PS系列数字式变压器保护装置(
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PS系列数字式变压器保护装置
内部培训资料
国电南京自动化股份有限公司
南京新宁电力技术有限公司
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目 录
第一节 概述..................................................................................................................................... 3
一 变压器的基本结构及接线组别 ....................................................................................... 3
二 变压器的故障及不正常运行方式 ................................................................................... 5
三 变压器保护的配置 ........................................................................................................... 5 第二节 故障量经变压器的传递 ................................................................................................... 6
一 简化假设 ........................................................................................................................... 6
二 Y/?-11变压器高压侧单相接地短路 ........................................................................... 6
三 Y/?-11变压器高压侧B、C两相接地短路 ............................................................... 8
四 Y/?-1变压器高压侧B、C两相短路 ....................................................................... 10
第三节 变压器纵差保护 ............................................................................................................. 11
一 变压器纵差保护的构成原理及接线 ............................................................................. 11
二 实现变压器纵差保护的技术难点 ................................................................................. 12
四 变压器纵差保护的实现 ................................................................................................. 16
五 微机变压器纵差保护 ..................................................................................................... 20 第四节 其他差动保护 ................................................................................................................. 32
一 分侧差动保护 ................................................................................................................. 32
二 零差保护 ......................................................................................................................... 35 第五节 差动保护的TA断线闭锁 .............................................................................................. 38
一 TA断线闭锁元件的作用原理 ....................................................................................... 38
二 关于TA断线闭锁元件的作用 ...................................................................................... 39 第六节 短路故障的后备保护 ..................................................................................................... 39
一 复合电压过电流保护 ..................................................................................................... 39
二 零序电流及零序方向电流保护 ..................................................................................... 42
三 负序电流及负序方向电流保护 ..................................................................................... 45
四 低阻抗保护 ..................................................................................................................... 46 第七节 变压器过激磁保护 ........................................................................................................... 49
一 过激磁保护的作用原理 ................................................................................................. 49
二 测量过激磁倍数的原理接线 ......................................................................................... 50
三 动作方程及逻辑框图 ..................................................................................................... 51
四 逻辑框图 ......................................................................................................................... 52 第八节 变压器中性点间隙保护 ................................................................................................. 54
一 问题的提出 ..................................................................................................................... 54
二 间隙保护的作用原理 ..................................................................................................... 54 第九节 三卷自耦变压器保护的特点 ......................................................................................... 56 第十节 非电量保护 ..................................................................................................................... 60 第十一节 TA的选择和影响 ..................................................................................................... 61 第十二节 启动失灵保护 ............................................................................................................. 64
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第一节 概述
变压器是电力系统重要的主设备之一。在发电厂通过升压变压器将发电机电压升高，而由输电线路将发电机发出的电能送至电力系统中;在变电站通过降压变压器再将电能送至配电网络，然后分配给各用户。在发电厂或变电站，通过变压器将两个不同电压等级的系统联起来，该变压器称作联络变压器。
一 变压器的基本结构及接线组别
电力变压器主要由铁芯及绕在铁芯上的两个或三个绝缘绕组构成。为增强各绕组之间的绝缘及铁芯、绕组散热的需要，将铁芯及绕组置于装有变压器油的油箱中。然后，通过绝缘套管将变压器各绕组的两端引到变压器壳体之外。
另外，为提高变压器的传输容量，在变压器上加装有专用的散热装置，作为变压器的冷却器。 大型电力变压器均为三相变压器或由三个单相变压器组成的三相变压器。 将变压器同侧的三个绕组按一定的方式连接起来，组成某一接线组别的三相变压器。 双卷电力变压器的接线组别主要有:Y0/Y、YN/?、?/?、及?/?,?。理论分析
表
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明，接线组别为Y0/Y压器，运行时某侧电压波形要发生畸变，从而使变压器的损耗增加，进而使变压器过热。因此，为避免油箱壁局部过热，三相铁芯变压器按Y/Y联接的方式，只适用于容量为1800KVA以下的小容量变压器。而超高压大容量的变压器均采用Y0/?的接线组别。
在超高压电力系统中，Y0/?接线的变压器，呈Y形联接的绕组为高压侧绕组，而呈?形联接的绕组为低压侧绕组，前者接大电流系统(中性点接地系统)，后者接小电流系统(中性点不接地系统)。
在实际运行的变压器中，在Y0/?接线的变压器的接线组别中，以Y0/?-11为最多，Y0/?-1及Y0/?-5的也有。
Y0/?-11接线组别的含意是:(a)变压器高压绕组接成Y型，且中性点接地，而低压侧绕组接成?;(b)低压侧的线电压(相间电压)或线电流分别滞后高压侧对应相线电压或线电流3300。3300相当于时钟的11点钟，故又称11点接线方式。
同理，Y/?,1接线组别，则表示?侧的线电流或线电压分别滞后Y侧对应相线电流或线电压300。相当时钟的1点，分别称之为1点接线。
在电机学中，对变压器各绕组之间相对极性的表示法，通常用减极性表示法。 Y0/?-11、Y0/?-1接线组别变压器各绕组接线，相对极性及两侧电流的向量关系，分别如图11-1、图11-2所示。
3
A BCA BC**
**
**
IIAIBCIIAIBC
I'I'I'bca**I'I'I'bca
**
IIIabc**IIIabc a b c a b c
(a)接线方式 (b) 接线方式
IaIA-I' cIaIAI'a-I' b
I'a?30?Ic30?30?I30b?30?-I' b30I'cI'b
IC-I' cIBI'cI'b
ICI-I'B a
-I'图 aIb9-4
(b) 向量图 (b) 向量图 Ic
图11-1 Y0/?-11变压器绕组接线方式 图11-2 Y0/?-1变压器组接线方式及 及两侧电流向量图 两侧电流向量图
，，，IIIABC在上述各图中:、、,变压器高压侧三相电流;
，，，IIIabc 、、,变压器低压侧三相电流;
,各绕组之间的相对极性。
，，，IIIabc由图可以看出:Y0/?-11接线的变压器，低压侧三相电流、、分别滞后高压侧三相
，，，，，，IIIIIIABCabc电流、、3300; Y0/?-1接线的变压器低压侧三相电流、、分别滞后高压侧
，，，IIIABC三相电流、、300;
4
二 变压器的故障及不正常运行方式
1 变压器的故障
若以故障点的位置对故障分类，变压器的故障，有油箱内的故障和油箱外的故障。 (1)油箱内部的故障
变压器油箱内的故障，主要有各侧的相间短路，大电流系统侧的单相接地短路及同相部分绕组之间的匝间短路。
(2)油箱外的故障
变压器油箱外的故障，系指变压器绕组引出端绝缘套管及引出短线上的故障。主要有相间短路(两相短路及三相短路)故障，大电流侧的接地故障、低压侧的接地故障。 2 变压器的异常运行方式
大型超高压变压器的不正常运行方式主要有:由于系统故障或其他原因引起的过负荷，由于系统电压的升高或频率的降低引起的过激磁，不接地运行变压器中性点电位升高，变压器油箱油位异常，变压器温度过高及冷却器全停等。
三 变压器保护的配置
变压器短路故障时，将产生很大的短路电流。很大的短路电流将使变压器严重过热，烧坏变压器绕组或铁芯。特别是变压器油箱内的短路故障，伴随电弧的短路电流可能引起变压器着火。另外短路电流产生电动力，可能造成变压器本体变形而损坏。
变压器的异常运行也会危及变压器的安全，如果不能及时发现及处理，会造成变压器故障及损坏变压器。
为确保变压器的安全经济运行，当变压器发生短路故障时，应尽快切除变压器;而当变压器出现不正常运行方式时，应尽快发出告警信号及进行相应的处理。为此，对变压器配置整套完善的保护装置是必要的。
1 短路故障的主保护
变压器本体故障的主保护，主要有纵差保护、重瓦斯保护、压力释放保护等非电量保护。另外，根据变压器的容量、电压等级及结构特点，可配置零差保护或分侧差动保护。 2 短路故障的后备保护
目前，电力变压器上采用较多的短路故障后备保护种类主要有:复合电压闭锁过流保护;零序过电流或零序方向过电流保护;负序过电流或负序方向过电流保护;复压闭锁功率方向保护;低阻抗保护等。
3 异常运行保护
变压器异常运行保护主要有:过负荷保护，过激保护，变压器中性点间隙保护，轻瓦斯保护，温度、油位保护及冷却器全停保护等。
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第二节 故障量经变压器的传递
当变压器某侧系统中发生故障时，变压器非故障侧各相电流的大小、相位及其他特点，除与故障侧故障类型、严重程度有关之外，尚与变压器的接线方式有关。
在变压器保护配置设计及分析保护的动作行为时，必须知道变压器故障时其两侧故障电流的大小及相位关系。
以下介绍故障电流及故障电压经Y0/?-11、Y0/?-1接线组别的变压器传递。 一 简化假设
为简化分析及突出故障分量经变压器的传递，作以下几点假设:
不考虑变压器的变比，不考虑负荷电流及过渡电阻对短路电流及故障电压的影响。 当变压器高压侧故障时，认为故障电流全部由低压侧供给;而变压器低压侧故障时，认为故障电流全部由变压器高压侧提供。
故障点在变压器输出端部;忽略有效分量的影响，阻抗角为900。
二 Y/?-11变压器高压侧单相接地短路
1 边界条件及对称分量
设变压器高压侧A相发生金属性接地短路，故障电流为IK。则故障点的边界条件为 ，，，，，I,I,0I,IU,0BCAKA;;
，，，，，，IIUUIUA1AOA1A2A2AO设A相各序量电流及各序量电压分别为、、及、、，则根据边界条件可求得各序量:
112，，，，，I,(I，aI，aI),IAABCK133
112，，，，，I,(I，aI，aI),IAABCK233
11，，，，，I,(I，I，I),IA0ABCK33
，，，U，U，U,0A1A2A0
0j120a,ea在上述各式中:——旋转因子，
可得:
1，I，，，KIIIA1A2AO3=== ………………………………………(11-1)
