电力变压器的继电保护.doc

电力变压器的继电保护摘要: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。虽然它有别于发电机，是一种静止的电气设备，结构比较可靠，发生故障的机会相对较少。但它一旦发生故障将会给供电的可靠性和系统的正常运行带来严重的后果。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必要的。 变压器的故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。油箱内部故障是指发生在变压器油箱内的线圈相间短路、接地短路或匝间短路，其中最常见的是线圈匝间短路。发生内部故障是很危险的，因为故障点的高温电弧不仅会烧坏线圈绝缘和铁心，而且由于变压器油和绝缘材料在高温下强烈气化，严重时将引起油的爆炸，后果严重。变压器油箱外部故障常见的是油箱外绝缘套管的故障，它可导致引出线相间短路或对外壳之间的接地短路。 变压器的异常工作状态主要有过负荷、外部短路引起的过电流、外部接地短路引起的中性点过电压、油面降低及过电压或频率降低引起的过励磁等。针对上述各种故障与异常工作状态，变压器应装设继电保护。那什么是继电保护呢，它在电力系统中的任务是什么以及它的基本要求以是什么？只有知道什么叫继电保护及其所备有的功能和作用才能对设备元件进行有效的保护。当电力系统中的电力元件（如发电机，线路待等）或电力系统本身发生了故障或危及其安全运行的事件时，需要有向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令，以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备。实现这种自动化措施，用于保护电力元件的成套硬件设备，一般称为继电保护装置。而变压器就是被所保护电力元件之一，变压器在电力系统中是必不可少的电力设备，不论是生产电力的部门还是在用户的类型上来看，电力变压器是非常重要的，而选择好的继电保护会大大提高变压器的安全性能和使用寿命。对于电力系统继电保护的一些基本要求我们也要清楚的知道。它的基本要求有可靠性、选择性、快速性、灵敏性。这些要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别进行协调。根据变压器的故障种类及异常运行方式应装设如下保护装置1变压器内部故障和油面降低的瓦斯保护2变压器线组和引出线的多相短路，大接地电流电网侧线组和引出线的接地短路以及线组匝间短路的纵差保护或电流速断保护。3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（或复合电压起动的过电流保护、或负荷电流保护）4大接地电流电网中外部接地短路的零序电流保护。5对称过负荷的过负荷保护关键词：电力变压器、继电保护方式、可靠、安全及实用前 言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。虽然它有别于发电机，是一种静止的电气设备，结构比较可靠，发生故障的机会相对较少。但它一旦发生故障将会给供电的可靠性和系统的正常运行带来严重的后果。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必要的。电力变压器是非常重要的，而选择好的继电保护会大大提高变压器的安全性能和使用寿命。 本次设计为电力变压器的继电保护设计,重点强介绍了电力变压器的继保护的重要元件和各种继电保护方式,还简单的分析装设了一台35KV 1000MVA电力变压器的继电保护.所设计内容力求概念清楚,层次分明.本文是在老师的指导下完成的,在撰写的过程中,曾得到老师和同学的支持,并提供了大量的资料和有益建议,对此表示衷心的感谢.但是由于理论知识、设计经验和生产经验的不足,所以在设计中不免有很多不妥之处,还望老师批评指正.1电力变压器的故障类型变压器的故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。油箱内部故障是指发生在变压器油箱内的线圈相间短路、接地短路或匝间短路，其中最常见的是线圈匝间短路。发生内部故障是很危险的，因为故障点的高温电弧不仅会烧坏线圈绝缘和铁心，而且由于变压器油和绝缘材料在高温下强烈气化，严重时将引起油的爆炸，后果严重。变压器油箱外部故障常见的是油箱外绝缘套管的故障，它可导致引出线相间短路或对外壳之间的接地短路。 变压器的异常工作状态主要有过负荷、外部短路引起的过电流、外部接地短路引起的中性点过电压、油面降低及过电压或频率降低引起的过励磁等。针对上述各种故障与异常工作状态，变压器应装设继电保护。