1、變壓器保護（主、后備保護）一、主保護1.1瓦斯保護1.1.1 保護的工作原理瓦斯保護是反應變壓器油箱內部氣體的數量和流動的速度而動作的保護，保護變壓器油箱內部各種短路故障，特別是對繞組的相間和匝間短路。由于短路點電弧的作用，將使變壓器和其他絕緣材料分解，產生氣體。氣體從油箱經連通管流向油枕，利用氣體數量及流速構成瓦斯保護。如圖2-1所示：圖2-1 瓦斯保護的原理接線圖圖2-1上面的觸點表示“輕瓦斯保護”，動作后經延時發出報警信號。下面的觸點表示“瓦斯保護”，動作后啟動變壓器保護的總出口繼電器，使斷路器跳閘。當油箱內部發生嚴重事故時，由于油流不穩定，可能造成彈簧觸點的抖動，此時為使斷路器能可靠跳

2、閘，應選用具有電流自保持線圈的出口中間繼電器KM，動作后由斷路器的輔助觸點來解除出口回路的自保持。此外，為防止變壓器換油或進行試驗時引起重瓦斯保護誤動作跳閘，可利用切換片XB將跳閘回路切換到信號回路。為防止變壓器內部單相繞組的匝間短路，通常在容量大于800KVA的變壓器上裝設有氣體保護。不論是哪一種型式的氣體繼電器都有兩對觸點：輕瓦斯保護：當變壓器內發生輕微故障時，產生的氣體較少且速度緩慢，氣體上升后逐漸積聚在繼電器的上部，使氣體繼電器內的油面下降，使得其中一個觸點閉合而作用于信號。輕瓦斯保護動作值采用氣體容積大小表示：250-300cm3 重瓦斯保護：當變壓器內發生嚴重故障時，強烈的電弧將產

3、生大量的氣體，油箱壓力迅速升高，迫使變壓器油沿著油箱沖向油枕，在油流的激烈沖擊下，使另一觸點接閉而動作于跳閘。 重瓦斯保護動作值采用油流速度大小表示：0.6-1.5m/s 1.1.2 瓦斯保護的缺點不能反應變壓器油箱外套管及聯接戰線上的故障，因此，不能作為防御變壓器內部事故的唯一保護。由于構造問題，在運行中正確動作率還不高。擋板式瓦斯繼電器也存在當變壓器油面嚴重下降，需要跳閘時，動作不快的缺點。1.1.3 瓦斯保護的優點靈敏度高、結構簡單，并能反應變壓器油面內部各種類型的故障。特別是當繞組短路匝數很少時，故障點的循環電流雖然很大，可能造成嚴重的過熱，但反應在外部電流的變化卻很小，各種反應電流量

4、的保護都難以動作，因此瓦斯保護對保護這種故障有特殊的優越性。1.2縱聯差動保護變壓器差動保護基本原理電力變壓器可能發生的內部故障包括：各側繞組的相間短路故障，中性點直接接地的變壓器的單相接地短路，繞組的匝間短路等。變壓器內部的各種短路都將產生電弧，引起主絕緣燒毀，絕緣油分解，內部油壓增大，有可能引起油箱爆炸起火。因此，對變壓器內部故障應盡快切除。縱差動保護是變壓器的電氣主保護，由于變壓器在電力系統中占有重要地位，縱差動保護必須滿足如下要求：1.能反應保護區內各種相間和接地短路故障。2.動作速度快，一般動作時間不能大于 30ms。 3.在變壓器空載合閘或外部故障切除后電壓恢復期間產生勵磁涌流時不

5、應誤動作。4.在變壓器過勵磁時，縱差動保護不應該動作。5.發生外部故障時電流互感器飽和應可靠不動作。6.保護區內故障時，電流互感器飽和，縱差動保護不應拒動或延時動作。7.保護區內發生短路故障，在短路電流中含有諧波分量時，縱差動保護不應拒動或延時動作。按照反應電流和電壓量變化構成的保護裝置，測量元件限于裝設在被保護元件的一側，無法區別保護范圍末端和相鄰范圍始端的故障。為了保證動作的選擇性，在整定動作參數是必須與相鄰元件的保護相配合，一般采用縮短保護區或延長動作時限的方法獲得選擇性。差動保護的原理接線圖如圖2-3所示。圖2-3差動保護接線圖變壓器差動保護是按照循環電流原理構成的，圖為差動保護的單相

