第九章 電力變壓器的繼電保護(hù)

第九章電力變壓器的繼電保護(hù)第一節(jié)電力變壓器的故障類型、不正常運(yùn)行狀態(tài)及相應(yīng)的保護(hù)方式第二節(jié)變壓器的縱差保護(hù)第三節(jié)變壓器的瓦斯保護(hù)

第四節(jié)發(fā)電機(jī)、變壓器的后備保護(hù)第五節(jié)大型發(fā)電機(jī)—變壓器組繼電保護(hù)的總體配置

第一節(jié)電力變壓器的故障類型、不正常運(yùn)行狀態(tài)及相應(yīng)的保護(hù)方式一.故障類型：1.變壓器的內(nèi)部故障及相應(yīng)的保護(hù)方式：繞阻的相間短路油箱內(nèi)接地短路差動(dòng)、重瓦斯保護(hù)

匝間短路鐵芯的燒損油箱外：套管、引出線各種原理的縱差保護(hù)相間短路電流速斷保護(hù)

接地由于漏油等原因引起的油面降低——輕瓦斯保護(hù)2.變壓器的不正常運(yùn)行狀態(tài)：

由于變壓器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(diǎn)過電壓

對(duì)大容量變壓器，由于其額定工作時(shí)的磁通密度相當(dāng)接近于鐵芯的飽和磁通密度，因此在過電壓或低頻等異常運(yùn)行方式下，還會(huì)發(fā)生變壓器的過勵(lì)磁故障

由于負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間超過額定容量引起的過負(fù)荷

變壓器溫度及油箱內(nèi)壓力升高和冷卻系統(tǒng)故障（裝設(shè)可作用于信號(hào)或動(dòng)作于跳閘的裝置）

第二節(jié)變壓器縱差保護(hù)變壓器內(nèi)部的電氣故障形式主要有：各側(cè)繞組的匝間短路、中性點(diǎn)直接接地側(cè)繞組的單相短路、內(nèi)部引線和套管故障、各側(cè)繞組相間短路等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，變壓器保護(hù)正確動(dòng)作率遠(yuǎn)低于發(fā)電機(jī)保護(hù)和220～500kV線路保護(hù)。一、變壓器縱差保護(hù)的基本原理和接線方式變壓器縱差保護(hù)的基本原理和接線方式

流入差動(dòng)繼電器KA的差動(dòng)電流為

縱差保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為

式（9-1）可進(jìn)一步表示為

變形為（9-3）

若選擇電流互感器的變比，使之滿足（9-4）

這樣式（9-3）變?yōu)椋?-5）

忽略變壓器的損耗，正常運(yùn)行和區(qū)外故障時(shí)一次電流的關(guān)系為根據(jù)式（9-5），正常運(yùn)行和變壓器外部故障時(shí)，差動(dòng)電流為零，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作；變壓器內(nèi)部（包括變壓器與電流互感器之間的引線）任何一點(diǎn)故障時(shí)，相當(dāng)于變壓器內(nèi)部多了一個(gè)故障支路，流入差動(dòng)繼電器的差動(dòng)電流等于故障點(diǎn)電流（變換到電流互感器二次側(cè)），只要故障電流大于差動(dòng)繼電器的動(dòng)作電流，差動(dòng)保護(hù)就能迅速動(dòng)作。因此，式（9-4）成為變壓器縱差保護(hù)中電流互感器變比選擇的依據(jù)。二、變壓器縱差保護(hù)與發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的不同變壓器縱差保護(hù)與發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)一樣，也可采用比率制動(dòng)方式或標(biāo)積制動(dòng)方式達(dá)到外部短路不誤動(dòng)和內(nèi)部短路靈敏動(dòng)作的目的。但是變壓器縱差保護(hù)在以下方面顯著不同于發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)：（1）變壓器各側(cè)額定電壓和額定電流各不相等，因此各側(cè)電流互感器的型號(hào)一定不同，而且各側(cè)三相接線方式不盡相同，所以各側(cè)相電流的相位也可能不一致，這將使外部短路時(shí)不平衡電流增大，所以變壓器縱差保護(hù)的最大制動(dòng)系數(shù)比發(fā)電機(jī)的大，靈敏度相對(duì)較低。

（2）變壓器高壓繞組常有調(diào)壓分接頭，有的還要求帶負(fù)荷調(diào)節(jié)，使變壓器縱差保護(hù)已調(diào)整平衡的二次電流又被破壞，不平衡電流增大，這將使變壓器縱差保護(hù)的最小動(dòng)作電流和制動(dòng)系數(shù)都要相應(yīng)的加大。（3）對(duì)于定子繞組的匝間短路，發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)完全沒有作用。變壓器各側(cè)繞組的匝間短路，通過變壓器鐵心磁路的耦合，改變了各側(cè)電流的大小和相位，使變壓器縱差保護(hù)對(duì)匝間短路有作用。（4）無論變壓器繞組還是發(fā)電機(jī)定子繞組的開焊故障，它們的完全縱差保護(hù)均不能動(dòng)作，但變壓器還可依靠瓦斯保護(hù)或壓力保護(hù)。（5）變壓器縱差保護(hù)范圍除包括各側(cè)繞組外，還包括變壓器的鐵心，即變壓器縱差保護(hù)區(qū)內(nèi)不僅有電路還有磁路，這就違反了縱差保護(hù)的理論基礎(chǔ)—基爾霍夫電流定律。對(duì)于僅包括電路的縱差保護(hù)對(duì)象（如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、母線、電抗器等）本身沒有故障時(shí)，不管外部發(fā)生什么擾動(dòng)，恒有諸端子電路的相量和為零，(9-6)式中—被保護(hù)對(duì)象第i個(gè)端子電流相量，如圖８-1所示。因此發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)在正常運(yùn)行或區(qū)外短路時(shí)，由式(9-6)，差動(dòng)回路不平衡電流理論上為零；當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)將有(9-7)式中—流向短路點(diǎn)的全部短路電路。