那什么是继电保护呢，它在电力系统中的任务是什么以及它的基本要求以是什么？只有知道什么叫继电保护及其所备有的功能和作用才能对设备元件进行有效的保护。当电力系统中的电力元件（如发电机，线路待等）或电力系统本身发生了故障或危及其安全运行的事件时，需要有向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令，以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备。实现这种自动化措施，用于保护电力元件的成套硬件设备，一般称为继电保护装置。而变压器就是被所保护电力元件之一，变压器在电力系统中是必不可少的电力设备，不论是生产电力的部门还是在用户的类型上来看，电力变压器是非常重要的，而选择好的继电保护会大大提高变压器的安全性能和使用寿命。对于电力系统继电保护的一些基本要求我们也要清楚的知道。它的基本要求有可靠性、选择性、快速性、灵敏性。这些要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别进行协调.2电力变压器的电力元件简介2.1继电保护装置的基本要求继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求：这四“性”之间紧密联系，既矛盾又统一。A、动作选择性-指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护来切除故障。上下级电网继电保护整定，应遵循逐级配合的原则，以保证电网发生故障时有选择性的切除故障。切断系统中的故障部分，而其他非故障部分仍然继续供电。B、动作速动性-指保护装置应尽快切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用设备自动投入的效果。C、动作灵敏性-指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具备必要的灵敏系数。通过继电保护的整定值来实现。整定值的校验一般一年进行一次。D、动作可靠性-指机电保护装置在保护范围内该动作时应可靠动作，在正常运行状态时，不该动作时应可靠不动作。任何电力设备都不允许在无继电保护的状态下运行，可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。2.1.1继电器的作用继电器是一种电子控制器件，它有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。2.1.2继电器的分类继电器是组成静电保护装置的基本元件，按工作原理，继电器可以分为电磁型、感应型、整流型和静态型。静态型继电器是由晶体管三极管、二极管或集成电路和电阻、电容等固态器件组成，即由静止的电子元件组成，没有机械的可动部分，所以称这类继电器为静态型继电器。2.1.3电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分；继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”处于接通的静触点称为“常闭触点”。下面分别介绍几中电磁型和静态型反应单一电气量的继电器。2.2电流继电器2.2.1电流继电器的作用及工作原理电流继电器是实现电流保护的基本元件之一，也是反应一个电气量而动作的典型简单继电器。电流继电器的电磁铁线圈匝数较少。若通过线圈的电流低于额定值时，电磁铁的吸引力不足克服反作用弹簧的弹力，衔铁不动作。若电流超过额定值，电磁铁吸引力大于弹力，因而衔铁被吸。这样，触头系统中常用闭触头断开，而常开触头就闭合。由于电流超过额定值时，继电器才会动作，故又称为过电流继电器。调节反作用弹簧的弹力，可以调整动作电流的数值。电流继电器主要用于过载和短路保护，它比熔断器的结构复杂，但过载保护性能优于熔断器，而且事故后不必像熔断器那样更换元件，可重复使用。所以，它在电力系统中对电机激过载和短路起着关键性的保护作用。2.2.2电流继电器的动作原理 当线圈中输入电流Ik时，便在铁心中产生一磁通，此磁通经铁心，空气隙和可动舌片形成闭合回路。可动舌片在磁场中被磁化，即与铁芯的磁极产生电磁吸力Fem，使可动舌片上产生一方向向左的电磁转矩Mem。当Mem足够大时，可动舌片转动并带动可动触点一起转动，使可动触点与固定触点接通，称为继电器“动作”。由于止档的作用，可动舌片只能在预定的范围内转动。 在可动舍片上，除了有电磁吸力产生的电磁转矩外，还有弹簧产生的力矩MSP，用以控制继电器在正常运行时不动作，即保持可动舍片在原始位置。