继电保护-第7章变压器保护

第七章变压器保护第一节概述一、电力变压器的故障和继电保护的设置变压器在电力系统中使用非常普遍而且占有十分重要的地位。如果变压器发生故障和处于不正常运行状态，将会给系统运行和安全供电带来严重的后果，所以有必要根据变压器的电压等级、容量和重要成度装设专用的继电保护装置。变压器可能发生的故障一般分为变压器箱体内部故障和箱体外部故障两大类。箱体内部故障主要有：变压器绕组的相间短路、绕组内的层间或匝间短路，单相接地短路故障。这些故障对供用电系统及其设备会产生很大的危害，短路电流产生的电弧会破坏绕组的绝缘，烧毁铁芯，电弧还会使绝缘材料和变压器油受热分解产生大量气体，可能导致密闭的变压器油箱因气体迅速膨胀而爆炸。箱体外部故障主要是：引出线绝缘套管的故障，它可能引起引出线的相间短路或对变压器外壳的接地短路。由于变压器的故障，危及供用电系统的安全运行和供电的可靠性，所以应装设动作于跳闸的继电保护装置。变压器的不正常运行状态有：外部短路或过负荷所引起的绕组中过电流、油面降低，电压升高等。长时间的不正常运行状态会使变压器的温度升高、绝缘老化、寿命缩短，甚至会引起故障，因此，应装设动作于信号或跳闸的继电保护装置：二、继电保护的设置根据以上情况分析，变压器一般应装设下列继电保护装置：（1）瓦斯保护。变压器箱体内部故障的保护，即箱体内发生故障伴随油分解产生气体或变压器油面不论任何原因下降时，瓦斯保护动作。轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于变压器的断路器跳闸。瓦斯保护一般装设在容量为800千伏安及以上的变压器上。（2）电流速断保护。变压器套管处及变压器箱体内部故障的保护，即变压器发生故障引起绕组电流突然增大时，电流速断保护动作。电流速断保护一般装设在容量为10000千伏安以下单台运行的变压器和容量在6300千伏安以下并列运行的变压器上，动作于变压器的断路器跳闸。（3）纵联差动保护。变压器套管处及变压器箱体内部故障的保护，即变压器发生故障时，引起绕组电流变化，纵联差动保护动作。纵联差动保护一般装设在容量为10000千伏安以上单台运行的变压器和容量在6300千伏安以上并列运行的变压器上，动作于变压器的断路器跳闸。（4）过电流保护。变压器套管处及变压器箱体内部故障时作为瓦斯保护、电流速断保护（或纵联差动保护）的后备保护，即变压器发生故障引起绕组电流增大，或瓦斯保护、电流速断保护（或纵联差动保护）拒动时，过电流保护动作于变压器的断路器跳闸。（5）过负荷保护。防止变压器对称过负荷的保护，即各种原因（如单台运行变压器在备用电源自动投入时）使变压器对称过负荷时，过负荷保护动作。过负荷保护一般装设在可能出现对称过负荷的变压器上，只接于某一相电流中并作用于信号。在无人值守的变电站，过负荷保护可动作于变压器的断路器跳闸。（6）温度信号装置。为了监视变压器的上层油温不超过85℃，一般装设温度信号装置,当温度信号装置动作时，第二节变压器的瓦斯保护一、瓦斯保护的作用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。利用这些气体轻而上升油面下降和气体存在压力的特点来动作的保护装置，称为瓦斯保护。瓦斯保护在变压器箱体内部故障时，有着独特的、其它保护所不具备的优点，如绕组匝间短路和严重漏油。绕组匝间短路，将在短路的线匝内产生环流，使绕组和铁芯局部发热，绝缘老化甚至损坏，发展为各种严重的短路故障，这时变压器箱体外电路中因绕组匝间短路而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的主要保护装置，它和电流速断保护（或差动保护）相辅相成，共同作为变压器的主保护。瓦斯保护最主要的元件是瓦斯继电器。二、瓦斯继电器瓦斯继电器安装在变压器油箱与油枕之间的连通管道中，变压器箱体内部故障时，绝缘材料和变压器油受热产生的大量气体都要通过瓦斯继电器流向油枕。为了保证变压器故障时产生的气体无阻地通到油枕，防止空气泡积存在变压器顶盖下面，变压器安装时应有一些倾斜，使变压器顶盖沿油枕方向有1%～1.5%的升高坡度，由变压器到油枕有2%～4%的升高坡度，如图7-1所示。初期的瓦斯继电器是上、下均为金属浮筒和水银触点的结构，利用故障时变压器油液面下降，浮在液面的上金属浮筒移动使水银触点接通，发出信号或跳闸。缺点是水银触点性能较差，金属浮筒容易漏油，影响动作的可靠性。现在我国采用的瓦斯继电器，主要有双开口杯式（FJ3-80型）和开口杯挡板式（QJ1-80型）瓦斯继电器两种结构型式。1、双开口杯式（FJ3-80型）瓦斯继电器如图7-2所示为FJ3-80型复合式瓦斯继电器，由上下两个开口杯1和2、两个平衡锤4、两个磁力干簧触点3、支架7和挡板8等组成。正常时两个开口杯1和2都浸在油里，开口杯及附件重量产生的力矩小于平衡锤4重量所产生的力矩，永久磁铁10距磁力干簧触点3较远，磁力干簧触点3是断开的，瓦斯继电器不动作。当油箱内轻微短路时，电弧使油产生的气体顺着油箱顶班进入连通管，聚集在瓦斯继电器上部，迫使油面下降，上开口杯（包括杯中的油）与附件在空气中重量产生的力矩大于平衡锤4重量所产生的力矩，上开口杯顺时针下降，使上永久磁铁10靠近上磁力干簧触点3。当气体的体积达到250～300cm3时，磁力干簧触点3接通，发出信号，此动作称为轻瓦斯动作。当油箱内部发生严重短路时，大电弧使绝缘油迅速裂解产生气体，导致油箱内容物剧烈膨胀，当油气流的流速大到0.7~1.2m/s,下磁力干簧触点3闭合,发出重瓦斯跳闸脉冲。2、开口杯挡板式（QJ1-80型）瓦斯继电器如图7-3所示为QJ1-80型复合式瓦斯继电器，主要使用在大型变压器和强迫油循环变压器的保护上，具有较大流速整定范围。为了提高抗干扰能力，重瓦斯部分采用双干簧触点串联引出。其工作原理是：正常运行时开口杯5浸在油里，其外壳（不包括油杯内的油）和附件在油内的重量所产生的力矩，比平衡锤6所产生的力矩小，开口油杯5处于向上倾斜位置，与开口杯固定在一起的永久磁铁4位于磁力干簧触点15的上方，磁力干簧触点15可靠地处于断开位置。当变压器油箱内部发生轻微故障时，产生的气体聚集在继电器的上部，迫使继电器内油面下降则开口油杯5及附件在空气中的重量加上油杯内油重所产生的力矩，超过平衡锤6所产生的力矩，使油杯5随着油面的降低而下沉，带动永久磁铁4下降，当永久磁铁4靠近磁力干簧触点15时，磁力干簧触点15闭合，发出轻瓦斯动作信号。当变压器油箱内部发生严重故障时，大电弧使变压器油分解而产生大量的气体，强大的气流伴随油流冲击挡板10。当油流速度达到整定值时，挡板10被冲到限定位置，永久磁铁11靠近磁力干簧触点13，触点闭合发出重瓦斯跳闸脉冲。当变压器严重漏油使油面降低时，开口杯5下降到一定位置磁力干簧触点15闭合，也会发出轻瓦斯动作信号。这两种瓦斯继电器使用开口杯克服了初期瓦斯继电器浮桶漏油的缺点，磁力干簧触点抗振性也非常好，但是在使用过程中应注意：磁力干簧触点容量较小，触点负载不能过大；干簧触点易受外界磁场的影响及永久磁铁所处温度不能过高以免退磁等。三、瓦斯保护的接线瓦斯保护的原理接线如图7-4所示。KG为瓦斯继电器，轻瓦斯保护动作后经信号继电器1KS发出信号，重瓦斯保护动作于变压器的断路器1QF、2QF跳闸，并经信号继电器2KS发出跳闸信号。因为瓦斯保护是根据气体量和油流速度而动作，所以瓦斯保护不仅在变压器箱体内部发生故障和危险的不正常情况时动作，而且不论任何原因在变压器箱体内部出现空气和油的冲击流动时也会动作。因此在变压器充油或修理后重新灌油时，空气可能进入油箱内部，当变压器投入运行带负荷后，油温逐步上升，随之油中的空气受热上升进入瓦斯继电器，可能使轻瓦斯保护动作，当流速较大时重瓦斯保护也可能动作跳闸，使变压器退出运行。