電力變壓器繼電保護設計要點

李燕

摘 要：電力變壓器是整個電力系統(tǒng)中的重要設備，保證電力變壓器的正常運行也就在很大程度上保證了電力系統(tǒng)的正常工作。而保證電力變壓器正常工作的一項重要任務就是做好電力變壓器的繼電保護工作。文章首先將提出電力變壓器在工作時的一些常見的故障，然后根據(jù)配置電力變壓器繼電保護裝置的原則，提出電力變壓器繼電保護設計時要注意的一些要點。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；繼電保護

中圖分類號：TM41；TM772 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）09-0007-02

在我國電網(wǎng)日益復雜化，密集化的背景下，作為電力系統(tǒng)中的重要設備的電力變壓器的安全工作受到更高的重視。而電力變壓器在實際工作和運行過程中，難免會因各種原因出現(xiàn)故障，從而干擾影響電力系統(tǒng)的正常運行。為確保電力變壓器的正常工作，減少對電力系統(tǒng)的干擾，保證正常供電，做好電力變壓器繼電保護工作尤為重要。與此同時，繼電保護裝置的設計和安裝工作也十分重要，要十分重視其中的一些設計要點。

1 電力變壓器的常見故障

電力變壓器有兩種工作狀態(tài)，第一種是正常狀態(tài)下的工作和運行，另一種就是帶病運行。

1.1 正常運行時

在電力變壓器正常運行的狀態(tài)下，通常會有兩種常見的故障。第一種是變壓器油箱內(nèi)部故障，一種是變壓器油箱外部故障。

1.1.1 變壓器油箱內(nèi)部故障

因為變壓器油箱經(jīng)常是長時間的處于運行狀態(tài)，而且因其位置的原因，維修人員難以對其進行仔細的檢查，所以是變壓器極容易出現(xiàn)故障的地方。在變壓器油箱內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)的故障有三種。

第一種是線圈，銅導線等的老化[1]。雖然變壓器在在加入變壓油之前都會進行干燥處理，但是絕緣材料本身還含有0.5%左右的水分，而且一臺大型變壓器甚至有上百公斤甚至上噸的絕緣材料，這些絕緣體所含的水分量相當大。再加上相當一部分的線圈和導線都位于油箱內(nèi)部，長期不被移出和檢查，因此容易出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，而這些老化必然會造成同處于油箱內(nèi)部的元件的正常使用。

第二種是油箱內(nèi)部的短路。這些短路大多是由絕緣層的破壞造成的，常見的為相間或單相接地短路和匝間短路。因為同一個繞組是由許多的匝線繞成的，一旦絕緣層被破壞或者是絕緣不穩(wěn)定，疊在一起的線圈就會出現(xiàn)短路的現(xiàn)象，也就是匝間短路。因為短路之后一部分繞阻直接不起作用，電機的磁場就會不對稱，電阻減少，剩余線圈中的電流增大，再加上在電機運行中振動增強，出力就會減少很多，影響電力系統(tǒng)的正常工作。

第三種是油箱內(nèi)氣體和熱量的增加。氣體的增加很有可能是因為油箱內(nèi)發(fā)生了短路，短路電流產(chǎn)生電弧，這些電弧不僅僅會燒壞鐵芯，破壞繞組的絕緣保護。而且會提高變壓油與絕緣材料受熱，在油箱內(nèi)部產(chǎn)生大量的氣體，這些氣體如果得不到及時處理就容易造成油箱爆炸。

而熱量增加的原因是由于電阻力的存在。前面就已經(jīng)提到過，油箱經(jīng)常處于長時間的工作狀態(tài)，這就意味著油箱長時間都要通電工作，這樣一來就會油箱內(nèi)就會產(chǎn)生大量的熱量，而油箱內(nèi)部存在有大量的變壓油，如果這些熱量不及時傳到外界環(huán)境中，而是長時間集聚在油箱內(nèi)部，就容易把熱量傳給變壓油，會造成變壓油的分解與氧化，絕緣效果被破壞，發(fā)生故障的可能性加大[2]。

