电力变压器保护的基本原理

在电力系统中，电力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，再由输电线路将发电机发出的电能送至电力系统中，随后，在变电站通过降压变压器再将电能送至配电网络，并分配给各用户取用。

在工程实际中，变压器保护主要包括：变压器差动保护及多种变压器后备保护、变压器差动保护通常作为变压器的主保护及其他保护作为变压器的后备保护。

2.5.2.1 变压器故障及异常

1）变压器的故障

变压器故障可分内部故障和外部故障。

变压器内部故障指的是箱壳内部发生的故障，有绕组的相间短路故障、绕组的匝间短路故障、绕组与铁芯间的短路故障、变压器绕组引线与外壳发生的单相接地短路。此外，还有绕组的断线故障等。

变压器外部故障指的是箱壳外部引出线间的各种相间短路故障和引出线因绝缘套管闪络或破碎通过箱壳发生的单相接地短路等。

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工况主要有过负荷、油箱漏油造成的油面降低、外部短路故障（接地故障和相间故障）引起的过电流等。

对于大容量变压器，因铁芯额定工作磁密与饱和磁密比较接近，所以当电压过高或频率降低时，容易发生过励磁。

此外，对于中性点不直接接地运行的变压器，可能出现中性点电压过高的现象；运行中的变压器油温过高（包括有载调压部分）以及压力过高的现象。

2.5.2.2 变压器纵差保护原理

变压器纵差保护的构成原理是基于克希荷夫第一定律（KCL）的，即：

式中：——变压器各侧电流的向量和。

式（2.55）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故障电流而没有流出变压器的故障电流，其纵差保护动作，切除变压器。

影响变压器差动保护的主要因素有以下几个方面：

（1）变压器励磁涌流。

（2）变压器两侧电流相位不同。

（3）计算变比与实际变比不同。

（4）两侧电流互感器型号不同。

（5）变压器带负荷调整分接头。

以上诸因素，在保护定值的处理时需要重点考虑，为了提高变压器差动保护的灵敏度，实用的变压器差动保护方法有：稳态比率差动、故障分量比率差动保护等。以下对常用的变压器差动原理进行简要介绍。

1）稳态比率差动保护

如图2.25所示（以双圈变压器为例，三圈变压器类似），首先，规定电流互感器TA的正极性端在母线侧，电流参考方向由母线流向变压器为正方向。

图2.25　变压器差动保护原理接线图

在变压器差动保护中，为提高内部故障状态下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曲线的差动元件，通常采用具有两段折线或三段折线的比率制动特性曲线。以三段折线的比率制动特性曲线为例，其特性曲线如图2.26所示。

图2.26　三折线组成的稳态量差动保护特性曲线

其差动保护的动作方程：式中：Idz为差动电流，是各侧电流的相量和，Izd为制动电流；差动方程为三折线式的方程，由三条直线方程组成，以Izd的取值范围来划分，第一段直线的斜率通常取0（水平直线）或0.2（Izd≤Izd0），第二段直线的斜率为Kz1，称为差动比例系数，是一个可变的定值（Izd0＜Izd≤Izd1），第三段直线的斜率为Kz2（Izd＞Izd1）。

三段式比率制动特性中，电流启动值是针对躲开正常运行时的不平衡电流而设定的，因此，其应当按照躲开最大负荷情况下的不平衡电流进行取值，通常取Izd=（0.2～0.5）IN。

使用三段式比率差动的特点就是反映了故障时的实际情况，在较小的外部故障的情况下，Izd=（2～3）IN，电流互感器饱和程度不深，误差还是较小的，这时允许选取较小的制动系数（Kz1=0.2～0.5），这样相应地增加了动作区，在区内故障时提高了灵敏度。

在较严重的外部故障的情况下，可以选择较大的制动系数（Kz1=0.75），这时电流互感器流过了很大的穿越性故障电流，互感器饱和程度加深，误差也随之增大，应当选择较大的制动系数，同时，在这种区内短路故障的情况下，差动电流远远大于制动电流，可以保证保护装置在区内故障时可靠动作。

（1）区内故障时差动保护动作分析

如图2.27所示，区内故障时，各侧短路电流都是由母线流向变压器，与各侧参考方向一致时为正值，所以差动电流：

此时，差动电流很大，容易满足差动方程，差动保护动作。

（2）区外故障时差动保护动作分析

如图2.28所示，在低压母线上发生故障时，高、中压侧短路电流由母线流向变压器，与参考方向一致时为正值。低压侧电流由变压器流向母线，与参考方向相反，为负值。把变压器看成电路上的一个节点，由KCL定理可知，流入的电流等于流出的电流，即电流相量和为0，所以差动电流：

