工厂主变压器的继电保护系统.doc

设计题目：工厂主变压器的继电保护系统 学院、系： 电子电气工程系 班 级： 电气0901 姓 名： 李 安 学 号： 09 号 指导老师： 钟 美 杰 2012年 03 月 目录目录2摘 要3Abstract4第一章 电力系统继电保护概述51.1 继电保护的作用51.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类6第二章 系统运行方式及选择112.1 任务与要求112.2 中性点接地方式的类型14第三章 短路电流的计算183.1概述183.2短路电流计算目的183.3短路电流计算的一般规定193.4短路计算基本假设193.5短路电流计算的步骤：19第四章 主变压器保护设计224.1.变压器保护重要性224.2.变压器的故障类型和不正常运行状态224.3 变压器保护配置原则234.4 变压器纵联差动保护254.5变压器后备保护334.6 变压器保护的整定计算36第五章 继电保护二次回路设计405.1 二次回路的基本概念405.2 二次保护回路全图42参考文献46摘 要 供电网络与我们的生活息息相关，由于现在的智能化设备发展非常迅速，这些设备又普及到了社会上的每个角落，以至于人们时时刻刻都离不开电，不管是工业用电还是生活用电，每停一天电，对于全国而言就是一个很大的损失，然后供电网络必须时刻工作，从而网络上工作的器件寿命就不会很长，但是在这基础上我们尽量不要因为外界影响使器件寿命变的更短，比如电力变压器就是供电网络中非常重要的部分，电力变压器是工、矿企业的主要设备，运行、检修、维护质量的优劣，将直接影响企业的安全生产和经济效益，同时大容量变压器也是非常贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度装设性能良好的、动作可靠的保护元件。本文所设计的继电保护系统就是利用当变压器内外发生故障时，由于电流、电压、油温等随之发生变化，通过这些突然变化来发现、判断变压器故障性质和范围，继而作出相应的反应和处理。关键词：继电保护、整定计算、变压器。Abstract Supply network is closely related to our lives, and very rapidly the development of intelligent devices, these devices has spread to every corner of the society, that people at all times can not do without electricity, industrial electricity or lifeelectricity, stop every day of electricity for the country as a whole is a great loss, and then the power supply network must always work, so working on the device lifetime in the network will not be long, but on this basis, we try not to because of the outsideaffect the device lifetime is shorter, such as power transformers is a very important part in the supply network, power transformer is working, mining enterprises of major equipment, operation, repair, maintain quality of the pros and cons, will directly affect the safety and productionand economic benefits, large-capacity transformer is very expensive components must be installed according to the capacity of the transformer and the importance of good performance, reliable action to protect components. Relay protection system designed in this paper is to use the transformer inside and outside the failure to discover, through these sudden changes in current, voltage, oil temperature and other changes as to determine the nature and scope of the transformer fault, and then respond accordingly and treatment.Keywords: protection, tuning calculations, transformer.第一章 电力系统继电保护概述1.1 继电保护的作用电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响（如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等），电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径中非故障元件的损坏。靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡甚至使该系统瓦解和崩溃。所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反映它们发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损坏程度尽可能降低，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。反映电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸。应该指出，要确保电力系统的安全运行，除了继电保护装置外，还应该设置电力系统安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处理，以防止电力系统大面积停电和保证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正常运行。例如自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快关汽门、电气制动、远方切机、在按选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也越来越高。为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制，这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。 1.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类1.2.1基本要求对作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个基本要求，及可靠性、选择性、性和灵敏性1.2.2基本原理要完成继电保护的基本任务，首先要提取和利用电力元件在三种运行状态下的“差异”，然后“区分”出三种运行状态（正常、不正常和故障状态），最后是“甄别”出发生故障和出现异常的元件。目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。（a）正常运行情况（b）三相短路情况图1-1 我国常用的110kV及以下单侧电源的供电网络发现并正确利用能可靠区分三种运行状态的可测参量或参量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。在此以图1-1为例分析一下利用不同电气量特征分别能构成哪种保护：1.线路电流幅值2.母线的相间或对地电压幅值3.线路始端电压与电流之比（即测量阻抗）图1-2 220kV及以上多侧电源的输电网路如图1-2所示，其中：正常运行如图1-2（a）所示，如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，A-B两侧电流的大小相等，相位相差，两侧电流的矢量和为零。外部短路如图1-2（b）所示，如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，A-B两侧电流的大小相等，相位相差，两侧电流的矢量和为零。内部短路如图1-2（c）所示，两侧电源分别向短路点供给短路电流和，都是由母线流向线路，此时两个电流一般不相等，在理想条件下（两侧电势同相位且全系统的阻抗角相等），两个电流同相位，两个电流的矢量和等于短路点的总电流，其值较大。其他类型的保护有：1.纵联保护利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护。电流差动保护利用内部与外部短路时两侧电流矢量的差别构成。电流相位差动保护利用内部与外部短路时两侧电流相位的差别构成。图1-3 过电流保护单相原理图方向比较式纵联保护利用内部与外部短路时两侧功率方向的差别构成。以上保护常被用做220kV及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电动机等电力元件的主保护。2.反映非电量特征的保护气体保护当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于变压器油受热分解所产生的气体保护。过热保护当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于电动机绕组温度的升高而构成的保护。1.2.3 构成以过电流保护为例：（如图1-3所示） 正常运行： LJ不动故障时： LJ动 SJ动（延时） XJ动 信号 TQ动 跳闸保护装置由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分组成。（如图1-4所示）图1-4 继电保护装置组成方框图（1） 测量元件测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。（2）逻辑元件根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。逻辑回路有：或、与、非、延时启动、延时返回、记忆等。（3）执行元件：根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时跳闸；不正常运行时发信号；正常运行时不动作。