第五讲 变压器保护

第五讲变压器保护一、变压器故障、异常状态及保护配置

1、

变压器故障：电力变压器的故障通常可分为油箱内部故障和油箱外部故障。油箱内部故障主要是指发生在变压器油箱内包括高压侧或低压侧绕组的相间短路、匝间短路、中性点直接接地系统侧绕组的单相接地短路。油箱外部最常见的故障主要是变压器绕组引出线和套管上发生的相间短路和接地短路(直接接地系统侧)。

2、变压器不正常工作状态：变压器的不正常工作状态主要有过负荷、外部短路引起的过电流、外部接地短路引起的中性点过电压、油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高；以及大容量变压器，由于其额定工作磁通密度较高，工作磁密与电压频率比成比例，在过电压或低频率下运行时，可能引起变压器的过励磁故障等。

3、变压器继电保护的任务及保护配置：1）变压器继电保护的任务：就是反应上述故障或异常运行状态，并通过断路器切除故障变压器，或发出信号告知运行人员采取措施消除异常运行状态。同时变压器保护还应能用作相邻电气元件的后备保护。2）变压器应装设的继电保护：针对上述各种故障与不正常工作状态，变压器应装设下列继电保护：（1）防御变压器油箱内部各种故障和油面降低的瓦斯保护。（2）防御变压器外部引出线、套管及内部短路故障的纵联差动保护或电流速断保护。（3）

防御变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和纵联差动保护(或电流速断保护)后备的过电流保护等。

（4）防御大接地电流系统中变压器外部接地短路的零序电流保护。（5）

防御变压器对称过负荷的过负荷保护。（6）防御变压器过励磁的过励磁保护。

二、变压器主要保护基本工作原理（一）变压器瓦斯保护1）瓦斯保护的工作原理：当变压器内部故障时，故障点的局部高温将使变压器油温升高，体积膨胀，甚至出现沸腾，油内空气被排出而形成上升汽泡。若故障点产生电弧，则变压器油和绝缘材料将分解出大量气体。这些气体自油箱流向油枕上部，故障越严重，产生的气体越多，流向油枕的气流速度越快，甚至气流中还夹杂着变压器油。利用上述气体来实现的保护，称为瓦斯保护。瓦斯保护主要由瓦斯继电器来实现，它是一种气体继电器，安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中。瓦斯保护动作后，应从瓦斯继电器上部排气口收集气体，进行分析。根据气体的数量、颜色、化学成份、可燃性等，判断保护动作的原因和故障的性质。

2）瓦斯保护的特点：

瓦斯保护是变压器内部故障最有效的一种主保护。瓦斯保护能反应油箱内各种故障，且动作迅速、灵敏性高、接线简单，但不能反应油箱外的引出线和套管上的故障。故不能作为变压器唯一的主保护，须与差动保护配合共同作为变压器的主保护。

（二）变压器纵差动保护

1、基本原理：

变压器纵差动保护，是变压器内部及引出线上短路故障的主保护，它能反应变压器内部及引出线上的相间短路、变压器内部匝间短路及大电流系统侧的单相接地短路故障。另外，尚能躲过变压器空充电及外部故障切除后的励磁涌流。

如图示出了双绕组变压器差动保护单相原理接线图。变压器两侧分别装设电流互感器TA1和TA2，并按图中所示极性关系进行连接。

(1)正常运行或外部故障时，流过差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差，是穿越性电流，只要恰当选择两侧电流互感器的变比，在这种情况下流过继电器的电流可基本为零，这样，正常运行或外部故障时，差动继电器KD不会动作。(2)当变压器内部故障时，流入差动继电器的电流为两侧电流互感器的二次电流之和，相当于故障点短路电流。当IK大于继电器KD动作电流时，KD立即动作，跳开两侧断路器，将故障变压器从系统中切除。若一侧无电源，则该侧电流为零，继电器同样能可靠动作，因为继电器流过的仍然是故障点短路电流。

2、变压器纵差动保护的特点：不平衡电流较大，引起不平衡电流的因素较多。将降低变压器内部短路时保护的灵敏度。归纳起来，产生不平衡电流的原因及相应措施主要有以下五种：

①变压器两侧电流相位不同；通常采用相位补偿法接线,并进行数值补偿.。②电流互感器计算变比与实际变比不同；1)采用自耦变流器，2))利用BCH型差动继电器中的平衡线圈,3)在计算保护的动作值时应予以考虑，引入一个相对误差△f。③变压器各侧电流互感器型号不同；在计算保护的动作值时应予以考虑，引入一个电流互感器的同型系数Ktx，取为1。④

