电力系统继电保护——电力变压器保护与发电机保护

1、电气工程及其自动化专业课程电气工程及其自动化专业课程武汉理工大学自动化学院唐金锐 一、电力变压器的故障类型和不正常状态一、电力变压器的故障类型和不正常状态二、变压器纵差动保护二、变压器纵差动保护三、变压器的励磁涌流及鉴别方法三、变压器的励磁涌流及鉴别方法四、变压器相间短路的后备保护五、变压器接地短路的后备保护六、变压器零序电流差动保护七、变压器保护配置原则七、变压器保护配置原则变压器是电力系统不可缺少的重要电气设备：n（1）它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响n（2）大容量的电力变压器十分贵重变压器的故障分位油箱外油箱外和油箱内油箱内两种故障：n（1）油箱外的故障：套管和引出线上

2、发生相间短路以及接地短路套管和引出线上发生相间短路以及接地短路n（2）油箱内的故障：绕组的相间短路、接地短路、匝间短路匝间短路以及铁芯的烧损等变压器的不正常运行状态主要有：n（1）变压器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；n（2）中性点不接地运行的星形接线变压器，中性点过电压n（3）过电压或低频率等异常运行工况下变压器过励磁1. 两边电流互感器的变比不同2. Yd11的接线方式，改变纵差动保护的接线方式消除这个电流1. 计算变比与实际变比不一致2. 变压器带负荷调节分接头3. 电流互感器传变误差产生的不平衡电流电流互感器传变误差产

3、生的不平衡电流1). 不平衡电流实际上是两个电流互感器励磁电流之差2). 铁芯是否饱和以及饱和的程度，除了与电流互感器的磁化曲线和一次电流有关外，还与二次负载有关3). 非周期分量的存在将大大增加电流互感器的饱和程度-电流互感器的暂态误差4). 差动保护是瞬时动作的，必须考虑非周期分量引起的暂态不平衡电流1. 计算变比与实际变比不一致2. 变压器带负荷调节分接头3. 电流互感器传变误差产生的不平衡电流4. 变压器励磁电流产生的不平衡电流变压器励磁电流产生的不平衡电流当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，变压器电压从零或很小的数值突然上升到运行电压。这个电压上升的暂态过程中，变压器可能会严

4、重饱和，产生很大的暂态励磁电流，这个暂态励磁电流称为励磁涌流励磁涌流。励磁涌流的特点：1. 励磁涌流中含很大的非周期分量2. 包含大量高次谐波3. 波形之间出现明显间断防止励磁涌流对差动保护影响的措施：1. 采用速饱和中间变流器2. 二次谐波制动3. 间断角鉴别n变压器的相间短路后备保护变压器的相间短路后备保护：过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护、负序过电流保护、阻抗保护。n低电压启动的过电流保护低电压启动的过电流保护：过电流保护按躲过可能出现的最大负荷电流整定，启动电流比较大，对于升压变压器或容量较大的降压变压器，灵敏度往往不能满足要求。电流元件和电压元件同时动作后

5、，启动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定。n复合电压启动的过电流保护复合电压启动的过电流保护：低电压启动过电流保护的一个发展，3个低电压继电器改为一个负序过电压继电器和一个线电压低电压继电器。n电力系统中，接地故障是最常见的故障形式。接于中性点直接接地系统的变压器，一般要求在变压器上装设接地保护，作为变压器主保护和相邻元件接地保护的后备保护。n发生接地故障时，变压器中性点将出现零序电流，母线将出现零序电压，变压器的接地后备保护通常都是反应这些电气量构成的

6、。n纵差动保护采用的电流是相电流，因此变压器发生内部单相接地故障时灵敏度比较低。若这种差动保护在单相接地这种差动保护在单相接地故障时灵敏度不足，可以增设零序电流差动保护故障时灵敏度不足，可以增设零序电流差动保护。除反应电气量特征的保护原理外，对于变压器内部的某些轻除反应电气量特征的保护原理外，对于变压器内部的某些轻微故障，灵敏性可能不能满足要求，因此变压器通常还装设微故障，灵敏性可能不能满足要求，因此变压器通常还装设反应油箱内部油、气、温度等特征的非电气量保护。反应油箱内部油、气、温度等特征的非电气量保护。1. 瓦斯保护瓦斯保护电力变压器通常是利用变压器油作为绝缘和冷却介质。当变当变压器油箱内

7、故障时压器油箱内故障时，在故障电流和故障点电弧的作用下，变压器油和其他绝缘材料会因受热而分解，产生大量气体。气体排出的多少以及排出速度，与变压器故障的严重程度有关。利用这种气体来实现保护的装置，称为瓦斯保护。瓦斯保护能够保护变压器油箱内的各种轻微故障瓦斯保护能够保护变压器油箱内的各种轻微故障（例如绕组轻微的匝间短路、铁心烧损等），但像变压器绝缘子闪络等但像变压器绝缘子闪络等油箱外面的故障，瓦斯保护不能反应油箱外面的故障，瓦斯保护不能反应。2. 纵差动保护或电流速断保护纵差动保护或电流速断保护对于容量为6300kVA及以上的变压器，以及发电厂厂用变压器和并列运行的变压器，10000kVA及以上的