1.2.4分类通常分为以下几类：（1）按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；（2）按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；（3）按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；（4） 按构成继电保护装置的继电器原理分类：机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；（5） 按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种。远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。近后备保护：当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现近后备保护。辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。第二章 系统运行方式及选择2.1 任务与要求2.1.1 任务 根据工厂主变压器的实际情况设计主变压器的保护系统。本设计针对工厂主变压器为例采用纵联差动保护、电流保护、接地保护、过负荷保护和瓦斯保护为一体的保护系统。2.1.2 要求 继电保护装置的基本要求 ：1）选择性：当供电系统中发生故障时，继电保护除。首先断开距离故障点最近的断路器，以保证系统中其它非故障部分能继续正常运行。 2）灵敏性：保护装置灵敏与否一般用灵敏系数来衡量。在继电保护装置的保护范围内，不管短路点的位置如何、不论短路的性质怎样，保护装置均不应产生拒绝动作；但在保护区外发生故障时，又不应该产生错误动作。灵敏系数公式如下： S 式中I继电保护装置保护区内在电力系统最小运行下的最小短路电流。 I继电保护装置动作电流换算到一次电路的值，称为其一次动作电流。3）速动性：是指保护装置应尽可能快地切除短路故障。缩短切除故障的时间以减轻短路电流对电气设备的损坏程度，加快系统电压的恢复，从而为电气设备的自启动创造了有利条件，同时还提高了发电机并列运行的稳定眭。 4）可靠性：保护装置如能满足可靠性的要求，反而会成为扩大事故或直接造成故障的根源。为确保保护装置动作的可靠性，必须确保保护装置的设计原理、整定训算、安装调试正确无误；同时要求组成保护装置的各元件的质量可靠、运行维护得当、系统简化有效，以提高保护的可靠性。对于由外部相间短路引起的过电流，保护应装于下列各侧：1）、对于双线圈变压器，装于主电源侧2）、对三线圈变压器，一般装于主电源的保护应带两段时限，以较小的时限断开未装保护的断路器。当以上方式满足灵敏性要求时，则允许在各侧装设保护。各侧保护应根据选择性的要求装设方向元件。3）、对于供电给分开运行的母线段的降压变压器，除在电源侧装设保护外，还应在每个供电支路上装设保护。4）、除主电源侧外，其他各侧保护只要求作为相邻元件的后备保护，而不要求作为变压器内部故障的后备保护。5）、保护装置对各侧母线的各类短路应具有足够的灵敏性。相邻线路由变压器作远后备时，一般要求对线路不对称短路具有足够的灵敏性。相邻线路大量瓦斯时，一般动作于断开的各侧断路器。如变压器高采用远后备时，不作具体规定。6）、对某些稀有的故障类型（例如110KV及其以上电力网的三相短路）允许保护装置无选择性动作。2.2 系统保护原理接线图 图1 图22.1.3中性点的运行方式与选择三相交流电力系统中性点与大地之间的电气连接方式，称为电网中性点接地方式。中性点接地方式涉及电网的安全可靠性、经济性；同时直接影响系统设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。一般来说，电网中性点接地方式也就是变电所中变压器的各级电压中性点接地方式。因此，在变电所的规划设计时选择变压器中性点接地方式中应进行具体分析、全面考虑。 我国110kV及以上电网一般采用大电流接地方式，即中性点有效接地方式（在实际运行中，为降低单相接地电流，可使部分变压器采用不接地方式），这样中性点电位固定为地电位，发生单相接地故障时，非故障相电压升高不会超过1.4倍运行相电压；暂态过电压水平也较低；故障电流很大，继电保护能迅速动作于跳闸，切除故障，系统设备承受过电压时间较短。因此，大电流接地系统可使整个系统设备绝缘水平降低，从而大幅降低造价。 635kV配电网一般采用小电流接地方式，即中性点非有效接地方式。近几年来两网改造，使中、小城市635kV配电网电容电流有很大的增加，如不采取有效措施，将危及配电网的安全运行。2.2 中性点接地方式的类型中性点非有效接地方式主要可分为以下三种：不接地、经消弧线圈接地及经电阻接地。 2.2.1中性点不接地方式 适用于单相接地故障电容电流IC 10A，以架空线路为主，尤其是农村10kV配电网。此类型电网瞬间单相接地故障率占60%70%，希望瞬间接地故障不动作于跳闸。 其特点为： 单相接地故障电容电流IC 10A时，接地点电弧难以自熄，可能产生过电压等级相当高的间歇性弧光接地过电压，且持续时间较长，危及网内绝缘薄弱设备，继而引发两相接地故障，引起停电事故； 系统内谐振过电压引起电压互感器熔断器熔断，烧毁TV，甚至烧坏主设备的事故时有发生。 2.2.2 中性点经消弧线圈接地 适用于单相接地故障电容电流IC 10A，瞬间性单相接地故障较多的架空线路为 主的配电网。 其特点为： 利用消弧线圈的感性电流补偿接地点流过的电网容性电流，使故障电流10A，电弧自熄，熄弧后故障点绝缘自行恢复； 减少系统弧光接地过电压的概率； 系统可带故障运行一段时间； 降低了接地工频电流(即残流)和地电位升高，减少了跨步电压和接地电位差，减少了对低压设备的反击以及对信息系统的干扰。 