为防止这种误动，采用切换片2XB将重瓦斯保护切换至作用于信号，直至不再有空气逸出为止，大约需要两至三天。必须注意：在瓦斯继电器试验时也应切换至号。重瓦斯保护是油流或气流冲击挡板转动一定角度而使触点闭合，但是这种冲击不恒定，时通时断，为了使触点保持闭合，保证断路器可靠跳闸，出口中间继电器KCO应有自保持回路。四、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250～300cm3的范围内调节信号触点动作的气体体积。容量在10MVA以上的变压器,一般正常整定值为250cm32、重瓦斯触点动作的整定。调整挡板位置，即改变弹簧9的长度，可在0.6~1.5m/s范围内调整跳闸触点动作的油速，一般出厂时调节在1.2m/s。瓦斯保护结构简单，动作迅速，灵敏度高，但是当变压器箱体外部发生故障时，须由电流速断保护或差动保护这些主保护才能切除故障。第三节变压器的电流速断保护单台运行容量小于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且灵敏度满足要求时，可采用电流速断保护切除变压器箱体外部发生的故障。电流速断保护应装设在变压器的电源侧，对于35KV及以下中性点不接地系统的变压器电流速断保护，其电流继电器可只装在A、C两相上，构成两相三继电器式接线，其单相原理接线如图7-5所示。一、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IOP=KkIk.max式中Kk—可靠系数，取1.2～1.3。Ik.max—变压器低压侧母线k1点短路时的最大短路电流。2、动作电流还应躲开变压器的厉磁涌流，根据实践经验，一般取Iop=（3～5）IN式中IN—变压器的额定电流。3、电流速断保护校验灵敏度时，应取保护安装处k2点短路时的最小短路电流，要求二、电流速断保护的校验变压器的电流速断保护动作值较高，因此电流速断保护只能保护电源侧变压器引出线和变压器绕组的一部分。但与瓦斯保护及过电流保护配合，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，也可以和10000kVA及以上大容量变压器一样，采用差动保护。第四节变压器的差动保护变压器差动保护能够保护变压器绕组内部及其引出线上发生的短路故障。双绕组变压器差动保护原理接线如图7-6所示，变压器差动保护的原理与输电线路的差动保护基本相同，电流互感器采用减极性标注，在变压器的高压与中压侧均规定一次电流流向变压器为方向，在变压器的低压侧规定一次电流流出变压器为正方向，变压器两侧的电流互感器二次按环流法连接。变压器正常运行时，流入继电器差动绕组的电流为零或不平衡电流较小，差动保护不会动作；内部故障时，流入继电器差动绕组的电流较大，差动保护可靠动作。由于变压器两侧的电流大小不同，电流相位在Y，d接线时也不相同，故必须进行相位补偿和数值补偿，才能使变压器正常运行时，流入继电器的不平衡电流为零或较小。此外，差动保护还应考虑变压器励磁涌流的影响和变压器外部故障时的不平衡电流。一、相位补偿和数值补偿1、相位补偿如图7-6所示，以Y，d11接线的变压器为例，d侧电流相位超前Y侧电流相位30°。如果两侧电流互感器采用相同的接线方式，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，导致变压器内部故障时保护的灵敏度很低，只有减小不平衡电流，才能降低保护的动作值，满足灵敏度的要求，因此变压器两侧的电流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电流互感器的二次绕组特殊连接方法实现的，即将装设在变压器三角形侧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，二次电流超前移相30°，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连接，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。相位补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恒大于高压侧线电流，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流入继电器的电流为零，为此，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，变压器三角形侧电流互感器变比变压器星形侧电流互感器变比式中IN（Y）—变压器三角形侧额定线电流；IN（△）—变压器星形侧额定线电流。式（7-6）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，电流互感器变比也应扩大倍，才能使两侧电流互感器二次电流相同。按式（7-5）、（7-6）选择电流互感器的变比，理想状况下，变压器各侧的电流差别可以得到完全的数值补偿。但在实际工作中，电流互感器是标准化、系列化生产的，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流器或中间变流器进行二次数值补偿，如图7-7所示。同样，自偶变流器变比的标准化或中间变流器的绕组是整匝调节，与计算值仍然不可能完全相同，因此，差动回路中总存在着不平衡电流。为了不使正常运行时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。二、变压器的励磁涌流变压器的励磁电流只流过电源侧的绕组，在保护的差动回路中形成不平衡电流。当变压器正常运行时，电源侧只流过很小的励磁电流，为额定电流的3%～5%，外部短路时，由于电压降低，励磁电流更小，所以，由此产生的不平衡电流对差动保护的影响可以忽略不计。当变压器空载投入电网时或外部短路故障切除后电压恢复过程中，变压器的电源侧会出现很大的励磁电流，数值上可达额定电流的5～10倍，称为励磁涌流，它在差动回路中形成的不平衡电流很大，特点和内部故障一样，常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，针对性地采取措施来减小励磁涌流对差动保护的影响并在整定计算中躲过。如图7-8所示，变压器稳定工作状况下，铁芯中的磁通应滞后外加电压90°，如在空载且电压瞬时值为零（U=0）时合闸，铁芯中的磁通幅值应为-Φm，但变压器是带铁芯的电感性元件，铁芯中的磁通不能突变，合闸时必然产生暂态过程，出现一个幅值为+Φm的非周期分量磁通与-Φm抵消，使铁芯中只有剩余磁通Φr，过半个周期后，铁芯中的综合磁通达到最大值ΦΣ=2Φm+Φr，此时变压器铁芯严重饱和，励磁阻抗下降，励磁电流极大增加，形成变压器的励磁涌流。如合闸瞬时电压幅值为最大时，磁通从零开始变化，将不会出现励磁涌流。对于三相电力变压器而言，某一相电压为最大值时合闸，该相不会出现励磁涌流，但其它两相必然会出现不同程度的励磁涌流。三相电力变压器的三个两项励磁涌流差，往往有一个几乎没有直流分量的周期性电流，其峰值可能达到另外两项励磁涌流差峰值的一半，如图7-9所示。单相变压器的励磁涌流可用图解法求取。图7-10（a）画出变压器铁芯的磁化曲线，S点是由饱和磁通φ确定的。从S点作逼近饱和曲线的近似值直线SP，这将非线性的磁化曲线用图7-10（a）中的近似磁化曲线OSP代替。