，，，UUUA1A2AO =-(+) ………………………………………(11-2)
6
1,，，()U,X，XIA12,0,K,3,,,1，，，,,,,UXIXI,A22,A12,K3,,,1，，，UXIXI,,,,,A00,A10,K3, ………………………………………(11-3)
X0,在式(11-3)中:——系统对故障点的等效零序电抗;
X2, ——系统对故障点的等效负序电抗。
2 变压器高压侧电压及电流向量图和序量图
，UA1若以A相的正序电压为参考向量(置于纵坐标轴上)，根据式(11-1),(11-3)，并考
XX0,2,虑到零序电抗通常大于负序电抗，可绘制出变压器高压侧的电流、电压的序量图及向量图。如图11-4所示。
UA1
IIB2C1=UC2UB2
IIIA0A2A1==II=AKUIIIA2B0C0A0==
UC1UB1，，I,I,0BCUUUIA0B0C0IC2=B1==
UUCB 图9-7a,,(a)电压序量及向量图 (b)电流序量及向量图
图11-4 变压器高压侧A相接地故障点的电压、电流序量图及向量图 由图11-4可以看出，当变压器高压侧单相接地短路时，其他两非故障相的电压不会降低，
XX2,0,但两相电压之间的相位差要发生变化。其变化的大小和方向与负序电抗及零序电抗
，，I,I,0BC的相对大小有关。不计负荷电流影响时。
3 变压器低压侧电压、电流的序量图和向量图
由于变压器的接线组别为Y/?-11，根据序量经变压器传递原理知:变压器Y侧的正序电压和正序电流向?侧传递时，将逆时针移动300;而负序电压和负序电流向?侧传递时，将顺时针移动300;Y侧的零序电压和零序电流不会出现在变压器?侧的输出端(即?的线电压和线电流中不会出现零序电压及零序电流)。
，UA1根据图11-4及序量经变压器传递原理，并以高压侧的为参考向量，绘制出的变压器?侧电压、电流的向量图及序量图如图11-5所示。
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Ib2Ua1
IIUc1a1c2
Ua
IIcaUbUUb2b1
UcIIc2a2Ua2
Ib1 图图9-8a,,9-8b,,(a) 电压向量及序量图 (b) 电流向量及序量图
图11-5 Y/?-11变压器高压侧A相接地短路时?侧电压、电流序量图和向量图 由图11-5可以看出:当Y/?-11变压器高压侧A相发生单相接地故障时，低压侧故障相的后序相(b相)电流等于零，而电压最高。其他两相(a相和c相)电流大小相等，方向相反。
4 低压侧电压和电流大小的计算
(1) 低压侧电流
230I,I,Icos30,IacKK33 ;
I,0b 。
(2) 低压侧的电压
IIKK,,U,(X，X)，X,(2X，X)2,0,2,2,0,b33 ;
I22KU,U,3X，3XX，X,,,,ac22003 。
三 Y/?-11变压器高压侧B、C两相接地短路 1 边界条件及对称分量
，IK当变压器高压侧B、C两相接地短路时(设短路电流为)，可得故障点的边界条件为;
，，，IU,U,0ABC =0;
将该边界条件用对称分量表示，可得
，UA，，，U,U,U,A1A2A03 ....................................(11-4)
，，，I,,(I，I)A1A2A0 ....................................(11-5)
2 高压侧电压、电流向量图和序量图
，UA1根据式(11-4)和式(11-5)，并以参考向量(置于纵坐标上)，则可绘制出故障点电压、电流的向量图和序量图。如图11-6所示。
8
IkC
U3UAA1I=C1
IC2
III=C0B0A0=IIA2A1UUU==A1A2A0?IB2UUB0C0
，，U,U,0BC?IZ < Z02B1
IkB UC1UB1(a)电压向量图及序量图 (b)电流向量图及序量图 UB2UC2
图11-6 Y0/?-11变压器高压侧B、C两相接地短路时高压侧电压、电流向量图和序量图
UaIIac
Ia1UUa1Ia2c1
Ic2Ia2Ub2Ub1
Uc1Ib2Uc2
IUb1c
Ib
(a) 电压向量图衣序量图(b) 电流向量图及序量图 图11-7 Y/?-11变压器高压侧B、C两相接地短路时低压侧电压、电流向量图和序量图 由图11-6(b)可以看出:Y/?-11变压器高压侧B、C两相发生接地短路时，B、C两相的电流大小相等，两者之间的相位发生变化，其变化的大小和方向决定于零序电流与负序电流之比。
3 变压器低压侧电压、电流的向量图和序量图
，UA1根据图11-6所示的向量图、序量图以及序量经Y/?-11变压器传递原理，并以正序电压为参考向量，可以画出变压器高压侧B、C两相接地短路时，低压侧的电压、电流的序量图和向量图。如图11-7所示。
4 低压电压和电流大小的计算
由图11-7(a)可以看出，当Y/?-11变压器高压侧B、C两相发生接地短路时，变压器低
，U,0b压侧B相电压等于零(即)，而a、c两相电压大小相等，方向相反，其值为
2U30A，U,U,cos30,UacA33
由图11-7(b)可以看出，低压侧b相电流最大，其值等于
EX0,d，，，I,I，I,，(1)12bbbXXX，X2,0,2,0,X，1,X，X2,0,
9
EXX20,0,d,,，,II1()acXX，，XXXX2,0,2,0,2,0,，X1,，XX2,0,
Ed以上各式中:——电源的等值电势;
XXX1,2,0, 、、——分别为系统对故障点的等值正序电抗、负序电抗和零序电抗。
四 Y/?-1变压器高压侧B、C两相短路 1 边界条件及对称分量
I1L当变压器高压侧B、C两相短路时，设短路电流为，故障点的边界条件为
，，，，，I,0I,,IU,UABCBC ;;
将该边界条件用对称分量表示，则得
,132，，，IaaII,(,),,A1BK33,,3,，，II,,,A2K3,，,I,0A0,,, ……………………………………(11-6)
，,,U0A0,,3，，U,U,jIX,jIX,A1A2A12,K2,3, ………………………………(11-7)
X2,在式(11-7)中:——对故障点的等值负序电抗。
2 变压器高压侧电压、电流的序量图和向量图
，UA1根据式(11-6)和式(11-7)并以为参考向量，划出变压器高压侧B、C两相短路时故障点的电压、电流的序量图和向量图。如图11-8所示。
ICUUAaIc
IIC1UUC2A2A1IIc2c1UUa2a1
IA2IA1Uc1Uc2UC1Ib1UB1Ia1UIB2B1IIUB2a2C2Ib2Ub2Ub1
UA==UUCB=, 2IIabIB―Ub 图图9-11b9-11a,,图,,9-12b,,9-12a(a)电压向量图 (b)电流向量图 (a)电压向量图 (b)电流向量图 ,,
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及序量图 及序量图 及序量图 及序量图 图11-8 Y0/?-1变压器高压侧B、C两相短 图11-9 Y0/?-1变压器高压侧B、C两相短 路时故障电压、电流向量图及序量图 路时低压侧电压、电流向量图及序量图 根据图11-8及序量经Y/?-1变压器的传递原理，绘制出的变压器低压侧电压、电流序量图及向量图。如图11-9所示。
由图11-9可以看出:Y/?-1变压器高压侧发生B、C两相短路时，低压侧的C相电压等于零，而a相电压和b相电压大小相等，方向相反，其值也有降低。低压侧c相电流最大，而a相电流与b相电流大小相等、方向相同，且与C相电流相电流相位差为1800。 4 低压侧电压和电流值的计算
(1)各相电压
由11-9(a)可以得出:
，U,0c;
3133，，U,2U,，2U,Uaa1AA2222
3，U,UbA2
(2)各相电流
由图11-9(b)可以得出:
3323I,II,II,IaKbKcK333 ;;。
第三节 变压器纵差保护
一 变压器纵差保护的构成原理及接线
与发电机、电动机及母线差动保护(纵差保护)相同，变压器纵差保护的构成原理也是基于克希荷夫第一定律(变压器作为电力系统的一元件，不满足克希荷夫第一定律，而是一能量守恒元件)，即
，I,0, ……………………………………………………(11-9)
，I,式中:,变压器各侧电流的向量和。
式(11,9)代表的物理意义是:变压器正常运行或外部故障时，流入变压器的电流等于流出变压器的电流。此时，纵差保护不应动作。
当变压器内部故障时，若忽略负荷电流不计，则只有流进变压器的电流而没有流出变压器的电流，其纵差保护动作，切除变压器。
在以前的模拟式保护中，变压器纵差保护的原理接线如图11-12所示。
11
******LH1
***JA
JB
JC
***
LH2******
图11-12 变压器纵差保护原理接线图
在图11-12中:LH1、LH2,分别为变压器两侧的差动TA;
JA、JB、JC,分别为A、B、C三相的三个分相差动继电器。 可以看出:图11-12为接线组别为Y0/?-11变压器的分相差动保护的原理接线图。该接线图也适用于微机型变压器差动保护。图中相对极性的标号,采用减极性标示法。
二 实现变压器纵差保护的技术难点
实现发电机、电动机及母线的纵差保护比较容易。这是因为这些主设备在正常工况下或外部
，I,0,故障时其流进电流等于流出电流，能满足的条件。而变压器却不同。变压器在正常运行、外部故障、变压器空投及外部故障切除后的暂态过程中，其流入电流与流出电流分别相差较大或很大。
为此，要实现变压器的纵差保护，需要解决几个技术难点。
1 变压器两侧电流的大小及相位不同
变压器正常运行时，若不计传输损耗，则流入功率应等于流出功率。但由于两侧的电压不同，其两侧的电流不会相同。
超高压、大容量变压器的接线方式，均采用Y0/?方式。因此，流入变压器电流与流出变压器电流的相位不可能相同。当接线组别为Y0/?-11(或Y0/?-1)时，变压器两侧电流的相位相差300。(根据负荷情况，变压器为三圈变压器时，相角可能不同，但电压始终满足上条件)
，I,流入变压器的电流大小和相位与流出电流大小和相位不同，则就不可能等于零或很小。 2 稳态不平衡电流大
与发电机、电动机及母线的纵差保护相比，即使不考虑正常运行时某种工况下变压器两侧电流大小与相位的不同，在正常运行时，变压器纵差保护两侧的不平衡电流也大。其原因是: (1)变压器有励磁电流
12
变压器铁芯中的主磁通是由励磁电流产生的，而励磁电流只流过电源侧，在实现的纵差保护中将产生不平衡电流。
励磁电流的大小和波形，受磁路饱和、磁滞及涡流的影响，并由变压器铁芯材料及铁芯的几何尺寸决定，一般为变压器额定电流的3%,8%。大型变压器的励磁电流相对较小。 (2)变压器带负荷调压
为满足电力系统及用户对电压质量的要求，在运行中，根据系统的运行方式及负荷工况，要不断改变变压器的分接头。变压器分接头的改变，相当于变压器两侧之间的变比发生了变化，将使两侧之间电流的差值发生了变化，从而增大了其纵差保护中的不平衡电流。 根据运行实际情况，变压器带负荷调压范围一般为?5%。因此，由于带负荷调压，在纵差保护产生的不平衡电流可达5%的变压器额定电流。
(3)两侧差动TA的变比与计算变比不同
变压器两侧差动TA的名牌变比，与实际计算值不同，将在纵差保护产生不平衡电流。另外，两侧TA的型号及变比不一，也将使差动保护中的不平衡电流增大。由于两侧TA变比误差在差动保护中产生的不平衡电流可取6%。
3 暂态不平衡电流大
(1)两侧差动TA型号、变比及二次负载不同
与发电机纵差保护不同，变压器两侧差动TA的变比不同、型号不同;由各侧TA端子箱引至保护盘TA二次电缆的长度相差很大，即各侧差动TA的二次负载相差较大。 差动TA型号及变比不同，其暂态特性就不同;差动TA二次负载不同，二次回路的暂态过程就不同。这样，在外部故障或外部故障切除后的暂态过程中，由于两侧电流中的自由分量相差很大，可能使两侧差动TA二次电流之间的相位发生变化，从而可能在纵差保护中产生很大的不平衡电流。
(2)空投变压器的励磁涌流
空投变压器时产生的励磁涌流的大小，与变压器结构有关，与合闸前变压器铁芯中剩磁的大小及方向有关，与合闸角有关;此外，尚与变压器的容量、距大电源的距离(即变压器与电源之间的联系阻抗)有关。
多次测量表明:空投变压器时的励磁涌流通常为其额定电流的2,6倍，最大可达8倍以上。 由于励磁涌流只由充电侧流入变压器，对变压器纵差保护而言是一很大的不平衡电流。 (3)变压器过激磁
在运行中，由于电源电压的升高或频率的降低，可能使变压器过激磁。变压器过激磁后，其励磁电流大大增加。使变压器纵差保护中的不平衡电流大大增加。
(4)大电流系统侧接地故障时变压器的零序电流
当变压器高压侧(大电流系统侧)发生接地故障时，流入变压器的零序电流因低压侧为小电流系统而不流出变压器。因此，对于变压器纵差保护而言，上述零序电流为一很大的不平衡电流。
三 空投变压器的励磁涌流
1 励磁涌流产生的机理
以单相变压器为例，说明其空投时励磁涌流产生的机理。
忽略变压器及合闸回路电阻的影响，电源电压的波形为正弦波。则空投瞬间变压器铁芯中的磁通与外加电压的关系为
d,W,Usm(,t，,)mat ……………………………………………………(11-10)
13
式中:W,变压器空投侧绕组的匝数;
Φ,铁芯中的磁通;
Um,电源电压的幅值;
, ,合闸角;
ω,角速率，当频率为50Hz，ω,314。
由式(11-10)可得
Umd,,sm(,t，,)dtW, ………………………………………………(11-11) 式(11-11)为一不定积分方程，求解得
Um,,,cos(,t，,)，CW, ………………………………………………(11-12) 式(11-12)中:C,积分常数，由初始条件确定。当t,0时，则
UmC,cos,，,sW, ……………………………………………………(11-13)
,s式中:,合闸前铁芯中的剩磁通。
将式(11-13)代入(11-12)，并考虑到电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗
tt,,UUmmTT,,,cos(,t，,)，(cos,，,)e,,,cos(,t，,)，(,cos,，,)esmmsWW,,……(11-14)
Um,,mW,式是: ;
T,时间常数，与合闸回路的损耗有关。
式(11-14)中的第一项为磁通的强迫分量，而第二项为磁通的自由分量或衰减的分量。 由式(11-14)可以看出，在空投变压器的瞬间，铁芯中的磁通由三部分组成:强迫磁通,cos(,t，,),,cos,,msm，剩磁通及决定于合闸角的磁通。因此，在合闸瞬间变压器铁芯
,中的综合磁通如图(11-13)所示的曲线。
u,
,
,,sr
2,,t,O
u
,,m
图11-13 空投变压器的变压器铁芯中的磁通变化波形
,,sm在图(11-13)中:合闸角α,00，,0.9。
,,sm可以看出:当初始合闸角等于00、变压器铁芯中的剩余磁通,0.9时，铁芯中的最大
14
,m磁通达2.9，从而使变压器铁芯严重饱和，励磁电流猛增，即产生所谓励磁涌流。 2 励磁涌流的特点
在某台变压器空投时拍摄的变压器三相励磁涌流的波形如图(11-14)所示。
图11-4 空投变压器的励磁涌流
由图11-14可以看出励磁涌流有以下几个特点:
偏于时间轴一侧，即涌流中含有很大的直流分量;
波形是间断的，且间断角很大，一般大于1500;
由于波形间断，使其在一个周期内正半波与负半波不对称;
含有很大的二次谐波分量，若将涌流波形用福里叶级数展开或用谐波分析仪进行测量分析，绝大多数涌流中二次谐波分量与基波分量的百分比大于30%，有的达80%甚至更大; 在同一时刻三相涌流之和近似等于零;(有非周期分量)
励磁涌流是衰减的，衰减的速度与合闸回路及变压器绕组中的有效电阻及其他有效损耗有关。
3 影响励磁涌流大小的因素
,,cos,ms由式(11-14)可以看出，空投变压器的铁芯中的磁通的大小与、及有关。而励磁涌流的大小与铁芯中磁通的大小有关。磁通越大，铁芯越饱和，励磁涌流就越大。因此，影响励磁涌流大小的因素主要有:
(1)电源电压
Um,,m,W,m变压器合闸后，铁芯中强迫磁通的幅值。因此，电源电压越高，越大，励磁涌流越大。
,(2)合闸角
,cos,,cos,,,mm,0时，最大，励磁涌流大;而当,900，等于零，励磁涌流当合闸角
较小;
Bs(3)剩磁
Bs合闸之前，变压器铁芯中的剩磁越大，励磁涌流就越大。另外，当剩磁的方向与合闸之,cos,m后的方向相同时，励磁涌流就大。反之亦反。
此外，励磁涌流的大小，尚与变压器的结构、铁芯材料及设计的工作磁密有关。变压器的容量越小，空投时励磁涌流与其额定电流之比就越大。
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测量表明:空投变压器时，变压器与电源之间的阻抗越大，励磁涌流越小。在末端变电站，空投变压器时的励磁涌流可能小于其额定电流的2倍。
四 变压器纵差保护的实现
实现变压器纵差保护，要解决的技术问题主要有:在正常工况下，使差动保护各侧电流的相位相同或相反;在正常工况下，使由变压器各侧TA二次流入差动保护的电流产生的效果相同，即是等效的;空投变压器时不会误动，即差动保护能可靠躲过励磁涌流;大电流侧系统内发生接地故障时保护不会误动;能可靠躲过稳态及暂态不平衡电流。
1 差动保护两侧电流的移相方式
呈Y/?接线的变压器，两侧电流的相位不同，若不采取措施，要满足各侧电流的向量和等
，,I,0于零，即，根本不可能。因此，要使正常工况下差动保护各侧的电流向量和为零，首先应将某一侧差动TA二次电流进行移相。
在变压器纵差动保护中，对某侧电流的移相方式有两类共4种。两类是:通过改变差动TA接线方式移相(即由硬件移相);由计算机软件移相。4种是:改变某侧差动TA接线方式移相;采用辅TA移相;由软件在差动元件高压侧移相;由软件在差元件低压侧移相。 (1)改变差动TA接线方式进行移相
