电力技术|变压器概述（三）保护篇

一.变压器故障及异常运行方式

⑴.变压器故障

变压器故障分为：内部故障和外部故障。

• 内部故障：指的是箱壳内部发生故障，有绕组的相间短路故障，匝间短路故障，绕组与铁芯间的短路故障，绕组引线与外壳发生的单相接地短路及绕组的断线故障。

• 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体发生的单相接地短路。

⑵.变压器异常情况

不正常运行工况主要有：过负荷，油箱漏油造成的液面降低，接地故障和相间故障引起的过电流，电压过高或频率降低时发生的过励磁，中性点不直接接地运行的变压器出现的过电压现象以及变压器的油温过高和压力过高现象。

220kV变压器油箱

二.变压器保护配置要求

变压器的保护配置分为主保护和后备保护。

① 主保护包括：瓦斯保护和纵差保护（电流速断保护）。

② 后备保护包括：过电流保护、过电流（方向）保护、阻抗保护、零序电流（方向）保护、零序电压、间隙零序电流保护、过负荷保护、过励磁保护、非电量保护。

（1）瓦斯保护

容量在0.8MVA及以上的油浸式变压器和户内0.4MVA及以上的变压器应装设瓦斯保护。不仅变压器本体装设瓦斯保护，有载调压也应该装有。

瓦斯保护用于反应变压器内部故障，漏油造成的液面降低以及绕组的开焊故障。

瓦斯保护分：重瓦斯和轻瓦斯。一般重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯动作于信号。当变压器内部短路故障时，电弧分解油产生的气体冲击气体继电器，使重瓦斯动作于跳闸；而当变压器油面降低时，轻瓦斯动作于信号。

此外，瓦斯保护的出口继电器的触点会抖动，所以该继电器动作后应有自保持功能。

（2）纵差动保护和电流速断保护

纵差保护用于反应变压器绕组的相间短路故障、匝间短路故障、中性点接地侧绕组的接地故障以及引出线的接地故障。其保护动作于跳开变压器各电源侧断路器并发出相应信号。

10MVA及以上单独运行的变压器、6.3MVA及以上并列运行的变压器或工业企业自用重要的变压器应该装纵差保护。

其他电力变压器，应装设电流速断保护，其过流保护的动作时限应大于0.5s。

对2MVA以上的变压器，如电流速断保护不能满足要求，也应装纵差保护。

（3）反应相间短路故障的后备保护

用于变压器外部相间短路故障和作为变压器内部绕组、引出线相间短路故障的后备保护。根据变压器的容量和系统中作用，可采用：过电流保护、复合电压起动的过电流（方向）保护、阻抗保护。

（4）反应接地故障的后备保护

变压器中性点直接接地时：采用零序电流（方向）保护，作为变压器外部接地故障和中性点直接接地侧绕组，引出线接地故障的后备保护。

变压器中性点不接地时：采用零序电压保护，中性点的间隙零序电流保护作为变压器接地故障的后备保护。

（5）过负荷保护

用于反应容量在0.4MVA及以上变压器的对称过负荷。过负荷保护只装设在一相，其动作时限较长，延时动作于发信号。

（6）过励磁保护

超高压大型变压器需要装设过励磁保护。由于变压器铁芯中的磁通密度B与电压和频率的比值U/f成正比，因此当电压升高或者频率降低时会引起过励磁，使得励磁电流变大，造成铁损增大，铁芯和绕组温度升高，严重时造成局部变形和损伤绝缘介质。

过励磁保护反应于实际工作磁密和额定磁密之比而动作。在允许的过励磁范围内，过励磁保护动作于发信号，当超过允许值时过励磁保护动作于跳闸。

（7）非电量保护

除了上述保护之外，变压器通常还装设反应油箱内油、气、温度等特征的非电量保护。其主要包括：变压器本体和有载调压部分的油温保护，变压器压力释放保护，变压器带负荷后启动风冷的保护和过载闭锁带负荷调压保护。

三.变压器保护原理图

（1）瓦斯保护

瓦斯保护接线原理图

气体继电器触头KG-1由开口杯控制，构成轻瓦斯保护，其动作后发出信号。气体继电器另一触头KG-2由挡板控制，构成重瓦斯保护，其动作后经信号继电器KS的线圈启动中间继电器KOM，KOM的两对触头分别使断路器QF1、QF2跳闸。

为了防止变压器内部严重故障因油流不稳，造成重瓦斯触头时断时通的不可靠动作，必须选用具有自保持电流线圈的出口中间继电器。在保护动作后，借助于断路器的辅助触点来解除出口回路的自保持。