將作為縱差保護(hù)的動(dòng)作量，使保護(hù)靈敏動(dòng)作。但是若被保護(hù)對(duì)象是變壓器，它有n個(gè)繞組和一個(gè)公共鐵心，即n條電路和一條公共磁路，如圖9-2(a)所示，(9-8)由式（9-8）可知，對(duì)于變壓器，，此即變壓器縱差保護(hù)的不平衡電流。當(dāng)變壓器及其所在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)于大型變壓器，（為變壓器額定電流），不會(huì)影響變壓器正常保護(hù)的工作性能；當(dāng)外部系統(tǒng)短路時(shí)，電壓嚴(yán)重下降，更微不足道。在變壓器鐵心磁通密度B[單位T（特斯拉）,1T＝Wb/m2]過高的穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁工況下，鐵芯嚴(yán)重飽和，圖9-2(b)中的勵(lì)磁電抗Ｘe極度減小，勵(lì)磁電流劇增。由于大型變壓器工作磁密Bm已使鐵芯接近飽和，而且現(xiàn)代變壓器鐵心的磁化特性非?！坝病?，如圖9-3所示，當(dāng)過勵(lì)磁（B≈1.3～1.4T）時(shí)，穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流可能高達(dá)，對(duì)于最小動(dòng)作電流為的變壓器縱差保護(hù)，勢(shì)必造成誤動(dòng)作。更為嚴(yán)重的是變壓器在空載合閘時(shí)的暫態(tài)過勵(lì)磁電流，其值可為的數(shù)倍到10倍以上，這樣大的暫態(tài)勵(lì)磁電流通常稱為“勵(lì)磁涌流”，它將流入縱差保護(hù)的差動(dòng)回路，使不平衡電流進(jìn)一步增大。

三、變壓器差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流及減小不平衡電流影響的方法

不平衡電流產(chǎn)生的原因：（一）變壓器兩側(cè)電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流（二）變壓器的勵(lì)磁涌流（三）計(jì)算變比與實(shí)際變比不一致產(chǎn)生的不平衡電流（四）兩側(cè)電流互感器型號(hào)不同而產(chǎn)生的不平衡電流（五）由變壓器帶負(fù)荷調(diào)節(jié)分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流（一）變壓器兩側(cè)電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流及其補(bǔ)償措施以雙繞組單相變壓器為例，變壓器常常采用Y，d11的接線方式，因此，其兩側(cè)電流的相位差30°。此時(shí)，如果兩側(cè)的電流互感器仍采用通常的接線方式，則二次電流由于相位不同，也會(huì)有一個(gè)差電流流入繼電器。通常都是將變壓器星形側(cè)的三個(gè)電流互感器接成三角形，而將變壓器三角形側(cè)的三個(gè)電流互感器接成星形，并適當(dāng)考慮聯(lián)接方式后即可把二次電流的相位校正過來。在微機(jī)保護(hù)中，則可以利用軟件把它校正過來。圖9-4所示為Y，d11接線變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)原理接線圖．圖中、、為星形側(cè)的一次電流，、、為三角形側(cè)的一次電流，后者超前30°，如圖9-4（b）所示?，F(xiàn)將星形側(cè)的電流互感器也采用相應(yīng)的三角形接線，則其副邊輸出電流為－、－、－它們剛好與、、同相位，如圖9-4（c）所示。這樣差動(dòng)回路兩側(cè)的電流就是同相位的了。但當(dāng)電流互感器采用上述連接方式以后，在互感器接成三角形側(cè)的差動(dòng)一臂中，電流又增大了倍。此時(shí)為保證在正常運(yùn)行及外部故障情況下差動(dòng)回路中應(yīng)沒有電流，就必須將該側(cè)電流互感器的變比加大倍，以減小二次電流，使之與另一側(cè)的電流相等，故此時(shí)選擇變比的條件是（9-9）目前在微機(jī)縱差保護(hù)中，普遍采用互感器二次均用星形接線方式，由軟件實(shí)現(xiàn)移相和幅值調(diào)整，其理由是減少二次誤接線的幾率，易于實(shí)現(xiàn)一次斷線和勵(lì)磁涌流檢測(cè)，還可兼供其他保護(hù)使用。（二）變壓器的勵(lì)磁涌流及鑒別方法變壓器的勵(lì)磁涌流具有以下特點(diǎn)：1.包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于時(shí)間軸的一側(cè)；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)間斷，在一個(gè)周期中間斷角為α，涌流越大，間斷角越小。根據(jù)以上特點(diǎn)，在變壓器縱差保護(hù)中防止勵(lì)磁涌流影響的方法有：采用具有速飽和鐵芯的差動(dòng)繼電器；鑒別短路電流勵(lì)磁涌流波形的差別；利用二次諧波制動(dòng)等。所以目前我國(guó)廣泛應(yīng)用的防涌流誤動(dòng)的措施有4種，即（1）非周分量速飽和作用，使勵(lì)磁涌流很少進(jìn)入差動(dòng)保護(hù)執(zhí)行繼電器（電流元件）。這是利用勵(lì)磁涌流中經(jīng)常含有很大的非周分量，使速飽和變流器（BCH）迅速飽和，從而難以傳變暫態(tài)涌流。但空載合閘時(shí)的三相變壓器往往有一相涌流（實(shí)為兩相差流）對(duì)稱于時(shí)間軸，即包含很少非周期（直流）分量，為此該原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流不得不一律提高到（1.3～1.5）

，勢(shì)必降低變壓器內(nèi)部繞組短路的靈敏度；同時(shí)由于內(nèi)部短路電流中也有非周分量，通過速飽和變流器時(shí)必然延緩差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作速度。這種方案普遍應(yīng)用于電磁式變壓器差動(dòng)保護(hù)中。如圖9-6所示，圖中鐵芯稱為速飽和變流器。

