淺談電力變壓器的保護設計

賈傳圣，張 波

（江蘇師范大學電氣工程及其自動化學院，江蘇 徐州221116）

1 概 述

（1）課題研究的背景及意義

電力變壓器是電力系統中極其重要的電氣設備，它在整個電力系統中起著能量轉換和電壓轉換的作用。電力變壓器能否安全運行，直接關系到電力系統是否能連續穩定的工作。由于電力變壓器的重要性及其本身的重要價值，一旦真的發生故障而遭到破壞，影響范圍大，破壞系統的正常運行，將造成嚴重后果，在經濟上必然帶來重大損失。電力變壓器的保護裝置大約有瓦斯保護、縱聯差動保護、溫度保護、相間短路的后備保護等。

（2）國內外發展狀況

隨著變壓器主保護的研究不斷取得進展，變壓器后備保護的研究和應用也日益引起人們的重視。對于變壓器后備保護來說，由于變壓器結構型式多樣，運行環境不盡相同。對后備保護的配置，如保護原理、動作方向、分段跳閘方式、壓板投／退控制以及模擬量和開關量的引接方式等存在不同的應用要求。為了適應運行現場的不同需要，目前的常用做法是，按典型方式構成不同型號的后備保護供用戶選擇，或根據用戶實際需要進行軟、硬件的調整。而由于保護配置的復雜性往往容易產生保護軟件的不定型性問題，這不僅提高了研制和生產成本，還有時因生產周期太短造成驗證工作的不完整性，如果考慮到主設備保護受考驗機會少，如現場萬一把關不嚴，其隱性錯誤一旦暴露就可能是誤、拒動，造成巨大損失。為此，研制開發具有良好適應性的通用型變壓器保護裝置，對降低開發和維護成本，提高保護裝置的穩定性和可靠性具有十分重要的作用。

2 變壓器的主要故障類型

2．1 電力變壓器故障類型和不正常運行狀態

2．1．1 變壓器故障可以分為油箱外和油箱內兩種故障

油箱外的故障，主要是套管和引出線上發生相間短路以及接地短路。油箱內的故障包括繞組的相間短路、接地短路、匝間短路以及鐵芯的燒損等。油箱內故障產生的電弧，不僅會損壞繞組的絕緣、燒毀鐵芯，而且由于絕緣材料和變壓器油因受熱分解而產生大量氣體，有可能引起變壓器油箱的爆炸。對于變壓器發生的各種故障，保護裝置應能盡快地將變壓器切除。

2．1．2 變壓器的不正常運行狀態

變壓器的不正常運行狀態主要有：變壓器外部短路引起的過電流、負荷長時間超過額定容量引起的過負荷、風扇故障或漏油等原因引起冷卻能力下降、變壓器中性點電壓升高或外部電壓過高或頻率降低引起的過勵磁。變壓器處于不正常運行狀態時，繼電保護應根據其嚴重程度，發出報警信號，使運行人員及時發現并采取相應的措施，以確保變壓器的安全。

2．2 短路故障

變壓器短路故障主要指變壓器出口短路，以及內部引線或繞組間對地短路、及相與相之間發生的短路而導致的故障。

變壓器出口短路主要包括：三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路等幾種類型。出口短路對變壓器的影響主要包括兩個方面。

（1）短路電流引起絕緣過熱故障。變壓器突發短路時，其高、低壓繞組可能同時通過為額定值數十倍的短路電流，它將產生很大的熱量，使變壓器嚴重發熱。當變壓器承受短路電流能力不夠，熱穩定性差，會使變壓器絕緣材料嚴重受損，而形成變壓器擊穿及損毀事故。

（2）短路電動力引起繞組變形故障。變壓器受短路沖擊時，如果短路電流小，繼電保護正確動作，繞組變形將是輕微的；如果短路電流大，繼電保護延時動作甚至拒動，變形將會很嚴重，甚至造成繞組損壞。如果不及時檢修，恢復墊塊位置，緊固繞組的壓釘及鐵軛的拉板、拉桿，加強引線的加緊力，在多次短路沖擊后，由于累積效應也會使變壓器損壞。因此診斷繞組變形程度、制訂合理的變壓器檢修周期是提高變壓器抗短路能力的一項重要措施。

2．3 放電故障

根據放電的能量密度的大小，變壓器的放電故障常分為局部放電、火花放電和高能量放電三種類型。

放電對絕緣有兩種破壞作用：一種是由于放電質點直接轟擊絕緣，使局部絕緣受到破壞并逐步擴大，使絕緣擊穿。另一種是放電產生的熱、臭氧、氧化氮等活性氣體的化學作用，使局部絕緣受到腐蝕，介質損耗增大，最后導致熱擊穿。