6、原理接線圖。雙繞組變壓器，在其兩側裝設電流互感器當兩側電流互感器的同極性端子在同一方向，差動繼電器的工作線圈并聯在電流互感器的二次端子上。由于變壓器高壓側和低壓側的額定電流不同，因此必須適當選擇兩側電流互感器的變化，使得在正常工作時和外部故障時兩側的二次電流相等，流過差動繼電器線圈的電流在理論上等于零。即： （2-2）所以兩側的CT變比應不同，且應使即： （2-3）按相實現的縱差動保護，其電流互感器變比的選擇原則是兩側CT變比的比值等于變壓器的變比。變壓器差動保護不平衡電流分析1.穩態情況下不平衡電流變壓器在正常運行時縱差保護回路中不平衡電流主要是由電流互感器、變壓器接線引起：（1）由電流互感

7、器計算變比與實際變比不同而產生。正常運行時變壓器各側電流的大小是不相等的。為了滿足正常運行或外部短路時流入繼電器差動回路的電流為零，則應使高、低壓兩側流入繼電器的電流相等，即高、低側電流互感器變比的比值應等于變壓器的變比。但是，實際上由于電流互感器的變比都是根據產品目錄選取的標準變比，而變壓器的變比是一定的，因此上述條件是不能得到滿足的，因而會產生不平衡電流。（2）由變壓器兩側電流相位不同而產生。變壓器常常采用兩側電流的相位相差30的接線方式（對雙繞組變壓器而言）。此時，如果兩側的電流互感器仍采用通常的接線方式（即均采用形接線方式），則二次電流由于相位不同，也會在縱差保護回路產生不平衡電流。（

8、3）由變壓器兩側電流互感器型號不同而產生。電流互感器是一個帶鐵心的元件，在變換電流的過程中，需要一定的勵磁電流，所以一次電流和二次電流的關系如式（2-4）： （2-4）當變壓器兩側電流互感器的型號不同時，它們的飽和特性、勵磁電流等也就不同，即使兩側電流互感器的變比符合要求，流入差動繼電器的差電流為，如式（2-5）： （2-5）差電流也不會為零，即在正常運行或外部短路時，會有不平衡電流流入差動繼電器5。2.暫態情況下的不平衡電流（1）由變壓器勵磁涌流產生正常運行情況下，鐵芯未飽和，相對導磁率很大，變壓器繞組的勵磁電感也很大，因而勵磁電流很小，一般不超過額定電流的3%5%。當投入空載變壓器或外部故

9、障切除后的電壓回復時，一旦鐵芯飽和后，想對導磁率接近于1，變壓器繞組的電感降低，相應出現數值很大的勵磁電流，稱為勵磁涌流，其值可能達到變壓器額定電流的68倍。勵磁涌流具有如下特征：勵磁涌流數值很大，最大可達變壓器額定電流的68倍；勵磁涌流包含有很大成分的非周期分量，波形呈尖頂波形且偏于時間軸的一側；勵磁涌流包含有大量的高次諧波，而以二次諧波為主；勵磁涌流相鄰波形是不連續的，因而波形之間出現了間斷角。由于勵磁涌流的存在，使變壓器差動回路產生很大的不平衡電流，常常導致縱差保護的誤動作，給變壓器縱差保護的實現帶來困難。（2）由變壓器外部故障暫態穿越性短路電流產生縱差保護是瞬動保護，它是在一次系統短路

10、暫態過程中發出跳閘脈沖。因此，必須考慮外部故障暫態過程的不平衡電流對它的影響。在變壓器外部故障的暫態過程中，一次系統的短路電流含有非周期分量，它對時間的變化率很小，很難變換到二次側，而主要成為互感器的勵磁電流，從而使互感器的鐵心更加飽和。本來按10%誤差曲線選擇的電流互感器在變壓器穩態外部短路時，就會處于飽和狀態，再加上非周期分量的作用，則鐵心將嚴重飽和。因而，電流互感器的二次電流的誤差更大，暫態過程中的不平衡電流也將更大。變壓器縱差保護中不平衡電流的克服方法從上面的分析可知，構成縱差保護時，如不采取適當的措施，流入差動繼電器的不平衡電流將很大，按躲開變壓器外部故障時出現的最大不平衡電流整定的

11、縱差保護定值也將很大，保護的靈敏度會很低。若再考慮勵磁涌流的影響，保護將無法工作。因此，如何克服不平衡電流，并消除它對保護的影響，提高保護的靈敏度，就成為縱差保護的中心問題。1.由電流互感器變比產生的不平衡電流的克服方法對于由電流互感器計算變比與實際變比不同而產生的不平衡電流可采用2種方法來克服:一是采用自耦變流器進行補償。通常在變壓器一側電流互感器（對三繞組變壓器應在兩側）裝設自耦變流器，將LH輸出端接到變流器的輸入端，當改變自耦變流器的變比時，可以使變流器的輸出電流等于未裝設變流器的LH的二次電流，從而使流入差動繼電器的電流為零或接近為零。二是利用中間變流器的平衡線圈進行磁補償。通常在中間