过去的模拟式变压器纵差保护，大多采用改变高压侧差动TA的接线方式进行移相的。对于微机型保护也可采用这种移相方式。
采用上述移相方式时，需首先知道变压器的接线组别。变压器的接线组别不同，相应的差动TA的接线组别亦不相同。
(I)Y0/?-11变压器差动TA的接线组别
Y0/?-11变压器及纵差保护差动TA接线原理图如图11-12所示。
在图11-12中，由于变压器低压侧各相电流分别超前高压侧同名相电流300，因此，低压侧差动TA二次电流(也等于流入差动元件的电流)也超前高压侧同名相电流300。而从高压侧差动TA二次流入各相差动元件的电流(分别为TA二次两相电流之差)滞后变压器同名相电流1500。因此，各相差动元件的两侧电流的相位相差1800。
(II)Y0/?-1变压器及差动TA的接线
Y0/?-1变压器及差动TA的原理接线如图11-16所示。
16
******，Ic
，I，bIa
，，，IIAIBC***BJA
JC
J
，,Ia，,Ib，,IcLH2
***
图11-16 Y0/?-1变压器及差动TA原理接线图
在图11-16中，各符号的物理意义同图11-15。
***，，，,,,III***abc由图11-16可以看出:正常工况下，从低压侧TA二次流入各差动元件的电流、、分
，，，IIIABC别滞后变压器高压侧一次同名相电流、、300;而从高压侧TA二次流入各相差动元
，，，，，，，，，，，，,,,IIIIIIIIIIIIabcABCaabbcc件的电流、、分别超前同名相电流、、1500，故与、与、与相位相差1800。
由以上所述可知，改变变压器高压侧TA接线移相的实质是:对于接线组别分别为Y0/?-11、Y0/?-1的变压器，其纵差保护差动TA的接线应分别为?-11/Y、?-1/Y，从而使正常工况下各相差动元件两侧电流的相位相差1800。
(2)接入辅助TA的移相方式
用辅助TA的电流移相方式，与用改变差动TA接线方式对电流进行移相的方法实质相同。 对于Y0/?接线的变压器，其差动TA的接线为Y/Y，而在保护装置中设置中设置一组辅助TA，接成?形，接入变压器高压侧差动TA二次，对该侧电流进行移相，以达到正常工况下使各相差动元件两侧电流相位相反的目的。
当然，对于不同接线组别的变压器，辅助TA的连接方式不相同。
(加入两种移相的计算方法，简要介绍两种方法的优缺点)
(3)用软件对高压侧电流移相
运行实践表明:通过改变变压器高压侧差动TA接线方式对电流进行移相的方法，有许多优点，但也有缺点。其主要缺点是:第一次投运的变压器，若某相差动TA的极性接错，分析及处理相对较麻烦。另外，实现差动元件的TA断线闭锁也比较困难。
在微机型保护装置，通过计算软件对变压器纵差保护某侧电流的移相方式已被广泛采用。 对于Y/?接线的变压器，当用计算机软件对某侧电流移相时，差动TA的接线均采用Y/Y。 用计算机软件对变压器高压差动TA二次电流的移相方式，是采用计算差动TA二次两相电
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流差的方式。分析表明，这种移相方式与采用改变TA接线进行移相的方式是完全等效的。这是因为取Y形接线TA二次两相电流之差与将Y形接线TA改成?形接线后取一相的输出电流是等效的。
应当注意的是:用软件实现移相时，究竟取哪两相TA二次电流之差,这应由变压器的接线组别决定。
当变压器的接线组别为Y0/?-11时，在Y侧流入A、B、C三个差动元件的计算电流，应
，，，，，，，，，I,II,II,IIIIabbccaabc分别取、、(、、,差动TA二次三相电流)。
，，，，IIIIacba当变压器的接线组别为Y0/?-1时，在Y侧三个差动元件的计算电流应分别为-、-，，IIcb及-。
(4)用软件在低压侧移相方式
就两侧差动TA的接线方式而言，用软件在低压侧移相方式与用软件在高压侧移相方式相同，差动TA的接线均为Y/Y。
在变压器低压侧，将差动TA二次各相电流移相的角度，也由变压器的接线组别决定。当变压器接线组别为Y/?-11时，则应将低压侧差动TA二次三相电流以次向滞后方向移动300;当变压器接线组别为Y/?-1时，则将低压侧差动TA二次三相电流分别向超前方向移动300。 2 消除零序电流进入差动元件的措施
对于Y0/?接线的变压器，当高压侧线路上发生接地故障时，(对纵差保护而言是区外故障)，有零序电流流过高压侧，而由于低压侧绕组为?联接，在变压器的低压侧无零序电流输出。这样，若不采取相应的措施，在变压器高压侧系统中发生接地故障时，纵差保护可能误动而切除变压器。
当变压器高压侧发生接地故障时，为使变压器纵差保护不误动，应对装置采取措施而使零序电流不进入差动元件。
对于差动TA接成?/Y及用软件在高压侧移相的变压器纵差保护，由于从高压侧通入各相差动元件的电流分别为两相电流之差，已将零序电流滤去，故没必要再采取其他措施。 对于用软件在低压侧进行移相的变压器纵差保护，在高压侧流入各相差动元件的电流应分别为
111，，，，，，，，，，，，I,(I，I，I)I,(I，I，I)I,(I，I，I)aabcbabccabc333，，
1，，，(I，I，I)abc3因为为零序电流，故在高压侧系统中发生接地故障时，不会有零序电流进入各相差动元件。
差动元件各侧之间的平衡系数
1、各厂家的保护平衡系数不同 绕组接线方式和差流基准侧;
2、灵敏度不同，以三相短路校验;
若变压器两侧差动TA二次电流不同，则从两侧流入各相差动元件的电流大小亦不相同，从
，,I,0而无法满足。
在实现变压器纵差保护时，采用“作用等效”的概念。即使两个不相等的电流产生作用(对差动元件)的大小相同。
在电磁型变压器纵差保护装置中(BCH型继电器)，采用“安匝数”相同原理;而在模拟式
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保护装置(晶体管保护及集成电路保护)中，将差动两侧大小不同的两个电流通过变换器(例如KH变换器)变换成两个完全相等的电压。
在微机型变压器保护装置中，引用了一个将两个大小不等的电流折算成作用完全相同电流的折算系数，将该系数称作为平衡系数。
根据变压器的容量，接线组别、各侧电压及各侧差动TA的变比，可以计算出差动两侧之间的平衡系数。
设变压器的容量为Se，接线组别为Y0/?-11两侧的电压分别为UY及U?，两侧差动TA
nnY,的变比分别为及，若以变压器?侧为基准侧，计算出差动元件两侧之间的平衡系数K。 (I)差动TA接线为?/Y(用改变差动TA接线方式移相)
IIY,变压器两侧差动TA二次电流及分别为
3SSeeI,,YUnYy3UnYY
SeI,,3Un,,
KI,Iy,要使，则平衡系数
UnIYy,K,,I3yUn,, ……………………………………………………(11-15) (II)差动TA接线为Y/Y，由软件在高压侧移相
差动两侧TA二次电流分别为
SeSe,I,I,Y3UI3Yy,,Un 、
每相差动元件两侧的计算电流
SSee,I,，3,yUnYY3UnYY高压侧:两相电流之差
Se,I,,3Un,,低压侧:
故平衡系数
UnYyK,3Un,, ……………………………………………………(11-16) 可以看出:式(11-15)与式(11-16)完全相同。
由上所述，可以得出如下的结论:对于Y0/?接线的变压器，用改变TA接线方式移相及由软件在高压侧移相，差动元件两侧之间的平衡系数完全相同。此外，该平衡系数只与变压器两侧的电压及差动TA的变比有关，而与变压器的容量无关。
(III)差动TA接线为Y/Y、由软件在低压侧移相
UnYyK,Un,, 平衡系数 ……………………………………………………(11-17) 说明:表中列出的平衡系数是用软件在高压侧移相或用改变TA接线方式移相的条件下计算
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UnUnhhmm出来的。Se,变压器的额定容量;、,分别为高压侧额定电压及TA的变比;、
UnLL,分别为变压器中压侧额定电压及TA的变比;、,分别为变压器低压侧额定电压及TA变比。
4 躲涌流措施
在变压器纵差保护中，是利用涌流的各种特征量(含有直流分量、波形间断或波形不对称、含有二次谐波分量)作为制动量或进行制动，来躲过空投变压器时的励磁涌流的。 5 躲不平衡电流(暂态不平衡电流及稳态不平衡电流)大的措施(故障分量差动保护) 运行实践表明，对变压器纵差保护进行合理地整定计算，适当提高其动作门坎，可以使其有效地躲过不平衡电流大的影响。
五 微机变压器纵差保护
1 构成及逻辑框图
大型超高压变压器的纵差保护，由分相差动元件、涌流比闭锁元件、差动速断元件、过激磁闭锁元件及TA断线信号(或闭锁)元件构成。涌流闭锁方式可采用分相闭锁或采用“或门”闭锁方式。其逻辑框图如图11-17及图11-18所示。
，A相差动速断元件IA1，...IA相差动元件A2+，B相差动速断元件IAn，IB1信号C相差动速断元件，IB相差动元件+B2，IBn+，I出口C1...，...IC相差动元件TA断线&C2信号，ICn
A相涌流判别
+B相涌流判别
C相涌流判别 图11-17 “或门”闭锁式变压器纵差保护逻辑框图
20
A相差动速断元件
+B相差动速断元件
C相差动速断元件
，IA1，IA相差动A2&，I信号AnA相涌流判别+出口，IB1，IB相差动B2&+，IBn&B相涌流判别
，ITA断线C1......，I...C相差动C2&信号，ICnC相涌流判别
图11-18 “分相”闭锁式变压器纵差保护逻辑框图
涌流“分相”闭锁方式，是指某相的涌流闭锁元件只对本相的差动元件有闭锁作用，而对其它相无闭锁作用。而涌流“或门”闭锁方式，是指:在三相涌流闭锁元件中，只要有一相满足闭锁条件，立即将三相差动元件全部闭锁。
由图11-14可以看出，变压器空投时，三相励磁涌流是不相同的。各相励磁涌流的波形、幅值及二次谐波的含量不相同。对某些变压器空投录波表明，在某些条件下，三相涌流之中的某一相可能不满足闭锁条件。此时，若采用“或门闭锁的纵差保护，空投变压器时不会误动。而采用“分相”闭锁方式的差动保护，空投变压器时容易误动。
采用“分相”闭锁方式的优点是:如果空投变压器时发生内部故障，保护能迅速而可靠动作并切除变压器;而“或门”闭锁方式的差动保护，则有可能拒动或延缓动作。
2 差动元件的作用原理(注意制动电流的选取方法)
目前，在广泛应用的变压器纵差保护装置中，为提高内部故障时的动作灵敏度及可靠躲过外部故障的不平衡电流，均采用具有比率制动特性的差动元件。
不同型号的纵差保护装置，其差动元件的动作特性不相同。差动元件的动作特性曲线，有I段折线式、II段折线式及三段折线式。采用较多的为二段折线式。
(1)动作方程
差动元件动作特性不同，其动作方程有差异。以下，介绍动作特性为I段折线式、II段折线式及III段折线式差动元件的动作方程。
(I)I段折线式差动元件
国外生产的变压器纵差保护中，有采用I段折线式动作特性的差动元件的。其动作方程可用下式表示
,II,dzdzo,I,KIdzzzd, ……………………………………………………………(11-18) 式中:
，，，，I,I，Idz12III21dz—差电流，对于两卷变压顺(、—分别为差动元件两侧的电流);
Idzo —差动元件的启动电流，也叫最小动作电流，或初始动作电流;
21
Kz,折线的斜率，也叫比率动系数;
，，,,I,maxI,Izd12Izd,制动电流，一般取差动元件各侧电流中的最大者，即，也有采用
，，II,12I,zd2的。
(II)二段折线式差动元件
在国内，广泛采用的变压器纵差保护，多采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为
,,IIII,dzdzozdzdo,,,，，IK(II)IIIdzzzdzdodzozdzdo, ……………………………..(11-19)
Izdo在式(11-19)中:,拐点电流，即开始出现制动作用的最小制动电流;
其他符号的物理意义同式(11-18)。
(III)三段折线式差动元件
根据用户的要求，微机变压器纵差保护的动作特性可作成三段折线式或多段折线式。三段折丝式差动元件的动作方程为
IIII,,,dzdzozdzdo,IK(II)IIII,,，,，,dzz1zdzdodzozd1zdzdo,IIK(II)K(II)II,，,，,，dzdzoz1zd1zdo2zdzd1zdzd1, ………..(11-20)
Kz1在式(11-20)中:,第二段折线的斜率;
Kz2 ,第三段折线的斜率;
Izd1 ,第二个拐点电流;
其他符号的物理意义同式(11-19)。
(2)动作特性曲线
根据式(11-18)、式(11-19)及式(11-20)，绘制出动作特性分别I段折线式、II段折线式及三段折线式差动元件的动作特性曲线，分别如图11-19、图11-20及图11-21所示。 IIdzdz
区区作作动动
K,tg,K,tg,zz,,
IIdzodzo
IIIzdozdzd 图11-19 动作特性为I段折线式差动元件 图11-20 二段折线式差动元件的
的动作特性曲线 动作特性曲线
22
Idz
区
作K,tg,2z2动,2
,1K,tg,1z1
Idzo
IIzdozdIzd1
图11-21 三段折线式差动元件的动作特性曲线
(3)对三种差动元件动作特性的比较
由图11-19、图11-20及图11-21可以看出，具有比率制动特性差动元件的动作特性，由三
IIKdzozdoz1个物理量来决定:即由启动电流，拐点电流及比率制动系数(特性曲线的斜率、Kz2)来决定。由于差动元件的动作灵敏度及躲区外故障的能力与其动作特性有关，因此，IIKzdodzoz与、及有关。
IIKzdodzoz比较动作特性曲线不同几个差动元件的动作灵敏度，可比较它们的、及。可以看
IIdzozdo出:当启动电流及比率制动系数相同的情况下，拐点电流越小，其动作区越小，动作灵敏度就低。即动作特性如图11-19所示的差动元件的动作灵敏度，比其他两个差动元件低，而躲区外故障的能力比其他两个高。
在比较几个差动元件的动作灵敏度及躲区外故障的能力时，只有将上述三个物理量中的两个固定之后才能进行，而当三个物理量均为变量时是无法比较的。在其他两个量固定之后，比率制动系数越小，拐点电流越大，初始动作电流越小，差动元件动作灵敏度越高，但躲区外故障的能力越差。
IIdzozdo数十年的运行实践表明，只要对启动电流、，拐点电流及比率制动系数进行合理的整定，具有二段折线式动作特性的差动元件，完全能满足动作灵敏度及工作可靠性的要求。 3 涌流闭锁元件
目前，在广泛应用的变压器纵差保护装置中，通常采用励磁涌流的特征量之一作为闭锁元件来实现躲过励磁涌流的。
在电磁型差动继电器中(BCH型继电器)，设置速饱和变流，是根据涌流中有直流分量原理躲涌流的。在晶体管保护和集成电路保护装置中，是采用波形间断原理或二次谐波制动原理躲过涌流的。在微机型保护装置中，是采用二次谐波制动或间断角原理或波形对称原理来区分故障电流与励磁涌流的。
(1)二次谐波制动原理
二次谐波制动原理的实质是:利用流过差动元件差电流中的二次谐波电流作为制动量，区分出差流是故障电流还是励磁涌流，实现躲过励磁涌流。
具有在二次谐波制动的差动保护中，采用一个重要的物理量，即二次谐波制动比来衡量二次谐波电流的制动能力。
23
K2,z所谓二次谐波制动比，是指:在通入差动元件的电流(差流)中，含有基波分量和二次谐波分量，其基波分量大于差动元件的动作电流，而差动元件处于临界制动状态，此时，二次谐波分量电流与基波分量电流的百分比，叫做二次谐波制动比。即
I,2K,，100%,2zI1, …………………………………………….(11-21)
K2,z式中:,二次谐波制动比;
I1, ,基波电流;
I2, ,二次谐波电流。
由二次谐波制动比定义的边界条件及式(11-21)可以看出，二次谐波制动比越大，与基波电流相比，单位二次谐波电流产生的作用相对越小;而二次谐波制动比越小，单位二次谐波电流产生的制动作用相对越大。
因此，在对具有二次谐波制动的差动保护进行定值整定时，二次谐波制动比整定值越大，该保护躲过励磁涌流的能力越弱;反之，二次谐波制动比整定值越小，保护躲励磁涌流的能力越强。
(2)间断角原理(目前使用较少，对硬件的要求较高)
变压器内部故障时，故障电流波形无间断;而变压器空投时，励磁涌流的波形是间断的，具有很大的间断角(一般大于1500)。按间断角原理构成的差动保护，是根据差电流波形是否有间断及间断角的大小来区分故障电流与励磁涌流的。
(I)关于间断角
说明间断角原理的波形图如图11-22所示。
id
Izd
,间,t
图11-22 间断角原理图
Izd在图11-22中:,制动电流(直流)，其中包括直流门坎值折算成的制动电流量;
id ,流过差动元件的差流(将负半波反向之后);
,间 ,间断角。
由图可以看出，间断角的物理意义是:在差流的半个周期内，差动量小于制动量的角度。 (II)差动元件的闭锁角
,B闭锁角，是按间断角原理构成的变压器纵差保护的一个重要物理量，用它来判断差动元件中的差流是故障电流还是励磁涌流引起的。
,间当测量出的间断角，满足
24
,,间B ,
I，Idzdzo时，则判断差流为励磁涌流，将保护闭锁。此时，即是，保护也不会动作。 当测量出的间断角，满足
,,间B ,
I,Idzdzo时，则认为差动元件中的差流为故障电流。当故障电流时，差动保护动作，切除变压器。
(III)保护工况分析
iIIidzdzdd变压器正常运行时差流很小，图11-22中的很小，而较大，直线将在项点的上方。
0,,360I，I间dzdzo此时，间断角，且，保护可靠不动作。
id变压器空投时，产生很大的励磁涌流。设励磁涌流的波形如图11-23中的所示。 Id
