电力系统继电保护与二次回路课件 第5章 变压器保护课件

电力变压器保护

变压器的故障、不正常运行状态及保护配置变压器非电量保护变压器电流速断保护变压器差动保护变压器相间短路的后备保护及过负荷保护变压器零序保护变压器保护接线和保护整定实例5.1变压器的故障、不正常运行状态及保护配置常见故障油箱内故障油箱外引出线相间短路外部相间短路外部接地短路瓦斯保护纵差动保护或电流速断保护过电流保护零序保护主保护后备保护不正常运行：过负荷过负荷保护图1变压器故障实物图图2

变压器故障实物图5.2变压器非电量保护瓦斯保护用来反应变压器油箱内部各种短路故障及油面降低，是油浸式变压器的内部故障的主保护。安装位置：油枕与油箱之间的连接管道的中部。5.2.1瓦斯保护图1瓦斯继电器实物图图2

瓦斯继电器示意图5.2变压器非电量保护5.2.1瓦斯保护图1QJ1-80型气体继电器结构图1-罩；2-顶针；3-气塞；4、11-磁铁；5-开口杯；6-重锤；7-探针；8-开口销子；9-弹簧；10-挡板；12-螺杆；13-双干簧触点；14-调节杆；15-干簧触点；16-套管；17-排气口5.2变压器非电量保护5.2.1瓦斯保护图1瓦斯保护原理接线图瓦斯继电器KG的上触点为轻瓦斯保护，动作后经信号继电器KS1发出信号；下触点为重瓦斯保护，动作后经信号继电器KS2接通中间继电器KM，作用于断路器跳闸，切除变压器。油浸变压器轻瓦斯保护按产生瓦斯气体的多少来衡量，配电变压器一般整定值设为240cm3，重瓦斯保护按产生气流油流的速度来衡量，配电变压器一般整定值设为0.6~1.2m/s。5.2变压器非电量保护图2

油温测试仪全貌5.2.2温度保护配电变压器油温温度保护设定值一般取75℃，达到75℃时发出报警信号。温度达到95℃，发出跳闸命令。降压变压器油温保护设定值一般取60℃，温度达到60℃，启动冷却系统。温度达85℃，延时1s动作于信号。温度达到90℃，按过负荷运行状态对负荷进行控制，温度达到105℃，瞬时动作跳开各侧断路器。图1安装在变压器上的油温测试仪5.2变压器非电量保护图2

压力释放阀图1变压器的防爆管5.2.3压力释放保护压力升高至55kPa左右，开启压力释放阀，压力释放阀能够在2ms内迅速开启，使变压器油箱内的压力很快降低，从而保证了油箱安全；当压力降到24kPa时，压力释放阀便可靠关闭，使变压器油箱内永远保持正压，有效地防止外部空气、水份及其他杂质进入油箱。5.3变压器电流速断保护图1

电流速断保护原理接线图5.3.1电流速断保护原理适用于电压在10kV及以下、容量为10MVA以下单独运行变压器。电流速断保护装设在变压器电源侧。电源侧为直接接地系统时，保护采用完全星形接线；电源侧为非直接接地系统时，保护采用两相不完全星形接线，保护动作于跳开两侧断路器，保护单相原理接线如图1所示。5.3变压器电流速断保护图1

电流速断保护原理接线图5.3.2电流速断保护整定原则保护动作电流按躲过变压器负荷侧母线上K2点短路时流过保护的最大短路电流整定，保护装置的动作电流：（5-1）（5-2）保护装置一次动作电流和保护装置的动作电流之间满足的关系为：5.3变压器电流速断保护图1

电流速断保护原理接线图5.3.2电流速断保护整定原则保护的灵敏系数按系统最小运行方式下，保护安装处两相短路电流校验：（5-3）电流速断保护具有接线简单、动作迅速等优点。它的缺点是不能保护电力变压器整个范围，灵敏度有时不能满足要求，在负荷侧套管到断路器一段故障不能反映，要靠相间短路的后备保护，切除故障时间较长，因此在容量较小的配电变压器中广泛应用。5.3变压器电流速断保护图1

