變壓器的后備保護

為了防止變壓器外部短路而使變壓器較長時間過電流，以及作為瓦斯保護和差動保護的

后備保護，必須裝設變壓器相間和接地短路的后備保護。常用的后備保護類型主要有過電流

保護、低電壓起動的過電流保護、復合電壓起動的過電流保護和負序過電流保護及阻抗保護、

零序保護等。

一、過電流保護

1、單側電源供電雙繞組變壓器的過電流保護

單側電源供電變壓器的過電流保護原理接線如圖7-27所示。過電流保護的電流互感器

采用三相完全星形接線或兩相三繼電器式接線，其靈敏度比兩相不完全星形接線高一倍。分

析參見第二章關于Y,d”接線變壓器低壓側短路，提高保護靈敏度方法的論述。

07-2700000000000000000000

（1）動作電流

按躲過變壓器可能出現的最大負荷電流（max整定，即

/后心/《兒皿（7-53）

式中Krel一可靠系數，取

Kr一返回系數，取0.85

".max—最大負荷電流，取值按下列情況考慮：

1）并列運行的變壓器，考慮切除一臺時的最大負荷電流（max，若各臺變壓器容量相同,

則有

/L.inax=/?/（tn-1）/N（7-54）

式中機一并列運行變壓器的臺數；

/N一單臺變壓器的額定電流。

1

2）降壓變壓器在電匆機自起動時的自起動電流

/|..max=/a$t二K；?ctI|..max(7-55)

式中KM一自起動系數，與負荷性質及用戶至電源的電氣距離有關，一般取1.5?3；

九皿一正常運行的最大負荷電流。

（2）靈敏度校驗，按下式計算

Ksen=J(2>k.niin〃up(7-56)

在變壓器低壓母線短路時，要求^=1.5-2,在后備保護范圍末端短路時，要求長821.2。

（3）動作時間

應與下一級保護配合，比下一級保護的最大動作時限大一個時限級差At,即

，n=｛，n+l)max+八，(7-57)

2、雙側電源（內橋）供電的雙繞組變壓器過電流保護

圖7-28所示為雙電源（內橋）供電的變壓器過電流保護原理接線圖。接入兩個電源斷

路器的電流互感器以“和電流”的方式連接，即將電源側斷路器的電流互感器中的電流與橋

07-28D0DD0D0D0D0D0DDD0D0D0D0D

斷路器的電流互感器中的電流相加后接入繼電器。

采用“和電流”接線的過電流保護裝置，突出的優點是使用一套過電流保護裝置兼做

兩臺斷路器的保護，省去了橋斷路器的過電流保護裝置，從而可以減少一級整定值，使上下

級過電流保護更容易相互配合。

采用“和電流”接線構成的過電流保護裝置，必須注意電流互感器的極性。互感器連接

時極性錯誤，可能造成保護裝置無選擇地動作。

2

電流互感器的極性是以變壓器高壓側電流流向變壓器的方向作為正極性側。

內橋接線經常是橋斷路器斷開的開橋運行，橋斷路器的電流互感器電流等于零。此時

“和電流”接線的過電流保護和單側電源供電變壓器過電流保護的工作原理完全相同。“和

電流”接線的過電流保護對于內橋接線有較好的選擇性，可以通過圖7-29對其進行具體分

析。

當2Q廠斷開，電源H停用。合上橋斷路器3QR電源I給1號和2號主變供電時，如

2號主變發生短路故障，短路電流經過電流互感器1以、3以、4%到2號主變。

由圖7-29中接線可知，電流互感器1以和4TA二次側的短路電流流向相反。1號主變

過電流保護裝置電流繼電Z等中的電流是電流互感器VIA和47A二次側電流之和，假設電

流互感器變比相等，則有

41=3、+（一乙介5）二。

2號主變過電流保護裝置電流繼電器中的電流/也是電流互感器2TA和3TA二次側電流之

和，故有

J=。+fk/nTA=fJnTA

由上述分析可知，1號主變過電流保護的電流繼電器中沒有電流流過，保護裝置不動作，

2號主變過電流保護的電流繼電器中有短路電流流過，若大于動作值，保護裝置動作，使橋

斷路器跳閘，滿足選擇性的要求。

變壓器過電流保護要想躲過電動機的日起動電流，必須選擇較高的動作，這樣，在最小

運行方式下發生短路時往往難以滿足靈敏度的要求。為此，需要采用低電壓起動的過電流保

護。

3

二、雙繞組變壓器低電壓起動的過電流保護

低電壓起動的過電流保護原理接線，如圖7-30所示。它主要由電流維電器、低電壓繼

電器等元件組成。

為了保證變壓器及低壓側母線短路時的星敏度，低電壓繼電器應接在低壓母線的電壓互

感器二次線電壓上。為了保證在發生

各種相間短路時低電壓起動元件能

夠可靠動作，三個低電壓繼電器均接

在線電壓上，并且觸點是并聯的。

1、電流元件動作值整定

電流元件的動作值按躲過變壓

器的額定電流東丁整定，即

/op=KrelIKJN.