变压器带负荷调节分接头；在计算保护的动作值时应予以考虑，引入一个由变压器带负荷调压所引起的相对误差△U，取电压调整范围的一半。⑤变压器的励磁涌流。3、变压器的励磁涌流的特点及相应的保护措施1）变压器的励磁涌流的特点：在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下，有可能产生很大的励磁电流，其数值可达额定电流的6～8倍。这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称为励磁涌流。该励磁涌流在数值上可与变压器内部故障时的短路电流相比拟，且只流过变压器的电源侧，因此，常常导致差动保护误动作，给变压器差动保护的实现带来困难。励磁涌流具有如下特点：①

具有很大的峰值；且含有大量的非周期分量，偏于时间轴的一侧。②含有大量的高次谐波，尤以二次谐波分量最为显著。③波形有间断角。

2）相应的保护措施：根据上述励磁涌流的特点，对于大容量变压器在构成变压器纵差动保护时，为防止出现励磁涌流时保护误动，可采取以下几种方法。①

采用带速饱和特性的差动继电器构成变压器纵差动保护。

②

采用二次谐波制动原理构成变压器纵差动保护。③

根据鉴别波形间断角的原理构成变压器纵联差动保护。

4、常见变压器差动保护原理（1）比率制动特性的差动保护目前大容量发电机-变压器组都是采用比率制动特性的纵联差动保护。所谓比率制动特性就是指继电器的动作电流随外部短路电流的增大而自动增大，而且动作电流的增大比不平衡电流的增大还要快。这样就可避免由于外部短路电流的增大而造成继电器误动作，同时对于内部短路故障又有较高的灵敏度。如图所示。（2）二次谐波制动的变压器差动保护

不论双绕组或三绕组电力变压器的励磁涌流中，均含有较大成份的二次谐波分量，但在变压器内部故障或外部故障的短路电流中，二次谐波分量所占比例较小。因此，可利用上述特点构成二次谐波制动的差动保护，使之有效地躲过励磁涌流的影响。如图所示，为二次谐波制动的变压器差动保护的一般性原理接线图。主要包括下面四个部分：

①

比率制动回路；

②

二次谐波制动回路；

③

差动回路；

④

执行回路。图5.6二次谐波制动的差动保护原理接线框图TX1TX2TX3（3）鉴别波形间断角原理的差动保护鉴别波形间断角原理的差动保护，是利用励磁涌流波形间存在较大间断角，而短路电流波形间无间断角的两种电流波形间的差别，区别出是涌流还是短路，从而躲过励磁涌流影响，并利用制动特性躲过不平衡电流影响而构成的变压器差动保护。保护动作条件：差动电压大于制动电压的时间足够长。

图5.8各种情况下差动电压与制动电压的比较图5.7鉴别波形间断角原理的变压器纵差动保护（a）原理框图（b）鉴别间断角的电路图(a)正常运行时(b)外部短路时(c)内部短路时TX1TX2图5.9出现励磁涌流时电流电压波形图UTXX5、微机变压器纵差动保护（包括发变组、主变、厂变、励磁变、启备变）

变压器纵差保护，按比较变压器各侧同名相电流之间的大小及相位构成。以三卷变压器为例，其一相差动的交流接入回路示意图如下。变压器纵差保护由三个部分构成：差动元件、涌流判别元件及差动速断元件。变压器纵差保护的逻辑框图下图表示“或门”制动原理纵差保护框图下图为分相制动原理纵差保护框图（三）变压器相间短路的后备保护及过负荷保护1、变压器相间短路的后备保护根据变压器容量的大小、地位及性能和系统短路电流的大小，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护或负序电流保护及低阻抗保护等。1）过电流保护变压器过电流保护的单相原理接线如图所示。保护装置的起动电流按躲过变压器的最大负荷电流整定。用于小容量降压变压器。2）低压过流保护

低电压启动的过电流保护原理接线如图所示。保护的启动元件包括电流继电器和低电压继电器，只要当电流元件和电压元件同时动作，才能起动时间继电器经预定时间后，起动出口中间继电器动作与跳闸。电流元件的起动电流就可按躲过变压器的额定电流整定。低电压元件的起动电压应小于正常运行时最低工作电压。Uact=0.7UNT用于较大容量的降压变压器、联络变压器等。微机低压过流保护发电机低压过流保护的输入量为机端TV二次相间电压（UAB、UBC、UCA）及发电机TA二次三相电流（IA、IB、IC）。当电压取自变压器Y0接线侧，变压器低压过流保护的输入量为二次三相电压（UA、UB、UC）及二次三相电流。当电压取自变压器∆接线侧，保护的输入量为二次相间电压（UAB、UBC、UCA）及二次三相电流。