供电系统图5.3.3电流速断保护例题例题5-1：某电力用户设35/10kV变电站，10kV系统为中性点不接地系统，下设有三个10kV车间变电所，其中主要是二级负荷，其供电系统如图6-5所示和已知条件如下：1）35kV线路电源侧短路容量无限大；2）35/10kV变电站为重要变电所；3）35/10kV变电站10kV母线短路容量104MVA；4）A、B和C车间变电所10kV母线短路容量分别为102、100、39MVA；5）车间B变电所3#变额定电压为10/0.4kV，其低压母线三相短路超瞬态电流为16330A，6）保护继电器接线系数取1。若车间B的3#变压器高压侧装设电流速断保护，电流互感器变比为50/5，请问变压器速断保护装置的整定电流和灵敏系数分别为多少？5.3变压器电流速断保护5.3.2电流速断保护例题解：已知车间B的3#变压器低压母线三相短路电流16330A，需要求出流过保护的最大短路电流把低压侧的短路电流折算到高压侧：依据公式（5-1）可得，保护装置的动作电流为：依据和已知条件B车间变电所10kV母线短路容量为100MVA，可得出保护安装处三相短路电流：依据公式（5-2）可得：满足要求5.4变压器差动保护5.4.1纵联差动保护的基本原理图1变压器纵联差动保护原理接线图（a）正常运行或外部故障

（b）内部故障当正常运行或外部故障时，电流方向如图1(a)所示，流入差动继电器的电流为：5.4变压器差动保护5.4.1纵联差动保护的基本原理图1变压器纵联差动保护原理接线图（a）正常运行或外部故障

（b）内部故障当区内发生故障时，电流方向如图1(b)所示，流入差动继电器的电流为：变压器在正常运行时或区外故障时流入到差动回路中的电流称为不平衡电流，纵联差动保护在整定时需躲开这个不平衡电流，否则就容易引起保护的误动作。不平衡电流越大，纵差保护整定值越大，从而使保护的灵敏度越低。解决这一问题的主要方法是弄清楚变压器纵差保护不平衡电流产生的原因并设法消除。5.4变压器差动保护5.4.2不平衡电流产生的原因

及消除方法图1Yd11接线变压器两侧电流相位不同（a）绕组接线图

（b）相量图变压器两侧电流相位不同原因：消除方法：目前在实际当中广泛采用微机型差动保护，变压器各侧电流互感器的二次侧一般均接成星形。5.4变压器差动保护5.4.2不平衡电流产生的原因

及消除方法消除方法：在微机型变压器差动保护中，利用软件通过计算对变压器各侧的输入电流进行相位和幅值校正。为了便于分析，假设变压器差动保护两侧TA的变比满足式（5-4），则TA二次侧电流幅值相同，如果对变压器Y侧电流按两相电流差的方法进行相位补偿，则补偿算式为：（5-4）5.4变压器差动保护5.4.2不平衡电流产生的原因

及消除方法消除方法：对变压器d侧电流，不做相位补偿，算式为：（5-5）5.4变压器差动保护5.4.2不平衡电流产生的原因

及消除方法原因：变压器励磁涌流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，称之为励磁涌流，它的数值可达变压器额定电流的6-8倍，同时包含有大量非周期分量和高次谐波分量。条件谐波分量占基波分量的百分数（%）直流分量基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波励磁涌流第一周期58100622542第二周期58100632853第八周期58100653073短路电流电流互感器饱和3810043292电流互感器不饱和01009474表5-1变压器励磁涌流和内部短路时短路电流的谐波分量对比数据表5-1是变压器励磁涌流和内部短路时短路电流两种情况下谐波分量的对比数据。由表可见，励滋涌流具有以下特点：1）含有很大成分的直流分量；2）含有大量的高次谐波，且以二次谐波为主；5.4变压器差动保护5.4.2不平衡电流产生的原因

及消除方法原因：消除方法：变压器励磁涌流为防止励磁涌流引起差动保护误动作，常采用二次谐波制动差动保护、间断角原理制动差动保护等。图1

励磁涌流波形由图可见，励滋涌流具有以下特点：1）含有很大成分的直流分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；2）波形之间出现间断，励磁涌流在一个周期中不为零的角度为波宽θw，间断角为θd。5.4变压器差动保护5.4.2不平衡电流产生的原因

