第十一章 变压器保护
第一节 概述
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，而由输电线路将发电机发出的电能送至电力系统中；在变电站通过降压变压器再将电能送至配电网络，然后分配给各用户。在发电厂或变电站，通过变压器将两个不同电压等级的系统联起来，该变压器称作联络变压器。 一 变压器的基本结构及接线组别
电力变压器主要由铁芯及绕在铁芯上的两个或三个绝缘绕组构成。为增强各绕组之间的绝缘及铁芯、绕组散热的需要，将铁芯及绕组置于装有变压器油的油箱中。然后，通过绝缘套管将变压器各绕组引到变压器壳体之外。
另外，为提高变压器的传输容量，在变压器上加装有专用的散热装置，作为变压器的冷却之用。
大型电力变压器均为三相三铁芯柱式变压器或由三个单相变压器组成的三相组式变压器。
将变压器同侧的三个绕组按一定的方式连接起来，组成某一接线组别的三相变压器。 双卷电力变压器的接线组别主要有：YN，y、YN,d、D，d、及D，d－d。理论分析表明，接线组别为Y，y的变压器，运行时某侧电压波形要发生畸变，从而使变压器的损耗增加，进而使变压器过热。因此，为避免油箱壁局部过热，三相铁芯变压器按Y，y联接的方式，只适用于容量为1800KVA以下的小容量变压器。而超高压大容量的变压器均采用YN,d的接线组别。
在超高压电力系统中，YN,d接线的变压器，呈YN形联接的绕组为高压侧绕组，而呈d形联接的绕组为低压侧绕组，前者接大电流系统（中性点接地系统），后者接小电流系统（中性点不接地系统）。
在实际运行的变压器中，在YN,d接线的变压器的接线组别中，以YN,d11为最多，YN,d1及YN,d5的也有。
YN,d11接线组别的含意是：（a）变压器高压绕组接成Y型，且中性点接地，而低压侧绕组接成d；（b）低压侧的线电压（相间电压）或线电流分别滞后高压侧对应相线电压或线电
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流330。330相当于时钟的11点钟，故又称11点接线方式。
同理，YN,d1及YN,d5的接线组别，则表示d侧的线电流或线电压分别滞后Y侧对应相线
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电流或线电压30及150。相当时钟的1点及5点，分别称之为1点接线及5点接线方式。 在电机学中，对变压器各绕组之间相对极性的表示法，通常用减极性表示法。
YN,d11、YN,d1及YN,d5接线组别变压器各绕组接线，相对极性及两侧电流的向量关系，分别如图11-1、图11-2及图11-3所示。
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A BCA BC******IAIBICIAIBICI'aI'bI'cI'aI'bI'c******IaIbIc a b c IaIbIc a b c （a）接线方式 （b) 接线方式 IAIa-I' cIaIA-I' bI'aI'a30°30°Ic30°Ib30°30°30°I'c-I' cI'b-I' bI'cI'ICbIBICI-I' aBIc-I' a图9-4Ib(b) 向量图 (b) 向量图 11-1 YN,d11变压器绕组接线方式 图11-2 YN,d1变压器组接线方式及及两侧电流向量图 两侧电流向量图 IA-I'Ic cI??aI'aI?A*AI?a30°*aIbI??30°I?*30°BbBI?-I' bbI'*bcI'bICI?IBC*I??cCI?c-I' a*c
Ia
（a） 接线方式 （b） 向量图
图11-3 YN,d5变压器绕组接线方式及两侧电流向量图 在上述各图中：I?A、I?B、I?C－变压器高压侧三相电流； I?a、I?b、I?c－变压器低压侧三相电流；
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图
?－各绕组之间的相对极性。
由图可以看出：YN,d11接线的变压器，低压侧三相电流I?a、I?b、I?c分别滞后高压侧三相电流I?A、I?B、I?C3300； YN,d1接线的变压器低压侧三相电流I?a、I?b、I?c分别滞后高压侧三相电流I?A、I?B、I?C300；YN,d5接线的变压器，低压侧三相电流分别滞后高压侧三相电流I?A、
?、I?1500。 IBC二 变压器的故障及不正常运行方式 1 变压器的故障
若以故障点的位置对故障分类，有油箱内的故障和油箱外的故障。 （1）油箱内的故障
变压器油箱内的故障，主要有各侧的相间短路，大电流系统侧的单相接地短路及同相部分绕组之间的匝间短路。 （2）油箱外的故障
变压器油箱外的故障，系指变压器绕组引出端绝缘套管及引出短线上的故障。主要有相间短路（两相短路及三相短路）故障，大电流侧的接地故障、低压侧的接地故障。 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方式主要有：由于系统故障或其他原因引起的过负荷，由于系统电压的升高或频率的降低引起的过激磁，不接地运行变压器中性点电位升高，变压器油箱油位异常，变压器温度过高及冷却器全停等。 三 变压器保护的配置
变压器短路故障时，将产生很大的短路电流，使变压器严重过热，甚至烧坏变压器绕组或铁芯。特别是变压器油箱内的短路故障，伴随电弧的短路电流可能引起变压器着火。另外短路电流产生电动力，可能造成变压器本体变形而损坏。
