電力變壓器的保護配置
電力變壓器的保護配置
變壓器的故障
變壓器的故障可以分為油箱外和油箱內兩種故障。油箱外的故障，主要是套管和引出線上發生的相間短路和接地短路。油箱內的故障包括繞組的相間短路、接地短路、匝間短路以及鐵芯的燒損等。油箱內故障時產生的電弧，不僅會損壞繞組的絕緣、燒毀鐵芯，而且由於絕緣材料和變壓器油因受熱分解而產生大量氣體，有可能引起變壓器油箱的爆炸。因此，當變壓器發生各種故障時，保護裝置應能盡快的將變壓器切除。實踐表明，變壓器套管和引出線上的相間短路、接地短路、繞組的匝間短路是比較常見的故障形式，而變壓器油箱內發生相間短路的情況比較少。
變壓器的不正常運行狀態
變壓器的不正常運行狀態主要有變壓器外部短路和過負荷引起的過電流；中性點直接接地電力網中，外部接地短路引起的過電流及中性點過電壓；風扇故障或漏油等原因引起冷卻能力的下降等。這些不正常運行狀態會使繞組和鐵芯過熱。大容量變壓器在過電壓或低頻率等異常運行工況下會使變壓器過勵磁，引起鐵芯和其他金屬構件過熱。變壓器處於不正常運行狀態時，繼電保護應根據其嚴重程度，發出告警信號，使運行人員及時發現並采取相應的措施，以確保變壓器的安全。
變壓器的保護配置
電力變壓器油箱內故障時，除了變壓器各側電流、電壓變化外，油箱內的油、氣、溫度等非電量也會發生變化。因此，變壓器的保護分電量保護和非電量保護兩種。非電量保護裝設在變壓器內部。線路保護中采用的許多保護如過流保護、縱差動保護等在變壓器的電量保護中都有應用，但在配置上有區別。
根據規程規定，變壓器一般應裝設下列保護：
（一）瓦斯保護
規程規定對於容量為800kV·A及以上的油浸式變壓器和400kV·A及以上的車間內油浸式變壓器，應裝設瓦斯保護。
瓦斯保護是反應油浸式變壓器內部故障的一種保護裝置。當油浸式變壓器油箱內部發生故障時，在故障電流和電弧的作用下，變壓器油和其他絕緣材料會受熱而分解，產生氣體，這些氣體從油箱流向油枕的上部，故障越嚴重，產生的氣體就越多，流向油枕的氣流速度也越快，利用這種氣體來動作的保護裝置，稱為瓦斯保護。
瓦斯保護的主要元件是氣體繼電器，它安裝在油箱與油枕之間的連接管道上。氣體繼電器是變壓器的一種保護用組件，當變壓器內部有故障，而使油分解產生氣體或造成油流衝擊時，繼電器的觸點動作，給出信號或者使斷路器跳閘，使變壓器退出運行。為了不妨礙氣體的流通，通往繼電器的連接管道應有2%~4%的坡度。以開口杯擋板式氣體繼電器為例：正常運行時，上、下開口杯都浸在油中，上、下觸點均斷開。當油箱內部發生輕微故障時，少量的氣體上升後逐漸聚集在繼電器的上部，迫使油麵下降，使上開口杯漏出油麵。由於浮力減少，在重力作用下開口杯順時針方向轉動，使上觸點閉合發出“輕瓦斯”保護動作信號。當油箱內部發生嚴重故障時，大量氣體和油流直接衝擊擋板，使下開口杯順時針方向轉動，帶動下觸點閉合，發出跳閘脈衝，表示“重瓦斯”保護動作。當變壓器出現嚴重漏油而使油麵逐漸降低時，首先是上開口杯露出油麵，發出報警信號，然後下開口杯露出油麵，發出跳閘脈衝。上觸點表示“輕瓦斯動作”，動作後經延時發出報警信號。下觸點表示“重瓦斯動作”，動作後啟動變壓器保護的總出口繼電器，使斷路器跳閘。當油箱內部發生嚴重故障時，由於油流的不穩定性可能造成觸點的抖動，此時為使斷路器能可靠跳閘，應選用具有電流自保持線圈的出口中間繼電器，動作後由斷路器的輔助觸點來解除出口回路的自保持。此外，為防止變壓器換油或進行試驗時引起重瓦斯保護誤動作跳閘，可利用切換片將跳閘回路切換到信號回路。
瓦斯保護的主要優點是動作迅速、靈敏度高、安裝接線簡單、能反應油箱內部發生的各種故障（如繞組輕微的匝間短路、鐵芯燒損等）。其缺點是不能反應油箱以外的套管及引出線等部位上發生的故障（如變壓器絕緣子閃絡等）。因此瓦斯保護可作為變壓器的主保護之一，需要與縱聯差動保護相互配合、相互補充，才能夠實現快速而靈敏的切除變壓器油箱內、外及引出線上發生的各種故障。
（二）縱差動保護和電流速斷保護