图7-10（b）画出铁芯中综合磁通Φ∑的变化曲线，过S点作平行于横轴的直线，与综合磁通Φ∑交于a、b两点，分别由a、b两点作垂直于横轴的直线，交横轴于θ1、θ2。根据近似磁化曲线OSP，由0到θ1和θ2到2π，励磁涌流ie为零。通过综合磁通曲线Φ∑上N点，作平行于横轴的直线交OSP于x点，通过x点作垂直于横轴的直线，交横轴于ix，ix就是磁通Φ∑的励磁涌流。通过N点作横轴垂线MT并等于ix，T点即励磁涌流曲线上的一点，如此逐点求出，然后将各点用平滑曲线连接，得到的就是励磁涌流波形曲线，如图7-10（b）所示，可知，励磁涌流曲线是尖顶波而不是正弦波且偏于时间轴的一侧；励磁涌流波形不连续，波形之间有间断，间断角θ为θ=θ1+（2π-θ2）=2π+θ1-θ2实际上，变压器励磁回路存在电阻，所以，当变压器空载投入的暂态过程中，非周期分量磁通与综合磁通均在衰减，与其对应的励磁涌流也是衰减的，波形如图7-11所示。励磁涌流波形间断的原因是：变压器空载投入的暂态过程中，当综合磁通ΦΣ小于饱和磁通时，励磁涌流ie为零，综合磁通大于饱和磁通时，出现励磁涌流ie，所以波形不连续，存在间断。另外，还可从谐波分析来判断变压器是励磁涌流还是内部短路，励磁涌流含有大量的高次谐波分量，以二次谐波分量为主，如表7-1。表7-1变压器内部短路电流和励磁涌流谐波分析结果谐波分量占基波分量的百分比（%）励磁涌流短路电流例1例2例3例4饱和不饱和基波1001001001001001002次谐波36315023493次谐波76.99.4103244次谐波96.25.4—975次谐波5———24直流66806273038三相电力变压器的励磁涌流中，三个两项励磁涌流差的二次谐波分量可能不大，但总有一个两项励磁涌流差的二次谐波分量超过20%。根据上述分析，励磁涌流具有以下特点：（1）含有很大的非周期分量，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电流的8倍，但衰减迅速，衰减速度决定于变压器和电网的时间常数。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，以二次谐波为主。（3）波形不连续，相邻波形有间断角。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：（1）差动继电器采用加强型的速饱和铁芯。（2）采用二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。三、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是：（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6～10KV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，造成了比线路和发电机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，短路电流使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，最大不平衡电流不会超过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不平衡电流。在电力系统中，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，都是根据额定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，它在外部短路时达到最大。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—短路电流非周期分量影响系数，取1.5～2.0；fi—电流互感器的10%误差；ΔU—变压器带负荷调节分接头引起的相对误差；Δf—电流互感器变比，自耦变流器变比或平衡绕组匝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。变压器差动保护必须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。四、采用BCH-2型差动继电器构成的差动保护1、BCH-2型差动继电器BCH-2型差动继电器由带短路绕组的速饱和变流器和DL-11/0.2型电流继电器组合构成。变压器差动保护采用BCH-2型差动继电器，能够较好地躲过不平衡电流的影响，其原理接线如图7-12所示。（1）、速饱和变流器的工作原理。速饱和变流器采用宽磁滞回线的导磁材料来做成截面积小、易饱和的铁芯。当不平衡电流使铁芯饱和后，其传变特性变差，不平衡电流中的非周期分量难以进入二次侧的电流继电器，依此来躲过不平衡电流中非周期分量的影响。变压器外部短路时，流入速饱和变流器的电流是含有很大非周期分量的不平衡电流，如图7-13（b）、（c）中曲线2'和2"变化，它偏于时间轴的一侧，使铁芯严重饱和，磁感应强度按局部磁滞回线3'和3"变化。在Δt时间内磁感应强度变化为ΔB'和ΔB"，数值很小，因此速饱和变流器二次绕组N2中的感应电势E=ΔB'/Δt和ΔB"/Δt也很小，所产生的电流不足以使DL-11/0.2型电流继电器动作。因此，速饱和变流器能有效地躲过非周期分量的影响。变压器内部短路时，流入速饱和变流器的电流正比于短路电流，虽然短路电有一定的非周期分量，但衰减很快，所以速饱和变流器的饱和时间很短，一般在0.03~0.04s的时间内，即可把短路电流传变到继电器回路。而当非周期分量衰减后，速饱和变流器中的电流是接近正弦波的短路电流ik，如图7-13（a）所示按曲线2变化，铁芯中的磁感应强度沿着磁滞回线3变化，所以在Δt时间内，ΔB变化大，二次侧感应电动势ΔE也大，继电器线圈中流过的电流足够大，使继电器动作切除故障。变压器空载合闸产生励磁涌流时，速饱和变流器躲励磁涌流的能力较差（分析从略），故应增加短路绕组，构成加强型BCH-2型差动继电器。（2）BCH-2型差动继电器的结构与工作原理如图7-14所示为BCH-2型差动继电器的结构原理图。它由三芯柱型硅钢片交错叠成，铁芯中间柱B的截面比两侧柱A、C的截面大一倍，B柱上有相同绕向的一个差动绕组Nd和两个平衡绕组Nbal（未画出），C柱上绕有与执行元件DL-11/0.2型继电器相连的二次绕组N2，短路绕组的两部分Nk'和Nk''分别绕在中间柱和左侧柱上，Nk'绕向与Nd相同，Nk''的绕向为使其产生的磁通和Nk'产生的磁通就铁芯的左侧窗口而言方向一致，应与Nk'顺向串联。除二次绕组N2外，其余各绕组都有一定量的抽头，可以根据需要改变其匝数。速饱和变流器的铁芯采用短路线圈Nk'和Nk''，可以提高差动保护躲过非周期分量电流，特别是躲过励磁涌流的能力。当差动线圈Nd中只通过差动电流时，由磁势在B柱上产生磁通，经A、C柱分成和两部分闭合磁通，分别在短路线圈Nk'和Nk''中感应电动势，并由此产生感应电流通过Nk''和Nk'。在C柱中，由磁势产生磁通；产生磁通，C柱中产生的总工作磁通为由此可见：与方向相反，起去磁作用，与方向相同，起助磁作用。当正常运行时，BCH-2型差继电器的铁芯不会饱和,若忽略磁轭磁阻，B柱截面是A柱或C柱截面的二倍，三柱的磁阻有如下关系ＲＡ=ＲＣ=２ＲＢ=Ｒ且两短路线圈的匝数关系为Nk''/N'k=２时，则短路线圈在C柱上产生的磁通为和（7-12）可以看出，短路绕组在C柱上的去磁和助磁作用大小相同，方向相反，相互抵消，短路线圈的作用不影响速饱和变流器二次侧电流继电器的动作安匝，BCH-2型差动继电器能够正确工作。