《电力系统继电保护实用技术问答第二版》第六章.docx
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《电力系统继电保护实用技术问答第二版》第六章
第六章电力变压器保护
1．电力变压器的不正常工作状态和可能发生的故障有哪些?
一般应装设哪些保护?
答：
变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。
变压器内部故障系指变压器油箱里面发生的各种故障，其主要类型有：
各相绕组之间发生的相间短路，单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路，单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障等。
变压器外部故障系指变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，其主要类型有：
绝缘套管闪络或破碎而发生的单相接地（通过外壳）短路，引出线之间发生的相间故障等。
变压器的不正常工作状态主要包括：
由于外部短路或过负荷引起的过电流、油箱漏油造成的油面降低、变压器中性点电压升高、由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁等。
为了防止变压器在发生各种类型故障和不正常运行时造成不应有的损失，保证电力系统安全连续运行，变压器一般应装设以下继电保护装置：
（1）防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护。
（2）防御变压器绕组和引出线多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的（纵联）差动保护或电流速断保护。
（3）防御变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护（或电流速断保护）后备的过
电流保护（或复合电压起动的过电流保护、或负序过电流保护）。
（4）防御大接地电流系统中变压器外部接地短路的零序电流保护。
（5）防御变压器对称过负荷的过负荷保护。
（6）防御变压器过励磁的过励磁保护。
2．变压器差动保护的不平衡电流是怎样产生的（包括稳态和暂态情况下的不平衡电流）?
答：
变压器差动保护的不平衡电流产生的原因如下。
1．稳态情况下的不平衡电流
（1）由于变压器各侧电流互感器型号不同，即各侧电流互感器的饱和特性和励磁电流不同而引起的不平衡电流。
它必须满足电流互感器的10％误差曲线的要求。
（2）由于实际的电流互感器变比和计算变比不同引起的不平衡电流。
（3）由于改变变压器调压分接头引起的不平衡电流。
2．暂态情况下的不平衡电流
（1）由于短路电流的非周期分量主要为电流互感器的励磁电流，使其铁芯饱和，误差增大而引起不平衡电流。
（2）变压器空载合闸的励磁涌流，仅在变压器一侧有电流。
3．变压器励磁涌流有哪些特点?
目前差动保护中防止励磁涌流影响的方法有哪些?
答：
励磁涌流有以下特点。
（1）
包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧。
（2）包含有大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主。
（3）励磁涌流波形之间出现间断，如图6-1所示。
防止励磁涌流影响的方法有：
（1）采用具有速饱和铁芯的差动继电器。
（2）鉴别短路电流和励磁涌流波形的区别，要求间断角为60～65。
（3）利用二次谐波制动，制动比为15％～20％。
4．变压器比率制动的差动继电器制动线圈接法的原则是什么?
答：
通常要求该保护装置在外部故障时具有可靠的选择性，流人保护的制动电流为最大；而在内部故障时，又有较高的灵敏度。
因此，差动继电器制动线圈的接法原则一般为：
（1）变压器有电源侧电流互感器如接人制动线圈，则必须单独接人，不允许经多侧电流互感器并联后接人制动线圈。
（2）变压器无电源侧电流互感器必须接入制动线圈。
5．试述变压器瓦斯保护的基本工作原理。
答：
瓦斯保护是变压器的主要保护，能有效地反应变压器内部故障。
轻瓦斯继电器由开口杯、干簧触点等组成，作用于信号。
重瓦斯继电器由挡板、弹簧、干簧触点等组成，作用于跳闸。
正常运行时，瓦斯继电器充满油，开口杯浸在油内，处于上浮位置，干簧触点断开。
当变压器内部故障时，故障点局部发生高热，引起附近的变压器油膨胀，油内溶解的空气被逐出，形成气泡上升，同时油和其他材料在电弧和放电等的作用下电离而产生瓦斯。
当故障轻微时，排出的瓦斯缓慢地上升而进入瓦斯继电器，使油面下降，开口杯产生的支点为轴逆时针方向的转动，使干簧触点接通，发出信号。
当变压器内部故障严重时，产生强烈的瓦斯，使变压器内部压力突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击挡板，挡板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使干簧触点接通，作用于跳闸。
6．为什么差动保护不能代替瓦斯保护?