(2)利用勵(lì)磁涌流中含有較大的偶次諧波，國(guó)內(nèi)外廣泛采用二次諧波制動(dòng)原理。鑒于勵(lì)磁涌流發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性，二次諧波分量的大小隨機(jī)性很大。不同合閘條件下的二次諧波成分可以減小到10％以下。不同制造公司、不同差動(dòng)保護(hù)裝置，二次諧波制動(dòng)比的定值非常分散，需要由制造廠提出的定值，然后由電力變壓器的現(xiàn)場(chǎng)空載合閘，評(píng)定其保護(hù)裝置在防涌流誤動(dòng)方面的能力。

(3)利用勵(lì)磁涌流一次波形的間斷角特征。見圖9-5。(4)利用勵(lì)磁涌流前后半波波形的不對(duì)稱，提出了波形對(duì)稱原理。實(shí)際做法是作差動(dòng)電流的導(dǎo)數(shù)，觀察前、后半波對(duì)應(yīng)點(diǎn)的和與差的比值，表示為││>k（三）計(jì)算變比與實(shí)際變比不一致產(chǎn)生的不平衡電流變壓器兩側(cè)的電流互感器都是根據(jù)產(chǎn)品目錄選取的標(biāo)準(zhǔn)變比，其規(guī)格種類是有限的。變壓器的變比也是有標(biāo)準(zhǔn)的，三者的關(guān)系很難完全滿足式（9-4），令變比差系數(shù)為根據(jù)式（9-3）可得

（9-11）

如果將變壓器兩側(cè)的電流都折算到電流互感器的二次側(cè)，并忽略不為零的影響，則區(qū)外故障時(shí)變壓器兩側(cè)電流大小相等，即，但方向相反.

I稱為區(qū)外故障時(shí)變壓器的穿越電流。設(shè)為區(qū)外故障時(shí)最大的穿越電流，根據(jù)式（9-11）知，由電流互感器和變壓器變比不一致產(chǎn)生的最大不平衡電流為

（9-12）減小區(qū)外故障時(shí)縱差保護(hù)的不平衡電流措施:令（9-13）

由式（9-3）知，由計(jì)算變比與實(shí)際變比不一致產(chǎn)生的不平衡電流為。電流互感器變比選定后，就是一個(gè)常數(shù)，所以可以用將這個(gè)不平衡電流補(bǔ)償?shù)?。此時(shí)引入差動(dòng)繼電器的電流為

對(duì)于數(shù)字式縱差動(dòng)保護(hù)裝置，只需按照式（9-14）進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算就能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償。對(duì)于電磁式縱差動(dòng)保護(hù)裝置，可以采用中間變流器進(jìn)行補(bǔ)償。如圖9-7所示，在中間變流器TS的鐵芯上繞有主繞組（匝數(shù)為Nd)，接入差動(dòng)電流。另外還繞一個(gè)平衡繞組（匝數(shù)為Nb)和二次繞組（匝數(shù)為N2)。假設(shè)>0，則可以將先經(jīng)Nb后再和差接起來。這樣，在正常運(yùn)行和外部故障時(shí)，只要滿足Nd（）＋＝0，即

Nb/Nd＝，則中間變流器內(nèi)總磁通等于零，在二次繞組N2上就沒有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而沒有電流流入繼電器采用這種補(bǔ)償方法時(shí)，由于匝數(shù)Nb不能平滑調(diào)節(jié)，選用的匝數(shù)與計(jì)算的匝數(shù)不可能完全一致，故仍有一部分不平衡電流流入繼電器，但不平衡電流已大為減少。此時(shí)，式（9-12）中的計(jì)算式為＝┃┃（9-15）

(四）兩側(cè)電流互感器型號(hào)不同而產(chǎn)生的不平衡電流由于兩側(cè)電流互感器的型號(hào)不同，應(yīng)采用電流互感器的同型系數(shù)為1。應(yīng)盡可能使用型號(hào)、性能完全相同的D級(jí)電流互感器，使得兩側(cè)電流互感器的磁化曲線相同，以減小不平衡電流。減少電流互感器的二次負(fù)載并使各側(cè)二次負(fù)載相同，能夠減少鐵芯的飽和程度，相應(yīng)地也減少了不平衡電流。減小二次負(fù)載的方法，除了減小二次電纜的電阻外，可以增大電流互感器的變比。二次阻抗折算到一次側(cè)的等效阻抗為，若采用二次側(cè)額定電流為1A的電流互感器，等效阻抗只要額定電流為5A時(shí)的1/25。（五）由變壓器帶負(fù)荷調(diào)節(jié)分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流電力系統(tǒng)中經(jīng)常采用帶負(fù)荷調(diào)壓的變壓器，實(shí)際上就是改變變壓器的變比nT，電流互感器的變比選定后不可能根據(jù)運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，只能根據(jù)變壓器分接頭未調(diào)整時(shí)的變比進(jìn)行選擇。因此，由于改變分接頭的位置產(chǎn)生的最大不平衡電流為（9-16）式中，為由變壓器分接頭改變引起的相對(duì)誤差，考慮到電壓可以正負(fù)兩個(gè)方向進(jìn)行調(diào)整，一般可取調(diào)整范圍的一半。 總括看來，上述（一）、（三）項(xiàng)不平衡電流可用適當(dāng)?shù)剡x擇電流互感器二次線圈的接法和變比，以及采用平衡線圈的方法，使其降到最小。但（二）、（四）、（五）各項(xiàng)不平衡電流，實(shí)際上是不可能消除的。因此，變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)必須躲開這些不平衡電流的影響。由于在滿足選擇性的同時(shí)，還要求保證內(nèi)部故障時(shí)有足夠的靈敏性，這就是構(gòu)成變壓器縱差動(dòng)保護(hù)的主要困難。根據(jù)上述分析，在穩(wěn)態(tài)情況下，為整定變壓器縱差動(dòng)保護(hù)所采用的最大不平衡電流可由下式確定

