四川理工学院《电力系统分析》第 十 章变压器保护

1、第第 十十 章章 变压器保护变压器保护 电力变压器是电力系统中的重要电气设备。电力变压器是电力系统中的重要电气设备。大容量变压器造价十分昂贵，其故障会对供电可大容量变压器造价十分昂贵，其故障会对供电可靠性和系统的安全稳定运行带来严重的影响。因靠性和系统的安全稳定运行带来严重的影响。因此，应根据变压器容量和重要程度，装设性能良此，应根据变压器容量和重要程度，装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。好、动作可靠的继电保护装置。第一节第一节 故障类型、不正常运行状态故障类型、不正常运行状态及其保护方式及其保护方式（1 1）油箱内部故障）油箱内部故障 变压器油箱内部故障变压器油箱内部故障产生较大的短路电

2、流，产生较大的短路电流，不仅会烧坏变压器绕组不仅会烧坏变压器绕组和铁心，而且由于绝缘和铁心，而且由于绝缘油汽化，可能引起变压油汽化，可能引起变压器爆炸。器爆炸。 一、变压器故障类型一、变压器故障类型 一、变压器故障类型一、变压器故障类型（1 1）油箱内部故障）油箱内部故障 a a、变压器绕组、变压器绕组 相间短路；相间短路； 一、变压器故障类型一、变压器故障类型（1 1）油箱内部故障）油箱内部故障 a a、变压器绕组、变压器绕组 相间短路；相间短路； b b、变压器绕组、变压器绕组 匝间短路；匝间短路；（1 1）油箱内部故障）油箱内部故障 a a、变压器绕组、变压器绕组 相间短路；相间短路；

3、b b、变压器绕组、变压器绕组 匝间短路；匝间短路； c c、变压器绕组、变压器绕组 接地短路。接地短路。 一、变压器故障类型一、变压器故障类型（2 2）油箱外部故障）油箱外部故障 保护范围的划分保护范围的划分线线路路保保护护的的范范围围变压器保护的范围变压器保护的范围（2 2）油箱外部故障）油箱外部故障 a a、绝缘套管的相间短路与接地短路；、绝缘套管的相间短路与接地短路； b b、引出线上的发生的相间短路和接地短路。、引出线上的发生的相间短路和接地短路。变压器的不正常工作状态：变压器的不正常工作状态：（1 1）由于外部短路引起的）由于外部短路引起的过电流过电流；（2 2）负荷长时间超过额定

4、容量引起的）负荷长时间超过额定容量引起的过负荷过负荷；（3 3）油箱漏油造成的）油箱漏油造成的油面降低油面降低；（4 4）由于外加电压过高或频率降低引起的）由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁过励磁。 对于不正常工作状态，变压器保护也必须能够反对于不正常工作状态，变压器保护也必须能够反应应发告警信号，或延时跳闸。发告警信号，或延时跳闸。 三、变压器的保护配置三、变压器的保护配置1. 瓦斯保护瓦斯保护 轻瓦斯轻瓦斯（信号）和（信号）和重瓦斯重瓦斯（跳闸）（跳闸） 针对针对油箱内油箱内的各种故障及油面降低。的各种故障及油面降低。 优点：油箱内部所有故障优点：油箱内部所有故障, ,有较高灵敏性。有

5、较高灵敏性。 缺点：缺点：1 1）动作时间较长；）动作时间较长； 2 2）不能反应油箱外部的故障。）不能反应油箱外部的故障。2.2.纵差保护或电流速断保护纵差保护或电流速断保护 特点：瞬时动作切除故障特点：瞬时动作切除故障主主保保护护2.2.纵差保护或电流速断保护纵差保护或电流速断保护 （根据变压器容量选择）（根据变压器容量选择） 主要反应绕组、套管及引主要反应绕组、套管及引出线上的相间短路，并在一出线上的相间短路，并在一定程度上反应绕组内部匝间定程度上反应绕组内部匝间短路及中性点接地侧的接地短路及中性点接地侧的接地短路。短路。 特点：瞬时动作切除故障特点：瞬时动作切除故障2.2.纵差保护或电