（7-58）

式中Ai-可靠系數，取1.2；

Kr一返回系數，取0.85。?7-30??????????????????

2、低電壓元件動作值整定

低電壓元件的動作值按正常運行的最低工作電壓整定，即

Uup-Uw.miM（KgKj~0.7UN（7-59）

式中Uw.min—最低工作電壓，一般取0.9UN。

Kr一返回系數，取1.15。

3、電流元件的靈敏度校驗

Kscn=/k.min//op（7-60）

式中Aunin—后備保護范圍末端兩相金屬性短路時的最小短路電流。

規程規定：用作近后備時，要求Ken>1.3:用作遠后備時，要求KenZl.2。

4、低電壓元件的靈敏度校驗

Ksen=UoJUk.max（7-61）

式中Uk.max—后備保護范圍末端三相金屬性短路時的最大殘余電壓。

心的要求與電流元件相同。

5、動作時間整定

與變壓器的過電流保護式（7-57）相同。

4

由于低電壓起動的過電流保護，低電壓繼電器只接在一側電壓互感器TV上，則當另一

側發生短路時，靈敏度往往不能滿足要求。為此，可采用兩套低電壓繼電器分別接在變壓器

高、低側的TV上，并將觸點并聯來提高靈敏度，但其接線比較復雜。目前，廣泛采用復合

電壓起動的過電流保護和負序電流保護作為變壓器的后備保護。

三、雙繞組變壓器復合電壓起動的過電流保護

復合電壓起動的過電流保護原理接線如圖7-31所示。它是由低電壓繼電器KV和連接

在負序電壓濾過器ZVN上的過電壓繼電器KL共同組成電壓起動元件KVN,并將KV的線

圈與K?的常閉觸點串聯后接入電壓互感器二次側的線電壓，有效地提高了電壓起動元件的

靈敏度。

07-310D0000D000000D0D0000

當變壓器發生對稱短路時，因為對稱短路都是由不對稱短路發展而成的，所以短路初瞬

必然存在負序電壓，K匕能夠動作，其常閉觸點打開，使低電壓繼電器KV因線圈失去電壓

而動作，起動整套保護裝置。在短路發展為對稱性以后，隨著負序電壓的消失，KV重新接

于線電壓，但低電壓繼電器終因三相短路時的電壓較低而不能返回，一直處于起動狀態。

當變壓器發生不對稱短路時，負序電壓繼電器動作，KV隨之動作，起動保護裝置。

短路時被電壓元件起動的保護裝置在達到其動作電流值和整定時限后，將變壓器兩側斷

路器斷開。

1、電流繼電器動作值整定

與低電壓起動的過電流保護式(7-58)相同。

2、低電壓繼電器動作電壓整定

與低電壓起動的過電流保護式(7-59)相同。

3、負序電壓繼電器整定

負序電壓繼電器的的一次動作電壓，按正常運行時的不平衡電壓整定，根據運行經驗，

5

一般取

t/op.2=0.06Uc(7-62)

4、靈敏度校驗

1）電流繼電器的靈敏度

與低電壓起動的過電流保護式（7-60）相同。

2）低電壓繼電器的靈敏度

與低電壓起動的過電流保護式（7-61）相同。

3）負序電壓繼電器的靈敏度

按后備保護范圍末端兩相金屬性短路時，保護安裝處出現的最小負序電壓校驗

Ksen=Uk.min.2/Uop22(7-63)

4）動作時間整定

與單側電源供電雙繞組變壓器的過電流保護式（7-57）相同。

有關變壓器的其它后備保護，僅作如下介紹：

①負序過電流保護。接線比較簡單、靈敏度較高，在Y,d接線的另一側不對稱短路

時，靈敏度不受影響。但其整定計算比較復雜，通常使用在31.5MVA及以上容量的升壓變

壓器和系統聯絡變壓器上，

②阻抗保護。上述后備保護靈敏度不能滿足要求時，必須采用阻抗保護。因為阻抗保

護不受運行方式變化的影響，所以靈敏度很高“

對于這兩種后備保護，因專業和篇幅要求所限，在此不作介紹，請參閱有關資料,

2、三繞組變壓器過電流保護的特點

三繞組變壓器過電流保護的配置與原理與雙繞組變壓器相同，但三繞組變壓器要求在外

部故障時，僅斷開故隙側的斷路器，因而所考慮的問題也較多。

①單側電源供電三繞組變壓器過電流保護的特點

如圖7-31所示，單側電源供電三繞組變壓器的過電流保護套裝設在負荷II側，其時

間繼電器2AT動作時限人應比其它兩側小，動作時斷開斷路器2。入另一套裝設在電源I

側，兩個時間繼電器3K7動作時限關系為

加訓］+加

4>￡川，且<7-64

*訓n+4

3KT動作斷開斷路器3QF,1K7動作斷開變壓器三側斷路器1QF、2QF、3QF。

當變壓器H側外部明點短路時，兩套保護均起動，由2K7.以較小動作時限加動作于斷

6

路器2Q/跳閘，變壓器I、III側繼續運行;

