電力系統(tǒng)主設(shè)備保護專題（1）

――變壓器保護華北電力大學電氣與電子工程學院鄭濤zhengtao_sf@126.com教五樓B309參考書目《電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用》，王維儉編著，中國電力出版社，2002《發(fā)電機變壓器繼電保護應(yīng)用（第2版）》，國家電力調(diào)度通信中心組編，中國電力出版社，2005《電力系統(tǒng)繼電保護》，張保會等編，中國電力出版社，2005第一節(jié)故障類型、不正常運行狀態(tài)及其保護方式電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備。大容量變壓器造價十分昂貴，其故障會對供電可靠性和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴重的影響。因此應(yīng)根據(jù)變壓器容量和重要程度裝設(shè)性能良好、動作可靠的繼電保護裝置。（1）油箱內(nèi)部故障a、變壓器繞組相間短路；b、變壓器繞組匝間短路；c、變壓器繞組接地短路變壓器油箱內(nèi)部故障產(chǎn)生較大的短路電流，不僅會燒壞變壓器繞組和鐵心，而且由于絕緣油汽化，可能引起變壓器爆炸。一、變壓器故障類型（2）油箱外部故障a、絕緣套管的相間短路與接地短路；b、引出線上的發(fā)生的相間短路和接地短路；電壓等級220kV330kV500kV合計次數(shù)%次數(shù)%次數(shù)%次數(shù)%本體內(nèi)部故障匝間故障1130.5611002401433.33鐵芯故障12.7812.38相間接地故障822.22819.04套管故障1233.331201330.95分接開關(guān)故障411.11240614.28小計361001100510042100外部故障501354合計862896變壓器總臺數(shù)37211614414323本體故障變壓器臺數(shù)361542故障率（次/百臺·年）0.960.621.130.972004年全國220kV及以上大型變壓器故障統(tǒng)計

變壓器的不正常工作狀態(tài)：（1）由于外部短路引起的過電流；（2）負荷長時間超過額定容量引起的過負荷；（3）油箱漏油造成的油面降低；（4）由于外加電壓過高或頻率降低引起的過勵磁；對于不正常工作狀態(tài)，變壓器保護也必須能夠反應(yīng)。發(fā)告警信號，或延時跳閘。三、變壓器的保護配置瓦斯保護：輕瓦斯（信號）和重瓦斯（跳閘）針對：油箱內(nèi)的各種故障及油面降低。優(yōu)點：油箱內(nèi)部所有故障，有較高靈敏性。缺點：動作時間較長；不能反應(yīng)油箱外部的故障。縱差保護或電流速斷保護（根據(jù)變壓器容量選擇）反應(yīng)繞組、套管及引出線上的相間短路，在一定程度上反應(yīng)繞組內(nèi)部匝間短路及中性點接地側(cè)的接地短路。特點：瞬時動作切除故障主保護3.外部相間短路的后備保護

1）過電流保護2）復(fù)合電壓起動的過流保護3）負序電流保護和單相式低壓起動的過電流保護4）阻抗保護4.外部接地短路的后備保護

1）零序電流保護（若中性點接地）2）零序過電壓保護、在中性點裝放電間隙加零序電流保護5.過負荷保護

6.過勵磁保護7.其它非電氣量保護（油箱內(nèi)溫度、壓力升高、冷卻系統(tǒng)故障）延時跳閘或發(fā)信號第二節(jié)變壓器差動保護

一、變壓器縱差保護原理必須適當選擇兩側(cè)電流互感器的變比，使正常運行及外部故障時，流過差動繼電器的電流為0I-InTA1nTA2nT（變壓器兩側(cè)繞組匝數(shù)之比）

二、變壓器縱差保護的不平衡電流產(chǎn)生變壓器縱差保護不平衡電流的主要原因有：（1）變壓器兩側(cè)繞組接線方式不同；（2）變壓器、電流互感器的計算變比與實際變比不同；（3）變壓器帶負荷調(diào)節(jié)分接頭；（4）電流互感器傳變誤差的影響；（5）變壓器勵磁電流產(chǎn)生的不平衡電流；（6）變壓器勵磁涌流1．變壓器兩側(cè)繞組接線方式不同產(chǎn)生的不平衡電流YAI&YBI&YCI&DAI&DBI&DCI&aI&bI&cI&YAI&YBI&YCI&DAI&DBI&aI&bI&cI&（變壓器兩側(cè)繞組匝數(shù)之比）