在变压器加油或换油后及气体继电器试验时，为防止重瓦斯误动作，可将连接片XE改接至信号位置。

注：以下所有保护原理图的功能不再详细赘述。

（2）纵差动保护和电流速断保护

① 纵差动保护原理图：

两/三绕组变压器差动保护单相原理接线图

电流方向规定参照（a）图所示。具体情况分为以下三种：

①正常运行时：差动继电器中的电流为

② 外部故障时：如果负荷电流是从上往下流的，图（b）中发生外部短路故障时流过变压器的短路电流也是从上往下流的，此时图中的、电流的方向将与规定的电流正向相反，流入差动继电器中的电流为。只要合理选择电流互感器的变比和接线方式，就可以使流入差动继电器的电流为零，即为0，此时差动继电器不动作。

③ 内部故障：当变压器内部发生故障，如图（c）所示，由于两侧电源向故障点提供短路电流，这时电流的实际方向与规定的正方向一致，且幅值较大，差动继电器可以动作切除故障。

② 电流速断保护原理图：

电流速断保护单相原理接线图

（3）反应相间短路故障的后备保护

① 过电流保护原理图：

三绕组变压器过电流保护原理图

分析：三绕组变压器外部故障时，其过电流保护应有选择性地断开故障侧断路器。而使其余两侧继续正常运行，为此，应按如下原则来实现过流保护。

• 对单侧电源三绕组变压器，应装设两套过电流保护。一套装于负荷侧，其动作时限tⅢ最小，保护动作仅跳开QF3。另一套装在电源侧，如绕组Ⅰ，它设两级时限tⅠ和tⅡ，tⅡ= tⅢ+Δt，用以切除QF2；而tⅠ= tⅡ+Δt，用以切除高、中、低三侧断路器。

• 对两端或三端电源的变压器，三侧均应设过电流保护，并根据计算值在动作时限小的电源侧加装方向元件，以保证动作的选择性。

② 复合电压起动的过电流（方向）保护原理图：

复合电压启动的过电流保护原理图

复合电压启动的过电流保护通常作为变压器的后备保护,由一个负序电压继电器和一个接在相间电压上的低电压继电器共同组成的电压复合元件,两个继电器只要有一个动作,同时过电流继电器也动作,整套装置即能启动。

保护由三部分组成：电流元件、电压元件（含负序电压继电器KVN和低电压继电器KV）、时间元件。其中负序电压继电器由负序电压滤过器和过电压继电器组成。

装置动作情况如下：

• 当发生不对称短路时，故障相电流继电器动作；同时不对称短路产生负序电压，负序电压继电器动作，其常闭触点断开，致使低电压继电器KV失压，常闭触点闭合，起动闭锁中间继电器KM。相电流继电器通过KM常开触点起动时间继电器KT，经整定延时起动信号和出口继电器，将变压器两侧断路器断开。

• 当发生对称短路时，由于短路初始瞬间也会出现短时的负序电压，KVN也会动作，使KV失去电压。当负序电压消失后，KVN返回，常闭触点闭合，此时加于KV线圈上的电压已是对称短路时的低电压，只要该电压小于低电压继电器的返回电压，起动闭锁中间继电器KM。复合电压启动的过流保护在对称短路和不对称短路时都有较高的灵敏度。

（4）反应接地故障的后备保护

变压器中性点直接接地时后备保护：零序电流（方向）保护原理图如下。

零序电流（方向）保护原理图

变压器中性点不接地时后备保护：零序电压保护原理图如下。

零序电压，零序电流保护配合原理图

（5）过负荷保护

用于反应容量在0.4MVA及以上变压器的对称过负荷。过负荷保护只装设在一相，其动作时限较长，延时动作于发信号。

变压器过负荷保护原理图

（6）过励磁保护

过励磁保护测量图

过励磁保护逻辑框图

n为测量过励磁倍数；为过励磁倍数低定值；为过励磁倍数高定值。

（7）非电量保护

非电量保护在此只介绍冷却器全停保护，其它就不再一一介绍了。

冷却器全停保护原理图

K1为冷却器全停接点，冷却器全停后闭合；XB为保护投入压板，当变压器带负荷运行时投入；K2为变压器温度接点。

• 若冷却器全停，K1接点闭合，发出告警信号，同时启动t1延时元件开始计时，经长延时t1后切除变压器。

• 若冷却器全停之后，伴随有变压器温度超温，K2接点闭合，经短延时t2切除变压器。

四.主变保护现场配置情况

“六统一”之后，220kV的主变保护一般布置有三块屏（以主变220kV侧配置三相电压互感器，且其低压侧带2个分支开关的典型设计方案为例）。正常运行时，A屏接第一组直流电源，B接第二组直流电源。其各屏配置如下：

• 保护屏A配置：变压器保护一，中压侧电压切换箱。

• 保护屏B配置：变压器保护二，中压侧电压切换箱。

• 保护屏C配置：变压器非电量保护，变压器高压侧失灵启动保护，高压侧操作箱，中压侧操作箱，低压一分支操作箱，低压二分支操作箱。

失灵保护相关要求：

增加变压器高压侧开关失灵动作联跳主变各侧开关功能。当母差保护判定主变高压侧开关失灵后，该开关失灵保护动作触点开入至主变保护，经灵敏的、不需要整定的电流元件并带50ms延时后跳主变各侧开关。