电力变压器的继电保护

1、电力变压器的继电保护电力变压器的继电保护 一、概一、概 述述 GB50062-1992电力装置的继电保护和自动装置设计规范规定：对电力变压器的下列故障及异常运行方式，应装设相应的保护装置：(1) 绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路；(2) 绕组的匝间短路；(3)外部相间短路引起的过电流；(4) 中性点直接接地电力网中外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；(5) 过负荷；(6)油面降低；(7) 变压器温度升高，或油箱压力升高，或冷却系统故障。 对于高压侧为610kV的车间变电所主变压器来说，通常装设有带时限的过电流保护；如果过电流保护的动作时间大于0.50.7s时，还应

2、装设电流速断保护。容量在 800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器，按规定应装设瓦斯保护。容量在400kVA及以上的变压器，当数台并列运行或单台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。过负荷保护及瓦斯保护在变压器轻微故障时动作于信号；而其他保护包括瓦斯保护在变压器发生严重故障时一般均动作于跳闸。 对于高压侧为35kV及以上的工厂总降压变电所主变压器来说，也应装设过电流保护、电流速断保护和瓦斯保护（对油浸式变压器）；对有可能过负荷时，也应装设过负荷保护。如果单台运行的变压器容量在1000kVA及以上和并列运行的变压器每台容量在6300

3、kVA及以上时，则要求装设纵联差动保护来取代电流速断保护。 二、变压器低压侧短路时换算到高压侧的穿越电流值二、变压器低压侧短路时换算到高压侧的穿越电流值 常用的Yyn0联结和Dyn11联结的降压变压器在低压侧发生各种形式短路时在高压侧引起的穿越电流值，如表6-5所示。 表表6-5 变压器低压侧短路时在高压侧引起的穿越电流值变压器低压侧短路时在高压侧引起的穿越电流值 二、变二、变压器低压压器低压侧短路时侧短路时换算到高换算到高压侧的穿压侧的穿越电流值越电流值 常用的Yyn0联结和Dyn11联结的降压变压器在低压侧发生各种形式短路时在高压侧引起的穿越电流值，如表6-5所示。 下面分别就Yyn0联结

4、的变压器和Dyn11联结的变压器当其低压侧发生单相短路时在其高压侧引起的穿越电流的换算关系作一分析。其余的请读者自行分析。 1、Yyn0联结的变压器低压侧短路时在高压侧引起的穿越电流的换算关系分析 假设低压侧b相发生单相短路，其短路电流 。根据对称分量法，这一单相短路Ib 可分解为正序分量Ib1=Ib /3，负序分量Ib2 =Ib /3，零序分量Ib0 =Ib /3。由此可绘出该变压器低压侧b相短路时低压和高压两侧各序电流分量的相量图（设变压器的电压比为1），如图6-34所示。kbII图6-34 Yyn0联结的变压器低压侧b相短路时的电流相量分析（设变压器的电压比为1） 图6-35 Dyn11

5、联结的变压器在低压侧b相短路时的短路电流分布（设变压器两侧匝数比为1） 2、Dyn11联结的变压器低压侧单相短路时在高压侧引起的穿越电流的换算关系分析 假设Dyn11联结的变压器低压侧b相发生单相短路，则根据图6-34的相量图可知，其高压侧各相绕组中的电流分布应与Yyn0联结变压器高压绕组中的电流分布相同，而其高压侧三相线路中的电流分布则如图6-35所示。由于Dy联结的三相变压器两侧的电压比是指其两侧的线电压比，即 ，而线电压 ，故 ，即 。这说明Dy联结的变压器两侧绕组匝数比 。因此变压器低压侧b相发生单相短路时，其高压侧的所有电流（如图6-35所示）均应除以 。故如表6-5右下栏内的接线图

6、所示，A相电流为零，B相和C相电流均为 。12/KUU11,223UUUU12/3KUU12/3UUK12/3NNK3K/3kIKK(1)IkIkIkIkkI32kI31kI31ABCabcn 式中 为变压器的额定二次电流； 为不平衡系数，一般取为0.25； 为零序电流互感器TAN的变流比； 为可靠系数,可取1.3。2.N TIdsqKiKrelK 三、变压器低压侧的单相短路保护三、变压器低压侧的单相短路保护 对变压器低压侧的单相短路保护，可采用下列措施之一： (1)在变压器低压侧装设三相都带过流脱扣器的低压断路器。这一低压断路器，既作低压主开关，操作方便，且便于实现自动化，又可用来保护低压侧