3 變壓器的保護方式

3．1 瓦斯保護

瓦斯保護又稱氣體繼電器保護，是保護油浸式變壓器內部故障的一種基本的保護裝置。按規定800 kVA及以上的一般油浸式變壓器和400 kVA以上的車間內油浸式變壓器，均應裝設瓦斯保護。瓦斯保護用來反映變壓器油箱內部的短路故障以及油面降低，其中重瓦斯保護動作于跳開變壓器各電源側斷路器，輕瓦斯動作于發出信號。

3．2 差動保護

差動保護是一種依據被保護電氣設備進出線兩端電流差值的變化構成的對電氣設備的保護裝置，一般分為縱聯差動保護和橫聯差動保護。變壓器的差動保護屬縱聯差動保護，橫聯差動保護則常用于變電所母線等設備的保護。其中6300 kVA及以上并列運行的變壓器10000 kVA及以上單獨運行的變壓器，發電廠廠用工作變壓器和工業企業中6300 kVA及以上并列運行的變壓器及以上單獨運行的變壓器，發電廠廠用工作變壓器和工業企業中6300 kVA及以上重要的變壓器，應裝設縱差保護。

3．3 相間短路的后備保護

相間短路的后備保護的形式較多，過電流保護和低電壓起動的過電流保護，宜用于中、小容量的降壓變壓器；復合電壓起動的過電流保護，宜用于升壓變壓器和系統聯絡變壓器，以及過電流保護靈敏度不能滿足要求的降壓變壓器；6300 kVA及以上的升壓變壓器，應采用負序電流保護及單相式低電壓起動的過電流保護；對大容量升壓變壓器或系統聯絡變壓器，為了滿足靈敏度要求，還可以采用阻抗保護。

3．4 過負荷保護

對于400 kVA以上的變壓器，當數臺并列運行或單獨運行并作為其他負荷的備用電源時，應裝過負荷保護。過負荷保護通常只裝設在一相，其動作進限較長，延時動作于發出信號。

3．5 溫度保護

當變壓器的冷卻系統發生故障或發生外部短路和過負荷時，變壓器的油溫將升高。變壓器的油溫越高，油的劣化速度越快，使用年限減少。當油溫達115～150℃時劣化更明顯，以致不能使用。油溫越高將促使變壓器繞組絕緣加速老化影響其壽命。因此，《變壓器運行規程》規定：上層油溫最高允許值為95℃，正常情況下不應超過85℃，所以運行中對變壓器的上層油溫要進行監視。凡是容量在1000 kVA及以上的油侵式變壓器均要裝設溫度保護，監視上層油溫的情況；對于車間內變電柜，凡是容量在315 kVA及以上的變壓器，通常都要裝設溫度保護；對于少數用戶變電站，凡是容量在800 kVA左右的變壓器，都應裝設溫度保護，但溫度保護只作用于信號。

4 變壓器總圖

220 kV變壓器保護配置圖如圖1所示。

圖1 220 kV變壓器保護配置圖

圖中：1—瓦斯保護，2—第一縱差保護，3—第二縱差保護，4、5、6—高、中、低壓側的復電壓啟動的過電流保護，7—高壓側的零序電流電壓保護，8—中壓側的零序電流保護，9、10、11—高、中、低壓側的過負荷保護，12—其他非電量保護。

5 變壓器差動保護存在的問題及解決措施

（1）變壓器差動保護用電流互感器，在最大穿越性短路電流時其誤差超過10%時，差動保護產生誤差。

（2）變壓器繞組發生少數線匝的匝間短路，但差動保護不動作，起不到保護作用。

（3）變壓器繼電保護中變壓器的差動保護，在變壓器運行的時侯空充變壓器，差動保護誤動的情況較少見，因為在變壓器新投運和大修后，往往會進行沖擊合閘實驗，廠家和保護人員也比較重視。但在外部故障切除以后，電壓恢復過程中的勵磁涌流，特別容易造成比率制動差動保護的誤動。如不采取有效措施消除勵磁涌流的影響將導致差動保護的誤動作。直接影響變壓器的安全運行。