變壓器接線方式引起不平衡電流的消除措施：采用電流相位補償（糾正）！第一種相位補償方式（Ｙ→Δ）：變壓器Y形側(cè)TA角接；變壓器Δ形側(cè)TA星形。變壓器保護微機化后，變壓器各側(cè)TA接線統(tǒng)一為Ｙ接線方式，電流相位補償措施通過軟件實現(xiàn)。第二種相位補償方式（Δ→Ｙ）：YAI&YBI&YCI&DAI&DBI&DCI&aI&bI&cI&YAI&YBI&YCI&DAI&DBI&aI&bI&cI&為防止變壓器Ｙ側(cè)區(qū)外接地故障時，零序電流導(dǎo)致差動保護誤動，需對Ｙ側(cè)電流進行減零處理。第三種繞組差動方式：對于高壓或特高壓大容量變壓器，由于體積龐大，為便于運輸，常由三個單相變壓器組成三相變壓器組。為構(gòu)成繞組差動保護方式提供了可能。缺陷：不能反映絕緣套管的相間或接地故障。差動保護的接線構(gòu)成簡單，不涉及電流相位補償問題。改進的繞組差動保護方式：差動保護的接線：由TA1和TA3構(gòu)成。TA2接于角側(cè)某相繞組內(nèi)部，測量對應(yīng)的繞組電流。角側(cè)各相繞組電流為：差動電流為：2.TA的計算變比與實際變比不同產(chǎn)生的不平衡電流

變壓器的變比、電流互感器的變比都是根據(jù)產(chǎn)品目錄來選擇的標準變比，很難滿足：克服措施：在微機保護中采取對不平衡電流進行補償?shù)姆椒?。I-InTA1nTA2nT對不平衡電流進行補償:3.變壓器調(diào)壓分接頭改變產(chǎn)生的不平衡電流4.兩側(cè)電流互感器傳變誤差產(chǎn)生的不平衡電流帶負荷調(diào)壓分接頭變壓器在運行中常常需要改變分接頭來調(diào)電壓，這樣就改變了nT，出現(xiàn)不平衡電流?？朔胧?整定時增大動作電流門檻值。變壓器兩側(cè)電流互感器的型號不同，勵磁特性差別較大1）穩(wěn)態(tài)不平衡電流I-InTA1nTA2nT外部故障時，短路電流中還含有非周期暫態(tài)分量，非周期分量按一定的時間常數(shù)衰減，是低頻分量，大部分流經(jīng)勵磁支路，增加TA的傳變誤差，導(dǎo)致不平衡電流增大。克服措施:

選用具有較好暫態(tài)傳變特性的TA；

增大動作電流門檻值；2）暫態(tài)不平衡電流當變壓器空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)過程中，由于變壓器鐵心中的磁通急劇增大，使變壓器鐵心瞬時飽和，出現(xiàn)數(shù)值很大的勵磁涌流。勵磁涌流可達變壓器額定電流的6～8倍，如不采取措施變壓器縱差保護將會誤動。5.變壓器勵磁涌流的影響××涌流產(chǎn)生原因:鐵芯中的磁通不能突變

穩(wěn)態(tài)時，磁通滯后電壓90°；當U=0時投入變壓器，鐵心出現(xiàn)磁通–Φm

，鐵心中磁通不能突變，必須產(chǎn)生+Φm

的非周期分量，以抵消–Φm，使得Φ=0，考慮到剩磁Φsy的影響，半個周波后，鐵心中的磁通達到最大值，嚴重飽和，對應(yīng)的勵磁涌流此時也達到最大。設(shè)電源電壓為正弦波:忽略電阻及漏抗壓降，根據(jù)Faraday‘sLaw，則有：