i
Izd
,,t间
图11-23 空投变压器时的差流和制动电流波形
,iI，I间ddzdzo由图11-23可以看出:尽管差流波型幅值很大(能满足)，但由于间断角很大(大
,B于闭锁角)，差动保护将被可靠闭锁。
当变压器内部故障时，流入差动元件的差流很大且无间断。设故障电流波形如图11-24中的id所示。
I
id
Izd
,间,t
图11-24 变压器内部故障时差流和制动电流波形
,,,I，I间间Bdzdzo 由图11-24可以看出，很小(,)。又由于差流幅值很大，能满足，故差动保护动作，作用于切除变压器。
,B(IV)定值的影响
25
I,dzoB当差动元件的启动电流为定值时，整定的闭锁角越小，则要求在半个周期内差流大于制动电流的角度越大，即交流制动系数越大。空投变压器时，差动元件越不容易误动。反之，
,B闭锁角整定值越大，躲励磁涌流的能力越小。
(3)波形对称原理
在微机型变压器纵差保护中，采用波形对称算法，将励磁涌流同变压器故障电流区分开来。其计算方法如下:
首先将流入差动元件的差流进行微分，滤去电流中的直流分量，使电流波形不偏移横坐标轴(即时间轴)的一侧，然后比较每个周期内差电流的前半波与后半波的量值。
,I,II0j，jj180表示差流微分后波形上前半周某一点的值，表示差流波形微分后波形上与点相设
差1800点的值，K为比率常数，则当若满足
,I，I0jj，180,K,I,I0jj，180 ………………………………………………(11-22) 则认为波形是对称的，否则认为波形不对称。
在式(11-22)中，K又称不对称系数，通常等于1/2。
,,II,,II00j，j，jj180180变压器内部故障时，值与值大小基本相等、相位基本相反，则与大小相等
,,,I,0I,2I,,II00jjjjj,0，180，180方向相反，+，-。此时，K。差动保护动作。
,I,I0j，j180励磁涌流的波形具有很大的间断角，值与值相差很大，相位也不会相差1800，因
,,II,,II00j，j，jj180180此，+可能较-还大，K值将大于1/2。差动保护被闭锁。
(4)磁制动原理(对三相一体的变压器不适用，分相变压器500KV) 磁制动涌流闭锁原理，是利用计算变压器的磁通特性来区分励磁涌流与故障电流的。 忽略不计变压器绕组电阻及铁芯的有效损耗，带电后变压器的T型等值网路如图11-25所示。
L1
ii12
M，uu21iM
图11-25 变压器的等值网路
在图11-25中:L1、L2,分别为变压器原边与付边的漏感;
M,变压器激磁电感;
ii12 、,变压器两侧的电流;
，uu12 、,变压器两侧的电压;
26
iiiiMM12 ,变压器的激磁电流，,,。
由图11-25可得到变压器的电势的简化方程
didim1，U,L,M11dtdt ……………………………………………(11-23) 由于L1是漏磁通产生的，其值很小，故可将式(11-23)简化为
dimU,M1dt ……………………………………………(11-24) 激磁电感M的大小与变压器铁芯激磁特性有关，当变压器工作磁密变化时(沿磁化曲线变化)，M值也随之变化。因此，M值能反映铁芯中的磁密在磁化曲线上的部位。当工作在磁化曲线上的饱和位置时，M值大大降低，从而出现励磁涌流。
在微机型变压器差动保护装置中，可用
检测
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激磁电感M的变化来区分励磁涌流和故障电流。
U1M,dimdt由式(11-24)可得 。再进一步简化得
UnM,ni,im(n，1)m(n,1) ……………………………………………(11-25)
Un在式(11-25)中:,n时刻的外加电压值;
im(n，1) ,(n+1)时刻的激磁电流;
im(n,1) ,(n-1)时刻的激磁电流;
Mn ,n时刻的激磁电感。
在保护装置中，结合对差流波形的计算，计算电流上升沿开始几个点的M值。当
M,M,Knn，m …………………………………………(11-26) 时，判断为励磁涌流，否则判为故障电流。
Mn式(11-26)中:,上升沿第n个采样点激磁电感;
Mn，m ,上升沿第n+m个采样点的激磁电感;
K,常数。
4 过激磁闭锁元件
运行中的变压器，当由于某种原因造成过激磁时，可能导致纵差保护误动。 对于超高压大型变压器，为防止过激磁运行时纵差保护误动，设置过激磁闭锁元件。当变压器过激磁时，将纵差保护闭锁。
变压器过激磁时，激磁电流中的5次谐波分量大大增加。变压器纵差保护的过激磁闭锁元件，实际上是采用5次谐波电流制动元件。即当差流中的5次谐波分量大于某一值时，将差动保护闭锁。
K5,z在变压器纵差保护中，采用5次谐波制动比这个物理量，来衡量5次谐波电流的制动能力。
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所谓5次谐波制动比，是指:差流中有基波电流及5次谐波电流，其中基波电流大于差动元件的动作电流，而差动元件处于临界制动状态。此时，5次谐波电流与基波电流的百分比
I,5K,，100%,5zI1, …………………………………………(11-27) 叫5次谐波制动比。
I5,式(11-27)中:,5次谐波电流;
I1, ,基波电流。
与二次谐波制动比类似，5次谐波制动比越大，单位5次谐波电流产生的制动作用越小，差动保护躲过激磁的能力越差;反之，5次谐波制动比越小，单位5次谐波电流产生的制动作用越大，差动保护躲变压器过激磁的能力越强。
5 差动速断元件
差动速断元件，实际上是纵差保护的高定值差动元件。
前已述及，对变压器纵差保护设置的涌流闭锁元件，主要是根据励磁涌流的特征量之一:“波形畸变”或“谐波分量”大实现的。
当变压器内部严重故障TA饱和时，TA二次电流的波形将发生严重畸变，其中含有大量的谐波分量，从而使涌流判别元件误判断成励磁涌流，致使差动保护拒动或延缓动作，严重损坏变压器。
为克服纵差保护的上述缺点，设置差动速断元件。
差动速断元件反映的是差流。与差动元件不同的是:它反映的是差流的有效值。不管差流的波形如何及含有谐波分量的大小，只要差流的有效值超过了整定值，它将迅速动作而切除变压器。
五 整定原则及对定值的建议
对变压器纵差保护的整定，就是要确定与差动元件、涌充判别元件、差动速断元件及过激磁闭锁元件动作特性有关的几个物理量的值。
1 差动元件
IIdzozdo决定差动元件动作灵敏度及工作可靠性的三要素是:启动电流、拐点电流及比率制
Kz动系数。因此，对差动元件的整定，就是确定三要素的大小。
Idzo(1)启动电流
Idzo对启动电流的整定原则是:可靠地躲过正常工况下最大的不平衡差流。 变压器正常运行时，在差动元件中产生不平衡差流的原因有:两侧TA变比的误差、带负荷调压、变压器的激磁电流及通道的传输调整误差等。
Idzo启动电流可按下式计算
，，I,KK，K，K，KIdzoH1234e……………………………………………(11,28) 式中:
Ie—变压器的额定电流(二次值);
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KH—可靠系数，取1.5,2;
K1—电流互感器TA的比误差。对于10P型TA，取0.03×2(三卷变压器时，最大为0.09);对于5P型TA，取0.01×2;
K2—变压器改变分接头或带负荷调压造成的误差，取0.05;
K3—其它误差(变压器的激磁电流等引起的误差)，取0.05;
K4—通道变换及调试误差，取0.05×2,0.1。
，，I,0.4~0.5I，，I,0.39~0.52Idzoedzoe将以上各值代入式(11-28)可得: 。 通常取
多年的运行实践证明:当变压器两侧流入差动保护装置的电流值相差不大(即为同一个数量级)时，Idzo可取0.4Ie。而当差动两侧电流值相差很大(相差10倍以上)时，Idzo取0.5Ie是合理的。
? 拐点电流Izdo
运行实践表明:在系统故障被切除后的暂态过程中，虽然变压器的负荷电流不超过其额定电流，但是由于差动元件两侧TA的暂态特性不一致，使其二次电流之间相位发生偏移，可能在差动回路中产生较大的差流，致使差动保护误动作。
为躲过区外故障被切除后的暂态过程对变压器差动保护的影响，应使保护的制动作用提早产生。因此，Izdo取0.6,0.8Ie是合理的。
? 比率制动系数Kz
比率制动系数Kz的整定原则，按躲过变压器出口三相短路时产生的最大不平衡差流来整定。
变压器出口区外故障时的最大不平衡电流为:
，，I,K，K，K，K，KIHe,max12345kmax………………………………………(11,29) 式中:
K2,K4意义同式(11-28)而K1取0.1;
K5—标征两侧TA暂态特性不一致造成不平衡电流的系数，取0.1;
Ikmax,出口三相短路时最大短路电流(TA二次值)。
代入上式得:
I,0.4IHe,maxkmax故
忽略拐点电流不计，计算得特性曲线的斜率K?0.4。
实取比率制动系数Kz,(1.1,1.3)K,0.48,0.52
长期运行的实践表明:比率制动系数取0.4,0.5是合理的。
励磁涌流判别元件的整定
? 二次谐波制动比的整定
具有二次谐波制动的差动保护的二次谐波制动比，是表征单位二次谐波电流制动作用大小的一个物理量。二次谐波制动比越大，则保护的谐波制动作用越弱，反之亦反。 具有二次谐波制动的差动保护二次谐波制动比，通常整定为15,,20,。但是，在具体整定时应根据变压器的容量、主接线及系统负荷情况而定。
(?)对于大容量的发电机变压器组，且在发电机与变压器之间没有断路器时，由于变压器的容量大且空投的可能性较小，二次谐波制动比可取较大值。例如18,,20,。 (II)对于容量较大的变压器，由于空充电时的励磁涌流倍数较小，二次谐波制动比可取 16,,18,。
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(III)对于容量较小且空投次数可能较多的变压器，二次谐波制动比应取较小值。即取 15,,16,。
(IV)对处于冶炼及电气机车负荷所占比重大的系统而自身容量小的变压器，在其他容量较大的变压器空充电时，穿越性励磁涌流可能致使其差动保护误动。因此，除应将变压器的二次谐波制动方式改成“或门”(即一相制动三相)之外，二次谐波制动比还应取较小值。例如14,,15,(或12,,13,)。
? 闭锁角的整定
与二次谐波制动比相似，按间断角原理构成的变压器差动保护，其闭锁角是衡量该差动保护躲励磁涌流能力的一个物理量。闭锁角整定值越大，该差动保护躲励磁涌流的能力越差。反之亦反。
同样，闭锁角整定值的确定应考虑变压器的容量、主接线及系统负荷情况。 (?)对于大容量发电机变压器组，当在发电机与变压器之间没有断路器时，闭锁角应整定为较大值，可取70?。
(?)对于降压变电站中的大型变压器，闭锁角可整定为65?。
(?)对于容量较小的变压器，或系统容量小而处于冶炼或电气机车负荷所占比重大的系统中的大型变压器，闭锁角可整定为60?。
3 差动速断元件的整定
变压器差动速断元件是纵差保护的辅助保护。由于变压器差动保护中设置有涌流判别元件，因此，其受电流波形畸变及电流中谐波的影响很大。当区内故障电流很大时，差动TA可能饱和，从而使差流中含有大量的谐波分量，并使差流波形发生畸变，可能导致差动保护拒动或延缓动作。差动速断元件只反应差流的有效值，不受差流中的谐波及波形畸变的影响。 差动速断元件的整定值应按躲过变压器励磁涌流来确定。通常，
I,KIdze……………………………………………………………………………(11,30) 式中:
Idz— 差动速断元件的动作电流;
K— 一个正值系数;一般取4,8;
Ie— 变压器的额定电流(差动TA二次值)。
由式(11-30)可以看出:差动速断元件的动作值决定于系数K，而K的整定应根据具体情况而定。K的大小与变压器容量、主接线及与无穷大系统(母线)之间联系电抗的大小有关: (?)对于在发电机与变压器之间无开关的大型变压器发电机组，K值可取3,4; (?)对于大型发电厂的中、小型变压器(例如有空投可能性的厂高变及启备变)，K值可取8,10;
(?)对于经长线路与系统联接的降压变电站中的中、大型变压器，K值可取4,6。 (4)过激磁闭锁元件(电压升高，五次谐波含量会降低，超过1.4倍可跳闸)
K5,z对过激磁闭锁元件的整定，就是确定5次谐波制动比的值。
应当指出，采用5次谐波电流作制动量防止变压器过激磁时差动保护误动措施的正确性值得探讨。对有过激磁闭锁元件的纵差保护，5次谐波制动比通常为
K5,z ,0.3。
六 提高可靠性措施
运行实践及统计表明，在变压器纵差保护不正确动作的类型中，因整定值不妥及TA二次回路不良估的比率很大。因此，为提高保护的可靠性，除了必须保证保护装置高质量之外，还
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必须对其各元件整定值进行合理的整定及确保其二次回路的正确性、良好性。 1 多发生的不正确动作类型
统计表明，经常发生的差动保护不正确动作的类型有:正常运行时(系统无故障及无冲击)的误动，区外故障时误动、系统短路故障被切除时误动。
2 不正确动作原因分析
(1)变压器正常运行时差动保护误动
分析及统计表明，正常运行时差动保护误动的主要原因有:(A)由于TA二次回路中接线端子螺丝松动，而使回路连线接触不良或短时开路;(B)TA二次回路中一相接触不良，在接触不良点产生电弧进而造成单相接地或两相之间短路(指TA二次回路短路);(C)TA二次电缆芯线(相线)外层绝缘破坏或损伤，在运行中由于振动等原因造成接地短路;(D)差动TA二次回路多点接地，其中一个接地点在保护装置盘上，其他接地点在变电站端子箱内，两个接地点之间的地电位相差太大，或由于试验等原因，在差动元件中产生差流使其误动。在雷雨天易发生。
(2)区外故障切除时的误动
区外故障被切除时，流过变压器的电流突然减小到额定负荷电流之下。在此暂态过程中，由于电流中自由分量的存在，使两侧差动TA二次电流之间的相位短时(40~60ms)发生了变化，在差动元件中产生差流。两侧差动TA的暂态特性相差越大，差流值越大，且持续 时间越长。又由于流过变压器的电流较小，差动元件的制动电流较小;当差动元件拐点电流整定得过大时，差动元件处于无制动状态。此时，若初始动作电流定值偏小，保护容易误动。 (3)区外故障时的误动
区外故障差动保护误动的情况有两种，一种是近区故障(故障点距变压器近)而故障电流很大;另一种是远区故障而故障电流很小(比变压器额定电流大不多)。
前一种故障时保护误动的原因，多因一侧的TA饱和，在差动元件中产生的差流特别大;后一种故障时保护误动的原因，多是两侧差动TA暂态特性相差大及差动元件定值整定有误(拐点电流过大、启动电流过小等)所致。
3 提高可靠性措施
为提高纵差保护的动作可靠性，应作好以下工作:
(1)严防TA二次回路接触不良或开路
在保护装置安装并调试之后，或变压器大修后投运之前，应仔细检查TA二次回路，拧紧二次回路中各接线端子的螺丝，且螺丝上应有弹簧垫或防震片。
(2)严格执行反措要求
所有差动TA二次回路只能有一个公共接地点;且该接地点应在保护盘上。 (3)确保差动TA二次电缆各芯线之间及各芯线对地的绝缘
应结合主设备检修，定期检查差动TA二次电缆各芯线对地及各芯线之间的绝缘;用1000V摇表测量时，各绝缘电阻应不小于5MΩ。
另外，在配线过程中，不要损坏电缆芯线外层的绝缘，接端子线的裸体外露部分尽量要短，以免因振动等原因而造成接地或相间短路。
(4)纵差保护用TA的选择
在选择变压器纵差保护TA时，一定要保证各组TA的容量及精度等级。优先采用暂态特性好的TP级TA。
另外，选择二次电缆时，差动TA二次回路电缆芯线的截面应够。对于长电缆，其芯线截面应不小于4mm2(铜线)。
(5)合理的整定值
在对变压器纵差保护各元件的定值进行整定时，应根据变压器的容量、结构、在系统中的位
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置及系统的特点，合理而灵活地选择定值，以确保保护的动作灵敏度及可靠性。 运行实践表明:过份追求差动保护的动作灵敏度及动作的快速性，是误区的一种。
第四节 其他差动保护
根据变压器的类型、容量、电压等级及其他特点，除应装设反应变压器内部故障的纵差保护之外，还可装只反映某一侧故障的分侧差动保护及反应大电流系统侧内部故障的零序差动保护。
一 分侧差动保护
1 构成接线及特点
分侧差动保护是将变压器的各侧绕组分别作为被保护对象，在各侧绕组的两端设置电流互感器而实现差动保护。实际上，分侧差动保护多用于超高压大型变压器的高压侧，其原理接线如图11-26所示。
ABC
******LH1AJ
JC
JB
2
LH******
图11-26 变压器高压侧分侧差动原理接线图
在图11-26中:LH1、LH2,差动两侧TA;
JA、JB、JC,差动继电器。
由图11-26可以看出:分侧差动保护的原理接线图与发电机纵差保护的原理接线图完全相同。 该保护的优点是:它不受变压器激磁电流、励磁涌流、带负荷调压及过激磁的影响。差动两侧的TA可取同型号及同变比的。因此，其动作电流可以适当降低。与变压器纵差保护相比，其动作灵敏度高、构成简单(不需要涌流闭锁元件及差动速断元件)。
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另外，在保护的构成上，由于不需要滤去零序电流，故反映接地故障的灵敏度比纵差保护要高。
其缺点是，由于只差接变压一侧的绕组，故对变压器同相绕组的匝间短路无保护作用。另外，保护范围比纵差小。
在三卷自耦变压器上，可实现将高压侧、中压侧绕组作为保护对象的高、中压侧分相差动保
.护。此时，分别在高压输出端、中压输出端及中性点侧设置TA。以一相差动为例，其原理.
