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徐州工程学院毕业设计(论文)
2电力变压器保护原理
2.1变压器的工作原理及基本构造
2.1.1变压器的基本原理和构造
变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，将一种交流电压电能转换成同频率的另一种交流电压电能。变压器的工作原理可以总结为“动电生磁，动磁生电”八个字:当变压器一次侧通入变化的交流电时，这个变化的电流在以铁芯构成的主磁通回路产生交变的主磁通，主磁通同时穿过一次绕组和二次绕组，由电磁感应原理可知，在变压器的一次绕组中产生自感电动势，同时二次绕组中也产生了互感电动势。变压器原理图如图2.1所示。
图2.1变压器基本原理
假设一次侧通入正弦电压，则产生磁通???msin?t，由电磁感应原理可知：
d??e1??N1??N1?m?sin(?t?) （2-1）
dt2d??e2??N2??N2?m?sin(?t?) （2-2）
dt2有效值为：
1E1??2??f?N1?m?4.44fN1?m （2-3）
21E2??2??f?N2?m?4.44fN2?m （2-4）
2变压器的电压变比：
eNEUK?1?1?1?1 （2-5）
e2N2E2U2
由以上的分析可知，变压器是通过电磁感应原理制成的，磁路一般由磁导率比较高的铁磁材料构成，为了减少交变磁通在铁芯中产生的磁滞损耗和涡流损耗，变压器铁心由厚度为0.35mm的冷轧硅钢片叠装而成。绕组是变压器的电路部分，它一般有由包有绝缘材料的高导电率材料如铜(或铝)线绕制而成，各绕组之间应有良好的绝缘能力，保证为电力变压器提供畅通的电流回路。装配时低压绕组靠近铁芯，高压绕组套在低压绕组的外面，
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为加强绝缘和散热，一般将铁芯及绕组置于装有变压器油的油箱中。变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时，必须经过绝缘套管，以使高压引线和接地油箱绝缘。
2.1.2变压器故障和异常运行状态
电力变压器故障分为油箱内故障和油箱外故障。变压器油箱内故障包括绕组之间发生的相间短路、单相绕组中发生的匝间短路、绕组与铁芯或外壳之间发生的单相接地短路等;变压器油箱外故障主要是套管和引出线上发生的接地短路和相间短路故障等。由于变压器本身结构的特点，油箱内部发生故障是十分危险的，故障产生电弧可能引起变压器油的剧烈气化，而此气体即为瓦斯，它可能导致变压器外壳局部变形、甚至引起变压器爆炸。因此，变压器发生内部故障时，必须尽快将变压器从电力系统切除。
变压器异常运行包括过负荷、油箱漏油造成的油面降低、外部短路引起的过电流等，变压器处于异常运行状态时，保护应发出信号。
2.2变压器的主保护原理分析
2.2.1变压器差动保护
变压器差动保护用来反映变压器绕组的相间短路故障、中性点接地侧绕组的接地故障以及引出线的相间短路故障等。但是应当注意，对于变压器内部绕组很少的匝间短路故障，电流变化量不大，差动保护可能反应不了。所以一般把差动保护和瓦斯保护(非电量保护)作为变压器的主保护。
本论文中以常见的双绕组变压器为对象进行研究分析。如图2.1以双绕组变压器为例，变压器原边绕组线圈匝数为Wh、副边绕组线圈匝数为Wl。设变压器的变比为nB，对一个
W单相变压器而言nB?hW。设原边绕组的电流互感器变比为nh，副边绕组的电流互感器
l变比为nl。各侧电流以流入变压器的方向为正方向，电流互感器同名端都标在母线侧。
把变压器两侧的电流互感器按差接法接线，在正常或外部故障时，流入继电器的电流为两侧电流之差，其值接近为零，继电器不动作；内部故障时，流入继电器的电流为两侧电流之和，其值为短路电流，继电器动作。
1 变压器区外发生短路或正常运行状态
此时变压器原边绕组和副边绕组的一次电流Ih1和Il1的方向如图2(a)所示。由于励磁电流在正常情况下比较小，仅占额定电流的 2%~10%，如果不计变压器的励磁电流Ie，由此得到：
Ih1??????Il1 （2-6） nB电流互感器的同极性端都取靠近母线侧，且互感器极性均按照减极性法标
注，减极性法即：当一次电流从电流互感器的同名端流入时，其二次电流的方向为从同名端流出。因此，电流互感器的二次电流Ih2和Il2的方向如图2(a)所示。其中Ih2?Ih1/nh，
Il2?Il1/nl此时流入差动继电器中的电流Id为：
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???Id?Ih2?Il2?Ih1Il1? （2-7） nhnl??将(2.6)式代入(2.7)式可得：
?11???Id???nn?n?Il1 （2-8） l??Bh?从上分析可知，理想情况下只要满足：变压器的励磁电流Ig?0、nl?nBnh。则可以实现流入差动继电器 KD 的电流Id?0为零。
??
