《变电站及主变压器保护设计》

第五章主变压器保护第一节概述电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。

当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。

二次感应电动势的高低与一二次绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比。

主要作用是传输电能，因此，额定容量是它的主要参数。

额定容量是一个表现功率的惯用值，它是表征传输电能的大小，以kVA或MVA表示，当对变压器施加额定电压时，根据它来确定在规定条件下不超过温升限值的额定电流。

现在较为节能的电力变压器是非晶合金铁心配电变压器，其最大优点是，空载损耗值特低。

最终能否确保空载损耗值，是整个设计过程中所要考虑的核心问题。

当在产品结构布置时，除要考虑非晶合金铁心本身不受外力的作用外，同时在计算时还须精确合理选取非晶合金的特性参数。

电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，它承担着电压变换，电能分配和传输，并提供电力服务。

因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。

电力变压器是电力系统当中十分重要的供电元件，它的故障将对供电系统的可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。

同时大容量的电力变压器也是十分贵重的电力元器件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑其装设性能良好和工作可靠的继电保护装置布置。

变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外的故障两种。

油箱内的故障，包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等，对变压器来讲这些故障是十分危险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘质的剧烈气化，从而可引起爆炸，因此，这些故障应尽快加以切除。

油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。

上述接地短路均系对中性点直接接地电力网的一侧而言。

变压器的不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低。

此外，对于大容量变压器，由于其额定工作时的磁通密度相当接近于铁心的饱和磁通密度，因此，在过电压和低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。

电力变压器继电保护装置的配置原则一般为：应装设反映内部短路和油面降低的瓦斯保护；应装设反映变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵差联动保护和电流速断保护；应装设作为变压器外部相间短路和内部短路的后备保护的过电流保护（者带有负荷电压启动的过电流保护或抚恤电流保护）；为防止中性点直接接地系统中外部接地短路的变压器零序电流保护；为防止大型变压器过励磁的变压器过励磁保护及过电压保护；为防止相间短路的变压器阻抗保护；为防止变压器过负荷的变压器过负荷（信号）保护。

第二节变压器故障变压器故障大致可以分为以下几大类：一、内部相间短路、匝间短路、接地短路、铁心烧坏危害：变压器突发短路时，其高、低压绕组可能同时通过为额定值数十倍的短路电流，它将产生很大的热量，是变压器严重发热。

当变压器承受短路电流的能力不够，热稳定性差，会使变压器绝缘材料严重受损，而形成变压器击穿及损毁事故，甚至引起变压器喷油爆炸。

采用的保护类型：瓦斯保护二、套管和引出线上发生相间短路和接地短路危害：变压器受短路冲击时，如果短路电流很小，继电保护正确动作，绕组变形将是轻微的；如果短路电流很大，继电保护延时动作甚至据动，变形将会很严重甚至造成绕组烧坏。

对于轻微的变形，如果不及时检修，恢复垫块位置，紧固绕组的压钉及铁轭的拉板、拉杆，加强引线的夹紧力，在多次短路冲击后，由于累积效应也会使变压器损坏。

因此，诊断绕组变形程度、制订合理的变压器检修周期是提高变压器抗短路能力的一项重要措施。

因此，变压器绕组在出口段路时，将承受很大的轴向和辅向点动力。

轴向电动力使绕组向中间压缩，这种由电动力产生的机械应力可能影响绕组匝间绝缘，对绕组的匝间绝缘造成损伤；二辅向电动力使绕组向外扩张，可能失去稳定性，造成相间绝缘损坏。

电动力过大，严重时可能造成绕组扭曲变形或导线断裂。

三、变压器外部相间短路危害：运行中的变压器，因其绕组的载流导体处在漏磁场中而承受电动力作用，电动力在变压器绕组的材料中产生机械应力，并传递到变压器的其他构件上，电动力的大小与电流的平方成正比。

在发生短路时，由于短路电流值可能达到正常运行电流的十几倍至几十倍，因此产生的电动力就会激增上百倍甚至几百倍。

再点动力和机械力的作用下，造成变压器垫块移位、脱落，撑条斜倒等故障，甚至使绕组产生变形，有的会致使绝缘击穿、造成损坏事故。

四、变压器外部接地短路危害：在接地电流系统当中，线路发生接地故障时，零序电流从接地点经大地流向系统中各个中性点接地的变压器，再从变压器绕组经线路流向接地点。

变压器中性点接地方式是由系统统一安排的，系统零序电流的幅值和分布与系统中变压器中性点接地的数目和位置有很大关系，零序电流的分布比例关系与零序等值网络有关，由于中性点接地不良，影响了零序等值网络的稳定，从而影响了零序保护之间的配合关系及保护范围。

五、由于各种原因引起的过励磁危害：危害现象可表现为多方面，如引起变压器继电保护误动；使变压器空投失败；励磁涌流及其引起的操作过电压均会对变压器及断路器等电气设备造成损坏；引起临近正在运行的变压器产生和应涌流而跳闸；引起电网电压骤升骤降。