根據(jù)合閘初始條件，假設(shè)鐵芯有剩磁存在，則有：穩(wěn)態(tài)磁通分量+暫態(tài)磁通分量勵磁涌流的影響因素:產(chǎn)生勵磁涌流！當合閘初相角剩磁的大小和方向飽和磁通的大小理想情況下，不會產(chǎn)生勵磁涌流。單相變壓器勵磁涌流的特征：1、數(shù)值較大，可達額定電流的6～8倍，偏于時間軸一側(cè)；2、含有較大的直流分量；3、勵磁涌流中含有大量的諧波分量；4、勵磁涌流的波形中有間斷。三相變壓器勵磁涌流：克服勵磁涌流對變壓器差動保護影響一般采用勵磁涌流閉鎖措施。1）二次諧波制動原理；2）間斷角制動原理；3）波形對稱原理；三相繞組接線方式中性點接地方式三相鐵芯型式二次諧波制動原理：利用勵磁涌流含有大量諧波分量的特征，通過計算差動電流中的二次諧波電流分量與基波電流分量的幅值之比來判別勵磁涌流與故障電流。存在的問題：制動門檻K的取值。鐵芯材料（冷軋硅鋼片）外接長線路的影響二次諧波的制動方式1）或門閉鎖方式：三相差流中某一相判為勵磁涌流，閉鎖三相差動保護。2）按相閉鎖方式：三相差流中某一相判為勵磁涌流，僅閉鎖該相的差動保護。3）綜合相制動方式：利用三相差流中二次諧波最大值和基波最大值之比來制動差動保護。4）三取二方式三相差流中任意兩相差流的二次諧波含量大于定值，則閉鎖差動保護。間斷角閉鎖原理：通過檢測勵磁涌流波形中間斷角的大小來區(qū)分勵磁涌流和故障電流。在微機保護中需要較高采樣率才有可能實現(xiàn)間斷角的準確測量；考慮A/D芯片零漂對間斷角測量的影響，需采用高精度的A/D芯片

發(fā)生TA飽和時，可能使勵磁涌流的間斷角特征消失。波形對稱閉鎖原理：對于差動電流進行差分濾波，以盡可能地消除電流波形中所含有的衰減直流分量，然后利用經(jīng)差分濾波后的差流波形的前半波與后半波作對稱比較，根據(jù)比較的結(jié)果來判斷是否發(fā)生了勵磁涌流?；谧儔浩骰芈贩匠趟惴ǎ毫袑懺?、副邊回路方程如下：對第2個方程乘以變壓器變比K=N1/N2適用于變壓器正常運行、勵磁涌流、過勵磁和外部故障的情況，但對于變壓器內(nèi)部故障，由于變壓器模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生了變化。三、比率制動式縱差保護流入差動繼電器的不平衡電流與變壓器外部故障時的穿越電流有關(guān)，穿越電流越大，不平衡電流越大。比率制動差動保護，利用反應(yīng)變壓器穿越電流大小的制動電流，使保護動作電流隨制動電流而變化，當外部短路穿越電流增大，制動電流隨之增加，增強了外部故障時的制動作用，有效地防止了不平衡電流引起的誤動，同時提高了內(nèi)部故障時的靈敏度。目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字式變壓器縱差動保護，普遍使用兩折線或三折線比率制動特性。動作判據(jù)（方程）：

動作電流：

制動電流（3種取法）：

上述三種制動電流的計算方法，在正常運行和外部故障情況下，制動效果一致，但在內(nèi)部故障情況下，三者靈敏度有一定差別。以單相變發(fā)生內(nèi)部故障為例

，制動電流值較小制動電流值較大制動電流值最大顯然

，三者靈敏性：①>②>③比率制動特性的整定1）最小動作電流的確定躲過額定負載時的最大不平衡電流可靠系數(shù)，取1.3～1.5TA比誤差系數(shù)，10P型取0.03×2；5P和TP型取0.01×2調(diào)壓誤差系數(shù)，有載調(diào)壓變壓器取0.05TA匹配誤差系數(shù)，模擬型保護初取0.05；微機型取0工程中，一般取：2）最小制動電流的確定（拐點電流）3）比率制動特性的折線斜率3.1）最大動作電流按躲過區(qū)外故障最大不平衡電流計算。（以雙繞組變壓器為例說明）非周期分量系數(shù)，取1.5～2TA同型系數(shù)，取1.0與不同的制動原理有關(guān)，對雙繞組變壓器可取3.2）最大制動系數(shù)3.3）制動特性線的斜率4）靈敏性校驗最小運行方式下變壓器區(qū)內(nèi)兩相短路時最小短路電流TA二次值變壓器區(qū)內(nèi)故障最小短路電流對應(yīng)的差動保護動作電流四、差動電流速斷保護在變壓器嚴重內(nèi)部故障時，短路電流水平較高，使得電流互感器飽和，其二次電流中高次諧波分量增大，可能影響到比率差動保護的快速動作，因此，變壓器縱差動保護應(yīng)配置差動電流速斷保護，作為輔助保護加快內(nèi)部嚴重故障時保護的動作速度。五、零序電流差動保護1.故障特征分析變壓器Δ側(cè)繞組中的零序電流流不到Δ側(cè)線電流中，但不影響差動保護的靈敏度。Y側(cè)端口A相接地短路Y側(cè)繞組內(nèi)部A相接地短路接地短路將