第七章 电 力 变 压 器 保 护
第一节 电力变压器的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式
电力变压器是电力系统中重要的供电设备，它的故障将对供电可靠性和系统的运行带来严重的影响。因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。
变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外故障两种。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的烧损等。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。
变压器的不正常运行状态主要有：外部相间短路引起的过电流、外部接地短路引起的过电流和中性点过电压、过负荷以及漏油引起的油面降低；对大容量变压器，在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。
根据上述故障类型和不正常运行状态，对变压器应装设下列保护。
1．反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护。 对油冷却的变压器，在油箱内短路时 ，在短路电流和短路电弧的作用下，绝缘油和其它绝缘材料会因受热而分解产生气体。这些气体会从油箱流向油枕上部。瓦斯保护就是反应油箱内部产生的气体和油流而动作的。其中轻瓦斯动作于信号；重瓦斯动作于跳闸。
2．反应变压器绕组和套管及引出线上的相间故障、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护
3．反应外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护（或电流速断保护）后备的低电压起动过电流保护或复合电压起动的过电流保护或负序过电流保护
4．反应大电流接地系统中变压器外部接地短路的零序电流保护 5．反应变压器对称过负荷的过负荷保护 6．反应变压器过励磁故障的过励磁保护
第二节 变压器的纵联差动保护
一、变压器纵联差动保护的基本原理和构成原则
在第四章的第一节中曾指出：采用辅助导线作为通信通道进行两端电气量比较可以构成纵联差动保护。下面就以变压器的纵联差动保护为例，说明这种保护的基本原理。
为构成变压器的纵联差动保护，在变压器的各侧分别装设电流互感器，每侧电流互感器一次回路的正极性均置于靠近母线的一侧；二次回路的同极性端子用辅助导线相联接；差动继电器则并联联接在电流互感器二次回路的两个臂上。双绕组和三绕组变压器纵联差动保护原理接线如图6－1所示，仍规定一次侧电流的正方向为从母线流向被保护的变压器，则流入
??I???I???。 差动继电器的电流即为各电流互感器二次电流的总和，即IJ22由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵联差动保护在正常运行
??0、保护不动作，就必须适当选择两侧电流互感器和外部故障时流入差动继电器的电流IJ的变比。例如在图6－1（a）中，应使
??I2?I1I?????1 ?I2nl1nl2所以
nl2I1????nB （8-1） nl1I1?式中 nl1——高压侧电流互感器的变比；
nl2——低压侧电流互感器的变比；
nB——变压器的变比(即高、低压侧额定电压之比)。
由式（6-1）可知，构成变压器纵联差动保护的基本原则就是：必须适当选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比nB。
这样选择好电流互感器变比后，当在图6－1（a）所示变压器内部发生故障时，如果变压器两侧均有电源，则两侧电源都要向短路点提供短路电流，且两侧电流按规定正方向看均为正，因此流入差动继电器的电流IJ为两侧电源提供出的短路电流变换到二次侧的和，即等于短路点总电流归算到二次侧的数值。当IJ?Idz.J时，继电器动作于跳闸。由此可见，纵联差动保护的基本原理实际上是比较被保护元件各侧电流的幅值和相位，即是对各侧电流相量的比较。
二、变压器纵联差动保护不平衡电流产生的原因及消除方法
根据纵联差动保护的基本原理可知，变压器正常运行或外部故障时，如果不计电流互感
??0。实际中，由于励磁电流的存在以及其他因器励磁电流的影响，则流入继电器的电流IJ??0，而是有一定数值大小的电流流入差动继电器，我素的影响，正常运行或外部故障时IJ?。 们称其为不平衡电流Ibp为了保证变压器纵差动保护动作的选择性，差动继电器的动作电流Idz.J应躲开外部短路
?时，出现的最大不平衡电流Ibp.max。因此不平衡电流越大，继电器的起动电流越大，灵敏度越低。由于产生变压器纵差动保护不平衡电流的原因较多，所以，如何减小不平衡电流对保
护的影响成为实现变压器纵联差动保护的主要问题。现对其不平衡电流产生的原因和消除方法分别讨论如下。
1．变压器励磁涌流ILY产生的不平衡电流
变压器的励磁电流IL仅流经变压器接通电源的一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中就不能被平衡。在正常运行情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的2%~6%；在外部故障时，由于电压降低，励磁电流减小，它的影响就更小。