接线如图11-27所示。
三卷自耦变压器高、中压侧差动保护的优缺点与高压侧差动保护相同。
CBA
.
LH1.
LH2cab
JC
.3.
LH图11-27 三卷自耦变压器高、中压侧差动保护原理接线图(以C相差动为例) 2 逻辑框图
信号以图11-26所示的分侧差动保护为例，其构成逻辑框图如图11-28所示。 ，IAA相差动，IAn
，IB+，I出口BnB相差动
，IC，ICnC相差动
TA断线信号
图11-28 变压器分侧差动保护逻辑框图
，，，IIIABC在图11-28中:、、,分别为变压器输出端差动TA二次A、B、C三相电流;
，，，IIIAnBnCn 、、,分别为变压器中性点差动TA二次A、B、C三相电流。 由图11-28可以看出，它与发电机纵差保护的逻辑框图相似。但是，装于大电流系统侧的分侧差动保护，不能采用循环闭锁。在三相差动元件中，只要有一相动作，便立即作用于切除变压器。
3 差动元件的动作方程及动作特性
变压器分侧差动元件的动作特性与纵差元件的动作特性相似。不同的是整定值。以动作特性为二段折线式的差动元件为例，其动作方程为
,,IIII,dzdzozdzdo,,，,，IIK(II)IIdzdzozzdzdozdzdo, …………………………………(11-31)
，，III,，dzA(B,C)A(B,C)nIdz在式(11-31)中:,差流，;
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，，，，,,IIII,maxI,I,,IzdA(B,C)A(B,C)nzdA(B,C)A(B,C)nzd ,制动电流，，或;
Idzo ,启动电流;
Izdo ,拐点电流;
IA(B,C) ,出线侧TA二次A相(或B相或C相)电流;
max,取最大值;
IA(B,C)n ,中线点侧TA二次A相(或B相或C相)电流。 根据式(11-31)绘制出的差动元件的动作特性如图11-29所示。 Idz
区
作
K,tg,z,
Idzo
IIzdozd
图11-29 分侧差动元件的动作特性曲线
在图11-29中:各符号的物理意义同式(11-31)。
4 整定原则及定值建议
Idzo(1)启动电流
分侧差动元件的动作电流可按下式计算
I,K(K，K)IdzoH12e ………………………………………………(11-32) 式中:
KH,可靠系数，取1.2~1.5;
K1,两侧TA变比误差，5P级TA，取0.01×2，10P级TA，取0.03×2; Ie,变压器该侧的额定电流，TA二次值;
K2,通道调整及传输误差，取0.05×2,0.1。
将各系数值代入式(11-31)得
IIdzoe ,(0.24~0.32)
Kz(2)比率制动系数
Kz比率制动系数，按躲过变压器出口短路的最大不平衡电流来整定。该变压器出口短路时
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IIKMakcdmakc的最大短路电流为，在差动元件中产生的最大不平衡电流为，则
I,(K，K，K)Idmakc123KMakc …………………………………………..(11-33) 在式(11,33)中:
K1,两侧差TA的误差，取0.1;
K2 ,通道传输及调整误差，取0.1;
K3 ,两侧TA暂态特性的误差，取0.1，同变比、同型号的TA取0.05。 代入式(11-33)，得
IIdmakcKMakc ,(0.25~0.3)
若忽略拐点电流对计算的影响，则在差动元件动作特性平面上，通过最大不平衡电流点曲线的斜率为
K,K，K，K123
则比率制动系数
K,K,KzH ……………………………………………………….(11-34)
Kz式中: ,比率制动系数;
KH ,可靠系数，取1.2~1.3;
代入式(11-34)得
Kz ,0.3~0.39，可取0.4。
Izdo(3)拐点电流
同变压器纵差保护相同，分侧差动元件拐点电流的整定原则是:在外部故障切除后的暂态过程中，差动元件被可靠制动。
IIIzdoee通常,(0.5~0.7)(,变压器的额定电流，TA二次值)。
二 零差保护
1 构成接线及特点
目前，大容量超高压三卷自耦变压器在电力系统中得到了广泛应用。运行实践表明:220~500KV的变压器，大电流系统侧的单相接地短路是其主要的故障类型之一。变压器零差保护是变压器大电流系统侧内部接地故障的主保护。
三相自耦变压器零序差动保护原理接线如图11-30所示。
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***********1*LH2LH
Jo
0
LH图11-30 自耦变压器零差保护原理接线图 **在图11-30中:LH1、LH2、LHO,分别为变压器高压侧、中压侧及中性点的零序TA
JO,零差元件。
由图11-30可以看出，自耦变压器高压侧的TA，采用三相同极性联联接构成零序滤过器。 零差保护不受变压器激磁电流及带负荷调压的影响，其构成简单，动作灵敏度高。 另外，零差元件各侧TA可以取同型号及同变比的。
2 动作方程及动作特性
为提高零差保护的动作灵敏度及工作可靠性，应采用其动作特性为一段折线式的差动元件。 差动元件动作特性取一段折线式的原因，是变压器正常工况下及外部相间故障时没有零序电流，即差动元件中无制动量。
在工程实践中，也有不带制动特性的零差元件。
一段折线式零差元件的动作方程为
,II,odzdzo0,I,KIodzzozd, …………………………………………………….(11-35)
Iodz式中:,零序差流;
Iozd ,零序制动电流;
I0dzo ,零序差动元件的启动电流;
Kz ,比率制动系数。
不带制动零差元件的动作方程为
I,Iodzopo …………………………………………………….(11-36)
Iodz式中:,零序差流;
Iopo ,差动元件的动作电流整定值。
根据式(11-35)绘制出的一段折线式零差元件的动作特性如图11-31所示。
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Idz
区
K,tg,,z
Iodzo
Izd
图11-31 零差元件的动作特性
在图11-31中:各符号的物理意义，同式(11-35)。
3 整定计算
Kz及对零差保护的整定计算，对动作特性为一段折线式零差元件，是要确定比率制动系数
IIopo0dzo启动电流;而对于无制动特性的零差元件，是确定其动作电流。 (1)动作特性为I段折线式的零差元件
(I)最小零序动作电流Iodzo的整定
最小零序动作电流Iodzo的整定原则，应躲过正常工况下差动回路的零序不平衡电流。
正常工况下零差回路的不平衡电流可按下式计算:
，，I,K，KIOHe,0102e ………………………………………………………………(11-37) 式中:
Ie — 变压器的额定电流(差动TA二次值);
K01—各侧不同相差动TA变比不同产生的零序电流，取5,;
K02—通道转换及调整误差，取10,。
零差元件的最小动作电流为:
，，I,KK，KIodzoH0102e…………………………………………………………(11-38) 式中:
KH—可靠系数，取1.5,2;
故Iodzo,(0.225,0.3)Ie，可取0.3Ie。
(II)比率制动系数Kz
比率制动系数的整定原则是:应能使零差保护可靠地躲过区外接地故障时的零序不平衡电流。
区外接地故障时最大不平衡零序电流
，，I,K，K，KIodmax010203okmax………………………………………………(11-39) 式中:
Iodmax—区外接地故障时的最大零序电流;
K01—区外故障时，两侧TA暂态特性不一致产生的误差，取0.1; K02—区外故障时TA的10,误差，即0.1;
K03—通道转换及调整误差，取0.1。
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故Iodmax,(0.3)3I0kmax
为可靠躲过外部故障，比率制动系数:
3Iokmax，，K,K0.3OZH3Iokmax…………………………………………………………… (11-40) 式中:
KH—可靠系数;取1.3,1.5。
代入上式得:
Koz,0.39,0.45，可实取0.4,0.5。
无制动特性的零差保护
无制动特性的零差保护的动作电流，应按躲过区外接地故障或励磁涌流产生的不平衡电 流来整定。
，，I,KK，K，KIodzh010203okmax ……………………………………………… (11-41) 式中:
Iodz—零差元件的动作电流;
KH—可靠系数;取1.5;
K01、K02、K03—其物理意义同式(11-39);
I0kmax—区外接地故障时的最大零序电流。
将各值代入式(11-41)得:
Iodz,0.375I0kmax 实取0.4I0kmax。
第五节 差动保护的TA断线闭锁
为确保差动保护的动作灵敏度，具有比率制动特性的差动元件的启动电流均很小。这样，当差动元件某侧TA二次的一相或多相断线时，差动保护必将误动。
目前，国内生产的微机型变压器差动保护中，均设置有TA断线闭锁元件。在变压器运行时，一旦出现差动TA二次回路断线，立即发出信号并将差动保护闭锁。
一 TA断线闭锁元件的作用原理
在理想情况下，若不考虑差动保护区内、外不同两点接地短路，则TA二次三相电流之和应等于零，即
，，，I，I，I,0abc
若TA二次回路中一相断线时，则
，，，I，I，I,0abc
根据以上原理及变压器接线组、变压器中性点是否接地运行，提出以下TA二次回路断线闭锁判据:
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，，，，,,I，I，I，3I，abco1,,，3I,,,02, ………………………………………….(11-42)
,,12式中:、,门槛值，可根据不平衡差流的大小确定;
，3I0 ,零序电流，TA二次值;
，，，IIIabc 、、,分别为TA二次a、b、c三相电流。
，3I0该判别TA断线的方法有一很大的缺点，应由其他TA供给。
目前，在微机型保护装置中，多采用根据电流变化情况、变化趋势及电流量值大小来判断TA断线的。当测量出只有变压器一侧的电流发生了变化，且变化趋势是电流由大向小变化、而电流值小于额定电流时，被判为电流变化侧的TA断线。
当变压器各侧电流均发生变化，且电流变化趋势是由小向大变化、而变化后电流的幅值又大于额定电流，则说明电流的变化是由故障引起的。
二 关于TA断线闭锁元件的作用
众所周知，TA二次回路不能开路。如果TA二次回路开路，将在开路点的两侧产生很高的电压，危及人身及二次设备的安全。另外，在开路点可能产生电弧，进而引起火灾。 变压器的容量越大及TA变比越大，TA二次回路开路的危害越严重。运行实践已充分证明。 因此，当差动保护TA二次开路时，差动保护动作切除变压器，是防止人身伤害及损坏设备的有效办法。
对于大容量的主设备，由于TA的变比很大，TA断线闭锁元件只应发信号而不要闭锁差动保护。
第六节 短路故障的后备保护
大、中型变压器短路故障后备保护的类型，通常有复合电压过电流保护、零序电流及零序方向电流保护、负序电流及负序方向电流保护、低阻抗保护及复合电压方向保护。 一 复合电压过电流保护
复合电压过电流保护，实质上是复合电压启动的过电流保护。它适用于升压变压器、系统联络变压器及过电流保护不能满足灵敏度要求的降压变压器。
1 动作方程及逻辑框图
复合电压过流保护，由复合电压元件、过电流元件及时间元件构成，作为被保护设备及相邻
39
设备相间短路故障的后备保护。保护的接入电流为变压器某侧TA二次三相电流，接入电压为变压器该侧或其他侧TV二次三相电压。为提高保护的动作灵敏度，三相电流一般取自电源侧，而电压一般取自负荷侧。
保护的动作方程为
U,U,acop,,II,,a(b,c)op, ……………………………………………………….(11-43)
U,U,22op,,II,,a(b,c)op, ……………………………………………………….(11-44)
Uac式中:,TV二次a、c两相之间电压;
Ia(b,c) ,TA二次a相或b相或c相电流;
U2,负序电压(TV二次值);
Iop ,过电流元件动作电流整定值;
Uop ,低电压元件动作电压整定值;
U2op ,负序电压元件的动作电压整定值。
复合电压过电流保护动作逻辑框图如图11-32所示。
Uac,信号+
U2,t出口0&
bIa,
Ic+
I,图11-32 复合电压过电流保护逻辑框图
在图中:Uac,,a、c两相之间低电压元件;
U2,,负序过电压元件; ,
Ia,、Ib,、Ic,,分别为a、b、c相过电流元件。
由图可以看出:当变压器电压降低，或负序电压大于整定值及a相或b相或c相电流时，保护动作，经延时t作用于切除变压器。
2 整定原则及定值建议
(1)过电流元件
过电流元件的动作电流，按躲过变压器运行时的最大负荷电流来整定，即
KHI,IopeKB ……………………………………………………..(11-45)
40
Iop式中:,动作电流整定值;
KH ,可靠系数，取1.15~1.2;
KB ,返回系数，取0.95~0.98;
Ie ,变压器额定电流，TA二次值。
代入式(11-45)可得
IIope ,(1.17~1.2)。
(2)低电压元件
低电压元件的动作电压按躲过无故障运行时保护安装处出现的最低电压来整定。即
UminU,opK,KHB ……………………………………………………(11-46)
Uop式中:,动作电压整定值;
Umin ,正常运行时出现的最低电压值;
KB ,返回系数，取1.05;
KH ,可靠系数，取1.2。
发电厂厂高变复合电压过电流保护低电压元件的引入电压，通常取自变压器低压侧各段厂用母线。其低电压元件的动作电压，应按躲过电动机自启动的条件整定。对于发电厂升压变压器，当低电压元件的电压取自机端TV二次时，还应考虑躲过发电机失磁运行出现的低电压。
UUope一般 ,(0.6~0.7)
Ue式中:,额定电压(TV二次值)。
(3)负序电压元件
按躲过正常运行时系统中出现的最大负序电压整定。此外，还应满足相邻线路末端两相短路时负序电压元件有足够的动作灵敏度。通常
U,10%U2ope
Ue式中:,额定电压(TV二次值)。
(4)动作延时
应按与相邻线路相间短路后备保护相配合整定。即
t,t，,tmax
式中:t,复合电压过流保护的动作延时;
tmax ,相邻线路相间短路后备保护的最长延时;
,t ,时间级差，一般取0.3~0.5秒。
41
二 零序电流及零序方向电流保护
电压为110KV及以上的变压器，在大电流系统侧应设置反映接地故障的零序电流保护。有两侧接大电流系统的三卷变压器及三卷自耦变压器，其零序电流保护应带方向，组成零序方向电流保护 。
