第8章 电力变压器的保护

8、1 电力变压器的故障类型、 不正常运行状态及其相应的保护方式
8.1.1 变压器的故障类型
变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外故障两种。 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，这些故障都是十分危 险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧 烈汽化，从而可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加以 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。
图8-4(a）所示为Y,d11接线变压器的纵差动保护原理接 Y 、I Y 和I Y 为星形侧的一次电流， 、I 和I 为三 I 线图，图中 I A1 B1 C1 A1 B1 C1 角形侧的一次电流，后者超前30°，如图8-4(b) 所示。现将 星形侧的电流互感器也采用相应的三角形接线，则其副边输 Y Y Y Y Y Y I I I I 出电流为了 A2 B2 、 I B 2 IC 2 和 C 2 A2 ，它们刚好 、I 和I 同相位，如图8-4(C）所示。这样差动回路两 与 I A2 B2 C2 侧的电流就是同相位的了。 但当电流互感器采用上述连接方式以后，在互感器接成 三角形侧的差动一臂中，电流又增大了 3 倍。此时为保证在 正常运行及外部故障情况下差动回路中应没有电流，就必须 将该侧电流互感器的变比加大 3 倍，以减小二次电流，使之 与另一侧的电流相等，故此时选择变比的条件是:
8.2
8.2.1
变压器的纵差动保护
构成变压器纵差动保护的基本原则
对双绕组和二绕组变压器实现纵差动保护的原理接线 如图6～1所示。 由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此， 为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电 流互感器的变比，使得在正常运行和外部故障时，两个二 次电流相等。
图8-1 变扭器纵差动保护的原理接线 （a）双绕组变压器正常运行时的的电流分布； （b）三绕组变压器区内故障时的电流分布
的一侧； ②包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主； ③波形之间出现间断，如图8-3所示，在一个周期中间断 角为α 。 （2）在变压器纵差动保护中防止励磁涌流影响的方法：
①采用具有速饱和铁心的差动继电器；
②鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别；
③利用二次谐波制动等。
表8-1
励磁涌流试验数据举例
图8-3 励磁涌流的波形
4、外部接地短路时，应采用的保护 对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流 时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。零序电 流保护可由两段组成，每段可各带两个时限，并均以较短的时 限动作于缩小故障影响范围，或动作于本侧断路器，以较长的 时限动作于断开变压器各侧断路器。 对自耦变压器和高、中压侧中性点都直接接地的三绕组变 压器，当有选择性要求时，应士曾设零序方向元件。 当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止发生接地 短路时，中性点接地的变压器跳开后，中性点不接地的变压器 （低压侧有电源）仍带接地故障继续运行，应根据具体情况， 装设专用的保护装置，如零序过电压保护，中性点装放电间隙 加零序电流保护等。
nTA 2 nT nTA1 / 3
(8.2)
式中 nTA1和nTA2为适应 Y , d 接线的需要而采用的新变比。
图8-4Y,d11接线变压器的纵差动保护接线和矢量图 （图中电流方向对应于正常工作情况） (a）变压器及其纵差动保护的接线；（b）电流互感器原边电流矢量图； (C）纵差动回路两侧的电流矢量图
2、纵差动保护或电流速断保护 对变压器绕组、套管及引出线上的故障，应根据容量的不 同，装设纵差动保护或电流速断保护。 纵差动保护适用于：并列运行的变压器，容量为 6300kVA 以上时；单独运行的变压器，容量为l0000kVA以上时；发电厂 厂用工作变压器和工业企业中的重要变压器，容量为 6300kVA 以上时。 电流速断保护用于1O000kVA以下的变压器，且其过电流保 护的时限大于0.5s时。对200OkVA以上的变压器，当电流速断保 护的灵敏性不能满足要求时，也应装设纵差动保护。 对高压侧电压为330kV及以上的变压器，可装设双差动保护。 上述各保护动作后，均应跳开变压器各电源侧的断路器。
或 (WM Wb ) I 2 WM I 2 (8.3)
在WM中所产生的磁动势，被较小的 上式表明，由较大的电流 I 2 在(WM+Wb）中所产生的磁动势所抵销，因此，在铁心中 电流 I 2 没有磁通，继电器不可能动作。 按上式计算的Wb匝数，一般都不是整数，而实际上码，只 能按整匝数进行选择，因此还会有一残余的不平衡电流存在， 这在整定计算时应该予以考虑。
3、外部相间短路时，应采用的保护 对于外部相问短路引起的变压器过电流，应采用下列保护 作为后备保护。 (l）过电流保护，一般用于降压变压器，保护装置的整定 值应考虑事故状态下可能出现的过负荷电流； (2）复合电压起动的过电流保护，一般用于升压变压器、 系统联络变压器及过电流保护灵敏度不满足要求的降压变压器 上； (3）负序电流及单相式低电压起动的过电流保护，一般用 于容量为63MVA及以仁的升压变压器； (4）阻抗保护，对于升压变压器和系统联络变压器，当采 用第（2）、（3）的保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可 采用阻抗保护。对500kV系统联络变压器高、中压侧均应装设阻 抗保护。保护可带两段时限，以较短的时限用于缩小故障影响 范围；较长的时限用于断开变压器各侧断路器。
