500KV变电站主变压器保护的设计.docx

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500KV变电站主变压器保护的设计

TheDesignofProtectingtheMainTransformerin500KVSubstation

摘要

在本篇设计中，我选择了纵联差动保护作为变压器的主保护，还选择了瓦斯保护作为变压器油箱内发生故障时的主保护。

而变压器的后备保护，我选择的是过电流保护。

首先介绍了主变压器保护的重要性及其保护的发展历史，然后详细地介绍了此篇设计所采用的三种保护措施，主要内容有：

纵联差动保护、瓦斯保护和过电流保护。

最后对主变压器保护进行了总结及对在我做毕业论文的过程中给予我帮助的人的致谢。

关键词主变压器纵联差动保护瓦斯保护过电流保护

Abstract

Inthisdesign,Ichosethelongitudinaldifferentialprotectionasthemainprotectionoftransformer,alsochosethegasprotectionwhenfaultoccursasintheoiltankofthetransformermainprotection.Butthetransformerbackupprotection,Ichoosetheovercurrentprotection.

Firstintroducedthemaintransformerprotectionandtheimportanceofprotectionofhistoricaldevelopment,andthenintroducesindetailthedesignbytheuseofthreekindsofprotectivemeasures,maincontenthas:

longitudinaldifferentialprotection,gasprotectionandovercurrentprotection.Attheendofthemaintransformerprotectionaresummarizedanddoinginmygraduationthesisintheprocessofpeoplehelpedmethankyou.

Keywordsmaintransformerdifferentialprotectiongasprotectionovercurrentprotection

前言

主变压器是变电站的核芯设备,也是电力系统中非常重要的电力设备，它承担着电压变换、电能分配和传输的任务，并提供电力服务。

它的安全运行对于保证电力系统的正常运行和对供电的可靠性，以及电能质量起着决定性的作用。

因此，必须最大限度地防止和减少主变压器故障和事故的发生。

本次设计只是对变压器保护的一个初步的设计。

设计过程中对电气设备的选择，都是根据计算所得的结果进行的。

总的来说，变压器的保护方式一般有：

纵联差动保护、瓦斯保护、过电流保护、零序电流保护和过负荷保护。

而在本篇设计中，我选择了纵联差动保护作为变压器的主保护，还选择了瓦斯保护作为变压器油箱内发生故障时的主保护。

而变压器的后备保护，我选择的是过电流保护。

第一章主变压器保护的意义

1.1主变压器保护的意义

主变压器是变电站的核芯设备,也是电力系统中非常重要的电力设备，它承担着电压变换、电能分配和传输的任务，并提供电力服务。

它的安全运行对于保证电力系统的正常运行和对供电的可靠性，以及电能质量起着决定性的作用。

因此，必须最大限度地防止和减少主变压器故障和事故的发生。

但由于主变压器长期运行，故障和事故总是不可避免的，且引发故障和事故又出于众多方面的原因。

比如外力的破坏和影响，不可抗拒的自然灾害，安装、检修、维护中存在的问题和制造过程中遗留的设备缺陷等事故隐患，特别是主变压器长期运行后造成的绝缘材料的老化、材质劣化及预期寿命的影响，已成为发生故障的主要因素。

同时，部分工作人员业务素质不好、技术水平不够或违章作业等，都会造成事故或导致事故的扩大，从而危及电力系统的安全运行。

所以，要想使电力系统始终保持安全运行，就必须加强电力安全生产、提高供电可靠性和电力服务质量，努力实现电力设备管理的科学化、现代化，这样才能最大限度地满足全社会对电能服务的需求，这正是应执着奋斗的出发点和根本宗旨。

