主變后備保護原理和保護范圍 一 變壓器的后備保護 當回路發生故障時 回路上的保護將在瞬間發出信號斷開回路的開斷元件 如斷路器 這個立即動作的保護就是主保護 當主保護因為各種原因沒有動作 在延時很短時間后 延時時間根據各回路的要求 另一個保護將啟動并動作 將故障回路跳開 這個保護就是后備保護 主保護反應變壓器內部故障 后備保護反應變壓器外部故障 保護范圍主要是變壓器外部線路 二 變壓器后備保護概述 作用 電力變壓器應裝設外部接地 相間短路引起的過電流保護及中性點過電壓保護裝置 以作為相鄰元件及變壓器內部故障的后備保護 變壓器的后備保護是其主保護的備用保護 當主保護失靈時 后備保護動作 以保證設備和人身安全 其保護范圍為變壓器和供電回路及回路上的負荷設備 后備保護是指阻抗保護 低電壓過流保護 復合電壓過流保護 過流保護 它們都能反應變壓器的過流狀態 但它們的靈敏度不一樣 阻抗保護的靈敏度高 過流保護的靈敏度低 三 后備保護的分類 遠后備保護 當主保護或斷路器拒動時 由相鄰電力設備或線路的保護來實現的后備保護 近后備保護 當主保護拒動時 由本設備或線路的另一套保護來實現后備的保護 當斷路器拒動時 由斷路器失靈保護來實現近后備保護 高后備保護和低后備保護是相對變壓器而言的 變壓器高壓側的后備保護稱為高后備 變壓器低壓側的后備保護稱為低后備 1 后備保護用于在主保護故障拒動情況下 保護變壓器 一般包含 1 高壓側復合電壓啟動的過電流保護 2 低壓側復合電壓啟動的過電流保護 3 防御外部接地短路的零序電流 零序電壓保護 4 防止對稱過負荷的過負荷保護 5 和高壓側母線相聯的保護 高壓側母線差動保護 斷路器失靈保護 6 和低壓側母線相聯的相關保護 低壓側母線差動保護等 變壓器保護裝置的工作流程如圖6 1所示 保護測量變壓器的各參量未超過定值時 保護處于正常狀態 當發生故障時 裝置中各保護根據測量判定故障是否發生在各自的保護范圍內 當變壓器內部故障時 縱差保護動作跳閘 若故障點在油箱內 氣體保護能以較高的靈敏度動作于跳閘 無論是內部故障還是外部故障 變壓器相間后備保護均應啟動 若為接地故障 零序保護作為接地故障的后備保護也同時啟動 在后備保護動作延時內 故障若消失 后備保護返回到正常工作狀態 若故障仍存在 則動作于跳閘 將變壓器從電網中切除 此外 當變壓器出現過負荷等異常工作狀態時 相應的保護動作發出信號 四 相間短路的后備保護 變壓器的主保護通常采用差動保護和瓦斯保護 除了主保護外 變壓器還應裝設相間短路和接地短路的后備保護 后備保護的作用是為了防止由外部故障引起的變壓器繞組過電流 并作為相鄰元件 母線或線路 保護的后備以及在可能的條件下作為變壓器內部故障時主保護的后備 變壓器的相間短路后備保護通常采用過電流保護 低電壓起動的過電流保護 復合電壓起動的過電流保護以負序過電流保護等 也有采用阻抗保護作為后備保護的情況 1 過電流保護過電流保護裝置的原理接線如圖5 18所示 其工作原理與線路定時限過電流保護相同 保護動作后 跳開變壓器兩側的斷路器 保護的起動電流按照過變壓器可能出現的最大負荷電流來整定 即 式中Krel 可靠系數 取1 2 1 3 Kr 返回系數 取0 8 0 95 IL max 變壓器可能出現的最大負荷電流 IL max可按以下情況考慮 并取最大值 1 對并列運行的變壓器 應考慮切除一臺最大容量的變壓器時 在其他變壓器中出現的過負荷 當各臺變壓器容量相同時 計算式為式中n 并列運行變壓器的可能最少臺數IN 每臺變壓器的額定電流 2 對降壓變壓器 應考慮電動機自起動時的最大電流 計算式為其中I L max 正常工作時的最大負荷電流 一般為變壓器的額定電流 Kast 綜合負荷的自起動系數 對于110KV的降壓變電所 低壓6 10KV側取Kast 1 5 2 5 中壓35KV側取Kast 1 5 2 3 過電流保護的使用條件 宜用于降壓變壓器 安裝地點 電源側 2 低電壓起動時的過電流保護 過電流保護按躲過可能出現的最大負荷電流整定 起動電流比較大 對于升壓變壓器或容量較大的降壓變 靈敏度往往不能滿足要求 為此可以采用低電壓起動的過電流保護 保護原理接線如圖5 19所示 