由于弹簧的张力与其伸长成正比，因此当舌片向左移动而使其减小时，则由弹簧产生的反抗力矩即可表示为 （1-1）或中-弹簧的初始拉力矩K4-比例系数另外，在舍片的转动过程中还必须克服摩擦力产生转矩MFR，其值可认为是一个常数，因此阻碍继电器动作的全部反抗转矩就是MSP+MFR要使继电器动作闭合其触点，必须满足下列条件 （1-2）2.2.3电流继电器的动作过程（1）动作过程及其动作电流 由式（1-2）可知，要使继电器起动，就必须增大电流Ik，以增大电磁转矩M,当电磁转发转矩达到与反抗相等的一瞬间，即时，继电器刚好能够起动。此时的电流Ik，即能使继电器动作的最小电流值，称为继电器的动作电流（习惯上又称为起动电流），用，表示将式（1-1）代入（1-2）得 （1-3）由式（1-3）可以看出，要改变继电器的动作电流，可采取如下几种方法1. 改变继电器线圈的匝数，即改变2. 改变弹簧的反作用力矩3. 改变空气隙的长度当舍片开始转动之后，就开始减小。若不变，刚随的减小成平方倍增加，而反抗转矩只是成正比增加。因此在继电器动作之后将出现一个剩余转矩，它有得利于继电器触点的可靠接触。（2）返回过程 在继电器动作之后，要使它重新返回原位，就必须减小电磁转矩,然后由弹簧的反作用力把舌片拉回来。在这个过程中，摩擦力矩又起着阻碍返回的作用。因此继电器的返回条件是： （1-4） 为减小电磁转矩，就要减小电流IK，当电磁转矩减小到与（Mop-Mfr）相等的一瞬间，即： (1-5) 时继电器刚好能够够返回。此时的电流IK，即能使继电器返回的最大电流值称为电流继电器的返回电流，用表示。 (1-6) 继电器的返回电流与动作电流之比，称为继电器的返回系数，用表示。即： (1-7) 反应电流增大而动作的继电器，其实因此，返回系数恒小于1，返回系数是继电器的重要参数之一，在实际应用中常要求电流继电器有较高的返回系数，如0.85-0.9.由以上分析可见，当时，继电器根本不动作，而当时，继电器则能够突然迅速地动作，闭合其触点；在继电器动作之后，只有当电流减小到时，继电器草拟立即迅速地返回原位,触点重新打开。无论动作还是返回，继电器都是干脆明确的，它对可能停留在一个中间的位置,这种特性我们称之为继电器的“继电特性”。2.3瓦斯继电器 气体继电器又称瓦斯继电器，是利用变压器内故障时产生的热油流和热气流推动继电器动作的元件，是变压器的保护元件，瓦斯继电器装在变压器的油枕和油箱之间的管道内；如果充油的变压器的内部发生放电故障，放电电电弧使变压器油发生分解，产生甲烷、乙炔、氢气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙烷等多种特征气体，故障越严重，气体的量越大，这些气体产生后从变压器内部上升到上部的油枕的过程中，流经瓦斯继电器；若气体流量较少，则气体在瓦斯继电器内聚积，使浮子下降，使继电器的常用开接点闭合，作用于瓦斯保护发出警告信号；若气体量较大，油气通过瓦斯继电器快速冲出，推动瓦斯继电器内挡扳动作，使另一组常开接点闭合，重瓦斯则直接启动继电器保护跳闸，断开断路器，切除故障变压器。当然，刚投入的变压器通电后，油受热使油中溶解的气体上升，及其他一些因发热产生的气体也可以使瓦斯继电器误动作。2.4电压继电器 电压继电器有过电压继电器与低电压继电器两种。 过电压继电器的结构及工作原理与前述的过电流继电器相似，即当时继电器动作。当线圈两端输入电压时，在线圈中产生的电流为 式中 U-继电器的输入电压Z-继电器线圈的阻抗 式（1-8）表明，继电器动作与否取决于电压U 的大小，电压继电器线圈的电压一般取自电网母线电压互感器，所以电压继电器线圈的匝数多而导线细。为改善返回系数，减小系统频率变化和环境温度变化对继电器工作的影响，电压继电器线圈一般采用电阻值大的导线绕制，或在线圈中串联一个温度系数很小而阻值很大的附加电阻R。 低电压继电器的工作特点与过电压继电器不同。正常运行时，母线电压为额定电压，所以低电压电器电磁转距大于弹簧反作用于矩与摩擦力矩之和，继电器不动作，触点打开；电压下降时，电磁转矩减小，在弹簧力矩作用下，继电器动作，其动作电压小于返回电压U,所以低电压继电器的返回系数Kr大于1，一般小于1.25。故所以低电压继电器为欠量继电器。2.5辅助继电器2.5.1中间继电器在继电保护装置中，常常需要同时闭合或者同时断开几个独立回路，或者用来增大主继电器的触点容量，去动作于断路器跳闸及实现必要的廷时，这时就要采用中间继电器。常用中间继电器的接线方式有两种。中间继电器KM的线圈与电流继电器KA触点串联,中间继电器的线圈输入端与其中一对触点并联后与电流继电器触点串联起自动保持作用。2.5.2时间继电器1、结构及其作用 在继电保护中，时间继电器主要用来实现保护所需要的廷时。