答：
瓦斯保护能反应变压器油箱内的任何故障，如铁芯过热烧伤、油面降低等，但差动保护对此无反应。
又如变压器绕组发生少数线匝的匝间短路，虽然短路匝内短路电流很大会造成局部绕组严重过热产生强烈的油流向油枕方向冲击，但表现在相电流上却并不大，因此差动保护没有反应，但瓦斯保护对此却能灵敏地加以反应，这就是差动保护不能代替瓦斯保护的原因。
7，画出Y，d11接线变压器差动保护的三相原理接线图（标出电流互感器的极性）。
答：
Y，d11接线变压器差动保护的三相原理接线图，如图6-2所示。
8．画出YN.yn.d11（Y0／Y0／△-12-11）组变压器差动保护接线图，并进行相量分析：
答：
YN.yn.d11组变压器差动保护接线如图6-3（a）所示。
其电流互感器二次线电流，高压侧为
IaIaIb
IbIbIc
IcIcIa
中压侧为
Ia1Ia1Ib1
Ib1Ib1Ic1
Ic1Ic1Ia1低压侧为
Ia、Ib、Ic与一次线电流同相，正常时流入A相差动线圈的电流为
Ia（Ia1Ia）0流人B相和C相差动线圈的电流也同样为零。
9．试绘制用于中性点直接接地的Y，d5接线的三相变压器三相三继电器式差动保护交流
回路的原理图（图中标明极性）。
答：
设丫侧三相端子为A、B、C，△侧三相端子为a、b、c。
三相三继电器式的差动保护
交流回路原理接线图及相量图，如图6-4所示。
由图可知
10
．有一台Y，d11接线的变压器，在其差动保护带负荷检查时，测得其Y侧电流互感器电流相位关系为Ib超前Ia150，Ia超前Ic60，Ic超前Ib150，且Ib为8.65A，IaIc5A，试分析变压器Y侧电流互感器是否有接线错误，并改正之（用相量图分析）。
答：
变压器Y侧电流互感器A相极性接反，其接线及相量图如图6-5所示。
此时：
Ib超前Ia为150，
Ia超前Ic为60，
Ic超前Ib为150，
其中Ib为Ic、Ia的3倍，有
改正：
改变A相电流互感器绕组极性后，其正确接线后即为
11．BCH-2型差动继电器有几组线圈?
各线圈的作用是什么?
如何整定?
答：
差动继电器有差动线圈，平衡I线圈，平衡Ⅱ线圈和短路线圈。
（1）差动线圈具有动作作用。
（2）平衡线圈是补偿由于变压器两侧电流互感器二次电流不等使速饱和变流器的磁化达到平衡。
（3）短路线圈作用是为了躲避励磁涌流。
其整定程序如下：
（1）按同一容量列表计算额定电压、一次额定电流、TA接线方式、电流互感器变比、
次额定电流。
然后确定基本侧电流。
（2）差动电流的确定。
1）躲过变压器的励磁涌流
Iop1.3IN
2）躲过最大不平衡电流
IopKre1（K1fiUf）Ik,max
式中Krcl——可靠系数；
K1——同型系数；
fi——电流互感器最大相对误差，取0.1；
U——由于调压引起的相对误差；
f——变比不能完全补偿的相对误差；
Ik?
max——最大短路电流。
（3）计算基本侧二次动作电流求出动作安匝（差动绕组匝数和平衡绕组I的匝数之和）
60
NopIopNdNba1
op
op
（4）确定平衡绕组Ⅱ的匝数
I1
Nba1NopNd（NdNba1）I1（NdNba1）I2
I2
（5）匝数误差f的复核
Nba1Nba1?
prfba1ba1?
pr0.05
Nba1Nd
式中Nba1——计算的平衡线圈Ⅱ的匝数；
Nba1?
pr——使用的平衡线圈Ⅱ的匝数。
（6）校验灵敏系数。
12．一台双绕组降压变压器的容量为15MVA，电压比为35kV±2.5%／6.6kV，Y，d11接
线；差动保护采用BCH-2型继电器。
求BCH-2型继电器差动保护的整定值。
已知：
6.6kV外部短路时最大三相短路电流为9420A，最小三相短路电流为7300A（已归算到
6.6kV侧）；
35kV侧电流互感器变比为600／5，6.6kV侧电流互感器变比为1500／5；可靠系数Kre1＝
1.3。
解：
按以下步骤进行计算：
（1）算出各侧一次额定电流；确定二次回路额定电流。
由于6.6kV侧的二次回路额定电
流大于35kV侧的，因此6.6kV侧为基本侧（第Ⅰ侧）。
（2）计算保护装置6.6kV侧的一次动作电流。
1）躲过变压器励磁涌流
I1op1.3IN1.313151710A
2）躲过最大不平衡电流
I1opKre1（K1fiUf）Ik,max
1.3（10.10.050.05）94202450因此，一次动作电流选用2450A。
（3）确定线圈接法及匝数。
平衡线圈I、Ⅱ分别接于6.6kV及35kV侧。
计算基本侧一次动作电流
基本侧匝数N?
