变压器主保护与后备保护知识全解 附高阻抗变压器后备保护问题的探讨+配电变压器保护探讨.docx

变压器是连续运行的静止设备，运行比较可靠，故障机会较少。但由于绝大部分变压器安装在户外，并且受到运行时承受负荷的影响以及电力系统短路故障的影响，在运行过程中不可避免的出现各类故障和异常情况。1、变压器的常见故障和异常变压器的故障可分为内部故障和外部故障。内部故障指的是箱壳内部发生的故障，有绕组的相间短路故障、一相绕组的匝间短路故障、绕组与铁芯间的短路故障、绕组的断线故障等。外部故障指的是变压器外部引出线间的各种相间短路故障、引出线绝缘套管闪络通过箱壳发生的单相接地故障。变压器发生故障危害很大。特别是发生内部故障时，短路电流所产生的高温电弧不仅会烧坏变压器绕组的绝缘和铁芯，而且会使变压器油受热分解产生大量气体，引起变压器外壳变形甚至爆炸。因此变压器故障时必须将其切除。变压器的异常情况主要有过负荷、油面降低、外部短路引起的过电流，运行中的变压器油温过高、绕组温度过高、变压器压力过高、以及冷却系统故障等。当变压器处于异常运行状态时，应给出告警信号。2、变压器保护的配置短路故障的主保护：主要有纵差保护、重瓦斯保护等。短路故障的后备保护：主要有复合电压闭锁过流保护、零序(方向)过流保护、低阻抗保护等。异常运行保护：主要有过负荷保护、过励磁保护、轻瓦斯保护、中性点间隙保护、温度油位及冷却系统故障保护等。3、非电量保护利用变压器的油、气、温度等非电气量构成的变压器保护称为非电量保护。主要有瓦斯保护、压力保护、温度保护、油位保护及冷却器全停保护。非电量保护根据现场需要动作于跳闸或发信。(1)瓦斯保护当变压器内部发生故障时，由于短路电流和短路点电弧的作用，变压器内部会产生大量气体，同时变压器油流速度加快，利用气体和油流来实现的保护称为瓦斯保护。轻瓦斯保护：当变压器内部发生轻微故障或异常时，故障点局部过热，引起部分油膨胀，油内气体形成气泡进入气体继电器，轻瓦斯保护动作，发出轻瓦斯信号。重瓦斯保护：当变压器油箱内发生严重故障时，故障电流较大，电弧使变压器油大量分解，产生大量气体和油流，冲击档板使重瓦斯继保护动作，发出重瓦斯信号并出口跳闸，切除变压器。重瓦斯保护是油箱内部故障的主保护，他能反映变压器内部的各种故障。当变压器发生少数匝间短路，虽然故障电流很大，但在差动保护中产生的差流可能并不大，差动保护可能拒动。因此对于变压器内部故障，需要依靠重瓦斯保护切除故障。(2)压力保护压力保护也是变压器油箱内部故障的主保护。含压力释放和压力突变保护，用于反应变压器油的压力。(3)温度及油位保护当变压器温度升高达到预警值，温度保护发出告警信号，并投入起动备用冷却器。当变压器漏油或由于其他原因使得油位降低是，油位保护动作，发出告警信号。（4）冷却器全停保护当运行中的变压器冷却器全停时，变压器温度会升高，若不及时处理，可能会导致变压器绕组绝缘损坏。因此在变压器运行中冷却器全停时，该保护发出告警信号并经长延时切除变压器。4、差动保护变压器差动保护是变压器电气量的主保护，其保护范围是各侧电流互感器所包围的部分。在这范围内发生的绕组相间短路、匝间短路等故障时，差动保护均要动作。关于变压器差动保护的原理，之前我们之前已经进行了详细的讨论，需要的朋友可以在历史记录6、7、8期中回看相关内容。对此就不做赘述了，这里再简单补充一些关于励磁涌流的概念。（1）变压器的励磁涌流空投变压器时产生的励磁电流称作励磁涌流。励磁涌流的大小与变压器的结构、合闸角、容量、合闸前剩磁等因素有关。测量表明：空投变压器时由于铁芯饱和励磁涌流很大，通常为额定电流的26倍，最大可达8倍以上。由于励磁涌流只在充电侧流入变压器，因此会在差动回路中产生很大的差流，导致差动保护误动作。