对时间继电器的基本要求是动作要准确，而且动作时间不应操作电压的波形而变化。 电磁型时间继电器由一个电磁超动机构带动一个钟表廷时机构而组成。电磁起动机构采用螺管线圈式结构，其线圈可由直流供电，也可由交流供电。在继电保护和自动装置中，一般采用直流供电的时间继电器，即操作电源为直流。2、动作原理 时间继电器一般有一对瞬动转换触点和一对廷时主触点，根据不同的要求，有的时间继电器还可以装设一对滑动廷时触点。对时间继电器的电磁系统不要求有很高的返回系数，因为继电器的返回是由保护装置中起动元件的触点将其电压全部撤除来实现的。 为了缩小电磁时间电器的尺寸，它的线圈一般不按长期通过电流来计算。因此，当要求长期加电压时，应在线圈回路中串联一个附加电阻R。正常情况下，电阻R被继电器的瞬时动作触点所短接，继电器起动后，该触点立即断开，将电阻串入线圈回路，以限制电流，提高继电器的热稳定。2.6信号继电器在继电保护和自动装置中，信号继电器广泛用来为装置整组或个别元件动作的信号提示指示器。根据信号继电器所发出的信号，运行维护人员就能很方便地分析故障和统计保护装置正确动作次数。电磁型号继电器的动作原理是，当线圈中通过电流时，舌片被吸引，于是锁扣立即释放信号牌。信号牌由于本身的重量而落下，并停在水平位置，于此同时触点也闭合，接通声、光信号回路。继电器动作后失去电源，由运行人员转动舌片复归。另外，还有一类信号继电器，动作后有灯光信号，手动按钮复归。3电力变压器的继电保护方式3.1 电力变压器的主保护方式3.1.1瓦斯保护 油浸式变压器是利用变压器油作为绝缘和冷却介质的，变压器箱体内部故障时，短路电流产生的电弧或内部某些部件发热时，使绝缘材料和变压器油分解产生大量气体。利用这些气体上升油面下降和气体存大压力的特点构成保护装置，称为瓦斯保护。如图所示:6-1 3.1.1.1瓦斯保护的作用 瓦斯保护在变压器箱体内部故障时，有着独特的。其他保护所不有的优点，如线组匝间短路时，将在短路的线匝内产生环流，使线组和铁芯局部发热，绝缘老化甚至损坏，发展为各种严重短路故障，这是变压器箱体外电路中困线组匝间短路产生的电流值不足以使其它保护动作，只有瓦斯保护能够灵敏动作发出信号或跳闸。所以变压器的瓦斯保护是不能被取代的变压器内部故障主要的保护装置，它和电流速断保护（或差动保护）相辅相成，共同作为电力变压器的主保护。3.1.1.2瓦斯保护的接线瓦斯保护接线 3.1.1.3瓦斯保护的整定 1、轻瓦斯触点动作的整定。改变开口杯一侧平衡锤的位置，可在（250-300）cm的范围内调节信号触点的动作的气体体积。容量在10MVA以上的变压器，一般正常整定值为250cm。其反映的是油箱内轻微故障，并且动作发出信号。 2、重瓦斯触点动作的整定。调整挡板位置及改变弹簧9的长度，可在（0.6-1.5）m/s范围内调整跳闸触点的动作油速，一般出厂时调节在1.2m/s。其反映的是油箱内的严重故障，并且动作于跳闸。 虽然，瓦斯保护结构简单、动作迅速、灵敏度高。但是不能反映变压器箱体外部的故障，因此变压器必须装设电流速断或差动保护。3.1.2电力变压器的纵联差动保护前面介绍的瓦斯保护虽然具有灵敏度高、动作迅速、简单经济等优点，但它只能反映变压器油箱内部故障，不能反映油箱外套管与断路器间引出线上的故障。变压器的纵联差动保护（简称差动保护）就是用来反映变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障的，广泛应用于各种大中型变压器保护中，是变压器的主保护之一。3.1.2.1纵联差动保护的基本原理和动作过程纵联差动保护是通过比较被保护的变压器两侧电流的大小和相位在故障前后的变化而实现的保护。为了实现这种比较，在变压器的两侧各装设一组电流互感器TA1、TA2,其二次侧按环流法连接（通常变压器两端的电流互感器一次侧的正极性端子均置于靠母线的一侧，而二次侧的同级性端子相连接组成差动臂，再将差动继电器的线圈跨接在差动臂上），构成纵差保护，如图2-3。为了保证变压器纵差保护的正常运行，必须选好变压器两侧电流互感器的变比和接线方式，保证变压器在正常运行和外部短路时两侧的电流大小相等、方向相同。起保护范围为两侧电流互感器TA1、TA2之间的全部区域，包括变压器的高、低压绕组、套管及引出线等。变压器的纵差保护单相原理接线如图可见，正常运行和外部短路时，流过差动继电器的电流为 ，在理想情况下，其值等于零。但实际上由于电流互感器特性、变比等因素，两侧二次电流大小并不完全相等，流过继电器的电流为不平衡电流 ，当该电流小于KD的动作电流时，KD不动作。变压器内部故障时，流入差动继电器的电流为 ，即为短路点的短路电流。当该电流大于KD的动作电流时，KD动作。