500kV变压器保护装置调试及维护

变压器保护原理及调试变压器保护原理一 变压器的故障及不正常运行方式1变压器的故障若以故障点的位置对故障分类，有油箱内的故障和油箱外的故障。(1)油箱内的故障变压器油箱内的故障， 主要有各侧的相间短路， 大电流系统侧的单相接地短路及同相部 分绕组之间的匝间短路。(2)油箱外的故障变压器油箱外的故障，系指变压器绕组引出端绝缘套管及引出短线上的故障。主要有相间短路(两相短路及三相短路)故障，大电流侧的接地故障、低压侧的接地故障。2变压器的异常运行方式大型超高压变压器的不正常运行方式主要有：由于系统故障或其他原因引起的过负荷，由于系统电压的升高或频率的降低引起的过激磁，不接地运行变压器中性点电位升高，变压器油箱油位异常，变压器温度过高及冷却器全停等。三变压器保护的配置变压器短路故障时， 将产生很大的短路电流， 使变压器严重过热， 甚至烧坏变压器绕组 或铁芯。特别是变压器油箱内的短路故障，伴随电弧的短路电流可能引起变压器着火。另外短路电流产生电动力，可能造成变压器本体变形而损坏。变压器的异常运行也会危及变压器的安全，如果不能及时发现及处理，会造成变压器故障及损坏变压器。为确保变压器的安全经济运行， 当变压器发生短路故障时， 应尽快切除变压器； 而当变 压器出现不正常运行方式时，应尽快发出告警信号及进行相应的处理。 为此，对变压器配置 整套完善的保护装置是必要的。1短路故障的主保护变压器短路故障的主保护，主要有纵差保护、重瓦斯保护、压力释放保护。另外，根据 变压器的容量、电压等级及结构特点，可配置零差保护及分侧差动保护。2短路故障的后备保护目前，电力变压器上采用较多的短路故障后备保护种类主要有：复合电压闭锁过流保护；零序过电流或零序方向过电流保护； 负序过电流或负序方向过电流保护； 复合电压闭锁功率 方向保护；低阻抗保护等。3异常运行保护变压器异常运行保护主要有：过负荷保护，过激磁保护，变压器中性点间隙保护， 轻瓦斯保护，温度、油位保护及冷却器全停保护等。变压器纵差保护一 变压器纵差保护的构成原理及接线与发电机、电动机及母线差动保护(纵差保护)相同，变压器纵差保护的构成原理也是 基于克希荷夫第一定律，即 I =0 (11-9 )式中：V I 变压器各侧电流的向量和。式（11-9）代表的物理意义是：变压器正常运行或外部故障时，流入变压器的电流等 于流出变压器的电流。此时，纵差保护不应动作。当变压器内部故障时， 若忽略负荷电流不计， 则只有流进变压器的电流而没有流出变压 器的电流，其纵差保护动作，切除变压器。在以前的模拟式保护中，变压器纵差保护的原理接线如图11-12所示。35Ja ywvL /UJb , jc图11-12变压器纵差保护原理接线图在图11-12中：LH1、LH2分别为变压器两侧的差动TA;JA、JB、JC 分别为A、B、C三相的三个分相差动继电器。可以看出：图11-12为接线组别为YN,d 11变压器的分相差动保护的原理接线图。该接线图也适用于微机型变压器差动保护。图中相对极性的标号*采用减极性标示法。二实现变压器纵差保护的技术难点实现发电机、电动机及母线的纵差保护比较容易。这是因为这些主设备在正常工况下或外部故障时其流进电流等于流出电流，能满足Z=。的条件。而变压器却不同。变压器在正常运行、外部故障、变压器空投及外部故障切除后的暂态过程中，其流入电流与流出电流相差较大或很大。为此，要实现变压器的纵差保护，需要解决几个技术难点。1变压器两侧电流的大小及相位不同变压器正常运行时， 若不计传输损耗，则流入功率应等于流出功率。但由于两侧的电压不同，其两侧的电流不会相同。超高压、大容量变压器的接线方式，均采用YN,d方式。因此，流入变压器电流与流出变压器电流的相位不可能相同。当接线组别为YN,d 11 （或YN,d1）时，变压器两侧电流的相位相差300。流入变压器的电流大小和相位与流出电流大小和相位不同，则Z就不可能等于零或 很小。2稳态不平衡电流大与发电机、电动机及母线的纵差保护相比，即使不考虑正常运行时某种工况下变压器两侧电流大小与相位的不同，变压器纵差保护两侧的不平衡电流也大。其原因是：(1)变压器有激磁电流变压器铁芯中的主磁通是由激磁电流产生的，而激磁电流只流过电源侧，在实现的纵差保护中将产生不平衡电流。激磁电流的大小和波形， 受磁路饱和的影响，并由变压器铁芯材料及铁芯的几何尺寸决 定，一般为变压器额定电流的3呛8%大型变压器的激磁电流相对较小。(2)变压器带负荷调压为满足电力系统及用户对电压质量的要求， 在运行中，根据系统的运行方式及负荷工况， 要不断改变变压器的分接头。 变压器分接头的改变， 相当于变压器两侧之间的变比发生了变 化，将使两侧之间电流的差值发生了变化，从而增大了其纵差保护中的不平衡电流。根据运行实际情况，变压器带负荷调压范围一般为土 5%因此，由于带负荷调压，在纵 差保护产生的不平衡电流可达 5渊变压器额定电流。(3)两侧差动TA的变比与计算变比不同变压器两侧差动 TA的名牌变比，与实际计算值不同，将在纵差保护产生不平衡电流。 另外，两侧TA的型号及变比不一， 也将使差动保护中的不平衡电流增大。由于两侧TA变比误差在差动保护中产生的不平衡电流可取6峨压器额定电流。3暂态不平衡电流大(1)两侧差动TA型号、变比及二次负载不同与发电机纵差保护不同， 变压器两侧差动TA的变比不同、型号不同；由各侧TA端子箱 引至保护盘TA二次电缆的长度相差很大，即各侧差动TA的二次负载相差较大。