励磁涌流具有以下特点：a涌流数值很大，含有明显的非周期分量；b、波形呈尖顶状，且是间断的；c、含有明显的高次谐波分量，尤其二次谐波分量最为明显；d、励磁涌流是衰减的。根据励磁涌流的以上特点，为防止励磁涌流造成变压器差动保护误动，工程中利用：二次谐波含量高、波形不对称、波形间断角大这三种原理来实现差动保护的闭锁。（2）二次谐波制动原理二次谐波制动的实质是：利用差流中的二次谐波分量，来判断差流是故障电流还是励磁涌流。当二次谐波分量与基波分量的百分比大于某一数值（通常为20%）时，判断差流是由于励磁涌流引起的，闭锁差动保护。因此二次谐波制动比越大，允许基波中包含的二次谐波电流越多，制动效果也就越差。（3）差动速断保护当变压器内部出现严重故障，故障电流较大导致CT饱和时，CT二次电流中也含有大量的谐波分量，根据上面的叙述，这就很可能会由于二次谐波制动导致差动保护闭锁或延缓动作。这将严重损坏变压器。为了解决这个问题，通常会设置差动速断保护。差动速断元件，实际上是纵差保护的高定值差动元件。与一般差动元件不同的是，它反映的是差流的有效值。不管差流的波形如何、含有谐波分量的大小如何，只要差流有效值超过了差动速断的整定值（通常比差动保护整定值要高），它将立即动作切除变压器，不经过励磁涌流等判据的闭锁。关于变压器的主保护简单介绍这些，继续介绍一下变压器的后备保护。变压器的后备保护配置种类很多，这里主要简单介绍一下变压器的复压闭锁过流保护和接地保护两类后备保护。1、复压闭锁过流保护复压闭锁过流保护是大、中型变压器相间短路故障的后备保护。适用于升压变压器、系统联络变压器及过流保护不能满足灵敏度要求的降压变压器。利用负序电压和低电压构成的复合电压能够反映保护范围内的各种故障，降低了过电流保护的整定值，提高了灵敏度。复合电压过流保护，由复合电压元件、过流元件、时间元件构成。保护的接入电流为变压器本侧CT二次三相电流，接入电压为变压器本侧或其他侧PT二次三相电压。对于微机保护，可以通过软件将本侧电压提供给其他侧使用，这样就保证了任意某侧PT检修时，仍能使用复压过流保护。动作逻辑如下图所示。2、变压器的接地保护大中型变压器的接地短路故障的后备保护通常有：零序过流保护、零序过电压保护、间隙保护等等，下面根据中性点三种不同的接地方式进行简单介绍。(1)中性点直接接地电压为HOkV及以上中性点直接接地的变压器，在大电流接地系统侧应设置反应接地故障的零序电流保护。在高、中两侧均直接接地的变压器，其零序电流保护应带方向，方向宜指向各侧母线。零序电流保护的原理与线路的零序保护类似，可参考第30期。零序电流可取自中性点CT二次电流，也可由本侧CT二次三相电流自产。方向元件接入的零序电压可取自本侧PT开口三角电压，也可由本侧二次三相电压自产。在微机保护装置中，主要采取自产方式。对于大型三绕组变压器,零序电流保护可采用三段式。其中I段Il段带方向，III段不带方向。每段一般有两级延时，以较短延时缩小故障范围(跳母联或条本侧开关)，以较长延时切除变压器(跳三侧开关)。具体保护配置根据实际情况确定。如图，零序方向电流保护I段或II段动作后，先经较短延时H或t3跳母联或跳本侧开关，以缩小故障影响范围，若故障量仍在，再经过较长延时t2或t4跳三侧开关切除变压器。I段不带方向，直接经延时切除变压器。(2)中性点不接地方式零序电流通过变压器中性点构成零序回路。但如果所有变压器中性点都接地，那么接地点的短路电流就分流到了各个变压器上，这样会造成零序过流保护灵敏度降低。所以为了将零序电流限制在一定的范围内，对中性点接地运行的变压器数量是有规定的。对于不接地运行的变压器，为了防止接地故障时，故障点出现间隙电弧引起过电压损坏变压器，应配置零序电压保护。全绝缘变压器由于其中性点绝缘水平较高，当系统发生接地故障时，先有零序电流保护切除中性点接地的变压器，如果故障仍然存在，再有零序电压保护切除中性点不接地的变压器。