由于电压器两侧额定电压和额定电流不同，为了保证纵差保护正确动作，必须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部短路时，差动回路内没有电流。例如图中，应 (2-1)式中 - 高压侧电流互感器的变比 - 低压侧电流互感器的变比实际上，由于电流误互感器的误差、变压器的接线方式及励磁涌流等因素的影响使满足式（2-1），差动回路中仍流过一定的不平衡电流，该值越大，差动继电器的动作电流越大，差动继电器的灵敏度就越低。因此，要提高变压器纵差保护的灵敏度，关键问题是减小或消除不平衡的电流的影响。3.1.2.2产生变压器纵差保护的不平衡电流的原因和解决措施1两侧电流互感器的型号不同而产生的不平衡电流由于变压器两侧的额定电压不同，所以其两侧电流互感器的型号也可能会不相同，因而它们的饱和特性和励磁电流（归算到同一侧）都是不相同的。即便型号相同，由于电流互感器的误差，也会产生不平衡电流。因此，在变压器的保护中始终存在不平衡电流。在外部短路时，这种不平衡电流可能会很大。解决方法；1）应让10%误差的要求选择两侧的电流互感器，以保证在外部短路情况下，其二次电流的误差不超过10%。 2）在确定差动保护的动作电流时，引入一个同型系数来反映互感器不同型的影响。当两侧电流互感器的型号相同时，取=0.5，当两侧电流互感器的型号不同时，则取=1。这样两侧电流互感器的型号不同时，实际上是采用较大的值来提高纵差保护的动作电流，以躲开不平衡电流的影响。2电流互感器实际变比与计算变比不同而产生的不平衡电流在工程实践中，电流互感器选用的都是定型产品，而定型产品的变比都是标准化的。这就出现电流互感器的实际变比与计算变比不完全相符的问题，以致在差动回路中产生不平衡电流。解决方法：采用自耦变流器或差动继电器的平衡线圈加以补偿。1） 自耦电流器是接在二次电流较小的一侧，改变自耦电流器的变比使得在正常运行状态下接入差动回路的二次电流相等，从而补偿了不平衡电流。2） 利用差动继电器的平衡线圈补偿法，通过选择两侧的平衡绕组、3） 匝数，并使之满足关系式 （2-2）式中 差动绕组 、平衡绕组满足式（2-2），则磁势平衡，差动继电器铁芯的磁化为零，从而补偿了不平衡电流。3 变压器调压分接头的位置改变而产生的不平衡电流调整分接头的位置实际上就是改变变压器的变比，其结果必然将破坏两侧电流互感器二次流的平衡关系，产生新的不平衡电流。解决方法：1)对于无载调压来说，调整电流互感器的平衡绕组的匝数予以补偿。 2)对于有载调压来说，应在整定计算时将可靠系数取大来提高保护动作电流以补偿不平衡电流的影响。4 变压器的接线组别的影响而产生的不平衡电流三相变压器的接线组别决定了变压器两侧的电流相位关系，以常用的Y,d11接线的电力变压器为例，高、低压侧电流之间就存在30的相位差。这时，即使变压器两侧电流互感器的二次电流的大小相等，也会在差动回路中产生不平衡电流。为了消除这种不平衡电流的影响，就必须消除变压器两侧电流的相位差。解决方法：1）对于常规保护，将主变的”Y”侧的CT接成“”；主变的”的CT接成”Y”。2) 对于微机保护，将CT的二次侧都接成”Y”,在进行差动电流计算用程序对变压器星型侧进行相位补偿及电流数值补偿。5 变压器励磁涌流的影响而产生的不平衡电流励磁涌流，就是变压器空载合闸时的暂态励磁电流。励磁涌流的大小与合闸瞬间电压的相位、变压器的容量的大小、铁芯中剩磁的大小和方向以及铁芯的特性等因素有关。解决方法：1）接入速饱和变流器；2）二次谐波制动；3）间断角制动；4）带加强型速饱和变流器的差动继电器。6差动保护的相位补偿和数值补偿1、相位补偿 以Y，d11接线变压器为例，d侧电流相位超前Y侧电流相位30度。如果两侧电流互感器采用相同的接方式，在正常运行时将有很大的不平衡电流进入差动继电器。为了防止保护误动作，动作值应躲过它。这样将导致变压器内部故障时保护的灵敏度很低。因此只有减小不平衡电流，才能降低保护动作值，满足灵敏度要求，因此变压器两侧的电离相位差别必须加以补偿。 相位补偿是利用装设在变压器各侧的电流互感器二次绕组的特殊方法实现的，即将装设在变压器三角形的电流互感器接成星形，二次电流相位不变，而将装设在变压器星形侧的电流互感器接成三角形，二次电流超前30度，依此构成星形和三角形接线的电流互感器与差动继电器间的接线，使变压器正常运行和外部短路时各侧电流互感器的二次电流方向相同，减小流入差动保护的不平衡电流。 相位被偿使变压器正常运行和外部短路时各侧电流互感器二次侧电流相位相同，但变压器低压侧线电流怛大于高压侧电流，故变压器各侧必须采用不同变比的电流互感器才能使二次侧电流流入继电器的电流为零。如此，变压器各侧的电流还应进行数值补偿。