电力变压器保护方式讲解课件

电力变压器保护方式讲解n电力变压器是电力系统中使用相当普遍和十分重要的电气设备。如果发生故障，将给供电的可靠性和系统的正常运行带来严重的后果。同时，大容量变压器也是十分贵重的设备n为了保证变压器的安全运行，防止故障的扩大，按照变压器可能发生的故障，装设灵敏、快速、可靠和选择性好的保护装置是十分重要的n变压器的故障可以分为油箱内故障和油箱外故障两种：n油箱内故障：绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的烧损等n油箱外故障：套管和引出线上发生相间短路和接地短路n油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧毁铁芯；而且，由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生的大量气体，有可能引起变压器油箱的爆炸n对于变压器发生的各种故障，保护装置应尽快地将变压器切除变压器的故障类型及不正常状态n变压器的不正常运行状态包括：n变压器外部短路引起的过电流n负荷长时间超过额定容量引起的过负荷n风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降n变压器中性点过电压n变压器过励磁n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，发出告警信号，使运行人员及时发现并且采取相应的措施，以确保变压器的安全变压器的故障类型及不正常状态变压器保护典型配置方案n为了保证变压器的安全运行，变压器一般应装设下列保护：n瓦斯保护n纵差保护或者电流速断保护n外部相间短路和接地短路时的后备保护n过负荷保护n过励磁保护n其它非电量保护变压器保护典型配置方案n瓦斯保护n瓦斯保护（8000kVA以上）：n重瓦斯（故障）n轻瓦斯（不正常运行情况，反映油箱内部故障和油面降低）变压器保护典型配置方案n纵差保护或者电流速断保护n变压器故障时，如变压器引出线、套管以及油箱内部短路时，可以装设纵差保护 n装设条件：10000kVA（10MVA）及以上（并联运行：6300kVA以上）；或者 2000kVA以上，电流速断灵敏度不够n变压器纵差保护能够正确区分区内外各种故障，不需与其他元件的保护配合，可以无延时地切除区内各种故障，用作变压器的主保护n对于变压器内部或者外部故障时，均会出现流过变压器电流增大的现象，可以装设电流速断保护变压器保护典型配置方案n外部相间短路和接地短路时的后备保护n除主保护以外，变压器还应装设相间短路和接地短路的后备保护n后备保护的作用是防止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条件下作为变压器内部故障时主保护的后备n相间短路的后备保护通常采用过电流保护、阻抗保护等n接地短路的后备保护通常采用零序电流保护、零序电压保护等等变压器保护典型配置方案n过负荷保护n变压器长期过负荷运行时，绕组会因发热而受到损伤。因此，对容量400kVA的变压器，应装设过负荷保护n过励磁保护n对频率降低和电压升高而引起变压器过励磁时，励磁电流急剧增加，铁芯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。因此，高压侧电压等级为500kV及以上的变压器，应装设过励磁保护变压器纵差保护的基本原理变压器纵差保护不平衡电流产生的原因：n电流互感器计算变比与实际变比不一致产生的误差n带负荷调压而产生的不平衡电流n电流互感器传变误差产生的不平衡电流n由于变压器两侧电流的相位不同而引起的不平衡电流n变压器励磁涌流而产生的不平衡电流n计算变比与实际变比不一致产生的误差消除方法：接入平衡绕组n带负荷调压而产生的不平衡电流n改变分接头的位置，实际上就是改变了变压器的变比。