电力变压器的继电保护.ppt

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电力变压器的故障类型及其保护,一、变压器的故障：,油箱内故障和油箱外故障。,内部故障：,绕组的相间短路、匝间短路、接地短路、铁芯烧毁等。,外部故障：,套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。,不正常运行状态：,外部相间短路、接地短路引起的过电流和零序过电压，过负荷，油面降低，过电压，过励磁等。,1,、瓦斯保护（气体保护）,：反应变压器油箱内部短路故障以及油面降低。,二、变压器继电保护的配置,800KVA,及以上的油浸式变压器和,400KVA,以上的车间内油浸式变压器，应装设瓦斯保护。,轻瓦斯保护,：动作于,发出信号,。,重瓦斯保护,：动作于,跳开,变压器各电源侧,断路器,。,2,、纵差保护,或,电流速断保护：,反应变压器绕组、套管及引出线发生的短路故障。,6.3MVA,及以上并列运行的变压器、,10MVA,及以上单独运行的变压器、发电厂厂用工作变压器和工业企业中,6.3MVA,及以上重要的变压器，应装设纵差保护。,10MVA,及以下的电力变压器，应装设电流速断保护；对于,2MVA,以上的变压器，当电流速断保护灵敏度不能满足要求时，也应装设纵差保护。,3,、相间短路的后备保护：,反应外部相间短路引起的变压器过电流，同时作为瓦斯保护和纵差保护的后备保护。,4,、接地短路的零序保护：,反应变压器高压侧（或中压侧）以及外部元件的接地短路。,变压器中性点直接接地运行，应装设零序电流保护。,变压器中性点可能接地或不接地运行时，应装设零序电流、电压保护。,5,、过负荷保护,400KVA,以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其它负荷的备用电源时，应装设过负荷保护。过负荷保护通常只装在一相，延时动作于发信号。,6,、其它保护,电压为,500KV,及以上的变压器，应装设过励磁保护。,对变压器温度和油箱内压力升高，以及冷却系统故障，应装设相应的保护装置。,第二节 变压器的瓦斯保护,反应变压器油箱内各种短路故障，特别是绕组的相间短路和匝间短路，并且是变压器,铁芯烧损的唯一保护方式，,是变压器油箱内部各种故障的,主保护。,一、瓦斯保护的构成原理：,反应变压器油箱内部故障产生,瓦斯气体,的特征构成。,二、瓦斯保护的工作原理,1,、气体继电器的结构,1,罩；,2,顶针；,3,气塞；,4,永久磁铁；,5,开口杯；,6,重捶；,7,探针；,8,开口销；,9,弹簧；,10,挡板；,11,永久磁铁；,12,螺杆；,13,干簧触点（重）；,14,调节杆；,15,干簧触点（轻）；,16,套管；,17,排气口,2,、气体继电器的工作原理,a),变压器正常运行时,上下两对触点都断开，不发出信号,b),变压器油箱内部发生轻微故障,上触点接通信号回路，发出音响和灯光信号，为,“轻瓦斯动作”。,c),变压器油箱内部发生严重故障,下触点接通跳闸回路，使断路器跳闸，同时发出音响和灯光信号，为,“重瓦斯动作”。,d),变压器油箱漏油,上触点接通，发出报警信号；,下触点接通，使断路器跳闸，同时发出跳闸信号。,3,、气体继电器的安装,为什么变压器是斜着的？,为了不妨碍气体的流通，变压器安装时应使顶盖沿瓦斯继电器的方向与水平面具有,1,1.5,的升高坡度，通往继电器的连接管具有,2,4,的升高坡度。,安装在油箱与油枕,之间的连接管道上。