试论变压器继电保护学士学位论文文档格式.docx
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二．变压器概述
2.1变压器原理
2.2.变压器结构与型号
三．变压器继电保护的任务与要求
3.1继电保护装置的任务
3.2继电保护的基本要求
3.3电力变压器继电保护概述
四．电力变压器继电保护装置配置原则
五．电力变压器继电保护的类型
5.1过电流保护
5.2电流速断保护
5.3过负荷保护
5.4变压器低压侧的单相短路保护
5.5变压器的纵联差动保护
5.6变压器的气体继电保护
六．电力变压器继电保护设计方案
6.1差动保护设计
6.2瓦斯保护设计
6.3 过电流保护设计
6.4设计结论
七．电力变压器继电保护的意义
八．结论
九．谢词
十．参考文献
摘要
电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备,它在整个电力系统中起转换枢纽的作用,变压器的安全运行与否,直接关系到电力系统能否连续稳定地工作。
因此,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。
关键词：
变压器、继电保护、设计方案
Abstract
变压器原理图
一、变压器的工作原理
下面以单相双绕组变压器为例分析其工作原理：
在一个闭合的铁心上缠绕两个绕组，其匝数既可以相同，也可以不同，但一般是不同的。
如图2.1所示，两个绕组之间只有磁的耦合，而没有电的联系。
图2.1单相双绕组变压器原理图
与电源相连的绕组，接受交流电能，通常称为原边绕组（初级绕组、一次绕组），以A、X标注其出线端；
与负载相连的绕组，送出交流电能，通常称为副边绕组（次级绕组、二次绕组），以a、x标注其出线端。
原边的匝数、电压、电动势、电流分别以N1、u1、e1、i1来表示；
副边的匝数、电压、电动势、电流分别以N2、u2、e2、i2来表示。
当原边绕组接通电源，便会在铁心中产生与电源电压同频率的交变磁通。
忽略漏磁，该磁通便同时与原、副边绕组相交链，耦合系数kc=1，这样的变压器称为理想变压器。
根据电磁感应定律，可写出电压、电动势的瞬时方程式分别为
（2—1）
于是可得电动势比：
。
若磁通、电动势均按正弦规律变化，k称为变
压器的变比，也称为匝比，通常用有效值之间的比值来表示：
（2—2）
式（2—2）表明，变压器一、二次绕组的电压比就等于一、二次绕组的匝数比。
因此，要使一、二次绕组有不同的电压，只要使一、二次绕组有不同的匝数即可。
二、变压器的基本结构
变压器的主要结构部件有：
铁心和绕组两个基本部分组成的器身，以及放置器身且盛满变压器油的油箱。
此外，还有一些为确保变压器运行安全的辅助器件。
图2.2为一台油浸式电力变压器外形图。
1—放油阀门2—绕组3—铁心4—油箱
5—分接开关6—低压套管7—高压套管
8—气体继电器9—安全气道10—油表
11—储油柜12—吸湿器13—湿度计
图2.2油浸式电力变压器
（一）铁心
表面具有绝缘膜的硅钢片铁心由铁芯柱和铁轭两部分组成，构成变压器磁路的主要部分。
为了减小交变磁通在铁心中引起的损耗，铁心通常用厚度为0.3mm～0.5mm、叠装而成。
图2.3（a）、（b）所示的变压器，从外面看，线圈包围铁心柱，称为心式结构；
图2.4所示的变压器，从外面看，铁心柱包围线圈，则称为壳式结构。
小容量变压器多采用壳式结构。
交变磁通在铁心中引起涡流损耗和磁滞损耗，为使铁心的温度不致太高，在大容量的变压器的铁心中往往设置油道，而铁心则浸在变压器油中，当油从油道中流过时，可将铁心中产生的热量带走。
（二）绕组
绕组构成变压器电路的主要部分。
原、副边绕组一般用铜或铝的绝缘导线缠绕在铁心柱上。
高压绕组电压高，绝缘要求高，如果高压绕组在内，离变压器铁心近，则应加强绝缘，提高了变压器的成本造价。