(3)中性点经放电间隙接地超高压变压器均系半绝缘变压器，其中性点线圈的对地绝缘比其他部位弱。中性点绝缘容易被击穿。因此需要配置间隙保护。间隙保护的作用就是保护中性点不接地变压器中性点的绝缘安全。如图在变压器中性点对地之间安装一个击穿间隙。当接地隔离开关闭合，变压器直接接地，投入零序过流保护。当接地隔离开关断开时.，变压器经间隙接地,投入间隙保护。间隙保护使用流过变压器中性点的间隙电流310和母线PT开口三角电压3U0作为判据来实现的。若因故障中性点对地点为升高，间隙击穿，产生较大间隙电流310,此时间隙保护动作，经延时切除变压器。另外，系统发生接地故障时，中性点接地运行变压器零序保护动作，先切除中性点接地的变压器。系统失去接地点后，如果故障仍存在，母线PT的开口三角电压3U0将会很大，此时间隙保护也会动作。保护逻辑如下图所示。变压器主保护与后备保护的原理及范围主保护是指在被保护元件整个保护范围内发生故障都能以最短的时间切除，并保证系统中其它非故障部分继续运行的保护。后备保护是指主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护。当回路发生故障时，回路上的保护将在瞬间发出信号断开回路的开断元件（如断路器），这个立即动作的保护就是主保护。当主保护因为各种原因没有动作，在延时很短时间后（延时时间根据各回路的要求），另一个保护将启动并动作，将故障回路跳开,这个保护就是后备保护。下面以变压器的后备保护为例详细介绍后备保护的原理、保护范围等。当此回路很重要时，后备保护可以与主保护装设在同一个回路上，也就是一个回路有多套保护，以确保回路的安全运行。但是一般都是将此回路的上一级保护作为本回路的后备保护：当配电盘中的一个回路故障、而主保护没有动作，那么配电盘上一级的电源断路器将延时后动作，这就是该回路的后备保护。但是这种保护方式将引起停电事故扩大化，使得更多的回路停电。当回路发生故障时，回路上的保护将在瞬间发出信号断开回路的开断元件（如断路器），这个立即动作的保护就是主保护。当主保护因为各种原因没有动作，在延时很短时间后（延时时间根据各回路的要求），另一个保护将启动并动作，将故障回路跳开。这个保护就是后备保护。主保护反应变压器内部故障，后备保护反应变压器外部故障。保护范围主要是变压器外部线路。电力变压器应装设外部接地、相间短路引起的过电流保护及中性点过电压保护装置，以作为相邻元件及变压器内部故障的后备保护。变压器的后备保护是其主保护的备用保护，当主保护失灵时，后备保护动作，以保证设备和人身安全。其保护范围为变压器和供电回路及回路上的负荷设备。后备保护是指阻抗保护、低电压过流保护、复合电压过流保护、过流保护，它们都能反应变压器的过流状态,但它们的灵敏度不一样，阻抗保护的灵敏度高,过流保护的灵敏度低。高阻抗变压器后备保护问题的探讨图2低压侧复压和电流保护框图摘要：为提高电网运行的安全可靠性，文章对高阻抗变压器后备保护问题进行了深入探讨，具有一定的实用价值。关键词：高阻抗；变压器；后备保护问题引言最近几年来，我国开始全面推行超高压电网和特高压电网，这对电网容量提出了更高的要求。就目前电网发展现状而言，时常会因为大型变压器低压侧的后备保护灵敏度欠缺以及反应时间较慢等原因引起变压器的损坏。为了有效应对此现象，国内外专家学者都将目光聚焦在了高阻抗变压器的后备保护问题上，本文也将对此进行深入分析。1高阻抗变压器保护系统图1反映了220kV变电站变压器最常见的一次接线方式。通常情况下，为了尽可能降低因为低压侧发生故障所产生的短路电流，对于普通变压器一般会在其低压位置配置有限流电抗器。然而尽管如此，若是在限流电抗器与变压器低压绕组之间产生了问题，则也容易引起很大的短路电流，这会造成变压器绕组受到短路电流的直接冲击。