1.2变压器保护的发展进程

从变压器保护的发展历史上来看，在1931年Cordray提出了变压器保护法——比率差动的变压器保护法，标志着差动保护作为变压器主保护时代的到来。

由于电流差动保护具有原理简单、选择性好、可靠性高的特点，所以在变压器保护中获得了非常好的应用。

但由此也带来了一些技术难题，比如如何将变压器的励磁涌流与内部故障区分开来。

所以，变压器保护的发展史也伴随着变压器励磁涌流鉴别技术的发展。

1941年，Hayward提出了一种新的保护方法——利用谐波制动的差动保护。

这种方法将谐波分析引入到变压器差动保护中。

1958年，Sharp和GlassBurn又在新技术的前提下提出了另一种方法——利用二次谐波鉴别变压器励磁涌流，并在模拟式保护中加以实现。

同时，还提出了差动加速的方案，以差动加速、比率差动、二次谐波制动来构成整个谐波制动式保护的主体。

这种方法一直延续至今。

在60年代末70年代初，对微机变压器保护的研究开始进入研究人员的视野。

1969年，Rockerfelter首次提出了数字式变压器保护的概念，从而揭开了数字式变压器保护研究的序幕。

1972年，Skyes发表了《计算机变压器谐波制动保护方案》，使得微机式变压器保护更加实用化。

变压器保护在进入数字微机时代后，利用微机强大的运算和处理能力，不断提出新的励磁涌流鉴别方法。

在此期间，波形比较法、波形对称法和积分型波形对称法先后在间断角原理的基础上相继被提出。

然而，随着电力系统以及变压器制造技术的日益发展，利用涌流特征的各种判据在实用中均遇到了一些无法协调的矛盾。

现代大型变压器多采用冷轧硅钢片，剩磁较小而且饱和磁密较低，使得变压器励磁涌流中的二次谐波和间断角均明显变小。

问题虽然不断出现，但是研究人员也在全力的研究，并已经取得了初步的进展。

近年来，新器件、新技术的应用为变压器保护的研究与发展提供了一个广阔的天地。

比如：

模糊控制、神经网络专家系统、小波分析等开始越来越多的融入到变压器保护的研究领域，一方面为传统的变压器保护方法提供了更有效的工具；另一方面，采用多个信息量，可提高变压器保护的“智能化”程度，改善可靠性和适应性。

伴随着科研人员不断研究出新的传感元件和测量元件，工作人员可以充分利用各种现代分析手段对变压器的各个运行状态量进行监测与分析。

它实质上是传统变压器保护中电量与非电量保护的一个扩展，这为变压器保护的研究与发展提供了一个新的思路。

近年来，变压器的后备保护也是研究人员的研究重点。

随着越来越多的电力变压器投入使用以及电网电压等级的不断提高，实际运行中由变压器后备保护配置不合理引起的事故已不少见。

目前，已经有部分学者对变压器后备保护配置的合理性问题进行了分析和探讨，并提出了相应的改进方法。

变压器后备保护作为主保护的有益补充，为有效地保护变压器设备及电网运行安全发挥了巨大的作用，对变压器后备保护的进一步研究已经引起了人们的重视。

1.3本设计所做的工作

本次设计主要是针对500KV变电站主变压器存在的故障类型，采取相应的保护，并进行保护的配置。

我通过查找资料，得出一种较为合理的保护方案。

通过阐述变压器保护的基本原理、变压器保护应用范围、各种变压器的保护应用现状和发展趋势，具体地研究500KV主变压器的保护在实际应用中所起到的重要作用。

我认为500KV主变压器的保护方案应包括以下几个方面：

（1）变压器保护的综述以及变压器保护在实际应用中的作用。

（2）500KV主变压器微机型保护的双重化的探讨。

（3）电力变压器保护原理分析：

作为变压器的主保护——纵联差动保护，作为变压器油箱内发生故障时的主保护——瓦斯保护。

作为变压器的后备保护——定时限过电流保护。

（4）主变压器保护装置的配置：

电力变压器的保护配置与方案确定以及接线配置图。

（5）整定计算：

整定计算的原则和整定计算的过程。

第二章主变压器容易出现的故障和保护方法

由于主变压器长期运行，故障和事故总是不可避免的，且引发故障和事故又出于众多方面的原因。

比如外力的破坏和影响，不可抗拒的自然灾害，安装、检修、维护中存在的问题和制造过程中遗留的设备缺陷等事故隐患，特别是主变压器长期运行后造成的绝缘材料的老化、材质劣化及预期寿命的影响，已成为发生故障的主要因素。

同时，部分工作人员业务素质不好、技术水平不够或违章作业等，都会造成事故或导致事故的扩大，从而危及电力系统的安全运行。

主变压器的故障可以分为油箱内故障和油箱外故障。

具体的故障可以分为主变压器短路故障、主变压器放电故障、主变压器绝缘故障、主变压器铁芯故障、主变压器分接开关故障、主变压器渗漏故障、主变压器油流带电故障和主变压器保护及误动故障等。

主变压器保护大致分为主变压器电量保护和主变压器非电量保护。

相应的主变压器故障的检测技术有主变压器油中气体色谱检测技术，主变压器绕组直流电阻检测技术，主变压器绝缘电阻及吸收比、极化指数检测技术，主变压器绝缘介质损耗检测技术，主变压器油质检测技术，主变压器绝缘老化检测技术，主变压器局部放电故障检测技术，主变压器有载分接开关检测技术，主变压器绕组变形检测技术和主变压器变压器在线检测技术。