两卷或三卷变压器的零序电流保护的零序电流，可取自中性点TA二次，也可取自本侧TA二次三相零线上的电流，或由本侧TA二次三相电流自产。零序功率方向元件的接入零序电压，可以取自本侧TV三次(即开口三角形)电压，也可以由本侧TV二次三相电压自产。在微机型保护装置中，零序电流及零序电压大多是自产，因为有利于确定功率方向元件动作方向的正确性。
1 动作方程及逻辑框图
对于大型三卷变压器，零序电流保护可采用三段，其中I段及II段带方向，第III段不带方向兼作总后备作用。每段一般由两级延时，以较短的延时缩小故障影响的范围或跳本侧断路器，以较长的延时切除变压器。
以三卷变压器为例，其零序电流保护的动作方程为
零序I段
3I,I,01,op,P,，00, ……………………………………………………………….(11-47) 零序II段
3I,I,02,op,P,，00, ……………………………………………………………….(11-48) 零序III段
3I,I0op3 ……………………………………………………………….(11-49) 在上述三式中:
P0 ,零序功率元件的测量功率;
3I0 ,零序电流元件的测量电流;
IIIop3op1op2 、、,分别为零序I段、II段、III段动作电流整定值。 零序方向电流保护的逻辑框图一般如图11-33所示。
t10
3I,Ioop1&
出口(缩小故障范围)+t2P00
&3I,Ioop2t30出口(切除变压器)+t53I,Ioop30t4
0
42
图11-33 三卷变压器零序方向电流保护逻辑框图
III3IPop3op1op200在图11-33中:、、、、的物理意义同式(11-47)~(11-49)。
tt13由图11-33可以看出:零序方向电流保护的I段或II段动作后，分别经延时或作用于缩
tt24小故障影响范围，而经或切除变压器。零序III段不带方向，且只作用于切除变压器。 整定原则及定值建议
(1)功率方向元件的动作方向
零序功率方向元件动作方向的整定，应根据变压器的作用、保护安装位置(电气位置)及电力系统的具体情况确定。
(I)发电厂的三卷升压变压器
发电厂的三卷升压变压器，其低压侧一般接有大容量的发电机。发电机设置有完善的后备保护，可兼作变压器内部各种短路故障的后备保护。另外，大型超高压变压器的主保护已双重化。此时，变压器高压侧及中压侧的零序电流保护，应分别作为相邻母线及线路故障的后备保护，因此，保护的动作方向应分别指向各侧的母线。
(II)大型变电站的降压变压器
为了经济运行及系统中各保护之间的配合，降压变电站的主电源在高压侧，其低压侧或中压侧一般无电源及开环运行，高压侧环网运行。
高压侧零序方向电流保护的动作方向应指向变压器，作为变压器及中压侧线路接地故障的后备保护。中压侧的零序方向电流保护的动作方向，应指向中压侧母线，作为母线及相邻线路接地故障的后备保护。
(2)各段零序电流元件的动作电流
(I)中压侧零序电流元件
中压侧零序电流I段的动作电流，应与相邻线路零序电流的I段或线路快速主保护配合，即
I,KKIop1HX1op1L ……………………………………………..(11-50)
Iop1式中:,中压侧零序电流I段的动作电流;
KX1 ,I段零序分支系数，其值等于线路零序电流I段保护区末端接地故障时，流过本保护安装处的零序电流与流过线路零序电流之比，取各种运行方式的最大值;
KH ,可靠系数，取1.1;
Iop1L ,相邻线路零序电流I段的动作电流。
零序电流II段的动作电流，与相邻线路零序电流II段相配合。
I,KKIop2HX2op2L ………………………………………………(11-51)
Iop2式中:,II段零序电流保护的动作电流;
KH ,可靠系数，取1.1;
KX2,II段零序分支系数，其值为线路零序电流II段保护区末端接地故障时，流过本保护
43
安装处的零序电流与流过线路的零序电流之比，取各种运行方式下的最大值; Iop2L,线路零序电流II段的动作电流。
(II)高压侧零序电流元件
当零序方向电流保护的动作方向指向高压侧母线时，其各段动作电流的整定原则及
计算公式
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同中压侧。
当零离方向电流保护的动作方向指向变压器时，整定原则如下:
零序电流I段保护的动作电流，应保证在中压侧母线上发生接地故障时有灵敏度，且
I,KIHop1中op1高 ………………………………………………………..(11-52)
Iop1高式中:,高压侧零序电流I段保护的动作电流;
Iop1中 ,中压侧零序电流I段保护的动作电流;
KH ,可靠系数，取1.15。
零序电流II段保护的动作电流，应与中压侧零序电流II段保护的动作电流相配合，即
I,KIHopII中opII高 ………………………………………………………..(11-53)
IopII高式中:,高压侧零序电流II段保护的动作电流;
IopII中 ,中压侧零序电流II段保护的动作电流;
KH ,可靠系数，取1.15。
(3)动作延时的整定
当各侧零序方向电流保护的动作方向指向各侧母线时，其电流I段保护的短延时(即图11-33
t1中的)应与相邻线路零序电流I段保护的动作时间相配合。
t,t，,t11L
t1式中:,变压器零序电流I段保护的短延时;
t1L,相邻线路零序电流I段保护的动作时间;
,t,时间级差，通常取0.3~0.5秒。
t2零序电流I段的长延时(即图11-33中的)，应比零序电流I段长一个时间级差(0.3~0.5秒)。
变压器各侧零序电流II段的动作短延时应与相邻线路零序电流II段的动作延时相配合，而长延时比短延时长一时间级差。
当变压器高压侧零序方向电流保护的动作方向指向变压器时，其I段及II段的动作延时，应分别与中压侧零序电流I段、II段保护的动作延时相配合，前者比后者(即高压侧保护比中压侧保护)长一个时间级差。
需要着重指出:为有效保护变压器，零序电流I段保护的最长动作时间不应超过2秒。
44
三 负序电流及负序方向电流保护
63MVA及以上容量的变压器，可采用负序电流或单相式低电压启动的过电流保护作为相间短路的后备保护。三卷变压器或三卷自耦变压器，上述保护宜设置在电源侧或主负荷侧。此外，为满足选择性要求，对负序电流保护有时要加装负序功率方向元件，构成负序方向电流保护。
在微机保护装置中，负序电压及负序电流均由装置对TV二次三相电压及TA二次三相电流计算自产。
1 动作方程及逻辑框图
根据变电站的主接线及运行方式，负序电流及负序方向电流保护，可带一段延时，也可带二段延时。若带两段延时，则以较短的时间作用于缩小故障影响的范围;以较长的时间切除变压器。
负序电流保护的动作方程为
I,I22op ……………………………………………………(11-55) 负序方向过流保护的动作方程为
I,I,22,op,,P，02, ……………………………………………………(11-56)
I2式中:,保护测量的负序电流;
P2 ,保护测量的负序功率;
I2op ,负序电流元件的动作电流。
负序方向电流保护的逻辑框图如图11-34所示。
作用于缩小故障t1I影响范围02，
&t2
P，0切除变压器2
图11-34 负序方向电流保护逻辑框图
I2，在图中:,负序过电流元件;
P2， ,负序功率方向元件。
由图11-34可以看出:当负序过电流及负序功率同时为正值时，保护动作，以较短的延时作用于缩小故障影响范围，以较长的时间切除变压器。
2 整定原则及定值建议
(1)负序电流元件
负序电流元件的整定原则是:按相邻线路断线保护不误动的条件整定。另外，还要考虑与相邻线路零序电流后备段在灵敏度上配合，防止非选择性动作。
45
(I)按相邻线路断线不误动条件整定
ILmaxIKK,opHX2ZZ,,221，，ZZ,O,1 ………………………………………………..(11-57)
Iop2式中:,负序电流动作整定值;
KH ,可靠系数，取1.2;
KX ,负序电流分支系数，其值等于线路断线时流过保护安装点的负序电流与流过断线处负序电流之比;
ZZZ1,2,O, 、、,由断线处测得的正序、负序及零序阻抗;
ILmax,断线前流经线路的最大负荷电流。
(II)按与断线线路零序电流后备段灵敏度配合整定
IZ0op0,IKK,,2opHX3Z2, ………………………………………………..(11-58)
Iop0式中:,断线线路零序过流保护后备段动作电流;
其他符号的物理意义同式(11-57)。
IIIop2ee在实际应用时，一般,(0.5~0.6)(,变压器额定电流)。
(2)负序功率方向元件动作方向的整定
装于主电源侧的负序功率方向元件，其动作方向应指向变压器，作为变压器相间短路的后备保护，而装于其他侧负序功率方向元件的动作方向，可指向本侧母线。
(3)动作时间的整定
应根据变压器的类型，保护的安装位置及系统具体情况整定。但是，为有效保护变压器，其动作时间不宜过长，最好小于2秒。
四 低阻抗保护
低阻抗保护是变压器相间故障后备保护的一种。通常，该保护由三个相间方向阻抗元件构成。阻抗元件的接入电压和接入电流，取自保护安装侧TV二次三相电压及TA二次三相电流。并采用零度接线方式。
1 动作方程及逻辑框图
用阻抗元件构成发电机及变压器短路后备保护的缺点很多。首先用测阻抗的方法来确定发电机、变压器内部故障的位置存在着问题，其正确动作率不高。另外，TV断线要误动。 目前，为防止TV断线时低阻抗保护误动，采用以下措施:
(a)采用TV二次断线闭锁元件，发现TV断线时， 将保护闭锁;
(b)采用负序电流或相过电流启动;
(c)采用故障变化量启动。
一般，阻抗元件的动作特性为阻抗复平面上的一个偏移阻抗园，其动作方程为
46
Z(或Z或Z),Z,abbccaop,,I(或I或I)I,,abcop, …………………………………………..(11-59)
,ZZZZ,(或或)abbccaop,,II,,22op, …………………………………………..(11-60)
，，，UUUcaabbcZ,Z,Z,caabbc，，，IIIZZZabbccaabbcca式中:、、,相间阻抗元件，，，;
IIIabc、、,TA二次a、b、c三相电流;
Zop ,阻抗元件的动作阻抗;
Iop ,相电流元件的动作电流;
I2 ,负序电流(TA二次值);
I2op ,负序电流元件的动作电流。
三卷变压器高压侧低阻抗保护的动作阻抗只有一段，中压侧有二段，有时有三段。只有一段动作阻抗的低阻抗保护逻辑框图如图11-35所示。
TV断线信号Zab,Zop
t1出口Zbc,Zop+&信号
t2Zca,Zop出口
,Iop
+,Iop
+,Iop
,I2op 图11-35 低阻抗保护逻辑框图
由图11-35可以看出:当三个阻抗元件同时动作或其中之一动作及相电流增大或负序电流大
tt12时，保护动作，经作用于缩小故障影响范围，经延时切除变压器。
2 整定原则及定值建议
(1)动作方向的整定
阻抗元件的动作方向(即方向阻抗园的方向)，应根据变压器的类型，保护的安装位置及系统条件来确定。主电源在高压侧的三变压器，装于高压侧的阻抗元件的动作方向应指向变压器。有时高压侧阻抗元件的动作阻抗园有5%左右的偏移度，兼作高压母线故障的后备保护。 变压器中压侧的方向阻抗元件，其动作方向指向中压侧母线，作为中压侧母线及相邻线路故
47
障的后备保护。
(2)阻抗元件动作阻抗的整定
降压变压器高压侧阻抗元件正方向的动作阻抗，应按中压侧相间故障有灵敏度来整定;而中压侧阻抗元件的动作阻抗，应与相邻线路距离保护的动作阻抗相配合。 (3)动作时间的整定
低阻抗保护的动作时间，应按以下两个条件来确定。(a)为有效保护变压器，高压侧及中压侧I段的动作时间，最长不超过2秒;(b)与相邻元件保护相配合。
五 复合电压方向过流保护
为确保动作的选择要求，在两侧或三侧有电源的三卷变压器上配置复压闭锁的方向过流保护，作为变压器相间短路故障的后备保护。
保护的接入电流和电压为本侧(保护安装侧)TA二次三相电流及TV二次三相电压，有时还引入变压器另一侧TV二次三相电压作为相间功率的计算电压。
1 动作方程及逻辑框图
保护由相间功率方向元件、过电流元件及复合电压元件(低电压和负序电压)构成。相间功率方向元件多采用900接线，其计算功率为
,,PIU,cos(,，),aabca,,,PIU,cos(,，),bbcab,,PIU,cos(,，,)ccabc, ………………………………………..(11-61)
PPPabc式中:、、,三相相间功率;
IIIabc 、、,三相电流;
,,,UUUbccaab 、、,三相相间电压，取另一侧电压(与电流不同侧);
,,,,,,IUIUIUabcabcbcacab 、、,与、与、与之间的相位差;
, ,计算功率内角。
保护的动作方程为
PPP，(,)0,abc,IIII,(,)abcop,,U,Uca，op,,UU,22op, ………………………………………..(11-62)
Uca式中:,负序电压;
U，op ,低电压元件动作电压;
U2op ,负序电压元件动作电压;
Iop ,电流元件的动作电流;
48
其他符号的物理意义同式(11-61)。
保护的动作逻辑框图如图11-36所示。
Pa,0
b,0P
Pc,0
Ia,Iop信号&&+t1出口b,Iop信号I&t2Ic,Iop出口
&U，Uca，op
+U,U22op 图11-36 复合电压方向过流保护逻辑框图
PPPIIIabcabc由图可以看出:当计算功率、、中之一大于零，三相电流、、中之一功率与大于零序功率元件对应相的电流大于整定值时，若低电压元件与负序电压元件之一动作，保护出口动作，经延时作用于缩小故障影响范围或切除变压器。
2 定值的整定
方向元件的动作方向，应指向变压器，作变压器或另一侧元件相间短路的后备保护。 其他元件的整定同复合电压过流保护。
第七节 变压器过激磁保护
变压器过激磁运行时，铁芯饱和，励磁电流急剧增加，励磁电流波形发生畸变，产生高次谐波，从而使内部损耗增大、铁芯温度升高。另外，铁芯饱和之后，漏磁通增大，使在导线、油箱壁及其他构件中产生涡流，引起局部过热。严重时造成铁芯变形及损伤介质绝缘。 为确保大型、超高压变压器的安全运行，设置变压器过激磁保护非常必要。
一 过激磁保护的作用原理
变压器运行时，其输入端的电压
U,4.44fwSB ……………………………………………………..(11-63) 式中:U,电源电压;
W,一次绕组的匝数;
S,变压器铁芯的有效截面;
f,电源频率;
49
B,铁芯中的磁密。
由于绕组匝数W，铁芯截面S均为定数，故将式(11-63)简化成
U,KfB
UB,Kf则 ……………………………………………………………….(11-64) 式中:K,常数，K,4.44WS。
由式(11-64)可以看出，变压器铁芯中的磁密，与电源电压成正比，与电源的频率成反比。即电源电压的升高或频率的降低，均会造成铁芯中的磁密增大，进而产生过激磁。 变压器及发电机的过激磁保护就是根据上述原理构成的。