2、数值补偿 电流互感器二次侧额定电流一般为5A，即 （2-2） 变压器三角形侧电流互器变比 （2-3）变压器星形电流互感器变比 （2-4）式中（2-4）中，变压器星形侧电流互感器按三角形接线进行相位补偿时将差动臂中的电流扩大了倍，因此，电流互感器变比也相应扩大倍，才能使两侧电流互感器二次电流相同。按式（2-3）、（2-4）选择电流互感器的变比，理想状态下，变压器各侧电流的差值可以得到完全的补偿。但在实际工作中，电流互感器是标准化、系统化生产的，计算变比和实际选择的标准变比不可能完全相同，变压器两侧的电流在数值补偿后仍有差别，因此需要在电流互感器的二次侧装设自偶变压器或中间变流器进行二次数值补偿。为了不使正常运行的电流互感器处于饱和状态，所选取的标准变比应接近且大于计算变比。3.1.3差动保护变压器的励磁涌流 1.变压器励磁电流只流过电源侧的绕组，因此，励磁电流是差动回路的不平衡电流。变压器正常运行时，励磁电流很小，为额定3%-5%，外部短路时，由于电压降低，励磁电流更小，所以，此不平衡电流对差动保护的影响可以忽略不计。当变压器空载投入或外部短路故障切除后变压恢复过程中，励磁电流很大，电流可达到额定电流的5-10倍，故称为励磁涌流。它在差动回路中形成的平衡电流，会影响差动保护的正确工作，所以必须分析励磁涌流产生的原因和特点，针对性的采取措施减小励磁涌流对差动保护的影响并在整定计算躲过。2.根据上述分析，励磁涌流有以下特点 （1）含有很大非周期分量，波形偏于时间轴的一侧。对于中小型变压器，励磁涌流的峰值可达额定的电流的8倍，但衰减迅速，衰减速度取决于变压器和电网时间常数。一般0.5-1S后，其值小于0.25-0.5倍额定电流。对于大型变压器，励磁涌流倍数较小，但时间常数较大，衰减比较缓慢。一般50MVA以上的变压器需要几秒到几十秒时间才能衰减到峰值的50%。（2）含有大量的高次谐波分量，以2次谐波为主。（3）波形不连续，相邻波形有断角根据以上特点，防止励磁涌流对变压器差动保护影响的针对性措施有以下几种。1.差动继电器采用加强型速饱和铁芯。2.采用2次谐波制动的方式构成差动保护3.采用鉴别电流波形“间断角”的方法构成差动保护。3.1.4变压器差动保护的不平衡电流变压器差动保护产生不平衡电流的主要原因如下：（1）变压器各侧电流互感器的型号和特性不同造成的不平衡电流，如变压器的35KV及以上侧，一般采用装在油断路器内的电流互感器，而610KV侧一般采用独立的线圈式电流互感器，由于它们的型号和磁化特性不同，造成了比线路纵差动保护更大的不平衡电流，最严重的状况是外部短路时，短路电流是一个电流互感器饱和，而另一个不饱和按10%误差曲线选择的电流互感器，最大不平衡电流可达到外部最大短路电流的10%。 （2）电流互感器、自耦变流器标准化的变比或平衡绕组实用的匝数与计算值不同产生的不平衡电流。 （3）变压器带负荷调节分接头时产生的平平衡电流。 电力系统中的变压器在运行中需要根据系统电压的要求而自动或手动改变调压分接头，因此，变压器的变比也随着改变。而差动保护中电流互感器的选择、平衡线圈匝数的确定都是根据电压和额定电流计算得出的。当变压器分接头改变时，运行中的差动保护不能随之调整，又会产生新的不平衡电流，此电流在外部短路时达到最大值。 变压器外部短路时差动回路中可能出现的最大不平衡电流为 式中Kss-电流互感器同型系数，取1 Kup-短路电流给周期分量影响系数，取1.52.0 F1电流互感器的10%误差 变压器带负荷调整分接头引起的相对误差 电流互感器变比，自耦变流器变比或平衡绕组数标准化后与计算值不同所引起的误差。IK。MAX变压器外部相间短路的一次最大短路电流。（4）变压器空载合闸时励磁涌流产生的不平衡电流，变压器差动保护应采取各种措施来减小不平衡电流的影响以提高保护的灵敏度。3.2变压器的后备保护3.2.1.后备保护的分类为了防止变压器外部短路使变压器才在长时间进电流，同时作为瓦斯保护和差动保护的后备保护，变压器应装设后备保护。常用的后备保护主要有过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护和负序过电流保护及阻抗保护等。3.2.2电力变压器的电流速断保护3.2.2.1电流速断保护的特点 单机运行容量小于10000KVA、并列运行容量小于6300KVA的变压器，当过电流保护动作时限大于0.5S且灵敏满足要求时可采用电流逐渐保护切入除变压器箱体内部及外部的保护。3.2.2.2电流速断保护的原理图 电流速断保护装设在变压器电源侧，如图：对于35KV及以下中性点不接地系统的变压器，电流速断保护中的电流继电器可只在装设在U、W两相上，构成两相三继电器式接线 。