因此，为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁心，高压绕组则套装在低压绕组的外面。
两个绕组之间留有油道，既可以起绝缘作用，又可以使油把热量带走。
在单相变压器中，高、低压绕组均分为两部分，分别缠绕在两个铁心柱上，两部分既可以串联又可以并联。
三相变压器属于同一相的高、低压绕组全部缠绕在同一铁心柱上。
只有绕组和铁心的变压器称为干式变压器。
大容量变压器的器身放在盛有绝缘油的油箱中，这样的变压器称为油浸式变压器。
（a）单相心式变压器（b）三相心式变压器
图2.3心式结构变压器
图2.4壳式结构变压器
（三）其他结构部件
变压器的器身放在装有变压器油的油箱内。
变压器油既是一种绝缘介质，又是一种冷却介质。
为使变压器油能长久地保持良好状态，在变压器油箱上面装有圆筒形的储油柜。
储油柜通过连通管与油箱相通，柜内油面高度随着油箱内变压器油的热胀冷缩而变动，储油柜使油与空气的接触面积减小，从而减少油的氧化和水分的侵入。
另外气体继电器和安全气道是在故障时保护变压器安全的辅助装置。
三、变压器的额定值
按照国家标准规定，标注在铭牌上的，代表变压器在规定使用环境和运行条件下的主要技术数据，称为变压器的额定值（或称为铭牌数据），主要有：
１．额定容量是变压器在正常运行时的视在功率，通常以SN来表示，单位为伏安（VA）或千伏安（kVA）。
对于一般的变压器，原、副边的额定容量都设计成相等。
２．额定电压：
在正常运行时，规定加在原边绕组上的电压，称为原边的额定电压，以U1N来表示；
当副边绕组开路（即空载），原边绕组加额定电压时，副边绕组的测量电压，即为副边额定电压，以U2N来表示。
在三相变压器中，额定电压系指线电压，单位为伏（V）或千伏（kV）。
３．额定电流：
是指根据额定容量和额定电压计算出来的电流值。
原、副边的额定电流分别用I1N、I2N来表示，单位为安（A）。
４．额定频率：
我国以及大多数国家都规定fN=50Hz。
额定容量、额定电压和额定电流之间的关系为：
单相变压器：
三相变压器：
此外，变压器的铭牌上还一般会标注效率、温升、绝缘等级等。
小结：
１．变压器是利用电磁感应的原理工作的。
它具有变压、变流、变阻抗的作用。
２．变压器一、二次绕组的电压比等于其匝数比。
３．由铁心及绕组构成了变压器的磁路和电路部分，亦即变压器的起身。
４．变压器的额定值代表了变压器在规定使用环境和运行条件下的主要技术数据，使用时应正确的选择。
二．电力变压器继电保护的任务与要求
1.继电保护装置的任务
继电保护装置是按照保护的要求，将各种继电器按一定的方式进行连接和组合而成的电气装置，其任务是：
（1）故障动作于跳闸在供配电系统出现故障时，反应故障的继电保护装置动作，使最近的断路器跳闸，切除故障部分，使系统的其他部分恢复正常运转，同时发出信号，提醒运行值班人员及时处理。
（2）异常状态时发出报警信号在供配电系统出现不正常工作状态时，如过负荷或出现故障苗头时，有关继电保护装置发出报警信号，提醒运行值班人员及时处理，消除异常工作状态，以免发展为故障。
2.继电保护装置的要求
电力设备发生短路故障时，产生很大的短路电流；
电网电压下降，电气设备过热烧坏；
充油设备的绝缘油在电弧作用下分解产生气体，出现喷油甚至着火；
导线被烧断，供电被迫中断。
特别严重时电力系统的稳定运行被破坏，发电厂的发电机被迫解列，甚至可能引起电网瓦解。
针对电气设备发生故障时的各种形态及电气量的变化，设置了各种继电保护方式：
电流过负荷保护、过电流保护、电流速断保护、电流方向保护、低电压保护、过电压保护、电流闭锁电压速断保护、差动保护、距离保护、高频保护等，此外还有反映非电气量的瓦斯保护等。
为了能正确无误而又迅速地切断故障，使电力系统能以最快速度恢复正常运行，要求继电保护具有足够的选择性、可靠性、快速性和灵敏性。