就图1中1#主变进行分析，如果在电抗器与低压侧CT3之间出现了故障，并且，一般情况下位于高压侧的过流保护的灵敏度无法满足实际需求，那么就必须设置后备保护。通常情况下会选取专用电抗器作为复压过流保护，其中，保护电流由限流电抗器前的CT4决定，而电压则由低压侧的母线电压决定。较普通三绕组变压器而言，高阻抗变压器具有更高的变压器高-低组的短路阻抗，即使电路的低压侧有故障出现也不会形成很大的短路电流，更不会因为电流冲击造成变压器的损坏。所以，从节约空间与降低成本的角度考虑，完全可以将为限制短路电流而单独设置的限流电抗器撤销掉，从而缩小变电站的占地面积，同时减少变电站建设所需要的费用。另外，对于高阻抗变压器，除了与普通变压器一样安装后备保护以外，其低压侧故障灵敏度的提高还能够通过低压侧复压与电流保护来实现。同样就图1中1#主变进行分析，高阻抗变压器的使用可以使得，在变压器低压侧外部故障低压侧CT3严重饱和的时候变压器也会因为保护作用而不被破坏。图1中保护的过流元件低压侧的电流由高压侧CTl与中压侧CT2电流的矢量相加决定，结合图1研究可以得到，即便是在电路低压侧区内发生了故障或者是在电路低压侧外部出现故障使得低压侧CT3严重饱和的情况下，低压侧的电流依旧可以通过高压侧CTl与中压侧CT2的电流计算得到。而对于低压侧复压和电流保护的复压元件而言，其电压值主要取决于低压侧母线的电压。2复压和电流保护原理过流元件与复合电压元件共同构成了复压与电流保护。但是，对于过流元件还需要注意的是，应当充分考虑到变压器空投或是发生区外故障切除时所产生的励磁涌流问题以及高压侧与中压侧的CT断线问题。对于过流元件还需要注意的是，应当充分考虑到在低压侧电压压板发生退出现象时或者是在低压侧发生PT断线时对保护所造成的影响。图2给出了低压侧复压和电流保护的逻辑框图。2.1 过流元件变压器高压侧及中压侧的CT二次均选择星形接线的方式，以指向变压器的方向作为电流的正方向。其中，二次电流可以直接接入保护装置。因为当电压等级为IlOkV及以上时，一般是大电流接地系统。在该系统出现接地故障现象，并且变压器中性点又与地相接的时候，在变压器的中性点就会有零序电流流出。这种情况下，在进行低压侧电流计算的时候应当首先将高压侧与中压侧电流中的零序电流消除掉，否则计算得到电流不能反映实际电流的情况，甚至有可能使得复压和电流在区外接地发生故障时产生误动。2.2 复合电压元件由于电路低压侧的复压与电流保护过流定值按躲低压侧额定电流进行整定，并且其定值通常较低。在启动低压侧电动机的时候很容易引起过流元件的误动作，所以有必要增加复合电压元件通过闭锁进行保护。需要说明的是，复合电压元件的构成包括了负序电压与低电压两大部分，其中，负序电压主要是用于反映系统的不对称故障，而低电压则主要用于反映系统的对称故障。2.3 励磁涌流问题对于大型变压器而言，在其电路中产生的励磁涌流通常衰减速度偏慢。因此,当变压器空投或者是在其区外发生故障切除的时候，励磁涌流问题极容易引起低压侧复压与电流保护的误动作。基于以上原因，有必要利用励磁涌流闭锁进行保护。其中，励磁涌流可以由电流中的二次谐波含量进行判断和识别。2.4 高压侧和中压侧的CT断线问题如果高压侧或是中压侧在重负荷的情况下出现了CT断线现象，那么按照高压侧电流与中压侧电流计算得到的和电流极有可能超出低压侧复压和电流的保护定值。所以，非常有必要将高压侧和中压侧CT断线所造成的影响纳入考虑范围，以保证在高压侧或是中压侧出现CT断线现象时可以进行闭锁保护。3高阻抗变压器后备保护优化方案为了提高整个设备运行的可靠性与安全性，可以通过配置双重化主、后备保护的方法形成主保护护卫备用。