原理接线图如下：电流速断保护的原理图3.2.2.3电流速断保护的整定1电流速断保护整定时，动作电流应躲开变压器低压侧K1点短路 即 2动作电流还应躲开变压器的励磁涌流，根据实践经验，一般取3电流速断保护校验灵敏时，应取保护安装处K2点短路时的最小短路电流 变压器电流速断保护的动作值较高，只能保护电源侧变压器引出线和变压器线组的一部份。它与瓦斯保护过电流保护，可以保证对中、小容量变压器的保护。当电流速断保护校验灵敏度不满足要求时，可以和10000KVA及以上大容量变压器一样，采用差动保护。保护的动作电流按下列条件选择：（1）大于变压器负荷侧K2点短路时流过保护的电大短路电流，即 式中-可靠系数，一般取1.3-1.4；-最大运行方式下，变压器低压侧母线发生短路故障时，流过保护的最大短路电流。（2）躲过变压器空载投入的励磁涌流，通常取 式中 - 保护安装侧变压器的额定电流 取上述条件较大值为保护电流值。 保护的灵敏度要求 式中最小运行方式下，保护安装处两相短路时的最小电流。 保护动作后，瞬时跳开变压器各侧断路器并发出动作信号。电流速断保护有接线简单、动作迅速的优点，能瞬时切除变压器电源侧引出线，出线套管及变压器内部部分线圈的故障。它的缺点是不能保护电力变压器的整个范围，当系统容量较小时，保护范围较小，灵敏度难满足要求；在无电源的一侧，出线套管至断路器这一段发生的短路故障，要靠相间短路的后备保护才能反映，切除故障的时间较长，对系统安全运行不利；对于并列运行的变压器，负荷侧故障时将由相间短路的后备保护无论选择性地切除所有变压器，扩大了停电范围。但该保护简单、经济、并且与瓦斯保护、相间短路保护配合较好，因此广泛用于小容量变压器的保护中。3.2.3过电流保护1、单侧电源供电变压器的过电流保护单侧电源供电变压器的进电流保护原理接线如图2-4所示。过电流保护的电流互感器才用三相完全星形接线或两相三继电器式接线，其灵敏度比两相不完全星形接线高一倍。动作电流，按躲过变压器可能出现的最大负荷电流整定，即 (2-6) 式中 kel-可靠系数 Kr-返回系数 -最大负荷电流，取值按下列情况考虑。1. 并列运行的变压器，考虑切除一台时的最大负荷电流Limax，若各台变压器容量相同，则有式中n并列运行变压器的台数 单台变压器的额定电流。2. 降压变压器在电动机自起动时的自起动电流。 = (2-7) 式中自起动系数，与负荷性质及用户到电源的电气距离有关，一般取1.5。 正常运行的最大负荷电流 (2)灵敏度校验，按式 （2-8）计算。 (2-8)在变压器低压母线短路时，要求=1.52，在后备保护范围未端短路时，要求 (3)动作时间，应与下一级保护配合，比下一级保护的最大动作时限大一个时限级差，即 t= (2-9) 3.2.3.1低电压起动的过电流保护 低电压起动的过电流保护原理接线，如图7-6所示，它主要由电源继电器、低电压继电器等元件。 为了保证变压器及低压侧母线短路时的灵敏度，低电压继电器接在低电压母线的电压互感器二次接线电压上。为了保证发生在各种相间短路时低电压起动元件能够可靠动作，三个低电压继电器均接在线电压上，并且触点是并联的。1、 电流元件动作值整定电流元件动作值按躲过变压器的额定值电流整定，即 (2-10)式中可靠系数，取1.2返回系数0.82、低电压元件动作值整定低电压元件的动作值按正常运行的最低工作电压整定，即 式中U最低工作电压，一般取0.9UK返回系数，取1.153、电流元件的灵敏度校验 式中后备保护范围未端两相金属性短路时的最小短路电流。作近后备时，满足灵敏度要求；作远后备时，满足灵敏度要求。4、低电压元件的灵敏度校验 (2-13)式中后U备保护范围未端三相金属性短路时的最大残余电压。的要求与电流元件相同。5、动作时间整定动作时间整定与变压器的过电流保护式（2-9）相同 由于低电压起动的过电流保护，低电压继电器只接在一侧电压互感器TV上，当另一侧发生短路时，灵敏度往往不能满足要求。为此，可采用两套低电压继电器部分分别接在变压器高、低侧的TV上，并将触点并联来提高灵敏度，但其接线比较复杂。日前，广泛采用复合低电压起动的过电流保护和负序电流保护作为变压器的后备保护。3.2.3.2复合电压起动的过电流保护复合电压起动的过电流保护原理接线如图所示，它是由低电压继电器KV和连接在负序电压过滤器上的负序过电压继电器KVS共同组成电压起动元件，并将KV的线圈与KVN的动断触点串联后接入电压互感器二次侧的线电压，有效地提高了电压起动元件的灵敏度。当变压器发生对称时，因对称短路都是由不对称短路发展而成的，所以短路切除瞬间必然存在负序电压，KVN动作时，其动断触点打开，使低电压器KV因线圈失去电压而动作，起动整套装置。在短路发展为对称短路以后，随着负序电压的消失，KVN重新接于线电压，但低电压继电器因三相短路时的电压较低而不能返回，一直处于起动状态。当变压器发生不对称短路时，负序电压继电器动作，KVB随之动作，起动保护装置。