目前国内运行的消弧线圈分手动调节和自动跟踪补偿两类：前一种手动调节时，消弧线圈需退出运行，且人为估算电容电流值，误差较大，现已较少使用；后一种能自动进行电容电流测量并自动调整消弧线圈，使补偿电流适应系统的变化，现一般都选择该种消弧线圈。 自动跟踪补偿消弧线圈分调匝式、调气隙式、直流助磁式和调容式等。根据我局变电所运行情况显示，调匝式价格较底，但调整级数较少，不能完全适应系统变化。调气隙式补偿线性度较好，但震动噪音极大，运行人员反映强烈，有待改进。调容式反应迅速可靠，运行安静平稳，运行人员反映较好。 2.2.3 中性点经电阻接地 中性点经电阻接地适于瞬间性单相接地故障较少的电力电缆线路。 中性点经电阻接地运行方式的特点： 降低操作过电压。中性点经电阻接地的配网发生单相接地故障时，零序保护动作，可准确判断并快速切断故障线路； 可有效降低工频过电压，单相接地故障时非故障相电压为31/2UC，且持续时间短； 中性点电阻为耗能元件，也是阻尼元件(消弧线圈是谐振元件)； 有效地限制弧光接地过电压，当电弧熄灭后，系统对地电容中的残余电荷将通过接地电阻泄放掉，下次电弧重燃时，不会叠加形成过电压； 可有效消除系统内谐振过电压， 中性点电阻接地相当于在谐振回路中并接阻尼电阻，试验表明，只要中性点电阻1500，就可以消除各种谐振过电压，电阻越小，消除谐振的效果越好； 对电容电流变化的适用范围较大，简单、可靠、经济。 中性点接地电阻的选择： 从减少短路电流对设备的冲击角度和从安全角度考虑，减少故障点入地电流，降低跨步电压和接触电压，I值越小越好，即中性点接地电阻应越大越好； 为将弧光接地过电压限制在2倍以内，一般按 IR = (14) IC 要求选择接地电阻； 中性点经电阻接地系统是通过各线路的零序保护判断和切除故障线路的，在选择Rn时，要保证每条线路零序保护灵敏度要求。 选择中性点接地电阻必须根据电网的具体条件，考虑限制弧光接地过电压、继电保护灵敏度、对通讯干扰、安全等因素。 目前，深圳各区变电所中性点均采用15，北京、广州等地的变电所则采用9.9的小电阻接地方式。 2.2.4 635kV配电网的接地方式选择 以架空线路为主的城乡配网，架空线路发生接地故障70%为瞬间故障;只需按照规程要求，以系统电容电流是否大于10A来确定，选用中性点不接地或自动跟踪消弧线圈接地方式。 以电缆线路为主的城乡配网， 变电所覆盖面较大， 出线较多且一般为电缆线路，系统电容电流也较大，据有关文献和运行实践， 电缆线路发生接地故障大约50%为瞬间故障。但由于电缆线路的特殊性，一般可选用小电阻接地方式，牺牲一些供电可靠性，来防止扩大事故。 以架空和电缆混合线路为主的城乡配网，兼顾架空和电缆线路的特点，使配网的接地方式选择在自动跟踪消弧线圈和小电阻两种方式上左右为难。 单相接地故障时，非故障相对地工频电压升高31/2 UC、持续时间长，可能引起多点绝缘击穿，事故扩大。 消弧线圈无法补偿谐波电流，而有些城市或工厂中谐波电流所占比例为5%15%，仅谐波电流就足以支持电弧稳定燃烧。 寻找单相接地故障线路困难，目前许多小电流接地选线的动作率还不理想，往往仍采用试拉法。 电缆沟或电缆排管内的电缆发生单相接地时，寻找故障线路时间长，在带接地故障运行期间，容易引起人身触电。另一方面采用小电阻接地方式，可能错误切除瞬间故障线路，造成对用户的供电中断，降低了供电可靠性，减少了供电量。 决定了主变压器中性点的接地方式电力工程电气设计手册简述了主变110500KV侧采用直接接地方式： a 、凡是自耦变压器，其中性点须直接接地或经小阻抗接地。 b 、凡是低压侧有电源的升压方法或降压变电站至少应有一台变压器直接接地。 c 、 终端变电站的变压器中性点一般不接地。 d 、 变压器中性点接地的数量应使电网所有短路点的综合零序电抗与综合正序电抗之比X/ X小于3，以使单相接地时建全相上公频过电压不超过阀型避雷器的灭弧电压，X/ X序电抗尚应大于11.5，以便单相接地短路电流不超过三相短路电流。综上所述本次设计的电网为110KV中性点直接接地系统。第三章 短路电流的计算3.1概述在电力系统中运行的电气设备，在其运行中都必须考虑到可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是各种形式的短路，因为它们会破坏对用户的正常供电和电气设备的正常运行，使电气设备受到损坏。短路是电力系统的严重故障，所谓短路，是指一切不属于正常运行的相与相之间或相与地之间，（对于中性点接地系统）发生通路的情况。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、二相短路、二相接地短路和单相接地短路，其中三相短路是对称短路，系统各相与正常运行时一样，仍处于对称状态，其他类型的短路都是不对称短路。电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路是大多数，二相短路较少，三相短路的机会最少，但三相短路虽然很少发生，其后果最为严重，应引起足够的重视，因此，我们都采用三相短路来计算短路电流，并检验电气设备的稳定性。3.2短路电流计算目的（1）电气主接线比较（2）选择导体和电器（3）确定中性点接地方式（4）计算软导线的短路校验（5）确定导线间隔棒的间距（6）验算接地装置的接触电压和跨步电压（7）选择继电保护装置和进行整定计算3.3短路电流计算的一般规定（1）验算导体和电气动稳定，热稳定以及电气开断电流所用的短路电流，应根本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后5-10年）校验短路电流时，应接可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线要求。