当外部故障或变压器空载投入产生励磁涌流时，流入差动绕组Nd的电流含有大量的非周期分量（直流分量），在其作用下，铁芯迅速饱和，由于各柱的截面不同，所以饱和程度也不同，A柱的饱和程度比B柱高，因此RA较RB增加的多，即助磁磁通比去磁磁通减少的多，在C柱上的总体效果是去磁的。短路绕组中磁通产生的去磁的作用，使差动绕组Nd的磁通的交流分量削弱，达不到速饱和变流器二次侧电流继电器所需的动作安匝。只有在Nd中加入较大的周期分量，才有可能在二次绕组N2中感应足够大的电流，达到电流继电器的动作安匝。这种将交流分量的磁通削弱，而使直流分量的磁通突现的作用称为短路绕组的直流助磁作用。短路绕组的直流助磁作用有效地增强了差动保护躲过非周期分量和励磁涌流中高次谐波分量的能力。若保持短路绕组Nk''/Nk'=２的关系不变，增加Nk''和Nk'的匝数，将使和的差值加大，C柱上的去磁作用进一步加强，可以继续提高继电器躲过各种不平衡电流的能力。若增加短路绕组Nk'的匝数，使Nk''/Nk'<2时，的去磁作用单独加大，需要较大的差动电流才能使电流继电器动作。如此，更加提高了差动保护躲过不平衡电流的能力。变压器差动保护为躲励磁涌流而使灵敏度不满足要求时，可以采用单独加大去磁作用的方法。短路绕组匝数比取值不同，对应的继电器动作安匝如表7-2所示。表7-2短路绕组接入不同匝数比所对应的动作安匝短路绕组整定板上插头位置A1-A2，B1-B2C1-C2，D1-D2B2-C2A2-B1B2-D1Nk''/Nk'216/166/816/28动作安匝6080100120当内部故障时，通过差动绕组的短路电流中亦含有非周期分量，只有等非周期分量衰减到一定程度、短路绕组的直流助磁作用减小时，继电器才能动作，所以继电器的动作带有延时。一般情况下，短路绕组应保持N''k/N'k=2，即N'k，N''k采用相同标号的插孔“A1-A2”，“B1-B2”，“C1-C2”，“D1-D2”，电流继电器的动作安匝为AN0=60±注意：必须在每一段插一个螺丝插头，否则，短路绕组因开路而失去作用。这样，内部故障继电器动作时，短路饶组在C柱上的助磁和去磁作用互相抵消，不影响动作安匝，不影响继电器动作的灵敏度。2、BCH-2型差动继电器构成的差动保护由BCH-2型差动继电器构成的三绕组变压器差动保护单相内部原理接线如图7-16所示。图中平衡绕组Nbal1、Nbal2分别接于差动回路二次电流较小的两臂上。用以在电流互感器变比标准化后，进行数值补偿。平衡绕组Nbal的作用可以用图7-17来分析说明。在变压器正常运行时，由于电流互感器变比的标准化，使两侧互感器二次侧电流不相等，相位补偿后，设I'2>I"2，所以总有不平衡电流流过继电器的差动绕组Nd。其磁势产生的磁通将会在继电器的二次绕组N2中感应电流，如其数值较大，有可能使继电器的执行元件（DL-11/0.2型电流继电器）误动作。为了不使二次绕组N2中感应电流，必须使两侧互感器二次电流在差动回路中产生的磁势互相抵消,达到平衡，即或因为I'2>I"2，所以，，不满足要求，只有在互感器二次小电流侧增加平衡绕组Nbal，才能满足磁势平衡或式（7-16）说明差动回路不平衡电流产生的磁势被互感器二次小电流侧平衡绕组产生的磁势抵消，铁芯中磁通为零，平衡绕组Nbal起到了数值补偿作用。内部故障时，平衡绕组Nbal中的磁势随其中通过的电流改变方向，与差动绕组Nd的磁势同向。两者产生的磁通一起作为工作磁通，在铁芯的二次绕组N2中感应电流，使继电器执行元件可靠动作。由于内部故障时平衡绕组的作用，使继电器的工作磁通增加，因而提高了保护动作的灵敏度。注意：如平衡绕组Nbal中的电流为零时，不会影响继电器原有的工作性能。3、BCH-2型差动保护的整定计算（1）、基本侧电流的确定计算变压器各侧的一次额定电流、选择电流互感器变比，计算变压器各侧额定电流在所选电流互感器变比时的二次电流，以电流大的一侧作为基本侧。按下式计算变压器各侧一次额定电流IN=Se/UN（7-17）式中SN、UN—分别为变压器同一侧的额定容量（kVA）和平均额定电压（kV）。按下式确定电流互感器计算变比nTA=KconIN/5式中nTA—电流互感器计算变比；Kcon—接线系数，电流互感器星形接线时Kcon=1，三角形接线时Kcon=；5—计算变比时，电流互感器的二次额定电流，单位为（A）。根据式（7-18）选择接近且略大于计算变比的标准变比nTA.pr。按下式计各侧电流互感器二次额定电流I2.N=KconKN/nTA式中I2.N—标准变比时，各侧电流互感器的二次额定电流；nTA—实用电流互感器变比。选择二次额定电流最大的一侧作为基本侧直接接差动绕组或经平衡绕组再接差动绕组。以下计算都归算到基本侧。（2）、计算变压器各侧外部短路时的最大短路电流（3）、差动保护继电器动作电流的确定1）、躲过变压器的励磁涌流Iop=KrelIN式中Krel—可靠系数，取1.3；IN—变压器的额定电流。2）、躲过外部短路时的最大不平衡电流Iop=KrelIunb.max式中Krel—可靠系数，取1.3；Iunb.max—最大不平衡电流。对于双绕组变压器Iunb.max=（KupKssfi+△U+Δf）Ik.max3）、躲过电流互感器二次回路断线时的最大负荷电流Iop=KrelIL.max式中Krel—可靠系数，取1.3IL.max—正常运行时变压器的最大负荷电流。当不能确定时，采用变压器额定电流。计算中，各侧所有的短路电流应归算到基本侧。这样求出的是基本侧的动作电流的计算值Iop.ba。选用上述三个条件算得的保护动作电流的最大值作为继电器动作电流的计算值。（4）、基本侧工作绕组匝数的确定对于双绕组变压器基本侧的继电器动作电流和工作绕组匝数计算方法分别为Iop.ba=IOP.ba/nTA.pr和Nw=AN0/Iop.ba=60/Iop.ba。选用：差动绕组Nd与一组平衡绕组Nbal.ba共同组成基本侧的工作绕组Nw。整定匝数为Nw=Nd+Nbal.ba式中Nw—基本侧的整定工作绕组匝数，较计算值Nw小而相近。（5）、非基本侧平衡绕组Nbal匝数的确定对于双绕组变压器，基本侧和非基本侧的磁势平衡关系为I2N.ba（Nd+Nbal.ba）=I2N（Nd+Nbal）则非基本侧平衡绕组Nbal计算匝数为Nbal=I2N.baNbal.ba／I2N-Nd式中I2N.ba、I2N—基本侧和非基本侧二次额定电流。选用：接近Nbal的整数，作为非基本侧平衡绕组的实用匝数。（6）、校验相对误差Δf在确定各侧匝数后，按式（7-27）计算实际误差，若Δf≤0.05，说明估计值偏高，计算的动作电流可靠有效；若Δf≥0.05，说明估计值偏低，动作电流偏小，应将实际的Δf代入式（7-26）或（7-28）重新核算动作电流值。（7）、短路绕组匝数的确定短路绕组的匝数取值大，外部短路时，躲过非周期分量的作用强；但内部短路时差动保护的动作时间较长。为了提高保护的动作速度，短路绕组应取较小匝数。对于中、小型变压器由于励磁涌流倍数大，内部短路时非周期分量衰减快，对保护动作时间要求又较低，一般选取较大匝数的抽头，“C1-C2”或“D1-D2”。对于大型变压器，励磁涌流倍数小，非周期分量衰减较慢，又要求动作快，则应选取较小匝数的抽头，“B1-B2”，或“C1-（8）、灵敏度校验按变压器保护范围内短路时最小短路电流总的实用工作安匝来校验：对于双绕组变压器Ksen=Ik.minNw安匝／60安匝（Ⅰ侧为基本侧）式中Ik.min—最小运行方式下，变压器出口处两相短路时，流过继电器工作绕组Nw的二次电流。它和电流互感器接线、变压器接线组别及短路方式有关。最小灵敏系数不应小于2。