差动TA型号及变比不同， 其暂态特性就不同； 差动TA二次负载不同，二次回路的暂态 过程就不同。这样，在外部故障或外部故障切除后的暂态过程中，由于两侧电流中的自由分量相差很大，可能使两侧差动 TA二次电流之间的相位发生变化，从而可能在纵差保护中产 生很大的不平衡电流。(2)空投变压器的励磁涌流空投变压器时产生的励磁涌流的大小，与变压器结构有关， 与合闸前变压器铁芯中剩磁的大小及方向有关，与合闸角有关；此外，尚与变压器的容量、距大电源的距离(即变压器 与电源之间的联系阻抗)有关。多次测量表明：空投变压器时的励磁涌流通常为其额定电流的26倍，最大可达8倍以上。由于励磁涌流只由充电侧流入变压器，对变压器纵差保护而言是一很大的不平衡电流。(3)变压器过激磁在运行中，由于电源电压的升高或频率的降低，可能使变压器过激磁。 变压器过激磁后，其励磁电流大大增加。使变压器纵差保护中的不平衡电流大大增加。(4)大电流系统侧接地故障时变压器的零序电流当变压器高压侧(大电流系统侧)发生接地故障时，流入变压器的零序电流因低压侧为 小电流系统而不流出变压器。 因此，对于变压器纵差保护而言， 上述零序电流为一很大的不 平衡电流。三空投变压器的励磁涌流1励磁涌流产生的机理以单相变压器为例，说明其空投时励磁涌流产生的机理。忽略变压器及合闸回路电阻的影响，电源电压的波形为正弦波。则空投瞬间变压器铁芯中的磁通与外加电压的关系为亚吧=UmSin（皿+o） （11-10）at式中：W-变压器空投侧绕组的匝数；一铁芯中的磁通；Um-电源电压的幅值；ot 合闸角；角速率，当频率为 50Hz, 3=314。由式（11-10 ）可得dG=Umsin（域+a）dt （11-11 ）W式（11-11）为一不定积分方程，求解得G = Um cosfet+Ot）+C （11-12）W、:;式（11-12）中：C积分常数，由初始条件确定。当 t=0时，则C =Umcosa 他s （11-13）W：-：式中：6合闸前铁芯中的剩磁通。将式（11-13）代入（11-12）,并考虑到电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗6 = -Umcos（cJ +ot） -+（Um-cosa +Js）e T = -Cmcos（xt W） +（mcosot 母s）e T （11-14 ）vvi -vvi -式是：Om=Wm ；T时间常数，与合闸回路的损耗及感抗有关。式（11-14）中的第一项为磁通的强迫分量，而第二项为磁通的自由分量或衰减的分量。由式（11-14）可以看出，在空投变压器的瞬间，铁芯中的磁通由三部分组成：强迫磁通6mcos（CCt +） ,乘U磁通 6s及决定于合闸角 口的磁通 mcosa。根据式11-14及不考虑自由 分量衰减并设合闸角 a= 0剩磁6s =0.96m时，在合闸瞬间变压器铁芯中的综合磁通变化曲线图11-13 空投变压器时变压器铁芯中的磁通变化波形在图(11-13 )中：曲线1 外加电压波形；曲线2铁芯中的强迫磁通(或稳定磁通)；曲线3-空投变压器时铁芯中综合磁通波形。可以看出：当初始合闸角等于00、变压器铁芯中的剩余磁通 6s = 0.9 6m时，铁芯中的最大磁通达2.9 6,从而使变压器铁芯严重饱和，励磁电流猛增，即产生所谓励磁涌流。2励磁涌流的特点在某台变压器空投时拍摄的变压器三相励磁涌流的波形如图(11-14)所示。图11-4 空投变压器的励磁涌流由图11-14可以看出励磁涌流有以下几个特点：(1) 偏于时间轴一侧，即涌流中含有很大的直流分量；(2) 波形是间断的，且间断角很大，一般大于150;(3) 由于波形间断，使其在一个周期内正半波与负半波不对称；(4) 含有很大的二次谐波分量，若将涌流波形用福里叶级数展开或用谐波分析仪进行测量分析，不同时刻涌流中二次谐波分量与基波分量的百分比大于30%有白达80%甚至更大；(5) 在同一时刻三相涌流之和近似等于零；另外，励磁涌流是衰减的，衰减的速度与合闸回路及变压器绕组中的有效电阻和电感有 关。3影响励磁涌流大小的因素由式(11-14)可以看出，空投变压器时铁芯中的磁通的大小与6m、COSCt及6s有关。而励磁涌流的大小与铁芯中磁通的大小有关。磁通越大，铁芯越饱和，励磁涌流就越大。因此，影响励磁涌流大小的因素主要有：(1)电源电压变压器合闸后，铁芯中强迫磁通的幅值6m=Um。因此，电源电压越高，Gm越大，励W;.-,-磁涌流越大。(2)合闸角0当合闸角口 = 0时，m cosot最大，励磁涌流大；而当 0( = 900, 6mCosa等于零，励磁涌 流较小；(3)剩磁Bs合闸之前，变压器铁芯中的剩磁越大，励磁涌流就越大。另外，当剩磁Bs的方向与合闸之后mCOsot的方向相同时，励磁涌流就大。反之亦反。此外，励磁涌流的大小，尚与变压器的结构、 铁芯材料及设计的工作磁密有关。变压器 的容量越小，空投时励磁涌流与其额定电流之比就越大。在末端变电测量表明：空投变压器时，变压器与电源之间的阻抗越大，励磁涌流越小。站，空投变压器时最大的励磁涌流可能小于其额定电流的2倍。四变压器纵差保护的实现实现变压器纵差保护， 要解决的技术问题主要有：在正常工况下，使差动保护各侧电流的相位相同或相反，使由变压器各侧TA二次流入差动保护的电流产生的效果相同，即是等效的；空投变压器时不会误动，即差动保护能可靠躲过励磁涌流；大电流侧系统内发生接地故障时保护不会误动；能可靠躲过稳态及暂态不平衡电流。