,三、瓦斯保护的原理接线图,主要优点：,动作迅速、灵敏度高、安装接线简单、能反应油箱内部发生的各种故障。,四、对瓦斯保护的评价：,不能反应油箱以外的套管及引出线等部位上发生的故障。,主要缺点：,第三节 变压器的电流速断保护,对于容量较小的变压器，当灵敏系数满足要求时，可在,电源侧,装设电流速断保护，与瓦斯保护配合作为变压器油箱内部故障和套管及引出线上故障的,主保护,。,一、变压器电流速断保护原理接线图,安装在电源侧,二、电流速断保护的整定计算：,（,1,）按躲过变压器负荷侧母线短路时流过保护装置的最大短路电流整定：,（,2,）躲过变压器空载投入时的励磁涌流。,选择其中的较大者作为保护的动作值。,取,1.3,1.4,；,式中,1,、动作电流,2,、灵敏度,式中,系统最小运行方式下，保护安装处（图中,K,2,点）发生两相金属性短路时流过保护装置的最小短路电流。,第四节 变压器纵联差动保护,一、变压器纵联差动保护的原理,1,、纵联差动保护动作的理想判据：,流入差动继电器的电流。,式中：,2,、变压器纵联差动保护单相原理图,3,、期望：,变压器正常运行和外部故障时,则：两侧电流互感器的变比关系,二、变压器纵联差动保护的稳态不平衡电流及对策,稳态不平衡电流：在正常运行及保护范围外部稳态短路情况下流入纵差保护差动回路中的电流。,为了保证动作的选择性，必须保证：,1,、变压器,正常运行时的励磁电流,产生的不平,衡电流（影响可忽略）。,2,、由变压器,各侧电流相位不同,而引起的不平衡电流。,对策：将变压器,Y,侧的电流互感器 接，将变压器三角形接线侧的电流互感器,Y,接。,注意,TA,极性连接,3,、,TA,实选变比与计算变比不等,而产生的不平衡电流。,变压器星形侧电流互感器的变比：,变压器三角形侧电流互感器的变比：,变压器变比：,两侧电流互感器变比关系：,当该不平衡电流大于额定值的,5%,时，必须进行补偿，常用的补偿措施有以下几种：,由于所选电流互感器或平衡绕组匝数与计算,值不同而产生的相对误差系数。,按以上方法计算，根据产品目录选取与之相邻且较大的标准变比。由于,实选变比与计算变比不可能完全相同,，在差动回路中引起不平衡电流的最大值为：,1,）将自耦变流器（或称自耦变压器）,UT,接于电流较小的差动臂中变换其电流进行补偿。,2,）利用具有速饱和铁芯的差动继电器的平衡绕组,进行磁动势补偿。,（,接入二次电流较小的一侧,）,4,、由各侧,电流互感器型号不同,而引起的不平衡电流。,电流互感器输出的二次电流为,同理：,电流互感器等效电路,变压器正常运行或保护区外部故障时，归算至,TA,二次,侧的电流相等：,则流入差动回路的不平,衡电流为：,引入电流互感器的同型系数,两侧电流互感器型号相同时，,对于,变压器,的纵联差动保护，各侧电流互感,器的变比不相等，因此电流互感器的型号肯,定不同，故：,两侧电流互感器型号不同时，,对策：,1,）选用具有高饱和倍数差动保护专用的,D,级,TA,，并在流过,T,的外部短路电流为最大的条件下按,TA10,误差曲线选择其型号；,2,）合理选择,TA,二次连接导线的截面积以减小二次负载阻抗，并尽量使差动保护各侧差动臂的阻抗相等，以减小不平衡电流；,3,）采用铁芯气隙小的,TA,，以减小铁芯剩磁对不平衡电流的影响。,变压器纵联差动保护中，由于各侧,TA,型号不同,而引起的稳态不平衡电流最大值：,电流互感器,10,误差系数，取,0.1,；,电流互感器同型系数，对于变压器纵联差动,保护取,1,；,外部短路时流过变压器的最大短路电流。,5,、由变压器,带负荷调整分接头（改变,K,T,）,而引起的,不平衡电流。