只有在電流元件和電壓元件同時動作后 才能起動時間繼電器 經過預定的延時后動作于跳閘 由于電壓互感器回路發生斷線時 低電壓繼電器將誤動作 因此在實際裝置中還需配置電壓回路斷線閉鎖功能 采用低電壓繼電器后 電流繼電器的整定值就可以不再考慮并聯運行變壓器切除或電動機自起動時可能出現的最大負荷 而是按大于變壓器的額定電流整定 即低電壓繼電器的動作電壓按以下條件整定 并取最小值 1 按躲過正常運行時可能出現的最低工作電壓整定 計算式為式中UW max 最低工作電壓 一般取0 9UN UN為變壓器的額定電壓 Krel 可靠系數 取1 1 1 2 Kr 低電壓繼電器的返回系數 取1 15 1 25 2 按躲過電動機自起動時的電壓整定 當低壓繼電器由變壓器低壓側互感器供電時 計算式為Uset 0 5 0 6 UN當低電壓繼電器由變壓器高壓側互感器供電時 計算式為Uset 0 7UN 3 復合電壓起動的過電流保護 這種保護是低電壓起動過電流保護的一個發展 其原理接線如圖5 20所示 它將原來的三個低電壓繼電器改由一個負序過電壓繼電器KV2 電壓繼電器接于負序電壓濾過器上 和一個接于線電壓上的低電壓繼電器KV1組成 由于發生各種不對稱故障時 都能出現負序電壓 故負序過電壓繼電器KV2作為不對稱故障的電壓保護 而低電壓繼電器KV1則作為三相短路故障時的電壓保護 過電流繼電器和低電壓繼電器的整定原則與低電壓起動過電流保護相同 負序過電壓繼電器的動作電壓按躲過正常動行時的負序濾過器出現的最大不平衡電壓來整定 通常取U2 set 0 06 0 12 UN由此可見 復合電壓起動過電流保護在不對稱故障時電壓繼電器的靈敏度高 并且接線比較簡單 因此應用比較廣泛 復合電壓啟動過流保護的優點 1 由于負序電壓繼電器的整定值小 因此在不對稱短路時 電壓元件的靈敏系數高 2 當經過變壓器后發生不對稱短路時 電壓元件的工作情況與變壓器所采用的接線方式無關 3 在三相短路時 保護裝置的工作情況就相當于一個低電壓啟動的過電流保護 4 低阻抗保護當電流 電壓保護不能滿足靈敏度要求或根據網絡保護間配合的要求 發電機和變壓器的相間故障后備保護可采用阻抗保護 阻抗保護通常用于330KV 500KV大型升壓及降壓變壓器 作為變壓器引線 母線 相鄰線路相間故障后備保護 后備低阻抗保護對發電機定子繞組和變壓器高 低壓繞組內部短路的后備保護作用問題 發電機三相定子繞組內部發生相間短路或匝間短路時 縱然故障點電流很大 機端三相電流有可能并不大 機端二相電壓也可能并不顯著降低 因此裝在發電機機端的阻抗保護反應就很靈敏 所以阻抗保護不能勝任變壓器或發電機繞組內部短路的后備保護作用 只能作為發電機或變壓器引線 母線和相鄰線路的相間短路后備保護 5 負序電流和單相式低壓過電流保護 對于大容量的發電機變壓器組 由于額定電流大 電流元件往往不能滿足遠后備靈敏度的要求 可采用負序電流保護 負序電流元件和反應對稱短路故障的單相式低壓過電流保護組成 負序電流保護靈敏度較高 且在星 三角接線的變壓器另一側發生不對稱短路故障時 靈敏度不受影響 接線也較簡單 6 變壓器的過負荷保護 過負荷保護反應變壓器對稱過負荷引起的過電流 保護用一個電流繼電器接于一相電流 經延時動作于信號 過負荷保護的安裝側 應根據保護能反應變壓器各側繞組可能過負荷情況來選擇 1 對雙繞組升壓變壓器 裝于發電機電壓側 2 對一側無電源的三繞組升壓變壓器 裝于發電機電壓側和無電源側 3 對三側有電源的三繞組升壓變壓器 三側均應裝設 4 對于雙繞組降壓變壓器 裝于高壓側 5 僅一側電源的三繞組降壓變壓器 若三側的容量相等 只裝于電源側 若三側的容量不等 則裝于電源側及容量較小側 6 對兩側有電源的三繞組降壓變壓器 三側均應裝設 相間短路后備保護方向設置 1 三側有電源的三繞組升壓變壓器 相間故障后備保護為了滿足選擇性要求 在高壓側或中壓側要加功率方向元件 其方向可指向該側母線 方向元件的設置 有利于加速跳開小電源側的斷路器 避免小系統影響大系統 2 高壓及中壓側有電源或三側均有電源的三繞組降壓變壓器和聯絡變壓器 相間故障后備保護為了滿足選擇性要求 在高壓或中壓側要加功率方向元件 其方向宜指向變壓器 3 