1.1.2 變壓器油箱外部故障

常見的外部故障為油箱的引出線相接短路和接地短路，以及油箱外部絕緣材料受損等導致變壓器出現(xiàn)問題。

1.2 帶病運行時

電力變壓器如果超出了正常的工作范圍或者是帶病運行，都會使得變壓器出現(xiàn)故障的可能性以及故障的危害性加大。比如說會使繞組，鐵芯或者其他的金屬構(gòu)件過熱，從而造成變壓器的絕緣[2]。

2 繼電保護

2.1 基本保證

2.1.1 可靠性

電力變壓器繼電保護裝置的可靠性是由安全和值得信賴這兩部分組成的。安全指的是繼電保護裝置不會發(fā)生誤動，也就是說只有在需要繼電保護的狀態(tài)下才進行反應和工作。而值得信賴是指在繼電保護裝備負責的范圍內(nèi)，一旦電力變壓器發(fā)生故障，繼電保護就要及時作出反應，保護變電器的安全。

2.1.2 靈敏性

當電力變壓器在屬于繼電保護的范圍內(nèi)發(fā)生故障或者出現(xiàn)不正常的運行時，繼電保護能夠根據(jù)故障或問題的不同及時作出反應。要求繼電保護裝置不管運用何種系統(tǒng)運行方式都能夠通過調(diào)節(jié)線路電流的方式進行可靠動作。

2.1.3 實用性

實用性指的是在系統(tǒng)運行過程中，能夠通過使用共享的數(shù)據(jù)有效解決運行過程中的問題。同時，還可以通過系統(tǒng)分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計，遠程監(jiān)控等方式來保障繼電保護裝置的正常的運行，從而為電力變壓器的正常工作提供了堅實的保障。同時還要保證繼電保護設備的操作簡單，以提高其實用性。

2.2 裝置配置的原則

2.2.1 根據(jù)電力變壓器的運行狀況選擇差動保護裝置

2 MVA及以上的用電流速斷保護靈敏度不高的變壓器，6.3 MVA及以上的常用工作變壓器或者并列運行的變壓器， 10 MVA及以上的廠備用變壓器或者單獨運行變壓器，都是應該設計安裝差動保護裝置電力變壓器。而高壓側(cè)電壓為330 kV甚至更高的變壓器，就需要安裝雙重差動保護裝置來保證電力變壓器的安全[3]。

2.2.2 因油箱內(nèi)易發(fā)生故障應安裝瓦斯保護裝置

前面提到電力變壓器的油箱是非常容易發(fā)生短路故障的位置，在因為匝間短路或者是接地短路而引起的電弧以及電流的作用下，再加上較大的電阻力，就會產(chǎn)生較高的熱量，使得油箱內(nèi)部的絕緣材料以及變壓油在加熱的情況下產(chǎn)生大量氣體。如果故障嚴重，這些氣體不及時排出還極易引起爆炸，因此，要為電力變壓器安裝瓦斯保護裝置。

2.2.3 根據(jù)不同的運行情況、容量及靈敏度采取過電流保護

采取過電流保護電力變壓器的方式選擇有很多，在實際工作運行時，則要根據(jù)電力變壓器的運行情況，容量以及靈敏度來進行選擇。由外部相間短路引起的變壓器過電流，就可以采取必要保護，比如過電流保護，負序電流或者復合電壓啟動的過電流保護，也可將阻抗保護作為后備保護，比如帶時限動作于跳閘[4]。