（9-17）四、縱差保護(hù)的整定計(jì)算原則國(guó)內(nèi)變壓器縱差保護(hù)有比率制動(dòng)式和標(biāo)積制動(dòng)式，有采用相電流的模擬式或數(shù)字式繼電器，也有采用故障電流分量的數(shù)字式微機(jī)保護(hù)。它們的原理和整定計(jì)算方法原則可參考第八章的有關(guān)章節(jié)。這里僅以比率制動(dòng)式變壓器縱差保護(hù)為例，著重說明與發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)在整定計(jì)算上的不同之處。

以三繞組變壓器為例，YNyd11接線，且設(shè)正常情況下低壓側(cè)（L）二次電流最小。高壓（H）和中壓（M）側(cè)有調(diào)壓分接頭。電流互感器二次額定電流設(shè)定為1A。（一）各側(cè)電流互感器和中間電流互感器變比的選擇（二）比率制動(dòng)特性的整定1．最小動(dòng)作電流

一般情況下可取2．拐點(diǎn)電流?？蛇x取3．最大制動(dòng)系數(shù)和制動(dòng)特性斜率s。

外部短路時(shí)的最大不平衡電流為

式中－流過靠近故障側(cè)TA的最大外部短路周期分量電流；、－在所計(jì)算的外部短路時(shí)，流過調(diào)壓側(cè)（H、M）TA的最大周期分量電流；、－在所計(jì)算的外部短路時(shí)，流過非靠近故障點(diǎn)的另兩側(cè)（Ⅰ、Ⅱ）TA的最大周期分量電流；、－由于Ⅰ側(cè)和Ⅱ側(cè)的TA（包括TAA）變比不完全匹配而產(chǎn)生的誤差，初選可取微機(jī)保護(hù)。對(duì)于雙繞組變壓器，式（9-21）可簡(jiǎn)化為

最大制動(dòng)系數(shù)為

式中－縱差保護(hù)制動(dòng)電流，它與縱差保護(hù)原理、制動(dòng)回路接線方式有關(guān)，對(duì)于兩繞組變壓器，。其中由式（9-21）或（9-22）決定。由式（9-18）決定，由式（9-20）決定，由式（9-21）、式（9-22）和式（9-23）決定，則圖8-3中的比率制動(dòng)特性A、B、C三點(diǎn)完全確定。有時(shí)為了調(diào)試校驗(yàn)的方便，常常要求給出比率制動(dòng)特性線的斜率，由圖8-3可知

4．內(nèi)部短路的靈敏度校驗(yàn)

在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下，計(jì)算變壓器出口金屬性短路的最小短路電流（周期分量），同時(shí)計(jì)算相應(yīng)的制動(dòng)電流；由繼電器的比率制動(dòng)特性查出對(duì)應(yīng)的繼電器動(dòng)作電流，則靈敏系數(shù)為

要求。

（三）差動(dòng)速斷保護(hù)的定值整定為了加速切除變壓器嚴(yán)重的內(nèi)部故障，常常增設(shè)差動(dòng)速斷保護(hù)，其動(dòng)作電流整定條件之一是按照避越勵(lì)磁涌流來整定，即

式中－變壓器實(shí)際的最大勵(lì)磁涌流；－可靠系數(shù)，可取為1.15～1.30。實(shí)際的最大勵(lì)磁涌流是一個(gè)很難正確確定的電流，對(duì)于大型發(fā)電機(jī)－變壓器組，由于不存在出現(xiàn)很大勵(lì)磁涌流的客觀條件，可取變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)輔助保護(hù)的實(shí)際工作整定計(jì)算:1．在保護(hù)安裝處發(fā)生金屬性兩相或單相短路，最小短路電流為，為保證差動(dòng)速斷保護(hù)的靈敏系數(shù)不小于1.2，取動(dòng)作電流為2．觀察是否大于可能的最大勵(lì)磁涌流

式中K值可取為6300kVA及以下：7～12；6300～31500kVA： 4.5～7.0；40000～120000kVA： 3.0～6.0；120000kVA及以上： 2.0～5.0。