6、流速断保护纵差保护或电流速断保护 （根据变压器容量选择）（根据变压器容量选择） 主要反应绕组、套管及引主要反应绕组、套管及引出线上的相间短路，并在一出线上的相间短路，并在一定程度上反应绕组内部匝间定程度上反应绕组内部匝间短路及中性点接地侧的接地短路及中性点接地侧的接地短路。短路。 特点：瞬时动作切除故障特点：瞬时动作切除故障3 3、外部相间短路的后备保护、外部相间短路的后备保护 1 1）过电流保护）过电流保护 2 2）复合电压起动的过流保护）复合电压起动的过流保护 3 3）负序电流保护和单相式低压起动的）负序电流保护和单相式低压起动的 过电流保护过电流保护 4 4）阻抗保护）阻抗保护4 4、外

7、部接地短路的后备保护、外部接地短路的后备保护 1 1）零序电流保护（若中性点接地）零序电流保护（若中性点接地） 2 2）零序过电压保护、在中性点装放电）零序过电压保护、在中性点装放电 间隙加零序电流保护间隙加零序电流保护延延时时跳跳闸闸或或发发信信号号延延时时跳跳闸闸或或发发信信号号5 5、过负荷保护、过负荷保护 6 6、过励磁保护、过励磁保护7 7、其它非电气量保护、其它非电气量保护 （油箱内温度、压力升高，（油箱内温度、压力升高， 冷却系统故障）冷却系统故障）2 .TAn1 .TAn第二节第二节 变压器差动保护变压器差动保护一、一、变压器纵差保护原理变压器纵差保护原理 基本原理仍然是：基尔

8、霍夫电流定律。使正常运基本原理仍然是：基尔霍夫电流定律。使正常运行及外部故障时，流过差动继电器的电流为行及外部故障时，流过差动继电器的电流为0 0。NIMIMINI0 NMII希希望望：在在非非内内部部故故障障时时， 1021 .TAN.TAMnInI即即：2 .TAn1 .TAnNIMIMINI 2021 NMIWIW因因此此，有有：安安匝匝数数相相等等，正正常常时时，忽忽略略励励磁磁电电流流 122121.TA.TATnnWWn 式式，可可得得：、联联立立求求解解 该式表明了两侧该式表明了两侧TA变比与变比与变压器变比之间的理想关系变压器变比之间的理想关系( (未考虑变比的未考虑变比的 关

9、系关系) )。3 二、变压器纵差保护的不平衡电流（影响因素）二、变压器纵差保护的不平衡电流（影响因素） 变压器差动保护有其具体的特点。变压器差动保护有其具体的特点。引起变压器纵差保护不平衡电流的引起变压器纵差保护不平衡电流的主要因素主要因素有：有：（1 1）变压器两侧绕组接线方式不同；）变压器两侧绕组接线方式不同；（2 2）变压器、电流互感器的计算变比与实际变比）变压器、电流互感器的计算变比与实际变比 不同；不同；（3 3）变压器带负荷调节分接头；）变压器带负荷调节分接头；（4 4）电流互感器传变误差的影响；）电流互感器传变误差的影响；（5 5）变压器励磁电流产生的不平衡电流；）变压器励磁电流

10、产生的不平衡电流；（6 6）变压器励磁涌流。）变压器励磁涌流。 特殊问题及对策归纳：特殊问题及对策归纳：（1 1）接线方式不同）接线方式不同（2 2）TATA变比不同变比不同（3 3）调压分接头）调压分接头（4 4）TATA传变误差传变误差（5 5）不平衡电流）不平衡电流（6 6）变压器励磁涌流变压器励磁涌流 对策对策 二次修正二次修正 二次修正二次修正 定值考虑定值考虑 定值考虑定值考虑 定值考虑定值考虑 识别、闭锁识别、闭锁 （仍然研究）（仍然研究）微机保护微机保护易于实现易于实现微机保护识别涌流的能力提高了很多微机保护识别涌流的能力提高了很多1 1、变压器两侧、变压器两侧绕组接线方式不同

