《变电站及主变压器保护设计》

第一节  概述

电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。二次感应电动势的高低与一二次绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比。主要作用是传输电能，因此，额定容量是它的主要参数。额定容量是一个表现功率的惯用值，它是表征传输电能的大小，以kVA或MVA表示，当对变压器施加额定电压时，根据它来确定在规定条件下不超过温升限值的额定电流。现在较为节能的电力变压器是非晶合金铁心配电变压器，其最大优点是，空载损耗值特低。最终能否确保空载损耗值，是整个设计过程中所要考虑的核心问题。当在产品结构布置时，除要考虑非晶合金铁心本身不受外力的作用外，同时在计算时还须精确合理选取非晶合金的特性参数。

电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，它承担着电压变换，电能分配和传输，并提供电力服务。因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。

电力变压器是电力系统当中十分重要的供电元件，它的故障将对供电系统的可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。同时大容量的电力变压器也是十分贵重的电力元器件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑其装设性能良好和工作可靠的继电保护装置布置。

变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外的故障两种。油箱内的故障，包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等，对变压器来讲这些故障是十分危险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘质的剧烈气化，从而可引起爆炸，因此，这些故障应尽快加以切除。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。上述接地短路均系对中性点直接接地电力网的一侧而言。

变压器的不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低。

此外，对于大容量变压器，由于其额定工作时的磁通密度相当接近于铁心的饱和磁通密度，因此，在过电压和低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。电力变压器继电保护装置的配置原则一般为：

应装设反映内部短路和油面降低的瓦斯保护；

应装设反映变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵差联动保护和电流速断保护；

应装设作为变压器外部相间短路和内部短路的后备保护的过电流保护（者带有负荷电压启动的过电流保护或抚恤电流保护）；

为防止中性点直接接地系统中外部接地短路的变压器零序电流保护；

为防止大型变压器过励磁的变压器过励磁保护及过电压保护；

为防止相间短路的变压器阻抗保护；

为防止变压器过负荷的变压器过负荷（信号）保护。

第二节  变压器故障

变压器故障大致可以分为以下几大类：

一、内部相间短路、匝间短路、接地短路、铁心烧坏

危害：

变压器突发短路时，其高、低压绕组可能同时通过为额定值数十倍的短路电流，它将产生很大的热量，是变压器严重发热。当变压器承受短路电流的能力不够，热稳定性差，会使变压器绝缘材料严重受损，而形成变压器击穿及损毁事故，甚至引起变压器喷油爆炸。

采用的保护类型：瓦斯保护

二、套管和引出线上发生相间短路和接地短路

危害：

变压器受短路冲击时，如果短路电流很小，继电保护正确动作，绕组变形将是轻微的；如果短路电流很大，继电保护延时动作甚至据动，变形将会很严重甚至造成绕组烧坏。对于轻微的变形，如果不及时检修，恢复垫块位置，紧固绕组的压钉及铁轭的拉板、拉杆，加强引线的夹紧力，在多次短路冲击后，由于累积效应也会使变压器损坏。因此，诊断绕组变形程度、制订合理的变压器检修周期是提高变压器抗短路能力的一项重要措施。

因此，变压器绕组在出口段路时，将承受很大的轴向和辅向点动力。轴向电动力使绕组向中间压缩，这种由电动力产生的机械应力可能影响绕组匝间绝缘，对绕组的匝间绝缘造成损伤；二辅向电动力使绕组向外扩张，可能失去稳定性，造成相间绝缘损坏。电动力过大，严重时可能造成绕组扭曲变形或导线断裂。

三、变压器外部相间短路

危害：

运行中的变压器，因其绕组的载流导体处在漏磁场中而承受电动力作用，电动力在变压器绕组的材料中产生机械应力，并传递到变压器的其他构件上，电动力的大小与电流的平方成正比。在发生短路时，由于短路电流值可能达到正常运行电流的十几倍至几十倍，因此产生的电动力就会激增上百倍甚至几百倍。再点动力和机械力的作用下，造成变压器垫块移位、脱落，撑条斜倒等故障，甚至使绕组产生变形，有的会致使绝缘击穿、造成损坏事故。