8、发电厂厂用备用变压器和单独运行的变压器，应装设纵差动保护。电流速断保护用于对于容量为10000kVA以下的变压器，当后备保护的动作时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。对2000kVA以上的变压器，当电流速断保护的灵敏性不能满足要求时，应装设纵差动保护。3. 外部相间短路和接地短路时的后备保护外部相间短路和接地短路时的后备保护变压器的相间短路后备保护通常采用过电流保护、低电压启动的过电流保护、过电压复合启动的过电流保护以及负序过电流保护等，也有采用阻抗保护作为后备保护的情况。接地短路时，变压器中性点零序电流，母线零序电压。4. 过负荷保护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

9、伤。对于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，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。5. 过励磁保护过励磁保护对频率减低和电压升高而引起变压器过励磁时，励磁电流急剧增加，铁心及附近的金属构件损耗增加，引起高温。长时间或多次反复过励磁，将因过热而使绝缘老化。高压侧电压为500kV及以上的便啊约起，应装设过励磁保护。6. 其他非电气量保护其他非电气量保护对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应设可作用于信号或动作于跳闸的非电气量保护。一、发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式一、发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式二、发电机定子绕组短路故障的

10、保护二、发电机定子绕组短路故障的保护三、发电机定子绕组单相接地保护三、发电机定子绕组单相接地保护四、发电机负序电流保护四、发电机负序电流保护五、发电机的失磁保护五、发电机的失磁保护六、发电机的失步保护六、发电机的失步保护七、发电机励磁回路接地保护七、发电机励磁回路接地保护n发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性作用，也十分昂贵。n发电机的故障类型：发电机的故障类型：定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。n发电机的不正常运行状态：发电机的不正常运行状态：外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷超过

11、发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷、非全相运行等）而引起的发电机负序过电流；突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率。（1）1MW以上，纵差动保护（2）接地电容电流允许值1A4A（不同类型），接地保护（3）匝间短路，横差保护（4）外部短路引起的过电流保护：负序过电流保护、复合电压过电流等（5）外部不对称负荷或短路引起的负序过电流（6）过负荷保护（7）过电压保护（8）励磁回路一点接地保护（9）失磁保护（10）转子过负荷保护（11）逆功率保护（12）过励磁保护（13）其他保

12、护：失步保护、低频保护、断水保护 发电机定子绕组中性点一般不直接接地，而是通过高阻接地、消弧线圈接地或不接地，故发电机的定子绕组都设计为全绝缘。 发电机内部短路故障主要是指定子的各种相间和匝间短路故障。发电机纵差动保护发电机纵差动保护发电机横差动保护发电机横差动保护 中性点经消弧线圈接地时，一般采用欠补偿运行方式。 当发电机电压网络的接地电容电流大于允许值时，不论该网络是否装有消弧线圈，接地保护动作于跳闸；当接地电流小于允许值时，接地保护动作于信号，可以不立即跳闸。 目前100%定子接地保护一般由两部分组成：零序电压保护，85%以上；三次谐波原理或叠加电源方式，100%部分零序电压随故障点位置

13、变化曲线图零序电压随故障点位置变化曲线图三次谐波电压（中性点、机端）三次谐波电压（中性点、机端） 当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情况下三相负荷不平衡时，在发电机定子绕组中将出现负序电流。此电流在发电机空气隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为2倍的同步转速。100Hz的倍频电流-转子上电流密度很大某些部位（如转子端部、护环内表面等）出现局部灼伤等。 负序过电流保护实际上是对定子绕组电流不平衡而引起转子过热的一种保护，主保护之一。 当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。发电机电磁转矩将小于原动机的转矩，引起转子加速。直至进入稳定的异步运行，产生以下影响： （1）在重负荷下失磁进入异

14、步运行后，需要从电力系统吸收很大的无功功率，将出现过电流使定子过热。 （2）失磁发电机的机端电压、母线电压或其他邻近的电压过低 （3）失磁后发电机转速超过同步转速，差频电流，转子过热 （4）直接冷却的大型汽轮发电机：周期性摆动 （5）定子端部漏磁增加，定子端部和边段铁芯过热。失磁保护的转子判据，励磁绕组电压初期下降的特点判断。失磁保护的转子判据，励磁绕组电压初期下降的特点判断。失磁保护的机端测量阻抗：发无功变为吸无功，临界。失磁保护的机端测量阻抗：发无功变为吸无功，临界。 对于中小机组，通常不装设失步保护。当系统发生振荡时，由运行人员来判断，然后利用人工增加励磁电流、增加或减少原动机出力、局部解列等方法来处理。 对于大机组，装设用于反映振荡过程的专门的失步保护 要求失步保护只反映发电机的失步情况，能可靠躲过系统短路和同步摇摆，并能在失步开始的摇摆过程中区分加速失步和减速失步。目前，实用的失步保护主要基于反映发电实用的失步保护主要基于反映发电机机端测量阻抗变化轨迹的原理机机端测量阻抗变化轨迹的原理。 发电机励磁回路（包括转子绕组）绝缘破坏会引起转子绕组匝间短路和励磁回