（2）选择导体和电气用的短路电流，在电气连接回路中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。（4）导体和电器的动稳定、热稳定，以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。3.4短路计算基本假设（1）正常工作时，三相系统对称运行（2）所有电源的电动势相位角相同（3）电力系统中各元件的磁路不饱和，即铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化（4）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷在系统侧（5）短路发生在短路电流为最大值的瞬间（6）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流（7）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件电阻都略去不计（8）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围（9）输电线路的电容略去不计（10）用概率统计法确定短路电流运算曲线3.5短路电流计算的步骤：（1）计算各元件电抗标么植，并折算为同一基准容量下（2）给系统制定等值回路图（3）选择短路点（4）对网络进行化简，把供电系统看着无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减，求出电源对短路点的电抗标么值，并计算短路电流标么值、有效值标么值d*=1/X*有效值 Id*=Id*Ij（5）计算短路点容量，短路电流冲击值短路容量 jId 短路电流冲击值 Iej =2.55Id（6）列出短路电流计算结果3.5.1 标幺值短路电流的计算假设：已知电力系统出口断路器的断开容量为500MVA，架空线的度为8km，试求工厂35kv母线上k-1点短路和10kv母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。绘制等效电路如图，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。图3.2 最大运行方式短路计算等效图（1）确定基准值取 Sd = 100MVA,UC1 =37KV,UC2 = 10.5KV而 Id1 = Sd /3UC1 = 100MVA/(337KV) =1.56KAId2 = Sd /3UC2 = 100MVA/(310.5KV) = 5.5KA（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值1）电力系统（SOC = 500MVA）X1*= 100/500= 0.22）架空线路（XO = 0.4/km）X2* = 0.481OO/37 =0.233）电力变压器（Uk% = 6.5）X3* = X4* = UK%Sd/100SN =6.51001000/(1001250) 5.2(3)求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量1)总电抗标幺值X*(K-1) = X1*X2* = 0.2+0.23= 0.432)三相短路电流周期分量有效值IK-1(3) = Id1/ X*(K-1)= 1.56KA/0.433.63 KA3)其他三相短路电流I(3) = I(3) = Ik-1(3) = 3.63KAish(3) = 2.553.63KA = 8.17KAIsh(3) = 1.513.63KA = 5.48KA4)三相短路容量Sk-1(3) = Sd/X*(k-1)= 100/0.43 =232.56 MVA(4)求k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量1)总电抗标幺值X*(K-2) = X1*X2*X3*X4* = 0.435.2/2 =3.032)三相短路电流周期分量有效值IK-2(3) = Id2/X*(K-2) = 5.5KA/3.03 =1.82KA3)其他三相短路电流I(3) = I(3) = Ik-2（3） = 1.82KAish(3) = 1.841.82KA =3.35KAIsh(3) = 1.091.82KA = 1.98KA4)三相短路容量Sk-2(3) = Sd/X*(k-2) = 100/3.03= 33MVA表3.1 最大运行方式短路电流计算结果三相短路电流/KA三相短路容量/MVAIk(3)I(3)I(3)ish(3)Ish(3)Sk-1(3)K-1点3.633.633.638.175.48232.56K-2点1.821.821.821.981.9833第四章 主变压器保护设计4.1.变压器保护重要性变压器是电力系统中大量使用的重要电 气设备，它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。电力变压器有别于发电机，它无旋转部件，是一种静止的电气设备，结构比较简单，运行可靠性较高，发生故障的机会相对较少。但是，变压器是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境影响较大。另外，变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大。因此，电力变压器在运行中，仍然有可能发生各种类型的故障或出现不正常工作状态。它的故障对电力系统的安全连续运行会带来严重的影响。特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。