,由变压器分接头调整而引起的相对误差，,取变压器调压范围的一半。比如变压器的电压为,110,2,2.5,/11KV,，则,这一不平衡电流的最大值为：,稳态情况下变压器差动保护的不平衡电流为：,三、暂态情况下的不平衡电流及对策,1,、暂态过程中,短路电流非周期分量,的影响及对策,导致外部故障时,TA,二次侧不平衡电流的瞬时值,比稳态时大，因此差动保护要躲过外部短路暂态,过程中的不平衡电流。,对策：在差动回路中,接入速饱和变流器。,(,非周期分量影响系数,K,np,),综合考虑暂态和稳态的不平衡电流，其最大值为,2,、变压器,空载合闸的励磁涌流,所产生的不平衡,电流及对策。,励磁涌流具有以下特点：,（,1,）包含有很大成分的非周期分量，涌流偏向时间轴的一侧；,（,2,）包含有大量的高次谐波，且以二次谐波为主；,（,3,）波形之间出现间断。,对策：,（,1,）采用具有,速饱和铁芯,的差动继电器；,（,2,）利用二次谐波制动；,（,3,）利用间断角鉴别内部短路电流和励磁涌流,波形的差别来构成差动保护。,不平衡电流的产生原因,减轻和消除方法,1,变压器两侧电流相位不同,a.,互感器的接法和变比；,b.,速饱和变流器；,c.,二次谐波制动；,d.,波形鉴别；,e.,平衡线圈补偿。,2,励磁涌流的影响,3,计算变比与实际变比不同,4,两侧电流互感器型号不同,5,变压器带负荷调整分接头,四、变压器纵差动保护的整定原则,（具有磁力制动,的差动保护）,1,、,BCH-1,型差动继电器结构,制动电流的作用：使两个边柱的铁芯饱和，加大继电器的动作安匝（区外故障时）。,2,、带有制动绕组的变压器差动保护原理接线,制动绕组的接入原则：保护,区外,短路时,制动作用最大,，而保护,区内,部短路时,制动作用最小,。,(A,侧有电源，,B,侧无电源时：制动绕组接在,B,侧。,),区外：制动最大,区内：无制动,继电器的最小动作电流 ：制动绕组中无电流,时，为使差动继电器动作，需要在差动绕组中通,入的最小电流。,制动特性曲线：,动作电流 与制动电流 的关,系曲线。,差动继电器的制动特性曲线,3,、具有磁力制动的差动继电器的整定,a,、当,无制动作用,时，差动继电器的动作电流整定：,（,1,）躲开变压器空载投入时的,励滋涌流,：,（,2,）躲开电流互感器二次侧断线产生的不平衡电流：,（,3,）躲开外部短路时的最大不平衡电流：,可靠系数，取,1.3,；,取以上结果中的最大值作为 。,当,无制动作用,时，,按（,3,）整定的,差动继电器动作,动作电流图解法,：,具有制动特性的差动继电器的整定图解法,2,1,a,3,区内故障,时提高保护灵敏度的作用机理：,仅,A,侧有电源,A,、,B,侧均有电源,仅,B,侧有电源,结论：,在变压器差动,保护区内部故障,时，带制动特性差动继电器的,动作电流在 之间,变化。,比,无制动特性差动继电器的动作电流,小得多,，所以,制动特性差动保护的灵敏度,比无制动特性差动保护,高,。,4,、,BCH-1,型差动保护整定计算步骤,（,1,）确定变压器各侧,TA,接线，计算变压器各侧额,定电流，确定,TA,变比，选择基本侧。,a,：将变压器,Y,侧的电流互感器 接，将变压器三角形接线侧的电流互感器,Y,接。,b,：计算变压器各侧额定电流。,c,：计算变压器各侧,TA,一次侧额定电流。,选择比计算值大并且最接近的实际值最为实选结果。,d,：确定变压器各侧,TA,变比，选择基本侧。,各,TA,二次侧电流：,选,TA,二次电流最大的一侧作为基本侧。,（,2,）计算变压器各侧外部短路时归算到基本侧的,最大短路电流。