页数：61页文件大小：702.6 KB来源： 电力系统继电保护原理ppt课件
本课件讲解电力变压器保护，先给出变压器油箱内部与外部故障类型及不正常工作状态，随后系统展开纵差保护的接线方式、稳态与暂态不平衡电流成因及减小措施、整定计算与制动特性，接着讲解励磁涌流的产生机理、波形特征与速饱和变流器、二次谐波制动、间断角鉴别三种防误动方法，最后介绍相间与接地后备保护、零序电流差动保护以及瓦斯保护等配置原则。
电力系统继电保护原理（Protection Principle of Power System）课程封面。
第6章 电力变压器保护
第1节 变压器故障类型和不正常工作状态
变压器是电力系统不可缺少的重要电气设备，其故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重影响，应根据变压器容量等级和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。变压器故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障：
变压器的不正常工作状态主要有：
变压器处于不正常运行状态时，继电器应根据其严重程度发出警告信号，使运行人员及时发现并采取相应措施。
变压器油箱内部发生故障时，除各侧电流、电压变化外，油箱内的油、气、温度等非电量也会发生变化，因此变压器的保护分为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。
第2节 变压器的纵差保护——基本原理：电流纵差保护不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时地切除区内各种故障，具有独特的优点，因而被广泛用作变压器的主保护。
由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，为保证纵差保护的正确工作，须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时两个电流相等。
正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器二次电流之差，欲使这种情况下流过继电器的电流基本为零，则应恰当选择两侧电流互感器的变比。
若上述条件满足，则正常运行或外部故障时流入差动继电器的电流为零；当变压器内部故障时，流入差动继电器的电流为各侧短路电流之和的二次值。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
变压器纵差保护的接线方式：实际电力系统都是三相变压器，通常采用 Y,d11 接线方式，这造成变压器一、二次电流的不对应，以 A 相为例，正常运行时三角形侧超前星形侧 30°。
若仍用针对单相变压器的差动继电器接线方式将一、二次电流直接引入差动保护，则在继电器中产生很大的差动电流；可以通过改变纵差保护的接线方式消除这个电流，即将引入差动继电器的 Y 侧电流也采用两相电流差。
由于 Y 侧采用了两相电流差，该侧流入差动继电器的电流增大了 √3 倍，为此该侧电流互感器的变比也要相应增大 √3 倍。
为消除电流差，变压器两侧电流互感器采用不同的接线方式：三角侧采用 Y,d12 接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内；Y 侧采用 Y,d11 接线方式，将两相电流差接入差动继电器。
模拟式差动保护都采用上述接线方式；对于数字式保护，一般将 Y 侧的三相电流直接接入保护装置，由计算机软件实现电流移相功能，以简化接线。
变压器纵差保护的不平衡电流——1. 稳态情况下的不平衡电流：
2. 暂态情况下的不平衡电流：纵差保护是瞬动保护，它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲的，因此暂态过程中的不平衡电流必须给予考虑。
纵差保护回路中的不平衡电流是影响纵差保护可靠性和灵敏度的重要因素，目前使用的各种纵差保护装置采用的措施如下：
适当选择中间变流器平衡线圈的匝数，使正常运行或外部故障时二次线圈 L2 中不会产生感应电势，继电器 KD 中没有电流，从而达到消除不平衡电流影响的目的。实际上平衡线圈只能按整匝数选择，因此二次线圈中仍有残余不平衡电流，这在计算保护动作值时应予以考虑。
5. 减小暂态过程中非周期分量电流的影响：纵差保护用的中间变流器多具有速饱和特性，当输入电流中含有大量非周期分量时铁芯迅速饱和，传变特性变差，非周期分量电流很难传变到二次侧，故可减小不平衡电流中非周期分量的影响。
当纵差保护回路中采用速饱和中间变流器后，由于内部故障起始瞬间短路电流中含有大量非周期分量，纵差保护的动作速度减缓，直到非周期分量衰减幅度较大后才能正确动作，使带速饱和中间变流器的纵差保护装置的使用范围受到限制。
纵差保护的整定计算：
灵敏系数校验：Ik.min 为各种运行方式下变压器内部故障时流经差动继电器的最小差动电流，灵敏系数一般不小于 2；当不能满足要求时，则需采用具有制动特性的差动继电器。
具有制动特性的差动继电器的动作方程可表示为动作电流大于制动电流函数的形式。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材动作方程给出文字表述。