11、产生的不平衡绕组接线方式不同产生的不平衡 相位变化引起的相位变化引起的YAIYBIYCIDAIDBIDCIaIbIcIYAIYBIYCIDAIDBIaIbIcI TYAYCacCTYCYBcbBTYBYAbaAn)II(IIIn)II(IIIn)II(IIID DD DD DYAIYCIYBID DAID DBID DCI30TA二次的二次的接法：接法：变压器变压器 Y形侧形侧二次侧接成二次侧接成形；形； （非微机）（非微机） 变压器变压器形侧形侧二次侧二次侧接成接成Y形。形。AYBYAdAI)II(ID D BYCYBdBI)II(ID D CYAYCdCI)II(ID D 对于非微机保护，

12、对于非微机保护，通过通过TATA的二次接线，的二次接线，完成相位修正：完成相位修正：Y侧二次修正侧二次修正微机变压器保护的微机变压器保护的TA接法：接法：全全Y接入接入( (回路简单回路简单) )。YAIYBIYCIaIbIcID DAID DBID DCIYAIYBIYCID DAID DBID DCI零线零线微机变压器保护的微机变压器保护的TA接法：接法：全全Y接入接入( (回路简单回路简单) )。YAIYBIYCIaIbIcID DAID DBID DCIYAIYBIYCID DAID DBID DCI零线零线AYBYAdAI)II(ID D BYCYBdBI)II(ID D CYAYC

13、dCI)II(ID D 对于微机保护，对于微机保护，通过内部计算，完通过内部计算，完成相位修正：成相位修正：内部计算内部计算修正修正2 2、TA的计算变比与实际变比不同产生的不平衡的计算变比与实际变比不同产生的不平衡 NIMIMINIT.TA.TAnnn 12前前面面已已经经说说明明，希希望望： 实际工程中，变压器的变比、实际工程中，变压器的变比、电流互感器的变比都是根据产电流互感器的变比都是根据产品目录确定的标准变比，有时品目录确定的标准变比，有时难以满足：难以满足： 由此产生了误差。由此产生了误差。T.TA.TAnnn 12克服措施：克服措施：对不平衡电流进行补偿。对不平衡电流进行补偿。传

14、统的方法之一如右图。传统的方法之一如右图。 TTATAnnnn211D D变变比比误误差差：NIMIMININIMIMINI MI0 N MII满足：满足：克服措施：克服措施：对不平衡电流进行补偿。对不平衡电流进行补偿。传统的方法之一如右图。传统的方法之一如右图。 TTATAnnnn211D D变变比比误误差差：NIMINI MI0 N MII满足：满足：克服措施：克服措施：对不平衡电流进行补偿。对不平衡电流进行补偿。传统的方法之一如右图。传统的方法之一如右图。 TTATAnnnn211D D变变比比误误差差：T.TA.TAnnn 12满满足足：微机保护允许任意的微机保护允许任意的TA变比。变

15、比。T.TA.TAT.TA.TAnnnknnn 1212时时，取取：在在02 .1 . TANTAMnkInI从从而而满满足足：21.TA.TATnnnk 即即：0 kIINM内部计算：内部计算：之之后后的的测测量量值值。均均为为、其其中中，D/AIINM3 3、变压器带负荷调整分接头产生的不平衡、变压器带负荷调整分接头产生的不平衡 带负荷调压分接头变压器在运行中常常需要带负荷调压分接头变压器在运行中常常需要改变分接头来调电压，这样就改变了改变分接头来调电压，这样就改变了n n T T，出现不，出现不平衡差流。平衡差流。克服措施：克服措施：整定时增大动作电流门槛值。整定时增大动作电流门槛值。4

16、 4、两侧电流互感器传变误差产生的不平衡、两侧电流互感器传变误差产生的不平衡 1 1）稳态不平衡电流）稳态不平衡电流 变压器两侧电流互感器的型号不同，励磁特性变压器两侧电流互感器的型号不同，励磁特性 差别较大。差别较大。 21221121rIIIIIIIII 1I1I1I 1L2LmLlayRe一个电流互感一个电流互感器的等值图器的等值图0 2 2）暂态不平衡电流）暂态不平衡电流 外部故障时，短路电流中还含有非周期暂态分量，外部故障时，短路电流中还含有非周期暂态分量，非周期分量按一定的时间常数衰减，是低频分量，非周期分量按一定的时间常数衰减，是低频分量，大部分流经励磁支路，增加了大部分流经励磁

