变压器相间短路后备保护方案

变压器相间短路的后备保护既是变压器主保护的后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。为反映变压器外部相间故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变压器发生严重内部相间故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备，变压器应装设相间短路的后备保护。根据变压器容量的大小和系统运行方式，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序过电流保护以及阻抗保护等。

1.过电流保护

变压器过电流保护就是当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。其单相原理接线如图5−1−10所示，保护动作于变压器两侧的断路器，保护动作电流按躲过变压器的最大负荷电流整定。

式中 Krel——可靠系数，一般取1.2～1.3；

Kre——返回系数，取0.85～0.95；

IL.max——变压器可能出现的最大负荷电流。

图5−1−10　变压器过电流保护的单相原理接线

在确定变压器的最大负荷电流时，应考虑到两种情况：对多台并联运行的变压器，应考虑切除一台最大容量的变压器后的过负荷电流；对单台运行的降压变压器，应考虑负荷中电动机自起动时的最大电流。

变压器过电流保护的动作时限和线路过电流保护的动作时限一样，按阶梯原则整定，即按躲开下一级过电流保护中动作时限最大值再加一个时限差整定。变压器过电流保护的灵敏度校验与变压器的接线组别及保护的接线方式有关，按以上条件选择的起动电流，其值一般比较大，往往不能满足作为相邻元件后备保护的需要，为此需要采用低电压起动的过流保护、复合电压起动的过流保护或负序过电流保护等方式来提高灵敏度。

2.复合电压起动的过电流保护

1）工作原理

复合电压起动的过电流保护一般用于升压变压器、系统联络变压器以及过电流保护灵敏系数达不到要求的降压变压器，其保护的原理接线如图5−1−11所示。

图5−1−11　复合电压启动的过电流保护原理接线图

电流起动元件由接于相电流的继电器KA1～KA3 构成，电压起动元件由反映不对称短路的负序电压继电器KVN 和反映对称短路接于相间电压的低电压继电器KV 构成，其中负序电压继电器KVN 内附有负序电压滤过器U2。只有电流起动元件和电压起动元件都动作时才能起动时间继电器KT。

当正常运行时，电流起动元件和电压起动元件都不动作，故保护装置不动作；当变压器发生不对称短路时，故障相电流继电器动作，同时负序电压继电器KVN 动作，其常闭触点打开，切断低压继电器KV 的电压回路，KV 常闭触点闭合，使闭锁中间继电器KL 动作，其常开触点闭合，此时电流继电器已动作并起动时间继电器KT，经过KT 的延时，其触点闭合，起动出口继电器KCO，使变压器各侧断路器跳闸。当发生三相对称短路时，由于短路瞬间也会出现短时的负序电压，使负序电压继电器KVN 起动，低压继电器KV 动作，当负序电压消失后，KV 接于相间电压，因此只有母线电压高于KV 的返回电压才可以使KV 返回。但三相短路时母线电压都很低，小于KV 的返回电压，故KV 保持动作状态，此时相当于低电压起动的过电流保护。

2）整定计算

（1）电流继电器一次动作电流按下式整定：

（2）负序电压继电器的一次动作电压按躲过正常运行时的不平衡电压整定，根据运行经验可取Uop2=0.06UN，其中UN 为电源相间电压的额定值。

（3）接在相间电压上的低电压继电器的一次动作电压，按躲过电动机自起动的条件整定。对于火力发电厂的升压变压器，还应考虑能躲过发电机失磁运行时的最低运行电压，一般可取Uop=（0.5～0.6）UN。(www.xing528.com)