如果灵敏系数不满足要求，且算出的Δf小于初算时的估计值0.05，而动作电流又是由躲过外部短路时的不平衡电流决定的，则可按满足灵敏度条件重新选择动作电流，检查此动作电流是否能躲过变压器励磁涌流及电流互感器二次回路断线的最大负荷电流。然后确定各绕组的计算和实用匝数，按式（7-27）算出Δf，再根据式（7-26）或式（7-28）精确计算，检查是否满足外部短路时选择性的要求。如不满足要求，则应采用带制动特性的差动继电器。【例】一台双绕组降压变压器，容量为15MVA，电压比为35KV±2×2.5%/6.6KV，Y，d11接线，差动保护采用BCH-2型继电器，求BCH-2型继电器差动保护的整定值。已知：变压器6.6KV侧外部短路时最大三相短路电流为9420A，最小三相短路电流为7300A（已归算到6.6KV侧）；35KV侧电流互感器变比为600/5，6.6侧电流互感器变比为1500/5；可靠系数Krel=1.3。解：按以下步骤进行计算计算各侧一次额定电流；确定二次回路额定电流。二次回路额定电流的计算如表7-3所示表7-3二次回路额定电流计算额定电压(KV)356.6额定电压(KV)356.6变压器一次额定电流（A）电流互感器变比600/5=1201500/5=300电流互感器接线方式ΔY二次额定电流(A)选择电流互感器一次电流计算值（A）1315由于6.6KV侧的二次额定电流大于35KV侧的，因此选择6.6KV侧为基本侧，即第Ⅰ侧，则35KV侧为第Ⅱ侧。计算保护装置6.6KV侧的一次动作电流躲过变压器的励磁涌流Iop=1.3IN=1.3躲过最大不平衡电流因此，一次电流选用2450（A）确定确定绕组接法及匝数平衡绕组Ⅰ、Ⅱ分别接于6.6KV及35KV侧。计算基本侧二次动作电流基本侧工作绕组匝数。选择实用工作匝数Nw.pr=7匝取Nd.pr=6匝，NⅠ.bal.pr=1匝。在实用匝数下，6.6KV侧继电器的动作电流为确定35KV侧平衡绕组匝数实用匝数取NⅡ.bal.pr=3匝。计算由于实用匝数与计算匝数不等而产生的相对误差Δf因为Δf<0.05，故不需核算动作电流。初步确定短路绕组抽头：选择C1-C2。校验灵敏系数。6.6KV侧最小运行方式下两相短路的最小短路电流为6320（A），折算到35KV侧为），则流入差动继电器工作绕组的最小电流为而差动继电器的动作电流为灵敏系数，满足要求图7-18所示为BCH-2型差动继电器各绕组极性关系图五、采用BCH-1型差动继电器的差动保护BCH-1型差动继电器BCH-1型差动继电器在速饱和铁芯上采用了制动绕组，因而具有制动特性，其躲过外部短路不平衡电流的性能较好。对于带负荷调压的变压器和多电源的三绕组变压器，一般都采用BCH-1型差动继电器构成差动保护。采用BCH-1型差动继电器构成变压器差动保护的单相原理接线和内部接线如图7-19及图7-20所示。其速饱和铁芯的磁路结构和执行元件及平衡绕组的接法与BCH-2型差动继电器完全相同，不同之处是取消了短路绕组，在A、C柱上增加了制动绕组。制动绕组Nres的绕向是使得它与二次绕组N2、差动绕组Nd及平衡绕组Nbal之间无互感，即制动绕组Nres通过电流时产生的磁通不经过B柱，只是沿A、C柱和磁轭形成闭合回路。A、C柱上两个二次绕组N2的连接使其由制动磁通感应的电动势互相抵消，不影响执行元件的工作。当B柱上的工作绕组Nw中有电流时，在A、C柱二次绕组N2中产生的感应电动势是相加的，因而在达到其整定值后，继电器KA动作。当Nres中电流等于零时，为了达到差动继电器执行元件的动作安匝，需要在Nd中通入的最小电流Iop.0，称为差动继电器无制动作用时的动作电流，或叫做执行元件的启动电流。当Nres中通入外部短路时的穿越性电流后，将在边柱A、C和磁轭产生闭合磁通，使铁芯饱和、磁阻R增大，一、二次回路的传变关系恶化，从而外部短路时差动回路产生的不平衡电流难以传变到二次侧的执行元件，有效地躲过不平衡电流的影响。可见，Nres中流过的电流对差动回路的电流起制动作用，因此，将流过制动绕组Nres中的穿越性短路电流叫做制动电流，用Ires表示。随着Ires的增加，铁芯饱和程度增加，一次电流更难以传变到二次车，Nd中通入的电流必须增大到Iop，才能达到执行元件的动作安匝，使继电器动作。Iop随Ires的增加而增加，其关系曲线称为继电器的制动特性曲线，如图7-21所示。如果在远保护安装处发生外部短路，则Nres中流过的穿越性短路电流较小，铁芯不会饱和，Ires的制动作用很小，Nd中的动作电流Iop接近于Iop.0，所以，曲线起始部分比较平缓。当外部短路近保护安装处，Nres中的Ires很大，使铁芯严重饱和，Iop迅速增加，曲线上翘。而且Nres匝数愈多，铁芯愈饱和，Iop增加愈快，曲线上翘愈烈。实际中制动安匝IresNres不能选择太大，否则，内部短路时的工作安匝不能可靠位于制动曲线的上方而使继电器拒动。从原点作制动特性曲线的切线，与横轴夹角为α，其斜率称为制动系数，用Kres表示，则Kres=tgα=Iop/Ires为防止继电器在外部短路时误动作，所采用的制动系数Kres应使不平衡电流Iunb.max不超过制动情况下的动作电流Iop，即Iop=KresIres＞Iunb.max，引入可靠系数Krel后，KresIres=KrelIunb.max。最大制动系数为Kres=KrelIunb.max/Ires为保证内部短路时继电器可靠动作，Kres取值不能太大，一般取Kres=0.5~0.6。继电器工作特性分析变压器外部短路时，流过差动继电器的不平衡电流Iunb随着短路电流Ik的变化，其曲线1如图7-22所示。若差动继电器没有制动特性，则其动作电流应按躲过外部短路时流过继电器的最大不平衡电流整定，即Iop=KrelIunb.max。如图7-22通过a点的水平直线2所示，且Iop数值较大。因此，对于短路电流较小的内部故障，灵敏度往往不能满足要求。若差动继电器具有制动特性，从图7-21制动特性曲线簇中选一条经过a点的曲线，并且位于直线1的上方，如图7-22中曲线3。可见，在任何值的外部短路电流的制动作用下，差动继电器的实际动作电流均大于相应的不平衡电流，继电器不会误动作。变压器内部短路时，Nd中短路电流大，Nres中的Ires相对较小，Iop相应降低，有效地提高了保护的灵敏度，参照图7-22具体分析如下。1）、单侧电源供电的变压器当制动绕组Nres装设在变压器无电源侧，内部短路时，短路电流不通过制动绕组，不会产生制动作用。因此，动作电流仅为Iop.0。差动绕组Nd中流过电源侧供给的短路电流，差动保护能灵敏地动作。当制动绕组Nres装设在电源侧，则有相同的电流通过Nd和Nres，即Id=Ires，如图7-22直线4所示，它与制动曲线3相交于c点，c点的动作电流值为Iop.c，在c点以上为动作区。显而易见，尽管Nres的这种装设方式对保护不利，但它与无制动特性的差动保护相比，灵敏度仍然提高了很多。2）、双侧电源供电的变压器双侧电源供电的变压器内部短路时，流过Nd的是两侧短路电流之和；而流过Nres的只是一侧的短路电流。设两侧的短路电流相同，则有Id=2Ires，如图7-22中直线5。它与制动特性曲线3相交于b点。b点对应的动作Iop.b低于c点的Iop.c，显然，继电器动作的灵敏度更高。制动绕组接入变压器的哪一侧应视具体情况而定。原则上应满足：外部短路时制动作用最大，保护可靠不误动作；内部短路时制动作用最小，保护动作有较高的灵敏度。对于多侧电源、多分支或多绕组变压器，其差动保护动作电流值的整定，必须躲过无制动侧外部短路时的最大不平衡电流。因此，保护动作的灵敏度有可能不满足要求，可以采用多侧制动的BCH-4型差动保护。具体分析可参阅有关资料。BCH-1型差动保护的整定计算（1）计算变压器各侧一次额定电流，选用电流互感器，确定二次回路额定电流IN方法与BCH-2型相同。