在变压器过激磁保护中，采用一个重要的物理量，称之为过激磁倍数。过激磁倍数n，它等于铁芯中的实际磁密B与额定工作磁密Be之比，即
U
UBen,,fBefe ……………………………………………………..(11-65)
Ue式中:,变压器的额定电压;
fe ,电源的额定频率;
n,过激磁倍数;
其他符号的物理意义，同式(11-63)。
变压器过激磁时，n,1，n值越大，过激磁倍数越高，对变压器的危害越严重。
二 测量过激磁倍数的原理接线
在过激磁保护中，测量过激磁倍数的原理接线如图11-37所示。 RT
直滤C流U
电波压 图11-37 测量过激磁倍数原理接线图
在图11-37中:U,变压器电源侧TV二次相间电压;
T,保护装置中的小型辅助电压互感器;
R,电阻;
C,电容。
由图11-37可以看出:电压U通过辅助TV变换隔离、电阻R降压、整流及滤波后变成直流电压，供过激磁测量元件进行测量。根据直流电压的大小来判断过激磁倍数。过激磁倍数与该直流电压成正比。
在图11-37中，利用电阻R及电容器C来反映电源的频率的。当电源的频率高时，电容器的容抗较小，在电源电压一定时流过它的电流就较大，电阻R上的压降较大，输出的直流就比较低;反之，当电源的频率低时，在电源电压一定时，输出的直流电压就较高。 另外，当电源的频率一定时，电源电压U越高，输出的直流电压就高。
50
设额定频率及额定电压时，图11-37中的直流电压U,e，当电源电压升高或频率降低时的直流电压U, 则测得的过激磁倍数
U,n,U,e
三 动作方程及逻辑框图
理论分析及运行实践表明:为有效保护变压器，其过激磁保护应由定时限和反时限两部分构成。定时限保护动作后作用于告警信号及减励磁(发电机);反时限保护动作后去切除变压器。
1 动作方程
n,n,opL,,nn,,oph, ……………………………………………………..(11-64) 式中:n,测量过激磁倍数;
nopL ,过激磁倍数低定值，定时限部分启动值;
noph ,过激磁倍数高定值，反时限部分启动值;
2 反时限部分的动作特性
目前，国内采用的不同厂家生产的过激磁保护反时限部分的动作特性相差很大。 ABB公司生产的反时限过激磁保护动作曲线的方程为
0.18Ktt,0.8，2(M,1) (秒)………………………………………………….(11-65) 式中:
t,动作延时;
KKtt ,整定时间倍率，,1~63;
nM,nophM,启动倍数，，即等于过激磁倍数与反时限部分启动过激磁倍数之比。 国内某些公司生产的反时限过激磁保护，其动作特性曲线方程同上式。 联邦德国TU公司采用的反时限过激磁保护动作特性曲线方程为
,Kn，K12t,10 ………………………………………………….(11-66) 式中:t,动作延时;
n,过激磁倍数;
K1、K2,待定常数。
在国内生产的DGT801系列保护装置中，其反时限过激磁保护动作特性曲线上的各点，可以根据要求随意整定。其
标准
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特性曲线如图(11-38)所示。
51
n
n=f(t)
noph
ttmax
图11-38 反时限过激磁保护动作特性曲线
noph在图11-38中:,反时限过激磁保护启动值;
tmax,反时限过激磁保护动作长延时。
四 逻辑框图
国内生产的微机型过激磁保护的动作逻辑框图大致如图11-39所示。
信号t1n,nopL0u减励磁测量n
n,noph
切除变压器或发电机图11-39 过激磁保护逻辑框图
由图可以看出，当变压器或发电机电压升高或频率降低时，若测量出的过激磁倍数大于过激
t1磁保护的低定值时，定时限部分动作，经延时发信号或作用于减励磁(保护发电机时);若严重过激磁时，则保护反时限部分动作，经与过激磁倍数相对应的延时，切除发电机或变压器。
五 整定原则及定值建议
1 定时限过激磁元件
定时限过激磁元件动作过激磁倍数的整定值，应按躲过正常运行时变压器铁芯中出现的最大工作磁密来整定。正常运行时，变压器的电压最高为额定电压的1.1倍，系统频率最低为49.5Hz，因此，铁芯中最大的工作磁密为额定工作磁密的1.11倍。定时限元件的动作过激磁倍数应为
KHn,1.11opLKB ………………………………………(11-67)
nopL式中:,定时限元件动作过激磁倍数整定值;
KH ,可靠系数，取1.05;
52
KB ,返回系数，微机保护取0.95~0.98。
代入上式得
nopL,1.17~1.2
另外，定时限过激磁元件动作过激磁倍数的整定值，不应超过铁芯的起始饱和磁密与额定工作磁密之比。
现代的大型变压器，其额定工作磁密Be,17000~18000高斯，而起始饱和磁密Bs,19000~2000高斯，两侧之比为1.12~1.18。
综合上述，定时限元件动作过激磁倍数取1.15是合理的。
动作延时可取6~9秒。对于发电机的过激磁保护，当作用于信号并减励磁时，其动作延时尚应考虑发电机的强励时间。
2 反时限过激磁元件
发电机或变压器反时限过激磁保护的动作特性，应按与制造厂给出的允许过激磁特性曲线相配合来整定。如图11-40所示。
图11-40 发电机或变压器反时限过激磁保护整定图例
在图11-40中:
曲线1—发电机或变压器的允许过激磁特性曲线;
曲线2—反时限过激磁保护的动作特性曲线。
目前，整定反时限过激磁保护动作特性曲线遇到的困难是:国产的大型发电机及变压器，制造厂家没给出允许过激磁特性曲线。因此，无法按与制造厂给出的允许过激磁特性曲线相配合。
众所周知，并网运行的发电机及变压器，其电压的频率决定于系统频率。运行实践表明:除了发生系统瓦解性事故外，系统频率大幅度降低的可能性几乎不存在。因此，发电机及变压器(特别是变压器)的过激磁，多由过电压所致。
在发电机及变压器出厂说明书中，均给出了如下表所列的电压与允许时间关系的特性曲线。 发电机或变压器允许过电压倍数及持续的时间
过电压倍数 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 允许持续时间(S) t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 在制造厂家未给出发电机或变压器过激磁特性曲线的情况下，建议按表7,2给出的特性曲线来整定。
在对反时限过激磁保护进行实际整定时，应注意以下两点:
? 对于设置在发电机机端的发电机及变压器的过激磁保护，其整定值应按发电机及变压器两者中允许过激磁特性曲线较低的进行整定;
? 在动作特性曲线上尽量多取几个点进行整定，以确保反时限下限的动作值及动作时间的精度。
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第八节 变压器中性点间隙保护
一 问题的提出
超高压电力变压器，均系半绝缘变压器，即其中性点线圈的对地绝缘比其他部位弱。中性点的绝缘容易被击穿。
在电力系统运行中，为将零序电流限制在某一定的范围内(对系统中各零序电流保护定值进行整定时的要求)，对变压器中性点接地运行的数量有规定。因此，在运行中，变压器的中性点，有接地的和不接地的。中性点不接地运行的变压器，其中性点的绝缘易被击穿。 在上世纪90年代之前，为确保变压器中性点不被损坏，将变电站(或发电厂)所有变压器零序过流保护的出口横向联系起来，去启动一个公用出口部件。通常将该出口部件叫做零序公用中间。当系统或变压器内部发生接地故障时，中性点接地变压器的零序电流保护动作，去启动零序公用中间。零序公用中间元件动作后，先去跳中性点不接地的变压器，当故障仍未消失时再跳中性点接地的变压器。
运行实践表明，上述保护方式存在严重缺点，容易造成全站或全厂一次切除多台变压器，甚至使全站或全厂大停电。另外，由于各台变压器零序过流保护之间有了横向联系，使保护复杂化，且容易造成人为误动作。
二 间隙保护的作用原理
1 原理接线
间隙保护的作用是保护中性点不接地变压器中性点绝缘安全的。
在变压器中性点对地之间安装一个击穿间隙。在变压器不接地运行时，若因某种原因变压器中性点对地电位升高到不允许值时，间隙击穿，产生间隙电流。另外，当系统发生故障造成
3U0全系统失去接地点时，故障时母线TV的开口三角形绕组两端将产生很大的电压。 变压器间隙保护是用流过变压器中性点的间隙电流及TV开口三角形电压作为危及中性点安全判据来实现的。
保护的原理接线如图11-41所示。
高压母线
变TV
压
器间隙3UO
间隙间隙电流间0保护隙
TA
I
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图11-41 间隙保护原理接线图
2 动作方程及逻辑框图
间隙保护的动作方程为
I,I00op ………………………………………………………….(11-68)
3U,U00op或 ………………………………………………………….(11-69)
I0式中:,流过击穿间隙的电流(二次值);
3U0 ,TV开口三角形电压;
I0op ,间隙保护动作电流;
U0op ,间隙保护动作电压。
保护的逻辑框图如图11-42所示。
信号
I,I00opt+
0&出口3U,U00opK
图11-42 间隙保护逻辑框图
在图11-42中:K,变压器中性点接地刀闸的辅助接点，当变压器中性点接地运行时，K闭合，否则打开;
其他符号的物理意义同式(11-68)及式(11-69)。 由图可以看出:当间隙电流或TV开口电压大于动作值时，保护动作，经延时切除变压器。
二 定值建议
间隙保护不是后备保护，其动作电流、动作电压及动作延时的整定值不需与其他保护相配合。 1 动作电流
当流过击穿间隙的电流大于或等于等于100A时保护动作，即
100I,(A)0opnT …………………………………………….(11-70)
I0op式中:,保护的动作电流;
nT ,间隙TA的变比。
2 动作电压
U,(150~180)V0op
U0op式中:,保护的动作电压。
3 动作延时
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为躲过暂态过电压，间隙保护具有动作延时，一般其值为
t,0.3秒
三 提高动作可靠性措施
运行实践表明，呈因变压器中性点放电间隙误击穿致使间隙保护误动的现象较多。因此为了提高间隙保护的工作可靠性，正确地整定放电间隙的间隙距离是非常必要的。 在计算放电间隙的间隙距离之前，首先要确定危及变压器中性点安全的决定因素。即首先要根据变压器所在系统的正序阻抗及零序阻抗的大小，计算电力系统发生了接地故障又失去中性点接地时是否会危及变压器中性点的绝缘，如果不危及时，应根据冲击过电压来选择放电间隙的间隙距离。
放电间隙距离的选择，应根据变压器绝缘等级、中性点能承受的过电压数及采用的放电间隙类型计算确定。
另个，为提高间隙保护的性能，间隙TA的变比应较小。由于变压器零序保护所用的零序TA变比较大，故间隙TA应单独设置。
单独设置间隙TA时，在间隙保护中可以不设置隔离刀闸辅助接点的闭锁功能。
第九节 三卷自耦变压器保护的特点
目前，超高压大容量三卷自耦变压器在电力系统中被广泛应用。
一 三卷自耦变的特点
与普通变压器比较，三卷自耦变压器有以下特点:
1 各侧的额定容量不同
三卷变压器低压侧的额定容量，由高压侧同中压侧的共公绕组容量决定，比高压侧或中压侧的额定容量要小。
n高K,高中Kn高中中设自耦变压器高压侧与中压侧之间的变比为(，即高压绕组的匝数与中压绕
1,1:1:(1)KK高中高中组之比)，则高压侧、中压侧与低压侧之间的额定容量之比为。由于大于1(一般等于2，或3或5)，故低压侧的额定容量要小于其他侧的容量。 2 高压侧与中压侧之间有电的联系
所谓自耦变压器，是指变压器高压侧与中压侧公用一个绕组。因此，变压器的高压侧与中压侧之间除了磁的耦合之外，尚有电的联系。当高压侧系统或中压侧系统中发生接地故障时，故障电流可直接由非故障系统流入故障系统。
3 三卷自耦变压器运行时，变压器的中性点，必须直接接地
二 高压侧或中压侧系统接地故障时的零序电流
1 自耦变压器高压侧接地故障
三卷自耦变压器接线的示意图如图11-43所示。高压侧单相接地故障时的零序等值网路如图11-44所示。
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中压侧
A'B'C'
*A a *高低*压压Bb*侧侧* c C*
图11-43 自耦变压器接线示意图
0201XX
中高0'I0I
?中003XX0U
图11-44 变压器高压侧接地故障时的零序等值回路
X01在图11-43中:——变压器高压侧零序电抗;
X02 ——变压器中压侧零序电抗;
X03 ——变压器公共及低压侧等值零序电抗;
X0,中 ——变压器中压侧网路的等值零序电抗;
，U0 ——接地故障点的零序电压;
，，，,III中0高000 、、——折算到中压侧的变压器各侧的零序电流。 由图11-44可得
,XI03高0，I,中0X，X，X，X0102030,中
,II,KI高0高中高0高0由于(,自耦变压器高压侧的零序电流)，故
KXI03高中高0，I,中0X，X，X，X0102030,中
则流过变压器中性点的电流
KX03高中，，，，I,I,I,I,33()3(10中0高0高0X，X，X，X0102030,中
X，X，X，,KX(1)0102030,中高中，3(),I高0X，X，X，X0102030,中 …………………………(11-71)
2 自耦变压器中压侧接地故障
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自耦变压器中压侧接地故障时的零序等值网路，如图11-45所示。
0102XX
中0高'I0I
?高003XX0U
图9-17图11-45 变压器中压侧接地故障时的零序等值网路
X0,高在图11-45中:——变压器高压侧网路中零序等值电抗;
其他符号的物理意义同图11-44。
根据图11-45可得
，XI03中0，,I,高0X，X，X，X0102030,
高压侧零序电流:
，XI03中0，,I,高0(X，X，X，X)K0102030,高中
流过变压器中性点的电流
X03，，，，I,,I，I,I,，33()3(1)0中0中0高0X，X，X，XK()0102030,高中
X，X，X，K,X(1)01020,03高中，,I3()中0X，X，X，XK()0102030,高中 ………………(11-72) 3 讨论
由式11-71和式11-72可以看出:
KXX，X，X，X03高中0102030,当等于时，变压器高压侧接地短路时流经变压器中性点的零序电流等于零;
KXX，X，X，X03高中0102030,当大于时，变压器高压侧短路时流经变压器中性点的电流方向
，I高0与高压侧零序电流()方向相同;
KXX，X，X，X03高中0102030,当小于时，变压器高压侧短路时流经变压器中性点的电流与高
，I高0压侧零序电流()方向相反;