1差动保护两侧电流的移相方式呈Y,d接线的变压器，两侧电流的相位不同，若不采取措施，要满足各侧电流的向量和 等于零，即=0,根本不可能。因此，要使正常工况下差动保护各侧的电流向量和为零， 首先应将某一侧差动 TA二次电流进行移相。在变压器纵差动保护中， 对某侧电流的移相方式有两类共 4种。两类是：通过改变差动 TA接线方式移相(即由硬件移相)；由计算机软件移相。4种是：改变高压侧差动TA接线方 式移相；采用辅 TA移相；由软件在差动元件高压侧移相；由软件在差元件低压侧移相。(1)改变差动TA接线方式进行移相过去的模拟式变压器纵差保护，大多采用改变高压侧差动TA的接线方式进行移相的。对于微机型保护也可采用这种移相方式。采用上述移相方式时，需首先知道变压器的接线组别。变压器的接线组别不同，相应的差动TA的接线组别亦不相同。(1) YN,dii变压器差动TA的接线组别YN,d 11变压器及纵差保护差动 TA接线原理图如图11-12所示。在图11-12中，由于变压器低压侧各相电流分别超前高压侧同名相电流300,因此，低压侧差动TA二次电流(也等于流入差动元件的电流) 也超前高压侧同名相电流 300。而从高 压侧差动TA二次流入各相差动元件的电流 (分别为TA二次两相电流之差) 滞后变压器同名 相电流15000因此，各相差动元件的两侧电流的相位相差 180%(II ) YN,d5变压器及差动 TA的接线组别YN,d5变压器及差动TA的原理接线如图11-15所示。CLH八，JC-3c7VW7VWI a T .IJAJbII图11-15YN,d5变压器及差动TA原理接线图在图11-15中:A、IB、IC 变压器高压侧三相一次电流;I；、lb、I；变压器高压侧TA二次各相输出电流(分别为对应两相电流之差)；I；*、lb、I；变压器低压侧 TA二次三相电流；JA、JB、JC 三相差动元件。由图11-15可以看出：正常工况下，从低压侧差动TA二次流入各相差动元件的电流I；、Ib、I；分别滞后变压器高压侧一次同名相电流IA、Ib、IC 150；而从高压侧差动TA二次流入各差动元件的电流I；、Ib、Ic分别超前IA、IB、IC30,故I ；与I；、Ib与Ib、Ic与I；相位相差180。(III ) YNd1变压器及差动TA的接线YN,d1变压器及差动TA的原理接线如图11-16所示。Lj*aJA tWA_JBJC图11-16 YN,di变压器及差动 TA原理接线图在图11-16中，各符号的物理意义同图11-15。由图11-16可以看出：正常工况下，从低压侧TA二次流入各差动元件的电流、I；、iC分别滞后变压器高压侧一次同名相电流I；、3、Ic30；而从高压侧TA二次流入各相差动元件的电流Ia、Ib、Ic分别超前同名相电流Ia、IB、IC150,故Ia与Ia、Ib与Ib、Ic与IC相位相差180。由以上所述可知，改变变压器高压侧 TA接线移相的实质是：对于接线组别分别为 YN,d11、 YN,d1及YN,d5的变压器，其纵差保护差动 TA的接线应分别为 D11, V、y及值V,从而 使正常工况下各相差动元件两侧电流的相位相差180。(2)接入辅助TA的移相方式用辅助TA的电流移相方式，与用改变差动TA接线方式对电流进行移相的方法实质相同。对于YN,d接线的变压器，其差动TA的接线为Y, y,而在保护装置中设置一组辅助TA,接成d形，接入变压器高压侧差动TA二次，对该侧电流进行移相，以达到正常工况下使各相差动元件两侧电流相位相反的目的。当然，对于不同接线组别的变压器，辅助TA的连接方式不相同。(3)用软件对高压侧电流移相运行实践表明：通过改变变压器高压侧差动TA接线方式对电流进行移相的方法，有许多优点，但也有缺点。其主要缺点是：第一次投运的变压器，若某相差动TA的极性接错，分析及处理相对较麻烦。另外，实现差动元件的TA断线闭锁也比较困难。在微机型保护装置中，通过计算软件对变压器纵差保护某侧电流的移相方式已被广泛采 用。对于Y, d接线的变压器，当用计算机软件对某侧电流移相时，差动TA的接线均采用 Y,V。用计算机软件对变压器高压侧差动TA二次电流的移相方式，是采用计算差动TA二次两相电流差的方式。分析表明，这种移相方式与采用改变TA接线进行移相的方式是完全等效的。这是因为取Y形接线TA二次两相电流之差与将 Y形接线TA改成形接线后取一相的输 出电流是等效的。应当注意的是：用软件实现移相时，究竟取哪两相TA二次电流之差？这应由变压器的接线组别决定。当变压器的接线组别为 YN,dii时，在Y侧流入A B、C三个差动元件的计算电流，应分 别取I；_Ib、Ib；、i；_i； （I；、Ib、I；差动TA二次三相电流）。当变压器的接线组别为YN,d 1Ib-1;及IC - Ib;当变压器接线组别为时，在 Y侧三个差动元件的计算电流应分别为Ia-Ica cYN,d 5时，则三个计算电流分别为Ib- I；、Ic- Ib、I；_Ibo（4）用软件在低压侧移相方式就两侧差动TA的接线方式而言，用软件在低压侧移相方式与用软件在高压侧移相方式 相同，差动TA的接线均为Y, V。在变压器低压侧，将差动 TA二次各相电流移相的角度，也由变压器的接线组别决定。