变压器继电保护设计

电能与国民经济各部门和人民生活关系密切。现代工业、农业、交通运输业以及居民生活等都广泛的利用电作为动力、热量、照明等能源。供电的中断或不足，不仅将直接影响生产，造成人民生活紊乱，在某些情况下，甚至会造成极其严重的社会性灾难。改革开放以来，我国经济的快速发展刺激电网的快速发展，尤其是近几年我国各个地区出现的缺电现象直接促进了大规模机组的投产和电网建设进程的急剧加快。同时随着现代社会对电网供电可靠性的要求的不断提高，就需要我们继电保护装置发挥更重要的作用，针对系统出现的故障能及时切除，确保电网的安全、稳定、经济的运行。

变压器是配电系统的核心，对它的继电保护也就成为重中之重。电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件,为了供电的可靠性和系统正常运行,就必须视其容量的大小、电压的高低和重要程度,设置相应的继电保护装置。变压器的内部故障可以分油箱内部和油箱外部故障两种。油箱内部的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的绕损等。外部故障：套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。变压器发生故障，必将对电网和变压器带来危害，特别是发生内部故障时，短路电流产生的高温电弧不仅烧坏绕组绝缘和铁芯，而且使绝缘材料和变压器油受热分解产生大量气体，导致变压器外壳局部变形、甚至引起爆炸。因此变压器发生故障时，必须将其从电力系统中切除。

变压器不正常的运行状态包括：外部相间短路、接地短路引起的相间过电流和零序过电流，负荷超过其额定容量引起的过负荷、油箱漏油引起的油面降低，以及过电压、过励磁等。

根据变压器型号及运行条件选用合适的继电保护措施，并对保护装置进行合理的整定，变压器就能安全的运行。

关键字：继电保护 变压器 电力系统故障

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1.系统分析

1.1 变压器故障的类型

（1）绕组及其引出线的相间短路和中性点直接接地侧的单相接地短路 （2）绕组的匝间短路

（3）外部相间短路引起的过电流

（4）中性点直接接地电力网中，外部接地短路引起的过电流及中性点过电压 （5）过负荷 （6）过励磁 （7）油面降低

（8）变压器温度及油箱压力升高和冷却水系统故障

1.2 变压器的保护

1.气体保护

对于0.8MVA及以上油浸式变压器和0.4MVA及以上车间油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当壳内故障产生轻瓦斯或油面下降，应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，应动作于断开变压器各侧断路器。

带负荷调压的油浸式变压器的调压装置，亦应装设瓦斯保护。 2.纵联差动保护或电流速断保护

对变压器引出线、套管及内部的短路故障，应按下列规定，装设相应的保护作为主保护，保护瞬时动作于断开变压器的各侧断路器。

对于6.3MVA以下的厂用工作变压器和并列运行的变压器，以及10MVA以下厂用备用变压器和单独运行的变压器，当后背保护时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。

对于6.3MVA以上的厂用工作变压器和并列运行的变压器，10MVA以上厂用备用变压器和单独运行的变压器，以及2MVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵联差动保护。对于高压侧电压为330kv及以上的变压器，可装设双重差动保护。 3.过电流保护

对于外部相间短路引起的变压器过电流，应按下列规定，装设相应的保护作为后备保护，保护动作后，应带时限动作于跳闸。

（1）过电流保护宜用于降压变压器，保护的整定值，应考虑事故时可能出现的过负荷。 （2）复合电压起动的过电流保护，宜用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。

（3）负序电流和单相式低电压起动的过电流保护，可用于63MVA及以上升压变压器。 （4）当复合电压起动的过电流保护或负序电流和单相式

低电压起动的过电流保护不能满座灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。 4.零序电流保护

110KV及以上中性点直接接地的电网中，如变压器中性点直接接地运行，对外部单相接地引起的过电流，应装设零序电流保护。 5.过负荷保护

0.4MVA及以上变压器，当数台并列运行或单独运行，并作为其他负荷的电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过电流保护。对自耦变压器和多绕组变压器，保护应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。

过负荷保护采用单相式，带时限动作于信号。

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6.过励磁保护

高压侧电压500KV的变压器，对频率降低和电压升高引起的变压器工作磁密过高，应装设过励磁保护。保护由两段组成，低定值段动作于信号，高定值段动作于跳闸。

1.3元件参数计算

图1-1 等值电路图

设Sj320MVA，以平均电压UnUav进行系统的标幺值计算： 发电机：X1电抗器：X10*X0.1222SSjN0.12223201.41

25/0.9SjXL%ULN0.08632023.72 21003ILNUN30.66.3UK%Sj100SNUK%Sj100SN93200.91

10031.593203.6

1008Sj2UN变压器：X4*X3*X8*X7*线路： X5*X6*X5/ZnXl0.4703202.26 632X9*X9/ZnXlSj2UN0.42.83209.03 26.3III

j1j2j3S3US3US3Ujjjj132029.3KA 36.33202.93KA 36332029.3KA

36.3j2j32

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2.系统故障保护分析

2.1变压器瓦斯保护

当变压器油箱内发生各种短路故障时，由于短路电流和短路点电弧的作用，变压器油和绝缘材料受热分解，产生大量气体，从油箱流向油枕上部，故障愈严重，产生气体越多，流向油枕的气流和油流速度也越快，利用这种气体来实现的保护称气体保护。