（1）选择性
当供配电系统发生故障时，离故障点最近的保护装置动作，切除故障，而系统的其他部分仍正常运行。
满足这一要求的动作，称为“选择性动作”。
如果系统发生故障时，靠近故障点的保护装置不动作（拒动作），而离故障远的前一级保护动作装置动作（越级动作），就叫做“失去选择性”。
（2）可靠性
保护装置在应该动作时，就应该动作，不应该拒动作。
而在不应该动作时，就不应该误动作。
保护装置的可靠程度，与保护装置的原件质量、接线方案以及安装、整定和运行维护等多种因素有关。
（3）快速性
快速切除故障，可以把故障部分控制在尽可能轻微的状态，减小系统电压因短路故障而降低的时间，提高电力系统运行的稳定性。
但快速性有时会与选择性发生矛盾，这是就要根据具体情况，通过选取最佳保护配合方式以达到在确保所需选择性的基础上，达到令人满意的快速性。
（4）灵敏性
这是表征保护装置对其保护区内故障和不正常工作状态反应能力的一个参数。
如果保护装置对其保护区内及其轻微的故障都能及时的反应动作，则说明保护装置的灵敏度高。
灵敏度用“灵敏系数”（sensitivecoefficient）来衡量。
对过电流保护，其灵敏系数的定义为：
Sｐ＝─式中，Ik.min为保护装置的保护区末端在系统最小运行方式时的最小短路电流；
Iop.1为保护装置的一次侧动作电流，即保护装置动作电流Iop换算到一次侧的值。
对低电压保护，其灵敏系数的定义为：
Sp＝
式中，Uk.max为保护装置的保护区末端短路时，在保护装置安装处母线上的最大残余电压；
Uop.1为保护装置的一次侧动作电压，即保护装置动作电压换算到一次电路侧的值。
在GB50062-1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》中，对各种继电保护的灵敏系数均有一个最小值的规定，应以此作为各种继电保护灵敏度检验的依据。
以上四项要求对于一个具体的保护装置来说，不一定都是同等重要的，而是往往有所侧重。
但对于电力变压器，由于它是供配电系统中最关键的设备，因此对它的保护装置的灵敏度要求较高。
继电保护装置撤满足上述四项基本要求外，还应便于调试和维修，且尽可能满足系统运行所要求的灵活性。
P230
（3）电力变压器继电保护概述
3~10KV配电变压器的继电保护主要有过电流保护、电流速断保护。
高压为6~10KV的配电变电所主变压器，通常装设有带时限的过电流保护。
如果过电流保护的动作时间大于0.5-0.7s，则应补充装设电流速断保护。
容量在800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA及以上的变压器，按规定应装设气体继电保护（通常瓦斯保护）。
容量在400KVA及以上的变压器，当数台并列运行或单台运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。
过负荷保护及气体继电保护在变压器内部有轻微故障（通称“重瓦斯”）是，一般均动作于跳闸。
对于高压侧为35KV及以上的总降压变电所主变压器来说，也应装设过电流保护、电流速断保护、和气体继电保护，在有可能过负荷时，也需装设负荷保护。
如果单台运行的变压器容量在10000KVA及以上或并列运行的变压器每台容量在6300KVA及以上时，则要求装设纵联差动保护来取代电流速断保护。
三． 电力变压器继电保护装置配置原则
在电力系统运行中,当电力系统发生故障或异常工况时,继电保护装置应实现在最短时间和最小区域内,自动将故障设备从系统中切除,或发出信号由值班人员消除异常工况根源,以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。
其配置原则如下:
1）对于6.3MV·
A及以上的常用工作变压器和并列运行的变压器,IOMV·
A及以上厂备用变压器和单独运行的变压器,以及2MV·