（4）變壓器勵磁涌流的影響及防止措施

變壓器的高、低壓側是通過電磁感應來進行聯系的，僅在電源的一側存在勵磁電流，它通過電流互感器構成差動保護中不平衡電流的一部分。在正常運行時，其值更小，小于變壓器額定電流的3%，對于大型的變壓器，勵磁電流更小，小于變壓器額定電流的1%。當發生外部故障短路時，由于電源側母線電壓降低，勵磁電流更小，因此這些情況所造成的不平衡電流對變壓器差動保護的影響可以不作考慮。

在變壓器空載合上閘時投入或外部故障切除后電壓恢復過程中，會出現勵磁涌流。特別是在電壓為零的時刻合閘時，變壓器鐵芯中的磁通急劇的增大，使鐵芯在瞬間飽和，此時出現了數值很大的勵磁涌流（可達5～10倍的額定電流），將此時這么大的暫態勵磁電流稱為勵磁涌流。

勵磁涌流中含有大量的非周期分量與高次諧波，因此勵磁涌流已不是正弦波，且在最初瞬間可能完全偏于時間軸的一側。勵磁涌流的大小和衰減速度，與合閘瞬間外加電壓的大小和相位、鐵心中剩磁的大小和方向、電源容量、變壓器的容量、鐵芯的材料及流經電流互感器的非線性傳變等因素有關。對于單相的雙繞組變壓器，在其它條件相同的情況下，在電壓的瞬時值為零時合閘，勵磁涌流最大；如果在電壓瞬時值最大時合閘，則不會出現勵磁涌流，而只有正規的勵磁電流。對于三相變壓器，無論任何瞬間合閘，至少有兩相將會出現不同程度的勵磁涌流。對于一般的中小型變壓器，經過0．5～1 s后其值不超過額定電流的0．25～0．5倍；大型的變壓器的勵磁涌流衰減速度較慢，衰減到上述值時約需2～3 s。這就是說，變壓器容量越大衰減越慢，完全衰減要經過幾十秒的時間。

變壓器勵磁涌流的波形具有以下幾個特點：

（1）含有很大成分的非周期分量，使曲線偏向時間軸的一側。

（2）含有大量的高次諧波，其中二次諧波所占比重最大。

（3）涌流的波形削區負波之后將出現間斷。

通過以上的分析可知，在變壓器差動保護中，如不采取有效地措施消除勵磁涌流的影響將導致差動保護的誤動作。根據勵磁涌流的性質，可采取下述措施：

（1）接入速飽和變流器。為了消除勵磁涌流非周期的影響，通常在差動回路中接入速飽和變流器Tsat，如圖2所示。當勵磁涌流進入差動回路時，其中很大的非周期分量使速飽和變流器Tsat的鐵心迅速嚴重飽和，勵磁阻抗速減，使得勵磁涌流中幾乎全部非周期分量及周期分量電流從速飽和變流器Tsat的一次繞組通過，傳變到二次回路（流入電流繼電器KA）的電流很小，故差動繼電器KD不動作。

圖2 帶速飽和變壓器接線

（2）采用差動電流速斷保護。利用勵磁涌流隨時間衰減的特點，借保護固有的動作時間，躲開最大的勵磁涌流，從而去保護的動作電流IOP＝（2．5～3）IN，即可躲過勵磁涌流的影響。

（3）采用以二次諧波制動原理構成的縱聯差動保護裝置。

（4）采用鑒別波形間斷角原理構成的差動保護。

DCD—2型繼電器構成的變壓器縱聯差動保護的整定計算。

基本側電流的確定。在變壓器的各側中，選二次側額定電流最大的一側為基本側。各側二次額定電流的計算方法如下：

a．按額定電壓及變壓器的最大電容計算各側一次額定電流為

式中，STN—變壓器最大額定容量，UN—變壓器額定電壓。

b．選擇電流互感器變比為

6 結束語

本文通過對變壓器繼電保護相關知識的闡述，對變壓器故障類型及保護方式，變壓器保護配置情況及變壓器差動保護存在的問題及解決措施作了進一步分析。通過在實際工作中遇到變壓器差動保護中存在的問題，本文提出了有效的解決方案。通過上述問題的解決，使變壓器繼電保護技術進一步成熟。

在電力系統網絡化的發展趨勢中，隨著電力系統的高速發展和計算機技術、通訊技術的進步，繼電保護技術面臨著進一步的發展趨勢。其發展必定會綜合各種學科的發展技術，將出現原理突破和應用革命，由數字時代跨入信息時代。功能更全、智能化水平更高、系統更完善的繼電保護技術將不斷涌現，把電力系統的安全、穩定經濟運行提高到一個新的水平。

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