電力變壓器繼電保護及母線保護

本文格式為Word版，下載可任意編輯——電力變壓器繼電保護及母線保護第七章電力變壓器保護

第一節(jié)電力變壓器的故障類型、不正常運行狀態(tài)及其相應的保護方式

電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的供電設備，它的故障將對供電可靠性和系統(tǒng)的運行帶來嚴重的影響。因此，必需根據(jù)變壓器的容量和重要程度考慮裝設性能良好，工作可靠的繼電保護裝置。

變壓器的內部故障可以分為油箱內和油箱外故障兩種。油箱內的故障包括繞組的相間短路、接地短路、匝間短路以及鐵芯的燒損等。油箱外的故障，主要是套管和引出線上發(fā)生相間短路和接地短路。

變壓器的不正常運行狀態(tài)主要有：外部相間短路引起的過電流、外部接地短路引起的過電流和中性點過電壓、過負荷以及漏油引起的油面降低；對大容量變壓器，在過電壓或低頻率等異常運行方式下，還會發(fā)生變壓器的過勵磁故障。

根據(jù)上述故障類型和不正常運行狀態(tài)，對變壓器應裝設以下保護。

1．反應變壓器油箱內部各種短路故障和油面降低的瓦斯保護。對油冷卻的變壓器，在油箱內短路時，在短路電流和短路電弧的作用下，絕緣油和其它絕緣材料會因受熱而分解產生氣體。這些氣體會從油箱流向油枕上部。瓦斯保護就是反應油箱內部產生的氣體和油流而動作的。其中輕瓦斯動作于信號；重瓦斯動作于跳閘。

2．反應變壓器繞組和套管及引出線上的相間故障、大電流接地系統(tǒng)側繞組和引出線的單相接地短路及繞組匝間短路的縱聯(lián)差動保護或電流速斷保護

3．反應外部相間短路并作為瓦斯保護和差動保護（或電流速斷保護）后備的低電壓起動過電流保護或復合電壓起動的過電流保護或負序過電流保護

4．反應大電流接地系統(tǒng)中變壓器外部接地短路的零序電流保護5．反應變壓器對稱過負荷的過負荷保護6．反應變壓器過勵磁故障的過勵磁保護

其次節(jié)變壓器的縱聯(lián)差動保護

一、變壓器縱聯(lián)差動保護的基本原理和構成原則

在第四章的第一節(jié)中曾指出：采用輔助導線作為通信通道進行兩端電氣量比較可以構成縱聯(lián)差動保護。下面就以變壓器的縱聯(lián)差動保護為例，說明這種保護的基本原理。

為構成變壓器的縱聯(lián)差動保護，在變壓器的各側分別裝設電流互感器，每側電流互感器一次回路的正極性均置于靠近母線的一側；二次回路的同極性端子用輔助導線相聯(lián)接；差動繼電器則并聯(lián)聯(lián)接在電流互感器二次回路的兩個臂上。雙繞組和三繞組變壓器縱聯(lián)差動保護原理接線如圖6－1所示，仍規(guī)定一次側電流的正方向為從母線流向被保護的變壓器，則流入

??I???I???。差動繼電器的電流即為各電流互感器二次電流的總和，即IJ22由于變壓器高壓側和低壓側的額定電流不同，因此，為了保證縱聯(lián)差動保護在正常運行

??0、保護不動作，就必需適選中擇兩側電流互感器和外部故障時流入差動繼電器的電流IJ的變比。例如在圖6－1（a）中，應使

??I2?I1I?????1?I2nl1nl2所以

nl2I1????nB（8-1）nl1I1?式中nl1——高壓側電流互感器的變比；

nl2——低壓側電流互感器的變比；

nB——變壓器的變比(即高、低壓側額定電壓之比)。

由式（6-1）可知，構成變壓器縱聯(lián)差動保護的基本原則就是：必需適選中擇兩側電流互感器的變比，使其比值等于變壓器的變比nB。

這樣選擇好電流互感器變比后，當在圖6－1（a）所示變壓器內部發(fā)生故障時，假使變壓器兩側均有電源，則兩側電源都要向短路點提供短路電流，且兩側電流按規(guī)定正方向看均為正，因此流入差動繼電器的電流IJ為兩側電源提供出的短路電流變換到二次側的和，即等于短路點總電流歸算到二次側的數(shù)值。當IJ?Idz.J時，繼電器動作于跳閘。由此可見，縱聯(lián)差動保護的基本原理實際上是比較被保護元件各側電流的幅值和相位，即是對各側電流相量的比較。