上述數(shù)據(jù)的變化范圍比較大，對(duì)于一臺(tái)具體的變壓器，其取值可參考以下原則：1）低壓側(cè)空載合閘的K值應(yīng)比高壓側(cè)的大；2）系統(tǒng)等值電抗大的K值應(yīng)比小的小。當(dāng)時(shí)，取消裝設(shè)差動(dòng)速斷輔助保護(hù)。為防止外部短路時(shí)差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)作，可按式（9-21）計(jì)算最大不平衡電流，動(dòng)作電流為（1.3～1.5）。對(duì)于發(fā)－變組之間有斷路器的情況，升壓變壓器可能單獨(dú)運(yùn)行，此時(shí)的差動(dòng)速斷輔助保護(hù)動(dòng)作電流可按降壓變壓器一樣考慮。發(fā)－變組單元接線的差動(dòng)速斷輔助保護(hù)動(dòng)作電流可取為（2～3）[例9-1]某220kV變電站一次接線見圖9-9。已知主變壓器采用微機(jī)保護(hù)裝置，試分析其各保護(hù)的定值。變壓器參數(shù)如下。主變型號(hào)：SFSZ10-180000/220；變比為220±8×1.25％/115/36.75kV；額定容量為180MVA，容量比為100/100/50；短路電壓百分比：Uk1-2=14.15%；Uk2-3=8.13 %；Uk1-3=24.74%；標(biāo)么值電抗：X1* ＝0.7624；X2*＝0；X3*＝0.4933； 變壓器各側(cè)數(shù)據(jù)見表9-3。說明：正常運(yùn)行時(shí)高壓側(cè)、低壓側(cè)有電源，中壓側(cè)斷開運(yùn)行；變壓器外部最大穿越電流在高壓側(cè)，為2705A；校驗(yàn)靈敏度時(shí)采用小運(yùn)行方式，內(nèi)部最小短路電流取Ik(2)=1058A。220kV側(cè)斷路器TA6組2*600/1A 220kV側(cè)套管TA3組600～1200/1A 220kV零序TA200～600/1A 220kV間隙TA200/1A 110kV側(cè)斷路器TA5組2×600/1A110kV側(cè)套管TA600～1200/1A 110kV零序TA200～600/1A 110kV間隙TA200/1A 35kV側(cè)斷路器TA6組 2000/1A（開關(guān)兩側(cè)各3組） 分析：（一）RCS-978E型差動(dòng)保護(hù)1．RCS-978E型差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)定值見表9-4。（其中，各側(cè)TA變比為：220kV側(cè)600/1A；110kV側(cè)1200/1A；35kV側(cè)2000/1A。）2．RCS-978E型諧波制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)定值見表9-5。3．差動(dòng)速斷電流定值 取6IN＝2834.3A，二次電流為4.7A。 Iact=1.3×（0.1+0.1+0.05）×2705=879.125A,則，879/IN=1.86倍校驗(yàn)靈敏度：在單變壓器小運(yùn)行35kV母線兩相故障情況下，Ik(2)=1058A 4．差動(dòng)動(dòng)作電流取0.5IN＝236.2A，二次電流為0.39A。5．比率制動(dòng)斜率取0.5。6．二次諧波制動(dòng)比取0.2。（二）CSC-326B型差動(dòng)保護(hù)第三節(jié)變壓器的瓦斯保護(hù)瓦斯保護(hù)：當(dāng)在變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障（包括輕微的匝間短路和絕緣破壞引起的經(jīng)電弧電阻的接地短路）時(shí)，由于故障點(diǎn)電流和電弧的作用，將使變壓器油及其他絕緣材料因局部受熱而分解產(chǎn)生氣體，因氣體比較輕，它們將從油箱流向油枕的上部。當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)，油會(huì)迅速膨脹并產(chǎn)生大量的氣體，此時(shí)將有劇烈的氣體夾雜著油流沖向油枕的上部。利用油箱內(nèi)部故障時(shí)的這一特點(diǎn)，可以構(gòu)成反應(yīng)于上述氣體而動(dòng)作的保護(hù)裝置，稱為瓦斯保護(hù)。氣體繼電器是構(gòu)成瓦斯保護(hù)的主要元件，它安裝在油箱與油枕之間的連接管道上，如圖9-9所示，這樣油箱內(nèi)產(chǎn)生的氣體必須通過氣體繼電器才能流向油枕。為了不妨礙氣體的流通，變壓器安裝時(shí)應(yīng)使頂蓋沿氣體繼電器的方向與水平面具有1％～1.5％的升高坡度，通往繼電器的連接管道具有2％～4％的升高坡度。開口杯擋板式氣體繼電器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-11所示。正常運(yùn)行時(shí)，上、下開口杯2和1都浸在油中，開口杯和附件在油內(nèi)的重力所產(chǎn)生的力矩小于平衡錘4所產(chǎn)生的力矩，因此開口杯向上傾，干簧觸點(diǎn)3斷開。當(dāng)油箱內(nèi)部發(fā)生輕微故障時(shí):少量的氣體上升后逐漸聚集在繼電器的上部，迫使油面下降。而使上開口杯露出油面，此時(shí)由于浮力的減小，開口杯和附件在空氣中的重力加上杯內(nèi)油重所產(chǎn)生的力矩大于平衡錘4所產(chǎn)生的力矩，于是上開口杯2順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)永久磁鐵10靠近干簧觸點(diǎn)3，使觸點(diǎn)閉合，發(fā)生“輕瓦斯”保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí):大量氣體和油流直接沖擊擋板8，使下開口杯1順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)永久磁鐵靠近下部干簧的觸點(diǎn)3使之閉合，發(fā)出跳閘脈沖，表示“重瓦斯”保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)變壓器出現(xiàn)嚴(yán)重漏油而使油面逐漸降低時(shí)，首先是上開口杯露出油面，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，繼之下開口杯露出油面后亦能動(dòng)作，發(fā)出跳閘脈沖。瓦斯保護(hù)的原理接線如圖9-12所示，上面的觸點(diǎn)表示“輕瓦斯保護(hù)”，動(dòng)作后經(jīng)延時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。下面的觸點(diǎn)表示“重瓦斯保護(hù)”，動(dòng)作后起動(dòng)變壓器保護(hù)的總出口繼電器，使繼電器跳閘。當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，由于油流的不穩(wěn)定可能造成干簧觸點(diǎn)的抖動(dòng)，此時(shí)為使斷路器能可靠跳閘，應(yīng)選用具有電流自保持線圈的出口中間繼電器KHO,動(dòng)作后由斷路器的輔助觸點(diǎn)來解除出口回路的自保持此外，為防止變壓器換油或進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)引起重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)作跳閘，可利用切換片XS將跳閘回路切換到信號(hào)回路。

