淺析電力變壓器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

尹義武，曾春花

1.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北黃岡 438600

2.湖北白蓮河水電有限公司，湖北黃岡 438200

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中極其重要的電氣設(shè)備，它在整個(gè)電力系統(tǒng)中起轉(zhuǎn)換樞紐的作用，變壓器的安全運(yùn)行與否，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定地工作。因此，為了供電的可靠性和系統(tǒng)正常運(yùn)行，就必須視其容量的大小、電壓的高低和重要程度，設(shè)置相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置。

1 電力變壓器繼電保護(hù)裝置配置原則

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時(shí)，繼電保護(hù)裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)在最短時(shí)間和最小區(qū)域內(nèi)，自動(dòng)將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號(hào)由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對(duì)相鄰地區(qū)供電的影響。其配置原則如下：

1）對(duì)于6.3MV·A 及以上的常用工作變壓器和并列運(yùn)行的變壓器，10MV·A 及以上廠備用變壓器和單獨(dú)運(yùn)行的變壓器，以及2MV·A 及以上用電流速斷保護(hù)靈敏性不滿足要求的變壓器，應(yīng)裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)裝置。對(duì)高壓側(cè)電壓為330kV 及以上的變壓器，可裝設(shè)雙重差動(dòng)保護(hù)裝置。

2）當(dāng)在變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障（包括輕微的匝間短路和絕緣破壞引起的經(jīng)電弧電阻的接地短路）時(shí)，由于故障點(diǎn)電流和電弧的作用，將使變壓器油及其它絕緣材料因局部受熱而分解產(chǎn)生氣體，它們將從油箱流向油枕的上部。當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)，油會(huì)迅速膨脹并產(chǎn)生大量的氣體，此時(shí)將有劇烈的氣體夾雜著油流沖向油枕的上部。因此，變壓器應(yīng)安裝瓦斯保護(hù)裝置。

3）對(duì)由外部相間短路引起的變壓器過電流，根據(jù)變壓器容量和運(yùn)行情況的不同以及對(duì)變壓器靈敏度的要求不同，可采用過電流保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)、負(fù)序電流和單相式低電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)或阻抗保護(hù)作為后備保護(hù)、帶時(shí)限動(dòng)作于跳閘。

2 電力變壓器繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)

變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流設(shè)計(jì)原則是將變壓器兩側(cè)的電流互感器二次側(cè)按正常時(shí)的“環(huán)流接線”，當(dāng)變壓器正常運(yùn)行時(shí)，差動(dòng)繼電器中的電流等于兩側(cè)電流互感器（CT）的二次電流之差，它近于0，差動(dòng)繼電器不動(dòng)作，保護(hù)也不會(huì)動(dòng)作。即在電流互感器二次回路端線且變壓器處于最大符合時(shí)，差動(dòng)保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。由于高性能計(jì)算機(jī)芯片的出現(xiàn)，在變壓器1 套保護(hù)裝置中包含主保護(hù)、各側(cè)全部后備保護(hù)的2 套主變壓器微機(jī)型保護(hù)裝置已開發(fā)，并得到廣泛應(yīng)用。因此，為反應(yīng)電力變壓器引出線、套管及內(nèi)部短路故障，對(duì)高壓側(cè)電壓為330kV 及以上的變壓器，可裝設(shè)雙重差動(dòng)保護(hù)，達(dá)到反應(yīng)變壓器繞組和引出線的多相短路及繞組匝間短路的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)或電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，瞬時(shí)動(dòng)作于斷開各側(cè)斷路器的目的。

雙重差動(dòng)保護(hù)裝置中，CT的二次繞組分配可以按下列方法進(jìn)行設(shè)計(jì)：將第1 套保護(hù)電流回路接原差動(dòng)保護(hù)CT 二次繞組，即接獨(dú)立CT，旁代時(shí)需切換；第2 套保護(hù)接原后備保護(hù)CT 二次繞組，即接主變套管CT，旁代時(shí)不需切換。雖然旁代時(shí)第2 套保護(hù)對(duì)降壓變壓器的高、中壓側(cè)來說，其保護(hù)范圍不包括獨(dú)立CT 到變壓器套管的引線，縮短了差動(dòng)保護(hù)范圍，但可以保障旁代時(shí)2 套保護(hù)都在運(yùn)行。這樣當(dāng)變壓器正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，差動(dòng)繼電器中的電流等于兩側(cè)電流互感器的二次電流之差接近于0（實(shí)際為由多種原因引起的不平衡電流，由于不平衡電流小）差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作，保護(hù)也不會(huì)動(dòng)作。當(dāng)變壓器內(nèi)部（包括變壓器與電流互感器之間的引線）任何一點(diǎn)故障時(shí)，差動(dòng)繼電器中的電流等于兩側(cè)電流互感器的二次電流之和為故障點(diǎn)短路電流，大于繼電器動(dòng)作電流，繼電器動(dòng)作，跳變壓器各側(cè)斷路器切除故障，同時(shí)發(fā)動(dòng)作信號(hào)，起到保護(hù)作用。

2.2 瓦斯保護(hù)設(shè)計(jì)

如果變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重漏油或匝間短路、鐵心局部燒損、線圈斷線、絕緣劣化和油面下降等故障時(shí)，往往差動(dòng)保護(hù)及其他保護(hù)均不能動(dòng)作，而瓦斯保護(hù)卻能動(dòng)作。瓦斯保護(hù)主要由氣體繼電器來實(shí)現(xiàn)，安裝在變壓器油箱與油枕之間的連接導(dǎo)油管中。瓦斯保護(hù)分為兩種：一種是輕瓦斯保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)，根據(jù)氣體的數(shù)量、顏色、化學(xué)成分和可燃性等，判斷保護(hù)的原因和故障性質(zhì)，運(yùn)行人員能夠迅速發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)處理；另一種是重瓦斯保護(hù)動(dòng)作于斷路器跳閘，監(jiān)視氣體發(fā)生的速度，分析氣體的各種特征及成分，可以間接地推測(cè)故障發(fā)生原因、部位和嚴(yán)重程度，在變壓器出現(xiàn)突然性嚴(yán)重故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警或切斷電源。

