变压器专题系列.docx

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变压器专题系列

母线保护

简介

母线是电能集中和分配的重要设备，是电力系统的重要组成元件之一。

母线发生故障，将使接于母线上的所有元件被迫切除，造成大面积停电，电气设备遭到严重破坏，甚至使电力系统稳定运行破坏，导致电力系统瓦解，后果十分严重。

母线故障的原因很多，母线上发生短路故障主要是各种类型的接地和相间短路。

母线的保护方式

母线的保护方式有两种：

一种是利用供电元件的保护兼做母线保护；另一种是采用专门的母线保护。

（1）利用变压器过流保护切除低压母线故障。

图6-1

对于降压变电所低压侧采用分段母线的系统，正常运行时QF5断开，则K点故障就可以由变压器下的过流保护使QF1、QF2跳闸予以切除。

（2）专用母线保护（完全电流差动母线保护）工作原理接线图如下：

图6-2

在正常运行或外部故障时，流入差动继电器的电流为不平衡电流；在母线故障时，流入差动继电器的电流为故障点短路电流的二次值，该电流足够使差动继电器动作而起动出口继电器，使断路器QF1、QF2、QF3跳闸。

双母线同时运行时母线保护

双母线同时运行时，要求母线保护具有选择故障母线的能力。

它由三组差动保护组成。

第一组由L1、L2、母联及继电器KD1组成，KD1为

母线故障选择元件。

KD1动作后，作用于断路器QF1、QF2跳闸。

第二组由L3、L4、母联及差动继电器KD2组成。

KD2为

母线故障选择元件。

KD2动作后，作用于QF3、QF4跳闸。

第三组由L1、L4及差动继电器、KD3组成，反映两组母线上的故障，并作为整个保护的起动元件，KD3起动后作用于母联断路器QF5跳闸。

保护情况说明如下：

（1）当元件固定连接方式下外部短路时，流经KD1～KD3的电流均为不平衡电流，保护装置已从整定值上躲过，故保护不会动作。

元件固定连接且Ⅰ母线故障时，KD1,KD3通过短路点全部短路电流而起动，并作用于QF1,QF2,QF5跳闸，切除故障Ⅰ母线。

（2）当元件固定连接破坏后（例如Ⅰ母线上一个元件倒换到Ⅱ母线上运行），发生外部短路时，起动元件中KD3中流过不平衡电流，因此保护不会误动作。

若Ⅰ母线短路，KD1,KD2,KD3都通过短路电流，它们都能起动，因此两组母线上所有断路器将跳闸，保护动作失去选择性。

（这限制了母线运行的灵活性，是该保护的主要缺点。

）

线路保护

电力系统继电保护的作用

电力系统在运行中，可能出现各种故障和不正常运行状态，员常见同时也是员危险的故障是发生各种形式的短路。

在发生短路时可能产生以下的后果：

（1）通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。

（2）短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命。

（3）电力系统中部分地区的电压大大降低．破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量。

（4）破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。

故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。

必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。

切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之儿秒，实践证明只有在每个电气元件上装设一种具有“继电特性”的自动装置才有可能满足这个要求。

所谓继电保护装置，就是指能反映电力系统中电气元件发生故障d6不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