影响其他电气设备正常运行；励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染，产生不平衡电流。

由此不难看出，变压器励磁涌流的危害性很大。

六、变压器出口短路危害：（一）绕组机械性能下降，当再次遭受到短路电流冲击时，将承受不住巨大的冲击电动力的作用而发生损坏事故。

（二）绝缘距离发生变化，或固体绝缘受到损伤，导致局部放电发生。

当遇到过电压作用时，绕组便有可能发生饼间或匝间短路导致变压器绝缘击穿事故。

（三）累积效应，运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应，出现恶性循环。

因此，对于绕组已有变形但仍在运行的电力变压器来说，虽然这并不意味着会立即发生绝缘击穿事故，但根据变形情况不同；当再次遭受并不过大的电流或过电压，甚至在正常运行的铁磁振动作用下；也可能导致绝缘击穿事故。

所以，在有的所谓“累计”或者“突发”事故中，很可能隐藏着绕组变形协故障因素。

综上所述，电力变压器在运行过程当中，不可避免地要遭受各种断路故障电流的冲击，特别是变压器出口或近距离断路故障，巨大的短路冲击电流将使变压器绕组受到很大的电动力，并使绕组急剧发热。

在较高的温度下，导线的机械强度变小，电动力更容易使绕组破坏或变形。

它们发展的典型方式是变形引起局部放电，匝、股间短路，整段主绝缘放电或击穿导致主绝缘破坏。

同时由于大电流冲击，过电流薄弱环节，如：分接开关、套管引线接头，将与线圈引出线之间会造成接触不良。

如果未能及时发现处理，任其发展会使接触不良点发热融化二烧断，进而烧坏变压器。

第三节变压器继电保护分析及计算一、瓦斯保护瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。

当变压器在箱内部发生故障时，由于故障点电流和电弧的作用，将使绝缘材料受热分解并产生大量的气体，由于气体比较轻，剧烈的气体夹杂着油流从油箱向油枕流动，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同，利用这一原理，反应这种气流与油流而动作的保护称为瓦斯保护，也叫气体保护。

（一）工作原理当在箱内部发生故障时，由于故障点电流和电弧的作用，将使变压器油及其它绝缘材料因局部受而分解产生气体，因气体比较轻，它们将从油箱流向油枕的上部当故障严重时，油会迅速膨胀大量气体，此时将有剧烈的气体夹杂着油流向油枕上部。

利用内部故障时的这一点，可以构成反应与上述气体而动作的保护装置。

在气体保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板，两者都装有密封的水银接点。

浮筒和档板可以围绕各自的轴旋转。

在正常运行时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，处于上浮位置，水银接点断开；档板则由于本身重量而下垂，其水银接点也是断开的。

当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于气体继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，接通延时信号，这就是所谓的“轻瓦斯”；当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，这就是所谓的“重瓦斯”。

重瓦斯动作，立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。

气体继电器有浮筒式、档板式、开口杯式等不同型号。

目前大多采用QJ-80型继电器，其信号回路接上开口杯，跳闸回路接下档板。

所谓瓦斯保护信号动作，即指因各种原因造成继电器内上开口杯的信号回路接点闭合，光字牌灯亮。

（二）保护范围瓦斯保护是变压器的主要保护，它可以反映油箱内的一切故障。

包括：油箱内的多相短路、绕组匝间短路、绕组与铁芯或与外壳间的短路、铁芯故障、油面下降或漏油、分接开关接触不良或导线焊接不良等。

瓦斯保护动作迅速、灵敏可靠而且结构简单。

但是它不能反映油箱外部电路（如引出线上）的故障，所以不能作为保护变压器内部故障的唯一保护装置。

另外，瓦斯保护也易在一些外界因素（如地震）的干扰下误动作。

变压器有载调压开关的瓦斯继电器与主变的瓦斯继电器作用相同、安装位置不同，型号不同。

（三）安装方式瓦斯继电器安装在变压器到储油柜的连接管路上，安装时应注重：1.首先将气体继电器管道上的碟阀关严。

如碟阀关不严或有其他情况，必要时可放掉油枕中的油，以防在工作中大量的油溢出。

2.新气体继电器安装前，应检查有无检验合格证实，口径、流速是否正确，内外部件有无损坏，内部如有临时绑扎要拆开，最后检查浮筒、档板、信号和跳闸接点的动作是否可靠，并关好放气阀门。

3.气体继电器应水平安装，顶盖上标示的箭头方向指向油枕，工程中答应继电器的管路轴线方向往油枕方向的一端稍高，但与水平面倾斜不应超过4%。

4.打开碟阀向气体继电器充油，布满油后从放气阀门放气。

如油枕带有胶囊，应注重充油放气的方法，尽量减少和避免气体进入油枕。

5.进行保护接线时，应防止接错和短路，避免带电操作，同时要防止使导电杆转动和小瓷头漏油。

6.投入运行前，应进行绝缘摇测及传动试验。

（四）实验项目气体继电器在安装使用前应作如下一些检验项目和试验项目：1.一般性检验项目：玻璃窗、放气阀、控针处和引出线端子等完整不渗油，浮筒、开口杯、玻璃窗等完整无裂纹。

2.试验项目(1)密封试验：整体加油压（压力为20mPa，持续时间为1h）试漏，应无渗透漏。