总的来说，变压器的保护方式一般有：

纵联差动保护、瓦斯保护、过电流保护、零序电流保护和过负荷保护。

对主变压器的保护主要有以下基本要求：

（1）在主变压器发生故障时，应将它与所有的电源断开。

（2）在母线或其他与主变压器项链的原件发生故障，而故障原件由于某种原因在其本身断路器未能断开的情况下，应使变压器与故障部位分开。

（3）当主变压器过负荷、油面降低、油温过高时，应发出报警信号。

对主变压器本身和各侧引线、套管的故障，为了限制故障的扩大，通常采用电流速断保护、纵联差动保护及重瓦斯保护，从而快速将主变压器的电源切断。

对于与主变压器连接的母线或接于此母线的引出线路故障，而其相应保护不能切除故障时，应通过较短时限的过电流保护，将与故障有联系的主变压器的断路器断开，以停止故障电流流过主变压器。

过负荷引起的过电流，一般是短时的。

对于较长时间的过负荷，运行人员有充足的时间处理，因此不必装设断开变压器的保护，而仅装设过负荷发信号，提醒运行人员采取相应措施即可。

对于主变压器内部产生的轻微瓦斯和油面降低，应利用瓦斯继电器轻瓦斯动作触电报信号；而对于主变压器本体温度过高，应利用温度继电器报信号。

在本篇设计中，我选择了纵联差动保护作为主变压器的主保护，还选择了瓦斯保护作为主变压器油箱内发生故障时的主保护。

而主变压器的后备保护，我选择的是定时限过电流保护。

2.1主变压器的纵联差动保护

所谓主变压器的纵联差动保护，是指由主变压器的一次和二次电流的数值和相位进行比较而构成的保护。

主变压器的纵联差动保护装置，一般用来保护主变压器线圈及引出线上发生的相间短路和大电流接地系统中的单相接地短路。

对于主变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常只作后备保护。

主变压器的纵联差动保护装置由主变压器两侧的电流互感器和继电器等组成，两个电流互感器串联形成环路，电流继电器并接在环路上。

因此，流经继电器的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差。

在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧电流大小相等，相位相同，因此流经继电器的差电流为零，但如果在保护区内发生短路故障，流经继电器的差电流不再为零，因此继电器将动作，使断路器跳闸，从而起到保护作用。

主变压器纵差保护是按照循环电流原理构成的变压器纵差保护的原理要求变压器在正常运行和纵差保护区外故障时，流入差动继电器中的电流为零，保证纵差保护不动作。

但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。

2.2主变压器油箱内的瓦斯保护

主变压器油箱内的瓦斯继电器是主变压器内部故障的主要保护元件，对主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。

当主变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，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，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。

瓦斯保护分为轻瓦斯保护和重瓦斯保护。

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保护。

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保护。

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，起到保护主变压器的作用。

主变压器邮箱内的瓦斯保护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。

2.3主变压器的后备保护——过电流保护

当流过被保护元件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号，这种继电保护称为过电流保护。

主变压器相间短路的后备保护壳根据变压器容量的大小和保护装置对灵敏度的要求，采用过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护等方式。

对于单侧电源的变压器保护装置则安装在主变压器的电源侧，即作为主变压器本身故障的后备保护，又反映了变压器外部短路引起的过电流。

第三章主变压器保护的数学表示方法及原则

3.1主变压器的纵联差动保护

3.1.1主变压器纵联差动保护的原理

主变压器的纵联差动保护是按循环电流原理装设的。

在主变压器两端安装具有相同型号的两台电流互感器，其二次采用环流法接线。

在正常与外部故障时，差动继电器中没有电流流过，而在主变压器内部发生相间短路时，差动继电器就会有很大的电流流过。

3.1.2主变压器纵联差动保护的具体数学计算方法

主变压器的纵联差动保护用来反映变压器绕组、引出线及套管上的各种短路保护故障，是这次设计的主变压器的主保护。

纵联差动保护是通过比较被保护的变压器两侧电流的大小和相位的原理实现的。

为了实现这种比较，需要在变压器的两侧各装设一组电流互感器TA1、TA2，其二次侧按环流法连接。

也就是说，如果变压器两端的电流互感器TA1、TA2一次侧的正极性端子均在靠近母线的一侧，则将TA1和TA2的二次侧的同极性端子相连接，再将差动继电器的线圈按环流法接入，构成纵联差动保护，见图3-1。