07-3100000000000D0000

當變壓器HI側外部&點短路時，則3KT以時限加斷開斷路器3QF,保持變壓器I、II

側繼續運行。

當變壓器內部心點短路時，在斷路器3Qb斷開后，1KT時限不返回，延時人后觸點閉

合將變壓器三側斷路器1。八2QF、3Q”斷開。

②雙側電源或三側電源供電三繞組變壓器過電流保護的特點

雙側電源或三側電源供電三繞組變壓器應在三側裝設過電流保護，為保證選擇性，在動

作時限較小的電源側加裝方向元件。如圖7-31所示，當變壓器I、II兩側均有電源時，在

動作時限較小的II側過電流保護加裝方向元件，其動作方向由變壓器指向木側母線，以防止

變壓器I、HI兩側外部故障時，引起本側保護無選擇性動作。變壓器H側過電流保護加裝方

向元件后，還需另外裝設一套不帶方向的過電流保護，作為變壓器內部故障的后備保護，以

較長時限tu+At斷開變壓器三側的斷路器。

四、變壓器的過負荷保護

變壓器長期處于過負荷運行狀態，將會使絕緣老化，減短繞組壽命，因此還需要裝設過

負荷保護。變壓器過負荷時三相電流一般情況下是對稱的，所以過負荷保護只需在一相上裝

一個電流繼電器，為了防止在外部短路或在短時過負荷時發出不必要的信號，過負荷保護要

經過延時動作于信號，通常延時9~10s。其原理接線如圖7-32所示。

過負荷保護安裝側的選擇，應能反應所有繞組的過負荷情況，通常考慮如卜.：

7

1.雙繞組降壓變壓器的過負荷保護應裝在

高壓側。

2.單側電源的三繞組降壓變壓器，若三側容

量相同，過負荷保護僅裝在電源側；若三側容量不

同，則在電源側和容量較小側分別裝設過負荷保護。

3.雙側電源的三繞組降壓變壓器或聯絡變

壓器三側均應裝設過負荷保護。

過負荷保護的動作電流，按躲過變壓器額定電77-32979?97?99?99

流整定，即

/op=Kre|/K/N(7-65)

式中標|一可靠系數，取1.05；

K.一返回系數，取0.85：

東一保護安裝側變壓器的額定電流。

過負荷保護的動作時間，應大于變壓器后備保護的最大時限I?2個時限級差。

五、變壓器接地故障的零序保護

在中性點直接接地系統中，絕大部分的故障是接地故障，因此，應裝設變壓器接地保

護，作為系統接地故障和變壓器接地故障的后備保護。變壓器的接地保護，主要為切除母線

的接地故障：在相鄰線路上發生接地故障和在變壓器內部發生故障時盡可能起后備作用.

