變壓器繼電保護在水電站中的應用

李政偉

( 大唐( 云南) 水電聯合開發有限責任公司，云南 德宏 679300)

0 引言

繼電保護設備在水電站機組的安全運行過程中發揮著重要的作用，同時也是水電機組安全運行的重要保護電器。該裝置由若干個繼電器共同構成，當水電站電力系統中的相關元件，諸如發電機、線路，或者是電力系統自身發生故障，造成整個電力系統安全運行受到影響時，可以及時的通過警報方式提醒值班人員，或者是通過預先設定的指令，直接將故障部位予以隔離，保護整個電力系統的正常運行。從整個角度來看，它屬于一種將電力系統故障事故控制與隔離的一種自動化設備與措施。在水電站中，變壓器、發電機組等重要電氣設備的輸電線路都設置了專門的繼電保護裝置，在限制水電站故障擴散方面具有重要作用。

1 變壓器繼電保護的基本原理及工作任務

1.1 電氣量保護

當水電站的電力系統出現異常時，通常會伴隨有電壓較低、電流增加以及電壓與電流增加、電壓與電流比值及其相位角發生變化等問題。因此，對被保護元件進行保護，通過在其一端設置變換器，通過檢測、比較來對故障運行以及政策運行情況下運行參數的不同，從而形成針對不同原理的保護裝置。

1.2 非電氣量保護

變壓器使用過程中溫度、壓力、流量等非電氣量的變化將能夠通過繼電保護裝置反映出來，然后形成針對變壓器的溫度、瓦斯等非電氣量的保護。繼電保護類似于一種在線的開環自動控制設備，其控制過程中根據信號性質的不同，可以將之分為靜態型、數字型以及機電型三種類型。從被保護設備輸入相關信號至測量部分，與所確定的整定值相比較之后，就能夠判斷得到其是否處于正常運行狀態，或者是發生相關故障。其邏輯部分則是根據所測量部分輸出量的性質以及輸出順序的組合進行對應的邏輯判斷，確定被保護設備是否需要響應產生對應的動作。而設備的執行部分則是根據前述兩個環節進行動作判斷，最終執行對應的動作，發出相關的控制信號，諸如跳閘等。

1.3 變壓器繼電保護的根本任務

變壓器的繼電保護設備選擇性的將故障元件從供電系統中快速、準確的隔離開來，使得其對整個供電系統造成的破壞最低，最大程度的確保整個供電網絡處于無故障運行狀態，且保證故障設備不會對其他設備造成破壞。另外，當設備出現異常運行故障時，繼電保護設備將發出相應的光字信號預警信息，使得運行人員能夠及時的采取正確措施，將不正常故障問題予以消除。同時，繼電保護設備還能夠根據實際情況在最短的時間內自動回復故障供電網絡的供電，提高整個網絡的供電可靠性。

2 變壓器繼電保護在水電站中的具體安裝應用

2.1 對屏上設備進行保護

由于安裝在保護屏上的各個設備單元都有明顯的標志，設備接地端子與保護屏體要可靠連接，而且采用阻燃材料進行端子的制作。在安裝過程中要用一個空端子將帶正電的正電源與跳閘回路之間的端子排隔離開來，同時也要用空端子將強弱電端子隔離開來。交流電路的回路要通過試驗端子可靠連接，并將跳閘連接片的開口端設置在上方，將之連接到短路設備跳閘線圈回路中。在安裝完成之后，要對動作情況進行檢查，確認連接片能夠與回路可靠接通，保證擰緊之后不會接地。

2.2 對電纜進行控制

選擇性保護設備交流回路中所使用的控制線纜界面能夠根據電流互感設備交流回路中所采用的控制電纜截面，能夠根據電流互感設備百分之十的誤差曲線進行選擇。交流電壓回路中的電纜應該按照電壓降來選擇對應的截面。控制與信號回路當中采用的電纜芯還可以根據線纜的機械強度要求進行選擇，一般銅芯截面線纜要求截面積高于1.5mm2。在實際工作中，為了有效降低高頻暫態電流以及周圍強磁場的干擾，在線纜敷設過程中要避開高壓母線、避雷針等設備，并且盡量要求與電力線纜敷設在不同的層面上。另外，安裝過程中電纜溝槽以及穿管應該進行良好的封堵，同時進行有效的積水防治，避免后續使用過程中由于積水造成電纜故障。

