1、電力變壓器的故障類型和不 正常運行狀態和保護配置要求6.1.1 電力變壓器的故障類型和不正常運行狀態1、電力變壓器的故障類型變壓器的故障可分為油箱內故障和油箱外故障兩類。內部：繞組的相間短路、匝間短路、接地短路，以及鐵芯燒毀等。外部：套管和引出線上發生的相間短路和接地短路。2.不正常的運行狀態外部相間短路、接地短路引起的相間過電流和零序過電流，負荷超過其額定容量引起的過負荷、油箱漏油引起的油面降低，以及過電壓、過勵磁等。6.1.1 電力變壓器的故障類型和不正常運行狀態（1）瓦斯保護作用：反應變壓器油箱內部的短路故障以及油面降低。重瓦斯保護動作于跳開變壓器各電源側斷路器，輕瓦斯保護動作于發出信號

2、。6.1.2 電力變壓器的保護配置應裝設瓦斯保護的變壓器容量界限是：800kVA及以上的油浸式變壓器和 400kVA及以上的車間內油浸式變壓器。同樣對帶負荷調壓的油浸式變壓器的調壓裝置，也應裝設瓦斯保護。 當變壓器油箱內部發生故障時，短路電流產生的電弧使變壓器油和其它絕緣材料分解，從而產生大量的可燃性氣體，人們將這種可燃性氣體統稱為瓦斯氣體。故障程度越嚴重，產生的瓦斯氣體越多，流速越快，氣流中還夾雜著細小的、灼熱的變壓器油。瓦斯保護是利用變壓器油受熱分解所產生的熱氣流和熱油流來動作的保護。6.1.2 電力變壓器的保護配置（2）縱差保護或電流速斷保護作用：反應電力變壓器繞組、套管及引出線發生的短

3、路故障。 6300kVA及以上并列運行、10000kVA及以上單獨運行的變壓器、發電廠廠用變，應裝設縱差動保護。 10000kVA及以下的變壓器，應裝設電流速斷保護。 對于2000kVA以上的變壓器，當電流速斷保護靈敏度不能滿足要求時，也應裝設縱差動保護。6.1.2 電力變壓器的保護配置（3）過電流保護作用：反應外部相間短路引起的變壓器過電流，同時作為瓦斯保護和縱差保護的后備保護，其動作時限按階梯形原則來整定。常采用： 過電流保護 低電壓起動過電流保護 復合電壓起動過電流保護 6.1.2 電力變壓器的保護配置（4）零序保護作用：反應變壓器高壓側（或中壓側），以及外部元件的接地短路。 變壓器中性

4、點直接接地運行，應裝設零序電流保護；變壓器中性點可能接地或不接地運行時，應裝設零序電流、零序過電壓保護。6.1.2 電力變壓器的保護配置（5）過負荷保護變壓器長期過負荷運行時，繞組會因發熱而受到損傷。400kVA以上的變壓器，當數臺并列運行或單獨運行并作為其他負荷的備用電源時，應裝設過負荷保護。過負荷保護通常只裝在一相，延時動作于發信號。無人值守變電所，必要時可動作于自動化減負荷或跳閘。6.1.2 電力變壓器的保護配置（6）過勵磁保護高壓側電壓為500kV及以上的變壓器，對頻率降低和電壓升高而引起的變壓器勵磁電流的升高，應裝設過勵磁保護。在變壓器允許的過勵磁范圍內，保護作用于信號，當過勵磁超過

5、允許值時，可動作于跳閘。過勵磁保護反應于實際工作磁密和額定工作磁密之比（稱為過勵磁倍數）而動作。實際工作磁密可通過檢測變壓器電壓幅值與頻率的比值來計算。6.1.2 電力變壓器的保護配置（7）其他保護對變壓器溫度和油箱內壓力升高，以及冷卻系統故障，應裝設相應的非電量保護。6.1.2 電力變壓器的保護配置變壓器保護分類： 非電量保護：裝設于變壓器內部，反映油箱內的油、氣、溫度的變化。 電量保護6.1.2 電力變壓器的保護配置變壓器主保護：瓦斯保護和縱差動保護。 6.2 變壓器縱差動保護6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線1.基本原理與線路縱聯保護相似，都是比較被保護設備各側電流的相位和數值大小。