baAN060＝7.35匝。
I2op8.16
选择实用工作匝数N?
pr＝7匝，
即Nc?
pr6匝，Nba1?
pr＝1匝。
在实用匝数下，6.6kV侧继电器的动作电流为I2opAN060＝8.56AN?
pr7
（4）确定35kV侧平衡线圈匝数
Nba1?
baN?
prINc?
pr74.386＝2.6匝，ba1?
ba?
prIc?
pr3.57
实用匝数取Nba1?
pr＝3匝。
（5）
计算由于实用匝数与计算匝数不等而产生的相对误差f
（6）初步确定短路线圈抽头：
选c—c，抽头（该抽头在继电器内部）。
（7）校核灵敏系数。
最小运行方式，6.6kV侧两相短路的最小
短路电流为6320A，相当于35kV侧短路电流63206.6=1192A
35
31192
＝17.2A，
I2op?
min120＝，
AN0
prNc?
pr
I2op
Nba1?
3606＝6.67A
灵敏系数KsenI2op?
min17.2＝2.58>1.25
I2op6.67
图6-6所示为确定BCH-2型差动继电器各线圈极性关系图。
13．试述BCH-2型差动继电器的工作原理。
答：
BCH-2型差动继电器是具有比较良好的躲过变压器励磁涌流特性的差动继电器。
它由速饱和变流器和执行元件（DL-11／0.2型电流继电器）两部分组成，其结构原理如图6-7所
示。
和，从而使铁芯的磁阻大大增大，这就会使C柱中的磁通d?
BC大大减小。
另外，再看短路线圈的作用，由于磁路饱和，使Ik减小，IkNk、IkNk也随之减小。
由于A柱到C柱的磁
路较长，漏磁增大，使C柱中的助磁磁通k?
AC大为减小；而B柱到C柱的磁路较短，漏磁相对较小，所以C柱中的去磁磁通k?
BC的减小不象k?
AC减小得那么显著，但仍有一定的去磁作用，因此C柱中的合成磁通（d?
BC+k?
AC-k?
BC）减小得很多。
这就是说，由于非周期分量电流的作用，要想使继电器动作，就得增大Nd中的正弦电流。
此即BCH-2型继电
器具有良好的躲过励磁涌流特性的根本原因。
14．带制动特性的BCH-1型差动继电器的工作原理。
答：
BCH-1型差动继电器是由一个电流继电器和一个具有制动线圈的速饱和变流器构成。
其躲避变压器励磁涌流的性能依靠速饱和变流器实现，当区外故障不平衡电流增加，为使继电器动作电流随不平衡电流的增加而提高动作值，因此设有制动线圈。
当制动线圈通过电流时，产生的磁通仅流过两边柱而不流过中间柱并在相等的二次线圈中感应出的电动势相反，因而二次线圈输出电压为零，即制动线圈和差动线圈、二次线圈之间没有互感，因此制动安匝仅用于来磁化速饱和变流器的铁芯，恶化了差动线圈与二次线圈之间的传变作用，使继电器动作值增大，因此继电器的基本原理是交流助磁制动，即利用穿越电流来改变速饱和变流器的饱和状况。
15．BCH型差动继电器进行可靠系数检验的意义何在?
怎样对可靠系数进行调整?
答：
变压器纵联差动保护区内故障时，BCH型继电器不但应该动作，且要求有足够的灵敏度。
可靠系数就是对该项要求的考核指标。
它是以无制动情况下继电器在起始动作安匝时执行元件的动作电流Iop?
0为基准，然后再拿继电器2倍动作安匝下执行元件的动作电流Iop?
2
与其相比较，其比值称可靠系数。
检验规程要求BCH型差动继电器2倍动作电流可靠系数Kre1Iop?
2≥1.2。
当Kre1不能满足要求时，应降低执行元件的动作电压，这时虽然可靠系数增
BCH型继电器的调
Iop?
0
大，但直流助磁特性曲线陡度变小，躲过励磁涌流的性能减弱，因此在做整试验时要两者兼顾。
16．检验规程对BCH型差动继电器的整组伏安特性是怎样要求的?
若不符合要求应怎样
调整?