瓦斯保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作迅速、靈敏度高、安裝接線簡(jiǎn)單、能反應(yīng)油箱內(nèi)部發(fā)生的各種故障，其缺點(diǎn)則是不能反應(yīng)油箱以外的套管及引出線等部位上發(fā)生的故障。因此瓦斯保護(hù)可作為變壓器的主保護(hù)之一，與縱差動(dòng)保護(hù)互相配合、相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)快速而靈敏地切除變壓器油箱內(nèi)外及引出線上發(fā)生的各種故障。第四節(jié)發(fā)電機(jī)、變壓器的后備保護(hù)按照繼電保護(hù)配置原則，中、小型發(fā)電機(jī)、變壓器只裝設(shè)一套主保護(hù)，當(dāng)主保護(hù)或有關(guān)斷路器拒動(dòng)時(shí)，應(yīng)裝設(shè)近后備和/或遠(yuǎn)后備保護(hù)，為被保護(hù)設(shè)備或相鄰元件提供后備保護(hù)作用。對(duì)于200～300MW及以上的發(fā)電機(jī)或發(fā)—變組，現(xiàn)在一般采用微機(jī)保護(hù)，其主保護(hù)將包含完全或不完全縱差、完全或不完全裂相橫差、一組或二組零序電流型橫差，對(duì)于任一內(nèi)部故障具有兩套或以上的主保護(hù)靈敏動(dòng)作，即雙重化主保護(hù)配置，因此從近后備保護(hù)來說，大型發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)—變壓器組已沒有必要再裝設(shè)。特別是比較復(fù)雜的、容易誤動(dòng)的后備阻抗保護(hù)，更是弊多利少，因?yàn)榘l(fā)—變組內(nèi)部任一點(diǎn)發(fā)生短路，已有多重高速、靈敏、選擇性好的差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)實(shí)在用不上；相反，在發(fā)—變組外部短路時(shí)，由于后備保護(hù)在選擇性上不及縱差保護(hù)，易于造成誤動(dòng)，其結(jié)果是發(fā)—變組上裝設(shè)的后備保護(hù)（特別是后備阻抗保護(hù)），誤動(dòng)作率極高，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行不利。

再者，通常裝設(shè)的后備保護(hù)，其保護(hù)區(qū)比主保護(hù)大、靈敏度比主保護(hù)高，動(dòng)作速度較慢，但是結(jié)合發(fā)電機(jī)和變壓器的保護(hù)，其主保護(hù)為各種差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)（包括后備阻抗保護(hù)）在靈敏度和選擇性上遠(yuǎn)不及主保護(hù)，可以說現(xiàn)有的各種后備保護(hù)在技術(shù)性能上“沒有資格”充當(dāng)后備作用。根本原因是發(fā)電機(jī)和變壓器內(nèi)部短路時(shí)，端口三相電流可能不大，三相電壓可能不低，相應(yīng)的測(cè)量阻抗就可能較大，這明顯表現(xiàn)出主設(shè)備保護(hù)和線路保護(hù)的不同。作為大容量發(fā)—變組的高壓輸電線，電壓在220kV及以上，均裝有雙重高頻保護(hù)，多段相間距離和接地距離保護(hù)，還有多段零序電流保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)，因此超高壓輸電線路沒有要求發(fā)—變組提供遠(yuǎn)后備保護(hù)。220kV及以上的母線不一定總有兩套母線保護(hù)，因此發(fā)—變組有必要為這種超高壓母線提供后備保護(hù)，這是大型發(fā)—變組裝設(shè)后備保護(hù)的惟一必要，為此裝設(shè)的后備保護(hù)應(yīng)該是最簡(jiǎn)單的一段距離元件，動(dòng)作圓很小，無需振蕩閉鎖環(huán)節(jié)。對(duì)于大型發(fā)—變組的近后備保護(hù)是否可以選定為發(fā)—變組公用的大差動(dòng)保護(hù)呢？發(fā)電機(jī)和變壓器已裝設(shè)各自的縱差、橫差、瓦斯或壓力等二套主保護(hù)，將第三套公用的大差動(dòng)視為靈敏度高、選擇性好而且動(dòng)作速度快的近后備保護(hù)有何不可？何必又來一套后備阻抗保護(hù)？這一問題有待進(jìn)一步討論。當(dāng)然正如一開始所說的，只有一套主保護(hù)的中小型發(fā)電機(jī)和變壓器，還應(yīng)該裝設(shè)后備保護(hù)。發(fā)電機(jī)有水、火之分，變壓器有升壓、降壓之分，它們的后備保護(hù)有差別，但共性的內(nèi)容多。本章在討論后備保護(hù)時(shí)分相間短路后備保護(hù)和接地短路后備保護(hù)兩節(jié)討論，每節(jié)以常用的后備保護(hù)方案，由簡(jiǎn)到繁，逐個(gè)介紹它們的整定計(jì)算和有關(guān)問題。一、相間短路后備保護(hù)（一）過電流保護(hù)主要用于降壓變壓器、1MW及以下與其他發(fā)電機(jī)或電力系統(tǒng)并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)的一種后備保護(hù)。1.過電流保護(hù)的動(dòng)作電流按躲過最大負(fù)荷電流整定

的取值可按下列情況選取最大值：1)不同容量的發(fā)電機(jī)或變壓器并列運(yùn)行時(shí)，考慮一臺(tái)最大容量的并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)或變壓器被切除，此時(shí)發(fā)電機(jī)或變壓器有最大負(fù)荷電流；2)同容量n臺(tái)設(shè)備并列運(yùn)行時(shí)，在一臺(tái)切除的條件下，發(fā)電機(jī)或變壓器的過負(fù)荷電流為

2.降壓變壓器低壓側(cè)接有大型電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)問題，引入電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)系數(shù)，降壓變過電流保護(hù)動(dòng)作電流應(yīng)如下整定：1）按躲開變壓器切除外部短路后，電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)電流整定，計(jì)算式為式中—正常工作時(shí)的最大負(fù)荷電流（一般取為額定電流）。2）按躲開由自動(dòng)重合閘或備用電源自動(dòng)投入使電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)時(shí)的電流整定

