变压器保护培训

1、 变 压 器 保 护 员工培训讲义 变压器保护概述 现代化工业企业广泛采用电力作为能源，而发电厂发出的电力往往需经远距离传输才能到达用电地区。在传输的功率恒定时，传输电压越高，则所需的电流越小。线损正比于电流的平方，用较高的输电电压可以获得较低的线路压降和线路损耗。制造输出电压很高的发电机在技术上很困难，而用专门的电力设备将发电机端的电压升高以后再输送出去可以取得同样的效果，这种专门的设备就是变压器。同样，在受电端又必须用降压变压器将高压降低到配电系统的电压，故要经过一系列配电变压器将高压降低到合适的值以供使用。在发电厂或变电站，通过变压器将两个不同电压等级的系统联起来，该变压器称作联络变压器

2、。 由以上可知，变压器是一种通过改变电压而传输交流电能的静止感应电器。变压器除了应用在电力系统中，还应用在需要特种电源的工矿企业中。例如：冶炼用的电炉变压器、电解或化工用的整流变压器、焊接用的电焊变压器、试验用的试验变压器、交通用的牵引变压器以及补偿用的电抗器、保护用的消弧线圈、测量用的互感器等等。 500KV单相和三相共体变压器的参数 500 kV大型变压器按铁心和绕组结构形式可分为单相和三相共体2种形式。以日本东芝公司750 MVA、500/220/35 kV自耦有载调压强油风冷变压器为例，2种形式变压器的外形、质量比较如表1所示。目前90%以上的500KV变压器为单相分立式结构运输质量/

3、t运输尺寸（LWH）/m油质量/t总质量/t安装尺寸（LWH）/m单相（250 MVA）近似于140近似于73.64.154215近似于979.6三相共体（750 MVA）近似于358近似于154.54.9145530近似于14.5911表1单相和三相共体变压器的外形、质量变压器的基本结构 通常的电力变压器大部分为油浸式。铁芯和绕组都浸放在盛满变压器油的油箱之中，各绕组的端点通过绝缘套管而引至油箱的外面，以便与外线路连接。电力变压器主要由五个部分组成：铁芯变压器的铁芯是变压器的磁路。由于变压器铁芯中的磁通为一交变磁通，为了减小涡流损耗，变压器的铁芯用电工钢片叠成，钢片的厚度为0.35mm，在相

4、邻两钢片之间涂有一层绝缘漆。绕组由于变压器高低压侧的电压之比即为两侧绕组的匝数比，所以通过改变高低压绕组的匝数比就可以制造出不同电压等级和变比的变压器。油箱电力变压器的油箱一般都做成椭圆形。在油箱顶盖上有一排气管（亦称安全气道），它是作为保护变压器油箱用的，它是一个长钢管，上端部装有一定厚度的玻璃板。当变压器内部发生严重事故而有大量气体形成时，油管内的压力增加，油流和气体将冲破玻璃板向外喷出，以免油箱受到强烈的压力而爆裂。变压器油除了极少数例外，装配好了的电力变压器的铁芯和绕组都需浸在变压器油中。变压器油的作用是双重的：一方面，由于变压器油有较大的介质常数，它可以增强绝缘；另一方面，铁芯和绕组

5、中由于损耗而发出热量，通过油在受热后的对流作用把热量传送到铁箱表面，再由铁箱表面散发到四周。绝缘套管绝缘套管由中心导电铜杆与瓷套等组成。通过绝缘套管将变压器各绕组的两端引到变压器壳体之外。变压器的基本原理如图所示，高低压侧电势分别为E1和E2，则：所以：即变压器高低压侧电压之比就是绕组的匝数比，这就是变压器实现电压变化的原理。变压器的分类 1）按用途分类：有电力变压器、特种变压器（如：电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、冲击变压器、电抗器、互感器等）。2）按结构型式分类：有单相变压器、三相变压器、多相变压器。3）按冷却介质分类：有干式变压器、液（油）浸变压器、充气变压器等。4）按冷

6、却方式分类：有自然冷式、风冷式、水冷式、强迫油循环风（水）冷方式、水内冷式等。 变压器的接线组别 接线组别反应了变压器各侧绕组的接线方式和电压相位关系，如Y/d11、Y/Y12、Y/Y12/Y12、 Y/d11/d11等。Y表示星形接线，d表示三角形接线，数字表示高压侧线电压超前于低压侧线电压的角度除以30。例如： Y/Y12/Y12：表示高、中、低三侧都是星形接线，高压侧线电压超前于中压侧和低压侧线电压360o。Y/d11/d11：表示高压侧绕组星形接线，中压侧和低压侧三角形接线，高压侧线电压超前于中压侧和低压侧线电压330o。变压器的故障及不正常运行方式变压器的故障若根据故障点的位置对故障