在变压器油箱内常见的故障有绕组匝间或层间绝缘破坏造成的短路，或高压绕组对地绝缘破坏造成的单相接地。变压器油是良好的绝缘和冷却介质，在油箱里充满油，油面打到油枕的中部，因此油箱里发生任何类型的故障或不正常状态都会引起箱内油状态的变化。发生相间短路或单相接地故障时，故障点由短路电流或接地电容电流造成的电弧温度很高，使附近的变压器油及其他绝缘材料受热分解产生大量气体，从油箱流向油枕上部。发生绕组的匝间或层间短路时，局部温度升高也会使油的体积膨胀，排出溶解在油内的空气，形成上升的气；箱内发生严重渗漏时，油面会不断下降。

气体继电器具有反映油箱内油、气和运行状态的功能，用它构成的瓦斯保护，能够反映轻微故障在内的油箱内的各种故障和不正常工作状态，因此瓦斯保护是变压器的主保护之一，被广泛用于油浸式变压器上。

图2-1 变压器瓦斯保护原理图

变压器瓦斯保护的原理接线如图所示，气体继电器KG的上触点为轻气体触点，由开口杯控制，闭合后发延时动作信号。KG的下触点为重气体触点，由挡板控制，动作后经信号继电器KS启动出口继电器KCO，使变压器各侧断路器跳闸。为防止变压器油箱里发生严重故障时油速不稳定，造成重瓦斯接点时断时通而不能可靠跳闸，KCO采用带自保持电流线圈的中间继电器。为防止瓦斯保护在换油或气体继电器试验时误动作，出口回路设有切换片XB，将XB倒向电阻R1侧，可使重瓦斯保护改为只发信号。气体继电器动作后，在继电器上部的排气口收集气体，检查气体的化学成分和可燃性，从而判断故障的性质。

瓦斯保护的主要优点是：灵敏度高、动作迅速、简单经济。当变压器内部发生严重漏油或匝数很少的匝间短路时，往往纵联差动保护与其他保护不能反应，而瓦斯保护却能反应。但是瓦斯保护却只能反应变压器油箱内的故障，不能反应油箱外套管与断路器间引出线上的故障，因此它不能作为变压器惟一的主保护。

2.2变压器电流速断保护

当过电流保护的动作时限大于0.5秒时，可在电源侧装设电流速断保护，它与瓦斯保护相配合，以反映变压器绕组及电源侧的引出线套管上的各种故障，电流速断保护的单相原理接线如图所示：

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图2-2 变压器电流速断保护单相原理接线图

2.2.1 保护动作电流的整定

（1）按大于变压器负荷侧母线上短路时流过保护安装处的最大短路电流整定：

IsetKrelIkmax

Krel—可靠系数，对电磁型电流继电器取1.3-1.4；

Ikmax—最大运行方式下，变压器低压侧母线发生短路故障时，流过保护安装处的最大短路电流。

对于升压变压器T1、T2，二

图2-3 化简等值的电路图

X11X12X13X3X100.913.720.61X3X4X100.910.913.72X4X100.913.720.61X3X4X100.910.913.72X4X30.910.910.15X3X4X100.91*23.72(1.410.61)0.151.16

X14(X1X11)/(X2X12)X13(1.410.61)I10.86 X14*IkmaxIIj16.3/662.405KA

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IsetKrelIkmax1.324052718A

（2）按躲过变压器空载时的励磁涌流整定： 对于升压变压器：T1、T2

Iset(35)IN4综上计算：

SN3UN431.51909A 66对于升压变压器T1、T2：Iset2718A

(3) 灵敏度校验：

保护的灵敏度，要求在保护安装处发生两相金属性短路进行校验，即

Ksen)Ik(.2min2 Iset)Ik(.2min—最小运行方式下，保护安装处两相短路时的最小短路电流

对于升压变压器T1、T2：

)Ik(2.minUN2ZN660001045A 2266662(1.410.91)320320Ksen)Ik(.2min10452 Iset2718因此，改与线路瞬时电流速断保护相配合

2.3 变压器的差动保护

2.3.1变压器纵联差动保护的基本原理

变压器的纵联差动保护用来保护反应变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护。

纵联差动保护是按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，在变压器两侧各装设一组电流互感器TA1、TA2，其二次侧按环流法连接，即若变压器两端的电流互感器一次侧的正极性端子均置于靠近母线一侧，则将它们二次侧的同名端子相连，再将差动继电器的线圈并联接入，构成纵联差动保护，保护范围为两侧电流互感器TA1、TA2之间的全部区域，包括变压器高、低压绕组、套管及其引出线等。原理图如图2-4所示：