6、電流參考正方向：母線指向變壓器。流入差動繼電器KD的差動電流為：與線路縱聯保護的不同：變壓器高低壓側的額定電流不相等，為使差動保護正確動作，需適當選擇各側的電流互感器變比，使正常運行或外部故障時各側的二次電流相等。6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線即差動電流為0，保護不會動作；變壓器內部故障時，差動電流為故障點電流（變換到TA二次側），數值很大。6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線忽略變壓器的損耗，在正常運行和區外故障時一次電流的關系為：因此利用差動繼電器的動作方程：Ir Iset理論上可區分區內故障和區外故障。6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線2.縱差動保護的接線（三相變壓器） 三

7、相變壓器通常采用Y,d11的接線方式。Y，d11接線方式：變壓器Y側和d側同相電流相位不一致，IdA超前IYA30。 6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線2.縱差動保護的接線（雙繞組三相變壓器）考慮兩側電流互感器能否均采用Y型接線？兩側電流互感器均采用Y型接線，則如果采用相對相式，會產生差流。 變壓器星形側電流互感器按角形接線變壓器角形側電流互感器按星形接線6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線解決方法：1) 更改TA接線 6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線 6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線采用這樣的接線，流入三個差動繼電器的差動電流為：消除了兩側電流相位的不對應。解決方法：為保證

8、正常運行及外部故障情況下差動回路沒有電流，則該側的電流互感器變比也應增大 倍。帶來問題：由于Y側采用兩相電流差，則該側流入差動繼電器的電流增加了 倍。6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線 兩側電流互感器的變比應滿足：2) 軟件補償：如果采用微機保護裝置，則兩側電流互感器可均采用星形接線，在軟件中合成對應的兩側比較電流，并考慮變換系數即可。兩側電流互感器的變比仍取：6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線 以Y,d,d11接線方式為例，接入縱差動繼電器的差電流為：3.三繞組變壓器接線：6.2.1 縱差動保護的基本原理和接線同樣地，d側電流互感器用Y接線方式，兩個Y側電流互感器則采用d接線。設變壓

9、器1-3側和2-3側變比為nT13和nT23，則電流互感器變比的選擇應滿足：設I為區外故障時的最大穿越電流（二次側）6.2.2 不平衡電流及解決方法1.計算變比與標準變比不同產生的不平衡電流區外故障時：6.2.2 不平衡電流及解決方法解決方法：電流互感器選定后，n為一個常數。可設法補償掉不平衡電流，則此時引入差動繼電器的電流為：1) 數字式縱差動保護裝置： 用軟件計算實現補償。6.2.2 不平衡電流及解決方法2) 電磁式縱差動保護裝置用中間變流器進行補償。原理：磁勢平衡。在中間變流器TS的鐵心上繞有主繞組Wd，接入差動電流，另外還繞有一個平衡繞組Wb和二次繞組W2。通過選擇繞組匝數，在正常運行

10、和外部故障時，只要滿足：即Wb / Wd=n，則中間變流器內總磁通為0，在二次繞組上就沒有感應電動勢，從而沒有電流流入繼電器。6.2.2 不平衡電流及解決方法2.變壓器帶負荷調整接頭而產生的不平衡電流調整分接頭實際上就是改變變壓器的變比，其結果必然將破壞電流互感器二次電流的平衡關系，產生了新的不平衡電流。由于改變分接頭位置產生的最大不平衡電流為： I=UIU為由變壓器分接頭改變引起的相對誤差，考慮到可以正負兩個方向進行調整，一般U可取調節范圍的一半。解決辦法：用提高保護動作電流的方法來躲過這種不平衡電流的影響。電流互感器的傳變誤差就是勵磁電流：6.2.2 不平衡電流及解決方法3.電流互感器傳變