A及以上用电流速断保护灵敏性不满足要求的变压器,应装设差动保护装置。
对高压侧电压为330kV及以上的变压器,可装设双重差动保护装置。
2）当在变压器油箱内部发生故障（包括轻微的匝间短路和绝缘破坏引起的经电弧电阻的接地短路）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热而分解产生气体,它们将从油箱流向油枕的上部。
当故障严重时,油会迅速膨胀并产生大量的气体,此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。
因此,变压器应安装瓦斯保护装置。
3）对由外部相间短路引起的变压器过电流,根据变压器容量和运行情况的不同以及对变压器灵敏度的要求不同,可采用过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流和单相式低电压起动的过电流保护或阻抗保护作为后备保护、带时限动作于跳闸。
四．电力变压器继电保护的类型
（1）.变压器的过电流保护
无论是采用电流继电器还是脱扣器，也无论是定时限还是反时限，变压器过电流保护的组成、原理与前面所讲电力线路过电流保护的组成、原理完全相同相同。
变压器过电流保护动作电流的整定，也与电力线路过电流保护的整定基本相同，只是式（6-9）和式（6-10）中的Ll.max应取为（1.5-3）II.nt,这II.nt为变压器的额定一次电流。
变压器过电流保护动作时间的整定，也与电力线路过电流保护的整定相同，也按“阶梯原则”整定。
但对电力系统的终端（用户）变电所，其动作时间可整定为最小值（0.5）。
变压器过电流保护的灵敏度，按变压器低压侧母线在系统最小运行方式下发生两相短路时换算到高压侧的短路电流值I’k.min来检验，要求灵敏系数SP≥1.5。
如果SP达不到要求，可采用低电压闭锁的过电流保护。
（2）.变压器的电流速断保护
变压器的电流速断保护，其组成、原理也与电力线路的电流速断白虎完全相同。
变压器电流速断保护的动作电流（速断电流）的整定计算公式与线路电流速断保护的基本相同，只是式（6-19）中的IK.MAX应取为低压母线的三相短路电流周期分量有效值换算到高压侧的短路电流值，及变压器电流速断保护的速断电流应按躲过低压母线三相短路电流周期分量有效值来整定。
变压器电流速断保护的灵敏度，按其保护装置安装处（及高压侧）在系统最小运行方式下，发生两相的短路电流IK2来检验。
要求其灵敏系数SP≥1.5-2.
变压器的电流速断保护也有保护不到的“死区”。
弥补死区的措施，也是配备带时限的过电流保护。
考虑到电力变压器在空载投入或者恢复电压时将出现一个冲击性的可高达（8-10）I1n.t的励磁涌流，为防止此冲击性电流引起电流速断保护误动作，可在速断保护整定后，将变压器空载试投几次，以检查速断保护是否误动作。
（3）变压器的过负荷保护
变压器的过负荷保护，，其组成、原理也与电力线路的过负荷保护完全相同。
变压器过负荷保护的动作电流整定计算公式，也与电力线路过负荷保护的基本相同，只是式（6-23）中的I30应取为变压器的额定一次电流I1n.t。
其动作时间也取为10-14s。
例6-3
（3）．变压器低压侧的单相短路保护
变压器低压侧的单相短路保护，可采取下列措施之一：
（1）低压侧装设三相均带过电流脱扣器的低压断路器保护
这种低压断路器，即作为低压侧的主开关，操作方便，便于自动投入，提高供电可靠性，又可用来保护低压侧的相间短路和单相短路。
这种措施在各类用户配电变电所中得到广泛应用。
（2）低压侧三相装设熔断器保护
这种措施既可保护变压器低压侧的相间短路，也可保护其单相短路。
但由于熔断器熔断后更换熔体需一定时间，影响连续供电，所以这种措施主要用在供不重要的较小容量的变压器。