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升压变压器继电保护

图2-4变压器纵联差动保护单相原理图

...据图可见，正常和外部线路短路时，流过差动继电器的电流IrI2IⅡ2，在理想的情况下，其值等于零；但实际上由于电流互感器的变比、特性等因素的影响，流过继电器的电流为不平衡电流Iunb。当变压器发生内部故障时，流过差动继电器的电流为

IrI2IⅡ2，即为短路点的短路电流，当该电流大于KD的动作电流时，KD动作。

...由于变压器各侧的额定电压、额定电流不同，因此为了保证其纵联差动保护的正确动作，

必须适当地选择电流互感器的变比，使得正常运行和外部短路 时，差动回路里没有电流。

IⅠ2IⅡ2..IIⅠⅡ nTA1nTA2..nTA1—高压侧电流互感器的变比； nTA2—低压侧电流互感器的变比

2.3.2变压器纵联差动保护的特点

变压器纵联差动保护最明显的特点是产生不平衡电流的因素很多。 不平衡电流及消除方法：

（一）两侧电流互感器型号不同而产生不平衡电流

一是：应按10%的误差要求选择两侧的电流互感器；二是：引入一个同型系数Kst，当侧侧电流互感器的型号相同时，取Kst=0.5，当两侧电流互感器的型号不相同时取Kst=1。 （二）电流互感器实际变比与计算变比不同时产生不平衡电流 电流互感器实际变比与计算变比不同时产生的不平衡电流，可以通过自耦变流器或利用差动继电器的平衡线圈补偿。

（三）变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流

变压器带负荷调整分接头产生的不平衡电流，可以通过提高保护动作电流来消除 （四）变压器接线组别的影响产生的不平衡电流 变压器接线组别的影响产生的不平衡电流，可以通过相位补偿方法实现，即将变压器星形接线一侧电流互感器的二次绕组接成三角形，而将变压器的三角侧电流互感器的二次绕组接成星形。

（五）变压器励磁涌流产生的不平衡电流

变压器励磁涌流产生的不平衡电流，可以通过装设速饱和变流器或者差动保护装置消除。

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2.3.3变压器纵联差动保护整定计算 1.确定基本侧的确定

1) 按额定电压及变压器的最大容量计算各侧一次额定电流

I31.50Nh3630.289KA

INl31.5036.32.887KA

2) 电流互感器变比选择 变压器高压侧n3289500.548TAhcal55 变压器低压侧n2887TAlcal5 3)电流互感器的二次额定电流IKconIN2Nn TA高压侧I500.5482N1005.005A 低压侧I28872N6004.812A 所以高压侧为基本侧。 2 保护装置动作电流的确定

1) 按躲过变压器的励磁涌流条件

Iop1.32.4053.13KA

2) 按躲过电流互感器二次回路断线条件

Iop1.32.4053.13KA

3）按躲过外部短路产生的最大不平衡电流条件Iop1.3(10.10.050.05)2.405625A

选用保护计算动作电流Iop3.13KA 3 确定基本侧工作线圈匝数

I3625opcal10010.83A Wwcal6010.836匝 选Wwse5匝 Wdse3匝 Wbse2匝 继电器实验动作电流

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选用5005=100 选用30005=600

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60Iepr512A

4 非基本侧平衡线圈匝数的确定

WbcalIWIinhinlwseWdse5.005532.20匝 4.812选用Wbse2匝 5计算fer

2.2020.028

2.205实际相对误差小于0.05 6灵敏度校验 fer为了满足选择性，选Iopr25A

3(322376)633(321185)6.317.77559.25077.025 Ikr10060077.025Ksen253.0812 满足要求，合格

2.4 变压器相间短路的后备保护

变压器相间短路的后备保护既是变压器主保护的后备保护，又是相邻线路或母线的后备保护，可以采用过电流保护的方法进行保护。 过电流保护的单相原理接线图如图2-5所示：

图2-5变压器过电流保护的单相原理接线图

过电流保护采用三相式接线，且保护应安装在电源侧，保护的动作电流Iop应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流ILmax来整定，即

IopKrelIL.max Kre8

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Krel—可靠系数，一般取1.2~1.3 Kre—返回系数

1.变压器T1、T2的整定计算

IL.maxPmax3U198019.549187.7A

1.7326.3IopKrel1.25187.7276 IL.max=0.85Kre2.灵敏度校验

Ksen(2)IK.min1.5~2 Iop(2)IK.max—最小运行方式下，在灵敏度校验点发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电

流。

变压器T1、T2灵敏度校验：

)Ik(.2min*UN*10.15 2ZN*2(12.32))Ik(.2min0.144SN3UN0.151320423A

1.73266Ksen(2)IK423.min1.531.5 Iop276灵敏度符合要求

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3.参考文献

[1] 许建安 电力系统继电保护 第二版 中国水利水电出版社 [2] 刘学军 继电保护原理 中国电力出版社

[3] 谷水清 电力系统继电保护 中国电力出版社 [4] 韦刚 电力系统分析基础 国电力出版社

[5] 陈曾田 电力变压器保护 中国水利水电出版社

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