它的基本任务是：

（1）自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部公迅速恢复正常运行。

（2）反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件（例如有无经常值班人员）。

而动作于发出信号、减负荷或跳闸。

此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。

电路系统的电气设备和线路应有主保护和后备保护以及必要的辅助保护。

主保护——能快速并有选择地切除被保护区域内的故障。

后备保护——在主保护或短路器拒动时，切除故障。

后备保护有分为近后备保护和远后备保护两种形式：

远后备保护是指当主保护或断路器拒动作时，由相邻设备或线路的保护实现后备。

近后备指当主保护拒动作时，由本设备或线路的另一套保护实现后备，当断路器拒动作时由断路器失灵保护实现后备。

辅助保护——当需要另还切除线路故障或消除方向功率死区时可采用由电流速断保护构成的辅助保护。

保护装置的装设原则：

1.当被保护元件发生短路或是破坏系统正常运行的情况，保护装置应动作于跳闸，当发生不正常动作时，保护装置应动作于信号。

2.为保障系统非故障部分的正常供电，保护装置应以足够小的动作时限去切除故障

3.系统故障时保护装置应有选择性地动作于跳闸，在必须加速时，可无选择性地跳闸而由自动重合闸装置来纠正保护的无选择性动作。

4.满足要求上述第二条原则或用作后备保护时，保护装置容许带有一定的时限切除故障。

5.保护装置所用的继电器越少越好，并使其接线简单可靠。

6.保护装置电压回路断线时，如可能造成保护装置的误动作则应装设电压回路断线监视或闭锁装置。

7.在表示保护装置动作的出口上应装设信号继电器。

以利于运行人员分析和统计保护的动作情况。

8.主保护装置除了完成主保护任务外，如有可能还应作为相邻元件的后备保护。

9.当保护装置因动作原理不能起相邻元件的后备保护作用时，应在所有和部分断路器上装设单独的后备保护。

10.为了起到相邻元件的后备保护的作用而使保护装置复杂化，或不能达到完全的后备保护作用时，允许缩短后备范围。

11.在实际可能出现最不利的运行方式和故障类型下，保护装置应有足够的灵敏系数；

对反应电气量上升的保护装置：

对反应电气量下降的保护装置：

各种保护装置的灵敏系数应满足电力系统《继电保护和安全自动装置技术规程》（SDJ—83）的规定。

12.保护装置的灵敏性还应该与相邻设备或线路配合。

13.保护装置所用电流互感器在最不利的条件下其误差应小于10%。

电力系统继电保护的基本任务

它的基本任务是：

1.当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求（如保持电力系统的暂态稳定性等）。

2.反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同（例如有无经常值班人员）发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。

反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。

对继电保护的基本要求

1.可靠性是指保护该动体时应可靠动作。

不该动作时应可靠不动作。

可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。

2.选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护切除故障。

为保证对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如启动与跳闸元件或闭锁与动作元件）的选择性，其灵敏系数及动作时间，在一般情况下应相互配合。

3.灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数，各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。

继电保护的可靠性主要由配置合理、质量和技术性能优良的继电保护装置以及正常的运行维护和管理来保证。

任何电力设备（线路、母线、变压器等）都不允许在无继电保护的状态下运行。

220KV及以上电网的所有运行设备都必须由两套交、直流输入、输出回路相互独立，并分别控制不同断路器的继电保护装置进行保护。

当任一套继电保护装置或任一组断路器拒绝动作时，能由另一套继电保护装置操作另一组断路器切除故障。

在所有情况下，要求这套继电保护装置和断路器所取的直流电源都经由不同的熔断器供电。

4.速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源

或备用设备自动投入的效果等。

一般从装设速动保护（如高频保护、差动保护）、充分发挥零序接地瞬时段保护及相间速断保护的作用、减少继电器固有动作时间和断路器跳闸时间等方面入手来提高速动性。

输配电线保护

设计的线路保护应满足《继电保护和全自动装置技术规程》SDJ6-83等有关专业技术规程的要求。

输电线路的主保护以动作时间上划分为全线瞬时动作及按阶梯时限特性动作两类。

当要求对线路全线任何地点的任何故障均能瞬时具有选择性切除时爱用全线瞬时动作的保护作为主保护，例如各种反线路两侧电气量变化从而实现全线有选择性动作的纵联差动保护。

当电网允许线路一侧以保护第二段时限切除故障时，也可采用具有阶梯时限特性的保护作为主保护，如距离保护，电流保护等。

送电线路的后备保护分为远后备和近后备两类，一般采用远后备。

变压器的保护

变压器装设的保护

变压器装设的保护种类

因变压器的故障和不正常运行状态等一系列问题，故变压器一般装设下列继电保护装置：

变压器油箱内部故障和油面下降的瓦斯保护。

容量为800KVA及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。

当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时作用于信号；当产生大量的瓦斯时，瓦斯保护应动作于断开变压器各电源侧断路器。

容量为400KVA及以上的车间内油浸式变压器，也应装设瓦斯保护。

1.瓦斯保护整定：

（1）一般气体继电器气体容积整定范围为250-300立方厘米，变压器容积在1000KVA以上时，一般正常整定为250立方厘米，气体容积整定值是利用调节重锤的位置来改变的。