二次额定电流大的一侧直接接差动绕组，其它侧接平衡绕组。（2）、无制动情况下一次动作电流的整定因BCH-1型躲励磁涌流的能力较差，可靠系数略大，取Krel=1.3~1.5，对于中、小容量变压器采用Krel=1.4~1.5，大容量变压器采用Krel=1.3~1.4。其余要求与BCH-2型相同。（3）差动及平衡绕组的确定。与BCH-2型相同。（4）计算实用匝数与计算匝数不同产生的相对误差Δf。与BCH-2型相同。（5）制动绕组接法的确定制动绕组一般的接入方式是：a）对于单侧电源供电的双绕组变压器，制动绕组接于无电源侧。内部短路时保护无制动、灵敏度高。b）对于双侧电源供电的双绕组变压器，制动绕组接于大电源侧。内部短路且仅当小电源供电时，保护有较高的灵敏度；只有大电源供电时，可以提高保护躲过励磁涌流的能力。c）对于单侧电源供电的三绕组变压器，制动绕组接于产生较大穿越性短路电流的一侧。保证外部最大短路时有制动作用。如变压器励磁涌流较大，也可接到电源侧来躲过其影响，可通过分析、比较确定。e）对于双侧电源供电的三绕组变压器，制动绕组接于无电源侧。可以提高保护动作的灵敏度。f）对于三侧电源供电的三绕组变压器，制动绕组接于流过穿越短路电流最大的一侧。保证其它侧流过最大外部短路电流时均有制动作用。g）对于由两个断路器与系统相连的变压器，制动绕组接于流过较大穿越短路电流的分支回路中。h）差动保护所接的电流互感器超过三组且为多电源时，有时可将两组互感器并联后接制动绕组，以达到在几种不平衡电流较大的外部短路时均有制动作用。在可能有几种接线方式的情况下，应通过计算分析选择能使保护动作灵敏度最好的方式。（6）制动系数的确定为防止保护在外部短路时误动作，应采用可能最大的制动系数，按下式计算Kres=Iw/Ires=Krel（Iun.max/Ires）max=Krel（KfzqKssfiIk.max+△UαIk(α)max+△UβIk(β)max+△fⅠIkⅠmax+△fⅡIkⅡmax）/Ires（7-44）式中Krel—可靠系数，取1.3Iw—继电器工作绕组电流；Ires—所计算的外部短路时流过接制动绕组侧电流互感器的周期分量电流，当制动绕组侧有电源、且不是故障侧时，制动绕组侧取最小运行方式，其它侧取最大运行方式。其它各符号含义与BCH-2型相同。（7）、制动绕组匝数的确定继电器的制动特性由于运行方式的不同有一定的变化范围，如图7-23所示的曲线1为最低的制动特性曲线，曲线2为最高的制动特性曲线。按最不利的曲线1选择制动绕组匝数。通过原点作曲线1的切线，其斜率为n=ANw/ANres=Ig（Nd+Nbal）/IopNres（7-45）计及Kres=Iw/Ires则有n=Kres（Nd+Nbal）/Nres（7-46）制动绕组匝数计算为Nres=KresNw/n=Kres（Nd+Nbal）/n（7-47）式中Nw—接制动绕组侧工作绕组实用匝数；n—最小标准制动特性曲线经过原点的切线斜率，一般n≈0.9。如选择了继电器实有制动曲线，则应依此计算n。当n＜0.9时,取Krel=1.4。取与计算值接近而较大的匝数作为整定匝数Nres。对于单侧电源供电的双绕组变压器，制动绕组接于无电源侧，内部短路时无制动作用，不影响保护动作的灵敏度，因此制动绕组Nres可任意选定，一般可取最大绕组匝数14匝。（8）、最小灵敏系数计算保护灵敏度计算为Ksen=ANw/ANop（7-48）式中ANw—保护区内短路时，继电器的工作安匝；ANop—由制动曲线查出的，当有制动安匝ANres时继电器的动作安匝。继电器的工作安匝计算为ANw=IwⅠNwⅠ＋IwⅡNwⅡ＋IwⅢNwⅢ（7-49）式中IwⅠ、IwⅡ、IwⅢ—分别为计算方式下变压器内部短路时，流过各侧继电器的工作绕组中的电流，NwⅠ、NwⅡ、NwⅢ—继电器相应各侧的工作绕组匝数。也可近似计算为ANw=IwNd（7-50）Iw=KconIk∑min／nTA（7-51）式中Iw—继电器基本侧工作电流；Kcon—保护接线系数，电流互感器按Δ接线时为，按Y接线时为1；Id∑.min—变压器内部短路时，总的最小短路电流有效值（已归算至基本侧）。制动安匝应包括流过制动线圈的二次负荷电流和二次短路电流所产生的总制动安匝，即ANres=I2.LNres＋I2.dNres（7-52）按以上计算出的ANw和ANres，可在继点器制动特性曲线上求得继电器的动作安匝。如图7-23所示，由ANw和ANres值，找出相应的K点，再由I2.LNres=ANL得出H点，连接KH直线，与最大制动特性曲线2相交于P点，P点的纵坐标即是继电器的动作安匝ANOP。灵敏系数为Ksen=KQ/PJ。规程要求差动保护最小灵敏系数为2。（9）、制动安匝超过150时的校验如图7-23所示，若算出的制动安匝通过150，可能出现以下情况，即上述灵敏度虽可满足要求，但计算所得之工作点K很接近曲线2。考虑到计算的误差及实际应留出的余度，则工作点K应较特性曲线2稍高出一部分，以保证动作的可靠性（否则，实际短路时，K点有可能在曲线2之下的非动作区，而发生拒动）。当出现上述情况时，可作如下的验算。即自点K作横坐标之垂线交特性曲线2于O点，求出OQ之纵坐标，此即AN'OP。计算灵敏度K'sen=ANg/AN'op。要求K'sen≥1.1~1.5。当特性曲线为实测时，要求K'sen≥1.2~1.25。为了提高保护的性能，电力变压器还可采用BCH-4型、整流型和晶体管型构成差动保护。目前广泛采用微机型差动继电器等构成变压器差动保护，并利用二次谐波制动或利用波形是否存在间断角或波形对称原理来鉴别变压器的励磁涌流和短路电流。六、二次谐波制动和比率制动的变压器差动保护图7-24所示为LCD-15型差动继电器构成的差动保护原理接线图，主要由二次谐波制动回路、比率制动回路、差动回路、差动速断保护四部分以及极化继电器等组成。二次谐波制动回路可以防止变压器励磁涌流引起的差动保护误动作；比率制动回路能够防止变压器外部短路时，差动回路不平衡电流引起的差动保护误动作；差动回路和差动速断保护的作用是变压器内部故障时，使保护动作于变压器的断路器跳闸。另外，差动速断保护还可以在变压器内部严重故障，很大的短路电流使电流互感器过度饱和，电流的高次谐波分量导致差动继电器拒动时，迅速动作，快速切除故障。1.比率制动回路比率制动回路是由电抗变换器1、4TL，全波整流桥U1、U4，稳压管VS，电容器C1、C4和极化继电器KP构成具有比率制动特性的差动继电器，其简化电路如图7-25所示。电抗变换器1TL的一次绕组Nd，称为工作绕组或差动绕组；电抗变换器4TL有两个相同匝数的二次绕组Nres.1、Nres.2，称为制动绕组。工作绕组和制动绕组满足关系Nd=2Nres.1=2Nres.2。电容器C1与电抗变换器1TL二次绕组构成50Hz串联谐振回路，从电容器C1两端取得基波电压，经整流桥U1整流后形成工作电压Ud。在电抗变换器4TL二次侧得到制动电压，经整流桥U4整流后形成制动电压Ures。C4为滤波电容器。如图7-25所示，当变压器正常运行时，一次侧流过穿越性负荷电流、，变压器两侧TA误差很小，差动绕组Nd只流过很小的不平衡电流，通过电抗变换器1TL形成工作电压，经U1全波整流后的工作电压Ud正比于Id，即Ud=K1Id，该电压通过执行回路中的R1形成工作电流Iw=Ud/R1，从“*”端加入极化继电器KP；由于Nd=2Nres.1=2Nres.2，流过制动绕组的电流为变压器额定电流的二次值，通过电抗变换器2TL形成制动电压，经U2全波整流后的工作电压Ures正比于Ires，即Ures=K2Ires，该电压不足使稳压管Vs击穿，因此制动电流Ires=0。