当变压器接线组别为 YN,d 11时，则应将低压侧差动TA二次三相电流以次向滞后方向移动30;当变压器接线组别为 YN,di时，则将低压侧差动 TA二次三相电流分别向超前方向移动30;而当变压器接线组别为 YN,d5时，则应分别将低压侧差动TA二次三相电流向超前方向移动15。2消除零序电流进入差动元件的措施对于YN,d接线的变压器，当高压侧线路上发生接地故障时，（对纵差保护而言是区外故障），有零序电流流过高压侧，而由于低压侧绕组为d联接，在变压器的低压侧无零序电流输出。这样，若不采取相应的措施，在变压器高压侧系统中发生接地故障时，纵差保护可能误动而切除变压器。当变压器高压侧发生接地故障时，为使变压器纵差保护不误动，应对装置采取措施而使零序电流不进入差动元件。对于差动TA接成D, y及用软件在高压侧移相的变压器纵差保护，由于从高压侧通入各相差动元件的电流分别为两相电流之差， 已将零序电流滤去，故没必要再采取其他滤去零序 电流的措施。对于用软件在低压侧进行移相的变压器纵差保护，在高压侧流入各相差动元件的电流应分别为Ic (I a I b Ic) 3I a -3( Ia *I b *I c) , I b -3 (I a +I b *I c),因为1（i；+I；+I：）为零序电流，故在高压侧系统中发生接地故障时，不会有零序电流进 3入各相差动元件。应当指出，对于接线为YN,y的变压器（主要指发电厂的启备变），在其纵差保护装置中, 应采取滤去高压侧零序电流的措施，以防高压侧系统中接地短路时差动保护误动。3差动元件各侧之间的平衡系数若变压器两购差动 TA二次电流不同，则从两侧流入各相差动元件的电流大小亦不相同， 从而无法满足或二。在实现变压器纵差保护时，采用“作用等效”的概念。即使两个不相等的电流产生作用（对差动元件）的大小相同。在微机型变压器保护装置中，引用了 一个将两个大小不等的电流折算成作用完全相同电 流的折算系数，将该系数称作为平衡系数。TA的变比，可以计算出差动两侧根据变压器的容量，接线组别、各侧电压及各侧差动 之间的平衡系数。设变压器的容量为 Se,接线组别为 YN,dii两侧的电压分别为UY及Uk,两侧差动TA的变比分别为nY及n4若以变压器侧为基准侧，计算出差动元件两侧之间的平衡系数（I）差动TA接线为D, y （用改变差动TA接线方式移相）变压器两侧差动 TA二次电流IY及I分别为x3Se 3U y nySeUynyse3U.P;要使KIy =I 8则平衡系数(11-15)Uyny一，3u.n；：（II ）差动TA接线为Yn, y,由软件在高压侧移相 差动两侧TA二次电流分别为SeSe,3UYIy每相差动元件两侧的计算电流高压侧：两相电流之差1y低压侧：I A Se，3Up；：故平衡系数Uyny.3U-n(11-16)可以看出：式（11-15）与式（11-16）完全相同。由上所述，可以得出如下的结论：对于 YN,d接线的变压器，用改变 TA接线方式移相及 由软件在高压侧移相， 差动元件两侧之间的平衡系数完全相同。 此外，该平衡系数只与变压 器两侧的电压及差动 TA的变比有关，而与变压器的容量无关。(11-17 )（III ）差动TA接线为Y, V、由软件在低压侧移相项目名称各侧系数高压侧（H）中压侧（MD低压侧（L）TA接线YYY平衡系数K =Uu.n；：表11-1为三卷变压器纵差保护各侧之间平衡系数计算表表11-1 Y, Y, d变压器纵差保护各侧之间的平衡系数（以低压侧为基准值）TA二次电流SeSeSeV3U hnhV3U mnmJ3u lCl各相差动元件的计算 电流Se UhnhSeU mnmSeUlQ对低压侧的平衡系数UhnhU mnm173ULnLv3ULnL说明：表中列出的平衡系数是用软件在高压侧移相或用改变TA接线方式移相的条件下计算出来的。Se变压器的额定容量；Uh、nh分别为高压侧额定电压及 TA的变比；Um、 nm 分别为变压器中压侧额定电压及TA的变比；Ul、nL 分别为变压器低压侧额定电压及TA变比。4躲涌流措施在变压器纵差保护中，是利用涌流的各种特征量（含有直流分量、波形间断或波形不对 称、含有二次谐波分量）作为制动量或进行制动，来躲过空投变压器时的励磁涌流。5躲不平衡电流（暂态不平衡电流及稳态不平衡电流）大的措施运行实践表明，对变压器纵差保护进行合理地整定计算，适当提高其动作门坎，可以使其有效地躲过不平衡电流大的影响。五微机变压器纵差保护1构成及逻辑框图大型超高压变压器的纵差保护，由分相差动元件、涌流闭锁元件、差动速断元件、过激磁闭锁元件及 TA断线信号（或闭锁）元件构成。涌流闭锁方式可采用分相闭锁或采用“或 门”闭锁方式。其逻辑框图分别如图11-17及图11-18所示。图11-17“或门”闭锁式变压器纵差保护逻辑框图IA1IA2I AnIB1IB2 IBnIC1 I C2 ICnIres=max41 , I2 ,也有采信号1出口图11-18 “分相”闭锁式变压器纵差保护逻辑框图涌流“分相”闭锁方式，是指某相的涌流闭锁元件只对本相的差动元件有闭锁作用，而对其它相无闭锁作用。而涌流“或门”闭锁方式，是指：在三相涌流闭锁元件中，只要有一 相满足闭锁条件，立即将三相差动元件全部闭锁。由图11-14可以看出，变压器空投时，三相励磁涌流是不相同的。 各相励磁涌流的波形、 幅值及二次谐波的含量不相同。对某些变压器空投录波表明，在某些条件下，三相涌流之中的某一相可能不满足闭锁条件。