及消除方法原因：计算变比与实际变比不同序号数值名称35kV侧6.3kV侧1变压器各侧额定电流2电流互感器接线方式DY3选择电流互感器一次电流的计算值7334电流互感器变比300/5800/55电流互感器二次回路额定电流6不平衡电流4.58-3.81=0.77表5-2计算变压器额定运行时纵联差动保护臂中的不平衡电流由表5-2结果可见，由于电流互感器的实际变比与计算变比不同，正常情况下将产生0.77A的不平衡电流。某变压器型号为S11-8000/35、变比为35/6.3kV、Yd11接线，计算由于电流互感器的实际变比与计算变比不等所产生的不平衡电流，计算结果如表5-2所示。5.4变压器差动保护5.4.2不平衡电流产生的原因

及消除方法原因：消除方法：计算变比与实际变比不同序号数值名称35kV侧6.3kV侧1变压器各侧额定电流2电流互感器接线方式DY3选择电流互感器一次电流的计算值7334电流互感器变比300/5800/55电流互感器二次回路额定电流6不平衡电流4.58-3.81=0.77表5-2计算变压器额定运行时纵联差动保护臂中的不平衡电流由表5-2结果可见，由于电流互感器的实际变比与计算变比不同，正常情况下将产生0.77A的不平衡电流。微机变压器保护中，采用引入平衡系数进行数值补偿。基本方法是根据变压器各侧一次额定电流和差动保护用电流互感器变比，求出电流平衡调整系数Kb，由软件实现电流自动平衡调整，消除不平衡电流影响。5.4变压器差动保护5.4.2不平衡电流产生的原因

及消除方法原因：消除方法：变压器各侧电流互感器型号不同由于变压器各侧电压等级和额定电流不同，所以各侧的电流互感器型号不同，它们的饱和特性、励磁电流、动作特性都存在差异，从而在差动回路中产生较大的不平衡电流。选用变压器差动保护专用的D级电流互感器，当通过外部最大稳态短路电流时，差动保护回路的二次负荷要能满足100%误差要求。减小电流互感器的二次负荷，比如减小控制电缆的电阻。采用带小气隙的电流互感器，在一次电流较大的情况下，电流互感器不容易饱和。在变压器差动保护整定计算中也有考虑，最大不平衡电流计算值中引入同型系数Kss，见式（5-11）。5.4变压器差动保护5.4.2不平衡电流产生的原因

及消除方法原因：消除方法：变压器带负荷调节分接头改变为了满足电能质量中电压的要求，可以将运行中的变压器根据实际情况，改变调压分接头的位置，从而改变了变压器的输出电压，也改变了变压器的变比，使电流互感器变比与变压器变比的关系不再符合，相对应的不平衡电流就出现了，不平衡电流的大小与调压范围有关。不能采取有效措施消除的不平衡电流，在变压器纵联差动保护整定计算中予以考虑，最大不平衡电流计算值中引入ΔU，见下式。根据上述分析，在稳态情况下，整定变压器的纵联差动保护所采用的不平衡电流Iunb.max为：（5-11）5.4变压器差动保护5.4.3变压器比率制动式差动保护为提高内部故障时保护的灵敏度和外部故障时保护的可靠性，在纵联差动保护的基础上引入了制动量，构成比率制动差动保护。图1变压器差动保护原理接线图（a）变压器区外短路（b）变压器区内短路如图1所示，为了使区外故障时制动电流最大，差动电流最小，区内故障时制动电流最小，差动电流最大，用最简单的方法构成差动电流和制动电流，其表达式如下：5.4变压器差动保护5.4.3变压器比率制动式差动保护动作方程和动作特性（1）两折线式比率制动特性的动作方程如式（5-17），动作特性见图1（a）。（2）三折线式比率制动特性的动作方程如式（5-18），动作特性见图1（b）。（5-17）（5-18）