3）复合电压过流保护若低电压启动的过电流保护的低电压继电器灵敏系数不满足要求时，为提高不对称短路时电压元件的灵敏度，可采用复合电压启动的过电流保护。其原理接线如图所示。用于升压变压器和灵敏度不够的降压变压器。微机复合电压过流保护保护的输入量同低压过流保护，保护的逻辑框图如下。4）负序方向过流保护变压器负序过电流保护的原理接线图如图所示。保护装置由电流继电器和负序电流滤过器Z等组成。由于它不能反映三相对称短路，所以必须加装一套低电压启动的过电流保护来反映三相对称短路，它由电流继电器和低电压继电器组成。用于63MVA及以上的升压变压器。负序方向过流保护，主要作为变压器相间短路的后备保护，并兼作相邻线路相间短路的后备保护。负序功率方向判据与负序过流判据共同构成负序方向过流保护。保护输入变压器引出端TA二次三相电流及同侧母线TV二次三相电压。大型发变组配置的负序方向过流保护，其负序过电流定值通常有二段，每段带二个延时（可以根据需要选择）。其逻辑框图如下图所示。5）阻抗保护（包括发电机、变压器）当采用上述各种后备保护灵敏度不能满足要求时，必须采用低阻抗保护。用作后备保护的低阻抗保护一般由两段构成。第Ⅰ段的保护范围包括变压器受电侧的母线，第Ⅱ段的保护范围为变压器受电侧引出线的末端。保护的阻抗元件可以采用简单的全阻抗继电器，或偏移阻抗继电器。接线方式为三相式，电压回路设有断线闭锁装置，但一般不装设振荡闭锁装置，而用延时躲过振荡。发电机变压器低阻抗保护，主要作为发电机及变压器相间短路的后备保护，有时还兼作相邻设备（母线、线路等）相间短路的后备保护。该保护主要由三个相间阻抗元件构成。阻抗元件的接入电压和接入电流，可以取自机端TV及TA的二次，也可以取自主变高压侧或中压侧TV及TA二次。为提高阻抗保护动作的可靠性，设置有TV断线闭锁判据。此外，还设置有过电流和负序电流启动元件。阻抗保护最大选配为二段四延时。一般一段定值二延时的阻抗保护构成逻辑框图如下图。5）阻抗保护（包括发电机、变压器）

发电机变压器低阻抗保护，主要作为发电机及变压器相间短路的后备保护，有时还兼作相邻设备（母线、线路等）相间短路的后备保护。该保护主要由三个相间阻抗元件构成。阻抗元件的接入电压和接入电流，可以取自机端TV及TA的二次，也可以取自主变高压侧或中压侧TV及TA二次。为提高阻抗保护动作的可靠性，设置有TV断线闭锁判据。此外，还设置有过电流和负序电流启动元件。阻抗保护最大选配为二段四延时。一般一段定值二延时的阻抗保护构成逻辑框图如下图。

2、变压器过负荷保护变压器的过负荷电流在大多数情况下都是三相对称的，因此只需装设单相过负荷保护。变压器的过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流。保护只用一个电流继电器，接于任一相电流中，经延时动作于信号。（四）变压器零序保护变压器零序保护的方式与变压器中性点的绝缘水平和接地方式有关，应分别予以考虑。1、中性点直接接地变压器的零序电流保护这种变压器接地短路的后备保护毫无例外地采用零序电流保护。一般配置两段式零序电流电流保护，每段还各带两级延时，如下图所示。

图5.18中性点直接接地运行变压器零序电流保护原理接线图微机变压器零序电流保护（包括主变、厂变、备变）变压器零序电流保护，反映变压器Y0侧零序电流的大小，是变压器接地短路的后备保护，也兼作相邻设备接地短路的后备保护。保护的接入电流可取变压器中性点TA二次电流，或引出端TA二次零序电流，或由TA二次三相电流进行自产。当零序电流大于整定值时，经延时作用于信号及出口。零序电流保护最大选配为二段四延时，可通过下载方便选用。二段式变压器零序电流保护的逻辑框图如下图所示。

2、中性点可能接地或不接地运行时变压器的零序电流电压保护为了使零序保护有稳定的保护范围和足够灵敏度，有时将部分变压器中性点接地运行。因此，这些变压器的中性点，有时接地运行，有时不接地运行。对于分级绝缘变压器且中性点可能接地或不接地运行的变压器，除装设上述中性点经常接地运行的变压器零序电流保护外，还增设了一套反应间隙放电电流的零序电流保护和一套零序电压保护，作为变压器中性点不接地运行时的保护。其中零序电压保护作为间隙放电电流保护的后备。图5.20分级绝缘变压器零序保护原理接线图微机变压器间隙零序保护变压器间隙零序保护用于保护变压器中性点绝缘，当变压器中性点不接地运行时投入。保护反映变压器中性点间隙零序电流及大电流系统侧母线TV开口三角电压的大小。当间隙电流或变压器系统侧母线TV开口三角电压超过整定值时，经延时动作，切除变压器。保护的接入电流为间隙零序TA二次电流