7、的相间短路和单相短路。 (2)在变压器低压侧装设熔断器。这同样可用来保护低压侧的相间短路和单相短路；但熔断器熔断后需更换熔体后才能恢复供电，因此只适用于供不重要负荷的变压器。 (3) 在变压器低压侧中性点引出线上装设零序电流保护，如图6-36所示。这种零序电流保护的动作电流 按躲过变压器低压侧最大不平衡电流来整定，其整定计算的公式为 (0)opI（6-45）(0)2.reldsqopN TiKKIIK 零序电流保护的动作时间一般取为0.50.7s。 零序电流保护的灵敏度,按低压干线末端发生单相短路来检验。对架空线, ；对电缆线, 。 采用这种零序电流保护,灵敏度较高,但投资较大。1.5pS 1

8、.25pS 图6-36 变压器的零序电流保护 QF-高压断路器；TAN-零序电流互感器； KA-GL型电流继电器；YR-跳闸线圈 必须注意，高压侧如采用图6-38所示两相一继电器接线，则在低压侧b相短路时，高压侧的过电流继电器KA中无电流通过，不会动作，因此它不适于兼作低压侧的单相短路保护。 图6-37 适于变压器低压侧单相短路保护的过电流保护接线 a) 两相三继电器式接线 b) 三相三继电器式接线 (4) 高压侧采用两相三继电器接线或三相三继电器接线的过电流保护，如图6-37所示。这两种保护接线可使低压侧发生单相短路时的保护灵敏度大大提高。T 上述四项适于低压侧单相短路保护的措施中，以第一项

9、措施应用最广，因为它既满足了低压侧单相短路保护的要求，又操作方便，便于实现自动化。图6-38 高压侧采用两相一继电器接线的过电流保护 不适于兼作低压侧单相短路保护说明图 四、变压器的过电流保护、电流速断保护和过负荷保护 (一)变压器的过电流保护 变压器过电流保护的组成、原理，无论是定时限还是反时限，均与线路过电流保护相同。变压器过电流保护的动作电流整定计算公式也与线路过电流保护基本相同，仍按式（6-29）或式（6-30）计算，只是其中的 应改为 ，这里 为变压器的额定一次电流。其过电流保护动作时间亦按“阶梯原则”整定，与线路过电流保护完全相同。但对车间变电所（电力系统终端变电所）的变压器，其动

10、作时间可整定为最小值0.5s。 变压器过电流保护的灵敏度，按变压器低压侧母线在系统最小运行方式下发生两相短路时高压侧的穿越电流值来检验，要求 。如果灵敏度达不到要求，可采用低电压闭锁的过电流保护，如前面图6-27所示。 .maxLI1.(1.5 3)N TI1.N TI1.5pS (二)变压器的电流速断保护 变压器的电流速断保护，其组成、原理与线路的电流速断保护完全相同。变压器电流速断保护动作电流（速断电流）的整定计算公式也与线路速断保护基本相同，仍采用式（6-40）计算，只是其中的 应取低压母线的三相短路周期分量有效值换算到高压侧的穿越电流值，也就是变压器电流速断保护的动作电流应按躲过低压母

11、线三相短路电流周期分量有效值来整定。 变压器电流速断保护的灵敏度，按其装设的高压侧在系统最小运行方式下发生两相短路的短路电流 来检验，要求 。 变压器的电流速断保护，与线路的电流速断保护一样，也存在“死区”。弥补死区的措施，也是配置带时限的过电流保护。 考虑到变压器在空载投入或突然恢复电压时将出现一个冲击性的励磁涌流，为了避免这种情况下电流速断保护误动作，可在速断电流整定后，将变压器空载试投若干次，以检验速断保护是否误动作。 1.5pS .maxkI(2)kI 图6-39 变压器的定时限过电流保护、电流速断保护和过负荷保护的综合电路 (三)变压器的过负荷保护 变压器过负荷保护的组成、原理，与线

12、路过负荷保护完全相同。其动作电流的整定计算公式也与线路过负荷保护基本相同，也采用式（6-44）计算，只是其中的 应改为变压器的额定一次电流 。其动作时间一般取1015s。 图6-39所示为变压器的定时限过电流保护、电流速断保护和过负荷保护的综合电路图。30I1.N TI 例例6-66-6 某车间变电所装有一台10/0.4kV、1000kVA的变压器。已知变压器低压侧母线的三相短路电流 高压侧继电保护用电流互感器的变流比为100/5，继电器采用GL-15/10型，接成两相两继电器式。试整定该继电器的动作电流、动作时间及速断电流倍数。 解：解：(1)过电流保护动作电流的整定 取 而 ， =115.