12、變流器的鐵心上繞有主線圈即差動線圈，接入差動電流，另外還繞一個平衡線圈和一個二次線圈，接入二次電流較小的一側。適當選擇平衡線圈的匝數，使平衡線圈產生的磁勢能完全抵消差動線圈產生的磁勢，則在二次線圈里就不會感應電勢，因而差動繼電器中也沒有電流流過。采用這種方法時，按公式計算出的平衡線圈的匝數一般不是整數，但實際上平衡線圈只能按整數進行選擇，因此還會有一殘余的不平衡電流存在，這在進行縱差保護定值整定計算時應該予以考慮。目前微機繼電保護已被廣泛應用，對于變壓器縱差保護中由電流互感器計算變比與實際變比不同而產生的不平衡電流可以通過軟件補償，也可采用在模數變換（VFC）板上直接調整變壓器各側電流的硬件調

13、整平衡系數的方法，把各側的額定電流都調整到保護裝置的額定工作電流（5A或1A），這類似于整流型保護調整平衡繞組的方法6。2.由變壓器兩側電流相位不同而產生的不平衡電流的克服方法對于由變壓器兩側電流相位不同而產生的不平衡電流可以通過改變LH接線方式的方法（也稱相位補償法）來克服。對于變壓器Y形接線側，其LH采用形接線，而變壓器形接線側，其LH采用Y形接線，則兩側LH二次側輸出電流相位剛好同相。但當LH采用上述連接方式后，在LH接成形側的差動一臂中，電流又增大了3倍，此時為保證在正常運行及外部故障情況下差動回路中沒有電流，就必須將該側LH的變比擴大3倍，以減小二次電流，使之與另一側的電流相等。接線

14、圖如圖2-4圖2-4 縱差保護BCH-II差動臂中的同相位了，但。為使正常運行或區外故障時，則應使故此時選擇LH變比的條件如式（2-7）： （2-7）在采用微機保護的變壓器中，變壓器各側LH均可接成Y形，因相位不同而產生的不平衡電流可以通過軟件進行相位校正。3.由電流互感器型號不同和由變壓器帶負荷調整分接頭而產生的不平衡電流的克服方法該不平衡電流均可在變壓器縱差保護定值整定計算中予以考慮。在穩態情況下，為整定變壓器縱差保護所采用的最大不平衡電流可如式（2-8）確定： （2-8）為LH的同型系數，當LH型號相同時取0.5，不同時取1.0；為變壓器帶負荷調壓引起的相對誤差，一般采用變壓器調壓范圍的

15、一半；為平衡線圈整定匝數與計算匝數不等而產生的相對誤差。實施縱差動保護遇到的問題實施變壓器縱差動保護，除應滿足繼電保護的要求外，應解決幾個問題。1.正確識別勵磁涌流和內部短路故障時的短路電流。變壓器空載合閘或外部短路故障切除電壓突然恢復時，變壓器有很大的勵磁電流即勵磁涌流流過，因該勵磁涌流僅在變壓器的一側流通，故流入差動回路。變壓器內部短路故障時，差動回路通過的是很大的短路電流，應正確識別勵磁涌流和短路電流。2.應解決好區外短路故障時差動回路中的不平衡電流和保護靈敏度間的矛盾。區外短路故障時，由于縱差動保護各側電流互感器變比不匹配、調壓變壓器分接頭的改變、電流互感器誤差特別是暫態誤差的影響，差

16、動回路中流過數值不小的不平衡電流，為保證縱差動保護不動作，動作電流應高于區外短路故障的最大不平衡電流，這勢必要影響內部短路故障時保護的靈敏度。作為縱差動保護，既要保證區外短路故障差動回路流過最大不平衡電流時不誤動，又要在內部短路故障時保證一定的靈敏度。3.電流互感器飽和不應影響縱差動保護的正確動作。特別是在保護區外短路故障時，一側電流互感器的飽和導致差動回路電流增大，若不采取措施，很容易使差動保護誤動作。此外，變壓器內部短路故障時一側電流流出以及內部短路故障時二次諧波7。二、后備保護2.1過電流保護變壓器相間短路的保護既是變壓器主保護的后備保護，又是相鄰母線或線路的后備保護。根據變壓器容量大小

17、和系統短路電流的大小，變壓器相間短路的后備保護可采用過電流保護、低電壓起動的過電流保護和復合電壓起動的過電流保護等。不帶低電壓起動的過電流保護過電流宜用于降壓變壓器，過電流保護采用三相式接線，且保護應該裝設在電源側。不帶低電壓起動的過電流保護的原理接線圖如圖2-5：圖 2-5 變壓器過電流保護單相原理接線圖保護的動作電流應按躲過變壓器可能出現的最大負荷電流來整定，如式（2-9）： （2-9）可靠系數，一般為1.21.3；為返回系數。低電壓起動的過電流保護對于升壓變壓器或容量較大的降壓變壓器，當過電流保護另名都不夠時，可以考慮并列變壓器跳閘或電動機自起動等因素引起的最大可能的負荷電流，而可以按躲