,（,3,）确定,BCH-1,型差动继电器制动绕组的接入方式：,保证保护区外部短路时制动作用最大，保护区内部短路时制动作用最小,（,P138,),。,（,4,）按以下条件确定保护装置在无制动情况下的一,次动作电流,（各参数都归算到基本侧电压级）,：,1,）躲开变压器空载投入时的,励滋涌流,：,2,）躲开电流互感器二次侧断线产生的不平衡流：,3,）躲开外部短路时的最大不平衡电流：,取以上结果中的最大值作为 。,（,5,）确定基本侧差动绕组和平衡绕组的匝数：,1,）基本侧差动继电器动作电流计算值为：,2,）工作绕组匝数：,式中：,差动继电器的动作安匝。,选择比计算值小而接近的匝数作为工作绕组实用,匝数,W,W,；由,W,W,W,D,+,W,b,选择差动绕组实际匝数,W,D,和平衡绕组实际匝数,W,b,。,3,）根据实际选择匝数，计算出差动继电器对应基,本侧的实际动作电流：,（,6,）其它侧平衡绕组计算匝数：,四舍五入取整选择实际的平衡绕组匝数。,（,8,）确定制动系数：,或,(9),计算制动绕组匝数 ：,应该按躲过外部故障最不利的曲线,1,选择制动绕组匝数（制动最小）。,则：,选用与计算值相近且,较大,的匝数作为制动绕组,实,选匝数,（,10,）灵敏度校验,1,）计算最小运行方式下保护区内故障时流入继电器的最小短路电流；,2,）计算继电器的工作安匝：,所计算的内部故障情况下流过继,各侧工作绕组匝数。,电器各侧工作绕组的电流；,3,）计算继电器的制动安匝（要考虑通过接制动,绕组侧的负荷电流和短路电流）,：,4,）在制动特性曲线中，根据计算出的,横坐标上找到,H,点,；在图中找到坐标为,在,的,K,点,；连接,HK,与制动特性曲线,2,相交于,P,点,，,P,点,的纵坐标即为校验最小灵敏度所用的动作安匝 。,5),计算最小灵敏系数,。,例,6-1,对一台容量为,40.5MVA,的三相三绕组降压变压器进行差动保护整定计算（采用,BCH-1,型差动继电器）。变压器的接线及各侧的短路电流如下图所示。电压：,110,2,2.5,kV,38.5,2,2.5,kV,11kV,，接线方式为：,Y,，,d11,，,d11,，变压器的额定电流：,213A,608A,2130A,。图中标出了最大运行方式下归算到,110kV,侧的三相短路电流值，括号内的数值为最小运行方式下归算到,110kV,侧的两相短路电流值。,dl,点单相接地时,。,解：,（,1,）确定基本侧。,（,110KV,侧为基本侧）,（,2,）制动绕组的接入方式：将制动绕组接在,35KV,侧。,（,3,）差动保护无制动情况下的一次动作电流计算：,1,）躲过励磁涌流,2,）躲开电流互感器二次侧断线产生的不平衡电流：,3,）躲过外部短路时的最大不平衡电流,(10KV,侧,d2,点,),：,(4),确定基本侧差动绕组和平衡绕组的接法、差动绕组匝数：,1,）对于三绕组变压器，基本侧接差动绕组，其余两,侧接相应的平衡绕组。,2,）差动继电器基本侧动作电流计算：,3,）差动线圈匝数,：,差动绕组计算匝数：,：,实选匝数取为,匝。,4,）基本侧差动继电器实际动作电流为：,（,5,）计算非基本侧平衡绕组的匝数：,1,）,35KV,侧平衡绕组匝数：,实选匝数为,匝。,2,）,10KV,侧平衡绕组匝数：,实选匝数为,匝。