然而，电流互感器的变比选定后不可能根据运行方式进行调整，只能根据变压器分接头未调整时的变比进行选择n假设变压器分接头未调整时满足 ，则一旦分接头调整，就会出现变比差系数，引起不平衡电流n电流互感器传变误差产生的不平衡电流 变压器各侧的电流互感器型号不同，它们的饱和特性、励磁电流(归算至同一侧)也就不同，从而产生较大的不平衡电流。消除方法：尽可能使用型号、性能相同的电流互感器，使得两侧电流互感器的磁化曲线相同，以减少不平衡电流n减小电流互感器的二次负载（减少二次电缆的电阻，增大电流互感器的变比）并使各侧二次负载相同，能够减少铁芯的饱和程度（一次电流是固定的，若二次负载越小，则励磁电流越小，铁芯越不饱和），相应地减少不平衡电流n由于变压器两侧电流的相位不同而引起的不平衡电流消除方法：相位补偿法，即改变二次绕组的接线方式n变压器励磁涌流而产生的不平衡电流n正常运行时和外部故障时，励磁电流不超过额定电流的2%5%，对纵差保护的影响常常忽略不计n但是，当变压器在空载合闸和外部短路切除后电压恢复时，变压器电压从零或者很小的数值突然上升到运行电压n在电压上升过程中，变压器可能严重饱和，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。励磁涌流最大值可以达到额定电流的68倍n由于励磁涌流很大，若用动作电流来躲过影响，则纵差保护在内部故障时灵敏度可能很低。因此，必须采取其他措施来防止励磁涌流引起纵差保护的误动作。这也是纵差保护的核心问题变压器励磁涌流及鉴别方法一、变压器励磁涌流产生的原因1 变压器空载合闸时的磁通n在稳态的情况下铁心中的磁通滞后于外加电压90；n在电压过零点时合闸，铁芯中的磁通应为-m。但由于铁 心中的磁通不能突变，因此将出现一个非周期分量的磁通+m，如果考虑剩磁r，这样经过半过周期后铁心中的磁通将达到2m+r。n此时变压器铁芯将严重饱和，此时变压器的励磁电流的数值将变得很大，达到额定电流的68倍，形成励磁涌流。（a）铁芯中的磁通变化；（b）变压器铁芯的磁化曲线；（c）励磁涌流的变化曲线；（d）励磁涌流的波形图二、变压器励磁涌流及鉴别方法n励磁涌流的波形是偏向时间轴的一侧的，且是间断的n励磁涌流中除了基波分量外，还存在大量的非周期分量和谐波分量。由于励磁涌流是周期函数，可以展开成傅里叶级数。变压器励磁涌流及鉴别方法间断角（度）非周期分量基波二次谐波三次谐波四次谐波10876.810013.27.82.815069.210028.87.53.518063.710042.40.08.5n不同间断角下励磁涌流中的谐波含量如下所示：n单相变压器励磁涌流的特点：n变压器空载合闸时，涌流是否产生以及涌流的大小与合闸角有关，合闸角为0及180度时励磁涌流最大n波形完全偏离时间轴的一侧，并且出现间断。涌流越大，间断角越小n含有很大成分的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。非周期分量随时间衰减。n含有大量的高次谐波分量，而以二次谐波为主。间断角越小，二次谐波越小n在同一时刻，三相涌流之和近似等于零变压器励磁涌流及鉴别方法nA相合闸角为0三、防止励磁涌流引起误动的方法：n1、采用速饱和中间变流器n采用很容易饱和的铁芯，当差动电流中含有较大的非周期分量并且偏向时间轴的一侧时，铁芯迅速饱和，导致非周期分量不容易传变到变流器的二次侧n但是，由于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的存在而延缓保护的动作，已经逐渐被淘汰n三、防止励磁涌流引起误动的方法：n2、二次谐波制动利用差流中的二次谐波分量为制动量，区分励磁涌流n检测到差电流二次谐波含量大于整定值时，闭锁保护，防止励磁涌流引起的误动。