答：
继电保护检验规程对于BCH型差动继电器的伏安特性的要求是：
2倍动作安匝时，执行元件端子上的电压U2与1倍动作安匝时执行元件端子上的电压U1之比U2≥1.15；5倍动
U1作安匝时，执行元件端子上的电压U5与U1之比U5≥1.3。
51U1
若试出的伏安特性曲线不符合要求，可改变速饱和变流器铁芯的组合方式。
铁芯的硅钢片在每片对叠时伏安特性最高，特别是对伏安特性的开始部分提高得更显著。
每数片一组对
叠时，伏安特性就低些，且每组的片数越多，伏安特性就越低。
在改变铁芯组合时，只需把
速饱和变流器从继电器底座上卸下，拧掉紧固铁芯的螺钉即可进行，而不需要拆掉各绕组抽头引向面板背面的螺丝。
17
．简述BCH-1型差动继电器的制动特性检验要求，并画出其试验接线图答：
其试验接线图如图6-8所示。
设：
IA1为制动电流，Nbra＝14匝；
试验时，先加IA1，再增加IA2，测其动作值Iop。
则制动安匝二14IA1，动作安匝＝39IA2＝39Iop。
匝。
直流加到差动线圈（20匝）。
随制动电流不断变化，故整定的比率制动系数K，实
质上是折线的斜率m。
为防止区外故障时误动，依靠的是制动系数K，而不是斜率m，因此必须使各点的K值
均满足选择性及灵敏性，使继电器的制动特性曲线位于理想的制动特性曲线上部。
制动特性曲线由下述三个定值决定：
（1）比率制动系数Kb。
（2）拐点电流Ibra?
min
（3）最小动作电流Iop?
min。
1．比率制动系数Kb的整定
KbKre1（K1fiUf）
式中Kre1——可靠系数，取1.3～1.5；
K1——电流互感器同型系数，取1．0；
fi——电流互感器的最大相对误差，满足10％误差，取0.1；
U——变压器由于调压所引起的相对误差，取调压范围的一半；
f——变压器经过电流互感器（包括自耦变流器）变比，不能完全补偿所产生的相对误差。
微机保护软件可以完全补偿，f=0。
Kb一般在0.3～0.5中选取。
2．拐点电流
Ibra?
min的整定
一般整定在（0.8～1.0）倍变压器额定电流，微机保护整定为变压器额定电流。
3．最小动作电流
Iop?
min的整定
按满足制动特性的要求整定，使制动系数不随制动电流而变化，则最小动作电流与拐点电流相互关系如下：
设变压器额定电流IN的标么值为1.0，当拐点电流为1.0，则Iop?
min=Kb
当拐点电流为KIN值时，则Iop?
min＝KKb
按上述整定，均能满足选择性和灵敏系数，可不再校验灵敏系数。
22．试述变压器零序纵联差动保护。
答：
变压器星形接线的一侧，如中性点直接接地，则可装设变压器零序纵联差动保护。
零序差动回路由变压器中性点侧零序电流互感器和变压器星形侧电流互感器的零序回路组成。
该保护对变压器绕组接地故障反应较灵敏。
同样，对自耦变压器也可设置零序纵联差动保护，要求高压侧、中压侧和中性点侧的电流互感器应采用同类型电流互感器，而且各侧的变比相等。
从运行经验说明，零序纵联差动保护用工作电压和负载电流检验零序纵联差动保护接线的正确性较困难。
在外部接地故障，有由于极性接错而造成的误动作，该保护的正确动作率较低。
差动继电器可采用BCH-2型速饱和差动继电器或比率制动特性的差动继电器。
23．对新安装的差动保护在投入运行前应做哪些试验?
答：
对其应做如下检查。
（1）必须进行带负荷测相位和差电压（或差电流），以检查电流回路接线的正确性。
1）在变压器充电时，将差动保护投入。
2）带负荷前将差动保护停用，测量各侧各相电流的有效值和相位。
3）测各相差电压（或差电流）。
（2）变压器充电合闸5次，以检查差动保护躲励磁涌流的性能。
24．运行中的变压器瓦斯保护，当现场进行什么工作时，重瓦斯保护应由“跳闸”位置改为“信号”位置运行。
答：
当现场进行下述工作时重瓦斯保护应由“跳闸”位置改为“信号”位置运行。
（1）进行注油和滤油时。
（2）进行呼吸器畅通工作或更换硅胶时。
（3）除采油样和瓦斯继电器上部放气阀放气外，在其它所有地方打开放气、放油和进油阀门时。
（4）开、闭瓦斯继电器连接管上的阀门时。
（5）在瓦斯保护及其二次回路上进行工作时。
（6）对于充氮变压器，当油枕抽真空或补充氮气时，变压器注油、滤油、更换硅胶及处理呼吸器时，在上述工作完毕后，经lh试运行后，方可将重瓦斯投入跳闸。
25．何谓复合电压过电流保护?