而此时制动电流为各侧电流的幅值和，制动电流很大，所以差动保护不动作。

图2.27　变压器区内故障短路电流

图2.28　变压器区外故障短路电流(www.xing528.com)

2）故障分量比率差动保护

故障分量比率差动保护的原理与稳态量比率差动保护类似，其是以故障分量差动电流作为判别依据。所谓故障分量电流是由从故障后电流中减去负荷分量而得到的电流值，用Δ表示故障电流增量，即，下标L表示正常负荷电流分量，取一段时间前（通常两个周波）的计算值。

在故障分量差动保护中，ΔId为故障分量差动电流，其值取各侧故障电流增量之和；ΔIr为故障分量制动电流，其值取各侧故障电流增量之和的一半，由此，则有：

差动电流：

制动电流：

图2.29　故障分量差动制动曲线

故障分量比率制动曲线为过原点的两折段曲线，如图2.29所示，差动条件（差动方程）为：

其中：ΔIr.0——差动动作拐点；

ΔIop.min——故障分量差动最小动作电流；

k——比率系数。

故障分量比率差动保护与传统比率差动相比，在忽略变压器各侧负荷电流之后，故障分量差动保护原理与传统差动保护原理的差动电流在本质上相同，其不同主要表现在制动量上。在传统差动保护中，当发生内部轻微故障（如单相高阻抗接地或小匝间短路）时，制动电流主要由负荷电流IiL决定，制动量大从而降低了灵敏度，然而，故障分量差动则由故障分量电流决定，去除了负荷电流的影响，提高了灵敏度。在发生外部故障时，制动电流主要取决于ΔIr，因此，故障分量差动保护与传统差动保护原理的制动电流是相当的，不会引起误动。

2.5.2.3 变压器后备保护

变压器后备保护大多是基于传统保护原理的，主要包括复合电压闭锁（方向）过流保护、零序方向过流保护、零序过流保护、间隙保护及断路器失灵保护等。

1）复合电压闭锁（方向）过流保护

变压器复合电压闭锁过流保护通常是作为变压器外部相间短路和变压器内部相间短路的后备保护，以防止误动作；变压器复合电压闭锁过流保护主要以变压器内、外部故障时电流、电压及功率方向故障量特征为判别依据，其主要由以下保护元件构成：

（1）过流元件

变压器复合电压闭锁过流保护各侧过流元件的电流取自本侧CT，其动作判据为：

其中：IA、IB、IC分别为A、B、C相电流，IL.set为过流定值。

（2）复合电压元件

变压器复合电压闭锁过流保护的复合电压是指相间低电压或负序电压。

其动作判据为：

其中：UAB、UBC、UCA——AB、BC、CA相线电压；

ULL.set——低电压定值；

U2——负序电压；

U2.set——负序电压定值。

（3）功率方向元件

变压器复合电压闭锁过流保护的方向元件采用的是正序电压，带有记忆性，近处三相短路时方向元件无死区。电流、电压回路采用90°接线（即接入方向继电器的电流与电压夹角为90°，如IA与UBC，IB与UCA，IC与UAB）。

如图2.30所示，以电压为参考相位，固定在0°角，观测电流的角度，当方向指向变压器时，最大灵敏角-45°。其动作判据为：IA～UBC，IB～UCA，IC～UAB三个夹角（电流落后电压时为正）中，其中任一夹角满足-135°＜φ＜45°，且与之对应的相电流大于过流定值时，则保护动作。

当方向指向母线（系统）时，最大灵敏角为135°。其动作特性见图2.30。

图2.30　功率方向元件动作特性

2）零序方向过流保护

电力变压器零序方向过流保护原理与输电线路的零序方向过流保护原理类似，其方向元件所采用的零序电流、零序电压为各侧自产的零序电流、零序电压。

（1）零序过流元件

变压器零序方向过流保护中，零序过流元件的电流选自产零序，其动作判据为：

其中为A、B、C相电流矢量，I0L.set为零序过流定值。

（2）方向元件

变压器零序方向过流保护中，方向元件是以电压为参考向量，当方向指向变压器时，最大灵敏角为-90°；方向指向母线（系统）时，最大灵敏角为90°（电流超前电压为负，滞后电压为正）。其动作特性见图2.31。

变压器其他后备保护原理因篇幅所限略去。

图2.31　零序方向元件动作特性