此时，若采用“或门闭锁的纵差保护，空投变压器时不会误动。而采用“分相”闭锁方式的差动保护，空投变压器时容易误动。采用“分相”闭锁方式的优点是：如果空投变压器时发生内部故障，保护能迅速而可靠 动作并切除变压器；而“或门”闭锁方式的差动保护，则有可能拒动或延缓动作。2差动元件的作用原理目前，在广泛应用的变压器纵差保护装置中，为提高内部故障时的动作灵敏度及可靠躲过外部故障的不平衡电流，均采用具有比率制动特性的差动元件。不同型号的纵差保护装置，其差动元件的动作特性不相同。差动元件的动作特性曲线， 有I段折线式、II段折线式及三段折线式。采用较多的为二段折线式。(1)动作方程差动元件动作特性不同，其动作方程有差异。以下，介绍动作特性为I段折线式、II段折线式及III段折线式差动元件的动作方程。(I) I段折线式差动元件国外生产的变压器纵差保护中，有采用I段折线式动作特性的差动元件的。其动作方程 可用下式表不(11-18)Id Iop.oI d -SIr e s式中：1d 一差电流，对于两卷变压顺Idz=I1+I2 (I、I2 分别为差动元件两侧的电流)；Iopo一差动元件的启动电流，也叫最小动作电流，或初始动作电流; .S折线的斜率，通常叫比率动系数;Ires制动电流，一般取差动元件各侧电流中的最大者，即用Ires112/的。(II)二段折线式差动元件在国内，广泛采用的变压器纵差保护，多采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为1d _1 op.o1 d _ S(Ires -I res.o) Iop.oI res _ I res.oIr e sIr eo s.(11-19)在式(11-19)中：Ireso拐点电流，即开始出现制动作用的最小制动电流； I es.o其他符号的物理意义同式(11-18)。(III )三段折线式差动元件I res I res.oI res.1 I res I res.oIr e Is e1 s.(11-20)根据用户的要求，微机变压器纵差保护的动作特性可作成三段折线式或多段折线式。 段折丝式差动元件的动作方程为I d _ Iop.oId -S1(Ires -I res.o)I op.oI d 之Iop.o +S(Ir eseo)s+S2(Ir e T r e1)s在式(11-20)中：s 第二段折线的斜率；S2第三段折线的斜率；I res.1 第二个拐点电流； 其他符号的物理意义同式( (2)动作特性曲线根据式(11-18)、式(11-19)及式(11-20), 线式及三段折线式差动元件的动作特性曲线，分别如图11-19)。绘制出动作特性分别I段折线式、II段折11-19、图 11-20 及图 11-21 所示。图11-20二段折线式差动元件的动作特性曲线图11-19动作特性为I段折线式差动元件 的动作特性曲线II res1图11-21三段折线式差动元件的动作特性曲线（3）对三种差动元件动作特性的比较由图11-19、图11-20及图11-21可以看出，具有比率制动特性差动元件的动作特性, 由三个物理量来决定：即由启动电流 lop.。，拐点电流Ires.。、Ires.1及比率制动系数（特性曲线的斜率6、S2）来决定。由于差动元件的动作灵敏度及躲区外故障的能力与其动作特性有 关，因此，与lop.o、Ires.o&S有关。比较动作特性曲线不同几个差动元件的动作灵敏度，可比较它们的Iop。、Ires。及S。可op .oI es.o以看出：当启动电流10Po及比率制动系数相同的情况下，拐点电流Ireso越小，其动作区越小，op .oI es. o动作灵敏度就低。此时（各曲线的Iop.o及S相同），动作特性如图11-19所示的差动元件的动作灵敏度，比其他两个差动元件低，而躲区外故障的能力比其他两个高。在比较几个差动元件的动作灵敏度及躲区外故障的能力时，只有将上述三个物理量中的两个固定之后才能进行，而当三个物理量均为变量时是无法比较的。 在其他两个量固定之后， 比率制动系数越小， 或拐点电流越大，或初始动作电流越小，差动元件动作灵敏度越高，但躲区外故障的能力越差。数十年的运行实践表明，只要对启动电流Iop.o、，拐点电流Ires.。及比率制动系数进行合理的整定，具有二段折线式动作特性的差动元件，完全能满足动作灵敏度及工作可靠性的要求。3涌流闭锁元件目前，在广泛应用的变压器纵差保护装置中，通常采用励磁涌流的特征量之一作为闭锁元件来实现躲过励磁涌流。在电磁型差动继电器中（BCH型继电器），设置速饱和变流，是根据涌流中有直流分量 原理躲涌流的。在晶体管保护和集成电路保护装置中，是采用波形间断原理或二次谐波制动原理躲过涌流的。在微机型保护装置中， 是采用二次谐波制动或间断角原理或波形对称原理 来区分故障电流与励磁涌流的。（1）二次谐波制动原理二次谐波制动原理的实质是：利用差动元件差电流中的二次谐波分量作为制动量，区分出差流是故障电流还是励磁涌流，实现躲过励磁涌流。在具有二次谐波制动的差动保护中，采用一个重要的物理量， 即二次谐波制动比来衡量 二次谐波电流的制动能力。所谓二次谐波制动比 K20r是指：在差动元件的差电流中，含有基波分量和二次谐波 分量，其基波分量大于差动元件的动作电流，而差动元件处于临界制动状态，此时，二次谐波分量电流与基波分量电流的百分比，叫做二次谐波制动比。即K2 =12Ox100% . (11-21)11.