四、变压器外部接地短路

危害：

    在接地电流系统当中，线路发生接地故障时，零序电流从接地点经大地流向系统中各个中性点接地的变压器，再从变压器绕组经线路流向接地点。变压器中性点接地方式是由系统统一安排的，系统零序电流的幅值和分布与系统中变压器中性点接地的数目和位置有很大关系，零序电流的分布比例关系与零序等值网络有关，由于中性点接地不良，影响了零序等值网络的稳定，从而影响了零序保护之间的配合关系及保护范围。

五、由于各种原因引起的过励磁

危害：

危害现象可表现为多方面，如引起变压器继电保护误动；使变压器空投失败；励磁涌流及其引起的操作过电压均会对变压器及断路器等电气设备造成损坏；引起临近正在运行的变压器产生和应涌流而跳闸；引起电网电压骤升骤降。影响其他电气设备正常运行；励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染，产生不平衡电流。由此不难看出，变压器励磁涌流的危害性很大。

六、变压器出口短路

危害：

    （一）绕组机械性能下降，当再次遭受到短路电流冲击时，将承受不住巨大的冲击电动力的作用而发生损坏事故。

（二）绝缘距离发生变化，或固体绝缘受到损伤，导致局部放电发生。当遇到过电压作用时，绕组便有可能发生饼间或匝间短路导致变压器绝缘击穿事故。

（三）累积效应，运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应，出现恶性循环。因此，对于绕组已有变形但仍在运行的电力变压器来说，虽然这并不意味着会立即发生绝缘击穿事故，但根据变形情况不同；当再次遭受并不过大的电流或过电压，甚至在正常运行的铁磁振动作用下；也可能导致绝缘击穿事故。所以，在有的所谓“累计”或者“突发”事故中，很可能隐藏着绕组变形协故障因素。

综上所述，电力变压器在运行过程当中，不可避免地要遭受各种断路故障电流的冲击，特别是变压器出口或近距离断路故障，巨大的短路冲击电流将使变压器绕组受到很大的电动力，并使绕组急剧发热。在较高的温度下，导线的机械强度变小，电动力更容易使绕组破坏或变形。它们发展的典型方式是变形引起局部放电，匝、股间短路，整段主绝缘放电或击穿导致主绝缘破坏。同时由于大电流冲击，过电流薄弱环节，如：分接开关、套管引线接头，将与线圈引出线之间会造成接触不良。如果未能及时发现处理，任其发展会使接触不良点发热融化二烧断，进而烧坏变压器。

第三节  变压器继电保护分析及计算

一、瓦斯保护

瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。当变压器在箱内部发生故障时，由于故障点电流和电弧的作用，将使绝缘材料受热分解并产生大量的气体，由于气体比较轻，剧烈的气体夹杂着油流从油箱向油枕流动，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同，利用这一原理，反应这种气流与油流而动作的保护称为瓦斯保护，也叫气体保护。

（一）工作原理

当在箱内部发生故障时，由于故障点电流和电弧的作用，将使变压器油及其它绝缘材料因局部受而分解产生气体，因气体比较轻，它们将从油箱流向油枕的上部当故障严重时，油会迅速膨胀大量气体，此时将有剧烈的气体夹杂着油流向油枕上部。利用内部故障时的这一点，可以构成反应与上述气体而动作的保护装置。

在气体保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板，两者都装有密封的水银接点。浮筒和档板可以围绕各自的轴旋转。在正常运行时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，处于上浮位置，水银接点断开；档板则由于本身重量而下垂，其水银接点也是断开的。当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于气体继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，接通延时信号，这就是所谓的“轻瓦斯”；当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，这就是所谓的“重瓦斯”。重瓦斯动作，立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。 

气体继电器有浮筒式、档板式、开口杯式等不同型号。目前大多采用QJ-80型继电器，其信号回路接上开口杯，跳闸回路接下档板。所谓瓦斯保护信号动作，即指因各种原因造成继电器内上开口杯的信号回路接点闭合，光字牌灯亮。

