电力变压器继电保护的工作原理 - 图文

2、电力变压器继电保护的工作原理 2.1 变压器的故障及不正常运行状态

●故障：油箱内部故障和油箱外部故障。内部故障包括相间短路、单相接地短路、单相绕组部分线匝间发生的匝间短路以及铁心烧损等故障；外部故障指的是绝缘套管及其引出线上发生的相间短路和接地短路故障等。

●不正常运行状态：包括变压器外部短路故障引起的过电流、负荷长时间超过额定容量引起的过负荷、风扇故障或漏油等原因引起冷却能力下降等。

2.2 变压器的纵联差动保护

2.2.1 定义： 差动保护是一种依据被保护电气设备进出线两端电流差值的变化构成的对电气设备的保护装置，一般分为纵联差动保护和横联差动保护。变压器的差动保护属纵联差动保护，横联差动保护则常用于变电所母线等设备的保护。 2.2.2 变压器纵联差动保护的基本原则： 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（纵差保护区为电流互感器TA1、TA2之间的范围）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。

(a)双绕组变压器正常运行时的电流分布 (b)三绕组变压器内部故障时的电流分布

以单相双绕组变压器为例，变压器高、低压侧分别装设电流互感器TA1和TA2并按图中所示极性相连。设变压器变比为nT=U1/U2，nTA1、nTA2分别为两侧电流互感器变比。I1、I2分别为变压器高、低压侧一次电流，正方向设为从母线流向变压器。'、'分别为相应电流互感器二次电流。流入差动继电器

????I1I2的差流为

I?d=I1/nTA1+I2/nTA2='+' (2-1)

????I1I2如图(a)所示极性关系，变压器正常运行或外部故障时，流过变压器两侧电流互感器的一次侧电流大小相等、相位相反，即I1=-I2。为使差动保护可靠不动作，应使差流为零，即

则

??I1?d=I1/nTA1+I2/nTA2=0 (2-2)

TA1??I/n=I2/nTA2

即

nTA2/nTA1=I2/I1=U1/U2=nT (2-3)

式(2-3)是构成变压器纵差动保护的基本原则，变压器纵差动保护两侧的电

流互感器变比配合关系应尽量满足式(2-3)，以减小不平衡电流。

2.2.3 变压器纵差动保护的接线：变压器常采用YNd11的接线方式，正常运行时变压器三角形侧的相电流相位超前星形侧电流30°。由于该电流相位差会使得变压器正常运行或区外故障时，流入差动继电器的差流不为零。因此，必须采用相应的接线 方式以消除二次侧电流相位不同而引起的不平衡电流。

对于YNd11接线变压器的纵联差动保护，将星形侧的在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，这样就可调整流入差动继电器的两侧电流相位，使之同相位, 如下图所示。同时，考虑到星形侧电流互感器二次侧电流由于三角形接线的缘故增大了3倍，为保证正常运行及外部故障时差流为零，应使该侧电流互感器变比增大3倍，即变压器两侧电流互感器变比的选择原则应满足

nnTA2TA13=

nT (2-4)

(a)变压器及其纵差动保护的接线 (b)变压器正常运行时电流互感器一次侧电流矢量图

(c)变压器正常运行时纵差流回路两侧的电流矢量图

2.2.4 纵差动保护不平衡电流产生的原因及减小不平衡电流的主要措施 为保护纵联差动保护的选择性，差动保护的动作电流必须躲开可能出现的最大不平衡电流 。因此，最大不平衡电流越小，则保护的灵敏性就越好。 2.2.4.1 由于实际的电流互感器变比和计算变比不同产生的不平衡电流

●不平衡电流产生的原因。由于电流互感器是按标准变比生产的，变压器变比也是固定的，因此(2-4)式不能得到严格满足。在正常运行或区外故障时，差流Iunb为零。因此而产生的不平衡电流

? 式中 Δ

I?unb=Δ

fInd?1 ， 其中Δ

fTA1d=1—

nnnTA1TA2T

fd为变比差系数。

◆减小由于变比不匹配产生的不平衡电流的主要措施。在传统的纵差保护中，常常用具有速饱和铁心的差动继电器的平衡线圈来消除此差流的影响。如下图：

利用平衡线圈消除不平衡电流

为补偿不平衡电流在差动绕组Wop中产生的磁动势（'-'）Wop，将

??II1?12平衡绕组Wb接入二次电流较小的一侧，只要满足Wb=（'-'）Wop，即

?II2消除了不平衡电流。然而，平衡线圈匝数Wb的选择必须取整数，不能平滑调节。因此即使采用平衡线圈仍要考虑残留的不平衡电流。对于变压器微机纵联差动保护，可由软件实现电流幅值精确的平衡调整。 2.2.4.2 由于改变变压器调压分接头产生的不平衡电流

●不平衡电流产生的原因。变压器带负荷调整分接头，是电力系统中电压调整的一种方法，改变分接头就是改变变压器的变比。整定计算中，差动保护只能按照某一变比整定，选择恰当的平衡线圈减小或消除不平衡电流的影响。当差动保护投入运行后，在调压抽头改变时，一般不可能对差动保护的电流回路重新操作，因此又会出现新的不平衡电流。不平衡电流的大小与调压范围有关。

◆由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流，在变压器差动保护的整定计算中考虑。

2.2.4.3 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励磁电流和饱和特性不同而产生的不平衡电流