采用这种方法的保护称为二次谐波制动的差动保护。动作判据为I1：基波电流 I2：二次谐波电流 K2二次谐波制动比K2越大，制动效果越差，反之越好。n防止励磁涌流引起误动的方法：n二次谐波制动nK2越大，制动效果越差，反之越好。n但是，变压器内部故障时，测量电流中的暂态分量也可能存在二次谐波。如果二次谐波含量超过K2，则保护也被闭锁，一直等到暂态分量衰减后才能动作n电流互感器饱和也会在二次电流中产生二次谐波，电流互感器饱和越严重，二次谐波含量越大n为了加快内部严重故障时纵差保护的动作速度，往往再增加一组不带二次谐波制动的差动保护，称为差动电流速断保护，差动电流速断保护定值按躲过最大励磁涌流整定n优点：n原理简单、调试方便、灵敏度高，n缺点：n在具有静止无功补偿装置等电容分量较大的系统，故障暂态电流中含有较大的二次谐波含量，差动保护的速度会受到影响n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，采用二次谐波制动方案，差动保护将被闭锁长达数百毫秒n三、防止励磁涌流引起误动的方法：n3、间断角鉴别的方法n励磁涌流的波形会出现间断角，而变压器内部故障时流入差动继电器的稳态差电流是正弦波，不会出现间断角n差动元件测量出的间断角的物理意义是：在差流的半个周期差动量小于制动量的角度。当间断角大于整定值时将差动继电器闭锁，防止励磁涌流引起的误动n防止励磁涌流引起误动的方法：n间断角鉴别的方法n采用按相闭锁的方法，在变压器合于内部故障时，能够快速动作。比二次谐波制动方法优越的地方n对于其他内部故障，暂态高次谐波分量会使电流波形畸变。若波形畸变很严重导致波宽小于整定值，差动保护也将被暂时闭锁而造成动作延缓n二次谐波制动与间断角原理造成保护动作延缓的因素是有差异的。对于大型变压器，可以同时采用两种原理的纵差动保护，能够起到优势互补，加快内部故障的动作速度.三、防止励磁涌流引起误动的方法：4、波形对称原理n首先将流入差动元件的差流进行微分，滤去电流中的直流分量，使电流波形不偏向横轴（即时间轴）的一侧，然后比较每个周期内差电流的前半波与后半波的量值。n变压器内部故障时，正负半周的波形基本对称，而故障时，由于有间断角的存在，正负半周的波形差值很大，相位也不同n波形对称数学式：Ij：前半周电流波形上某点的值Ij：与Ij相差180点的值K称为不对称系数，通常为1/2。四、防止过励磁引起差动保护误动n超高压大型变压器过励磁时，励磁电流中5次谐波分量大大增加。n过励磁闭锁元件就是检测电流中5次谐波分量，当5次谐波分量大于某一值时，闭锁差动保护n波形对称数学式：K5Z=(I5/I1)100I5：5次谐波电流I1：基波电流K5Z：5次谐波制动比。五、差动速断元件n实质为纵差保护的高定值差动元件。n为克服其他原理差动保护判别内部故障时动作的延缓和拒动，设置差动速断元件。n差动速断元件只反映差流的有效值，不管波形如何。其它差动保护一、分侧差动保护构成及特点n分侧差动保护是将变压器的各侧绕组分别作为被保护对象，在各侧绕组的两侧设置互感器而实现差动保护。多用于超高压大型变压器的高压侧其它差动保护一、分侧差动保护特点n优点：它不受变压器励磁电流、励磁涌流、有载调压及过励磁的影响。动作灵敏度高、构成简单。n缺点：由于只差接变压器一侧的绕组，故对变压器绕组的匝间短路无保护作用。n另外，在三绕组自耦变压器上，可实现将高压侧、中压侧绕组作为保护对象的高、中压侧分相差动保护。其它差动保护一、零序差动保护特点n自藕变压器高压侧、中压侧的电流互感器，采用三相同极性并联构成零序滤过器，同中性点组成零序差动。