但是在电压突然增加的特殊情况下，例如变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时可能出现数值很大的励磁电流，这种在暂态过程中出现的数值很大的变压器励磁电流通常称为励磁涌流。励磁涌流的存在会导致纵联差动保护误动作。下面将讨论励磁涌流产生的原因和特点，并从中找出克服励磁涌流影响的办法。
因为稳态工作情况下，铁芯中的磁通滞后于外加电压90?，如图8—2（a）所示，所以如果正好在电压瞬时值u?0时投入空载变压器，则铁芯中应该具有磁通??m。但是由于铁芯中的磁通不能突变，因而铁芯中将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为??m与??m相平衡。这样在经过半个周期以后，铁芯中的磁通就达到2?m，如果铁芯中还有剩余磁通?s，则总磁通将为2?m??s，如图8－2（b）所示。此时变压器的铁芯严重饱和，励磁电流IL将剧烈增大，成为励磁涌流ILY，如图8－2（c）所示，其数值最大可达额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量，如图8－2（d）所示。
励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁芯性质等都有关系。例如，正好在电压瞬时值为最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而只有正常时的励磁电流。对三相变压器而言，无论在任何瞬间合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。
励磁涌流具有以下特点：
（1）包含有很大成分的非周期分量，使涌流偏于时间抽的一侧； （2）包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主；
（3）波形之间出现间断，如图8—3所示，在一个周期中间断角为?。
根据以上特点，在变压器纵联差动保护中防止励磁涌流影响的方法有：
（1）鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别 励磁涌流的相邻波形是不连续的，因而出现了间断角。分析表明，间断角的大小与合闸瞬间电压的初相角有关，大型单相变压器励磁涌流的最小间断角一般不小于120?。因此通过测量ILY持续为零的时间可知间断角的大小。当间断角大于预先给定的整定值时，可认为出现了励磁涌流，此时将纵联差动保护闭锁，防止其误动作。
（2）利用二次谐波制动 对图6－2（d）的波形分析可见，在励磁涌流的作用下，差动回路中含有很大成份的二次谐波电流，因此从差动电流回路中滤出二次谐波，采用二次谐波作为制动量，可有效地防止出现励磁涌流造成保护的误动作。
2．变压器两侧电流相位不同产生的不平衡电流
由于变压器常常采用Y,d11的接线方式，其两侧电流的相位差30?。如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于相位不同会产生很大的不平衡电流流入继电器。为了消除这种不平衡电流的影响，将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，这样可以使二次电流的相位相同，如图6-4所示。
?Y、I?Y和I??、I??和I?Y?I?Y、?Y为星形侧的—次电流，I??为三角形侧的一次电流；I图中IA1B1A1B1A2B2C1C1?Y?I?Y和I?Y?I?Y为星形侧电流互感器副边输出电流，它们刚好与三角侧电流互感器的副IB2C2C2A2??、I??和I??同相位。 边输出电流IA2B2C2
但是，当电流互感器采用上述联接方式以后，在互感器接成三角形侧的差动—臂中，电流又增大了3倍。为了保证在正常运行及外部故障情况下流入差动回路的电流为零，就必须将该侧电流互感器的变比加大3倍以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等。故此时选择变比的条件是
nl2?nB （6-2）
nl1/3式中nl1和nl2为适应Y/?接线的需要而采用的新变比。
3．计算变比与实际变比不同产生的不平衡电流
由于两侧的电流互感器都是根据产品目录选取标准的变比，而变压器的变比也是一定的。因此，三者的关系很难满足衡电流。
4．两侧电流互感器型号不同产生的不平衡电流
由于两侧电流互感器的型号不同，它们的饱和特性、励磁电流(归算至同一侧)也就不同，因此，在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。这种不平衡电流是不可避免的，只能靠尽可能减少电流互感器铁芯的饱和程度来消弱它的影响。为此应严格按照电流互感器的10%误差曲线选择二次负载，负载小了等于降低了二次电压，也就降低了电流互感器的磁感应强度，减弱了铁芯饱和程度，相应地也就减小了不平衡电流。
nl2nl2?nB）的要求，从而在差动回路中产生不平?nB（或
nl1nl1/3