11、誤差產生的不平衡電流1) 電流互感器的傳變誤差分析電流互感器的二次電流：Z1包含電流互感器的漏抗和二次負載阻抗。6.2.2 不平衡電流及解決方法區外故障時，由電流互感器傳變誤差引起的不平衡電流：1) 電流互感器的傳變誤差分析若兩個互感器型號相同，則參數差異性小，不平衡電流也較小，反之較大。采用同型系數Kst 表示互感器型號對不平衡電流的影響。當兩TA型號、容量相同時取，不同時取1，對于變壓器縱差動保護，兩側TA變比肯定不一樣，因此取Kst =1。6.2.2 不平衡電流及解決方法勵磁電流I1的大小取決于電流互感器鐵芯是否飽和以及飽和的程度。1) 電流互感器的傳變誤差分析I1與鐵芯磁通之間的關系由

12、鐵芯的磁滯回線確定。2勵磁電流3鐵芯的磁滯回線1鐵芯的基本磁化曲線，近似分析時常用1代替3。S點為飽和點，磁化曲線各點切線的斜率就是勵磁回路的電感L1。鐵芯未飽和時， L1很大且接近常數；鐵芯飽和后磁化曲線變得很平坦， L1大大減小。6.2.2 不平衡電流及解決方法1) 電流互感器的傳變誤差分析總結： 一次電流I1較小時，鐵芯不飽和， L1很大且不變，勵磁電流很小且隨著I1增大按比例增大。 一次電流增大使勵磁電流增大到鐵芯飽和后， L1減小，勵磁回路的分流增大，從而導致勵磁電感進一步下降，其結果是勵磁電流迅速增大。鐵芯越飽和勵磁電流越大，并隨一次電流的增加呈非線性的增加。6.2.2 不平衡電流

13、及解決方法1) 電流互感器的傳變誤差分析若I1中存在大量的非周期分量，使I1偏于時間軸一側，磁通也偏離磁化曲線，沿3局部磁滯回線變化，使L1顯著減小。當TA一次側電流消失后，I1也相應變為0。由于磁滯回線的“磁滯”現象，鐵芯中將長期存在殘留磁通，成為剩磁。剩磁大小的方向與一次電流消失時刻的勵磁電流有關。6.2.2 不平衡電流及解決方法1) 電流互感器的傳變誤差分析鐵芯飽和程度還和二次負載ZL有關。一次電流一定的情況下， ZL越大，Z1越大，勵磁電流越大，鐵芯越易飽和。磁化曲線是根據電流互感器鐵芯材料和截面積決定的，電流互感器生產廠家根據產品的磁化曲線會提供10%誤差曲線。為保證縱差動保護正確動

14、作，通常根據電流互感器的10%誤差曲線來選擇電流互感器的型號。根據區外故障最大短路電流I，在10%誤差曲線中找出相應的二次負載阻抗的數值，如果實際的負載阻抗小于該數值，則二次電流的誤差一定小于10%，否則應選擇容量更大的電流互感器。則最大不平衡電流為：6.2.2 不平衡電流及解決方法1) 電流互感器的傳變誤差分析因此電流互感器的最大誤差就是10%，即：另外，鐵芯飽和還與一次電流的頻率有關，頻率越低，越容易飽和。變壓器外部故障時，一次電流中除了穩態分量外，還有非周期分量等暫態分量，導致不平衡電流的瞬時值增大，因此應考慮非周期分量系數Knp(取1.52)：6.2.2 不平衡電流及解決方法3.電流互

15、感器傳變誤差產生的產生的不平衡電流2)解決方法A.減少因電流互感器性能不同引起的穩態不平衡電流方法： 盡可能使用型號、性能完全相同的D級電流互感器，使兩互感器磁化曲線相同。 減少電流互感器的二次負載，并使各側負載相同，減少鐵芯的飽和程度，從而減少不平衡電流。6.2.2 不平衡電流及解決方法3.電流互感器性能不同而產生的不平衡電流2)解決方法B.減少電流互感器的暫態不平衡電流方法：采用速飽和特性的中間變流器。當差動電流中含有較大的非周期分量時，鐵芯迅速飽和，使非周期分量不易傳變到變流器二次側。而差流中只有周期分量時，很容易傳變到二次側。6.2.2 不平衡電流及解決方法4. 變壓器勵磁涌流產生的不