,（,6,）实选匝数与计算匝数不等而产生的相对误差 ：,1,）,35KV,侧：,2,）,10KV,侧：,（,7,）计算制动绕组匝数（,35KV,侧）：,1,）制动系数 ：,2,）制动绕组匝数：,制动绕组的实选匝数：,（,8,）灵敏度校验,（,10KV,侧出口处）：,1,）相间短路的最小灵敏度：,工作安匝：,制动安匝：,查,BCH-1,型差动继电器制动特性曲线，求出校验最小,灵敏度所用的,动作安匝,为：,相间短路最小灵敏系数：,2,）单相接地短路的灵敏度校验：,第五节 变压器的电流和电压保护,过电流保护,低压启动的过电流保护,复合电压启动的过电流保护,负序过电流保护,阻抗保护。,变压器相间短路的后备保护：,一、变压器相间短路的过电流保护,1,、使用条件：,宜用于降压变压器。,2,、安装地点：,电源侧。,4,、单相原理接线图,3,、动作：经整定延,时动作于变压器各,侧,QF,跳闸。,5,、保护的整定计算：,变压器的最大负荷电流应考虑下述情况：,（,1,）动作电流：,按躲开变压器的,最大负荷电流,整定。,1,）对并列运行的变压器：,2,）对降压变压器：,（,2,）保护的灵敏度,二、低电压启动的过电流保护,1,、保护原理接线图,2,、保护的整定计算：,（,1,）,KA,的动作电流：,按躲开变压器,额定电流,整定：,按躲开正常运行时母线上可能出现的最低工作电压，且在外部故障切除后电动机自启动的过程中，低电压元件必须可靠返回。根据运行经验，一般取,（,2,）低电压继电器,KV,的动作电压,（,3,）保护的灵敏度,1,）电流元件的灵敏系度校验,2,）电压元件的灵敏度校验,最大运行方式下，后备保护范围末端金属,性三相短路时，保护安装处的最大线电压。,三、复合电压起动的过电流保护,1,、保护原理接线图,2,、保护的整定计算,火电厂升压变压器：,（,3,）负序电压元件：,（,1,）,KA,的动作电流：,按躲开变压器,额定电流,整定：,（,2,）低电压继电器,KV,的动作电压：,动作值：,灵敏度：,电流元件：,（要求大于,1.2,）,负序电压元件：,（要求大于,1.2,）,低电压元件：,（要求大于,1.2,）,保护末端金属性两相短路时，保护安装处,的最小负序电压。,四、负序电流及单相式低压起动的过电流保护,1,、保护原理接线图,2,、保护的整定计算,负序电流元件,（,1,）,躲过变压器正常运行时负序电流滤过器输出,的最大不平衡电流；,灵敏度,（要求大于,1.2,）,（,2,）躲过变压器相邻线路发生一相断线时出现的负序,电流；,（,3,）与相邻元件的负序电流保护在灵敏系数上相配合。,五、三,绕组变压器后备保护的配置原则,六、,变压器的过负荷保护,过负荷保护：,反应变压器对称过负荷引起的过电流,。过负荷保护只需,接于一相电流,上，装于各侧的过负荷保护均经过同一时间继电器经整定延时（一般取,9,10s,）,作用于信号,。,过负荷保护的安装侧：,(1),对双侧电源的三绕组升压变压器，装于发电机电压侧和无电源侧。,(2),对三侧有电源的三绕组变压器，三侧均应装设。,(3),仅一侧电源的三绕组降压变压器，若三侧的容量相等，只装于电源侧；若三侧的容量不等，则装于电源侧及容量较小侧。,(4),对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设。,(5),对双绕组变压器，装于电源侧。,第六节 变压器的零序保护,变压器高压绕组中性点是否接地运行与变压器绝缘水平有关：,220kV,及以上的大型变压器，高压绕组采用分级绝缘，,若其中性点绝缘水平较低,（如,500kV,系统中，中性点绝缘水平为,38kV,的变压器），则,中性点必须接地运行；,若其绝缘水平高,（如,220kV,变压器中性点绝缘水平为,110kV,的情况），则,中性点可直接接地运行，也可在系统不失去接地中性点的条件下不接地运行。