17、支路，增加了TATA的传变误差，导致的传变误差，导致不平衡电流增大。不平衡电流增大。 克服措施：克服措施：暂态暂态 选用具有较好暂态传变特性的选用具有较好暂态传变特性的TA； （如：（如：TPY型型TA） 稳态稳态 增大动作电流门槛值。增大动作电流门槛值。4 4、两侧电流互感器传变误差产生的不平衡、两侧电流互感器传变误差产生的不平衡 当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中，由于变压器铁芯中的磁通急剧增大，使变压器铁中，由于变压器铁芯中的磁通急剧增大，使变压器铁芯瞬时饱和，出现数值很大的芯瞬时饱和，出现数值很大的励磁电流（称为：励磁励磁电流（称

18、为：励磁涌流）涌流）。 励磁涌流可达变压器额定电流的励磁涌流可达变压器额定电流的 6 68 8 倍，如不采倍，如不采取措施，变压器纵差保护将会误动。取措施，变压器纵差保护将会误动。5 5、变压器励磁涌流的影响、变压器励磁涌流的影响 稳态时，存在：稳态时，存在： ， 因此，磁通滞后电压因此，磁通滞后电压9090。t tu t 稳态磁通稳态磁通 dttdtu 涌流产生原因：涌流产生原因： 由于铁芯中磁通不能突变，所以，必须产生一个由于铁芯中磁通不能突变，所以，必须产生一个 +m m 的非周期分量，以抵消的非周期分量，以抵消 m m，使得，使得=0=0。m m t tu t 稳态磁通稳态磁通 。芯芯

19、将将出出现现时时，投投入入变变压压器器，则则铁铁如如果果0tu m 。芯芯将将出出现现时时，投投入入变变压压器器，则则铁铁如如果果0 tu 由于铁芯中磁通不能突变，所以，必须产生一个由于铁芯中磁通不能突变，所以，必须产生一个 +m m 的非周期分量，以抵消的非周期分量，以抵消 m m，使得，使得=0=0。m 假设：不衰减假设：不衰减的非周期分量的非周期分量m m t tu t 稳态磁通稳态磁通m 的的影影响响。再再考考虑虑变变压压器器的的剩剩磁磁SY m m t tu t 稳态磁通稳态磁通SYm SY 剩剩磁磁SYmmSYm 2最最大大的的磁磁通通：于于是是，半半周周后后，出出现现了了m m

20、t tu t 稳态磁通稳态磁通SYm 2SYm SYmmSYm 2最最大大的的磁磁通通：于于是是，半半周周后后，出出现现了了m m t tu t 最大磁通最大磁通SYm SYm 2SYmmSYm 2最最大大的的磁磁通通：于于是是，半半周周后后，出出现现了了t tu t 最大磁通最大磁通SYm 2 I00电流很大电流很大磁化曲线磁化曲线t tu t 最大磁通最大磁通SYm 2 I00电流很大电流很大磁滞曲线磁滞曲线 铁芯中的磁通达到最大值铁芯中的磁通达到最大值 变压器变压器严重饱和严重饱和 励磁阻抗降低励磁阻抗降低 对应的励磁电流很大对应的励磁电流很大 类似于类似于“涌动的潮流涌动的潮流”，故，

21、简称，故，简称“励磁涌流励磁涌流”。在电压为峰值（或谷值）时合闸，则涌流最小。在电压为峰值（或谷值）时合闸，则涌流最小。单相变压器单相变压器励磁涌流的特征：励磁涌流的特征：1 1、数值较大，可达额定电流的、数值较大，可达额定电流的6 68 8倍，偏于时间倍，偏于时间 轴的一侧（含有较大的直流分量）；轴的一侧（含有较大的直流分量）；2 2、励磁涌流中含有大量的谐波分量；、励磁涌流中含有大量的谐波分量；3 3、励磁涌流的波形中有间断。、励磁涌流的波形中有间断。 三相变压器励磁涌流三相变压器励磁涌流至少一相有涌流，因至少一相有涌流，因为，至少有一相在电压非峰值、非谷值时合闸。为，至少有一相在电压非峰