变压器的异常运行也会危及变压器的安全，如果不能及时发现及处理，会造成变压器故障及损坏变压器。
为确保变压器的安全经济运行，当变压器发生短路故障时，应尽快切除变压器；而当变压器出现不正常运行方式时，应尽快发出告警信号及进行相应的处理。为此，对变压器配置整套完善的保护装置是必要的。 1 短路故障的主保护
变压器短路故障的主保护，主要有纵差保护、重瓦斯保护、压力释放保护。另外，根据变压器的容量、电压等级及结构特点，可配置零差保护及分侧差动保护。 2 短路故障的后备保护
目前，电力变压器上采用较多的短路故障后备保护种类主要有：复合电压闭锁过流保护；零序过电流或零序方向过电流保护；负序过电流或负序方向过电流保护；复合电压闭锁功率方向保护；低阻抗保护等。 3 异常运行保护
变压器异常运行保护主要有：过负荷保护，过激磁保护，变压器中性点间隙保护，轻瓦斯保护，温度、油位保护及冷却器全停保护等。
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第二节 故障量经变压器的传递
当变压器某侧系统中发生故障时，变压器非故障侧各相电流的大小、相位及其他特点，除与故障侧故障类型、严重程度有关之外，尚与变压器的接线方式有关。
在变压器保护配置设计及分析保护的动作行为时，必须知道变压器故障时其两侧故障电流的大小及相位关系。
以下介绍故障电流及故障电压经YN,d11、YN,d1及YN,d5接线组别的变压器传递。 一 简化假设
为简化分析及突出故障分量经变压器的传递，作以下几点假设：
1 不考虑变压器的变比，不考虑负荷电流及过渡电阻对短路电流及故障电压的影响。 2 当变压器高压侧故障时，认为故障电流全部由低压侧供给；而变压器低压侧故障时，认
为故障电流全部由变压器高压侧提供。
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3 故障点在变压器输出端部；忽略有功分量的影响，阻抗角为90。 二 YN,d11变压器高压侧单相接地短路 1 边界条件及对称分量
设变压器高压侧A相发生金属性接地短路，故障电流为IK。则故障点的边界条件为
??I??0；I??I?；U??0 IBCAKA?、U?、U?，则根据边设A相各序量电流及各序量电压分别为I?A1、I?A2、I?AO及UA1A2AO界条件可求得各序量：
11 I?A1?(I?A?aI?B?a2I?C)?I?K
3311 I?A2?(I?A?a2I?B?aI?C)?I?K
33 I?A0?(I?A?I?B?I?C)?I?K
??U??U??0 UA1A2A01313在上述各式中：a——旋转因子，a?ej120 可得：
? ???????????????（11-1） ?=I?=1I?=IIA1AOKA2
3?=-（U?+U?） ???????????????（11-2） UA1A2AO01??U??A1?(X2??X0?)3IK??1???XI?? ??UA22?A1??X2?IK ???????????????（11-3） 3???1???XI???UA00?A1??X0?IK3? 4
在式（11-3）中：X0?——系统对故障点的等效零序电抗； X2?——系统对故障点的等效负序电抗。 2 变压器高压侧电压及电流向量图和序量图
?为参考向量（置于纵坐标轴上）若以A相的正序电压U，根据式（11-1）～（11-3），A1并考虑到零序电抗X0?通常大于负序电抗X2?，可绘制出变压器高压侧的电流、电压的序量图及向量图。如图11-4所示。 UA1IC1=IB2UC2UB2IA1=IA0=IA2UA2UC1UA0=UB0=UC0UCUBUB1IA0=IB0=IC0I?B?I?C?0IA=IKIB1=IC2 图9-7a（a）电压序量及向量图 （b）电流序量及向量图 （）图11-4 YN,d11变压器高压侧A相接地故障点的电压、电流序量图及向量图 由图11-4可以看出，当变压器高压侧单相接地短路时，其他两非故障相的电压不会降低，但两相电压之间的相位差要发生变化。其变化的大小和方向与负序电抗X2?及零序电抗??I??0。 X0?的相对大小有关。不计负荷电流影响时IBC3 变压器低压侧电压、电流的序量图和向量图
由于变压器的接线组别为YN,d11，根据序量经变压器传递原理知：变压器Y侧的正序电
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压和正序电流向d侧传递时，将逆时针移动30；而负序电压和负序电流向d侧传递时，将
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顺时针移动30；Y侧的零序电压和零序电流不会出现在变压器d侧的输出端（即d的线电压和线电流中不会出现零序电压及零序电流）。
?为参考向量，绘制出的变压根据图11-4及序量经变压器传递原理，并以高压侧的UA1器△侧电压、电流的向量图及序量图如图11-5所示。
Ua1Ib2Uc2UaIcIc1Ia1UbIaUb2UcUb1Ic2Ia2Ua2Ib1图9-8a （b） 电流向量及序量图图9-8b（a） 电压向量及序量图 （）图11-5 YN,d11变压器高压侧A相接地短路时d侧电压、电流序量图和向量图 由图11-5可以看出：YN,d11变压器高压侧A相发生单相接地故障时，低压侧故障相的后
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