（4）灵敏系数按后备保护范围末端两相金属性短路情况校验，要求灵敏系数不小于1.2。

电流元件中，

式中 ——后备保护范围末端两相金属性短路时流过保护装置的最小短路电流。

负序电压元件中，

式中 ——后备保护范围末端两相金属性短路时保护安装处的最小负序电压。

相间电压元件KV 的灵敏系数按式整定。

复合电压起动的过电流保护，采用负序电压继电器的整定值较小，对于不对称短路提高了灵敏系数。对于对称短路，KV 的返回电压为其起动电压的1.15～1.2 倍，因此电压元件比低电压过电流保护的灵敏系数可提高1.15～1.2倍。对于大容量变压器，由于变压器额定电流较大，电流元件的灵敏系数可能不满足要求，为此，可选用负序电流及单相式低电压起动的过电流保护。

3.变压器相间短路后备保护的配置原则

变压器相间短路的后备保护主要有两个作用，一是作为变压器纵联差动保护、瓦斯保护的后备，跳开变压器各侧断路器；二是作为变压器各侧母线和线路保护的后备，只跳开本侧的断路器。

相间短路后备保护的配置与被保护变压器电气主接线方式及各侧电源情况有关，现简单分析如下：

（1）对于双绕组变压器，相间短路的后备保护可以只装设在主电源侧。根据主接线情况可带一段或两段时限，较短时限用于缩小故障影响范围，较长时限用于断开各侧断路器。

变压器相间短路过电流保护（微课）

（2）对于单侧电源的三绕组变压器，相间短路后备保护宜装设在主电源侧及主负荷侧，如图5−1−12所示。以过电流保护为例，设tⅠ、tⅡ、tⅢ分别为各侧母线后备保护的动作时限。负荷侧的过电流保护只作为母线Ⅲ保护的后备，动作后只跳开断路器QF3。动作时限 t 3应该与母线Ⅲ保护的动作时限配合，即 t 3 = tⅢ + Δt，其中Δt 为一个时限级差。电源侧的过电流保护作为变压器主保护和母线Ⅱ保护的后备。为了满足外部故障时尽可能缩小故障影响范围的要求，电源侧的过电流保护采用两个时间元件，以较小的时限 t2=max( tⅡ , t3)+Δt 跳开断路器QF2，以较大的时限 t1 = t2+Δt 跳开三侧断路器QF1、QF2 和QF3。这样，母线Ⅲ故障时保护的动作时间最短，母线Ⅱ故障时其次，变压器内部故障时保护的动作时间最长。若电源侧过电流保护作为母线Ⅱ的后备保护灵敏度不够时，则应该在三侧都装设过电流保护。两个负荷侧的保护只作为本侧母线保护的后备。电源侧保护则兼作变压器主保护的后备，只需要一个时间元件。三者动作时间的配合原则相同。

图5−1−12　单侧电源三绕组变压器相间短路后备保护的配置

（3）对于多侧电源的三绕组变压器，各侧均应装设后备保护，并根据需要增设方向元件，如图5−1−13所示。在变压器三侧分别装设过电流保护作为本侧母线保护的后备保护，主电源侧的过电流保护兼作变压器主保护的后备保护。假设Ⅰ侧为主电源侧，Ⅰ侧、Ⅱ侧和Ⅲ侧作为本

侧母线后备保护的动作时限分别取 t1　= tⅠ + Δt、 t 2 = tⅡ + Δt、 t 3 = tⅢ + Δt，其中Ⅰ侧和Ⅱ侧的过电流保护还应增设方向元件，分别指向该侧母线Ⅰ和Ⅱ，保护动作后分别跳开相应侧的断路器。作为变压器主保护的后备保护，其动作时限取 t T = max（ t1 ， t 2， t 3）+ Δt，被装在变压器主电源侧，动作后跳开三侧断路器。这样，当任一母线故障时，相应侧的方向元件起动（Ⅲ侧不需方向元件），过电流保护动作跳开本侧断路器，变压器另外两侧可以继续运行。当变压器内部故障时，各侧方向元件均不起动（Ⅲ侧过电流保护不起动），主电源侧过电流保护经时限 t T总出口跳开三侧断路器。

图5−1−13　多侧电源三绕组变压器相间短路后备保护的配置