16、平衡電流勵磁回路相當于變壓器內部故障的故障支路，勵磁電流全部流入差動繼電器中，形成不平衡電流。即：勵磁電流的大小取決于勵磁電感的數值，即取決于鐵芯是否飽和。6.2.2 不平衡電流及解決方法4. 變壓器勵磁涌流產生的不平衡電流 正常運行和外部故障時變壓器不會飽和，勵磁電流一般不超過額定電流的2%5%，對縱差動保護的影響可忽略不計; 當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時，電壓上升的暫態過程中，變壓器可能嚴重飽和，出現很大的暫態勵磁電流，稱勵磁涌流，其值可達變壓器額定電流的48倍。可能造成保護誤動作。如果用動作電流躲開勵磁涌流，則在變壓器內部故障時靈敏度很低，一般通過其他措施防止勵磁涌流引起縱

17、差動保護的誤動。解決方法：見下節。6.2.3 縱差動保護整定計算1.整定原則1)躲開保護范圍外部短路時的最大不平衡電流計算變比與實際變比不一致引起的誤差；帶負荷調壓引起的相對誤差；電流互感器容許的最大相對誤差；非周期分量系數，取1.52；采用速飽和變流器時，可取1；電流互感器的同型系數，取為1。6.2.3 縱差動保護整定計算1.整定原則2) 躲開變壓器的最大勵磁涌流可靠系數，取；勵磁涌流的最大倍數，為48；變壓器額定電流。a. 差動保護一般采用勵磁涌流鑒別措施，在勵磁涌流時將保護閉鎖，此時可取K=0；b. 采用速飽和變流器可減少勵磁涌流產生的不平衡電流，可取K=1。6.2.3 縱差動保護整定計

18、算1.整定原則3)躲開電流互感器二次回路斷線引起的差電流電流互感器二次回路斷線時，另一側電流互感器的二次電流全部流入差動繼電器中，要引起保護的誤動。若沒有斷線識別的措施，則差動保護的動作電流必須大于正常運行情況下變壓器的最大負荷電流：可靠系數，取最大負荷電流，若不能確定，取變壓器的額定電流6.2.3 縱差動保護整定計算2.靈敏系數校驗I為各種運行方式下變壓器區內端部短路時，流經差動繼電器的最小差動電流。如果不滿足靈敏要求，應采用具有制動特性的差動繼電器。1.整定原則以上三個條件算出的動作電流，取最大者。所有電流都是折算到電流互感器二次側的數值。6.2.4 具有制動特性的差動繼電器流入差動繼電器

19、的不平衡電流與變壓器外部故障時的穿越電流有關，穿越電流越大，不平衡電流越大。為了提高內部故障的靈敏度，差動繼電器的動作電流不再按躲過最大穿越電流I整定，而是引入一個能反應變壓器穿越電流大小的制動電流，使動作電流不再固定不變，而是根據制動電流自動調整。1.差動繼電器的動作特性6.2.4 具有制動特性的差動繼電器差動繼電器的制動特性方程可表示為：Ir 動作電流Ires 制動電流在折線上方為動作區，下方為不動作區。既保證區內故障的靈敏度，也可保證外部故障時不會誤動。差動繼電器的“兩折線”特性6.2.4 具有制動特性的差動繼電器K為制動特性的斜率，對變壓器保護通常取0.41;I為拐點電流，一般取（）I

20、N ；I為差動電流門檻值，常取（）IN 。I的作用是躲開與制動電流無關的不平衡電流，如變壓器的勵磁涌流、測量回路的雜散噪聲等。6.2.4 具有制動特性的差動繼電器1) 雙側電源供電時假定兩側電源的電動勢和等效阻抗都相同，則Ir=I1 +I2 = 2Ires。（直線1）差動電流只要大于I就能動作。2.差動繼電器在內部故障時的動作行為折線3：差動繼電器的制動特性6.2.4 具有制動特性的差動繼電器2) 單側電源供電，I1 為負荷側Ires=0，差動電流只要大于I就能動作。2.差動繼電器在內部故障時的動作行為折線3：差動繼電器的制動特性3) 單側電源供電，I1 為電源側Ir=Ires=I1，直線2，