n优点：零序差保护不受变压器励磁电流及带负载调压的影响，其构成简单，动作灵敏度高。差动保护的TA断线n理想情况下，TA二次侧三相电流之和为零。断线时，三相电流之和不为零；将三相电流之和同另外CT来的零序电流相比较，判断是否TA断线。n现在微机保护，当测量出只有一侧的电流值变小，而小于额定电流时，判断该侧TA断线。n如果是变压器各侧电流均变化，且变化前后的电流幅值又大于额定电流的，说明是故障引起的。1.1.组成：组成：BCHBCH2 2型差动继电器型差动继电器电磁型电流继电器电磁型电流继电器三三柱柱铁铁芯芯：两两边边柱柱铁铁芯芯截截面面较较小小，是是中中间柱铁芯截面的一半，易于饱和。间柱铁芯截面的一半，易于饱和。差差动动线线圈圈Wcd：接接于于变变压压器器差差动动保保护护的的差差回回路路，当当安安匝匝磁磁势势达达到到一一定定值值时时，二二次次线线圈圈感感应应的的某某一一电电势势值值使使电电流流继电器起动。继电器起动。两个平衡线圈两个平衡线圈Wph1、Wph2短路线圈短路线圈Wd工作线圈工作线圈W2。差差动动线线圈圈：接接于于变变压压器器差差动动保保护护的的差差回回路路，当当安安匝匝磁磁势势达到定值时，二次线圈感应的某一电势值使电流继电器起动。达到定值时，二次线圈感应的某一电势值使电流继电器起动。平平衡衡线线圈圈：消消除除变变压压器器两两侧侧电电流流互互感感器器的的计计算算变变比比与与实实际变比不一致所产生的不平衡安匝磁势。际变比不一致所产生的不平衡安匝磁势。短路线圈：提高差动继电器躲过励磁涌流的能力。短路线圈：提高差动继电器躲过励磁涌流的能力。一、保护作用：变压器相间短路的后备保护既是变压器主保护的 后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。区外故障：过电流保护远后备 区内故障：近后备三、种类：根据变压器容量的大小、地位及性能和系统短路电流的大小，相间短路后备保护可采用 过电流保护（降压变压器）Iact1 灵敏度低 带低电压起动的过电流保护Iact2 复合电压起动的过电流保护Iact3，灵敏度高 负序电流保护 Iact1 Iact2 Iact3，Ksen1 Ksen2 Ksen3变压器相间短路的后备保护二、安装地点一般装于电源侧，动作于跳两侧QF，或按先后顺序跳闸。（一）过电流保护整定：躲过变压器正常运行时的最大负荷电流式中Krel可靠系数，一般取为1.21.3；Kre返回系数，取为0.850.95；IL.max变压器可能出现的最大负荷电流。1）对并联运行的变压器，应考虑切除一台最大容量的变压器后，在其他变压器中出现的过负荷。当各台变压器的容量相同时，可按下式计算：2）对降压变压器，应考虑负荷中电动机自起动时的最大电流。对最大负荷电流的确定 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，为此需要采用以下几种提高灵敏性的方法。保护的动作时限及灵敏系数校验适用：降压变压器 安装：电源侧接线：大接地电流系统三相三继电器 小接地电流系统两相两继电器或两相三继电器（用于提高Y/变压器后故障短路时保护灵敏度）组成：13KA完全星形接线 13KV接入线电压 KM电压回路断线监视（二）低电压起动的过电流保护原理过程：电压回路断线KM发信号短路跳1QF、2QF,KS发信号适用：双侧电源变压器或多台并列运行变压器特点：为提高保护装置灵敏度，可采用两套低电压继电器（高、低压侧线电压）接线复杂低电压起动的过流保护（1）电流元件的起动电流按躲过变压器的额定电流整定动作参数整定计算（2）低电压元件的起动电压应小于正常运行时最低工作电压，同时，外部故障切除后，电动机起动的过程中，它必须返回。