對於容量為6300kV·A及以上的變壓器，以及發電廠廠用變壓器和並列運行的變壓器，10000kV·A及以上的發電廠廠用備用變壓器和單獨運行的變壓器，應裝設縱差動保護。對於容量為10000kV·A以下的變壓器，當後備保護的動作時限大於0.5s時，應裝設電流速斷保護。對2000kV·A以上的變壓器，當電流速斷保護的靈敏性不能滿足要求時，也應裝設縱差動保護。
1縱差動保護
（1）縱差動保護基本原理
縱差動保護，是由比較被保護元件兩側電流的大小和相位而構成的。以圖1所示雙側電源供電的短線路為例，簡要說明縱差動保護的基本原理。
設線路兩端裝設特性及變比完全相同的電流互感器，兩側電流互感器一次回路的正極性均放在母線的一側，將二次回路的同極性端子相連接後，在電流互感器的二次端子上接入差動繼電器。
當正常運行及保護範圍外部故障時，兩側電流互感器一次側流過的兩個電流相等。即IⅠ=IⅡ。假定兩側電流互感器變比相同（均為kTA），在忽略互感器的勵磁電流的理想情況下，二次側的兩個電流II2和III2大小也相等，此時流入差動繼電器的電流為零，即
當線路內部故障時，如圖1-2所示d點短路，流入繼電器的電流為
式中:Ir為短路點的總電流，當Ir≥Iop時，繼電器立即動作，跳開線路兩側斷路器。
實際上，由於兩側電流互感器總會存在勵磁電流Im，且勵磁特性不可能完全相同，所以在正常運行及外部故障時，流過差動繼電器的電流不為零，而存在一個不平衡電流Idsp。為了保證縱差動保護動作的選擇性，差動繼電器的動作電流必須躲過外部短路時出現的最大不平衡電流。不平衡電流的存在會使繼電器的動作電流增大，降低內部故障時縱差動保護的靈敏度，因此要盡量減小不平衡電流，這是所有差動保護必須解決的問題。
（2）變壓器的縱差動保護
圖2為雙繞組變壓器的縱差動保護的原理接線。由於變壓器高壓側和低壓側的電流II1和III1是不相等的，為使變壓器正常運行及外部故障時流入差動繼電器的兩個二次電流II2和III2的大小相等，必須適當選擇兩側電流互感器的變比，使之滿足下列條件：
式中KITA——高壓側電流互感器的變比；
KIITA——低壓側電流互感器的變比。
設變壓器的變比為KT，則有KT=KIITA/KITA
可見，要使變壓器差動保護能正確動作，必須使兩側電流互感器變比的比值等於變壓器的變比。
變壓器的縱差動保護同樣需要躲過在正常運行及外部短路時各種因素造成的不平衡電流。包括變壓器勵磁湧流造成的不平衡電流、變壓器兩側電流相位不同引起的不平衡電流、電流互感器變比標準化引起的不平衡電流、兩側電流互感器型號不同產生的不平衡電流、變壓器帶負荷調整分接頭產生的不平衡電流等。在電力係統中，縱差動保護主要用作變壓器內部相間故障的主保護。
2電流速斷保護
對於容量較小的變壓器，可在電源側裝設電流速斷保護。為保證選擇性，電流速斷保護隻能保護變壓器的一部分，它與瓦斯保護和過電流保護配合，可以組成小型變壓器的整組保護。當變壓器電源側為小接地電流係統時，保護可采用兩相式接線；當電源側為大接地電流係統時，可采用三相式或兩相三繼電器式接線。
電流速斷保護的動作電流應按以下兩個條件計算，並取其中的較大者作為動作電流的整定值。
躲過變壓器二次側母線短路時的最大短路電流，即
式中Krel——可靠係數，取1.2~1.3；
整定原則 2：按躲過變壓器空載勵磁湧流整定。
Iop1=Kb×Ie
式中：Kb：勵磁湧流倍數， 7~10； Ie：變壓器高壓側額定電流。
電流速斷保護的靈敏度應按下式校驗：
（三）外部相間短路和接地短路時的後備保護
變壓器的主保護通常采用差動保護（小容量變壓器可采用電流速斷保護）和瓦斯保護。除了主保護外，變壓器還應裝設相間短路和接地短路的後備保護。後備保護的作用是為了防止由外部故障引起的變壓器繞組過電流，並作為相鄰元件（母線或線路）保護的後備以及在可能的條件下作為變壓器內部故障時主保護的後備。變壓器的相間短路後備保護通常采用過電流保護、低電壓啟動的過電流保護、複合電壓啟動的過電流保護以及負序過電流保護等，也有采用阻抗保護作為後備保護的情況。接地短路時的後備保護應根據變壓器台數及接地情況配置。