式中：K2在一二次谐波制动比；Il8一基波电流；I20二次谐波电流。由二次谐波制动比定义的边界条件及式(11-21)可以看出，二次谐波制动比越大，与基波电流相比，单位二次谐波电流产生的作用相对越小；而二次谐波制动比越小，单位二次谐波电流产生的制动作用相对越大。因此，在对具有二次谐波制动的差动保护进行定值整定时，二次谐波制动比整定值越大，该保护躲过励磁涌流的能力越弱；反之，二次谐波制动比整定值越小，保护躲励磁涌流的能力越强。(2)间断角原理变压器内部故障时，故障电流波形无间断；而变压器空投时，励磁涌流的波形是间断的， 具有很大的间断角(一般大于1500)。按间断角原理构成的差动保护，是根据差电流波形是否有间断及间断角的大小来区分故障电流与励磁涌流的。(I)关于间断角说明间断角原理白波形图如图11-22所示。八Iid图11-22 间断角原理图在图11-22中：|侬一制动电流(直流)，其中包括直流门坎值折算成的制动电流量;id 流过差动元件的差流(将负半波反向之后)；& 一间断角。由图可以看出，间断角的物理意义是：在差流的半个周期内，差动量小于制动量的角度。(II)差动元件的闭锁角闭锁角西,是按间断角原理构成的变压器纵差保护的一个重要物理量，用它来判断差 动元件中的差流是故障电流还是励磁涌流引起的。当测量出的间断角褊，满足时，则判断差流为励磁涌流，将保护闭锁。此时，即是Id)opo,保护也不会动作。. .当测量出的间断角，满足菊v 6b时，则认为差动元件中的差流为故障电流。当故障电流 Id至lop.o时，差动保护动作，切除变压器。（III）保护工况分析变压器正常运行时差流很小，图11-22中的id很小，而Ires较大，I res直线将在id项点的上方。此时，间断角 色比3600,且Id Dop.o ,保护可靠不动作。变压器空投时，产生很大的励磁涌流。设励磁涌流的波形如图11-23中的id所示。图11-23空投变压器时的差流和制动电流波形由图11-23可以看出：尽管差流id波型幅值很大（能满足Id之Iop.o ）,但由于间断角很大（大于闭锁角 相），差动保护将被可靠闭锁。当变压器内部故障时，流入差动元件的差流很大且无间断。设故障电流波形如图11-24中的id所示。图11-24变压器内部故障时差流和制动电流波形由图11-24可以看出，&很小（& V & ）。又由于差流幅值很大，能满足Id之Iop.o ,故差动保护动作，作用于切除变压器。（IV）出定值的影响当差动元件的启动电流 Iop.o为定值时，整定的闭锁角 dB越小，则要求在半个周期内差流大于制动电流的角度越大，即交流制动系数越大。空投变压器时，差动元件越不容易误动。 反之，闭锁角、b整定值越大，躲励磁涌流的能力越小。（3）波形对称原理在微机型变压器纵差保护中，采用波形对称算法，将励磁涌流同变压器故障电流区分开来。其计算方法如下：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， 使电流波形不偏移横坐标轴（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。I 800表示差流波形微分后波形上与I j设Ij,表示差流微分后波形上前半周某一点的值, 点相差1800点的值，K为比率常数，则当若满足Ijj 1800I j j 1800(11-22)则认为波形是对称的，否则认为波形不对称。在式（11-22）中，K又称不对称系数，通常等于1/2。变压器内部故障时，I j值与I j480值大小基本相等、相位基本相反，则 I j与I j41800大小相等方向相反，I：+I：/an0七0，Ij-I；4n0生2Ij。此时，K ft。差动保护动作。 180180励磁涌流的波形具有很大的间断角，Ij值与Ij+800值相差很大，相彳也不会相差180,因此，Ij+Ij出00可能较Ij-Ijj+800 还大，K值将大于1/2。差动保护被闭锁。（4）磁制动原理磁制动涌流闭锁原理，是利用计算变压器的磁通特性来区分励磁涌流与故障电流的。忽略不计变压器绕组电阻及铁芯的有效损耗，带电后变压器的T型等值网路如图11-25所示。L1L2mmnmmn图11-25变压器的等值网路在图11-25中：L1、L2 分别为变压器原边与付边的漏感；M变压器激磁电感；i1、i2 变压器输入及输出电流；5、U2 变压器输入及输出电压；iM 变压器的激磁电流，iM = i1 i2 由图11-25可得到变压器的电势的简化方程di1 d%U1 -L1 瑞=M 常 （11-23）由于L1是漏磁通产生的，其值很小，故可将式（11-23）简化为U1=Mdm （11-24）I dt激磁电感M的大小与变压器铁芯激磁特性有关，当变压器工作磁密变化时（沿磁化曲 线变化），M值也随之变化。因此， M值能反映铁芯中的磁密在磁化曲线上的部位。当工作 磁密在磁化曲线上白饱和位置时，M值大大降低，从而出现励磁涌流。在微机型变压器差动保护装置中，可用检测激磁电感M的变化来区分励磁涌流和故障电流。由式（11-24）可得o再进一步简化得Mn_ Unim(n 1) - im(n J)(11-25)在式（11-25）中：Un -n时刻的外加电压值;im（n书）（n+1）时刻的激磁电流;im（n 一（ n-1）时刻的激磁电流;Mn n时刻的激磁电感。在保护装置中，结合对差流波形的计算，计算电流上升沿开始几个点的M值。