以双绕组变压器为例，常见的制动电流方法有：平均电流制动、复式制动、标积制动。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
第3节 变压器的励磁涌流及鉴别方法：励磁涌流是由于变压器铁芯饱和造成的。设变压器在 t = 0 时刻空载合闸，加在变压器上的电压为正弦电压，解微分方程可得磁通由稳态分量和自由分量组成；计及变压器损耗时自由分量为衰减非周期分量。
自由分量大小与合闸角 α 及铁芯剩磁 Φr 有关。由于铁芯磁通不能突变，切除时刻的磁通决定了自由分量的初始值。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
若电压过零时刻合闸，合闸半周期以后磁通可达 2Φm + Φr，远大于饱和磁通，变压器严重饱和。
电力变压器的饱和磁通一般为 1.15～1.4，运行电压一般不超过额定的 10%，因此稳态运行时铁芯不会饱和；在空载合闸的暂态过程中，由于自由分量的作用使磁通可能大于饱和磁通，造成铁芯饱和。
图示变压器的近似磁化曲线：铁芯不饱和时磁化曲线斜率很大，励磁电流近似为零；铁芯饱和后磁化曲线斜率很小，励磁电流大大增加，形成励磁涌流。
说明：原页含磁化曲线与涌流表达式，文字版给出图示说明。
励磁涌流的波形完全偏离时间轴的一侧，且是间断的，波形间断的宽度称为励磁涌流的间断角 θJ，显然 θJ = 2θ1。
间断角是区别励磁涌流和故障电流的一个重要特征，饱和越严重间断角越小；间断角与变压器电压幅值、合闸角以及铁芯剩磁有关。
励磁涌流中除基波分量外，还存在大量非周期分量和谐波分量，可通过傅立叶级数求取各谐波分量。综上，单相变压器励磁涌流有以下特点：
三相变压器空载合闸时，三相绕组都会产生励磁涌流。对于 Y,d11 接线的三相变压器，引入每相差动保护的电流为两个变压器绕组电流之差，其励磁涌流也应该是两个绕组励磁涌流的差值。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
三相励磁涌流的特点：
防止励磁涌流引起误动的方法——目前我国通常采取以下三种方法：
1. 采用速饱和中间变流器：对于 Y,d11 接线的三相变压器，常常有一相是对称性涌流，没有非周期分量，中间变流器不饱和，只能通过差动继电器的动作电流来躲过。速饱和原理的纵差保护动作电流大、灵敏度低，并且在变压器内部故障时会因非周期分量存在而延缓保护动作，已逐渐被淘汰。
2. 二次谐波制动的方法：根据励磁涌流中含有大量二次谐波的特点，当检测到差电流中二次谐波含量大于整定值时就将差动继电器闭锁，以防止励磁涌流引起的误动。
二次谐波制动的保护原理在实现时需要用滤波技术从差动电流中分离出基波分量和二次谐波分量，在数字保护中广泛采用傅立叶算法实现。二次谐波制动差动保护原理简单、调试方便、灵敏度高，在变压器纵差动保护中获得了非常广泛的应用。
若空载合闸前变压器已经存在故障，合闸后故障相为故障电流、非故障相为励磁涌流，采用三相或门制动方案时差动保护必将被闭锁；由于励磁涌流衰减很慢，保护的动作时间可能长达数百毫秒，这是二次谐波制动保护的主要缺点。
3. 间断角鉴别方法：励磁涌流波形中会出现间断角，而变压器内部故障时流入差动继电器的稳态电流不会出现间断角，间断角鉴别方法就是利用这个特征，当间断角大于整定值时将差动保护闭锁。
对称性涌流波宽 120°，而故障电流波宽 180°，在此基础上增加一个反映波宽的辅助判据，在波宽小于 140° 时将差动保护闭锁。间断角原理采用按相闭锁的方法，在变压器内部故障时能够快速动作，这是比二次谐波制动方法优越的地方。
第4节 变压器相间短路的后备保护：变压器的主保护通常采用差动保护和瓦斯保护。除主保护外，变压器还应装设相间短路和接地短路的后备保护。
后备保护的作用是为了防止由外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻元件保护的后备以及在可能的情况下作为变压器内部故障时主保护的后备。通常采用过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护以及负序过电流保护等。
过电流保护：变压器过电流保护的工作原理与线路定时限过电流保护相同，保护动作后跳开变压器两侧的断路器。保护的启动电流按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材整定原则给出文字表述。
变压器的最大负荷电流应按下列情况考虑：
保护的动作时限及灵敏系数校验与定时限过电流保护相同。按以上条件选择的启动电流其值一般较大，往往不能满足作为相邻元件后备保护的要求，为此需要采用提高灵敏性的方法。
复合电压启动的过电流保护是低电压启动过流保护的发展，它将原来的三个低电压继电器改由一个负序过电压继电器和一个低电压继电器构成：发生各种不对称故障时都能出现负序电压，故负序过电压继电器作为不对称故障的电压保护；低电压继电器则作为三相短路故障时的电压保护。
过电流及低电压继电器的整定原则与低电压启动过电流保护相同，负序过电压继电器的动作电压按躲过正常运行时负序滤过器出现的最大不平衡电压整定。这种保护在不对称故障时电压继电器灵敏度高、接线简单，应用比较广泛。