总之:变压器高压侧或中压侧接地故障时，流经变压器中性点零序电流的大小和方向与故障位置有关，与系统的运行方式及参数有关。在某种工况下变压器高压侧接地故障，该电流可能等于零。
另外，当变压器的高压侧或中压侧的网路中发生接地故障时，由于两侧的零序电流不相等，在对零序电流无滤去作用的变压器纵联差动保护中将产生很大的差流，该差流实际上等于流
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经自耦变压器公共绕组中的零序电流。
三 保护配置的特点
1 过负荷保护
由于变压器低压侧的额定容量比其他两侧要小，故容易过负荷，应在该侧设置过负荷保护。 当自耦变压器的高压侧或中压侧接有大电源时，由于运行时可能由大电源侧向其他两侧供电，该侧容易过负荷，应设置过负荷保护。
当变压器高压侧及中压侧均接有大电源时，应在三侧均装设过负荷保护。 2 自耦变压器宜设置零差动保护
由于自耦变的高压侧和中压侧均为大电流接地系统，且中压侧与高压侧之间有电的联系及运行时中性点必须接地，因此，装设能保护高压、中压及公共绕组全部而不受空投变压器的影响、且变压器内部接地故障时且有很高动作灵敏度的零序差动保护是适宜的。 3 零序过电流保护应带方向
由于自耦变压器高压侧与中压侧有电的联系，又有共同的接地中性点，因此，当高压侧系统或中压侧系统发生接地故障时，零序电流将由一个系统流向另一个系统。因此，为确保零序电流保护的选择性，该保护应设置有方向。
四 设计自耦变保护时应注意的问题
1 零序电流及零序电流方向保护的设计
当变压器高压侧或中压侧发生接地故障时，由于流经变压器中性点零序电流的大小和方向受接地点位置及系统运行方式的影响很大(有时该电流等于零)，因此，在设计零序电流及零序电流方向保护时，不应取中性点TA二次电流构成零序电流保护或零序电流方向保护。 构成零序电流保护或零序方向电流保护的零序电流，可由变压器高压侧或中压侧输出端TA二次三相电流自产，也可以取该TA二次零线上的电流。
2 自耦变差接保护的设计
有些变电站，自耦变压器的低压侧无出线，。因此，该侧没有设计安装差动TA。自耦变的差动保护装置只差接在中压侧和高压侧的TA二次。
当变压器高压侧系统或中压侧系统中发生接地短路时，由于两侧的零序电流不相等，将在差动回路中产生较大的差流。此时，为消除差动回路中的零序电流，高压侧与中压侧的差动TA均应接成三角形。但当差动TA接成Y/Y时，则在两侧流入各相差动保护中的电流应分别为两相电流相减后的电流(由软件处理)。
不需设置间隙保护
3 正常运行时，由于变压器的中性点是接地的，故不需设计用于保护变压器中性点的间隙保护。
五 零序方向保护动作方向的整定
1 变压器低压侧接有大电源(通常为发电机)时
当自耦变压器低压侧接大型发电机时，其高压侧及中压侧零序方向过流保护的动作方向，应分别指向母线，而作为母线及出线接地故障的后备保护。这是因为，发电机的后备保护对变压器的内部故障有足够的灵敏度。
2 低压无电源而主电源在高压侧时
目前，我国的超高压大型变电站，其主电源大都在高压侧，低压侧及中压侧一般无电源，或接有容量很小的地方电站。此时，当变压器高压侧线路上发生接地故障时，流经变压器的电流为很小的零序电流;而当变压器内部或中压侧发生接地故障时，故障电流很大。此时，如
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不迅速切，将损坏变压器。
为有效保护变压器，高压侧零序电流方向保护的动作方向应指向变压器，作为变压器内部接地及中压侧接地故障的后备保护。
第十节 非电量保护
变压器非电量保护，主要有瓦斯保护、压力保护、温度保护、油位保护及冷却器全停保护。 一 瓦斯保护
瓦斯保护是变压器油箱内绕组短路故障及异常的主要保护。其作用原理是:变压器内部故障时，在故障点产生往往伴随有电弧的短路电流，造成油箱内局部过热并使变压器油分解、产生气体(瓦斯)，进而造成喷油、冲动斯继电器，瓦斯保护动作。
瓦斯保护分为轻瓦斯保护及重瓦斯保护两种。轻瓦斯保护作用于信号，重瓦斯保护作用于信号，重瓦斯保护作用于切除变压器。
1 轻瓦斯保护
轻瓦斯保护继电器由开口杯、干簧触点等组成。运行时，继电器内充满变压器油，开口杯浸在油内，处于上浮位置，干簧接点闭合，发出信号。
2 重瓦斯保护
重瓦斯保护继电器由档板、弹簧及干簧接点等构成。
当变压器油箱内发生严重故障时，很大的故障电流及电弧使变压器油大量分解，产生大量汽体，使变压器喷油，油流冲击档板，带动磁铁并使干簧触点闭合，作用于切除变压器。 应当指出:重瓦斯保护是油箱内部故障的主保护，它能反映变压器内部的各种故障。当变压器少数绕组发生匝间短路时，虽然故障点的故障电流很大，但在差动保护中产生的差流可能不大，差动保护可能拒动。此时，靠重瓦斯保护切除故障。
3 提高可靠性措施
瓦斯继电器装在变压器本体上，为露天放置，受外界环境条件影响大。运行实践表明，由于下雨及漏水造成瓦斯保护误动次数很多。
为提高瓦斯保护的正确动作率，瓦斯保护继电器应密封性能好，做到防止露水露气。另外，还应加装防雨盖。
二 压力保护
压力保护也是变压器油箱内部故障的主保护。其作用原理与重瓦斯保护基本相同，但它是反应变压器油的压力的。
压力继电器又称压力开关，由弹簧和触点构成。置于变压器本体油箱上部。 当变压器内部故障时，温度升高，油膨胀压力增高，弹簧动作带动继电器动接点，使接点闭合，切除变压器。
三 温度及油位保护
当变压器温度升高时，温度保护动作发出告警信号。
油位是反映油箱内油位异常的保护。运行时，因变压器漏油或其他原因使油位降低时动作，发出告警信号。
四 冷却器全停保护
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为提高传输能力，对于大型变压器均配置有各种的冷却系统。在运行中，若冷却系统全停，变压器的温度将升高。若不即时处理，可能导致变压器绕组绝缘损坏。
冷却器全停保护，是在变压器运行中冷却器全停时动作。其动作后应立即发出告警信号，并经长延时切除变压器。
冷却器全停保护的逻辑框图如图11-46所示。
信号
K
10t1&出口
LP
t2&02 K图11-46 冷却器全停保护 出口在图11-46中:K1,冷却器全停接点，冷却器全停后闭合;
LP,保护投入压板，当变压器带负荷运行时投入;
K2,变压器温度接点。
变压器带负荷运行时，压板由运行人员投入。若冷却器全停，K1接点闭合，发出告警信号，
tt11同时启动延时元件开始计时，经长延时后去切除变压器。
t2若冷却器全停之后，伴随有变压器温度超温，图中的K2接点闭合，经短延时去切除变压器。
在某些保护装置中，冷却器全停保护中的投入压板LP，用变压器各侧隔离刀闸的辅助接点串联起来代替。这种保护构成方式的缺点是:回路复杂，动作可靠性降低。其原因是:当某一对辅助接点接触不良时，该保护将被解除。
第十一节 TA的选择和影响
一、变压器保护用TA及对差动保护的影响
差动保护动作速度快(20~30ms)，变压器各侧电流互感器在传变电流时的暂态特性应尽可能的一致。以免出现过大的暂态不平衡电流，造成差动保护误动。目前，220Kv系统中大量使用P级电流互感器，500KV系统使用带暂态特性的TP型电流互感器(T—暂态，P—保护)。TP型电流互感器有四种型号:有闭路铁心的TPS和TPX，有气隙铁心的TPZ和TPY;TPS型为底漏磁，其误差由励磁特性和匝数比偏差来确定，剩磁不限;TPX型在规定条件下峰值误差不超过10%，剩磁不限。
铁心气隙对电流互感器的影响
1、铁心气隙对暂态性能的影响
(1)加长电流互感器到达饱和的时间，即比闭路铁心电流互感器有更长的时间保持电流线性传变关系，关键是使剩磁减小到饱和磁密的10%以下。
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(2)电流互感器励磁电抗显著减小，空载电流互感器的电流汲出效应严重，增大了差动保护的不平衡电流，相应地降低了该保护的灵敏度;在几个有气隙铁芯电流互感器并接的场合(如环形母线、一个半断路器接线等)，汲出电流可能使断路器失灵保护误动作。 (3)铁芯气隙使剩磁大大减小，因此在切除短路后(电流互感器铁芯磁通由短路状态的很高值逐渐下降到很低的剩磁值(使二次电流继续存在(残余电流)较长时间，这容易引起灵保护误动作。
2，气隙对电流互感器稳态性能的影响
由于气隙的存在(使电流互感器励磁电流比闭路铁芯的大，稳态的电流互感器幅值误差和相角误差均加大，一般更多地影响测量仪表的精度，对灵敏的差动保护也有少许影响，即稳态平衡电流要略大些，动作整定值应稍作提高。
3，有铁芯气隙电流互感器的优点和缺点
与闭路铁芯的电流互感器作对比，有隙铁芯的电流互感器有以下优点:
(1)剩磁大大减小，改善电流互感器暂态特性;
(2)电流互感器时间常数减小，使铁芯截面缩小;
(3)为避免饱和，在同一电流下(闭路铁芯电流互感器尺寸大;
(4)二次开路电压小(励磁电抗小);
(5)二次侧功率因数对为防止饱和而加大尺寸的影响，有隙铁芯电流互感器比闭路铁芯电流互感器小。
4、有隙铁芯BA的缺点:
(1)励磁电流大，电流互感器误差大;
(2)汲出电流大，残余电流延续时间长，易引起保护的误动或降低保护的灵敏度;
(3)比闭路铁芯电流互感器的机械强度低、价格高;
(4)铁芯气隙使电流互感器二次漏电抗增大，影响电压(高阻抗)差动保护的整定值和灵敏度
(5)气隙的尺寸和结构可能经一段时间后会发生些微变化，影响特性的稳定。
二、电流互感器的暂态饱和对差动保护的影响
保护用电流互感器要求在规定的一次电流范围内，二次电流的合误差不超出规定值。对于有铁芯的电流互感器，形成误差的最主要因数是铁芯的非线性励磁特性及饱和。 电流互感器的饱和可分为:
?稳态饱和:大容量短路稳态对称电流引起的饱和;
?暂态饱和:短路电流中含有非周期分量和铁芯存在剩磁而引起的饱和。 两类饱和的特性有很大不同，引起的误差也差别很大。
在同样的允许误差条件下，考虑暂态饱和要求的互感器铁芯截面可能是仅考虑稳态饱和的数倍互数十倍。
A(稳态饱和特性及对策
当电流互感器通过的稳态对称短路电流产生的二次电动势超过一定值时，互感器铁芯将开始出现饱和其特点是:畸变的二次电流呈脉冲形，正负半波大体对称，畸变开始时间小于5ms(1/4周波)。二次电流有效值将低于未饱和的情况。对于反映电流值的保护，如过电流保护和阻抗保护等，饱和将使灵敏度降低，对于差动保护差电流取决于两侧互感器饱和特性的差异。
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例如:1200/5的电流互感器，制造部门提供的规范为5P20，30VA，5P为准确等级，30VA为二次负荷额定值，20为准确限制系数(ALF)，电流互感器在额定负荷下，二次极限电动势 En=ALF?I?(Rct+Rbm)
此时综合误差应不超过5%，综合误差也可适用10%(10P)当前工程中，经常遇到的问题是短路电流过大，ALF不满足要求，但实际负荷比额定负荷小得多。
B(暂态饱和
短路电流一般含有非周期分量，这将使电流互感器的变特性严重恶化，原因是电流互感器的励磁特性是按工频设计。在变单效频率很低的非周期分量时，铁芯的磁通(励磁电流)需要大大增加。
是否考虑短路电流的暂态过程，电流互感器分为P和TP类，P类电流互感器要求ΦAC情况下不饱和(纯交流)而TP类电流互感器要求整个工作情况下的总磁通ΣΦ=ΦAC+ΦDC不饱和，因此要求TP类的铁芯远大于P类。
非周期分量导致互感器暂态饱和时二次电流波形是不对称的，开始饱和的时间较长，但铁芯有剩磁时，将加重饱和程度和缩短开始饱和时间。
为了减缓暂态饱和对保护的影响，需要采取必要的措施。这种措施有两类，一类是保护装置具备减缓饱和影响的能力，另一类是选择适当的电流互感器类型和参数。 保护对电流互感器两大要求:
?保证保护的可依赖性。(不影响保护的可靠性)
?保证保护的安全性(不会导致保护误动或无选择动作)
保护装置抗饱和的能力
母差外部故障时各支路的短路电流分布可能很不均匀，饱和情况可能不一致。为保证母差保护的正确性，要求母线保护装置必须采取措施，减缓暂态饱和的影响并不对电流互感器提出特殊要求。母线差动为标准的满足基尔霍夫定律因母线本身无电感铁芯电容等影响。 对于变压器差动保护，未提出明确要求。电流互感器本身与电力变压器一样也是采用同样的原理，因此保护要区分饱和的原因是电流互感器还是变压器本身引起。目前国内的主变保护产品未采取合适的方法。有厂家采取了一些方法但效果不理想，存在差动保护误动的情况，特别是空载合闸于故障变压器时。
暂态饱和与稳态饱和的波形特征不同采取措施时也要区别对待。
针对TA饱和问题，国内外提出一些判别TA饱和的方法:
采用附加额外电路来检测TA饱和，现场工作不方便;
提高定值，降低保护动作灵敏度;
采用流出电流判别的比率差动保护;
异步法TA饱和判别，利用TA饱和时电流波型中谐波含量高、波形明显不对称等特征;
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时差法;TA饱和时，差动电流比制动电流落后;
利用电压与差电流的变化不同步;
第十二节 启动失灵保护
启动失灵保护为变压器保护的辅助保护，与母差保护配合适用。
本保护元件共有三个电流判别元件和多个时间继电器回路。
电流判别元件为开关失灵保护提供电流判别。
延时元件为非电量保护和开关失灵保护提供计时功能。
变压器电气量保护动作跳高压侧断路器接点
启动解除母差复延时元件T1压闭锁回路CKJ1断路器三相不一致接点&>=1启动失灵接点位臵接点条件控制字退出延时元件T2CKJ2A相电流>过流定值
>=1B相电流>过流定值>=1
C相电流>过流定值
零序电流 >定值>=1
负序电流 >定值
保护1动作接点LP+KMCKJ2LP至母差保护
保护2动作接点LPCKJ1LP至母差保护
注:当断路器为三相联动机构时～“断路器三相不一致接点”短接,当断路器为分相跳闸机构时～
“断路器三相不一致接点”必须用断路器本体的位臵辅助接点～不能用重动接点,若无接点可用～
短接。
失灵保护启动回路原理图
根据25条反措要求，220KV及以上断路器配置电量保护动作启动失灵保护回路;非电量保护动作不启动失灵保护，原因为非电量保护动作后，有可能不返回;为解决传统失灵启动回路不可靠的问题，新的失灵启动回路只有在变压器电量保护动作后才进入电流判别元件，正常情况下，电流判别元件不动作，避免因电流接点粘死导致失灵保护的误动。
在电流元件中，相电流的定值应躲过变压器的最大负荷电流，负序电流和零序电流应躲过变压器最大不平衡电流。
断路器的位置接点可不用，建议不接线;在装置的控制字中把判别位置接点的判据退出。位置接点在母差保护中已判别，同时位置接点的可靠性较差。
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浙公网安备 33021202002483