反應相間故障的功率方向繼電器 通常由兩只功率方向繼電器構成 接入功率方向繼電器的電流和電壓應按90接線的要求 為了消除三相短路時功率方向繼電器的死區 功率方向繼電器的電壓回路可由另一側電壓互感器供電 五 接地短路的后備保護 電力系統中 接地故障常常是故障的主要形式 因此 大電流接地系統中的變壓器 一般要求在變壓器上裝設接地 零序 保護 作為變壓器本身主保護的后備保護和相鄰元件接地短路的后備保護 1 變電所單臺變壓器的零序電流保護 中性點直接接地運行的變壓器毫無例外都采用零序過電流保護作為變壓器接地后備保護 零序過電流保護通常采用兩段式 零序I段與相鄰元件零序電流保護I段相配合 零序電流保護II段保護與相鄰元件零序電流保護后備段相配合 與三繞組變壓器相間后備保護類似 零序電流保護在配置上要考慮縮小故障影響范圍的問題 根據需要 每段零序電流保護可設兩個時限 并以較短的時限動作于縮小故障影響范圍 以較長的時限斷開變壓器各側斷路器 圖5 22所示是雙繞組變壓器零序過電流保護的系統接線和邏輯 零序電流取自變壓器中性點電流互感器的二次側 由于是雙母線運行 在另一側母線故障時 零序電流保護應該斷開母聯斷路器QF 使變壓器能夠繼續運行 所以零序電流保護I段和II段均采用兩個時限 短時限t1 t3 跳開母聯斷路器QF 長時限t2 t4跳開變壓器兩側斷路器 2 多臺變壓器并聯運行時的接地后備保護 對于多臺變壓器并聯運行的變電所 通常采用一部分變壓器中性點接地運行 而另一部分變壓器中性點不接地運行的方式 這樣可以將接地故障電流水平限制在合理范圍內 同時也使整個電力系統零序電流的大小和分布情況盡量不受運行方式的變化 提高系統零序電流保護的靈敏度 如圖5 23所示 T2和T3中性點接地運行 T1中性點不接地運行 K2點發生單相接地故障時 T2和T3由零序電流保護動作而被切除 T1由于無零序電流 仍將帶故障運行 此時由于接地中性點失去 變成了中性點不接地系統單相接地故障的情況 將產生接近額定相電壓的零序電壓 危及變壓器和其它電力設備的絕緣 因此需要裝設中性點不接地運行方式下的接地保護將T1切除 中性點有兩種運行方式的變壓器 需要裝設零序過電流保護 用于中性點接地運行方式 零序過電壓保護 用于中性點不接為地運行方式 原則 對于分級絕緣變壓器應先切除中性點不接地運行的變壓器 后切除中性點接地運行的變壓器 對于全絕緣變壓器應先切除中性點接地運行的變壓器 后切除中性點不接地運行的變壓器 后備保護保護配置 1 中性點直接接地運行 配置三段式零序過電流保護 2 中性點可能接地或不接地運行 配置一段兩時限零序無流閉鎖零序過電壓保護 3 中性點經放電間隙接地運行 配置一段兩時限式間隙零序過電流保護 對于雙圈變壓器 后備保護可以只配置一套 裝于降壓變的高壓側 或升壓變的低壓側 三繞組變壓器 后備保護可以配置兩套 一套裝于高壓側作為變壓器的后備保護 另一套裝于中壓側或低壓的電源側 作相鄰后備 六 后備保護的保護范圍 1 220kV復壓方向過流保護 方向指向變壓器 做為變壓器 各中低壓母線及出線的相間故障的后備保護 中低壓側無電源 可不用方向 2 110kV復壓方向過流保護 一般方向指向變壓器 在110kV有電源時 做為變壓器的后備保護 我們現在往往110kV是開環運行的 一般不存在電源 有些地方將方向元件退出和 110kV復壓過流保護 相同應用 多一套保護而矣 作為110KV母線及各110kV出線的相間故障的后備保護 3 35kV復壓過流I段保護 作為35KV母線及各35kV出線的相間故障的后備保護 定值較高 時間和線路速斷配合 一般只考慮保證35KV母線故障有靈敏度 4 220kV復壓過流保護 做為變壓器 各中低壓母線及出線的相間故障的后備保護5 110kV復壓過流保護 作為110KV母線及各110kV出線的相間故障的后備保護 6 35kV復壓過流II段保護 作為35KV母線及各35kV出線的相間故障的后備保護 定值低 要保證出線全線有靈敏度 時間與出線過流配合 7 220kV零序方向過流保護 一般方向多指向變壓器 當方向指向220kV母線時 作為220KV母線及各220kV出線的接地故障的后備保護 當方向指向變壓器時 作為變壓器 110