图3-1

由图3-1（a）可见，当主变压器正常运行或发生外部短路故障时，流过差动继电器的电流等于两侧电流之差，即Ikd=I1-I2。

在理想的情况下，其值等于零。

但实际上由于电流互感器特性、变比等因素，流过继电器的电流为不平稳电流。

由图3-1（b）可见，当主变压器内部发生故障时，流入差动继电器的电流等于两侧电流之和，即Ikd=I1+I2。

当该电流大于KD的动作电流时，KD即动作。

为了确保纵联差动保护正确动作，消除变压器各侧额定电压和额定电流不同带来的影响，必须适当选择各侧电流互感器的变比，使得主变压器正常运行或外部短路时，差动回路内没有电流。

如图3-1a，应使

I1=I2=Ia/nTA1=Ib/nTA2（3-1）

其中nTA1——高压侧电流互感器的变比；

nTA2——低压侧电流互感器的变比。

从式（1-1）我们可以看出，只有适当选择了两侧电流互感器的变比，才能保证主变压器的纵联差动保护正常运行。

因此，在主变压器纵联差动保护中，要实现两侧电流的正确比较，必须先考虑主变压器变比的影响。

实际上，由于电流互感器的误差、主变压器的接线方式及励磁涌流等因素的影响，即使满足式（1-1）条件，纵联差动回路中仍会残余一定的不平衡电流，而且此电流越大，差动继电器的动作电流也越大，需要启动纵联差动保护装置的电流就越大，从而导致了差动保护灵敏度的降低。

因此，要提高主变压器纵联差动保护的灵敏度，关键问题是减小甚至消除不平衡电流的影响。

3.1.3主变压器纵联差动保护电路中不平衡电流的产生原因及消除方法

主变压器纵联差动保护电路中不平衡电流产生的因素有：

（1）主变压器励磁涌流的影响；

（2）电流互感器实际变比与计算变比不同的影响；

（3）两侧电流互感器型号不同的影响；

（4）主变压器有载调压的影响等。

在此，我仅以前两个比较典型的原因做以详细介绍。

1.主变压器励磁涌流的影响及消除方法

主变压器的励磁涌流，就是主变压器空载合闸时的暂态励磁电流。

造成主变压器两侧电流不平衡的原因是主变压器的励磁涌流只流经它的电源侧，从而在主变压器的纵联差动回路中产生不平衡电流。

在正常运行时，在主变压器的纵联差动回路中产生的励磁电流很小，一般不超过主变压器额定电流的3%~5%。

而在主变压器外部发生故障时，由于主变压器两侧的电压降低，励磁电流也相应减小，其影响也就更小。

因此由正常励磁电流引起的不平衡电流不大，甚至可以忽略不计。

但是，当变压器空载投入或者外部故障切除后电压恢复时，主变压器铁芯很容易形成饱和，相对磁导率接近于1，主变压器绕组电抗降低，可能在主变压器的纵联差动回路中将出现很大的励磁涌流，其值可以达到主变压器额定电流的6~8倍。

同时,主变压器励磁涌流还包含大量非周期分量和高次谐波分量，非周期分量往往使涌流偏于时间轴的一侧，而高次谐波分量以二次谐波为主。

因此，励磁涌流将在差动回路中产生很大的不平衡电流，其大小足以导致保护的误动作。

在这里，我们要先了解一个名词——非周期性的磁通分量。

由于在稳态工作时，主变压器外加电压应超前于铁芯中的磁通90o，所以如果空载合闸正好在电压瞬间值u=0的瞬间接通，则铁芯中就具有一个相应的磁通——φmax,而铁芯中的磁通又是不能突变的，所以在合闸时必将出现一个+φmax的磁通分量。

此分量的磁通将按指数规律自由衰减，故称之为非周期性的磁通分量。

当主变压器在电压瞬时值u=0的时候合闸时：

如果这个非周期性的磁通分量的衰减比较慢，那么在最严重的情况下，经过半个周期后，它与稳态磁通相叠加的结果，将使铁芯中的总磁通达到2φmax。

如果铁芯中还有方向相同的剩余磁通φres，则总的磁通将为2φmax+φres。

此时由于铁芯高度饱和，使励磁电流剧烈增加，从而在主变压器的纵联差动电路中形成了励磁涌流。

与φmax对应的为Iμψ，即变压器的额定电流的最大值。

与2φmax+φres对应的则为Iμmax，即励磁涌流的最大值。

随着铁芯中非周期磁通的不断衰减，励磁电流也逐渐衰减至稳态值。

当然，当主变压器在电压瞬时值u=max的时候合闸时，因对应的稳态磁通等于零，故不会出现励磁涌流，合闸后变压器将立即进入稳态工作。

但是，对于三相式主变压器，因三相电压相位差120o，就意味着空载合闸时出现励磁涌流是不可避免的。

从以上的分析就可以看出，变压器容量的大小、合闸瞬间电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向及铁芯的特性等因素决定着励磁涌流的大小。