13、5A A 因此动作电流整定为 9A。(3)14,kIkA1.3,relK1,0.8,100/520wreiKKK.max1.221000/(310)LN TIIkVAkV 故.max1.3 1115.59.40.820relwopLreiKKIIAKK (2)过电流保护动作时间的整定 考虑到车间变电所为系统终端变电所，因此过电流保护的10倍动作电流的动作时间整定为0.5s。 (3)电流速断保护速断电流的整定 取 ，而 ， 因此速断电流倍数整定为 1.5relK.max140.4/10560kIkAkVkVA.max1.5 15604220relwqbkiK KIIAK424.79qbqbopI

14、AnIA 五、变压器的差动保护 差动保护分纵联差动保护和横联差动保护两种。纵联差动保护用于单回路，横联差动保护用于双回路。这里讲的变压器差动保护是一种纵联差动保护。 差动保护利用故障时产生的不平衡电流来动作，保护灵敏度很高，而且动作迅速。按GB50052-1992规定：10000kVA及以上单独运行变压器和6300kVA及以上的并列运行变压器，变压器，应装设纵联差动保护；6300kVA及以下单独运行的重要变压器，也可装设纵联差动保护。当电流速断保护灵敏度不符合要求时，亦可装设纵联差动保护。 在变压器正常运行或差动保护的保护区外的k-1点发生短路时，变压器一次侧电流互感器TA1的二次电流 与变压

15、器二次侧电流互感器TA2的二次电流 相等或接近相等，因此流入电流继电器KA（或差动继电器KD）的电流 ，继电器KA（或KD）不动作。而在差动保护的保护区内k-2点发生短路时，对于单端供电的变压器来说， ，因此 ，超过继电器KA（或KD）所整定的动作电流 ，使KA（或KD）瞬时动作，然后通过出口继电器KM使断路器QF跳闸，同时通过信号继电器KS发出信号。 1I2I120KAIII20I 1KAII( )op dI (一) 变压器差动保护的基本原理 变压器差动保护，主要用来保护变压器内部以及引出线和绝缘套管的相间及相对外壳的短路，并且也可用来保护变压器的匝间短路，其保护范围在变压器一、二次侧所装电

16、流互感器之间。 图6-40是变压器纵联差动保护的单相原理电路图。图6-40 变压器纵联差动保护的单相原理电路图 (二)变压器差动保护中的不平衡电流及其减小措施 变压器差动保护是利用保护区内发生短路故障时变压器两侧电流在差动回路（即其连接继电器的回路）中引起的不平衡电流而动作的一种保护装置。这不平衡电流 。在变压器正常运行或保护区外短路时，希望 尽可能地小，理想情况下是 。但是这种理想情况几乎是不可能的，因为 不仅与变压器及电流互感器的接线方式和结构性能等因素有关，而且与变压器的运行有关，因此只能设法使之尽可能地减小。下面介绍不平衡电流产生的原因及其减小或消除的措施。12dsqIIIdsqI0d

17、sqIdsqI 在变压器正常运行或差动保护的保护区外的k-1点发生短路时，变压器一次侧电流互感器TA1的二次电流 与变压器二次侧电流互感器TA2的二次电流 相等或接近相等，因此流入电流继电器KA（或差动继电器KD）的电流 ，继电器KA（或KD）不动作。而在差动保护的保护区内k-2点发生短路时，对于单端供电的变压器来说， ，因此 ，超过继电器KA（或KD）所整定的动作电流 ，使KA（或KD）瞬时动作，然后通过出口继电器KM使断路器QF跳闸，同时通过信号继电器KS发出信号。 1I2I120KAIII20I1KAII()op dI (一) 变压器差动保护的基本原理 变压器差动保护，主要用来保护变压器

18、内部以及引出线和绝缘套管的相间及相对外壳的短路，并且也可用来保护变压器的匝间短路，其保护范围在变压器一、二次侧所装电流互感器之间。 图6-40是变压器纵联差动保护的单相原理电路图。图6-40 变压器纵联差动保护的单相原理电路图 1、由变压器接线引起的不平衡电流及其消除措施 工厂总降压变电所的主变压器通常采用Yd11联结组，这就造成变压器两侧电流有30的相位差。虽然可以通过恰当地选择变压器两侧电流互感器的变流比，使互感器二次电流相等，但由于这两个电流之间存在30相位差，所以在差动回路中仍然有相当大的不平衡电流 ，I2 为互感器二次电流。为了消除差动回路中的这一不平衡电流，因此将装设在变压器星形联

19、结一侧的电流互感器接成三角形联结，而将变压器三角形联结一侧的电流互感器接成星形联结，如图6-41a的电路所示。由图6-41b的相量图可知，这样联结使变压器两侧电流相位差相互补偿后，即可消除差动回路中因变压器两侧电流相位不同而引起的不平衡电流。2268. 0IIdsq 图6-41 Yd11联结变压器的纵联差动保护接线及电流相量分析 a)差动保护接线 b)电流相量分析 （假设变压器和互感器的变比均为1） 2、由变压器两侧电流互感器变流比选择引起的不平衡电流及其消除措施 由于变压器的电压比和电流互感器的变流比各有标准，因此不太可能使之完全配合恰当，从而不太可能使差动保护两边的电流完全相等，这就必然在