因此，考虑到变压器在电力系统中的重要地位及故障和不正常工作状态可能造成的严重后果，必须根据电力变压器容量和重要程度装设相应的继电保护装置。4.2.变压器的故障类型和不正常运行状态（1）变压器故障类型变压器的故障可分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障主要是套管和引出线上发生相间短路及接地短路。油箱内的故障包括绕组间相间短路、接地短路、匝间短路及铁芯的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏铁芯的绝缘、烧毁贴心，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱爆炸。对于变压器发生的各种故障，保护装置应尽快的将变压器切除。实践表明，变压器套管和引出线上的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式；而油箱内发生短路的情况比较少。（2）变压器不正常工作状态变压器的不正常工作状态主要有：油箱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。这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。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，发出报警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。变压器油箱内故障时，除了变压器各侧电流、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，变压器保护分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、纵差动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。4.3 变压器保护配置原则1.反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护容量为800kVA及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路变压器组，在采取瓦斯保护切除变压器内部故障时，瓦斯保护可仅动作于信号。对于容量为400kVA及以上的车间内油浸式变压器，也应装设瓦斯保护。2.相间短路保护反应变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护，对其中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路也能起保护作用。容量为6300kVA以下并列运行的变压器以及10000kVA以下单独运行的变压器，当后备保护时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。容量为6300kVA及以上、厂用工作变压器和并列运行的变压器、10000kVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器、以及2000kVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵联差动保护。对高压侧电压为330kV及以上的变压器，可装设双重差动保护。对于发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，变压器应装设单独的纵联差动保护。当发电机与断路器之间没有断路器时，100MW及以下的发电机，可只装设发电机变压器组共用的纵联差动保护。100MW以上的发电机，除发电机变压器组共用纵联差动保护外，发电机还应装设单独的纵联差动保护。对于200MW及以上的汽轮发电机，为提高快速性，在机端还宜增设复合电流速断保护，或在变压器上增设单独的纵联差动保护，即采用双重快速保护方式。如果变压器的纵联差动保护对单相接地保护灵敏性不符合要求，可增设零序差动保护。3.后备保护对于由外部相间短路引起的变压器过电流，可采用下列保护作为后备保护。(1)过电流保护。宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故时可能出现的过负荷。(2)复合电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流保护。宜用于升压变压器和系统联络变压器及过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。(3) 负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护。可用于63000kVA及以上的升压变压器。(4)对于升压变压器和系统联络变压器，当采用上述、保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。上述各项保护动作后，应带时限动作于跳闸。4.中性点直接接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护110kV及以上中性点直接接地电网中，如果变压器中性点可能接地运行，对于两侧或三侧电源的升压变压器或降压变压器上应装设零序电流保护。作为变压器主保护的后备保护，并作为相邻元件的后备保护。 5.过负荷保护对于400kVA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的情况。