2.3 設置變壓器瓦斯保護

在設置瓦斯繼電器時，其中的箭頭應該指向油枕一側，當給處于運行狀態的變壓器或者新安裝的變壓器加油時，應該將重瓦斯切換信號位置，之后將繼電器中沉積的氣體排出，直到排氣口連接處冒油為止。

2.4 接地點的選擇

電壓與電流的互感設備二次側通常要求只有一點接地，一般可以講電流互感器二次側的接地點選擇在配電設備的接地處。只有在將差動保護設備同時與幾組電流互感設備連接之后，才能在保護屏上經過端子線與之進行接地。當小型水電站選擇大接地電流系統時，可以采用中性點直接接地的方法對電壓互感設備的主二次繞組進行接地;若采用的是小接地電流系統，則可以采用B 相直接接地的方法進行接地。

3 水電站中變壓器繼電保護的改造

在對傳統水電站變壓器的繼電保護進行改造時，可以將之全部更換為水輪發電機變壓器成套保護裝置。

改保護裝置以高性能的數字信號處理器DSP 芯片機CPU作為其基礎性硬件系統，屬于一種典型的數字式保護裝置。其提供了發電機變壓器需要的所有電量保護功能，同時還能夠根據實際的工程需要，配置對應的保護功能。

3.1 對保護原理進行創新

改造之后的繼電保護設備具有比率差動動作特性，其通過采用改變斜率比率制動曲線徹底實現對實際不平衡電流曲線的模擬。同時，還可以采用工頻故障分量實現靈敏度高的比率差動保護，使得繼電保護不受負電荷的影響，具有較強的抗飽和能力。根據制動電流、差電流的工頻變化量出現的先后，對故障是屬于區內還是區外進行判斷，能夠識別最短時間為5ms 的TA 飽和故障。通過電流制動與浮動門檻相結合等構成一個靈敏度較高的橫差保護，實現對區外故障進行可靠制動，保證其具有高的故障動作靈敏度。

3.2 采用高性能的硬件平臺

在系統改造過程中采用雙CPU 體系結構，各個CPU 系統都采用相互獨立的32 位微處理器并結合DSP 構成硬件結構，使得整個裝置在各個采樣間隔中能夠對繼電器進行動態計算，并保存了較大的裕度，徹底避免了保護裝置硬件故障導致的變壓器動作誤動。

3.3 增設發電機出口斷路器失靈保護功能

傳統的水電站主線的接線設計過程中，發電機與變壓器之間設置有一個發電機出口斷路器。通過這種設計方式能夠在執行保護動作之后通過斷開發電機斷路器達到將發電機主保護動作、變壓器主保護動作相隔離的目的，有效的縮小了由于動作保護而造成的誤差范圍。

因此，針對發電機斷路器設置失靈保護具有重要作用。通過設置斷路器能過對回路故障、操作電源消失以及SF6氣體的泄漏等問題進行控制，從而避免斷路器失靈問題的出現。但是，一旦發電機內部出現故障，造成了斷路器失靈，依靠備用的保護動作隔離故障的處理方式會使得故障時間持續較長，使得故障造成的損害不能得到控制。這時，若增加設置發電機斷路器失靈保護裝置，則當水電站的發電機內部出現故障時，失靈保護動作自動響應，將迅速的斷開主變高壓側的斷路設備，確保廠用變保護裝置跳開，從而將故障點隔離起來，確保整個水電站發電機組的安全運行。

4 結語

隨著信息技術的持續發展，加之控制系統的硬件水平更高。水電站中的繼電保護系統的采樣計算能力得到不斷提高，整個裝置在各個采樣間隔中能夠對繼電器進行動態計算，使得繼電保護設備具有很高的動作性以及可靠性。因此，在后續的變壓器繼電保護升級改造及技術升級過程中，應該基于線路的通信系統改造，通過提高繼電保護系統智能化水平的方式對繼電保護系統進行改造升級，提高整個繼電保護系統的可靠性工作水平。

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