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第十一章變壓器保護

第一節概述

變壓器是電力系統重要的主設備之一。在發電廠通過升壓變壓器將發電機電壓升高，而由輸電線路將發電機發出的電能送至電力系統中；在變電站通過降壓變壓器再將電能送至配電網絡，然后分派給各用戶。在發電廠或變電站，通過變壓器將兩個不同電壓等級的系統聯起來，該變壓器稱作聯絡變壓器。一變壓器的基本結構及接線組別

電力變壓器主要由鐵芯及繞在鐵芯上的兩個或三個絕緣繞組構成。為加強各繞組之間的絕緣及鐵芯、繞組散熱的需要，將鐵芯及繞組置于裝有變壓器油的油箱中。然后，通過絕緣套管將變壓器各繞組引到變壓器殼體之外。

另外，為提高變壓器的傳輸容量，在變壓器上加裝有專用的散熱裝置，作為變壓器的冷卻之用。

大型電力變壓器均為三相三鐵芯柱式變壓器或由三個單相變壓器組成的三相組式變壓器。

將變壓器同側的三個繞組按一定的方式連接起來，組成某一接線組別的三相變壓器。雙卷電力變壓器的接線組別主要有：YN，y、YN,d、D，d、及D，d－d。理論分析說明，接線組別為Y，y的變壓器，運行時某側電壓波形要發生畸變，從而使變壓器的損耗增加，進而使變壓器過熱。因此，為避免油箱壁局部過熱，三相鐵芯變壓器按Y，y聯接的方式，只適用于容量為1800KVA以下的小容量變壓器。而超高壓大容量的變壓器均采用YN,d的接線組別。

在超高壓電力系統中，YN,d接線的變壓器，呈YN形聯接的繞組為高壓側繞組，而呈d形聯接的繞組為低壓側繞組，前者接大電流系統（中性點接地系統），后者接小電流系統（中性點不接地系統）。

在實際運行的變壓器中，在YN,d接線的變壓器的接線組別中，以YN,d11為最多，YN,d1及YN,d5的也有。

YN,d11接線組別的含意是：（a）變壓器高壓繞組接成Y型，且中性點接地，而低壓側繞組接成d；（b）低壓側的線電壓（相間電壓）或線電流分別滯后高壓側對應相線電壓或線電

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流330。330相當于時鐘的11點鐘，故又稱11點接線方式。

同理，YN,d1及YN,d5的接線組別，則表示d側的線電流或線電壓分別滯后Y側對應相線

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電流或線電壓30及150。相當時鐘的1點及5點，分別稱之為1點接線及5點接線方式。在電機學中，對變壓器各繞組之間相對極性的表示法，尋常用減極性表示法。

YN,d11、YN,d1及YN,d5接線組別變壓器各繞組接線，相對極性及兩側電流的向量關系，分別如圖11-1、圖11-2及圖11-3所示。

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ABCABC******IAIBICIAIBICI'aI'bI'cI'aI'bI'c******IaIbIcabcIaIbIcabc（a）接線方式（b)接線方式IAIa-I'cIaIA-I'bI'aI'a30°30°Ic30°Ib30°30°30°I'c-I'cI'b-I'bI'cI'ICbIBICI-I'aBIc-I'a圖9-4Ib(b)向量圖(b)向量圖11-1YN,d11變壓器繞組接線方式圖11-2YN,d1變壓器組接線方式及及兩側電流向量圖兩側電流向量圖IA-I'IccI??aI'aI?A*AI?a30°*aIbI??30°I?*30°BbBI?-I'bbI'*bcI'bICI?IBC*I??cCI?c-I'a*c

Ia

（a）接線方式（b）向量圖

圖11-3YN,d5變壓器繞組接線方式及兩側電流向量圖在上述各圖中：I?A、I?B、I?C－變壓器高壓側三相電流；I?a、I?b、I?c－變壓器低壓側三相電流；

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圖

?－各繞組之間的相對極性。

由圖可以看出：YN,d11接線的變壓器，低壓側三相電流I?a、I?b、I?c分別滯后高壓側三相電流I?A、I?B、I?C3300；YN,d1接線的變壓器低壓側三相電流I?a、I?b、I?c分別滯后高壓側三相電流I?A、I?B、I?C300；YN,d5接線的變壓器，低壓側三相電流分別滯后高壓側三相電流I?A、

?、I?1500。IBC二變壓器的故障及不正常運行方式1變壓器的故障

若以故障點的位置對故障分類，有油箱內的故障和油箱外的故障。（1）油箱內的故障

變壓器油箱內的故障，主要有各側的相間短路，大電流系統側的單相接地短路及同相部分繞組之間的匝間短路。（2）油箱外的故障

變壓器油箱外的故障，系指變壓器繞組引出端絕緣套管及引出短線上的故障。主要有相間短路（兩相短路及三相短路）故障，大電流側的接地故障、低壓側的接地故障。2變壓器的異常運行方式

大型超高壓變壓器的不正常運行方式主要有：由于系統故障或其他原因引起的過負荷，由于系統電壓的升高或頻率的降低引起的過激磁，不接地運行變壓器中性點電位升高，變壓器油箱油位異常，變壓器溫度過高及冷卻器全停等。三變壓器保護的配置