根据运行经验，通常用Krel取1.21.3；Kre取0.85ITN为变压器的额定电流电流元件的灵敏系数校验电压元件的灵敏系数按下式校验：（三）复合电压起动的过电流保护1、负序电压继电器（反映不对称故障）DY-2型组成：负序电压滤过器FYG（利用负序分量反映故障）a、输入正序电压时的输出b、输入负序电压时的输出原理接线图a、当发生不对称短路时b、当发生对称短路时(1)由于负序电压继电器的整定值较小，因此，对于不对称短路，电压元件的灵敏系数较高。(2)由于反应负序电，因此，对于变压器后面发生的不对称短路，电压元件的工作情况与变压器的接线方式无关。特点3、参数整定a、负序电压继电器的起动电压按躲开正常运行情况下负序电压滤过器输出的最大不平衡电压整定。根据运行经验取b、电流元件的起动电流按躲过变压器的额定电流整定c、低电压元件的起动电压应小于正常运行时最低工作电压，同时，外部故障切除后，电动机起动的过程中，它必须返回。根据运行经验，通常用电流继电器2KA和负序电流滤过器ZAN 等组成，反应不对称短路电流继电器1KA和电压继电器KV组成单相低电压启动的过电流保护，反映三相对称短路。（四）负序电流保护躲开变压器正常运行时负序电流滤过器出口的最大不平衡电流，其值一般为(0.10.2)IN，通常这不是整定保护装置的决定条件。整定组成原理接线图时间元件：阶梯原则（五）变压器的接地保护规程110kV 以上变压器中性点是否接地运行，还与变压器中性点绝缘水平有关。其中性点绝缘有两种类型：分级绝缘和全绝缘。当系统发生单相接地短路时，不接地运行的变压器，应能够承受加到中性点与地之间的电压。因此，采用这种变压器，可以安排一部分变压器接地运行，另一部分变压器不接地运行，从而可把电力系统中接地故障的短路容量和零序电流水平限制在合理的范围内，同时也是为了接地保护本身的需要。对于220kV及以上的大型电力变压器，高压绕组一般都采用分级绝缘例如 500kV 系统的中性点绝缘水平为38kV，这种变压器，中性点 必须直接接地运行，不允许将中性点接地回路断开；220kV 变压器的中性点绝缘水平为110kV，其中性点可直接接地，也可在系统中不失去接地点的情况下不接地运行。中性点直接接地变压器的接地短路的后备保护毫无例外地采用零序电流保护。为了缩小接地故障的影响范围及提高后备保护动作的快速性和可靠性，一般配置两段式零序电流保护，每段还各带两级延时。（五）变压器的接地保护一、变压器中性点直接接地运行时的零序电流保护1.零序电流保护的整定计算零序电流保护的整定计算（1）零序段起动电流按与相邻元件零序电流段配合整定，即（3）零序电流段的起动电流按与相邻元件零序后备保护动作电流配合整定：（4）零序电流段的动作时限为t3=tmax+tt4=t3+t（2）零序电流段的动作时限为t1=0.51.0St2=t1+t两段式零序电流保护示意图1、零序电流保护I段作为变压器及母线的接地故障后备保护，其动作电流和延时t1应与相邻元件单相接地保护I段相配合，通常以较短延时t1=(0.51.0)s动作于母线解列，即断开母线联络断路器或分段断路器，以缩小故障影响范围；以较长的延时t2=t1+t 有选择地跳开变压器高压侧断路器。通常t3应比相邻元件零序保护后备段最大延时一个t，以断开母线联络断路器或分段断路器，t4=t3+t 动作于断开变压器高压侧断路器。2、零序电流保护II段作为引出线接地故障的后备保护，其动作电流和延时t3应与相邻元件接地后备段相配合。二、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1、全绝缘变压器由于变压器绕组各处的绝缘水平相同，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。图中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。