二、變壓器縱聯(lián)差動保護不平衡電流產生的原因及消除方法

根據(jù)縱聯(lián)差動保護的基本原理可知，變壓器正常運行或外部故障時，假使不計電流互感

??0。實際中，由于勵磁電流的存在以及其他因器勵磁電流的影響，則流入繼電器的電流IJ??0，而是有一定數(shù)值大小的電流流入差動繼電器，我素的影響，正常運行或外部故障時IJ?。們稱其為不平衡電流Ibp為了保證變壓器縱差動保護動作的選擇性，差動繼電器的動作電流Idz.J應躲開外部短路

?時，出現(xiàn)的最大不平衡電流Ibp.max。因此不平衡電流越大，繼電器的起動電流越大，靈敏度越低。由于產生變壓器縱差動保護不平衡電流的原因較多，所以，如何減小不平衡電流對保

護的影響成為實現(xiàn)變壓器縱聯(lián)差動保護的主要問題?，F(xiàn)對其不平衡電流產生的原因和消除方法分別探討如下。

1．變壓器勵磁涌流ILY產生的不平衡電流

變壓器的勵磁電流IL僅流經變壓器接通電源的一側，因此，通過電流互感器反應到差動回路中就不能被平衡。在正常運行狀況下，此電流很小，一般不超過額定電流的2%~6%；在外部故障時，由于電壓降低，勵磁電流減小，它的影響就更小。

但是在電壓突然增加的特別狀況下，例如變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時可能出現(xiàn)數(shù)值很大的勵磁電流，這種在暫態(tài)過程中出現(xiàn)的數(shù)值很大的變壓器勵磁電流尋常稱為勵磁涌流。勵磁涌流的存在會導致縱聯(lián)差動保護誤動作。下面將探討勵磁涌流產生的原因和特點，并從中找出戰(zhàn)勝勵磁涌流影響的方法。

由于穩(wěn)態(tài)工作狀況下，鐵芯中的磁通滯后于外加電壓90?，如圖8—2（a）所示，所以假使正好在電壓瞬時值u?0時投入空載變壓器，則鐵芯中應當具有磁通??m。但是由于鐵芯中的磁通不能突變，因而鐵芯中將出現(xiàn)一個非周期分量的磁通，其幅值為??m與??m相平衡。這樣在經過半個周期以后，鐵芯中的磁通就達到2?m，假使鐵芯中還有剩余磁通?s，則總磁通將為2?m??s，如圖8－2（b）所示。此時變壓器的鐵芯嚴重飽和，勵磁電流IL將猛烈增大，成為勵磁涌流ILY，如圖8－2（c）所示，其數(shù)值最大可達額定電流的6～8倍，同時包含有大量的非周期分量和高次諧波分量，如圖8－2（d）所示。

勵磁涌流的大小和衰減時間，與外加電壓的相位、鐵芯中剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗以及變壓器容量的大小和鐵芯性質等都有關系。例如，正好在電壓瞬時值為最大時合閘，就不會出現(xiàn)勵磁涌流，而只有正常時的勵磁電流。對三相變壓器而言，無論在任何瞬間合閘，至少有兩相要出現(xiàn)程度不同的勵磁涌流。

勵磁涌流具有以下特點：

（1）包含有很大成分的非周期分量，使涌流偏于時間抽的一側；（2）包含有大量的高次諧波，而以二次諧波為主；

（3）波形之間出現(xiàn)休止，如圖8—3所示，在一個周期中休止角為?。

根據(jù)以上特點，在變壓器縱聯(lián)差動保護中防止勵磁涌流影響的方法有：

（1）鑒別短路電流和勵磁涌流波形的區(qū)別勵磁涌流的相鄰波形是不連續(xù)的，因而出現(xiàn)了休止角。分析說明，休止角的大小與合閘瞬間電壓的初相角有關，大型單相變壓器勵磁涌流的最小休止角一般不小于120?。因此通過測量ILY持續(xù)為零的時間可知休止角的大小。當休止角大于預先給定的整定值時，可認為出現(xiàn)了勵磁涌流，此時將縱聯(lián)差動保護閉鎖，防止其誤動作。