（二）保护范围

瓦斯保护是变压器的主要保护，它可以反映油箱内的一切故障。包括：油箱内的多相短路、绕组匝间短路、绕组与铁芯或与外壳间的短路、铁芯故障、油面下降或漏油、分接开关接触不良或导线焊接不良等。瓦斯保护动作迅速、灵敏可靠而且结构简单。但是它不能反映油箱外部电路（如引出线上）的故障，所以不能作为保护变压器内部故障的唯一保护装置。另外，瓦斯保护也易在一些外界因素（如地震）的干扰下误动作。 

变压器有载调压开关的瓦斯继电器与主变的瓦斯继电器作用相同、安装位置不同，型号不同。

（三）安装方式

    瓦斯继电器安装在变压器到储油柜的连接管路上，安装时应注重： 

1.首先将气体继电器管道上的碟阀关严。如碟阀关不严或有其他情况，必要时可放掉油枕中的油，以防在工作中大量的油溢出。 

2.新气体继电器安装前，应检查有无检验合格证实，口径、流速是否正确，内外部件有无损坏，内部如有临时绑扎要拆开，最后检查浮筒、档板、信号和跳闸接点的动作是否可靠，并关好放气阀门。 

3.气体继电器应水平安装，顶盖上标示的箭头方向指向油枕，工程中答应继电器的管路轴线方向往油枕方向的一端稍高，但与水平面倾斜不应超过4%。 

4.打开碟阀向气体继电器充油，布满油后从放气阀门放气。如油枕带有胶囊，应注重充油放气的方法，尽量减少和避免气体进入油枕。 

5.进行保护接线时，应防止接错和短路，避免带电操作，同时要防止使导电杆转动和小瓷头漏油。 

6.投入运行前，应进行绝缘摇测及传动试验。

（四）实验项目

气体继电器在安装使用前应作如下一些检验项目和试验项目： 

1.一般性检验项目： 

玻璃窗、放气阀、控针处和引出线端子等完整不渗油，浮筒、开口杯、玻璃窗等完整无裂纹。 

2.试验项目 

(1)密封试验：整体加油压（压力为20mPa，持续时间为1h）试漏，应无渗透漏。 

(2)端子绝缘强度试验：出线端子及出线端子间耐受工频电压2000v，持续1min，也可用2500v兆欧表摇测绝缘电阻，摇测1min代替工频耐压，绝缘电阻应在300mΩ以上。 