●稳态情况下不平衡电流产生的原因。电流互感器二次侧是通过负载而短路的，其负载阻抗主要为传输二次电流的二次电缆，其阻抗主要呈现电阻性。等值

'电路如下图所示。图中I为电流互感器一次侧电流，I为折合到一次侧的二次侧电流，Ie为励磁电流，Z'为折合到一次侧的负荷阻抗。Z'为折合到一侧的

L2???二次总阻抗。

图为折合到一次侧的电流互感器等效电路

变压器两侧电流互感器的励磁特性不会完全相同，其二次侧电流分别为

?I'=-，'=-I1Ie1I2Ie2。在正常运行或保护范围外部故障时I1=-I2，即使

1???????I2电流互感器变比理想化，变压器差动保护中仍有不平衡电流Iunb为

?I?unb='+'=-(Ie1+Ie2)

????I1I2若近似认为两侧电流互感器的励磁电流滞后于各自一次侧电流的相角差一致，可知Iunb实际上是两个电流互感器励磁电流之差。因此，导致励磁电流增加的各种因素，以及两个电流互感器励磁特性的差别，是不平衡电流增大的主要原因。

●暂态过程中不平衡电流产生的原因。由于差动保护是瞬时动作的，因此，还需要进一步考虑在外部短路的暂态过程中，差回路出现的不平衡电流。这时在一次侧短路电流中包含有非周期分量，如下图(a)所示。由于非周期分量对时间的变化率

?di远小于周期分量的变化率，很难变换到二次侧，而大部分成为电流dt互感器的励磁电流。另外，由于互感器绕组中的磁通和电流不能突变，也会产生二次非周期分量。因此，在暂态过程中励磁电流含有大量缓慢衰减的非周期分量，这将使差动保护的不平衡电流大为增加。如下图(b)、(c)、(d)所示。

(a)外部短路电流 (b)电流互感器的励磁电流

(c)电流互感器的励磁电流 (d)差流，即两个励磁电流之差 ◆减小该不平衡电流的措施。

1)保证电流互感器在外部最大短路电流流过是能满足10%误差曲线的要求。 2)减小电流互感器二次回路负载阻抗以降低稳态不平衡电流。常用办法有减小控制电缆的电阻，增大电流互感器变比。

3)可在差流回路中接入具有速饱和特性的中间变流器以降低暂态不平衡电流。如下图所示。

(a)带速饱和中间变流器的差动保护原理接线图

(b)通过周期分量的励磁电流 (c)通过非周期分量的励磁电流 2.2.5 变压器励磁涌流的产生原因、特点及其对策 2.2.5.1 励磁涌流产生的原因及其影响

下图所示为单相变压器示图及其折算到一次侧的等值电路，变压器具有励磁支路，且变压器的励磁电流ie仅流经变压器的某一侧，故该电流通过电流互感器反应到纵差动保护中不能被平衡。因此，变压器的励磁电流是纵差动保护不平衡电流产生原因之一。

(a)单相变压器示意图 (b)折算到一次侧的等值电路 但当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，则可能出现很大的励磁电流（称为励磁涌流）。变压器稳态运行情况下，设绕组端电压为u(t)=Umsin(ω

t+θ)，忽略变压器的漏抗和绕组电阻，设匝数N=1，则用标幺值表示的电压u与磁通Φ之间的关系为u(t)=dΦ/dt,如下图所示：

稳态运行时电压u与磁通Φ的关系

当变压器空载合闸时，电压u与磁通Φ之间的微分方程求解可得 Φ=?u(t)dt=-?mcos(ωt+θ)+C ?m=Um/ω

式中：C为积分常数。由于铁心中的磁通不能突变，设变压器空载投入瞬间(t=0)时铁心的剩磁为?r，则积分常数C=?r+?mcosθ。于是空载合闸时变压器铁心中的磁通为

Φ=-?mcos(ωt+θ)+?mcosθ+?r 式中：第一项-?mcos(ωt+θ)为稳态磁通，

后两项为暂态磁通，若计及变压器损耗，暂态磁通是随时间衰减的； 假设?mcosθ与?r同相，则在空载合闸半个周期后，即令ωt=π，此时铁心磁通Φ=2?mcosθ+?r达到最大值。如下图所示，电压u初相位θ=0°，在电压过零点空载合闸时将产生最大磁通?=2?m+?r，该值远大于变压器的饱和

p磁通?s。如果正好在电压瞬时值最大时合闸就不会出现励磁涌流，只有正常时的励磁电流。

变压器空载合闸时磁通随时间的变化轨迹如下图(a)所示。求得磁通Φ后就可以通过磁化曲线得到相应的励磁电流ie的大小，简化的磁化曲线如下图(b)所示。显然，在铁心未饱和前（Φ?s),励磁电流将急剧增大，幅值最大可达ip，此种励磁电流就称为变压器的励磁涌流，其数值最大可达额定电流的6~8倍，如下图(c)所示。

(a)空载合闸时的磁通变化轨迹 (b)磁化曲线 (c)励磁涌流 2.2.5.2 变压器励磁涌流的特点

1)励磁涌流往往含有大量非周期分量，使涌流波形偏于时间轴的一侧。 2)励磁涌流包含大量高次谐波，且以二次谐波为主。

3)波形出现间断，在一个周期中间断角为?j，由上图可知，铁心饱和度越高，涌流越大，间断角越大。

以上分析都是针对单相变压器励磁涌流分析，三相变压器励磁涌流比单相复杂得多。

1)由于三相电压相位相差120°，无论任何时刻空载投入变压器，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。

2)出现对称性涌流波形。对于YNd11接线的三相变压器，由2.2.3的图(a)所示变压器接线可知，Y侧电流互感器为三角形接线，则引入每相差动保护的电流为两相绕组电流的差值。因此，变压器从Y侧空载合闸时，励磁涌流在差流回路中的电流将是两相绕组励磁涌流的差值，可能形成对称性涌流。

2.2.5.3 防止励磁涌流引起纵联差动保护误动的方法

1)在差流回路中接入具有速饱和特性的中间变流器。 2)二次谐波判别方法。 3)间断角原理识别励磁涌流。

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