（3）在变压器低压侧中性点引出线上装设零序电流保护（见图6-32）这种零序电流保护的动作电流IOP（0）按躲过变压器低压侧的最大不平衡电流来整定，其计算公式为
IOP（0）=
（四）变压器的纵联差动保护
差动保护分纵联差动保护和横联差动保护两种，纵联差动保护用于单回路，横联差动保护用于双回路。
差动保护利用故障时产生的不平衡电流来动作。
保护灵敏性很高，而且动作迅速。
按GB50062-1992规定，10000KVA及以上的并列运行变压器和6300KVA及以上的并列运行变压器，应装设纵联差动保护。
6300KVA及一下单独运行的重要变压器，也可装设纵联差动保护。
当电流速断保护灵敏度不符合要求时，亦宜装设纵联差动保护。
（一）变压器纵联差动保护原理
变压器纵联差动保护，主要用于保护变压器内部以及引出线和绝缘套管的相间短路，也可用来保护变压器内部的匝间短路，其保护区在变压器一、二次侧所装电流互感器之间。
（二）Yd11联结变压器的纵联差动保护接线
总降压变电所的主变压器通常采用Yd11联结组，这就造成该变压器两侧电流有30度的相位差。
为了消除它在差动回路中产生的不平衡电流Idsp,因此将装设在变压器三角形联结一侧的电流互感器结成星形联结，如图所示。
此外，在变压器纵联差动保护装置中，还应设法减小由两侧电流互感器电流比与变压器变压比不能完全配合而引起的不平衡电流，并设法减小由变压器励磁涌流（只通过变压器一次绕组）而引起的不平衡电流，因此这种保护装置是比较复杂、成本也是比较高的。
实际上，在差动回路中产生不平衡电流的因素很多，不可能安全消除，而只能使之减小到最小值。
（五）、变压器气体继电保护
气体继电保护（Gasprotection）是保护油浸式电力变压器内部故障的一种基本的继电保护装置。
按GB-50062-1992规定，800KVA及以上的一般场所的油浸式变压器和400KVA及以上的车间内油浸式变压器，均应装设气体继电保护。
气体继电器（Gasrelay）旧称瓦斯继电器，是气体继电保护的基本元件，装设在变压器的油箱与油枕之间的联通管上，如图所示。
为了使油箱内产生的气体能够顺畅地通过气体继电器排往油枕，变压器应装设1%-5%的倾斜度；
二变压器在制造时，联通管对油箱顶盖也有2%-4%的倾斜度。
（一）气体继电器的结构和工作原理
气体继电器主要有浮筒式和开口杯式两种类型。
现在广泛应用的是开口杯式气体继电器，其内部结构如图
在变压器正常运行下，气体继电器的容器内包括其中的上、下开口油杯都是充满油的；
而上、下油杯因各自平衡锤的作用而升起，如图所示。
此时上下两点都是断开的。
当变压器油箱内部发生轻微故障时，由故障产生的少量气体慢慢升起，进入气体继电器的容器，并由上而下地排除其中的油，使油面下降，上油杯因其中盛有残余的油而使其力矩大于另一端平衡锤的力矩而降落，如图所示。
此时上触点接通信号回路，发出音响和灯光信号，这称之为“轻瓦斯动作”。
当变压器内部发生严重故障时，由故障产生的气体很多，带动油流迅猛地由油箱通过连通管进入油枕。
这大量的油气混合体在经过气体继电器时，冲击挡板，使下油杯下降，如图所示。
此时下触点接通跳闸回路（通过中间继电器），使断路器跳闸，同时发出音响和灯光信号（通过信号继电器），这称之为“重瓦斯动作”。
如果变压器油箱漏油，使得气体继电器内的油也慢慢流尽，如图所示。
显示气体继电器的上油杯下降，发出“轻瓦斯”报警信号；
随后下油杯下降，动作于跳闸，切除变压器，同时发出“重瓦斯报警信号”。
（二）变压器气体继电保护的接线
（三）变压器气体继电保护动作后的故障分析
气体继电保护动作后，可由蓄积在气体继电器内的气体性质来分析故障原因和进行处理，如表所示
气体性质
故障原因
处理要求
无色、无臭、不可燃
变压器内含有空气
允许继续运行
灰白色、有巨臭，可燃
纸质绝缘烧毁
应立即停电检修
黄色，难燃
木质绝缘烧毁
应停电检修
深灰色或黑色。
易燃
油内闪络，油质碳化
应分析油样，必要时停电检修