当MnMnw / （11-26）时，判断为励磁涌流，否则判为故障电流。式（11-26）中：Mn上升沿第n个采样点激磁电感；Mn4m 上升沿第n+m个采样点的激磁电感；K 常数。4过激磁闭锁元件运行中的变压器，当由于某种原因造成过激磁时，可能导致纵差保护误动。对于超高压大型变压器，为防止过激磁运行时纵差保护误动，设置过激磁闭锁元件。当变压器过激磁时，将纵差保护闭锁。变压器过激磁，激磁电流中的5次谐波分量大大增加。变压器纵差保护的过激磁闭锁元 件，实际上是采用5次谐波电流制动元件。即当差流中的5次谐波分量大于某一值时， 将差动保护闭锁。在变压器纵差保护中，采用 5次谐波制动比这个物理量 k5/，来衡量5次谐波电流的 制动能力。所谓5次谐波制动比，是指：差流中有基波电流及 5次谐波电流，其中基波电流大于差 动元件的动作电流，而差动元件处于临界制动状态。此时，5次谐波电流与基波电流的百分比K5az =15乂100% （11-27）II 叫5次谐波制动比。式（11-27）中：I505次谐波电流；I侬一基波电流。与二次谐波制动比类似，5次谐波制动比越大，单位5次谐波电流产生的制动作用越小， 差动保护躲过激磁的能力越差；反之，5次谐波制动比越小，单位 5次谐波电流产生的制动作用越大，差动保护躲变压器过激磁的能力越强。5差动速断元件差动速断元件，实际上是纵差保护的高定值差动元件。前已述及，对变压器纵差保护设置的涌流闭锁元件，主要是根据励磁涌流的特征量之一：“波形畸变”或“谐波分量大”实现的。当变压器内部严重故障 TA饱和时，TA二次电流的波形将发生严重畸变，其中含有大 量的谐波分量，从而使涌流判别元件误判断成励磁涌流，致使差动保护拒动或延缓动作，严重损坏变压器。为克服纵差保护的上述缺点，设置差动速断元件。差动速断元件反映的也是差流。 与差动元件不同的是： 它反映差流的有效值。 不管差流 的波形如何及含有谐波分量的大小，只要差流的有效值超过了整定值，它将迅速动作而切除变压器。第四节其他差动保护根据变压器的类型、容量、电压等级及其他特点，除应装设反应变压器内部故障的纵差 保护之外，还可装只反映某一侧故障的分侧差动保护及反应大电流系统侧内部故障的零序差 动保护。一 分侧差动保护1构成接线及特点在各侧绕组的两端设置电流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,其原理互感器而实现差动保护。实际上，分侧差动保护多用于超高压大型变压器的高压侧,接线如图11-26所示。ABC工Ja /wvvJ /vwcJJb ./WiATll图11-26变压器高压侧分侧差动原理接线图在图11-26中：LH1、LH2差动两侧 TA；Ja、Jb、Jc 差动继电器。由图11-26可以看出：分侧差动保护的原理接线图与发电机纵差保护的原理接线图完全 相同。该保护的优点是：它不受变压器激磁电流、励磁涌流、带负荷调压及过激磁的影响。差 动两侧的TA可取同型号及同变比的。因此，其动作电流可以适当降低。与变压器纵差保护 相比，其动作灵敏度高、构成简单（不需要涌流闭锁元件及差动速断元件）。另外，在保护的构成上，由于不需要滤去零序电流，故反映内部靠近中性点绕组接地故障的灵敏度比纵差保护要高。其缺点是，由于只差接变压一侧的绕组，故对变压器同相绕组的匝间短路无保护作用。另外，保护范围比纵差小。在三卷自耦变压器上， 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。此时，分别在高压输出端、中压输出端及中性点侧设置TA。以一相差动为例，其原理接线如图11-27所示。三卷自耦变压器高、中压侧差动保护的优缺点与高压侧差动保护相同。AB CLH2.A A . c J JcLH3.C相差动为例)图11-27三卷自耦变压器高、中压侧差动保护原理接线图(以2逻辑框图以图11-26所示的分侧差动保护为例，其构成逻辑框图如图11-28所示。IAI AnI-BI BnICI Cn图11-28变压器分侧差动保护逻辑框图在图11-28中：I；、IB、IC 分别为变压器输出端差动TA二次A、B、C三相电流；I；n、IBn、Icn分别为变压器中性点差动TA二次a、b、C三相电流。由图11-28可以看出，它与发电机纵差保护的逻辑框图相似。但是，装于大电流系统侧 的分侧差动保护，不能采用循环闭锁。在三相差动元件中，只要有一相动作，便立即作用于 切除变压器。3差动元件的动作方程及动作特性变压器分侧差动元件的动作特性与纵差元件的动作特性相似。不同的是整定值。以动作特性为二段折线式的差动元件为例，其动作方程为rId Iop.oIres I res.o,、3 、. (11-31)Id 孑 Iop.o +S( I res - Ires.o)I res .I res.o在式(11-31)中:Id 差流， Id = I A(B,C) +I A(B,C)n ；Ir e 飞制动电流，Ires = A(B，C)A(B,C)n/ ,或除=max( A(B,C) , I A(B,C)nIop.o 一启动电流;Ir eos-拐点电流；I A（B,C） 出线侧TA二次A相（或B相或C相）电流；max 一取最大值；1A（B,0n 中线点侧TA二次A相（或B相或C相）电流。根据式（11-31）绘制出的差动元件的动作特性如图11-29所示。