18、過變壓器的額定電流來整定。這樣可以降低過電流保護的整定值，從而提高保護的靈敏度。對升壓變壓器，如果低電壓繼電器只接在一側電壓上則當另一側發生短路時，往往不能滿足靈敏度的要求。為此，可采用兩套低電壓繼電器，分別接在變壓器的高、低壓側。當采用低電壓起動的過流保護時，其動作電流按躲開變壓器的額定電流整定。低電壓及電器的動作電壓應小于正常運行情況下的最小工作電壓。雙側電源的變壓器或多臺并列運行的變壓器，一般均采用低電壓起動的過流保護或復合電壓起動的過流保護。2.2零序電流保護在大電流接地的系統中，一般在變壓器上裝設接地保護。作為便宜變壓器本身主保護的后備保護和相鄰元件接地短路的后備保護。 當系統接地短

19、路時，零序電流的大小和分布是與系統中變壓器中性點接地的數目和位置有關。對于有一臺變壓器的升壓變電站，變壓器都采用中性點接地運行方式。對于若干臺變壓器并聯運行的變電站，則采用一部分變壓器中性點接地運行，而另一部分變壓器中性點不接地運行。2.2.1中性點直接接地變壓器的零序電流保護圖2-6為中性點直接接地雙繞組變壓器的零序電流保護原理接線圖。保護用電流互感器接于中性點引出線上。其額定電壓可選擇低一級，其變比根據接地短路電流的熱穩定和動態穩定條件來選擇。圖2-6 中性點直接接地零序電流保護原理接線圖保護靈敏系數按后備保護范圍末端接地短路校驗，靈敏系數不小于1.2。保護動作時限應比引出線零序電流后備段

20、的最大動作時限大一個階梯時限。為了縮小接地故障的影響范圍及提高后備保護動作的快速性 ，通常配置為兩段式零序電流保護，每段各帶兩級時限。零序段作為變壓器及母線的接地故障后備保護，其動作電流以與引出線零序電流保護段在靈敏系數上配合整定，以較短延時（通常為0.5S）作用于斷開母聯斷路器或分段斷路器；以較長延時（0.5+）作用與斷開變壓器的斷路器。零序段作為引出線接地故障的后備保護，其動作電流按上式選擇，第一級延時與引出線零序后備段動作延時配合，第二級延時比第一級延時長一個階梯時限。 （2-13）式（2-13）中 變壓器零序過電流保護的動作電流； 配合系數，取1.11.2； 零序電流分支系數； 引出線

21、零序電流保護后備段的動作電流。2.2.2中性點可能接地或不接地變壓器的保護當變電站部分變壓器中性點接地運行時，如圖（2-6）所示，當兩臺變壓器并列運行時，其中T1中性點接地運行，T2中性點不接地運行。當線路上發生單相接地時，有零序電流流過QF1、QF3、QF4和QF5的四套零序過電流保護。按選擇性要求應滿足t1t3，即應由QF3和QF4的兩套保護動作于QF3和QF4跳閘。若因某種原因造成QF3拒絕跳閘，則應由QF1的保護動作跳閘。當QF1和QF4跳閘后，系統成為中性點不接地系統，而且T2仍帶著接地故障繼續運行。T2的中性點對地電壓將升高為相電壓，兩非接地相的對地電壓將升高倍，如果在接地故障點出

22、現間歇性電弧過電壓，則對變壓器T2的絕緣危害更大。如果T2為全絕緣變壓器，可利用在其中性點不接地運行時出現的零序電壓，實現零序過電壓保護，作用于斷開QF2。如果T2是分級絕緣變壓器，則不允許上述出現情況，必須在切除T1之前，先將T2切除。圖 2-7 中性點接地運行圖因此，中性點有兩種運行方式的變壓器，需要裝設兩套相互配合的接地保護裝置：零序過電流保護用于中性點接地運行方式；零序過電壓保護用于中性點不接地運行方式。并且還要按下面的原則進行保護：對于分級絕緣變壓器應先切除中性點不接地運行的變壓器，后切除中性點接地運行的變壓器；對于全絕緣變壓器應先切除中性點接地運行變壓器，后切除中性點不接地運行變壓器。1.分級絕緣變壓器圖2-8為分級絕緣變壓器的零序過電流和零序過電壓保護原理接線圖。當系統發生接地故障時，