图1比率制动特性（a）两折线比率制动特性（b）三折线比率制动特性5.4变压器差动保护5.4.3变压器比率制动式差动保护整定计算（1）最小动作电流Iop.0应躲过正常运行时流过保护的最大不平衡差流，一般取电流互感器二次侧额定电流In的0.4～0.5倍。（2）拐点制动电流Ires运行实践表明：在系统故障被切除后的暂态过程中，虽然变压器的负荷电流不超过其额定电流，但是由于差动元件两侧TA的暂态特性不一致，可能在差动回路中产生较大的差流，致使差动保护误动作。为躲过区外故障被切除后的暂态过程对变压器差动保护的影响，应使保护的制动作用提早产生。Ires.1通常取0.5In，Ires.2通常取3In。

图1比率制动特性（a）两折线比率制动特性（b）三折线比率制动特性5.4变压器差动保护5.4.3变压器比率制动式差动保护整定计算（3）比率制动系数Kres应保证差动保护的动作电流能躲开外部故障暂态瞬间时流过差动回路的最大不平衡电流。Kres.1通常取0.5，Kres.2通常取1。（4）差动速断保护Iop差动速断保护用于保证在变压器内部发生严重故障时快速动作跳闸，并且躲过外部短路时的最大不平衡电流。Iop通常取4In或6In。