3.與低壓側(cè)母線分段斷路器的過電流保護(hù)相配合

式中—分段斷路器過電流保護(hù)的動(dòng)作電流；—變壓器所在母線的正常負(fù)荷電流。選擇以上諸中的最大值作為變壓器或發(fā)電機(jī)過電流保護(hù)的動(dòng)作電流4.靈敏系數(shù)校驗(yàn)

（二）低壓起動(dòng)的過電流保護(hù)當(dāng)上述過電流保護(hù)的靈敏度不夠時(shí)，可采用低壓起動(dòng)的過電流保護(hù)。主要用于升壓變壓器或容量較大的降壓變壓器。

1.動(dòng)作電流按變壓器額定電流IN整定，不必考慮電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)和并列運(yùn)行變壓器跳閘引起的最大負(fù)荷電流，計(jì)算式為

2.動(dòng)作電壓（1）按正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最低電壓整定。

（2）按電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)的電壓整定當(dāng)?shù)碗妷豪^電器由變壓器低壓側(cè)互感器供電時(shí)，有當(dāng)?shù)碗妷豪^電器由變壓器高壓側(cè)電壓互感器供電時(shí)，有

3.靈敏系數(shù)校驗(yàn)電流繼電器的靈敏系數(shù)校驗(yàn)與不帶低電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)相同。低電壓繼電器的靈敏系數(shù)按下式校驗(yàn)

式中—計(jì)算運(yùn)行方式下，靈敏系數(shù)校驗(yàn)點(diǎn)發(fā)生三相金屬性短路時(shí)，保護(hù)安裝處的最高殘壓。要求。在校驗(yàn)電流繼電器和電壓繼電器的靈敏度系數(shù)時(shí)，應(yīng)采用相同的系統(tǒng)運(yùn)行方式和相同的短路類型。（三）復(fù)合電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)復(fù)合電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)宜用于1MW以上的發(fā)電機(jī)和升壓變壓器、系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器和過電流保護(hù)不能滿足靈敏度要求的降壓變壓器。1.動(dòng)作電流電流繼電器的動(dòng)作電流應(yīng)按躲過發(fā)電機(jī)或變壓器的額定電流整定，計(jì)算公式同式(9-35)。2.接在相間電壓上的低電壓繼電器動(dòng)作電壓整定計(jì)算應(yīng)按躲過電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)條件整定。對(duì)發(fā)電廠中的升壓變壓器，當(dāng)電壓繼電器由發(fā)電機(jī)側(cè)電壓互感器供電時(shí)，還應(yīng)考慮躲過發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的低電壓，一般可取

3.負(fù)序動(dòng)作電壓負(fù)序電壓繼電器應(yīng)按躲過正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的不平衡電壓整定，不平衡電壓值一般可通過實(shí)測(cè)確定，當(dāng)無實(shí)測(cè)值時(shí)，根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程的規(guī)定可取為4.靈敏系數(shù)校驗(yàn)電流繼電器的靈敏系數(shù)校驗(yàn)同式(9-34)；接在相間電壓的低電壓繼電器的靈敏系數(shù)校驗(yàn)同式(9-39)。負(fù)序電壓繼電器的靈敏系數(shù)按下式計(jì)算式中—后備保護(hù)區(qū)末端兩相金屬性短路時(shí)，保護(hù)安裝處的最小負(fù)序電壓值。要求。（四）負(fù)序電流和單相式低電壓?jiǎn)?dòng)的過電流保護(hù)此保護(hù)由負(fù)序電流繼電器和單相式低電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)構(gòu)成。由負(fù)序電流繼電器反應(yīng)兩相短路故障，由單相式低電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)反應(yīng)三相短路故障。此保護(hù)通常用于50MW及以上發(fā)電機(jī)63MVA及以上升壓變壓器。1.負(fù)序動(dòng)作電流（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，負(fù)序電流繼電器的動(dòng)作電流整定為

(9-43)式中，間接冷卻式汽輪發(fā)電機(jī)用0.5，水輪發(fā)電機(jī)用0.6，其他發(fā)電機(jī)用，A為轉(zhuǎn)子負(fù)序發(fā)熱系數(shù)。—發(fā)電機(jī)額定電流；，同式(9-29)。（2）躲過變壓器最負(fù)荷電流時(shí)，伴隨系統(tǒng)頻率變化、負(fù)序?yàn)V過器輸出的不平衡電流，根據(jù)電力系統(tǒng)允許的頻率偏差，這一不平衡電流一般不會(huì)超過變壓器額定電力的20%。（3）當(dāng)相間后備保護(hù)按遠(yuǎn)后備原則配置時(shí)，應(yīng)躲過被保護(hù)變壓器所連接的線路發(fā)生一相斷線時(shí)，流過保護(hù)安裝處的負(fù)序電流，防止負(fù)序過電流保護(hù)非選擇性動(dòng)作。負(fù)序動(dòng)作電流整定為

(9-44)式中—可靠系數(shù)，取1.2；—負(fù)序電流分支系數(shù)，其值等于流過保護(hù)安裝處的負(fù)序電流與流過斷線處的負(fù)序電流之比；、、—由斷線處看到的正序、負(fù)序、零序綜合阻抗；—斷線前流過斷線線路的負(fù)荷電流。最后還應(yīng)校核與線路零序過電流保護(hù)的后備段在靈敏度上相配合的情況。（4）與被保護(hù)設(shè)備相鄰元件的后備保護(hù)在靈敏度上相配合。對(duì)于單相接地短路

(9-45)對(duì)于兩相接地短路

(9-46)式中—可靠系數(shù)，取1.1～1.3；—負(fù)序電流分支系數(shù)；—零序電流分支系數(shù)；—線路零序保護(hù)后備段動(dòng)作電流。由于負(fù)序過電流保護(hù)的整定計(jì)算較為復(fù)雜，在實(shí)際工程中可以粗略選取：如靈敏度不能滿足要求時(shí)，再作詳細(xì)的靈敏度配合計(jì)算，降低負(fù)序電流保護(hù)的整定值。2.負(fù)序過電流保護(hù)的靈敏系數(shù)校驗(yàn)