同时，工作电流Id为不平衡电流，小于极化继电器的最小起动电流Iop.0，极化继电器KP不动作，如图7-26曲线2所示。当变压器外部短路时，一次侧流过穿越性短路电流、，差动绕组Nd流过的不平衡电流随变压器两侧TA饱和后误差的增大而增加，如图7-26曲线1所示，在执行回路中形成工作电流Iw，从“*”端加入极化继电器KP；短路电流产生的制动电压Ures使稳压管击穿（击穿电压Us=Ires.0K2，Ires.0为稳压管击穿、执行回路有制动作用时的最小制动电流，通常为0.5~1.1IN）并通过R2形成制动电流Ir=(Ures-Us)/R2，从非“*”端加入极化继电器KP，显然，Ir>Iw，极化继电器KP不动作，此时Iw-Ir=Iop.0即式中。当极化继电器刚好动作时，差动绕组的电流Id等于动作电流Iop，则Iop=Iop.0+m（Ires-Ires.0）其制动特性曲线如图7-26曲线2所示。可见，外部故障时的制动电流Ires越大，需要的动作电流Iop越高，动作电流Iop和制动电流Ires成线性正比关系Kres=Iop/IresKres称为制动系数，当变压器发生内部故障时，流过电流互感器的电流总有一侧改变方向，差动绕组流过数值很大的故障点总电流，制动绕组流过较小的电流，则Id>Ires，即Iw>Ir，极化继电器KP动作；当制动电流Ires小于稳压管击穿所需的最小制动电流Ires.0时，极化继电器KP无制动作用，工作最灵敏。制动绕组的接入原则与BCH-1型差动继电器相同。LCD-15型差动继电器构成差动保护的整定：（1）无制动作用时的最小动作电流Iop.0按躲过额定电流产生的不平衡电流Iunb.N整定，即Iop.0=KrelIunb.N式中Krel—可靠系数，取1.2~1.3（2）制动曲线的斜率m（或制动系数Kres）应保证外部故障最大短路电流Ik.max产生的不平衡电流Iunb.max时继电器不误动作整定，即Iop=Krel（KssKunfi+ΔU+Δf）Ik.maxKres=Iop/Ik.max=Krel（KssKunfi+ΔU+Δf）如图7-26曲线1所示。（3）最小制动电流Ires.0，按变压器正常运行时不误动作，内部故障时继电器灵敏工作考虑，一般取Ires.0=0.5~1.1（4）灵敏度Ksen校验，要求变压器内部故障时的最小短路电流满足2.二次谐波制动回路如图7-25所示，由电抗变换器2TL、电容器C2、电抗L、电容器C3和电阻R2组成。2TL二次绕组与C2构成100Hz谐振回路，从电容器C2两端取得较大二次谐波电压，通过电抗L和电容C3构成50Hz的阻波器，滤除其中的基波分量，形成二次谐波制动电压，再通过全波整流器U2整流后反向加入极化继电器KP，防止变压器空载投入时，在励磁涌流的作用下，差动保护误动作。3.差动电流速断回路由电抗变换器3TL、全波整流器U3、和电容器U3组成。变压器内部严重故障时，电抗变换器3TL二次输出一个与差动电流Id成正比的电压，经U3整流、C5滤波后通过电阻R10、R11在执行回路中形成电流，使中间继电器KM动作于变压器的断路器跳闸。调节电抗变换器3T二次分接头和电阻R11来改变动作电流值。其动作电流Iop按躲开变压器空载投入时出现的最大励磁涌流整定，对于Y，d接线的变压器，一般取Iop=（1.5~2）I.N第五节变压器的后备保护为了防止变压器外部短路而使变压器较长时间过电流，以及作为瓦斯保护和差动保护的后备保护，必须装设变压器相间和接地短路的后备保护。常用的后备保护类型主要有过电流保护、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、零序保护等。一、过电流保护1、单侧电源供电双绕组变压器的过电流保护单侧电源供电变压器的过电流保护原理接线如图7-27所示。过电流保护的电流互感器采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。分析参见第二章关于Y，d11接线变压器低压侧短路，提高保护灵敏度方法的论述。（1）动作电流按躲过变压器可能出现的最大负荷电流IL.max整定，即Iop=Krel/KrIL.max（7-53）式中Krel—可靠系数，取1.2~1.3；Kr—返回系数,取0.85IL.max—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IL.max，若各台变压器容量相同，则有IL.max=m/（m-1）IN（7-54）式中m—并列运行变压器的台数；IN—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IL.max=Iast=KactI'L.max（7-55）式中Kast—自起动系数，与负荷性质及用户至电源的电气距离有关，一般取1.5～3；I'L.max—正常运行的最大负荷电流。（2）灵敏度校验，按下式计算Ksen=I（2）k.min/Iop（7-56）在变压器低压母线短路时，要求Ksen=1.5~2，在后备保护范围末端短路时，要求Ksen≥1.2。（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Δt，即tn={tn+1}max+Δt（7-57）2、双侧电源（内桥）供电的双绕组变压器过电流保护图7-28所示为双电源（内桥）供电的变压器过电流保护原理接线图。接入两个电源断路器的电流互感器以“和电流”的方式连接，即将电源侧断路器的电流互感器中的电流与桥断路器的电流互感器中的电流相加后接入继电器。采用“和电流”接线的过电流保护装置，突出的优点是使用一套过电流保护装置兼做两台断路器的保护，省去了桥断路器的过电流保护装置，从而可以减少一级整定值，使上下级过电流保护更容易相互配合。采用“和电流”接线构成的过电流保护装置，必须注意电流互感器的极性。互感器连接时极性错误，可能造成保护装置无选择地动作。电流互感器的极性是以变压器高压侧电流流向变压器的方向作为正极性侧。内桥接线经常是桥断路器断开的开桥运行，桥断路器的电流互感器电流等于零。此时“和电流”接线的过电流保护和单侧电源供电变压器过电流保护的工作原理完全相同。“和电流”接线的过电流保护对于内桥接线有较好的选择性，可以通过图7-29对其进行具体分析。当2QF断开，电源Ⅱ停用。合上桥断路器3QF，电源Ⅰ给1号和2号主变供电时，如2号主变发生短路故障，短路电流经过电流互感器1TA、3TA、4TA到2号主变。由图7-29中接线可知，电流互感器1TA和4TA二次侧的短路电流流向相反。1号主变过电流保护装置电流继电器中的电流是电流互感器1TA和4TA二次侧电流之和，假设电流互感器变比相等，则有2号主变过电流保护装置电流继电器中的电流Im2是电流互感器2TA和3TA二次侧电流之和，故有由上述分析可知，1号主变过电流保护的电流继电器中没有电流流过，保护装置不动作，2号主变过电流保护的电流继电器中有短路电流流过，若大于动作值，保护装置动作，使桥断路器跳闸，满足选择性的要求。变压器过电流保护要想躲过电动机的自起动电流，必须选择较高的动作，这样，在最小运行方式下发生短路时往往难以满足灵敏度的要求。为此，需要采用低电压起动的过电流保护。二、双绕组变压器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7-30所示。它主要由电流继电器、低电压继电器等元件组成。为了保证变压器及低压侧母线短路时的灵敏度，低电压继电器应接在低压母线的电压互感器二次线电压上。为了保证在发生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的动作值按躲过变压器的额定电流IN.T整定，即Iop=Krel/KrIN.