变压器相间短路故障的后备保护

知识点：后备保护

为反应变压器外部相间短路故障引起的过电流以及作为纵差动保护和气体保护的后备，变压器应装设反应相间短路故障的后备保护。根据变压器容量和保护灵敏度要求，后备保护的方式主要有复合电压启动的（方向）过电流保护、负序电流和单相低电压启动的过电流保护、阻抗保护等。而复合电压启动（方向）过电流保护应用最广。为防止变压器长期过负载运行带来的绝缘加速老化，还应装设过负载保护。

对于单侧电源的变压器，后备保护装设在电源侧，作纵差动保护、气体保护的后备或相邻元件的后备。对于多侧电源的变压器，后备保护装设于变压器各侧。当作为纵差动保护和气体保护的后备时，动作后跳开各侧断路器（主电源侧保护段），此时装设在主电源侧的保护段对变压器各电压侧的故障应均能满足灵敏度的要求。变压器各侧装设的后备保护，主要作为各侧母线和线路的后备保护，动作后跳开本侧断路器。此外，当变压器断路器和电流互感器间发生故障时（称死区范围），后备保护同样可反应，起到后备作用。

 

一、复合电压启动的（方向）过电流保护

复合电压启动的过电流保护的复合电压启动部分由负序过电压元件与低电压元件组成。在微机继电保护中，接入微机继电保护装置的电压为三个相电压或三个线电压，负序过电压与低电压功能由算法实现。过电流元件的实现通过接入三相电流和保护算法实现，两者相与构成复合电压启动的过电流保护。

各种不对称短路时存在较大的负序电压，负序过电压元件将动作，一方面开放过电流保护，过电流保护动作后经过设定的延时动作于跳闸另一方面使低电压保护的数据窗的数据清零，低电压保护动作。对称性三相短路时，由于短路初瞬间也会出现短时的负序电压，负序过电压元件将动作，低电压保护的数据窗的数据被清零，低电压保护也动作。当负序电压消失后，低电压保护可程序设定为电压较高时才返回，三相短路后，电压一般都会降低，若它低于低电压元件的返回电压，则低电压元件仍处于动作状态不返回。在特殊的对称性三相短路情况下，短路初瞬间不会出现短时的负序电压，这时只要电压降低到低电压元件的动作值，复合电压启动元件也将动作。

1.动作逻辑

如图6-18所示为复合电压启动（方向）过电流保护逻辑框图（只画出I段，其他段类似，但最末一段不设方向元件控制），图中或门H1的输出“1”表示复合电压已动作，U₂为保护安装侧母线上负序电压，U_2set为负序整定电压，U_φφ.min为母线上最低相间电压KW1、KW2、KW3为保护安装侧A相、B相、C相的功率方向元件，I_A、I_B、I_C为保护安装侧变压器三相电流，I_set为I段电流定值。KG为控制字，KGl为“1”时，方向元件投人，KGl为“0”时，方向元件退出，可以看出，各相的电流元件和该相方向元件构成“与”关系，符合按相启动原则KG2为其他侧复合电压的控制字，KG2为“1”时，其他侧复合电压起到该侧方向电流保护的闭锁作用，KG2为“0”时，其他侧复合电压不引入，引人其他侧复合电压可提高复合电压元件的灵敏度KG3为复合电压的控制字，KG3为“1”时，复合电压起闭锁作用，KG3为“0”时，复合电压不起闭锁作用KG4为保护段时，在高压侧和中压侧都会有零序电流流通，需要两侧变压器的零序电流保护相互配合，有时需要零序方向元件。对于三绕组自耦变压器，高压侧和中压侧除电的直接联系外，两侧共用一个中性点并接地，自然任一侧发生接地故障时，零序电流可在高压侧和中压侧间流通，同样需要零序电流方向元件以使两侧的零序电流保护配合（指变压器的零序电流保护）。

但是，对于普通三绕组变压器来说，低压绕组一般总是接成三角形接线，在零序等值电路中，变压器的三角形绕组是短路运行的。倘若三绕组变压器低压绕组的等值电抗等于零，则高压侧（中压侧）发生接地短路故障时，中压侧（高压侧）就没有零序电流流通，两侧变压器的零序电流保护不存在配合问题，无需设零序方向元件;自然，当三绕组变压器低压绕组的等值电抗不等于零时，就需要零序方向元件。