图1比率制动特性（a）两折线比率制动特性（b）三折线比率制动特性5.5变压器相间短路的后备保护及过负荷保护5.5.1过电流保护图1变压器过电流保护单相原理接线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，作为主保护的后备保护，变压器应装设反应相间短路的后备保护。5.5变压器相间短路的后备保护及过负荷保护5.5.1过电流保护保护装置的动作电流：保护的灵敏系数按电力系统最小运行方式下低压侧两相短路时流过高压侧的短路电流校验：保护一次动作电流：5.5变压器相间短路的后备保护及过负荷保护5.5.2低电压启动的过电流保护图1低电压启动的过电流保护原理接线图对于容量较大的降压变压器，采用过电流保护灵敏度不能满足要求时，就要考虑降低电流动作值，采用低电压启动的过电流保护。5.5变压器相间短路的后备保护及过负荷保护5.5.2低电压启动的过电流保护过电流保护装置的动作电流：保护的灵敏系数按电力系统最小运行方式下低压侧两相短路时流过高压侧的短路电流校验：低电压保护装置的动作电压：5.5变压器相间短路的后备保护及过负荷保护5.5.2低电压启动的过电流保护例题5-3：某企业新建110/35/10kV变电所，设两台SSZ11-50000/110的变压器，在变压器SrT高压侧装设低电压启动的过电流保护，110kV侧电流互感器变比为300/5，电压互感器变比为110000/100，电流互感器和电流继电器采用三相三继电器完全星形接线方式，运行中可能出现的最低工作电压取变压器高压侧母线电压额定电压0.5倍，请计算保护装置的动作电流和动作电压值。解：按躲过变压器额定电流整定，故先计算变压器的额定电流：依据公式（5-6）可得：依据公式（5-24）可得：依据公式（5-25）可得：5.5变压器相间短路的后备保护及过负荷保护5.5.3复合电压启动的过电流保护图1复合电压启动的过电流保护原理接线图若低电压起动的过电流保护所用的低电压元件灵敏系数不满足要求时，可采用复合电压起动的过电流保护。5.5变压器相间短路的后备保护及过负荷保护灵敏系数校验：5.5.3复合电压启动的过电流保护负序过电压元件的动作电压按躲过正常运行时的负序电压滤过器出现的最大不平衡电压整定，根据运行经验，取过电流保护装置的动作电流：低电压保护装置的动作电压：5.5变压器相间短路的后备保护及过负荷保护5.5.4过负荷保护在实际运行中，变压器有可能出现过负荷情况，应考虑装设过负荷保护。双绕组降压变压器保护应安装在高压侧。对经常有人值班的厂、所过负荷保护动作于信号；在无经常值班人员的变电站过负荷保护动作于跳闸或切除部分负荷。过负荷保护的动作电流应按躲过变压器的额定电流整定，即保护装置的动作时限应躲过允许的短时工作过负荷时间，如电动机启动或自启动时间，一般定时限取9~15s。过负荷保护的表达式和过电流保护表达式一样，过负荷保护的可靠系数比过电流保护的小，即过负荷保护动作值更小，但是动作时间更长。5.6变压器零序保护接地故障是变压器常见的一种故障形式，在实际应用中，会利用变压器高压侧三相过电流保护对低压侧单相接地故障进行保护，俗称高保低。如果灵敏系数不满足要求，对于Dyn11和Yyn0这类变压器，可以采用在低压侧中性线上装设专用的零序电流保护，作为变压器主保护范围内接地短路故障的近后备保护及相邻元件接地短路故障的远后备保护。对于Yd11这类变压器，可以在高压侧装设三段式零序电流保护，作为变压器高压绕组和相邻元件接地故障主保护的后备。中性点不接地的变压器加装零序保护时，又分全绝缘变压器和分级绝缘变压器两种情况考虑。5.6变压器零序保护5.6.1中性点接地的零序电流保护零序过电流保护通常采用两段式，零序电流保护Ⅰ段与相邻元件零序电流保护Ⅰ段相配合；零序电流保护Ⅱ段与相邻元件零序电流保护后备段相配合。根据需要每段可设两个时限，通常以较短时限动作于母线解列，即断开母联断路器或分段断路器，以缩小故障影响范围，以较长的时限断开变压器各侧断路器。图1变压器零序电流保护原理接线图5.6变压器零序保护5.6.1中性点接地的零序电流保护零序Ⅰ段动作电流按与相邻元件零序电流Ⅰ段配合整定，即零序电流Ⅰ段的动作时限为：t1=0.5s～1s；t2=t1+Δt零序电流Ⅱ段的动作电流按与相邻元件零序后备保护动作电流配合整定，即零序电流Ⅱ段的动作时限为：t3=tmax+Δt；t4=t3+Δt5.6变压器零序保护5.6.1中性点不接地的零序电流保护图1两台变压器并列运行发生接地故障如图1所示，变压器T2和T3中性点接地运行，变压器T1中性点不接地运行。k点发生单相接地短路时，有零序电流流过QF3、QF2以及QF4、QF5。按选择性角度出发，QF3和QF4跳闸切除故障。如果因某种原因造成QF3拒绝跳闸，应由QF2跳闸。此时系统成为了由变压器T1构成的中性点不接地系统，并且将要带着故障继续运行一段时间。如果变压器T1为全绝缘变压器，可以利用在中性点不接地运行时出现零序电压，实现零序过电压保护，断开QF1。5.6变压器零序保护5.6.1中性点不接地的零序电流保护图1两台变压器并列运行发生接地故障如图1所示，变压器T2和T3中性点接地运行，变压器T1中性点不接地运行。如果T1是分级绝缘变压器，还要考虑中性点是否加装放电间隙。如果有放电间隙，将由反映间隙放电电流的零序电流保护瞬时动作切除变压器。如果没有放电间隙，应先切除中性点不接地运行的变压器，后切除中性点接地运行的变压器。5.6变压器零序保护5.6.1中性点不接地的零序电流保护图1全绝缘变压器零序保护原理接线图零序电流保护作为变压器中性点运行时的接地保护，与图5-17中变压器零序电流保护完全一样。零序电压保护作为中性点不接地运行时的接地保护，零序电压取自母线电压互感器二次侧的开口三角绕组。零序电压保护的动作电压要大于在部分中性点接地的电网中发生单相接地时，保护安装处可能出现的最大零序电压；同时要在发生单相接地且失去接地中性点时有足够的灵敏度。考虑以上两方面的因素，零序过电压保护动作值按下式整定：3U0.max＜3U0.op≤Usat

5.6变压器零序保护5.6.1中性点不接地的零序电流保护图1分级绝缘变压器零序保护原理接线图220kV及其以上电压等级的大型变压器，为了降低造价，高压绕组采用分级绝缘，中性点绝缘水平较全绝缘水平的变压器低，在单相接地故障且系统失去中性接地点时，其绝缘将受到破坏。对于中性点可能接地或不接地运行的分级绝缘的变压器，其保护又分为中性点有放电间隙和中性点无放电间隙两种情况，图1所示为中性点有放电间隙的保护情况。5.6变压器零序保护5.6.1中性点不接地的零序电流保护图1分