并且，还可以对变压器主保护进行加强设计，在主保护上适当安装差动速断保护、瓦斯保护、比例差动保护、工频变化量比例差动保护以及零序比例差动保护等。除此之外，为了避免出现外部短路时间过长以及短路电流烧毁变压器的现象，还应当对过流保护与阻抗保护作变压器内部故障的后备保护作用进行淡化处理，使其成为中、低压侧母线以及馈线的后备保护。4结束语在电路系统中有效、合理使用高阻抗变压器的过程中必须注意复压过流保护和阻抗保护，以保证整个电路的运行安全。参考文献1王维俭.主设备后备阻抗保护反应绕组短路的灵敏度分析J.电力自动化备,2003,23(9)：1-4.2朱声石.高压电网继电保护原理与技术(第三版)M.北京：中国电力出版社，2005.配电变压器保护探讨摘要：电力在我国的能源构成中占有十分重要的比例，对于整个国民经济的发展发挥着是否重要的作用，是整个国民经济以及人们日常生活中必不可少的资源。这就需要确保供电的稳定。在配电系统中变压器的应用必不可少，是整个配电系统的重要组成部分。本文就配电变压器保护优化装置进行探讨，提出了合理的保护方案，以此来提高配电变压器保护动作的可靠性。关键词：配电变压器；故障；解决措施变压器是配电网的主要设备，应用面广量大，其安全运行直接影响整个系统的可靠性。目前，配电变压器保护配置方面还存在许多问题，其中配电变压器与保护不匹配或存在动作死区，造成越级跳闸、拒动导致的事故相当多，因此，加强配电变压器保护优化配置，合理逗择保护方案，可以提高配电变压器保护动作可靠性。1 .在环网供电单元时的情况1.1 环网供电单元的接线形式环网供电单元由间隔组成，一般至少有3个间隔，包括2个环缆进出间隔和1个变压器回路间隔。1.2 环网供电单元保护方式的配置环缆馈线与变压器馈线间隔均采用负荷开关，通常为具有接通、隔断和接地功能的三工位负荷开关。变压器馈线间隔还增加高遮断容量后备式限流熔断器来提供保护。实际运行证明，这是一种简单、可靠而又经济的配电方式。1.3 环网供电单元保护配置的比较负荷开关用于分合额定负荷电流，具有结构简单、价格便宜等特点，但不能开断短路电流,增加高遮断容量后备式限流熔断器为保护元件，可开断短路电流,将两者结合起来，可满足配电系统各种正常和故障运行方式下操作保护的要求。断路器兼具操作和保护两种功能，但其结构复杂，造价昂贵，大量使用不现实。环网柜中大量使用负荷开关加熔断器组合装置，把操作与保护功能分别由两种简单、便宜的元件来实现，即用负荷开关来完成大量发生的负荷合分操作，而采用高遮断容量后备式限流熔断器对极少发生短路的设备起保护作用，既可避免使用操作复杂、价格昂贵的断路器，又可满足实际运行的需要。综上所述可以看出：断路器具备所有保护功能与操作功能，但价格昂贵。负荷开关与断路器性能基本相同，但它不能开断短路电流。负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合，可断开短路电流，部分熔断器的分断容量比断路器还高,因此，使用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合不比断路器效果差，可费用却可以大大降低。2 .负荷开关加高遮断容量后备式熔断器组合的优点2.1 开合空载变压器的性能好环网柜的负荷种类，绝大部分为配电变压器，一般容量不大于125OkVA,极少情况达1600kVA,配电变压器空载电流一般为额定电流的2%左右，环网柜开合空载变压器小电流时，性能良好，不会产生较高过电压。2.2 有效保护配电变压器特别是对于油浸变压器，采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器比采用断路器更为有效，有时后者甚至并不能起到有效的保护作用。