因此，在变压器的零序电流保护中，只有在低压绕组等值电抗不等于零且高压侧和中压侧中性点均接地的三绕组变压器以及自耦变压器上，才需零序方向元件。当然，双绕组变压器的零序电流保护，不需零序方向元件。

 

二、变压器零序（接地）保护的配置

1.中性点必须经常接地运行变压器的零序保护

当双绕组变压器中性点接地开关合上时，变压器直接接地运行，零序电流取自中性点回路的零序电流。零序电流保护原理如图6-19所示。通常接于中性点回路的电流互感器TA 一次侧的额定电流选为高压侧额定电流的1/4～1/3。

零序保护由两段零序电流构成。Ⅰ段整定电流（即动作电流，下同）与相邻线路零序过电流保护Ⅰ段（或Ⅱ段）或快速主保护配合。I段保护设两个时限t₁和t₂，t₁时限与邻线路零序过电流Ⅰ（或Ⅱ段）配合，取t₁=0.5～1s，动作于母线解列或跳分段断路器，以缩小停电范围;t₂=t₁＋△t，断开变压器高压侧断路器。第Ⅱ段与相邻元件零序电流保护后备段配合;Ⅱ段保护也设两个时限t₄和t₅，时限t比相邻元件零序电流保护后备段最长动作时限大一个级差，动作于母线解列或跳分段断路器;t₅=t₄＋△t，断开变压器高压侧断路器，如逻辑框图6-20所示。

为防止变压器接入电网前高压侧接地时误跳母联断路器，在母联解列回路中串进高压侧断路器QF1的动合辅助触点。

三绕组升压变压器高中压侧中性点不同时接地或同时接地，但低压侧等值电抗等于零时，装设在中性点接地侧的零序保护与双绕组升压变压器的零序保护基本相同。

2.中性点为分级绝缘变压器的零序保护

变压器中性点为分级绝缘，中性点一般装设放电间隙。中性点有放电间隙的分级绝缘变压器的零序保护原理图如图6-19所示。当变压器中性点接地（QS隔离开关接通）运行时，投入中性点接地的零序电流保护;当变压器中性点不接地（QS 隔离开关断开）运行时，投入间隙零序电流保护和零序电压保护，作为变压器中性点不接地运行时的零序保护。

电网内发生一点接地短路故障，若变压器零序后备保护动作，则首先切除其他中性点直接接地运行的变压器。倘若故障点仍然存在，变压器中性点电位升高，放电间隙击穿，间隙零序电流保护动作，经短延时t₈（取t₈=0～0.1s），先跳开母联或分段断路器，经较稍长延时（取=0.3~0.5s），切除不接地运行的变压器;若放电间隙未被击穿，零序电压保护动作。经短延时t₉（取t₉=0.3s，可躲过暂态过程影响）将母联解列，经稍长延时t₇（取t₇=0.6～0.7s），切除不接地运行的变压器，如逻辑框图6-20所示。不过，对于7220kV及以上的变压器，间隙零序电流保护和零序电压保护动作后，经短延时后（0.3～0.5s）也可直接跳开变压器断路器。

 

 

间隙零序电流保护一次动作电流值通常取100A;作为开放间隙零序电流保护的启动元件，动作值比测量元件要高3～4倍灵敏度，如动作值取25～35A。

对于分级绝缘的双绕组降压变压器，零序保护动作后先跳开高压分段断路器或桥断路器;若接地故障在中性点接地运行的一台变压器，则零序保护可使该变压器高压侧断路器跳闸;若接地故障在中性点不接地运行的一台变压器侧，则需靠线路对侧的接地保护切除故障。此时，变压器的零序保护应与线路接地保护在时限上配合。

3.全绝缘变压器的零序保护

全绝缘变压器中性点绝缘水平较高（220kV变压器可达110kV），按规定装设零序电流保护外，还应装设零序电压保护。当发生接地故障时，若接地故障在中性点接地运行的一台变压器侧，则零序保护可使该变压器高压侧断路器跳闸;若接地故障在中性点不接地运行的一台变压器侧，再由零序电压保护切除中性点不接地运行的变压器。

当中性点接地运行时，投入零序电流保护，工作原理与图6-19相同。当中性点不接地运行时，投入零序电压保护，零序电压的整定值应躲过电网存在接地中性点情况下单相接地时开口三角侧的最大零序电压（要低于电压互感器饱和时开口三角侧的零序电压）。为避免单相接地时暂态过程的影响，零序电压带t₆=0.3～0.5s时限。零序电压保护动作后，切除变压器。