图 2 变压器差动保护原理图
2 变压器区内发生短路
变压器在区内发生短路时，一次短路电流Ih1和Il1的方向均是流向短路点，如图 2(b)所示。此时由减极性标注法可知二次电流Ih2Il2的方向如图2(b)所示。流入差动继电器 KD 中的电流Id为：
Id?Ih2?Il2?????????Ih1Il1? （2-9） nhnl??为了让区外短路时流入差动继电器的电流为零，已满足nl?nBnh的条件。则上式演变为：
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?,?,?Id??Ih1?Il1IK （2-10） ?nlnl由上式可知区内短路时流入差动继电器的电流为短路电流的二次值。 综合以上分析，当变压器正常运行或者区外发生短路故障时，流入差动保
护的电流在理想情况下可以为 0，现实中考虑到电流互感器的误差、变压器的接线方式、有载调压变压器分接头调整等因素，使得正常运行和区外适时流入差动保护回路的电流不可能为 0，实际上是比较小的不平衡电流，一般差动保护的整定原则就是躲开此不平衡电流。当变压器内部发生故障时，流入差动回路的电流为短路电流的二次值，此电流非常大，能使差动保护可靠动作。因此差动保护对其保护范围内的故障具有绝对的选择性和动作迅速的优点，所以差动保护一直作为大容量变压器保护的主保护之一。
2.2.2变压器差动回路不平衡电流分析
变压器常见的不平衡电流包括:励磁涌流、电流互感器误差及变比未完全匹配、有载调压变压器改变分接头和变压器YN,d11接线导致变压器两侧电流不平衡。
1.励磁涌流的产生机理及常用的闭锁措施
变压器的一、二次侧是通过电磁联系起来的，在正常运行时励磁电流比较小，一般不超过额定电流的(2% ~10%)[31]。在区外短路时由于电压降低，励磁电流更小，但是变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，靠近电源一侧可能出现数值很大的励磁电流，数值可达额定电流的6~8倍，励磁电流如潮水一样涌来，故称作励磁涌流。所以差动保护回路中会流过很大的差动电流，可能引起保护误动作。励磁涌流产生的机理可以用如下图2.3来说明。
在稳态工作情况下，铁芯中的磁通滞后于外加电压90，如图2.3(a)所示。如果空载合闸瞬间(t=0)正好发生在电压瞬时值为零(u=0)时，此时本应磁通为-?m。根据楞次定律电感中磁通不能突变，所以为了保证此时磁通为零，变压器将产生一个强制性的非周期分量磁通，该非周期分量磁通在t=0时的幅值为+?m。它与周期分量磁通合成后在t=0时的合成磁通保持为零。由于非周期分量磁通衰减很慢，所以半个周波后周期分量磁通和非周期分量磁通叠加使铁芯中的合成磁通达到2?m。如果铁芯中原先有剩余磁通?r，那么铁芯中的磁通将达到2?m??r，如图2.3 (b)所示。这么大的磁通使铁芯严重饱和，由图2. 3 (c)的磁化曲线可见，励磁电流Ie。急剧增大，成为励磁涌流。此后随着非周期分量磁通逐渐衰减，合成磁通幅值也逐渐衰减，励磁电流的幅值也逐渐衰减，直到稳态 的励磁电流幅值。励磁涌流的波形如图2.3(d)所示。
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