2、分级绝缘变压器220kV及以上电压等级的变压器，为了降低造价，高压绕组采用分级绝缘，中性点绝缘水平较低，在单相接地故障时且失去中性点接地时，其绝缘将受到破坏。为此，可在变压器中性点装设放电间隙。当间隙上的电压超过动作电压时迅速放电，使中性点对地短，从而保护变压器中性点的绝缘。因放电间隙不能长时间通过电流，故在放电间隙上装设零序电流元件，在检测到间隙放电后迅速切除变压器。放电间隙受气象条件、调整的精细程度以及连续放电的次数的限制，可能会出现该动作而不动作的情况，因此，对于这种接地方式，仍应装设专门的零序电流电压保护，其任务是及时切除变压器，防止间隙长时间放电，并作为放电间隙拒动的后备。当系统发生一点接地，中性点接地运行的变压器由其零序电流保护动作于切除。若高压母线上已没有中性点接地运行的变压器，而故障仍然存在时，中性点电位将升高，发生过电压而导致放电间隙击穿，此时中性点不接地运行的变压器将由反应间隙放电电流的零序电流保护瞬时动作于切除。如果中性点过电压值不足以使放电间隙击穿，则可由零序电压保护带0.30.5S的延时将中性点不接地运行的变压器切除。击穿电流根据经验数据整定，一般一次值为100A。零序电压元件的起动电压的整定应低于变压器中性点工频耐受电压躲过电网存在中性情况下单相接地短路时的最大零序电压一般UK0.act=180V（5)放电间隙零序电流保护的起动电流（六）变压器的非电量保护n一、瓦斯保护n瓦斯保护是变压器油箱内绕组短路故障及异常的主要保护。n瓦斯保护分为轻瓦斯保护及重瓦斯保护两种。n轻瓦斯保护作用于信号，重瓦斯保护镶于切除变压器。n对于有载调压的大型变压器，在有载调压装置内也设置瓦斯保护。安装：位于油箱与油枕之间连接管的中部连接管坡度（24%）：油箱油枕气流顺利通过顶盖与水平面坡度（11.5%)：防止气泡聚集在顶盖处.n原理：变压油箱内故障时，在故障点产生有电弧的短路电流，造成油箱内局部过热并使变压器油分解、产生气体（瓦斯），进而造成喷油、冲动气体继电器，瓦斯保护动作。放气阀作用：a、初次运行或换油油中气体可能导致轻瓦斯误动作，可将继电器顶部放气阀打开，放气。b、故障发生后，可通过放气阀收集瓦斯气体，分析其成分，便于故障分析。轻瓦斯按气体容积整定，250300cm3。重瓦斯按油流速度整定，0.81.0米/秒不同容量的变压器和不同的油管管径，需根据标准整定以下情况重瓦斯由跳闸位置切换到信号位置；1、气体继电器试验2、变压器注入油3、变压器大修后投入运行n提高瓦斯保护可靠性措n由于气体继电器装在变压器本体上，为露天放置，受外界环境条件影响大。运行实践表明由于下雨和漏水，造成瓦斯保护误动n瓦斯继电器应密封性能好，做到防止漏水漏气，另还应加装防雨盖。n引出电缆接头处应做好防水措施，可以使用自粘带包裹防水n重瓦斯保护动作节点的串并联，根据各地要求执行。二、压力保护n反映变压器的油压增大而动作n压力继电器又称压力开关，由弹簧和触点构成，置于变压器本体油箱上部。当变压器内部故障，温度升高，油膨胀压力增高，弹簧动作带动继电器动触点，使触点闭合，切除变压器。n目前云南省内压力释放保护有的投信号三、温度及油位保护n当变压器温度升高时，温度保护动作发出报警信号。n尾油位保护是反映油箱内油位异常的保护。运行时，因变压器漏油或其他原因使油位降低动作，发出报警信号。四、冷却器全停保护n在运行中，若冷却系统全停，变压器的温度将升高。若不及时处理，可能导致变压器绕组绝缘损坏。n冷却器全停保护，在变压器运行中冷却器全停时动作。其动作后应立即发出报警信号，经长延时切除变压器。n如果变压器温度升高达到定值，则经短延时跳变压器某些保护装置中，冷却器全停保护回路经变压器各侧开关辅助接点串联起来构成。n结束n谢谢