21、斜率為1，動作電流也為I 。6.2.4 具有制動特性的差動繼電器 總結：各種運行方式下的變壓器內部故障時，有制動特性的差動繼電器動作電流均為最小工作電流I，即內部故障時動作電流從原來的I下降到I及制動線，靈敏度大大提高。2.差動繼電器在內部故障時的動作行為折線3：差動繼電器的制動特性6.2.4 具有制動特性的差動繼電器 考慮負荷電流的影響：負荷電流不影響差動電流，但會使制動電流增加。差動電流與制動電流之間的關系變成2， 2與3的交點為c ，繼電器的動作電流將大于I，仍比不帶制動特性時靈敏得多。2.差動繼電器在內部故障時的動作行為折線3：差動繼電器的制動特性6.2.4 具有制動特性的差動繼電器外

22、部故障時：制動電流相同，都等于變壓器的穿越電流。內部故障時：靈敏度不同。3.其他制動電流選取方法6.3 變壓器的勵磁涌流及鑒別方法6.3.1 單相變壓器的勵磁涌流變壓器電壓和磁通之間的關系勵磁涌流產生的原因：鐵芯飽和即鐵芯中產生的磁通滯后電壓90。2) 變壓器空載合閘分析假定變壓器在t=0時刻空載合閘。若剛好在u=0時接通電路（即=0時刻合閘），根據磁通與電壓的關系，磁通應為-m 。a. 若接通前不考慮剩磁即接通前=0。由于磁通不能突變，因此出現非周期分量磁通+m，不考慮損耗，為直流分量。半個周期后，磁通達最大： = 2m。6.3.1 單相變壓器的勵磁涌流2) 變壓器空載合閘分析b. 接通前考

23、慮剩磁，且為任意角度6.3.1 單相變壓器的勵磁涌流變壓器的飽和磁通一般為sat 。 正常運行時：變壓器的運行電壓一般不會超過額定電壓的10%，因此磁通不會超過飽和磁通，鐵芯不會飽和。 空載合閘的暫態過程：可能超過飽和磁通。最嚴重的情況：在電壓過零時刻（=0）合閘， 最大值為2m+ r 。（如上圖）2) 變壓器空載合閘分析6.3.1 單相變壓器的勵磁涌流勵磁涌流分析中，通常用=t+代替時間，這樣是以2為周期變化的。3) 勵磁涌流波形6.3.1 單相變壓器的勵磁涌流變壓器鐵芯不飽和時，磁化曲線的斜率很大，勵磁電流i近似為0；鐵芯飽和后，磁化曲線的斜率很小， i 大大增加，形成勵磁涌流。如果不考慮

24、衰減，勵磁涌流表示為：勵磁涌流波形完全偏離時間軸的一側，且是間斷的。3) 勵磁涌流波形6.3.1 單相變壓器的勵磁涌流勵磁涌流波形間斷的角度稱為勵磁涌流的間斷角J ，顯然： J = 2 1 。間斷角J 是區別勵磁涌流與故障電流的重要特征，飽和越嚴重間斷角越小。J 與變壓器穩態磁通幅值m，合閘角及鐵芯剩磁有關，通常只關心各種情況下的最小間斷角，計算時可選m，=0， sat ， r 取最大剩磁，由此可得到J =108。3) 勵磁涌流波形6.3.1 單相變壓器的勵磁涌流勵磁涌流中含有大量非周期分量和諧波分量，以二次諧波為主。非周期含量及諧波含量與間斷角有關。3) 勵磁涌流波形6.3.1 單相變壓器的