（2）利用二次諧波制動對圖6－2（d）的波形分析可見，在勵磁涌流的作用下，差動回路中含有很大成份的二次諧波電流，因此從差動電流回路中濾出二次諧波，采用二次諧波作為制動量，可有效地防止出現(xiàn)勵磁涌流造成保護的誤動作。

2．變壓器兩側電流相位不同產生的不平衡電流

由于變壓器往往采用Y,d11的接線方式，其兩側電流的相位差30?。假使兩側的電流互感器仍采用尋常的接線方式，則二次電流由于相位不同會產生很大的不平衡電流流入繼電器。為了消除這種不平衡電流的影響，將變壓器星形側的三個電流互感器接成三角形，而將變壓器三角形側的三個電流互感器接成星形，這樣可以使二次電流的相位一致，如圖6-4所示。

?Y、I?Y和I??、I??和I?Y?I?Y、?Y為星形側的—次電流，I??為三角形側的一次電流；I圖中IA1B1A1B1A2B2C1C1?Y?I?Y和I?Y?I?Y為星形側電流互感器副邊輸出電流，它們剛好與三角側電流互感器的副IB2C2C2A2??、I??和I??同相位。邊輸出電流IA2B2C2

但是，當電流互感器采用上述聯(lián)接方式以后，在互感器接成三角形側的差動—臂中，電流又增大了3倍。為了保證在正常運行及外部故障狀況下流入差動回路的電流為零，就必需將該側電流互感器的變比加大3倍以減小二次電流，使之與另一側的電流相等。故此時選擇變比的條件是

nl2?nB（6-2）

nl1/3式中nl1和nl2為適應Y/?接線的需要而采用的新變比。

3．計算變比與實際變比不同產生的不平衡電流

由于兩側的電流互感器都是根據(jù)產品目錄選取標準的變比，而變壓器的變比也是一定的。因此，三者的關系很難滿足衡電流。

4．兩側電流互感器型號不同產生的不平衡電流

由于兩側電流互感器的型號不同，它們的飽和特性、勵磁電流(歸算至同一側)也就不同，因此，在差動回路中所產生的不平衡電流也就較大。這種不平衡電流是不可避免的，只能靠盡可能減少電流互感器鐵芯的飽和程度來消弱它的影響。為此應嚴格依照電流互感器的10%誤差曲線選擇二次負載，負載小了等于降低了二次電壓，也就降低了電流互感器的磁感應強度，減弱了鐵芯飽和程度，相應地也就減小了不平衡電流。

nl2nl2?nB）的要求，從而在差動回路中產生不平?nB（或

nl1nl1/3

5．變壓器帶負荷調整分接頭產生的不平衡電流

帶負荷調整變壓器的分接頭是保證電力系統(tǒng)運行電壓穩(wěn)定的重要手段。改變分接頭就是改變變壓器的變比nB，假使差動保護已依照某一變比調整好，則當分接頭改變時，就會產生一個新的不平衡電流流入差動回路。此時不可能用改變整定值的方法來消除這個不平衡電流，這是由于變壓器的分接頭經常在改變，而差動保護的電流回路在帶電的狀況下是不能進行操作的。在整定計算時，對這一不平衡電流也要予以考慮。

上述第2項不平衡電流可用適當?shù)剡x擇電流互感器二次線圈的接法和變比使其降到最小。但l、3、4、5各項不平衡電流，實際上是不可能消除的。因此，在穩(wěn)態(tài)狀況下，變壓器縱聯(lián)差動保護的最大不嚴衡電流Ibp.max可由下式確定

