浅谈变压器保护

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一、概述

电力变压器是电力系统中的重要电气设备。变压器之于变电站就好像心脏之于人体，是变电站中最昂贵的设备，变压器故障会对供电可靠性和系统的安全稳定运行带来严重的影响。因此应该根据变压器容量和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。

下面以35KV双卷变为例，探讨变压器保护。

二、变压器的故障和异常

变压器故障可以分为内部故障和外部故障

内部故障分为三种，如图：

第一种、变压器绕组相间短路 ；图中用d1表示

第二种、变压器绕组匝间短路 ；图中用d2表示

第三种、变压器绕组接地短路 ：图中用d3表示

外部故障分为两种，如图：

第一种、绝缘套管的相间短路与接地短路；图中用d1表示

第二种、引出线上发生的相间短路和接地；图中用d2表示

其次：变压器的异常：

第一、由于外部短路引起的过电流；

第二、负荷长时间超过额定容量引起的过负荷；

第三、油箱漏油造成的油面降低；

变压器的故障要动作于掉闸或动作于信号，对于异常工作状态，变压器保护也必须能够反应。发告警信号，或延时跳闸。

三、变压器保护配置

针对以上分析结果，对于不同类型的故障和异常，设置相应的保护，变压器保护可以分为主保护和后备保护两种。

1、主保护（包括瓦斯保护和纵差保护或电流速断保护）

（1）瓦斯保护：本体和有载重瓦、轻瓦。其中轻瓦动作于信号，重瓦动作于跳闸

针对：各种内部故障及漏油。

优点：油箱内部所有故障，有较高灵敏性。

缺点：动作时间较长；保护范围小，不能反应油箱外部的故障。

（2）纵差保护或电流速断保护（反映电气量的保护，根据变压器容量选择，一般容量6300KVA以上的变压器装设纵差保护，这也是目前石家庄地区普遍采用的保护方式）

纵差保护反应绕组、套管及引出线上的相间短路，在一定程度上反应绕组内部匝间短路及中性点接地侧的接地短路。

特点：瞬时动作切除故障

后备保护

包括：（1） 过电流保护

（2）复合电压起动的过流保护

3、其它非电气量保护

(1) 油箱内温度（温度计，可以将温度信号通过站端远传至调度，发报警信号）

(2) 压力升高（通过主变邮箱顶盖上的防爆阀，当内部发生严重短路故障，绝缘油受热急剧膨胀将通过防爆阀释放压力）

上面介绍了变压器的主后及非电量保护，我们可以通过一幅图来直观地对比各种保护的保护范围：

非电量保护范围在主变内部，范围最小；差动保护范围为两侧CT之间，高后备保护范围可延伸到主变低压侧，低后备保护范围为低压侧CT以下、母线和出线开关近距离部分，还可作为出线保护的后备保护。

需要说明的是：为了使差动保护范围最大化，CT差动圈选用最外侧的圈，而且将开关包在CT内侧。

四、变压器的纵差保护

变压器纵差保护原理

如图：

变压器两侧CT都以母线侧为同名端，当变压器正常运行时，高低压侧一次电流流向都是从上至下，方向相同，二次电流方向相反，矢量和为零，保护不动作。当变压器内部短路时低压侧电流减小，可视为零，高压侧电流突然增大，流入继电器的二次电流为不平衡电流这个值比较大，继电器动作，开关掉闸，故障切除。

变压器纵差保护原理简单，但实现起来并不容易，有若干种干扰因素产生的不平衡电流，使得正常情况下流入差动继电器的电流不为零：

2、引起变压器纵差保护不平衡电流的主要因素有：

（1）变压器两侧绕组接线方式不同；

（2）变压器、电流互感器的计算变比与实际变比不同；

（3）变压器带负荷调节分接头；

（4）电流互感器传变误差的影响；

（5）变压器励磁电流产生的不平衡电流；

（6）变压器励磁涌流

变压器两侧绕组接线方式不同产生的不平衡

图中为两卷变中最常见的星三角Yd11接线方式，由向量图可以看出同一相的三角侧比星测滞后30°

解决办法：将星侧CT二次侧接为角形，三角侧CT二次接为星型。这种方法现在基本已经不用了，目前大多变压器均采用微机保护，两侧都接成星形，在保护装置内部进行软件调整。十分方便。

CT的计算变比与实际变比不同产生的不平衡

变压器的变比、电流互感器的变比都是根据产品目录来选择的标准变比，很难满足。

比如一台10000KVA变压器，额定电压35/10.5KV，高压侧额定电流=10000/1.732/35=165A,低压侧额定电流=10000/1.732/10.5=550A,高压侧CT变比应选165/5，低压侧CT变比应选550/5，实际并没有这种规格的CT，只能选200/5和600/5。所以应该Nta2/Nta1=165/5/550/5=3.33，也就是变压器变比，而实际上CT变比之比=3。