20、差动回路中产生不平衡电流，为了消除这一不平衡电流，可在电流互感器的二次回路接入一个自耦电流互感器来进行平衡，或利用速饱和电流互感器中的平衡线圈或专门的差动继电器中的平衡线圈来实现平衡，消除不平衡电流。 3、 由变压器励磁涌流引起的不平衡电流及其减小措施 由于变压器空载投入时产生的励磁涌流只通过变压器的一次绕组，而二次绕组因开路而无电流，从而在差动回路中产生相当大的不平衡电流。这可通过在差动回路中接入速饱和电流互感器，继电器则接在速饱和电流互感器的二次侧，以减小励磁涌流对差动保护的影响。 此外，在变压器正常运行和外部短路时，由于变压器两侧电流互感器的型式和特性不同，从而也在差动回路中产生不平衡电

21、流。变压器分接头电压的改变，改变了变压器的电压比，而电流互感器的变流比不可能相应改变，从而破坏了差动回路中原有的电流平衡状态，也会产生新的不平衡电流。总之，产生不平衡电流的因素很多，不可能完全消除，而只能设法使之减小到最小值。 (三)变压器差动保护动作电流的整定 变压器差动保护的动作电流 应满足以下三个条件： (1)应躲过变压器差动保护区外短路时出现的最大不平衡电流 ，即 式中 为可靠系数，可取1.3。 (2)应躲过变压器的励磁涌流，即 （6-47）式中 为变压器额定一次电流； 为可靠系数，可取1.31.5。 (3)在电流互感器二次回路断线且变压器处于最大负荷时，差动保护不应误动作，因此 （6

22、-48）式中 为最大负荷电流，取 ； 为可靠系数，可取1.3。( )op dI.maxdsqI （6-46）( ).maxop drel dsqIK IrelK( )1.op drelN TIKI1.N TIrelK( ).maxop drelLIKI.maxLI1.(1.2 1.3)N TIrelK 六、变压器的瓦斯保护 瓦斯保护的主要元件是瓦斯继电器（气体继电器）。它装在油浸式电力变压器的油箱与油枕（储油柜）之间的联通管中部，如图6-42所示。为了使油箱内产生的气体能够顺畅地通过瓦斯继电器排往油枕，变压器安装时应取1%1.5%的倾斜度，而在制造变压器时，联通管对油箱顶盖也有2%4%的倾斜度

23、。图6-42 瓦斯继电器在变压器上的安装 1-变压器油箱；2-联通管；3-瓦斯继电器（气体继电器）；4-油枕（储油柜） 图6-43 FJ3-80型瓦斯继电器的结构示意图 1-盖；2-容器；3-上油杯；4-永久磁铁；5-上动触点；6-上静触点； 7-下油杯；8-永久磁铁；9-下动触点；10-下静触点；11-支架； 12-下油杯平衡锤；13-下油杯转轴；14-挡板；15-上油杯平衡锤； 16-上油杯转轴；17-放气阀；18-接线盒(一) 瓦斯继电器的结构和工作原理 瓦斯继电器主要有浮筒式和开口杯式两种型式，现在广泛应用的是开口杯式。FJ3-80型开口杯式瓦斯继电器的结构示意图如图6-43所示。开口

24、杯式瓦斯继电器与浮筒式继电器相比，其抗振性较好，误动作的可能性大大减少，可靠性大大提高。 当变压器油箱内部发生轻微故障时，由故障产生的少量气体慢慢上升，进入瓦斯继电器容器内并由上而下地排除其中的油，使油面下降，上油杯因其中盛有残余的油而使其力矩大于另一端平衡锤的力矩而降落，如图6-44b所示。这时上触点闭合而接通信号回路，发出音响和灯光信号，这称为“轻瓦斯动作”。 当变压器油箱内部发生严重故障时，由于故障产生的气体很多，带动油流迅猛地由变压器油箱通过联通管进入油枕。这大量的油气混合体在经过瓦斯继电器时，冲击挡板，使下油杯下降，如图6-44c所示。这时下触点闭合而接通跳闸回路，使断路器跳闸，同时发出音响和灯光信号这称为“重瓦斯动作”。 如果变压器油箱漏油，使得瓦斯继电器容器内的油也慢慢流尽，如图6-44d所示。先是继电器的上油杯下降，发出报警信号，接着继电器的下油杯下降，使断路器跳闸，同时发出跳闸信号。 在变压器正常运行时，瓦斯继电器容器内的上下油杯均由于各自的平衡锤作用而升起，如图6-44a所