I.單臺或兩臺并列變壓器均接地運行的接地保護

發電廠、變電站單臺或兩臺并列變壓器均接地運行時，其接地保護通常采用一般的零序

電流保護。如圖7-33所示，為了使保護

的不平衡電流，零序電流通常取自變壓

器中性點接地線上電流互感器TA的二

次。電流互感器TA應裝設在隔離開關

QS與接地點之間。

零序電流保護根據以下情況設置

1.對于發電廠的雙繞組變壓器，

只裝設一段帶時限的零序電流保護，切

除變壓器兩側的斷路器。

2.對于中壓側無電源的二繞組變壓器，一般裝設?有兩段時限的零序電流保護，以第

8

I段時限切除本側斷路器，以第II段時限切除各側斷路器。

3.對于中壓側有電源的三繞組變壓器，當高、中壓側中性點可能同時直接接地運行時，

為了保證零序電流保護動作的選擇性，在動作時限較短的一側，應加裝零序功率方向繼電器，

其電壓線圈由本側電壓互感器開口三角側供給零序電壓0

4.對于兩臺并列運行的降壓變壓器，一般裝設帶有兩段時限的零序電流保護，第一段

時限動作了高壓側母線斷路器或母聯斷路器，第二段時限動作了切除各側斷路器。

5.對于兩臺接在不同段并列的三繞組變壓器，一般裝設三段時限的零序電流保護。第

I段時限跳開高壓側母線分段斷路器或母聯斷路器，第II段時限切除變壓器高壓側斷路器，

第n【段時限切除變壓器各側斷路器。

2.并列變壓器部分中性點接地運行的接地保護

發電廠或變電站兩臺或兩臺以上變壓器并列運行時，為了限制短路電流，通常選擇部分

變壓器中性點接地，當母線或線路發牛單相接地故障而故障元件的保護指動時，在零序電流

保護將中性點接地變壓器切除后，則出現中性點不接地變壓器帶接地故障運行的情況，此時

非故障相的危險過電壓將使變壓器絕緣損壞，對于中性點絕緣水平較低的分級絕緣變壓器絕

緣的破壞更為嚴重。因此，變壓器接地保護必須考慮這種情況。

1.分級絕緣變壓器的接地保護

如圖7?34所示,分級絕緣變壓器的接地保護?套零序電流保護和?套間隙零序過電流保

07-3400D00DD00D000D000D

護及動作值為180V、動作時限為0.5s的零序過電壓保護組成。零序過電壓保護為放電間隙

失靈時間隙過電流保護的后備。零序電流保護為兩段式，僅當變壓器接地運行時起作用，第

I段設兩段時限h和出其動作電流、動作時限與相鄰下一元件接地保護的I段（或II段）

9

相配合，經人延時0.5~ls動作于高壓側母聯斷路器跳閘，解裂高壓側母線；經延時八+4

f動作于變壓器高壓側斷路器跳閘。第II段通常具有，3、白和4三個時限，分別跳開高壓側

母聯、變壓器高壓側斷路器和變壓器各側斷路器，其動作值和動作時限打與相鄰下一線路零

序保護的后備段相配合，為此要求對所有相鄰下一線路末端接地短路有足夠的靈敏度。

放電間隙零序電流保護僅當變壓器不接地運行時起作用。其一次動作電流值取HX）A,

保護動作后可立即跳開變壓器高壓側斷路器，再經（）.2~0.5s延時跳開變壓器各側斷路器，或

經短延時跳開變壓器一次各側的斷路器。

為了減小故障影響范圍，使非故障段母線繼續正常運行，中性點接地運行變壓相的零序

電流保護，其I段或II段動作后均先跳開母聯斷路器。若故障段為接地運行的變壓器，則其

零序過電流保護的第H、第HI段時限分別跳開高壓側斷路器和各側斷路器。若故障段上為中

性點不接地運行的變壓器，則由于接地故障時中性點接地運行變壓器在其零序電流保擰動作

跳開后，不接地運行變壓器的中性點過電壓，在升高到最大允許信方前，棒間隙可靠擊穿.

放電間隙過電流保護迅速將變壓器各側斷路器跳開，使故障切除，間隙保護恢復。

每個變壓器的各種接地保護，分別采用獨立的電流互感器。

2,全絕緣變壓器的接地保護

對于全絕緣變壓器，其中性點絕緣水平較高，當發生接地故障時，為了縮短接地變壓器

中流過較大接地故障電流的時間，在變壓器上裝設零序電流保護，首先斷開接地變壓器，然

后再斷開不接地變壓器。其原理接線如圖

7-35所示，由電流繼電器K4和時間繼電

器1KS組成零序電流保護，作為變壓器中

性點接地運行時的零序保護；由電壓繼電

器KV。和2Ks組成零序電壓保護，作為變

壓器中性點不接地運行時的零序保護。根

據變壓器中性點是否接地運行，通過切換

片\XB和2X4進行切換五擇零序電流保

圖7-35全絕緣變壓器零序電流保護原理接線

護或零序電壓保護。

電壓繼電器KW的動作電壓按躲開部分變壓器接地系統中，發生單相接地故障時在保護

安裝處可能出現的最低零字電壓整定，因此在系統發生接地短路的初期，中性點接地變壓器

的零序電流保護動作前，系統的零序電壓較低，零序電壓保護不會動作，當零序電流保護動

作跳開中性點接地變壓器后，系統中性點不接地運行，此時零序電壓JUo升高，零序電壓保

10

護的KVo動作，跳開不接地變壓器。KVo動作電壓按經驗通常取二倍額定電壓，時間繼電器

2KT動作時限按躲開接地故障暫態過程中可能出現最大零序電壓的時間整定，一般取

0.1-0.2so

零序電壓保護只在母線上裝設?套，動作于跳開同?母線上的所有中性點不接地變壓器。

當某一變壓器切換到另一組母線時，其零序電壓保護回路應隨之切換。

3.變壓器碰外殼保護簡介

（1）變壓器碰接外殼保護的構成原理

變壓器碰接外殼保護是變壓器接地故障的特殊保護方式。其原理示意圖如圖7-36所示，

變壓器外殼對地絕緣，外殼與地之間接入電流

??—I?

?

互感器，其二次側接入電流繼電器，繼電器動1I