 

三、变压器零序（接地）保护逻辑框图

由于变压器的零序（接地）保护装设在变压器中性点接地一侧，所以对于 Y_N，d接线的双绕组变压器，装设在Y_N侧;对于Y_N,y_n，d接线的三绕组变压器，Y_N侧和y_n侧均应装设;对于自耦变压器，高压侧和中压侧均应装设。可见，变压器的零序（接地）保护是分侧装设的。

如图6-20所示为变压器零序（接地）保护逻辑框图，KAZl、KAZ2是Ⅰ段、Ⅱ段零序电流元件（有的保护中有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段），作测量零序电流之用;KWZ是零序方向元件，为避免3U。、31。引入时引起极性错误，采用自产的3U。、通过控制字也可采用自产的31。作零序方向元件的输入量（有的保护中不设零序方向元件）;KVZ为零序电压闭锁元件，采用电压互感器开口三角形侧的零序电压作输入量。可以看出，KAZl、KAZ2、KWZ、KVZ等构成了变压器中性点接地运行时的零序（方向）过电流保护。作为零序电流的测量元件，输人零序电流可通过控制字采用自产的3?₀（即利用输入装置的三相电流求和得3?₀）或采用外接的3?₀。

KG1、KG2为零序电流Ⅰ、Ⅱ段是否带方向的控制字（控制字为"1"时，方向元件投入;控制字为"0"时，零序电流不带方向）;KG3、KG4为零序电流Ⅰ、Ⅱ段是否经零序电压闭锁的控制字;KG5、KG6为零序电流Ⅰ、Ⅱ段是否经谐波闭锁的控制字;KG7～KGl1是零序电流I、Ⅱ段带动作时限的控制字（有些保护中Ⅱ段带三个时限）。可以看出，通过控制字，可构成零序过电流保护，也可构成零序方向过电流保护，并且各段可以获得不同的动作时限。

零序电流启动可采用变压器中性点回路的零序电流，启动值应躲过正常运行时的最大不平衡电流;零序电压闭锁元件（KVZ）的动作电压应躲过正常运行时开口三角形侧的最大不平衡电压，一般取3～5V。为防止变压器励磁涌流对零序过电流保护的影响，采用了谐波闭锁措施，当然利用励磁涌流中的二次及其偶次谐波来进行制动闭锁（有些保护中没有）。

当变压器中性点不接地运行时，采用零序过电压元件（3U₀电压元件）和间隙零序电流元件来构成变压器的零序保护。图6-20中的KG12～KG15是零序过电压、间隙零序电流带动作时限的控制字。考虑到接于变压器中性点的保护间隙击穿过程中，可能会出现间隙零序电流和零序过电压交替出现，带时间t延时返回就可保证间隙零序电流和零序过电压保护的可靠动作。

 

四、自耦变压器零序（接地）保护特点

自耦变压器高压、中压侧间有电的联系，有共同的接地中性点且要求直接接地。当系统在高压或中压电网发生接地故障时，零序电流可在高压、中压电网间流动，而流经接地中性点的零序电流数值及相位，随系统的运行方式不同会有较大变化。因此，自耦变压器高压侧和中压侧零序电流保护不能取用接地中性点回路电流，而应分别在高压及中压侧配置，并接在由本侧三相套管电流互感器组成的零序电流滤过器上。自耦变压器中性点回路装设的一段式零序过电流保护，只在高压或中压侧断开，内部发生单相接地故障，未断开侧零序过电流保护的灵敏度不够时才用。高压和中压侧的零序过电流保护应装设方向元件，动作方向由变压器指向该侧母线，即指向本侧系统。

考虑到自耦变压器的阻抗比较小，当变压器某侧（如中压侧）母线接地、而另一侧（如高压侧）相邻线路对端的零序电流保护第Ⅱ段整定值躲不过而可能动作时，此种情况可在故障母线侧（中压侧）装设两段式零序电流保护来保证选择性。其中的第I段与该侧（中压侧）线路零序电流保护第Ⅰ段配合，动作时限为0.5s；第Ⅱ段与其后备段配合。若另一侧相邻线路对端的零序电流保护第Ⅱ段的整定值能躲过该侧母线接地时的故障电流而不动作，则可不设零序电流保护的第Ⅱ段（可设两个第I段）。

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