　  (3)轻瓦斯动作容积试验：当壳内聚积250∽300cm3空气时，轻瓦斯应可靠动作。  

(4)重瓦斯动作流速试验。

（五）日常巡视项目

电力变压器运行规程DL/T572－95（以下简称“规程”）规定在变压器的日常巡视项目中首先应检查气体继电器内有无气体，对气体的巡视应注重以下几点： 

1.气体继电器连接管上的阀门应在打开位置。 

2.变压器的呼吸器应在正常工作状态。 

3.瓦斯保护连接片投入应正确。 

4.油枕的油位应在合适位置，继电器内布满油。 

5.气体继电器防水罩一定牢固。 

6.继电器接线端子处不应渗油，且应能防止雨、雪、灰尘的侵入，电源及其二次回路要有防水、防油和防冻的措施，并要在春秋二季进行防水、防油和防冻检查。

（六）运行

变压器在正常运行时，瓦斯继电器工作无任何异常。关于瓦斯继电器的运行状态，规程中对其有如下规定： 

1.变压器运行时瓦斯保护应接于信号和跳闸，有载分接开关的瓦斯保护接于跳闸。 

2.变压器在运行中进行如下工作时应将重瓦斯保护改接信号： 

(1)用一台断路器控制两台变压器时，当其中一台转入备用，则应将备用变压器重瓦斯改接信号。 

(2)油、补油、换潜油泵或更换净油器的吸附剂和开闭瓦斯继电器连接管上的阀门时。 

(3)在瓦斯保护及其二次回路上进行工作时。 

(4)除采油样和在瓦斯继电器上部的放气阀放气处，在其他所有地方打开放气、放油和进油阀门时。 

(5)当油位计的油面异常升高或吸吸系统有异常现象，需要打开放气或放油阀门时。 

3.在地震预告期间，应根据变压器的具体情况和气体继电器的抗震性能确定

重瓦斯保护的运行方式。地震引起重瓦斯保护动作停运的变压器，在投运前应对

变压器及瓦斯保护进行检查试验，确认无异常后，方可投入。

（七）瓦斯保护信号动作的主要原因

轻瓦斯动作的原因： 

　　a.因滤油、加油或冷却系统不严密以至空气进入变压器。 

　　b.因温度下降或漏油致使油面低于气体继电器轻瓦斯浮筒以下 

　  c.变压器故障产生少量气体 

　　d.变压器发生穿越性短路故障。在穿越性故障电流作用下，油隙间的油流速度加快，当油隙内和绕组外侧产生的压力差变化大时，气体继电器就可能误动作。穿越性故障电流使绕组动作发热，当故障电流倍数很大时，绕组温度上升很快，使油的体积膨胀，造成气体继电器误动作。 

　  e.气体继电器或二次回路故障。 

　　以上所述因素均可能引起瓦斯保护信号动作。

（八）瓦斯保护装置动作的处理

变压器瓦斯保护装置动作后，应马上对其进行认真检查、仔细分析、正确判定，立即采取处理措施。 

1.瓦斯保护信号动作时，立即对变压器进行检查，查明动作原因，上否因积聚空气、油面降低、二次回路故障或上变压器内部邦联造成的。如气体继电器内有气休，则应记录气体量，观察气体的颜色及试验上否可燃，并取气样及油样做色谱分析，可根据的关规程和导则判定变压器的故障性质。色谱分析是指对对收集到的气体用色谱仪对其所含的氢气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等气体进行定性和定量分析，根据所含组分名称和含量准确判定邦联性质，发展趋势、和严重程度。 

　　若气体继电器内的气体无色、无臭且不可燃，色谱分析判定为空气，则变压器可继续运行，并及时消除进气缺陷。 

　　若气体继电器内的气体可燃且油中溶解气体色谱分析结果异常，则应综合判定确定变压器是否停运。 

　  2.瓦斯继电器动作跳闸时，在查明原因消除故障前不得将变压器投入运行。为查明原因应重点考虑以下因素，作出综合判定。 

　　(1)是否呼吸不畅或排气未尽； 

　　(2)保护及直流等二次回路是否正常； 

　　(3)变压器外观有无明显反映故障性质的异常现象； 

　　(4)气体继电器中积聚的气体是否可燃； 

　　(5)气体继电器中的气体和油中溶解的气体的色谱分析结果； 

　　(6)必要的电气试验结果； 

(7)变压器其它继电保护装置的动作情况。

（九）瓦斯保护的反事故措施

瓦斯保护动作，轻者发出保护动作信号，提醒维修人员马上对变压器进行处理；重者跳开变压器开关，导致变压器马上停止运行，不能保证供电的可靠性，对此提出了瓦斯保护的反事故措施： 

　  1.将瓦斯继电器的下浮筒改为档板式，触点改为立式，以提高重瓦斯动作的可靠性。 

　　2.为防止瓦斯继电器因漏水而短路，应在其端子和电缆引线端子箱上采取防雨措施。 

　  3.瓦斯继电器引出线应采用防油线。 

4.瓦斯继电器的引出线和电缆应分别连接在电缆引线端子箱内的端子上。

（十）结论

变压器瓦斯信号动作后，运行人员必须对变压器进行检查，查明动作的原因，并立即向上级调度和主管领导汇报，上级主管领导应立即派人去现场提取继电保护气样、油样和本体油样，分别作色谱分析。根据现场分析结论采取相应对策，避免事故的发生，以保证变压器的安全经济运行。

二、纵差动保护

采用差动继电器作保护的测量元件，用来比较被保护元件各端电流的大小和相位之差，从而判断保护区内是否发生短路。 

由于纵联差动保护只在保护区内短路时才动作，不存在与系统中相邻元件保护的选择性配合问题，因而可以快速切除整个保护区内任何一点的短路，这是它的可贵优点。但是，为了构成纵联差动保护装置，必须在被保护元件各端装设电流互感器，并将它们的二次线圈用辅助导线连接起来，接差动继电器。由于受辅助导线条件的，纵向连接的差动保护仅限于用在短线路上，对于发电机、变压器及母线等，则可广泛采用纵联差动保护实现主保护。