,1,、中性点直接接地变压器的零序保护,(1),中性点直接接地变压器零序电流保护原理框图,(2),中性点直接接地变压器零序电流保护原理图,(3),零序电流保护整定计算,1),零序电流保护,段：与引出线零序电流保护,段在灵敏系数上相配合。,a,、动作电流：,零序电流分支系数最大值；,引出线零序电流保护,段动作值。,b,、保护动作时限,:,2),零序电流,段：与相邻元件零序保护的后备段相配合。,a,、动作电流：,零序电流分支系数最大值；,引出线零序电流保护后备段动作值。,b,、保护动作时限,:,2,、中性点可能接地或不接地变压器的接地保护,对于,110kV,及以上中性点直接接地的系统中，当变压器的中性点可能接地运行或不接地运行时，对应外部单相接地短路引起的过电流，以及因失去接地中性点引起的电压升高，,应按变压器绝缘情况装设相应的保护。,全绝缘变压器：,若因某种原因造成,QF3,拒绝跳闸，则保护,先由零序电流保护动作于,QF1,跳闸。,当,QF1,和,QF4,跳闸后，系统成为中性点不接地系统，而且,T2,仍带着接地故障继续运行。,T2,的中性点对地电压将升高为相电压，两非接地相的对地电压将升高相间电压。此时，可利用在其中性点不接地运行时出现的零序电压，实现,零序过电压保护，作用于断开,QF2,。,分级绝缘变压器：,必须,先将,T2,切除,，,然后切除,T1,，以防止不接地变压器在系统失去中性点后产生的中性点过压将其绝缘击穿。,中性点有两种运行方式的变压器，需要装设：,零序过电流保护,用于中性点接地运行方式；,零序过电压保护,用于中性点不接地运行方式。,分级绝缘变压器：,先切除中性点不接地运行的变压器，后切除中性点接地运行的变压器；,全绝缘变压器：,先切除中性点接地运行的变压器，后切除中性点不接地运行的变压器。,b,、保护动作原则：,a,、保护设置原则：,c,、全绝缘变压器零序保护原理框图,d,、全绝缘变压器零序保护原理图,e,、,中性点无放电间隙的,分级绝缘变压器零序,保护原理框图,中性点无放电间隙的分级绝缘变压器零序保护原理框图,f,、中性点装有放电间隙的分级绝缘变压器零序,保护原理框图,第七节 变压器的过励磁保护,一、变压器过励磁的危害,变压器一次侧电压 可表示为：,式中：,铁芯的工作磁通密度；,铁芯截面积（常数）；,电源频率。,变压器一次绕组匝数（常数）；,即：变压器工作磁密,B,与,U,和,f,的比值成正比,电压升高或频率下降,都会使磁通密度增加，使铁芯饱和。铁芯饱和后，励磁电流急剧增大，造成变压器过励磁。,二、变压器过励磁的原因,（,1,）电力系统由于发生事故而解列，造成系统中某一部分因大量甩负荷使变压器电压升高，或由于发电机自励磁引起过电压；,（,2,）由于发电机铁磁谐振过电压，使变压器过励磁；,（,3,）发电机组启动过程中，由于误操作引起过励磁；,（,4,）在正常运行情况下，突然甩负荷也会引起变压器过励磁。因为励磁调节系统与原动机调速系统都是由惯性环节组成，突然甩负荷后电压迅速上升，而频率上升缓慢，则电压频率比增大，从而使变压器过励磁。,（,1,）变压器铁损增加,铁芯温度升高；,（,2,）使漏磁场增强,使靠近铁芯的绕组导线、油箱,壁和其它金属构件产生涡流损耗、发热、引起高,温，严重时造成局部变形和损伤周围的绝缘介质。,三、过励磁的危害：,500KV,及以上电压级的变压器,应装设过励磁保护。,四、过励磁的对策：,五、变压器的过励磁保护,1,、构成原理：过励磁时,磁通密度增加，远大于,正常时的数值。,2,、变压器过励磁保护原理框图,的大小反应了工作磁通密度 。,因此，可,将,的大小作为变压器过励磁保护的判据。,过励磁保护的整定，可以按饱和磁通密度,整定。,