2.3 過電流保護(hù)設(shè)計(jì)

為反應(yīng)變壓器外部故障而引起的變壓器繞組過電流，以及在變壓器內(nèi)部故障時(shí)，作為差動(dòng)保護(hù)和瓦斯保護(hù)的后備保護(hù)，變壓器應(yīng)裝設(shè)過電流保護(hù)。過電流保護(hù)通常是指變壓器啟動(dòng)電流按躲開最大負(fù)荷電流來整定的一種保護(hù)裝置。它主要在其各側(cè)母線故障時(shí)起作用，特別是中、低壓側(cè)母線的故障。主要分為以下3種情況：

1）低壓變壓器過電流保護(hù)設(shè)計(jì)

變壓器低壓側(cè)一般采用三相式三卷變壓器，高、中壓側(cè)的阻抗保護(hù)很可能對(duì)壓側(cè)短路起不到保護(hù)作用，不能滿足作為相鄰元件后備保護(hù)的要求，這時(shí)可以同時(shí)在其高、中壓側(cè)均裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)及零序方向過電流保護(hù)與間隙保護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)。復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)裝置的電流元件應(yīng)按大于變壓器的額定電流整定，即I=K1/K2×I0 式中，K1 為可靠系數(shù)，取1.2～1.3；K2為返回系數(shù)，取0.85；I0 為變壓器的額定電流。同時(shí)，為了正確反映各側(cè)的不對(duì)稱短路殘壓，此裝置還應(yīng)安裝一套低電壓鎖閉元件。電壓元件的動(dòng)作電壓應(yīng)低于運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最低工作電壓，如大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的電壓降低等，其計(jì)算如下：U=U0/K1×K2,式中，U0 為校驗(yàn)點(diǎn)故障時(shí)，電壓繼電器裝設(shè)母線上的最大殘壓；K1為可靠系數(shù)，取1.2～1.25；K2 為返回系數(shù)，取1.15～1.2。

2）高壓變壓器的保護(hù)設(shè)計(jì)

如果變壓器高壓側(cè)的過電流保護(hù)對(duì)低壓側(cè)母線有規(guī)定的靈敏系數(shù)時(shí)，則在變壓器低壓側(cè)斷路器與高壓側(cè)短路器上可配置過電流保護(hù)裝置，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)母差保護(hù)校驗(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)及開關(guān)與TA間故障時(shí)，此裝置成為低壓側(cè)母線的主保護(hù)及后備保護(hù)。但是，如果短路為非金屬性的，經(jīng)弧光短路時(shí)，阻抗保護(hù)可能靈敏度不足或整定延時(shí)長(zhǎng)于2.0s。因此，最好在高壓側(cè)設(shè)一個(gè)保護(hù)變壓器熱穩(wěn)定的反時(shí)限過流保護(hù)，其整定值應(yīng)由變壓器的熱穩(wěn)定要求決定。同時(shí)，在低壓側(cè)另安裝保護(hù)或在低壓側(cè)中性線上裝設(shè)零序電流保護(hù)，跳高壓側(cè)短路器，其動(dòng)作電流可按中性線不平衡電流不超過變壓器額定電流的25%。

3）負(fù)序過電流保護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)相間后備保護(hù)按遠(yuǎn)后備原則配置時(shí)，應(yīng)躲過被保護(hù)變壓器所連接相鄰線路發(fā)生一相斷線時(shí)流過保護(hù)安裝處的負(fù)序電流，并與相鄰線路零序電流保護(hù)的后備段在靈敏度上配合，以防止負(fù)序過電流保護(hù)非選擇性動(dòng)作。設(shè)計(jì)時(shí)在各種兩相短路情況下，測(cè)量反時(shí)限、定時(shí)限和負(fù)序過過負(fù)荷報(bào)警回路動(dòng)作電流的離散值。測(cè)量反時(shí)限、定時(shí)限和負(fù)序過負(fù)荷報(bào)警回路的動(dòng)作電流范圍，刻度誤差和返回系數(shù)。

當(dāng)負(fù)序保護(hù)作為發(fā)信號(hào)用時(shí)，由于斷路合閘時(shí)的三相非同時(shí)，電力系統(tǒng)起動(dòng)過程中的大電流、過流過程引起電流互感器的不平衡以及相鄰近設(shè)備發(fā)生相間短路故障時(shí)都會(huì)引起較大的負(fù)序電流，可用延時(shí)來躲過。因此，動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于相鄰設(shè)備的速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與斷路器的分閘時(shí)間之和。當(dāng)負(fù)序保護(hù)作為相間短路保護(hù)的后備保護(hù)時(shí)，即投跳閘時(shí)，動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于相鄰設(shè)備及本設(shè)備的相間后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。

3 結(jié)論

綜上所述，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，變壓器繼電保護(hù)裝置必須具備靈敏性和快速性，能準(zhǔn)確反映故障，能以最短時(shí)限將故障或異常消除。預(yù)防事故和縮小事故范圍，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，最大限度地保證向用戶安全連續(xù)供電。

[1]郭立新.電力變壓器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)[J].西北職教，2007(9).

[2]羅有干.升壓變壓器過電流保護(hù)的改進(jìn)[J].小水電，2001(4).