(9-47)式中—在最小運(yùn)行方式下，后備保護(hù)區(qū)末端不對(duì)稱相間短路時(shí)，流經(jīng)保護(hù)處的負(fù)序電流。3.單相式低電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)整定計(jì)算單相式低電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)中的電流繼電器可按式(9-35)整定；電壓繼電器可按式(9-36)整定。校驗(yàn)靈敏系數(shù)時(shí)，應(yīng)按后備保護(hù)末端三相金屬性短路校驗(yàn)，即式(9-39)。（五）低阻抗保護(hù)當(dāng)電流、電壓保護(hù)不能滿足靈敏度要求或根據(jù)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)間配合的要求，發(fā)電機(jī)和變壓器的相間故障后備保護(hù)可采用阻抗保護(hù)。阻抗保護(hù)通常用于330～500kV大型升壓及降壓變壓器，作為變壓器引線、母線、相鄰線路相間故障后備保護(hù)。

1．后備低阻抗保護(hù)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組和變壓器高、低壓繞組內(nèi)部短路的后備保護(hù)作用

發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部發(fā)生相間短路或匝間短路時(shí)，裝在發(fā)電機(jī)機(jī)端的阻抗保護(hù)反應(yīng)不靈敏。變壓器高、低壓繞組內(nèi)部短路也有類似性質(zhì)。所以阻抗保護(hù)不能勝任變壓器或發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部短路的后備保護(hù)作用，只能作為發(fā)電機(jī)或變壓器引線、母線和相鄰線路的相間短路后備保護(hù)。2．大型發(fā)電機(jī)－變壓器組裝設(shè)低阻抗后備保護(hù)的設(shè)計(jì)整定不管是發(fā)電機(jī)或變壓器，其后備保護(hù)的選型總是首先采用電流、電壓型保護(hù)，只是在靈敏度不能滿足要求或者根據(jù)系統(tǒng)各保護(hù)之間的相互配合需要，才采用低阻抗后備保護(hù)，這通常是大容量發(fā)電機(jī)或變壓器才有的情況。對(duì)于大容量機(jī)組，很多是發(fā)－變組單元接線，其主設(shè)備和超高壓輸電線主保護(hù)都是多重化的，惟一例外的是超高壓母線往往只有一套主保護(hù)，因此大型發(fā)－變組裝設(shè)的低阻抗后備保護(hù)，主要作為母線保護(hù)的后備，這種后備阻抗保護(hù)應(yīng)該是最簡(jiǎn)易的一段距離繼電器，滿足母線短路的后備保護(hù)靈敏度就可以，因此它的動(dòng)作特性圓很小，無須加裝振蕩閉鎖裝置，僅用一個(gè)小延時(shí)即可避免振蕩誤動(dòng)，而這個(gè)小延時(shí)正是后備保護(hù)所固有的，所以稱為“簡(jiǎn)易”阻抗保護(hù)。以圖9-13為例，說明后備阻抗保護(hù)的設(shè)計(jì)和整定。圖9-13中500kV和220kV母線僅有一套主保護(hù)，為此在500kV和220kV側(cè)各裝設(shè)一段后備阻抗保護(hù)，保證母線短路靈敏快速動(dòng)作，不要求為變壓器或發(fā)電機(jī)提供后備保護(hù)作用。若選用全阻抗繼電器，則動(dòng)作阻抗為

－分支系數(shù)，由實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)決定；－高壓引出線中最短線路的第Ⅰ段動(dòng)作阻抗。若選用偏移特性阻抗繼電器，其正向指向系統(tǒng)，動(dòng)作阻抗整定仍按式（9-48）；反向指向變壓器，反向動(dòng)作阻抗可為正向動(dòng)作阻抗的5％～10％，這樣整定的目的不在保護(hù)變壓器，主要對(duì)變壓器引線起保護(hù)作用。另一種做法是正向指向變壓器，Zact=0.7Z1反向指向系統(tǒng)，其動(dòng)作阻抗取為0.1Zact，并檢查與系統(tǒng)相鄰保護(hù)在動(dòng)作阻抗和動(dòng)作時(shí)間上的配合。如上整定的低阻抗保護(hù)應(yīng)有三段時(shí)限，第一段時(shí)限

（為高壓引出線保護(hù)配合段的動(dòng)作時(shí)間），動(dòng)作于縮小故障范圍，例如斷開母線聯(lián)絡(luò)斷路器；第二段時(shí)限，動(dòng)作于斷開變壓器本側(cè)斷路器；第三段時(shí)限，動(dòng)作于斷開變壓器各1側(cè)斷路器。此阻抗保護(hù)不裝設(shè)振蕩閉鎖裝置，以其固有延時(shí)避越振蕩誤動(dòng)。但必須有電壓斷線閉鎖裝置，以免多次發(fā)生的電壓斷線阻抗保護(hù)誤動(dòng)作。此外還必須設(shè)電流起動(dòng)元件。（六）相間短路后備保護(hù)方向元件的設(shè)置1．三側(cè)有電源的三繞組升壓變壓器，相間故障后備保護(hù)為了滿足選擇性要求，在高壓側(cè)或中壓側(cè)要加功率方向元件，其方向可指向該側(cè)母線。方向元件的設(shè)置，有利于加速跳開小電源側(cè)的斷路器，避免小系統(tǒng)影響大系統(tǒng)。2．高壓及中壓側(cè)有電源或三側(cè)均有電源的三繞組降壓變壓器和聯(lián)絡(luò)變壓器，相間故障后備保護(hù)為了滿足選擇性要求，在高壓或中壓側(cè)要加功率方向元件，其方向宜指向變壓器。3