25、勵磁涌流如果考慮衰減，勵磁涌流的波形如下圖：勵磁涌流的大小和衰減時間，與外加電壓的相位、鐵心中剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗以及變壓器容量的大小和鐵心性質等都有關系。4) 單相變壓器勵磁涌流的特點6.3.1 單相變壓器的勵磁涌流變壓器空載合閘時，涌流是否產生以及涌流的大小與合閘角有關，合閘角=0和=時勵磁涌流最大；波形完全偏離時間軸一側，并且出現間斷。涌流越大，間斷角越小。含有很大成分的非周期分量，間斷角越小，非周期分量越大。含有大量的高次諧波分量，以二次諧波為主。間斷角越小，二次諧波越小。6.3.2 三相變壓器的勵磁涌流三相變壓器空載合閘時，三相繞組都會產生勵磁涌流。每相差流中

26、的勵磁涌流都是兩個繞組的勵磁涌流之差。6.3.2 三相變壓器的勵磁涌流三相變壓器勵磁涌流的特點：1) 三相對稱，因此三相勵磁涌流不會相同，任何情況下空載投入變壓器，至少在兩相中要出現不同程度的勵磁涌流；2) 某相勵磁涌流可能不再偏離時間軸一側（如i），變成了對稱性涌流，數值比較小，無非周期分量。其他兩相仍為非對稱性涌流，含有大量非周期分量。6.3.2 三相變壓器的勵磁涌流三相變壓器勵磁涌流的特點：3) 三相勵磁涌流中有一相或兩相中二次諧波含量比較小，但至少有一相比較大；4) 勵磁涌流的波形仍然是間斷的，但間斷角顯著減小，對稱性涌流間斷角最小。對稱性涌流的一個顯著特點：涌流的正向最大值與反向最大

27、值之間的相位差120，稱為“波寬”（穩態故障電流波寬為180 ）。6.3.3 防止勵磁涌流引起誤動的方法1. 采用速飽和中間變流器勵磁涌流中含有大量非周期分量，所以可以采用速飽和中間變流器快速飽和，不傳變到變流器二次側，從而防止差動保護誤動。對于Y，d11接線的三相變壓器，常有一相是對稱性涌流，沒有非周期分量，中間變流器不能飽和，只能通過差動繼電器的動作電流來躲過，考慮到對稱性涌流的幅值比較小，因此整定計算中可取K =1。缺點：速飽和原理的縱差動保護動作電流大，靈敏度低，且在變壓器內部故障時，會因非周期分量的存在而延緩保護動作。已逐漸被淘汰。2. 二次諧波制動的方法依據：勵磁涌流中含有大量二次

28、諧波分量。判據：Ir.2 K2 II和I分別為差動電流中的二次諧波分量和基波分量的幅值；K2為二次諧波制動比，一般取15%20%。需要考慮的問題：1) 考慮到涌流嚴重時，二次諧波含量可能較小，而三相涌流中至少有一相二次諧波含量較高，因此采用“三相或門”方案。2) 變壓器內部故障時，測量電流中的暫態分量也可能存在二次諧波，若含量大于K2 ，則差動保護被閉鎖，一直等到暫態分量衰減后才能動作；另外，TA飽和也會在二次電流中產生二次諧波。6.3.3 防止勵磁涌流引起誤動的方法2. 二次諧波制動的方法6.3.3 防止勵磁涌流引起誤動的方法增加不帶二次諧波制動的差動繼電器，構成“差動電流速斷保護”。整定按躲開最大勵磁涌流整定：取K =48。3. 間斷角鑒別的方法依據：勵磁涌流的波形中會出現間斷角，變壓器內部故障時流入差動繼電器的是穩態差電流，為正弦波，無間斷角。一般間斷角整定值取65。考慮到三相變壓器中，對稱性涌流的間斷角有可能較小，增加反映波寬的判據： 波寬140 時，為涌流，否則為變壓器內部故障。6.3.3 防止勵磁涌流引起誤動的方法6.4 變壓器相間短路的后備保護作用：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（瓦斯保護和縱差動保護）的后備。 過電流保護 低電壓起動過電流保護 復合電壓起動過電流保護 6