动保护算法以比率制动原理为重点。励磁涌流的鉴别则以二次谐波原理为主导地位。从八十年代开始，研究朝两个方向

17、发展：一个是开发计算机变压器保护的实用装置，迅速应用于实践；另一个则是利用计算机技术在记忆能力和计算能力方面的长处，探索新的原理。如利用涌流与故障电流波形特点的波形对称原理、采用故障分量来实现差动判据的所谓 差动继电器，以及用磁通原理来鉴别励磁涌流的所谓磁制动差动继电器等。2微机变压器保护的特点与传统变压器保护相比，微机变压器保护由于采用了计算机技术，充分利用记忆功能和优越的信息处理功能，所以能够更好地解决传统保护中的以下问题：（ 1）变压器各侧绕组中因连接组关系而引起的电流相位移动可由CT 副边 Y，变换改变为数字计算补偿众所周知，传统差动保护对于Y，变压器需将星形侧三相CT副边接成三角形，

18、以保证变压器两侧同相电流相位一致。对于微机差动保护，Y ，变压器星形侧CT仍然可以 Y 形接线，而用数值计算来完成Y，变换，这样便可以消除不平衡电流的影响。（ 2）可应用更多更复杂的原理来改善励磁涌流鉴别能力。目前，在电力系统中已通过鉴定的变压器差动保护装置的原理有： 二次谐波制动原理的差动保护、 间断角原理的差动保护、波形对称原理的差动保护。一些新的变压器保护原理如：磁特性原理，神经网络原理正在研究试验中，不久的将来也会在电力系统中投入使用。（ 3）可通过采用灵活的算法来获得高速度和高灵敏度，例如， 计算机差动保护除可继续沿用传统的差动速断和低电压加速措施外，还可通过长短数据窗算法的配合提高

19、严重故障时的动作速度，利用计算机记忆功能还可方便的获取故障分量，进一步提高内部故障时的动作灵敏度，（ 4）采用运算和逻辑处理实现 CT和 PT断线的报警和闭锁（ 5）由 CT 变比标准化带来的误差可用数字运算进行补偿这种补偿方法较之常规补偿方法更为准确，从而进一步减小了不平衡电流3 微机变压器差动保护的原理及其实现方法具有折线比率制动特性的差动保护原理和算法用计算机实现变压器差动保护时，通常也是分相差动原理。对于双绕组变压器，若规定其两侧分别记为 I 侧和 II 侧，那么按照大型变压器通常采用的三段折线式比率制动特性要求，其基波向量可表示成下列动作判据或算法：I dI d. min ,I rI

20、 r 1I dK1 (I rI r 1 )I d .min,I r1I rI r 2I dK 2 (I rI r 2 )K1 ( I r 2I r 1 )I d . min,I rI r 2?Id-差动电流，I dIIIII；ggIr-制动电流，I rIII II/ 2 ；图 36三段折线比率制动特性二次谐波、间断角及波形对称原理的变压器差动保护算法目前国内外生产变压器微机保护的厂家很多，就主保护而言，国外保护装置基本是以二次谐波制动为主的比率差动保护，而国内则以二次谐波制动和间断角两种原理为主导，以波形对称原理为补充的格局正在形成。* 二次谐波制动的比率差动保护对于普遍采用的二次谐波制动的比

21、率差动保护而言，由于三相励磁涌流及其中的二次谐波不尽相同，故需采用或门制动，即三相电流中有一相制动即对三相全部制动，在空载投入变压器，或外部故障切除后电压恢复时，如果变压器某相发生匝间短路故障，健全相的励磁涌流产生的二次谐波将制动保护，使保护延时动作或拒动；随着电网电压等级的提高和系统规模的扩大以及变压器单台容量的增大，大型变压器内部严重故障时，由于分布电容与电感产生谐振使短路电流中的二次谐波含量明显增大，有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作；变压器端部接长线或经静补电容及并联电抗器后接入系统，变压器内部故障时，暂态电流的频率可能接近二次谐波，同样有可能使二次谐波制动，引起保护延时动作。