而纵联差动电路中励磁涌流的衰减速度则随铁芯的饱和程度及导磁性能的不同而变化。

主变压器励磁涌流的波形具有以下几个特点：

（1）励磁涌流波形含有很大成分的非周期分量，使曲线偏向时间轴的一侧。

（2）励磁涌流波形含有大量的高次谐波，其中二次谐波所占比重最大。

（3）励磁涌流波形削区负波之后将出现间断。

为了消除励磁涌流的影响，在纵联差动保护中通常采用的措施是：

（1）为了消除励磁涌流非周期的影响，通常在差动回路中接入速饱和变流器Tsat，如图3-2所示。

当励磁涌流进入差动回路时，其中很大的非周期分量使速饱和变流器Tsat的铁芯迅速饱和，励磁阻抗锐减，使得励磁涌流中几乎全部的非周期分量及周期分量电流从速饱和变流器Tsat的一次绕组中通过，这样就使流入电流继电器KA的电流很小，故差动继电器KD就不会动作。

图3-2

（2）采用差动电流速断保护。

利用励磁涌流随时间衰减的特点，借纵联差动保护固有的动作时间，躲开最大的励磁涌流，从而保护的动作电流IOP=（2.5~3）IN，即可躲过励磁涌流的影响。

（3）采用以二次谐波制动原理构成的纵联差动保护装置。

（4）采用鉴别波形间断角原理构成的差动保护

2.电流互感器实际变比与计算变比不同的影响及消除方法

由于电流互感器选用的是定型产品，而定型产品的变比都是标准化的，这就出现电流互感器的计算变比与实际变比不完全相符的问题，以致在主变压器纵联差动回路中产生了不平衡的电流。

为了减少不平衡电流对纵联差动保护的影响，一般采用纵联差动继电器的平衡线圈予以补偿。

如图3-3所示。

图3-3

图3-3为磁势平衡法接线图，通过选择两侧的平衡绕组Wa1、Wa2，并使之满足关系

I1（Wa+Wa1）=I2（Wa+Wa2）（3-2）

式中Wa——差动绕组；

Wa1、Wa2——平衡绕组。

如果满足式（1-2），则纵联差动继电器铁芯的磁化力为零，从而补偿了不平衡电流。

而实际上，差动继电器的平衡线圈只有整数匝可供选择，因而其铁芯的磁化力不会等于零，即仍有不平衡电流，这可以通过整定计算中引入相对误差系数加以解决。

3.1.4主变压器纵联差动保护电路回路的接线特点

在电力系统中，双绕组主变压器通常采用Yd11的接线方式，如图3-4所示。

因此，d侧电流比Y侧电流超前30o。

按照纵联差动保护的构成原理，在主变压器正常运行或外部故障的情况下，必须保证流入纵联差动继电器的电流接近于零，即在电流回路接线上必须保证iA和ia之间的相位相差180o。

为此，两侧电流互感器应采取相应的接线方式，即变压器Y侧的电流互感器采用Yd5接线；而变压器d侧的电流互感器采用Yy12接线。

对Yd11接线的主变压器，当两侧的电流互感器采用上述接线方式后，即可认为已消除了由于相位差的影响而出现的不平衡电流。

同时也可以认为能够避免由于电流回路接线不当而引起的保护误动作。

图3-4

3.1.5主变压器纵联差动保护动作跳闸的原因及处理措施

在我们把纵联差动保护电路安装在主变压器中后，纵联差动保护动作有时候也会出现跳闸，具体原因有下：

（1）主变压器及其套管引出线发生短路故障；

（2）纵连差动保护二次线发生故障；

（3）电流互感器短路或开路；

（4）主变压器内部故障。

主变压器纵联差动保护动作跳闸的处理措施：

（1）检查主变压器外部套管及引线有无故障痕迹和异常现象；

（2）如

（1）无异常，则考虑是否有直流两点接地故障。

如果有，则应及时消除短路点，然后对主变压器重新送电；

（3）如

（2）无异常，但是出口中间继电器的线圈两端有电压，同时差动继电器接点均已返回，则可能是纵联