（2）重瓦斯保护油流速度的整定

重瓦斯保护动作的油流速度整定范围为0.6-1.5m/s，再整定流速均以导油管中的流速为准，而不依据继电器处的流速。

根据运行经验管中油流速整定为0.6-1.5m/s时，保护反映内部故障是相当灵敏的。

但是，在变压器外部故障时，由于穿越性故障电流的影响，在导油管中油流速度约为0.4-0.5m/s。

因此，为了防止穿越性故障时瓦斯保护误动作，故对本站的主变的瓦斯保护可将油流速度整定在1m/s左右。

2.纵联差动保护：

反映变压器绕组和引出线相间短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护。

（1）容量为6300KVA以下的变压器，可装设电流速断保护作为变压器相间短路保护的主保护。

（2）容量为6300KVA以上的变压器，应装设纵联差动保护作为变压器的主保护而以过电流保护作为其后备保护。

（3）后备保护。

过电流保护，用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑短路时可能出现的过负荷。

复合电压（包括负序电压及线电压）启动的过电流保护。

负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护，用于6300KVA及以上的升压变压器。

当选择以上保护灵敏性、选择性不能满足要求时，可选择阻抗保护作后备保护。

3.接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护。

110KV及以上中性直接接地电网中，如果变压器中性点接地运行，应装设反映外部接地短路的变压器零序电流保护。

4.过负荷保护。

反映变压器过负荷的过负荷保护。

变压器保护的整定方法

变压器电流速断保护

对于2000-10000KVA及以下较小容量的变压器，可采用电流速断保护作变压器的主保护。

电流速断保护装设在变压器的电源侧，当电网为中性点不直接接地系统时，电流速断保护按两相式接线；否则按三相式接线。

为了提高保护对变压器高压侧因出线接地故障的灵敏系数，可采用两相三继电器式接线。

变压器纵联差动保护

变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，由于变压器的励磁电流、接线方式和电流互感器误差等因素的影响，使差动继电器中有不平衡电流流过，且这些不平衡电流远比发电机及线路差动保护的大。

因此，减小或消除不平衡电流对差动保护的影响是变压器差动保护中很重要的问题之一。

规程中规定：

对于6.3KVA及以上厂用工作变和并行运行的变压器10MVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器应装设纵联差动保护，对于高压侧电压为330KV及以上变压器，可装设双重的纵联差动保护。

纵联差动保护应符合下列要求：

1.应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流；

2.应在变压器过励磁时不误动作；

3.差动保护范围应包括变压器套管及引出线，如不能包括引出线时，应采取快速切除故障的辅助措施。

变压器纵差保护与发电机纵差保护一样也可以采用比率制动或标记制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的。

但变压器的纵差保护需考虑以下问题：

1.变压器各侧额定电压和额定电流各不相同。

因此，各测电流互感器的型号、

变比各不相同，所以各测电流的相位可能不一致，这样使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器的纵差保护的最大制动系数比发电机的最大灵敏度相对较低。

2.变压器高压绕组常有调压分接头，有的甚至还要求带负荷调压，使变压器的纵差保护已调整的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相对增大。

3.对于定子绕组的匝间短路，发电机纵差保护完全无作用。

变压器绕组各侧的匝间短路，通过变压器的铁心耦合，改变了各测电流的大小和相位，使变压器的纵差保护对匝间短路有作用（匝间短路可视为变压器的一个新绕组发生端口短路）。

4.无论变压器绕组还是发电机定子绕组开路故障，纵差保护均不能动作。

变压器依靠瓦斯或压力保护来反应。

变压器因为励磁电流存在，增大纵差保护的不平衡电流特别是在变压器空载投入时，励磁电流急剧增加至数十倍的额度电流，如不特别考虑将会造成纵差保护误动作。

变压器后备保护

相间后备保护配置是为了防止变压器外部故障引起的过电流及作为变压器主保护的后备，变压器应装设后备保护。

保护采用带低电压或不带低电压闭锁的过电流保护。

如果灵敏度不够，可采用带复合电压闭锁的过电流保护。

1.对于单侧电源的变压器。

后备保护装设于电源侧，作为差动保护、瓦斯保护的后备或相邻元件的后备。

2.对于多侧电源的变压器，变压器各侧均应装设后备保护；

作为变压器差动保护的后备，要求它动作后启动总出口继电器。

作为各电压侧母线和线路的后备保护，要求它动作后跳开本侧的断路器，作为变压器断路器与其电流互感器之间死区故障的后备保护。

变压器过负荷保护

为了防止变压器在超过允许负载能力下运行，需要装设过负荷保护装置。

由于变压器的过负荷一般是三相对称的，因此，过负荷保护只需接入一项电流，各侧的过负荷保护均经过同一时间继电器延时发出信号。

保护的安装地点应能够反应变压器所有绕组的过负荷情况，对于双绕组升压变压器，过负荷保护通常装设在低压侧。

对于双绕组降压变压器，过负荷保护装设在高压侧。

（1）动作电流的整定。

按躲过变压器的额定电流来整定

=（1.2～1.25）

-------过负荷保护装置动作电流整定值（A）；

-------变压器额定电流（A）;