三绕组变压器相间短路后备保护的特点：三绕组变压器一侧断路器跳开后另外两侧还能继续运行，因此：
第5节 变压器接地短路的后备保护：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。
对于 220 kV 及以上的大型电力变压器，高压绕组一般都采用分级绝缘，其中性点绝缘有两种类型：
故变压器零序保护的方式与变压器中性点的绝缘水平和接地方式有关，应分别予以考虑。
中性点直接接地变压器的零序电流保护：这种变压器接地短路的后备保护毫无例外地采用零序电流保护，通常采用两段式零序电流保护。
中性点可能接地或不接地运行时变压器的零序电流电压保护：中性点直接接地系统发生接地短路时，零序电流的大小和分布与变压器中性点接地数目和位置有关。为使零序保护有稳定的保护范围和足够灵敏度，在发电厂和变电所中将部分变压器中性点接地运行，因此这些变压器的中性点有时接地运行、有时不接地运行，需分别考虑全绝缘变压器和分级绝缘变压器两种情况。
1. 全绝缘变压器：由于变压器绕组各处绝缘水平相同，因此在系统发生接地故障时允许后断开中性点不接地运行的变压器。除装设零序电流保护外，还应装设零序电压保护作为变压器不接地运行时的保护，零序电压元件的动作电压应按躲过在部分接地的电网中发生接地短路时保护安装处可能出现的最大零序电压整定。
由于零序电压保护仅在系统中发生接地短路且中性点接地的变压器已全部断开后才动作，保护的动作时限不需与其他保护配合，为避开电网单相接地短路暂态过程影响，一般取 0.3～0.5 s。
2. 分级绝缘变压器：220 kV 及以上电压等级的变压器为降低造价，高压绕组采用分级绝缘，中性点绝缘水平较低，在单相接地故障且失去中性点接地时其绝缘将受到破坏。
第6节 变压器零序电流差动保护：前述变压器纵差保护采用的电流是相电流，因此变压器内部单相接地故障时灵敏度比较低；若单相接地故障时灵敏度不足，可以增设零序电流差动保护。对于三绕组的普通变压器，可以在中性点直接接地的两侧分别装设零序电流差动保护。
零序电流差动保护的动作判据与一般差动保护一样，整定原则为：（1）躲过外部单相接地故障时的不平衡电流；（2）躲过励磁涌流和外部三相故障时的不平衡电流。其动作电流比一般电流差动保护要小，因此在变压器内部单相接地故障时灵敏度较高。
变压器保护配置原则——1. 瓦斯保护：变压器内部故障时，由于故障点电流和电弧的作用，使变压器油及其他绝缘材料因局部受热而分解产生气体，因气体比较轻而从油箱流向油枕上部；当故障严重时油会迅速膨胀并产生大量气体，此时将有大量气体夹杂着油流冲向油枕上部。利用这一特点构成的保护装置称为瓦斯保护。
如果变压器内部发生严重漏油或匝数很少的匝间短路、铁芯局部烧损、线圈断线、绝缘劣化和油面下降等故障时，往往纵差保护等其他保护均不能动作，而瓦斯保护却能够动作，因此瓦斯保护是变压器内部故障最有效的一种主保护。
瓦斯保护主要由瓦斯继电器实现，它是一种气体继电器，安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中，这样油箱内的气体必须通过瓦斯继电器才能流向油枕。
对变压器油箱内部的各种故障及油面降低应装设瓦斯保护；对 800 kVA 及以上油浸式变压器和 400 kVA 及以上车间内油浸式变压器均应装设瓦斯保护。当油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下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。
瓦斯保护动作后应从瓦斯继电器上部排气口收集气体进行分析，根据气体数量、颜色、化学成分、可燃性判断动作原因和故障性质。瓦斯保护能反应油箱内各种故障且动作迅速、灵敏性高、接线简单，但不能反应油箱外引出线和套管上的故障，故不能作为变压器唯一的主保护，须与纵差保护配合共同作为主保护。
2. 纵差保护或电流速断保护：对变压器绕组、套管及引出线上的故障，应根据容量的不同装设纵差保护或电流速断保护，保护瞬时动作断开变压器各侧断路器。
3. 外部相间短路时的保护：反应变压器外部相间短路并作瓦斯保护和纵差保护（或电流速断保护）后备的过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护、负序电流保护和阻抗保护，保护动作后应带时限动作于跳闸。
4. 外部接地短路时的保护：
5. 过负荷保护：对于 400 kVA 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站，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。
6. 过励磁保护：现代大型变压器的额定磁密近于饱和磁密，频率降低或电压升高时容易引起变压器过励磁，导致铁芯饱和、励磁电流剧增、铁芯温度上升，严重过热会使绝缘劣化、寿命降低，最终造成变压器损坏，因此高压侧为 500 kV 及以上的变压器应装设过励磁保护。
在变压器允许的过励磁范围内保护作用于信号，当过励磁超过允许值时可动作于跳闸；过励磁保护反应于实际工作磁密和额定工作磁密之比（过励磁倍数）而动作。
思考题：
思考题（续）：
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