P265
五．电力变压器继电保护设计方案
5.1 差动保护设计
变压器差动保护动作电流设计原则是将变压器两侧的电流互感器二次侧按正常时的“环流接线”,当变压器正常运行时,差动继电器中的电流等于两侧电流互感器（CT）的二次电流之差,它近于O,差动继电器不动作,保护也不会动作。
即在电流互感器二次回路端线且变压器处于最大符合时,差动保护不应动作。
由于高性能计算机芯片的出现,在变压器1套保护装置中包含主保护、各侧全部后备保护的2套主变压器微机型保护装置已开发,并得到广泛应用。
因此,为反应电力变压器引出线、套管及内部短路故障,对高压侧电压为330kV及以上的变压器,可装设双重差动保护,达到反应变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护作为主保护,瞬时动作于断开各侧断路器的目的。
双重差动保护装置中,CT的二次绕组分配可以按下列方法进行设计:
将第1套保护电流回路接原差动保护CT
次绕组,即接独立CT,旁代时需切换;
第2套保护接原后备保护CT二次绕组,即接主变套管CT,旁代时不需切换。
虽然旁代时第2套保护对降压变压器的高、中压侧来说,其保护范围不包括独立CT到变压器套管的引线,缩短了差动保护范围,但可以保障旁代时2套保护都在运行。
这样当变压器正常运行或外部故障时,差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差接近于O（实际为由多种原因引起的不平衡电流,由于不平衡电流小）差动保护不动作,保护也不会动作。
当变压器内部（包括变压器与电流互感器之间的引线）任何一点故障时,差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之和为故障点短路电流,大于继电器动作电流,继电器动作,跳变压器各侧断路器切除故障,同时发动作信号,起到保护作用。
5.2 瓦斯保护设计
如果变压器内部发生严重漏油或匝间短路、铁心局部烧损、线圈断线、绝缘劣化和油面下降等故障时,往往差动保护及其他保护均不能动作,而瓦斯保护却能动作。
瓦斯保护主要由气体继电器来实现,安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中。
瓦斯保护分为两种:
一种是轻瓦斯保护动作于信号,根据气体的数量、颜色、化学成分和可燃性等,判断保护的原因和故障性质,运行人员能够迅速发现故障并及时处理;
另一种是重瓦斯保护动作于断路器跳闸,监视气体发生的速度,分析气体的各种特征及成分,可以间接地推测故障发生原因、部位和严重程度,在变压器出现突然性严重故障时自动报警或切断电源。
5.3 过电流保护设计
为反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流,以及在变压器内部故障时,作为差动保护和瓦斯保护的后备保护。
变压器应装设过电流保护。
过电流保护通常是指变压器启动电流按躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。
它主要在其各侧母线故障时起作用,特别是中、低压侧母线的故障。
主要分为以下3种情况:
1）低压变压器过电流保护设计
变压器低压侧一般采用三相式三卷变压器,高、中压侧的阻抗保护很可能对压侧短路起不到保护作用,不能满足作为相邻元件后备保护的要求,这时可以同时在其高、中压侧均装设复合电压闭锁过流保护及零序方向过电流保护与间隙保护,低压侧装设复合电压闭锁过流保护。
复合电压闭锁过流保护装置的电流元件应按大于变压器的额定电流整定,即I=K,/Kx10式中,K,为可靠系数,取1.2～1.3;
K为返回系数,取0.85;
10为变压器的额
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