图11-29分侧差动元件的动作特性曲线在图11-29中：各符号的物理意义同式（11-31）。第五节差动保护的TA断线闭锁为确保差动保护的动作灵敏度，具有比率制动特性的差动元件的启动电流均很小。这样,当差动元件某侧TA二次的一相或多相断线时，差动保护必将误动。目前，国内生产的微机型变压器差动保护中，均设置有 TA断线闭锁元件。在变压器运 行时，一旦出现差动 TA二次回路断线，立即发出信号并将差动保护闭锁。 一 TA断线闭锁元件的作用原理TA二次三相电流之在理想情况下，若不考虑差动保护区内、外不同两点接地短路，则 和应等于零，即Ia，Ib . Ic =若TA二次回路中一相断线时，则Ia Ib Ic ;TA二次回路根据以上原理及变压器接线组别、变压器中性点是否接地运行，提出以下 断线闭锁判据：.(11-42)/a +Ib +Ic +3I。/0 2式中：目、&门槛值，可根据不平衡差流的大小确定；3I0零序电流，TA二次值；I；、Ib、I；分别为TA二次a、b、c三相电流。该判别TA断线的方法有一很大的缺点，3I0应由其他TA供给。目前，在微机型保护装置中，多采用根据电流变化情况、变化趋势及电流量值大小来判断TA断线的。当测量出只有变压器一侧的电流发生了变化，且变化趋势是电流由大向小变 化、而电流值小于额定电流时，被判为电流变化侧的TA断线。当变压器各侧电流均发生变化，且电流变化趋势是由小向大变化、而变化后电流的幅值又大于额定电流，则说明电流的变化是由故障引起的。二 关于TA断线闭锁元件的作用众所周知，TA二次回路不能开路。如果 TA二次回路开路，将在开路点的两侧产生很 高的电压，危及人身及二次设备的安全。另外，在开路点可能产生电弧，进而引起火灾。变压器的容量越大及 TA变比越大，TA二次回路开路的危害越严重。运行实践已充分 证明。因此，当差动保护 TA二次开路时，差动保护动作切除变压器，是防止人身伤害及损坏 设备的有效办法。对于大容量的主设备，由于TA的变比很大，TA断线闭锁元件只应发信号而不要闭锁差动保护。第六节 短路故障的后备保护大、中型变压器短路故障后备保护的类型，通常有复合电压过电流保护、零序电流及零序方向电流保护、负序电流及负序方向电流保护、低阻抗保护及复合电压方向过流保护。一 复合电压过电流保护复合电压过电流保护，实质上是复合电压启动的过电流保护。它适用于升压变压器、系统联络变压器及过电流保护不能满足灵敏度要求的降压变压器。1动作方程及逻辑框图复合电压过流保护， 由复合电压元件、过电流元件及时间元件构成， 作为被保护设备及 相邻设备相间短路故障的后备保护。保护的接入电流为变压器某侧TA二次三相电流，接入电压为变压器该侧或其他侧 TV二次三相电压。为提高保护的动作灵敏度， 三相电流一般取 自电源侧，而电压一般取自负荷侧。保护的动作方程为(11-43)Uac 山 op Ia(b,c) I op(11-44)U 2 打 2op Ia(b,c)之Iop式中：UacTV二次a、c两相之间电压；Ia(b,c)- TA二次a相或b相或c相电流；U2 负序电压(TV二次值)；Iop 过电流元件动作电流整定值；Uop 低电压元件动作电压整定值;U2o厂负序电压元件的动作电压整定值。 uo p复合电压过电流保护动作逻辑框图如图11-32所示。图11-32复合电压过电流保护逻辑框图在图中：Uac 负序过电压元件；Ia、Ib、Ic分别为a、b、c相过电流元件。由图可以看出：当变压器电压降低， 或负序电压大于整定值及 a相或b相或c相过电流 时，保护动作，经延时 t作用于切除变压器。2整定原则及定值建议(1)过电流元件 过电流元件的动作电流，按躲过变压器运行时的最大负荷电流来整定，即(11-45)Iop =KrelN K r式中：I op动作电流整定值；Kr e-1可靠系数，取1.151.2;Kr 返回系数，取 0.950.98;I n 变压器额定电流，TA二次值。 代入式(11-45)可得Iop = (1.171.2) In。(2)低电压元件即(11-46)低电压元件的动作电压按躲过无故障运行时保护安装处出现的最低电压来整定。II _ U minUop Xi -Kr式中：Uop动作电压整定值；Um iF正常运行时出现的最低电压值； Kr 返回系数，取1.05； Kr e可靠系数，取1.2。发电厂厂高变复合电压过电流保护低电压元件的引入电压，通常取自变压器低压侧各段厂用母线。其低电压元件的动作电压，应按躲过电动机自启动的条件整定。对于发电厂升压变压器，当低电压元件的电压取自机端TV二次时，还应考虑躲过发电机失磁运行出现的低电压。Up= (0.60.7) Un式中：Un 额定电压（TV二次值）。（3）负序电压元件此外，还应满足相邻线路末端两相按躲过正常运行时系统中出现的最大负序电压整定。短路时负序电压元件有足够的动作灵敏度。通常U2op =10%Un式中：Un 额定电压（TV二次值）。（4）动作延时应按与相邻线路相间短路后备保护相配合整定。即tmax t式中：t 复合电压过流保护的动作延时；tm ar相邻线路相间短路后备保护的最长延时;白一时间级差，一般取 0.30.5秒。二 零序电流及零序方向电流保护电压为110KV及以上的变压器，在大电流系统侧应设置反映接地故障的零序电流保护。 有两侧接大电流系统的三卷变压器及三卷自耦变压器，其零序电流保护应带方向，组成零序方向电流保护。两卷或三卷变压器的零序电流保护的零序电流，可取自中性点