（7-58）式中Krel—可靠系数，取1.2；Kr—返回系数，取0.85。2、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Uop=Uw.min/（KrelKr）≈0.7UN（7-59）式中Uw.min—最低工作电压,一般取0.9UN。Kr—返回系数，取1.15。3、电流元件的灵敏度校验Ksen=Ik.min／Iop（7-60）式中Ik.min—后备保护范围末端两相金属性短路时的最小短路电流。规程规定：用作近后备时，要求Ksen≥1.3；用作远后备时，要求Ksen≥1.2。4、低电压元件的灵敏度校验Ksen=Uop/Uk.max（7-61）式中Uk.max—后备保护范围末端三相金属性短路时的最大残余电压。Ksen的要求与电流元件相同。5、动作时间整定与变压器的过电流保护式（7-57）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，则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。目前，广泛采用复合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。三、双绕组变压器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7-31所示。它是由低电压继电器KV和连接在负序电压滤过器ZVN上的过电压继电器KV2共同组成电压起动元件KVN，并将KV的线圈与KV2的常闭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。当变压器发生对称短路时，因为对称短路都是由不对称短路发展而成的，所以短路初瞬必然存在负序电压，KV2能够动作，其常闭触点打开，使低电压继电器KV因线圈失去电压而动作，起动整套保护装置。在短路发展为对称性以后，随着负序电压的消失，KV重新接于线电压，但低电压继电器终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，KV随之动作，起动保护装置。短路时被电压元件起动的保护装置在达到其动作电流值和整定时限后，将变压器两侧断路器断开。1、电流继电器动作值整定与低电压起动的过电流保护式（7-58）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（7-59）相同。3、负序电压继电器整定负序电压继电器的的一次动作电压，按正常运行时的不平衡电压整定，根据运行经验，一般取Uop.2=0.06Ue（7-62）4、灵敏度校验1）电流继电器的灵敏度与低电压起动的过电流保护式（7-60）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（7-61）相同。3）负序电压继电器的灵敏度按后备保护范围末端两相金属性短路时，保护安装处出现的最小负序电压校验Ksen=Uk.min.2/Uop≥2（7-63）4）动作时间整定与单侧电源供电双绕组变压器的过电流保护式（7-57）相同。有关变压器的其它后备保护，仅作如下介绍：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时，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，必须采用阻抗保护。因为阻抗保护不受运行方式变化的影响，所以灵敏度很高。对于这两种后备保护，因专业和篇幅要求所限，在此不作介绍，请参阅有关资料。2、三绕组变压器过电流保护的特点三绕组变压器过电流保护的配置与原理与双绕组变压器相同，但三绕组变压器要求在外部故障时，仅断开故障侧的断路器，因而所考虑的问题也较多。单侧电源供电三绕组变压器过电流保护的特点如图7-31所示，单侧电源供电三绕组变压器的过电流保护一套装设在负荷Ⅱ侧，其时间继电器2KT动作时限tⅡ应比其它两侧小，动作时断开断路器2QF。另一套装设在电源Ⅰ侧，两个时间继电器1KT、3KT动作时限关系为7-643KT动作断开断路器3QF，1KT动作断开变压器三侧断路器1QF、2QF、3QF。当变压器Ⅱ侧外部k1点短路时，两套保护均起动，由2KT以较小动作时限tⅡ动作于断路器2QF跳闸，变压器Ⅰ、Ⅲ侧继续运行；当变压器Ⅲ侧外部K2点短路时，则3KT以时限tⅢ断开断路器3QF，保持变压器Ⅰ、Ⅱ侧继续运行。当变压器内部k3点短路时，在断路器3QF断开后，1KT时限不返回，延时tⅠ后触点闭合将变压器三侧断路器1QF、2QF、3QF断开。双侧电源或三侧电源供电三绕组变压器过电流保护的特点双侧电源或三侧电源供电三绕组变压器应在三侧装设过电流保护，为保证选择性，在动作时限较小的电源侧加装方向元件。如图7-31所示，当变压器Ⅰ、Ⅱ两侧均有电源时，在动作时限较小的Ⅱ侧过电流保护加装方向元件，其动作方向由变压器指向本侧母线，以防止变压器Ⅰ、Ⅲ两侧外部故障时，引起本侧保护无选择性动作。变压器Ⅱ侧过电流保护加装方向元件后，还需另外装设一套不带方向的过电流保护，作为变压器内部故障的后备保护，以较长时限tⅡ+Δt断开变压器三侧的断路器。四、变压器的过负荷保护变压器长期处于过负荷运行状态，将会使绝缘老化，减短绕组寿命，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一个电流继电器，为了防止在外部短路或在短时过负荷时发出不必要的信号，过负荷保护要经过延时动作于信号，通常延时9~10s。其原理接线如图7-32所示。过负荷保护安装侧的选择，应能反应所有绕组的过负荷情况，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。单侧电源的三绕组降压变压器，若三侧容量相同，过负荷保护仅装在电源侧；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应装设过负荷保护。过负荷保护的动作电流，按躲过变压器额定电流整定，即Iop=Krel/KrIN（7-65）式中Krel—可靠系数，取1.05；Kr—返回系数，取0.85；IN—保护安装侧变压器的额定电流。过负荷保护的动作时间，应大于变压器后备保护的最大时限1～2个时限级差。五、变压器接地故障的零序保护在中性点直接接地系统中，绝大部分的故障是接地故障，因此，应装设变压器接地保护，作为系统接地故障和变压器接地故障的后备保护。变压器的接地保护，主要为切除母线的接地故障；在相邻线路上发生接地故障和在变压器内部发生故障时尽可能起后备作用。单台或两台并列变压器均接地运行的接地保护发电厂、变电站单台或两台并列变压器均接地运行时，其接地保护通常采用一般的零序电流保护。如图7-33所示，为了使保护的不平衡电流，零序电流通常取自变压器中性点接地线上电流互感器TA的二次。电流互感器TA应装设在隔离开关QS与接地点之间。零序电流保护根据以下情况设置对于发电厂的双绕组变压器，只装设一段带时限的零序电流保护，切除变压器两侧的断路器。对于中压侧无电源的三绕组变压器，一般装设带有两段时限的零序电流保护，以第Ⅰ段时限切除本侧断路器，以第Ⅱ段时限切除各侧断路器。对于中压侧有电源的三绕组变压器，当高、中压侧中性点可能同时直接接地运行时，为了保证零序电流保护动作的选择性，在动作时限较短的一侧，应加装零序功率方向继电器，其电压线圈由本侧电压互感器开口三角侧供给零序电压。对于两台并列运行的降压变压器，一般装设带有两段时限的零序电流保护，第一段时限动作于高压侧母线断路器或母联断路器，第二段时限动作于切除各侧断路器。