当油浸变压器发生短路故障时，电弧产生的压力升高和油气化形成的气泡会占据油箱的空间，将压力传给变压器油箱体，随短路状态的继续，压力进一步上升，致使油箱体变形和开裂。为了不破坏油箱体，必须在20ms内切除故障。如采用断路器，因有继电保护再加上自身动作时间和熄弧时间，其全开断时间一般不会少于60ms,不能有效地保护变压器。而高遮断容量后备式限流熔断器具有速断功能，且具有限流作用，可在IomS之内切除故障并限制短路电流，能够有效地保护变压器。2.3 没有必要在环网柜中采用断路器因为环网配电网络的首端断路器（即IlOkV或220kV变电站的IOkV馈出线断路器）的保护设置速断保护的时间为0s,若环网柜中采用断路器，即使整定时间0s,由于断路器固有动作时间分散，也很难保证是环网柜中的断路器而不是上一级断路器首先动作。2.4 高遮断容量后备式限流熔断器可对其后所接设备熔断器的保护范围在最小熔化电流（通常为熔断器额定电流的23倍）到最大开断容量之间。限流熔断器的电流-时间特性一般为陡峭的反时限曲线，短路发生后，可在很短的时间内熔断，切除故障。如果采用断路器作保护，将使其它电器如电缆、电流互感器、变压器套管等元件的热稳定要求大幅度提高，加大了电器设备的造价，增大工程费用。在这里，有必要指出在采用负荷开关加高遮断容量后备式熔断器组合时，两者之间要很好地配合，当熔断器非三相熔断时，熔断器的撞针要使负荷开关立即联跳，防止缺相运行。3 .终端用户高压室时的情况GB14285-1993继电保护和安全自动装置技术规程中规定：选择配电变压器的保护开关设备时，当容量等于或大于800kVA,应选用带继电保护装置的断路器。对于这个规定，可以理解为基于以下两方面的需要：一方面配电变压器容量达到80OkVA及以上时，过去多数使用油浸变压器配备有瓦斯继电器，使用断路器可与瓦斯继电器相配合，从而对变压器进行有效地保护；另一方面对于装置容量大于800kVA的用户，因种种原因引起单相接地故障导致零序保护动作，从而使断路器跳闸、分隔，不至于引起主变电站的馈线断路器动作，影响其他用户的正常供电。此外标准还明确规定，即使单台变压器未达到此容量，但如果用户的配电变压器的总容量达到80OkVA时，亦要符合此要求。标准GB142851993继电保护和安全自动装置技术规程规定，选择配电变压器的保护开关设备时，当容量等于或大于800kVA,应选用带继电保护装置的断路器。对于这个规定，可以理解为基于以下两方面的需要：配电变压器容量达到80OkVA及以上时，过去多数使用油浸变压器，并配备有瓦斯继电器，使用断路器可与瓦斯继电器相配合，从而对变压器进行有效地保护。对于装置容量大于80OkVA的用户，因种种原因引起单相接地故障导致零序保护动作，从而使断路器跳闸，分隔故障，不至于引起主变电站的馈线断路器动作，影响其他用户的正常供电。此外，标准还明确规定，即使单台变压器未达到此容量，但如果用户的配电变压器的总容量达到80OkVA时，亦要符合此要求。4 .结束语IOkV配电变压器的保护配置主要有断路器、负荷开关或负荷开关加熔断器,综合技术-经济性能和运行管理因素，无论在10kV环网供电单元还是在终端用户高压配电单元中，采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合的保护配置，既可提供额定负荷电流，又可断开短路电流，并具备开合空载变压器的性能,能有效保护配电变压器，为此，推荐采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合的配置作为配电变压器保护的保护方式。参考文献：1贺家礼,宋从矩.电力系统继电保护原理M.北京：水利电力出版社，1991.2夏道之，于永源，杨绮雯.电力系统分析M.北京：水利电力出版社，1995.13JGB142851993,继电保护和安全自动装置技术规程S.