（1）過電流保護
過電流保護應裝在變壓器的電源側，采用完全星形接線。保護動作後，跳開變壓器兩側斷路器。
過電流保護裝置的動作電流應按照躲開變壓器可能出現的最大負荷電流來整定，具體問題作如下考慮：
對並列運行的變壓器，應考慮切除一台時所出現的過負荷；對於降壓變壓器，應考慮低壓側負荷電動機自啟動時的最大電流
（2）低電壓啟動的過電流保護
低電壓啟動的過電流保護，隻有當電流元件和電壓元件同時動作後，才能啟動時間繼電器，經過預定的延時後，啟動出口中間繼電器動作於跳閘。
當采用低電壓啟動的過電流保護時，電流元件的動作電流按躲開變壓器的額定電流整定
2變壓器的接地保護
大接地電流係統的電力變壓器，一般應裝設接地保護，作為變壓器和相鄰元件接地短路的後備保護。係統發生接地短路時，零序電流的大小和分布與係統中變壓器中性點接地數目和位置有關。對於隻有一台變壓器的變電所，一般均采用變壓器中性點直接接地運行方式。對於有兩台及以上變壓器並列運行的變電所，一般采用一部分變壓器中性點接地運行，另一部分變壓器中性點不接地運行的方式，以保持在各種運行方式下，變壓器中性點接地數目和位置應盡量維持不變，從而保證零序保護有穩定的保護範圍和足夠的靈敏度。
（1）隻有一台變壓器的變電所
對隻有一台變壓器的變電所，通常裝設普通的零序過電流保護，保護接於中性點引出線的電流互感器上。保護動作電流與被保護側母線引出線零序電流保護後備段在靈敏度上相配合的條件進行整定
（2）兩台變壓器並列運行的變電所
對兩台變壓器並列運行的變電所，如圖3所示，一般采用一台變壓器中性點接地運行（如T1），另一台中性點不接地運行（如T2）。這時，若在高壓係統發生接地短路，T1跳閘後，T2仍將帶故障運行，則將產生危險的過電壓，T2的絕緣將遭到損壞。因此，對部分變壓器中性點接地運行的變電所，在構成接地保護時，應考慮一下兩個問題：
a、發生故障時，應能切除所有與接地短路係統相連接的變壓器；
b、接地故障發生後，應首先跳開中性點不接地運行的變壓器，以防止過電壓造成的危害，然後再跳開中性點接地運行的變壓器。
（四）過負荷保護
變壓器長期過負荷運行時，繞組會因發熱而受到損傷。對400kV·A以上的變壓器，當數台並列運行，或單獨運行並作為其他負荷的備用電源時，應根據可能過負荷的情況，裝設過負荷保護。變壓器的過負荷電流一般都是三相對稱的，因此，過負荷保護隻接於一相電流上，經較長的延時作用於信號。對於無值班人員的變電所，必要時過負荷保護可動作於自動減負荷或跳閘。對自耦變壓器或多繞組變壓器，過負荷保護應能反映公共繞組及各側過負荷的情況。
過負荷保護安裝側的選擇，應能反映變壓器各繞組的過負荷情況。對雙繞組升壓變壓器，過負荷保護一般裝設在低壓側。對一側無電源的三繞組升壓變壓器，應裝在發電機側和無電源側；若三側都有電源時，各側均應裝設過負荷保護。對雙繞組降壓變壓器，過負荷保護一般裝在高壓側。對單電源的三繞組降壓變壓器，若三繞組容量相同，過負荷保護僅裝在電源側；若三側繞組容量不同，則在電源側和容量最小側分別裝設過負荷保護。對雙側電源的三繞組降壓變壓器或聯絡變壓器，三側均應裝設過負荷保護。
過負荷保護的動作電流，按躲開變壓器額定電流整定
（五）過勵磁保護
對頻率減低和電壓升高而引起變壓器過勵磁時，勵磁電流急劇增加，鐵芯及附近的金屬構件損耗增加，引起高溫。長時間或多次反複過勵磁，將因過熱而使絕緣老化。高壓側電壓為500kV及以上的變壓器，應裝設過勵磁保護，在變壓器允許的過勵磁範圍內，保護作用於信號，當過勵磁超過允許值時，可動作於跳閘。過勵磁保護反應於鐵芯的實際工作磁密和額定工作磁密之比（稱為過勵磁倍數）而動作。實際工作磁密通常通過檢測變壓器電壓幅值與頻率的比值來確定。
（六）其他非電量保護
對變壓器溫度及油箱內壓力升高和冷卻係統故障，應按現行有關變壓器的標準要求，專設可作用於信號或動作於跳閘的非電量保護。