22、目前所采用的二次谐波制动比一般取 15 17，这是根据饱和磁通为工作磁通幅值的1 4 倍来考虑的。但由于变压器制造技术的提高和制造材料的改进，现代变压器的饱和磁通倍数经常在 1 2 到 13 甚至低至 115。在此情况下，涌流的最小二次谐波含量有时可能低至 10以下，此时差动保护会在变压器空投或外部故障切除时误动。* 间断角原理的比率差动保护国内比较成熟的间断角原理的比率差动保护，是利用励磁涌流波形具有明显的间断角特性进行判别的。但当 CT 饱和时，间断角中将产生反向电流，饱和越严重，间断角中的反向电流越大，使得间断角消失；小电流情况下电流中的谐波含量以及频率的变化对间断角的测量影响较大，因此

23、在系统振荡时间断角原理的差动保护可能误动。间断角原理的变压器差动保护反应电流波形中间断角的大小。若间断角 d65°，则认为是励磁涌流，而非变压器内部故障。此时立刻闭锁比率差动继电器，以防止其在变压器空载合闸和外部故障切除电压恢复过程中误动；若间断角d<65°，则短时开放比率差动继电器。用微机实现间断角原理存在两个问题需要解决：（ l ）若考虑变压器空载合闸时差动电流中的涌流最小间断角为 75°，而间断角原理差动保护中的涌流闭锁判据间断角 d 为 65°，由于微机保护是采样离散数据，这就需要较高的数据采样率。具体分析如下：在上述条件下，若单纯依靠提高

24、采样率来满足涌流闭锁判断， 则每周采样点 N 必须满足：360°/N<（ 75° 65°） /2即 N 必须大于 72，可知它对于硬件的要求很高。（2）取多大的电流门槛计算涌流间断角？若门槛取得太小，则涌流间断角处的电流幅值很小，这就需要微机保护中的模数变换回路具有很高的转换精度；反之，若门槛太大，则间断角的判据就有可能变的不合适了。因此，用微机来实现间断角原理的变压器差动保护存在一些困难。* 波形对称原理的比率差动保护国内刚刚研究成功的波形对称原理的比率差动保护，利用微分后差流的前半波和后半波作对称比较，将变压器在空载合闸时产生的励磁涌流和故障电流区分开。

25、由于投入运行装置不多，尚无成熟的运行经验。该原理是：首先将差流进行微分，将微分后差流的前半波和后半波作对称比较。设差流导数前半波某一点的数值为 I ，后半波对应点的数值为 I180 ，如果数值满足式：称为对称，否则不对称。连续比较半个周波，对于故障电流上式恒成立；对于励磁涌流I iI i180KI iI i180有 l/4周波以上的点不满足公式，这样可以区分故障和涌流。第三节变压器相间短路的后备保护为反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变压器内部故障时作为差动保护和瓦斯保护的后备，变压器应装设相间短路的后备保护。根据变压器容量和系统短路电流水平的不同，实现变压器相间短路后备保护的

26、方式有：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以及负序过电流保护等。一低电压起动的过电流保护保护装置的原理接线如图 6 7 所示，只当电流元件和电压元件同时动作后，才能起动时间继电器，经过预定的延时后起动出口中间继电器跳开变压器两侧的断路器。图 8 7低电压起动的过电流保护由于低电压元件的存在，电流元件的整定值可以不考虑可能出现的最大负荷电流，而是按大于变压器的额定电流整定，即I dzK K I e. B（68）K h式中： K K 可靠系数，取1.2K h 返回系数，取0.85低电压元件的起动值按躲开正常运行情况下母线上可能出现的最低工作电压，且考虑外部故障切除后电动机自起动的过程中它必须返回来整定。根据运行经验，通常采用U dz0.7U e.B（69）式中 U e. B 变压器的额定线电压。电流元件的灵敏度I d . min（6-10）K lmI dz用作近后备时，按变压器末端短路校验，要求K lm 1.3；用作远后备时，按相邻元件末端短路校验，要求 K lm 1.2。低电压元件灵敏度U dz（6 11）K lmU d . max式中U d . max 最大运行方式下，相邻元件末端三相金属性短路时，保护安装处的最大线电压，要求 K lm 1.2。对升压变压器，如果低电压元