7、进行分类，则变压器的故障可分为油箱内的故障和油箱外的故障两种。油箱内部的故障：主要有各侧的相间短路、大电流系统侧的单相接地短路及同相部分绕组之间的匝间短路。油箱外的故障：指变压器绕组引出端绝缘套管及引出短线上的故障，主要有相间短路（两相短路及三相短路）故障、大电流侧的接地故障、低压侧的接地故障。变压器的异常运行方式大型超高压变压器的不正常运行方式主要有：系统故障或其他原因引起的过负荷；系统电压的升高或频率的降低引起的过激磁；不接地运行变压器中性点电位升高；变压器油箱油位异常；变压器温度过高及冷却器全停。变压器保护配置 短路故障的主保护变压器短路故障的主保护主要有：纵差保护、重瓦斯保护、压力释放

8、保护。另外，根据变压器的容量、电压等级及结构特点，可配置零差保护及分侧差动保护。短路故障的后备保护目前，电力变压器上采用较多的短路故障后备保护种类主要有：复合电压闭锁过流保护、零序过电流或零序方向过电流保护、负序过电流或负序方向过电流保护、复压闭锁功率方向保护、低阻抗保护等。异常运行保护变压器异常运行保护主要有：过负荷保护、过激保护、变压器中性点间隙保护、轻瓦斯保护、温度保护、油位保护及冷却器全停保护等。500KV变压器保护系统典型接线及保护配置图 500KV变压器保护RCS978C保护配置表 链接P7：500KV变压器保护配置表 220KV变压器保护系统接线及保护配置（三圈变，低压侧双分支）

9、 220KV变压器保护RCS978E保护配置表 链接P9：220KV变压器保护保护配置表 变压器纵差保护 差动保护的不平衡电流变压器差动保护不同于线路差动保护，因为变压器差动保护的不平衡电流远大于线路差动保护不平衡电流，因此变压器差动保护的灵敏度及可靠程度都存在问题。而差动保护动作方程之所以为三折线的差动方程，就是为了可靠躲过不平衡电流，同时又保证差动保护的灵敏度。因为短路电流越大，不平衡电流也越大，所以差动方程的动作门槛随着短路电流的增大而抬高。变压器差动保护不平衡电流产生的原因主要有以下几方面：1) 稳态情况下的不平衡电流由于变压器各侧电流互感器型号不同，即各侧电流互感器的饱和特性和励磁电

10、流不同而引起的不平衡电流。它必须满足电流互感器的10%误差曲线的要求。由于实际的电流互感器变比和计算变比不同引起的不平衡电流。由于改变变压器调压分接头引起的不平衡电流。由于变压器运行过励磁而引起的不平衡电流。2) 暂态情况下的不平衡电流由于短路电流的非周期分量（主要为电流互感器的励磁电流）使其铁芯饱和误差增大而引起不平衡电流。变压器空载合闸的励磁涌流，仅在变压器一侧有电流。稳态低值差动保护 如图所示，首先规定TA的正极性端在母线侧，电流参考方向由母线流向变压器为正方向。差动保护的动作方程： 式中Id为差动电流，是各侧电流的相量和，Ir为制动电流，为各侧电流幅值和的1/2，差动方程为三折线式的方

11、程，由三条直线方程组成，以Ir的取值范围来划分，第一段直线的斜率为0.2（）第二段直线的斜率为Kbl，称为差动比例系数，是一个可变的定值（）。第三段直线的斜率为0.75（）。区内故障时差动保护动作分析 如图所示，区内故障时，各侧短路电流都是由母线流向变压器，和参考方向一致，为正值，所以差动电流为：此时差动电流很大，容易满足差动主程，差动保护动作。 区外故障时差动保护动作分析如图所示，在低压母线上发生故障。高、中压侧短路电流由母线流向变压器，和参考方向一致，为正值。低压侧电流由变压器流向母线，和参考方向相反，为负值。把变压器看成电路上的一个节点，由节点电流定理可知，流入的电流等于流出的电流，即电

12、流相量和为0，所以差动电流为：此时制动电流为各侧电流的幅值和，值很大，所以差动保护不动作。TA饱和时波形TA饱和问题及解决措施 上图中所示为在实验室做TA饱和实验时的录波图，TA深度饱和，图中虚线为一次电流波形，实线为二次电流波形。可见，TA饱和时二次电流严重畸变，变为尖顶波，二次电流不能正确反映一次电流。TA饱和时二次波形有如下特征：1）二次电流波形有严重缺损，显著非正弦。2）在短路后TA很快进入深饱和，以致二次绕组的感应电动势降为零。在相应的一段时间内二次电流为零，此时一次电流全部成为励磁电流。3）当一次电流全部成为励磁电流后，随着其瞬时值的下降，TA逐渐退出饱和。4）当一次电流恢复初始的