3 繼電保護設計時的一些要點

根據(jù)以上陳述的繼電保護的原則把繼電保護設計分為三大類：差動保護設計，瓦斯保護設計以及過電流保護設計。

3.1 差動保護裝置的設計要點

3.1.1 確?？v聯(lián)差動保護設計的有效性

當電力變壓器并列運行且容量>6.3 MVA，或單獨運行時容量>10 MVA的狀態(tài)下應該采用縱聯(lián)差動保護設計。為了保證這一設計的有效性，避免誤動，保證可靠性，就必須要遵循電力變壓器低壓側(cè)與高壓側(cè)互感器環(huán)流接線的原則。對于電壓>330 kV的高壓側(cè)，則應該在引出線部分安裝差動保護裝置。

3.1.2 根據(jù)變壓器與斷路器設置差動保護裝置的數(shù)量

有些電力變壓器已設置斷路器，在這種情況下，應該在電力變壓器與發(fā)電機之間安裝獨立的差動保護裝置。反之，如果沒有安裝斷路器，則要根據(jù)電力變壓器的容量來確定需要安裝的差動保護裝置的數(shù)量。容量在100 MVA以下的變壓器與發(fā)電機，可以共用一個保護裝置，而容量在100 MVA以上的變壓器或發(fā)電機，就需要分別設置獨立差動保護裝置[5]。

3.1.3 設置差動保護中的CT二次繞組時需注意的事項

如果是第1套差動保護回路，需要獨立接CT繞組，同時要保證旁代可以切換，如果是第2套差動保護回路，就需要在主變套管中接CT繞組，而這時則不需要再次切換旁代。三燒組變壓器差動保護裝置，如圖1所示。

3.2 瓦斯保護設計時的要點

瓦斯保護設計是為了避免因加熱油箱內(nèi)絕緣材料或變壓油而造成的氣體膨脹帶來的爆炸。雖然目前大部分電力變壓器都安裝的有繼電保護裝置，但是瓦斯保護裝置易受溫度和濕度等外界影響因素的影響，從而很可能造成誤動，影響保護效果。因而在瓦斯設計保護時，應該注意與其他保護方式比如勵磁保護，過電流保護等的結(jié)合，從而提高保護效率，提高瓦斯繼電保護的可靠性。瓦斯繼電器工作原理，如圖2所示。

3.3 過電流保護設計時的要點

過電流保護裝置特別是在電力變壓器的各側(cè)母線故障時發(fā)揮保護作用，因此在設計過電流保護時要根據(jù)不同的電壓側(cè)進行設計。

通常情況下，我們在變壓器的低壓側(cè)采用三相式三卷變壓器，在變壓器的中壓側(cè)和高壓側(cè)分別設置復合電壓閉鎖過流保護，間隙保護以及零序方向的過電流保護，而在低壓側(cè)使用復合電壓閉鎖過流保護。因為元件的復雜性，復合電壓閉鎖過流保護裝置的電流元件在理論上應該大于電力變壓器的額定電流，根據(jù)公式I=K1/K2×I0計算得到，其中，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，在低壓側(cè)還安裝了一套低電壓鎖閉元件。這一套電壓元件的動作電壓可以按照U=U0/K1×K2進行計算，其中，U0為校驗點故障時在電壓繼電器裝設母線上的最大殘壓；K1為可靠系數(shù)，取1.2～1.25，K2為返回系數(shù)，取1.15～1.2。

4 結(jié) 語

抓好電力變壓器繼電保護設計的要點，做好電力變壓器的繼電保護工作，保持變壓器的穩(wěn)定工作，為電力系統(tǒng)的正常運行做好保障。

參考文獻：

[1] 雷鈺.電力變壓器繼電保護設計的探討[J].科技與企業(yè)，2013，（19）.

[2] 尹宇峰.電力變壓器繼電保護設計分析[J].城市建設理論研究：電子版，2014，（28）.

[3] 周迅燕.淺談電力變壓器繼電保護設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2014，（25）.

[4] 尹義武，曾春花.淺析電力變壓器繼電保護設計[J].科技傳播，2010，（18）.

[5] 裴斌，呂勇.探討電力變壓器的繼電保護設計[J].城市建設理論研究， 2014，（15）.