1、电流继电器动作值整定 与低电压起动的过电流保护式（2-10）相同2、低电压继电器动作电压整定 与低电压起动的过电流保护式（2-11）相同。3、负序电压继电器整定负序电压继电器整定的一次动作电压，按正常运行时的不平衡电压整定，根据运行经验，一般取 4、 灵敏度校验（1）电流继电器的灵敏度与低电压起动过电流保护式（2-12）相同（2）低电压继电器的灵敏度与低电压起动的过电流保护式（2-13）相同（3）负序电压继电器的灵敏度按后备保护范围未端两相金属性短路时，保护安装处于的最小负序电压校验 式中后备保护范围未端短路时，保护安装处的最小负序电压。（4）动作时间整定与单侧供电变压器的过电流保护式（2-9）相同，有关变压器的其他后备保护，仅如下介绍；1. 负序过电流保护，接线比较简单、灵敏度较高，在Y，d接线的另一侧不对称短路的，灵敏度不受影响。但其整定计算比较复杂，通常使用在31.5MVA及以上的容量的升压变压器和系统联络变压器上。2.阻抗保护。上述后备保护灵敏度不能满足要求时，采用阻抗保护。因为阻抗不受运行方式变化的影响，所以灵敏度很高。3.2.4负序电流及单相式低电压起动过电流保护负序电流后备保护分类及单相式起动过电流保护的原理图由电流继电器2LF组成，作为不对称短路保护。由于它不能反应对称短路，必须加装一套相式低电压超支过电流保护，两套保护共同作用于时间继电器SF，经一定廷时，作用于跳开断路器。(1)躲开变压器正常运行时负序电流滤过器输出的最大不平衡电流，其值一般取为（0.10.2）Ie(2)躲开线路一相断线时引起的负序电流(3)与相邻元件的后备保护在灵敏度上相配合，保护的灵敏系数按下式校验 式中在远后备保护区未端发生不对称短路时，流过保护的最小负序电流 负序电流保护的动作电流负序电流保护对不对称短路有较高的灵敏系数。在变压器后发生不对称短路时保护装置的灵敏系数与变压器的接线方式无关，接线也比较简单，但其整定计算比较复杂，通常用于31.5MVA及以上的升压变压器和系统的联络变压器上。3.2.5变压器的过负荷保护1、保护特点及原理接线图 变压器长期处于过负荷运行状态，将会使绝缘老化，减短寿命，因此还需要装设过负荷保护。变压器过负荷时三相电流一般情况下是对称的，所以过负荷保护只需在一相上装设一个电流继电器，为了防止外部短路或短路时过负荷时发出不必要的信号，过负荷保护要经过廷时动作信号. 过负荷保护安装侧的选择，应能反应所有绕组过负荷情况，通常考虑如下：双绕组降压变压器的过负荷保护应装在高压侧。单侧电源的三组降压变压器，若三侧容量相同，过负荷保护仅装高以在电源侧，若三侧容量不同，则在电源侧和容量较小侧分别装高设过负荷保护。双侧电源的三绕组降压变压器或联络变压器三侧均装设过负荷保护。2、过负荷保护电流整定 过负荷保护的动作电流，按躲过变压器额定电流整定，即 式中 可靠系数 取1.05 返回系数，取0.85 保护安装侧变压器的额定电流过负荷保护动作时间，应比变压器后备保护的最大时限大12个时限级差。 致 谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师吴军老师和朋友们的热情帮助关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，吴军老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了吴军老师的悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他的广博的的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。在论文的写作过程中，也得到也许多同学的宝贵建议，同时还得到许多在工作过程中许多同学的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心的感谢！ 此致敬礼参考文献书籍：（1）供用电网络继电保护 2004年中国电力出版社 马丽主编（2）电力系统继电保护 1981年电力工业出版社 南京电力学校 主编（3）继电保护及自动装置 2005年中国电力出版社 郑州市电力局 主编（4）电力系统继电保护典型故障分析2001年中国电力出版社 国家电力调度通信中心编（5）高压电网继电保护运行技术 1984年中国水利水电出版社 （6）电力工程电气设计手册 能源部西北电力设计院 水利水电出版社 （7）发电厂电气设备 主编 于长顺 中国电力出版社 参考网站：1.www.cepp.com.cn 2.www.chinpoer.com.cn3.www.cfeph.cn 4.www.600795.com.cn