22、值、非谷值时合闸。一个典型的电流波形如下：一个典型的电流波形如下： 励磁涌流的特征励磁涌流的特征 1 1、偏向一侧、偏向一侧 2 2、谐波分量大、谐波分量大3 3、波形中有间断、波形中有间断 为了克服励磁涌流对变压器差动保护的影响，一为了克服励磁涌流对变压器差动保护的影响，一般采用：励磁般采用：励磁涌流闭锁涌流闭锁措施。措施。 对策对策 波形对称原理波形对称原理 二次谐波制动原理二次谐波制动原理 间断角制动原理间断角制动原理 其中，二次谐波制动（闭锁）原理应用的最多，其中，二次谐波制动（闭锁）原理应用的最多，也最成熟。也最成熟。闭锁差动。闭锁差动。时时基波基波二次谐波二次谐波典型值取：典型值取

23、： 15%波形对称原理波形对称原理 S S1- SS正常时，正常时， 1-SSSSmax，涌流时，涌流时，波形对称波形对称波形不对称波形不对称 采取各种励磁采取各种励磁涌流闭锁涌流闭锁措施后，带来的问题：措施后，带来的问题： 1 1）合闸在有故障的变压器时）合闸在有故障的变压器时会延时动作。会延时动作。 例如：采用二次谐波制动时，需要等谐波衰减后，例如：采用二次谐波制动时，需要等谐波衰减后， 才能够动作。才能够动作。 2 2）大型变压器的涌流特征可能不明显）大型变压器的涌流特征可能不明显。 难点：涌流与短路的区别。难点：涌流与短路的区别。三、比率制动式纵三、比率制动式纵差保护差保护纵差动保护的

24、主要问题：纵差动保护的主要问题：1）区外短路故障的不平衡电流；）区外短路故障的不平衡电流；2）变压器空载投入时，励磁涌流的影响；）变压器空载投入时，励磁涌流的影响；3）内部短路故障时，还要保证差动保护的灵敏性）内部短路故障时，还要保证差动保护的灵敏性 和快速性。和快速性。 比率差动可以兼顾不平衡电流与灵敏性。比率差动可以兼顾不平衡电流与灵敏性。 比率差动的制动门槛是随着电流而浮动的。比率差动的制动门槛是随着电流而浮动的。 类似于线路差动保护的动作方程。类似于线路差动保护的动作方程。 目前广泛应用的数字目前广泛应用的数字式变压器纵差动保护，式变压器纵差动保护，普遍使用两折线或三折普遍使用两折线或

25、三折线比率制动特性。线比率制动特性。 )II(SIIIII0resresmin.opopdmin.opd动作判据：动作判据： 21dIII 21resII21I 21resI，ImaxI 或或动作电流：动作电流： 制动电流：制动电流： 21dIII 21II 0 .resImin.opI比率系数比率系数 四、差动电流速断保护四、差动电流速断保护 变压器内部严重故障时，短路电流很大，使得电变压器内部严重故障时，短路电流很大，使得电流互感器饱和，二次电流中高次谐波分量增大，可流互感器饱和，二次电流中高次谐波分量增大，可能影响到比率差动保护的快速动作，因此，变压器能影响到比率差动保护的快速动作，因此

26、，变压器纵差动保护可配置差动电流速断保护。纵差动保护可配置差动电流速断保护。21dIII 21II 0 .resImin.opI差流速断差流速断五、零序电流差动保护五、零序电流差动保护由变压器中性点侧零序电流互感器和变压器星形由变压器中性点侧零序电流互感器和变压器星形侧电流互感器的零序回路构成侧电流互感器的零序回路构成 。优点：优点：不受励磁涌流、电压分接头调整的影响。不受励磁涌流、电压分接头调整的影响。但是，中性点但是，中性点TA特性还不太理想，极性的验证特性还不太理想，极性的验证（正常无电流）。（正常无电流）。后备保护的作用：后备保护的作用：防止外部故障引起的变压器绕组防止外部故障引起的变压器绕组 过电流，并作为相邻元件（母线过电流，并作为相邻元件（母线 或线路）保护的后备，以及在可或线路）保护的后备，以及在可 能条件下作为变压器内部故障时能条件下作为变压器内部故障时 主保护的后备。主保护的后备。第三节第三节 变压器后备保护变压器后备保护主要包括：主要包括： 相间短路后备保护、接地短路后备保护。相间短路后备保护、接地短路后备保护。 后备保护主要以各种相电流、零序电流、负序后备保护主要以各种相电