变压器带负荷调整分接头产生的不平衡

变压器在运行中常常需要改变分接头来调电压，这样就改变了变压器实际变比，出现不平衡差流。

解决办法: 定值整定时增大动作电流门槛值。

（4）两侧电流互感器传变误差产生的不平衡

a.稳态不平衡电流

变压器两侧电流互感器的型号不同，励磁特性差别较大。

b.暂态不平衡电流

外部故障时，短路电流中还含有非周期暂态分量，非周期分量按一定的时间常数衰减，是低频分量，大部分流经励磁支路，增加 CT 的传变误差，导致不平衡电流增大。

克服措施: a.选用具有较好暂态传变特性的CT；

b.增大动作电流门槛值；

变压器励磁涌流的影响

当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中，由于变压器铁心中的磁通急剧增大，使变压器铁心瞬时饱和，出现数值很大的励磁涌流。励磁涌流可达变压器额定电流的 6～8 倍，如不采取措施变压器纵差保护将会误动。这一因素是影响差动保护的重要因素。

稳态时，磁通滞后电压 90°；当 U=0 时投入变压器，铁心出现磁通 Φm ，铁心中磁通不能突变，必须产生+Φm 的非周期分量，以抵消 Φm ，使得 Φ=0 ，考虑到剩磁Φsy的影响，半个周波后，铁心中的磁通达到最大值，严重饱和，对应的励磁涌流此时也达到最大。

单相变压器励磁涌流的特征

a.数值较大，可达额定电流的6～8倍，偏于时间轴一侧；

b.含有较大的直流分量；

c.励磁涌流中含有大量的谐波分量，其中以二次谐波为主；

d.励磁涌流的波形中有间断。

解决方法：采用励磁涌流闭锁措施：（有基于三种原理的闭锁）

a.二次谐波制动原理；（目前多采用）

b.间断角制动原理；

c.波形对称原理；

前面我们针对不同问题采取对应措施躲过了正常情况下的不平衡电流，但还有一种不平衡电流：外部故障时产生的不平衡电流，这就引出了一个概念：“比率制动”，下面介绍比率制动式纵差保护：

3、比率制动式纵差保护

流入差动继电器的不平衡电流与变压器外部故障时的穿越电流有关，穿越电流越大，不平衡电流越大。比率制动差动保护，利用反应变压器穿越电流大小的制动电流，使保护动作电流随制动电流而变化，当外部短路穿越电流增大，制动电流随之增加，增强了外部故障时的制动作用，有效地防止了不平衡电流引起的误动，同时提高了内部故障时的灵敏度。

目前广泛应用的数字式变压器纵差动保护，普遍使用两折线或三折线比率制动特性。以两折线为例：

动作判据是：在制动电流小于最小制动电流时，动作电流应大于等于最小动作电流，在制动电流大于最小制动电流时，考虑制动系数，满足下面的公式即可，其中Id=两侧CT二次电流的矢量和，制动电流采用两种算法。

4、差动电流速断保护

在变压器严重内部故障时，短路电流较大，使得CT饱和，其二次电流中高次谐波分量增大，可能影响到比率差动保护的快速动作，因此，变压器纵差动保护应配置差动电流速断保护，作为辅助保护加快内部严重故障时保护的动作速度，其实质是反应差动电流的电流瞬时速断保护。按照躲过励磁涌流整定即：（6―10）Ie。

五、变压器的后备保护

高压侧后备保护：用以防止变压器外部短路引起变压器绕组的过电流及作为变压器本身差动保护和瓦斯保护的后备；

低压侧后备保护：当变压器所连接母线未装设专用母线保护时也作为母线的保护。还可以作为出线的近距离故障保护的后备。

后备保护可选用过电流保护或复合电压启动的过电流保护。

1.过电流保护

动作电流按躲过变压器可能出现的最大负荷电流整定：

需要分别考虑躲过并列运行的变压器切除一台时产生的过负荷电流，躲过电动机负荷的自起动电流等，动作时限和灵敏度需要与相邻元件的过电流保护相配合。

2. 复合电压启动的过电流保护

复合电压是指负序电压和低电压，因为不对称故障将产生负序电压，所以负序过电压继电器作为不对称故障的电压保护，而低电压继电器作为三相（对称）短路的电压保护。

动作电流按躲过变压器额定电流整定 ：

负序电压过电压继电器的动作电压按躲过正常运行时出现的最大不平衡电压整定：

负序电压过电压继电器的动作电压按躲过正常运行时出现的最大不平衡电压整定：

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。