--------电流互感器变比。

（2）动作时限的整定：

动作时限为10～15s，一般用于信号。

变压器过电流保护

为了防止变压器外部短路，并作为内部故障的后备保护，一般变压器上应装设过电流保护。

对单侧电源的变压器，保护装置的电流互感器安装在电源侧，以便在发生变压器内部故障而瓦斯或差动保护拒动时，由过电流保护经整定时限动作后，作用于变压器两侧断路器跳闸。

（1）动作电流的整定。

按躲过变压器的最大负荷电流来整定。

------过负荷系数，一般取2～3，当无自启动电动机时，取1.3～1.5；

（2）动作时限的整定。

动作时限比由变压器供电的线路保护装置的最大时限大一时限阶段，一般取0.5～0.7s。

（3）灵敏度校验

式中：

------相对灵敏系数；

-------最小运行方式下变压器低压侧三相短路稳态电流（A）；

--------保护装置一次动作电流（A）。

主变继电保护的配置及整定计算

4.1变压器继电保护的配置

电力变压器是电力系统的重要组成元件，它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。

电力变压器是一种静止的电气设备，结构比较可靠，发生故障的机会相对较少。

电力变压器在运行中，可能发生故障和不正常的工作状态。

因此，电力变压器应按照其容量和重要程度装设相应的继电保护装置。

变压器的故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。

变压器的保护主要有瓦斯保护、纵差动保护、相间短路的后备保护和过负荷保护，以及中性点直接接地电网的零序后备保护。

4.1.1变压器的瓦斯保护

对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作。

其中轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧的断路器。

应装设瓦斯保护的变压器容量界限是：

800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器。

同样对带负荷调压的油浸式变压器的调压装置，也应装设瓦斯保护。

4.1.2变压器的纵差动保护和电流速断保护

对变压器绕组、套管及引出线上的故障，应根据容量的不同，装设纵联差动保护或电流速断保护。

容量为10000kVA以下的变压器，可装设电流速断保护作为变压器相间短路保护的主保护，且其过电流保护的时限大于0.5s。

并列运行，容量为6300kVA以上的变压器，应装设纵联差动保护作为变压器的主保护而以过电流保护作为其后备保护。

通常可以采用BCH型差动继电器保护，它的有点是简单、可靠、快速动作。

采用BCH型差动继电器保护时，在变压器Y侧的电流互感器都接成三角形，在变压器∆侧的电流互感器接成星型。

常用的BCH型继电器有以下两种：

（1）由带加强型速饱和变流器的差动继电器（BCH-2型）构成的纵差动保护；

（2）由带制动特性的差动继电器（BCH-1型）构成的纵差动保护。

4.1.3变压器相间短路的后备保护和过负荷保护

变压器相间短路的后备保护既是变压器主保护的后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。

根据变压器容量的大小和系统短路电流的大小，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护或负序电流保护等。

1、变压器的后备保护

（1）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；

负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护，用于6300kVA及以上的升

压变压器。

（2）零序电流保护

接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护。

110kV及以上中性直接接地电网中，如果变压器中性点接地运行，应装设反映外部接地短路的变压器零序电流保护。

（3）配置原则

对于三绕组变压器的后备保护，当变压器油箱内部故障时，应跳开各侧断路器，当油箱外部故障时，应只跳开近故障点侧的变压器断路器，使变压器其余两侧继续运行。

1）对单侧电源的三绕组变压器，应设置两套后备保护，分别装于电源侧和负荷侧。

2）对于多侧电源的三绕组变压器，应在三侧都装设后备保护。

2、变压器的过负荷保护

变压器的过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流。

保护用一个电流继电器接于一相电流，经延时动作于信号。

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。

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。

过负荷保护的安装侧，应根据保护能反映变压器各侧绕组可能过负荷情况来选择：

（1）对一侧无电源的三绕组升压变压器，装于发电机电压侧和无电源侧。

（2）对三侧有电源的三绕组升压变压器，三侧均应装设。

（3）仅一侧电源的三绕组降压变压器，若三侧绕组的容量相等，只装于电源侧；若三侧绕组的容量不等，则装于电源侧及绕组容量较小侧。

（4）对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设。

（5）装于各侧的过负荷保护，均经过同一时间继电器作用于信号。

（6）过负荷保护的动作电流，应按躲开变压器的额定电流整定。

为了防止过负荷保护在外部短路时误动作，其时限应比变压器的后备保护动作时限大一个

。

4.1.4中性点直接接地电网的零序后备保护

当中性点直接接地的电网（又称大接地电流系统）中发生接地短路时，将出现很大的零序电流，而在正常运行情况下他们是不存在的，因此利用零序电流来构成接地短路的保护，就具有显著的有点。

本设计主要讨论中性点为分级绝缘变压器的零序保护。

为了扩大线路的保护范围和提高保护的灵敏度，可以采用零序电压过滤器、零序电流过滤器和零序电流速度按保护。

零序电流速度按保护又可分为零序Ⅰ段，零序Ⅱ段，零序Ⅲ段保护。