目前，在一些新型的变压器差动保护装置中，多采用利用变压器励磁涌流特征的制动特性，以躲过变压器励磁涌流对差动保护的影响。这一措施大大提高了变压器差动保护的灵敏度。例如，利用2次谐波或变压器励磁涌流具有的间断角，以实现制动作用。但以此原理构成的差动保护，当电流互感器二次回路断线时，将可能误动作。但由于能提高变压器差动保护的灵敏度，而对大型变压器来讲，提高差动保护灵敏度是主要的，电流互感器二次回路短线机会又很少，所以采取此种方法也是可取的。

（一）变压器参数计算

那么，

则得到变压器等值阻抗图如图5-1：

图5-1    变压器等值阻抗图

公式中S为基准值，取3000MVA

（二）电流计算

进而，计算得到变压器各侧一、二册电流如表5-1：

表5-1  变压器各侧一、二次电流

1.220kV侧发生三相短路时的电流

=0.2

==3.79

2.110kV侧发生三相短路时的电流

=0.2+2.25-0.25=2.2

==0.442

3.10kV侧发生三相短路时的电流

=0.2+2.25+1.42=3.934

==0.254

（三）整定计算

1.躲开励磁涌流

公式中-保护动作电流；

      -变压器额定电流；

      K-可靠系数，取1.5

2.躲开不平衡电流

公式中-保护动作电流；

      K-电流互感器同型系数，同型号时取0.5，不同型号时取1；

      K-可靠系数，取1.3；

      -调压分接头引起的误差，取调压范围的一半；

      -流过电流互感器的短路电流。

3.躲开电流互感器二次回路断线时的差动电流

公式中-保护动作电流；

      -变压器额定电流；

      K-可靠系数，取1.3。

所以选取=30KA

三、电流和电压后备保护

为了防止变压器外部故障引起的的过电流及作为变压器之后备保护，在变压器上装设带低电压或不带低电压闭锁的过电流保护装置。如果其灵敏度不够，或为了简化保护线，也可装设带负荷电压闭锁的过电流保护。

    变压器过电流保护的装设可按以下原则确定：

    对于单侧电源的变压器。后备保护装设于电源侧，作为差动保护、瓦斯保护的后背或相邻原件的后背。

对于多侧电源的变压器。后备保护装设于变压器各侧。起作用为：

1.作为变压器差动保护的后备。要求它动作后启动总出口继电器。对于零序过电流保护，由于变压器中性点接地而使零序电流分布发生变化，往往会使零序电流保护的灵敏度降低，因此要求在变压器的两侧均装设能动作与总出口的零序电流保护段。对于相间过电流，则一般可只在主电源侧装设动作与总出口的保护段，但该保护段对于变压器各侧的故障均能满足灵敏度要求。

2.变压器各侧装设的后备保护，主要作为各侧母线和线路的后备保护，故要求只动作于本册的断路器。

3.作为变压器断路器与其电流互感器之间死区故障的后备保护。

下面以变压器过电流保护为例计算：

（一）220kV侧

1.躲开额定电流整定

2.动作时间

假设110kV侧的动作时间为ts，10kV侧的动作时间为ts，220kV侧的动作时间为ts，取为0.5s，则：｛            

其中，取=610A

（二）110kV侧

1.躲开额定电流整定

2.动作时间

假设220kV侧的动作时间为ts，10kV侧的动作时间为ts，110kV侧的动作时间为ts，取为0.5s，则：｛            

其中，取=1215A

（三）10kV侧

1.躲开额定电流整定

2.动作时间

假设220kV侧的动作时间为ts，110kV侧的动作时间为ts，10kV侧的动作时间为ts，取为0.5s，则：｛            

取=3110A

四、其他保护

    此外，还有防御外部相间短路并作瓦斯保护和纵差动保护或电流速断保护后备的过电流保护，防御中性点直接接地电网中外部接地短路的零序电流保护和防御对称过负荷的过负荷保护，这里就不再多介绍。