13、极性又上升时，由于有剩磁存在，铁心又很快饱和，二次电流又降为零。变压器区外故障伴随TA饱和时，差动保护会误动 如图所示，在变压器低压母线上发生故障，如果低压侧TA深度饱和，测量到的电流I3很小，假设为零，则此时差动电流为：而I1和I2都是由母线流向变压器，为正值，所以此时差动电流Id很大，可能造成差动保护误动。TA饱和判据 为防止在变压器区外故障等状态下TA的暂态与稳态饱和所引起的稳态比率差动保护误动作，装置利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别TA是否饱和，所用的表达式如下：其中，为电流中的二次谐波，为电流中的三次谐波，为电流中的基波，为某一比例常数。当与某相差动电流有关的电流满足以上表达

14、式即认为此相差流为TA饱和引起，闭锁稳态比率差动保护。 稳态高值比例差动保护 由于稳态低值比例差动保护受TA饱和判据影响，当TA饱和时差动被闭锁，这样就会出现一个问题，当变压器区内发生严重故障伴随TA饱和时，稳态低值差动保护将被闭锁，造成差动保护拒动。为解决这个问题，在差动保护中，又增加一个稳态高值比例差动元件，此元件不受TA饱和影响，这样区内严重故障时，可由高值比例差动动作切除故障。高值比例差动动作方程为：高值比例差动动作区如图所示，斜率固定为0.6，稳态高值比例差动保护把高值和低值比例差动画在一个坐标图里，如图所示，由图可见，高值比例差动的动作区小于低值比例差动的动作区，高值的动作区包含在

15、低值动作区内。 励磁涌流闭锁原理及判据 如图所示，变压器在正常运行时励磁电流比较小，一般不超过额定电流的3%。可是在以下两种情况下会产生很大的励磁电流： 变压器空载合闸（空投）； 区外故障切除后电压恢复时。 链接P16：变压器空投时励磁涌流励磁涌流波形特征1）励磁涌流的最大幅值很大，可能达到变压器额定电流的510倍。变压器容量越小，该倍数越大。2）励磁涌流有很大的非周期性分量。波形偏于时间轴的一侧，因此波形严重不对称。3）励磁涌流有大量的谐波分量，尤其是二次谐波分量含量较大。二次谐波与基波分量的比值一般均大于0.15。4）波形出现间断，间断角一般大于60度。空投变压器时励磁涌流录波图（实际50

16、0kV自耦变压器）励磁涌流识别原理一励磁涌流识别采用谐波制动和波形不对称两个原理。判为涌流后分相闭锁。谐波制动原理。利用差电流Id中的二次和三次谐波分量与基波分量的比值作为闭锁差动的判据,当满足: 或 时分相闭锁差动保护。 式中K2 、K3分别取为0.15和0.2。二次谐波含量高闭锁差动保护避免了励磁涌流情况下差动保护的误动。三次谐波含量高闭锁差动保护主要是为了在供给钢厂等非线性负荷较大的用户的变压器中防止差动保护误动。 励磁涌流识别原理二 与门分相开放差动保护。 式中 差电流的全周积分值。 SS1S2 两个相距半周的差电流瞬时值 之和的全周积分值。 S+=S1-S2 大于1的常数。 门槛值。

17、 S1S2S1S2励磁涌流短路电流变压器差动电流的Y变换 由于变压器高低压侧绕组的接线方式不一样，如高压侧绕组是Y接线而低压侧绕组是接线，这样造成高低压侧电流相位不一致，即有相角差，而差动保护是电流的相量运算，这样的相位差会产生不平衡电流，所以要采取措施进行电流相位补偿。 以Y/-11接线变压器为例，高低压侧电流相量如图所示，低压侧线电流超前高压侧线电流30o。RCS978变压器保护采用低压侧电流向高压侧电流折算的方法，即高压侧电流保持不变，低压侧电流代入公式进行折算。从相量图可以看出来，低压侧a相折算后的电流和高压侧A相电流IA相位一致，幅值保持不变，这样就完成了相位补偿。差动保护高低压侧折

18、算差动保护中的平衡系数的计算算变压器各侧一次额定电流：式中Sn为变压器最大额定容量，U1n为变压器计算侧额定电压（注意！：应以运行的实际电压为准，如220kV侧实际的运行电压为242kV，U1n应取242kV）。2.算变压器各侧二次额定电流：式中I1n为变压器计算侧一次额定电流，nLH为变压器计算侧TA变比。由于变压器各侧物理量属于不同的电压等级，必须折算到同一个电压等级才是等效的，各侧电流的折算方法是乘以各侧的折算系数（即平衡系数）。3.计算变压器各侧平衡系数： ,其中式中I2n为变压器计算侧二次额定电流，I2n_min为变压器各侧二次额定电流值中最小值，I2n_max为变压器各侧二次额定电