答：
复合电压过电流保护是由一个负序电压继电器和一个接在相间电压上的低电压继电器共同组成的电压复合元件，两个继电器只要有一个动作，同时过电流继电器也动作，整套装置即能启动。
该保护较低电压闭锁过电流保护有下列优点：
（1）在后备保护范围内发生不对称短路时，有较高的灵敏度。
（2）在变压器后发生不对称短路时，电压启动元件的灵敏度与变压器的接线方式无关。
（3）由于电压启动元件只接在变压器的一侧，故接线比较简单。
26．在Y，d11接线变压器△侧发生某一种两相短路时，对Y侧过电流和低电压保护有何影响?
如何解决?
答：
在Y，d11接线变压器的△侧发生两相短路时，设短路电流为Ik在Y侧有两相的相电
的两相短路机率短路电流减少一半。
在△侧，非故障相电压为正常电压，故障相的相间电压降低，当变压器△侧出口故障时，
相间电压为0V但反应到Y侧的相电压有一相为0V，另两相为大小相等、方向相反的相电压。
此时，Y侧绕组接相间电压时，就不能正确反映故障相间电压；如Y侧绕组接相电压，则在Y侧发生两相短路时也不能正确反映故障相间电压。
（1）变压器Y侧的电流互感器为接法，则需每相均设电流继电器，即三相式电流继电器；如为两相式电流互感器，则B相电流继电器接中性线电流（一B相）。
（2）变压器高低压两侧均设三个电压元件接相间电压，即6块电压继电器，或设负序电压元件和单元件低压元件（接相间电压）。
27．为防止变压器、发电机后备阻抗保护电压断线误动应采取什么措施答：
必须同时采取下述措施。
（1）装设电压断线闭锁装置。
（2）装设电流增量元件或负序电流增量元件作为启动元件。
28．变压器中性点间隙接地的接地保护是怎样构成的?
答：
变压器中性点间隙接地的接地保护采用零序电流继电器与零序电压继电器并联方式，带有0.5s的限时构成。
当系统发生接地故障时，在放电间隙放电时有零序电流，则使设在放电间隙接地一端的专用电流互感器的零序电流继电器动作；若放电间隙不放电，则利用零序电压继电器动作。
当发生间歇性弧光接地时，间隙保护共用的时间元件不得中途返回，以保证间隙接地保护的可靠动作。
29．何谓变压器的过励磁保护?
答：
根据变压器的电压表达式U4.44fNBS108，可以写出变压器的工作磁密B的表
达式为
8
（6-l）
108UU
BK4.44NSff
式中
——频率；
N——绕组匝数；S——铁芯截面积；
1.8T，饱和工作磁密Bs＝1.9～2.0T，两者相差不大。
当U／f增加时，工作磁密B增加，使变压器励磁电流增加，特别是在铁芯饱和之后，励磁电流要急剧增大，造成变压器过励磁。
过励磁会使铁损增加，铁芯温度升高；同时还会使漏磁场增强，使靠近铁芯的绕组导线＼油箱壁和其它金属构件产生涡流损耗，发热，引起高温，严重时要造成局部变形和损伤周围的绝缘介质。
因此，对于现代大型变压器，应装设过励磁保护。
反应比值U／f的过励磁继电器已
得到应用。
30．双绕组自耦变压器两侧电量是什么关系
答：
双绕组自耦变压器接线如图6-13所示：
由图6-11（c）可知，N1称为串联绕组，N2称为公共绕组。
显然变压器的原方绕组为N1+N2，副方绕组为N2，故自耦变压器的变比为
（6-2）
U1N1N2N1I2a
n12
12U2N2N2I1
N1
或1n121N2
从电流来看，I2aI1I2，（6-3）
式中I1——原方电流，是串接电流；
I2——公共绕组中的电流。
根据磁势平衡方程得
I1（N1N2）I2aN20，（6-4）由式（6-3）、式（6-4），得I1N1I2N20
N1
故I2I1（n121）I11I2a，（6-5）
N2n12
于是可得出两侧电量的关系为
SN3I1U13I2aU2，称为自耦变压器的额定容量，也称最大容量或通过容量。
而公共绕组中的容量（称计算容量）为：
1
S23I2U23I2a1U2
n12
31．三绕组自耦变压器各侧电量的关系是什么
答：
三绕组自耦变压器原理接线如图6-14所示。
各绕组的有关符号和上题双绕组一样，只是加了第3绕组N3。
由图6-14可知：
高、中压绕组之间的电量关系与双绕组自耦变压器完全一样。
而高、低压绕组和中、低压绕组之间的电量关系和普通磁耦合的关系一样。
按中、低压绕组传输功率
l／2。
当高、中
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