I2 ，如图 以双绕组变压器为例，假设在区外故障时 I 2 I2 )，由它所产生 8-5所示，则差动线圈中将流过电流 ( I 2 I2 )。为了消除这个差动电流的影响，通 的磁动势为 WM ( I 2 常都是将平衡线圈Wb接入二次电流较小的一侧，如图所示应 能完 接于I 2 的回路中。适当地选择Wb的匝数，使磁动势 Wb I 2 I2 ) ，则在二次线圈W2里就不会感应电动势， 全抵销 WM ( I 2 因而继电器I中也没有电流，达到了消除差电流影响的目的。 由此可见，选择Wb与WM的关系应为 I2 ) Wb I 2 WM ( I 2
2、由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流 由于变压器常常采用Y,d11的接线方式，因此，其两侧电 流的相位差30°。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的 接线方式，则二次电流由于相位不同，也会有一个差电流流入 继电器。为了消除这种不平衡电流的影响，通常都是将变压器 星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的 三个电流互感器接成星形，并适当考虑联接方式后即可把二次 电流的相位校正过来。在微机保护中，则可以利用软件把它校 正过来。
但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时， 则可能出现数值很大的励磁电流（又称为励磁涌流）。这是 因为在稳态工作情况下，铁心中的磁通应滞后于外加电压 90°，如图8-2(a）所示。如果空载合闸时，正好在电压瞬 时值u=0时接通电路，则铁心中应该具有磁通-Φ m。但是由 于铁心中的磁通不能突变，因此，将出现一个非周期分量的 磁通，其幅值为+Φ m，这样在经过半个周期以后，铁心中的 磁通就达到2Φ m。如果铁心中还有剩余磁Φ m，则总磁通将 为2Φ m+Φ r，如图8-2(b）所示。此时变压器的铁心严重饱 和，励磁电流IE将剧烈增大，如图8一2(C）所小，此电流就 称为变压器的励磁涌流IEF，其数值最大可达额定电流的6～8 倍，同时包含有大量的非周期分量和高次潜波分量，如图82（d）所示。励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相 位、铁心中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻 抗以及变压器容量的大小和铁心性质等都有关系。
3、由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流 由于两侧的电流互感器都是根据产目录选取标准的变比， 而变压器的变比也是一定的，因此，三者的关系很难满足
nTA 2 nTA 2 nT (或 nB ) 的要求，此时差动回路中将有 nTA1 nTA1
电流流过。当采用具有速饱和铁心的差动继电器时，通常都是 利用它的平衡线圈Wb来消除此差电流的影响。
8.2.2
变压样需要躲开流过差动回路中的不 平衡电流。现对其不平衡电流产生的原因和消除方一法分别 讨论如下。 1、由变压器励磁涌流IEF所产生的不平衡电流 变压器的励磁电流IE仅流经变压器的某一侧，因此，通 过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，在正常运行情 况下，此电流很小，一般不超过额定电流的2％～10％。在 外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响就更 小。
图8—2 变压器励磁涌流的产生及变化曲线 (a）稳态情况下，磁通与电压的关系；(b）在u=0瞬间空载合闸时，磁通 与电压的关系；(c）变压器铁心的磁化曲线；(d）励磁涌流的波形
（1）励磁涌流的特点： 表8-l所示的数据，是对几次励磁涌流试验数据的分析。 由此可见，励磁涌流具有以下特点。
①包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴
第8章 电力变压器的保护
第一节 电力变压器的故障类型、不正常运行状态及其相应的保 护方式 变压器的故障类型 变压器的不正常运行状态 根据故障类型和不正常运行状态，对变压器应装设的保护类型 第二节 变压器的纵差动保护 构成变压器纵差动保护的基本原则 变压器纵差动保护的特点 变压器纵差动保护的整定计算原则 第二节 发电机变压器组继电保护的特点
5、过负荷保护 对 400kVA以上的变压器，当数台并列运行，或单独运行 并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况， 装设过负荷保护。过负荷保护接于一相电流上，并延时作用 于信号。对于无经常值班人员的变电站，必要时过负荷保护 可动作于自动减负荷或跳闸。 6、过励磁保护 高压侧电压为500kV及以上的变压器，对频率降低和电压 升高而引起的变压器励磁电流的升高，应装设过励磁保护。 在变压器允许的过励磁范围内，保护作用于信号，当过励磁 超过允许值时，可动作于跳闸。过励磁保护反应于实际工作 磁密和额定工作磁密之比（称为过励磁倍数）而动作。 7、其他保护 对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应按 现行变压器标准的要求，装设可作用于信号或动作于跳闸的 装置。