變壓器短路故障時，將產生很大的短路電流，使變壓器嚴重過熱，甚至燒壞變壓器繞組或鐵芯。特別是變壓器油箱內的短路故障，伴隨電弧的短路電流可能引起變壓器著火。另外短路電流產生電動力，可能造成變壓器本體變形而損壞。

變壓器的異常運行也會危及變壓器的安全，假使不能及時發現及處理，會造成變壓器故障及損壞變壓器。

為確保變壓器的安全經濟運行，當變壓器發生短路故障時，應盡快切除變壓器；而當變壓器出現不正常運行方式時，應盡快發出告警信號及進行相應的處理。為此，對變壓器配置整套完善的保護裝置是必要的。1短路故障的主保護

變壓器短路故障的主保護，主要有縱差保護、重瓦斯保護、壓力釋放保護。另外，根據變壓器的容量、電壓等級及結構特點，可配置零差保護及分側差動保護。2短路故障的后備保護

目前，電力變壓器上采用較多的短路故障后備保護種類主要有：復合電壓閉鎖過流保護；零序過電流或零序方向過電流保護；負序過電流或負序方向過電流保護；復合電壓閉鎖功率方向保護；低阻抗保護等。3異常運行保護

變壓器異常運行保護主要有：過負荷保護，過激磁保護，變壓器中性點間隙保護，輕瓦斯保護，溫度、油位保護及冷卻器全停保護等。

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其次節故障量經變壓器的傳遞

當變壓器某側系統中發生故障時，變壓器非故障側各相電流的大小、相位及其他特點，除與故障側故障類型、嚴重程度有關之外，尚與變壓器的接線方式有關。

在變壓器保護配置設計及分析保護的動作行為時，必需知道變壓器故障時其兩側故障電流的大小及相位關系。

以下介紹故障電流及故障電壓經YN,d11、YN,d1及YN,d5接線組別的變壓器傳遞。一簡化假設

為簡化分析及突出故障分量經變壓器的傳遞，作以下幾點假設：

1不考慮變壓器的變比，不考慮負荷電流及過渡電阻對短路電流及故障電壓的影響。2當變壓器高壓側故障時，認為故障電流全部由低壓側供給；而變壓器低壓側故障時，認

為故障電流全部由變壓器高壓側提供。

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3故障點在變壓器輸出端部；忽略有功分量的影響，阻抗角為90。二YN,d11變壓器高壓側單相接地短路1邊界條件及對稱分量

設變壓器高壓側A相發生金屬性接地短路，故障電流為IK。則故障點的邊界條件為

??I??0；I??I?；U??0IBCAKA?、U?、U?，則根據邊設A相各序量電流及各序量電壓分別為I?A1、I?A2、I?AO及UA1A2AO界條件可求得各序量：

11I?A1?(I?A?aI?B?a2I?C)?I?K

3311I?A2?(I?A?a2I?B?aI?C)?I?K

33I?A0?(I?A?I?B?I?C)?I?K

??U??U??0UA1A2A01313在上述各式中：a——旋轉因子，a?ej120可得：

????????????????（11-1）?=I?=1I?=IIA1AOKA2

3?=-（U?+U?）???????????????（11-2）UA1A2AO01??U??A1?(X2??X0?)3IK??1???XI????UA22?A1??X2?IK???????????????（11-3）3???1???XI???UA00?A1??X0?IK3?4

在式（11-3）中：X0?——系統對故障點的等效零序電抗；X2?——系統對故障點的等效負序電抗。2變壓器高壓側電壓及電流向量圖和序量圖

?為參考向量（置于縱坐標軸上）若以A相的正序電壓U，根據式（11-1）～（11-3），A1并考慮到零序電抗X0?尋常大于負序電抗X2?，可繪制出變壓器高壓側的電流、電壓的序量圖及向量圖。如圖11-4所示。UA1IC1=IB2UC2UB2IA1=IA0=IA2UA2UC1UA0=UB0=UC0UCUBUB1IA0=IB0=IC0I?B?I?C?0IA=IKIB1=IC2圖9-7a（a）電壓序量及向量圖（b）電流序量及向量圖（）圖11-4YN,d11變壓器高壓側A相接地故障點的電壓、電流序量圖及向量圖由圖11-4可以看出，當變壓器高壓側單相接地短路時，其他兩非故障相的電壓不會降低，但兩相電壓之間的相位差要發生變化。其變化的大小和方向與負序電抗X2?及零序電抗??I??0。X0?的相對大小有關。不計負荷電流影響時IBC3變壓器低壓側電壓、電流的序量圖和向量圖

由于變壓器的接線組別為YN,d11，根據序量經變壓器傳遞原理知：變壓器Y側的正序電

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壓和正序電流向d側傳遞時，將逆時針移動30；而負序電壓和負序電流向d側傳遞時，將

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順時針移動30；Y側的零序電壓和零序電流不會出現在變壓器d側的輸出端（即d的線電壓和線電流中不會出現零序電壓及零序電流）。

?為參考向量，繪制出的變壓根據圖11-4及序量經變壓器傳遞原理，并以高壓側