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所，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。 6.过激磁保护为降低材料消耗，现代大型变压器铁芯一般都用新型电工硅钢片制成，其额定磁密近于饱和磁密，过电压或低频率时容易引起过激磁，因此500kVA及以上的大容量变压器宜装设过激磁保护。4.4 变压器纵联差动保护变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，理想情况下，流入差动继电器的电流等于零。但实际上由于变压器的励磁电流、接线方式和电流互感器误差等因素的影响，继电器中有不平衡电流流过。由于这些特殊因素的影响，变压器差动保护的不平衡电流远比发电机差动保护的大。因此，变压器差动保护需要解决的主要问题之一是采取各种措施避越不平衡电流的影响。在满足选择性的条件下，还要保证在内部故障时有足够的灵敏系数和速动性。按照励磁涌流方法的不同，变压器差动继电器可按不同的工作原理来实现。目前，国内广泛应用有以下几种类型继电器构成差动保护： 带短路线匝的BCH-2型差动继电器； 带磁制动特性的BCH-1型差动继电器； 多侧磁制动特性的BCH-4型差动继电器； 鉴别涌流间断角的差动继电器； 二次谐波制动的差动继电器。此外，有些单位还研制了高次谐波制动的差动继电器。4.4.1 构成变压器纵差动保护的基本原则图4-1 双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图如图4-1所示，其中：、分别为变压器高压侧和低压侧的一次电流，参考方向为母线指向变压器；、为相应的电流互感器二次电流； 差动继电器。流入差动继电器的差动电流为 （4-1）纵差保护的动作判据为 （4-2）式中，为纵差动保护的动作电流；为差动电流的有效值。设变压器的变比为，式（3-1）可进一步表示为变形为 （4-3）式中，、分别为两侧电流互感器的变比。若选择电流互感器的变比，使之满足 （4-4）这样式（2-3）变为 （4-5）忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时一次电流的关系为。根据式（4-5），正常运行和变压器外部故障时，差动电流为零，保护不会动作；变压器内部（包括变压器与电流互感器之间的引线）任何一点故障时，相当于变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流（变换到电流互感器二次侧），只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就能迅速动作。因此，式（4-4）成为变压器纵差动保护中电流互感器变比选择的依据。实际电力系统都是三相变压器（或三相变压器组），并且通常采用Y，d11接线方式，如图4-2(a)所示（假定一次电流从同名端流入，二次电流从同名端流出）。这样的接线方式造成了变压器一、二次电流的不对应，以A相为例，正常运行时，由于，超前，如图4-2（b）所示。若仍用上述针对单相变压器的差动继电器的接线方式，将一、二次电流直接引入差动保护，则会在继电器中产生很大的差动电流。可以通过改变纵差动保护的接线方式消除这个电流，就是将引入差动继电器的Y侧的电流也采用两相电流差，即 （4-6） 式中，、分别为流入三个差动继电器的差动电 图4-2（a）接线图； 图4-2(b)对称工况下的向量关系 图4-2 双绕组三相变压器纵差动保护原理接线图这样就可以消除两侧电流不对应。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加了倍。为了保证正常运行及外部故障情况下差动回路没有电流，该侧电流互感器的变比也要相应地增大倍，即两侧电流互感器变比的选择应该满足 （4-7）为了满足式（4-6），变压器两侧电流互感器采用不同的接线方式，如图4-2（a）所示。d侧采用Y，d12的接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内；Y侧采用Y，d11的接线方式，将两相电流差接入差动继电器内。模拟式的差动保护都是采用图4-2（a）所示的接线方式；对于数字式差动保护，一般将Y侧的三相电流直接接入保护装置内，由计算机的软件实现式（4-6）的功能，以简化接线。电力系统中常常采用三绕组变压器。三绕组变压器的纵差动保护原理与双绕组变压器是一样的。图4-3所示的是Y，y,d11接线方式三绕组变压器纵差动保护单相示意图，接入纵差动继电器的差电流为: （4-8）图4-3 三绕组变压器纵差动保护接线单相示意图三相变压器各侧电流互感器的接线方式和变比的选择也要参照Y，d11双绕组变压器的方式进行调整，即d侧电流互感器用Y接线方式；两个Y侧电流互感器则采用d接线方式。设变压器的高-低侧（1-3）和中-低侧（2-3）的变比为和，考虑到正常运行和区外故障时变压器各侧电流满足，电流互感器变比的选择应该满足 （4-9）4.4.2变压器差动保护的不平衡电流1.由变压器带负荷调节分接头产生的不平衡电流1.计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取的标准变比，其规格种类是有限的。变压器的变比也是有标准的，三者的关系很难完全满足式（4-4），令变比差系数为 （4-10）根据式（4-3）可得 （4-11）穿越电流如果将变压器两侧的电流都折算到电流互感器的二次侧，并忽略不为零的影响，则区外故障时变压器两侧电流大小相等，即，但方向相反，为区外故障时变压器的穿越电流。由式（4-11）知，电流互感器和变压器变比不一致产生的最大不平衡电流为 （4-12） 区外故障时最大的穿越电流。