Ibp.max??Ktx?10%??U??fza?Id.max/nl（6－3）式中10%——電流互感器容許的最大相對誤差；

Ktx——電流互感器的同型系數(shù)，取為1；

?U——由帶負荷調壓所引起的相對誤差，假使電流互感器二次電流在變壓器額定抽

頭的狀況下處于平衡時，則?U等于電壓調整范圍的一半；

?fza——由于所采用的互感器變比與計算值不同時，所引起的相對誤差。

Id.max/nl——保護范圍外部最大短路電流歸算到二次側的數(shù)值。

微機變壓器保護

1．對微機變壓器保護的要求

變壓器是電力系統(tǒng)的重要設備之一，它的可靠運行對輸電系統(tǒng)的安全、經濟運行具有重大意義。為保證系統(tǒng)和變壓器安全運行，減少事故損失，大型變壓器繼電保護應滿足如下要求：

1）高靈敏度

要求能靈敏動作于匝間短路故障，同時亦能靈敏動作于內部高電阻接地故障。2）高速度

對于聯(lián)接超高壓遠距離輸電線路的變壓器，當發(fā)生內部故障時，由于諧振會產生諧波電流，可能引起諧波制動的差動保護延緩動作，需要采取有效的加速措施或尋求鑒別勵磁涌流的新原理和新方法。

3）有效地對付過激磁

大型變壓器的工作磁密尋常取得較高，電壓或頻率降低，勵磁電流會激增。此時一方面要求差動保護不能誤動，另一方面為防止勵磁電流過大使變壓器發(fā)熱燒損，需要裝設滿足過勵磁倍數(shù)要求和具有反時限特性并能計及過熱積累效應的過激磁保護。

目前，計算機變壓器保護的研究成果主要集中在差動保護方面。因此，在此將以計算機變壓器差動保護為重點進行介紹。

國外早期計算機變壓器差動保護的研究基本上未脫離傳統(tǒng)保護的原理，主要從不同角度提出各種算法及其實現(xiàn)技術。差動保護算法以比率制動原理為重點。勵磁涌流的鑒別則以二

次諧波原理為主導地位。從八十年代開始，研究朝兩個方向發(fā)展：一個是開發(fā)計算機變壓器保護的實用裝置，迅速應用于實踐；另一個則是利用計算機技術在記憶能力和計算能力方面的優(yōu)點，摸索新的原理。如利用涌流與故障電流波形特點的波形對稱原理、采用故障分量來實現(xiàn)差動判據(jù)的所謂Δ差動繼電器，以及用磁通原理來鑒別勵磁涌流的所謂磁制動差動繼電器等。

2．微機變壓器保護的特點

與傳統(tǒng)變壓器保護相比，微機變壓器保護由于采用了計算機技術，充分利用記憶功能和優(yōu)越的信息處理功能，所以能夠更好地解決傳統(tǒng)保護中的以下問題：

（1）變壓器各側繞組中因連接組關系而引起的電流相位移動可由CT副邊Y，Δ變換改變?yōu)閿?shù)字計算補償．眾所周知，傳統(tǒng)差動保護對于Y，Δ變壓器需將星形側三相CT副邊接成三角形，以保證變壓器兩側同相電流相位一致。對于微機差動保護，Y，Δ變壓器星形側CT依舊可以Y形接線，而用數(shù)值計算來完成Y，Δ變換，這樣便可以消除不平衡電流的影響。（2）可應用更多更繁雜的原理來改善勵磁涌流鑒別能力。目前，在電力系統(tǒng)中已通過鑒定的變壓器差動保護裝置的原理有：二次諧波制動原理的差動保護、休止角原理的差動保護、波形對稱原理的差動保護。一些新的變壓器保護原理如：磁特性原理，神經網絡原理正在研究試驗中，不久的將來也會在電力系統(tǒng)中投入使用。

（3）可通過采用靈活的算法來獲得高速度和高靈敏度，例如，計算機差動保護除可繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的差動速斷和低電壓加速措施外，還可通過長短數(shù)據(jù)窗算法的協(xié)同提高嚴重故障時的動作速度，利用計算機記憶功能還可便利的獲取故障分量，進一步提高內部故障時的動作靈敏度，