19、流值中最大值。1）例如：IHn=2A,IMn=10A,ILn=16A, 则： Imin=2; Imax=16 ;Kb=4; K1=2/2*4=4； K2=(2/10)*4=0.8；K3=(2/16)*4=0.5变压器后备保护 大中型变压器后备保护的类型，通常有复合电压闭锁方向过流保护、零序方向过流保护、变压器中性点间隙保护、阻抗保护、过激磁保护等。复合电压闭锁方向过流保护 复压闭锁过流保护，实质上是复合电压起动的过电流保护，它适用于升压变压器、系统联络变压器以及过电流保护不能满足灵敏度要求的降压变压器。有时为确保动作的选择要求，在两侧或三侧有电源的三绕组变压器上，过流保护带方向。复压闭锁方向过

20、流保护是变压器相间短路故障的后备保护。逻辑框图如图所求 1）过流元件过电流元件的动作电流，按躲过变压器运行时的最大负荷电流来整定，即： 式中：动作电流整定值；可靠系数，取1.151.2；返回系数，取0.950.98；变压器额定电流，TA二次值。将、代入公式可得：（1.171.2）。2）复合电压元件复合电压元件由相间电压低或负序电压高组成。低电压元件的动作电压按躲过无故障运行时保护安装处出现的最低电压来整定。 式中：额定线电压（TV二次值，取100V）。负序电压元件按躲过正常运行时系统中出现的最大负序电压整定。此外，还应满足相邻线路末端两相短路时负序电压元件有足够的动作灵敏度。通常 式中：额定相

21、电压（TV二次值，取57.7V）。3）方向元件复合电压闭锁的方向过电流保护中可以不带方向，但有些情况下为了满足选择性的要求或为了降低后备保护的动作时间可让后备保护带方向。此外保护方向有的情况需要指向变压器，有的情况需要指向系统。方向元件也是分相的，如A相过流保护判A相方向元件。方向元件由电流和电压（取正序分量）的相位差决定。方向元件的动作区如图所示。如果保护方向指向变压器，那么方向元件的最大灵敏角为。此时在变压器内短路本保护应能动作，可以作为变压器主保护的后备。而且保护范围可延伸到变压器另外一侧或另外两侧的相邻元件中，作为那一侧或那两侧相邻元件保护的后备。如果保护方向指向系统（指向保护安装侧的

22、母线方向），那么方向元件的最大灵敏角为。此时变压器内短路本保护不会动作，它可作为保护安装侧的系统方向的相邻元件的后备保护。如果不带方向，那么两个方向的短路保护都能动作。在RCS-978保护中有相应的控制字可由用户选择要不要带方向，以及选择方向的指向。4）动作延时动作延时应按与相邻线路相间短路后备保护相配合整定。即：式中：t 复合电压过流保护的动作延时；相邻线路相间短路后备保护的最长延时；时间级差，一般取0.30.5秒。零序方向过电流保护 与110kV及以上大接地电流系统连接的中性点直接接地的变压器装设两段式零序过电流保护。有两侧接大电流系统的三卷变压器及三卷自耦变压器，其零序电流保护应带方向，

23、组成零序方向电流保护。其零序电流第段的定值应与相邻线路的零序电流保护第段或第段或快速的主保护相配合，以较短延时跳开母联或分段或本侧断路器以较长延时跳开各侧断路器。该保护的原理图如图所示。变压器中性点间隙保护 间隙保护的作用是保护中性点不接地变压器中性点绝缘安全的。在变压器中性点对地之间安装一个击穿间隙。在变压器不接地运行时，若因某种原因变压器中性点对地电位升高到不允许值时，间隙击穿，产生间隙电流。另外，当系统发生故障造成全系统失去接地点时，故障母线TV的开口三角形绕组两端将产生很大的电压。变压器间隙保护是用流过变压器中性点的间隙电流及TV开口三角形电压作为危及中性点安全判据来实现的。保护的原理接线如图所示。间隙过流保护定值1）动作电流当流过击穿间隙的电流大于或等于100A时保护动作，即： 式中：保护的动作电流； 间隙TA的变比。3）动作延时为躲过暂态过电压，间隙保护具有动作延时，一般其值为：2）动作电压变压器过励磁保护 变压器过激磁运行时，铁芯饱和，励磁电流急剧增加，励磁电流波形发生畸变，产生高次谐波，从而使内部损耗增大、铁芯温度升高。另外，铁芯饱和之后，漏磁通增大，在导线、油箱壁及其他构件中产生涡流，引起局部过热。严重时造成铁芯变形及损伤介质绝缘。为确保大型、超高压变压器的安全运行，设置变压器过激磁保护非常必要。过激磁保护的作