改变分接头的位置，实际上就是改变变压器的变比，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。因此，由于改变分接头的位置产生的最大不平衡电流为 （4-13）变压器分接头改变引起的相对误差，考虑到电压可以正负两个方向进行调整，一般可取调整范围的一半。图4-4 电流互感器等效电路 励磁回路等效电感； 二次负载的等效阻抗；电流互感器传遍误差产生的不平衡电流 励磁电流，也就是电流互感器的传变误差；包括了电流互感器的漏抗和二次负载阻抗，一般电阻分量占主导，在定性分析时可以当作纯电阻处理。电流互感器的二次电流为 （4-14）励磁电流为 （4-15）区外故障时变压器两侧的一次电流为（折算到二次侧），故由电流互感器传变误差引起的不平衡电流为 （4-16）（a）励磁电流中无直流偏移； （b）励磁电流中有直流偏移4-5 电流互感器铁芯的磁滞回路引入同型系数表示互感器型号对不平衡电流的影响 （4-17）当两个电流互感器型号相同时，取=0.5；否则取1如图2-5所示，其中： 曲线1铁芯的基本磁化曲线（通常简称为磁化曲线）； 曲线2励磁电流随时间的变化曲线； 曲线3励磁电流按照曲线2变化时的磁滞回线； S点 饱和点。由于电压u与铁芯磁通之间关系为（是线圈的匝数，定性分析时可假设=1），故磁化曲线的斜率（严格讲是各点切线的斜率）就是磁滞回路的电感。铁芯未饱和时很大且接近常数； 铁芯饱和后大为减小。如图4-5（b）所示，由于非周期分量引起偏离时间轴的一侧，磁通也偏离磁化曲线并按照曲线的局部磁滞回环变化。显然，偏离时间轴后会减小。非周期分量的存在将会显著地减小。剩磁电流互感器一次侧电流消失后，励磁电流也相应地变为零。由于磁滞回线的磁滞现象，铁芯中将长期存在残留磁通，称为剩磁。10%误差曲线电流互感器误差达到10%时，一次电流与二次负载电阻之间的关系曲线。通常根据电流互感器的10%误差曲线来选择电流互感器的型号： （4-18） （4-19）引入非周期分量系数： （4-20）式（4-19）的只是稳态不平衡电流，在变压器外部故障时，一次电流（a）外部短路电流； （b）纵差动保护不平衡电流图4-6 纵差动保护的暂态不平衡电流中除稳态分量外还有非周期分量等暂态分量。导致不平衡电流的瞬时值较稳态量大，非周期分量系数就是考虑这个因素而引入的。 电流互感器的暂态误差非周期分量的存在大大增加了电流互感器的饱和程度，由此产生的误差称为电流互感器的暂态误差。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。图4-6为变压器外部故障时的暂态电流和纵差动保护暂态不平衡电流的滤波图。故障初始：电流互感器不饱和，不平衡电流不大；几个周波后:电流互感器开始饱和，不平衡电流逐渐达到最大值；随着一次电流非周期分量的衰减：不平衡电流又逐渐下降并趋于稳态不平衡电流。结论：暂态不平衡电流含有很大的非周期分量，其特性完全偏于时间轴的一侧。4.变压器励磁电流产生的不平衡电流4-7 双绕组单相变压器等效电路将变压器参数折算到二次侧后，单相变压器等效电路如图2-7所示。显然，励磁回路相当于变压器内部故障的故障支路。励磁电流全部流入差动继电图4-8 与变压器容量的关系曲线器中，形成不平衡电流，即 （4-21）正常运行和外部故障时：变压器不会饱和，励磁电流一般不会超过额定电流的2%5%，对纵差动保护的影响常常略去不计；变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时：变压器电压从零或很小的数值突然上升到运行电压。在这个电压上升的暂态过程中，变压器可能会严重饱和，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。4.5变压器后备保护4.5.1低电压启动的过电流保护只有在电流元件和电压元件同时动作后，才能启动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压互感器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能，具体逻辑此处从略。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。过电流保护按躲开可能出现的最大负荷电流小整定，启动电流比较大，只有在电流元件和电压元件同时动作后，才能启动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压互感器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能，具体逻辑此处从略。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。 对于降压变压器，负荷在低压侧电动机自启动时高压侧电压比低压侧高了一个变压器压降（标幺值）。所以高压侧取值比较高。对于发电厂升压变压器，负荷在高压侧，电机自启动时低压侧电压实际上更高，原因是发电机在失磁运行时低压母线电压会比较低。电流继电器灵敏度的校验方法与不带低压启动的过电流保护相同。对于升压变压器，如果低压继电器只接在一侧电压互感器上，则另一侧故障时，往往不能满足灵敏度要求。此时可采用两组低电压继电器分别接在变压器两侧的电压互感器上，并用触电并联的方法提高灵敏性。4.5.2变压器零序电流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。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映这些电气量构成的。中性点