（4）采用運算和規(guī)律處理實現(xiàn)CT和PT斷線的報警和閉鎖．

（5）由CT變比標準化帶來的誤差可用數(shù)字運算進行補償．這種補償方法較之常規(guī)補償方法更為確鑿，從而進一步減小了不平衡電流．

3．微機變壓器差動保護的原理及其實現(xiàn)方法

具有折線比率制動特性的差動保護原理和算法

用計算機實現(xiàn)變壓器差動保護時，尋常也是分相差動原理。對于雙繞組變壓器，若規(guī)定其兩側分別記為I側和II側，那么依照大型變壓器尋常采用的三段折線式比率制動特性要求，其基波向量可表示成以下動作判據(jù)或算法：

Id?Id.min,Ir?Ir1

Id?K1(Ir?Ir1)?Id.min,Ir1?Ir?Ir2

Id?K2(Ir?Ir2)?K1(Ir2?Ir1)?Id.min,Ir?Ir2

Id差動電流，Id?II?III；

????Ir制動電流，Ir??II?III?/2；

??

圖36三段折線比率制動特性

二次諧波、休止角及波形對稱原理的變壓器差動保護算法

目前國內外生產變壓器微機保護的廠家好多，就主保護而言，國外保護裝置基本是以二次諧波制動為主的比率差動保護，而國內則以二次諧波制動和休止角兩種原理為主導，以波形對稱原理為補充的格局正在形成。*二次諧波制動的比率差動保護

對于普遍采用的二次諧波制動的比率差動保護而言，由于三相勵磁涌流及其中的二次諧波不盡一致，故需采用或門制動，即三相電流中有一相制動即對三相全部制動，在空載投入變壓器，或外部故障切除后電壓恢復時，假使變壓器某相發(fā)生匝間短路故障，健全相的勵磁涌流產生的二次諧波將制動保護，使保護延時動作或拒動；隨著電網電壓等級的提高和系統(tǒng)規(guī)模的擴大以及變壓器單臺容量的增大，大型變壓器內部嚴重故障時，由于分布電容與電感產生諧振使短路電流中的二次諧波含量明顯增大，有可能使二次諧波制動，引起差動保護延時動作；變壓器端部接長線或經靜補電容及并聯(lián)電抗器后接入系統(tǒng)，變壓器內部故障時，暫態(tài)電流的頻率可能接近二次諧波，同樣有可能使二次諧波制動，引起保護延時動作。

目前所采用的二次諧波制動比一般取15％～17％，這是根據(jù)飽和磁通為工作磁通幅值的1．4倍來考慮的。但由于變壓器制造技術的提高和制造材料的改進，現(xiàn)代變壓器的飽和磁通倍數(shù)經常在1．2到1．3甚至低至1．15。在此狀況下，涌流的最小二次諧波含量有時可能低至10％以下，此時差動保護會在變壓器空投或外部故障切除時誤動。

*休止角原理的比率差動保護

國內比較成熟的休止角原理的比率差動保護，是利用勵磁涌流波形具有明顯的休止角特性進行判別的。但當CT飽和時，休止角中將產生反向電流，飽和越嚴重，休止角中的反向電流越大，使得休止角消失；小電流狀況下電流中的諧波含量以及頻率的變化對休止角的測量影響較大，因此在系統(tǒng)振蕩時休止角原理的差動保護可能誤動。

休止角原理的變壓器差動保護反應電流波形中休止角的大小。若休止角θd＞65°，則認為是勵磁涌流，而非變壓器內部故障。此時立刻閉鎖比率差動繼電器，以防止其在變壓器空載合閘和外部故障切除電壓恢復過程中誤動；若休止角θd式中Ud.ma——最大運行方式下，相鄰元件末端三相金屬性短路時，保護安裝處的最大線x電壓，要求Klm≥1.2。

對升壓變壓器，假使低電壓元件只接于某一側的電壓互感器上，則當另一側故障時，往往不能滿足上述靈敏系數(shù)的要求。可考慮采用兩套低電壓元件分別接在變壓器兩側的電壓互感器上，其觸點采用并聯(lián)的聯(lián)接方式；也可采用復合電壓起動的過電流保護。

當電壓互感器回路發(fā)生斷線時，低電壓繼電器將誤動作。因此，在低電