電力變壓器的零序保護與過負荷保護配置分析

孔瑾

【摘 要】通過對電力變壓器的運行狀態進行簡要介紹，說明變壓器進行繼電保護配置的必要性，進而分析了變壓器的零序保護配置方式、動作時限和過負荷保護的整定方法與裝設原則，具有一定的實用性和可靠性，為下一步研究變壓器的后備保護系統配置及保護間的配合動作方式奠定了基礎。

【關鍵詞】電力變壓器；保護配置；零序保護；過負荷保護

中圖分類號： TM41 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0074-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.032

【Abstract】A brief introduction to the operation state of power transformers is given to illustrate the necessity of relay protection configuration.Then the zero-sequence protection configuration mode， time limit of operation and overload protection setting method and installation principle are analyzed.With a certain degree of practicality and reliability，it lays the foundation for the next step of studying the backup protection system configuration of transformers and the coordinated actions between protections.

【Key words】Power transformer；Protection configuration；Zero-sequence protection；Overload protection

0 引言

近年來，隨著我國的電氣自動控制技術快速崛起，伴隨而來的是電力設備的繼電保護技術不斷地發展沿革創新。而電力變壓器作為電力系統不可或缺的重要電氣設備，在電力系統中廣泛用于升高或降低電壓，一旦變壓器發生故障將對供電可靠性和系統安全運行帶來嚴重影響。在電力系統中，接地故障是最常見的故障，負荷長時間超過額定容量也會引起過負荷，這些都會使變壓器的繞組和鐵芯過熱，威脅變壓器的絕緣。一旦發生電力變壓器發生接地故障或過負荷，繼電保護裝置能夠自動、迅速、有選擇性的切除故障設備，既能保護變壓器免于遭受繼續損壞，又能提高電力系統運行的穩定性，是保證電力系統及電力變壓器安全運行最有效的方法之一。因此，對電力變壓器的零序保護和過負荷保護配置進行分析研究就變得尤為重要。

1 電力變壓器的工作狀態

變壓器的故障狀態按照是否發生在油箱內，可以分為外部故障和內部故障。當變壓器油箱外的套管和引出線上發生相間短路或接地故障時，即為外部故障；當油箱內的繞組發生層間間短路、接地短路、匝間短路等以及鐵芯出現燒損現象時，即為內部故障。

變壓器的不正常狀態主要為變壓器外部短路引起的過電流；變壓器帶負載長時間超過其額定容量運行時，引起過負荷狀態；風扇故障或滲油、漏油引起的冷卻能力下降等。

當變壓器處于故障或不正常狀態時，繼電保護應快速切除故障設備區域或發出報警信號，以確保電力變壓器的安全可靠。

2 電力變壓器的零序保護配置

接地短路故障是在電力系統中最常見、最易發生的故障。當變壓器中性點直接接地時，零序電流保護一般作為變壓器的主保護及相鄰元件接地保護的遠后備保護。當發生接地故障時，零序電流與零序電壓分別出現在變壓器中性點與母線上，變壓器的接地保護通常是由零序電流、零序電壓這樣的電氣量構成。

在中性點直接接地系統中，只有在單相接地短路和亮相兩相接地短路時才會產生零序分量，而變壓器中性點接地的個數和位置決定著零序電流的分布與大小。一般情況下，當變電所只有一臺升壓變壓器時，變壓器都采用中性點直接接地的方式。當變電所采用數臺變壓器同時投入運行的方式時，則只需要部分變壓器的中性點直接接地，另一部分變壓器中性點不需要接地，改變電力系統的運行方式后，保持相同的變壓器中性點接地的數目和位置，保證零序保護的保護范圍的可靠性與靈敏性。

2.1 中性點直接接地變壓器的零序電流保護

為縮小接地故障的影響范圍及提高后備保護動作的快速性和可靠性，中性點直接接地的變壓器一般配置兩段式零序電流保護，每段帶兩級延時。

（1）零序Ⅰ段的動作電流應與相鄰線路零序電流保護的Ⅰ段或Ⅱ段相配合，則：

Iact0=KrelKb0Iact·L

其中，Krel為可靠系數，一般取1.1～1.2；Kb0為零序分支系數；Iact·L為出線零序過流保護（Ⅰ段或Ⅱ段）的動作電流。

變壓器的Ⅰ段零序電流保護以t1=t0+Δt（t0為相鄰線路零序電流保護的Ⅰ段或Ⅱ段動作時間，Δt一般取0.5s）動作與母聯或分段斷路器跳閘；以t2=t1+Δt時間斷開變壓器各側斷路器。

（2）零序Ⅱ段的動作電流應與相鄰線路零序過電流保護的后備段相配合，則：

Iact0=KrelKb0I'act·L

其中，I'act·L為出線零序過流保護（后備段）的動作電流。

零序保護Ⅱ段作為出現接地故障的后備保護，以t3=t'0+Δt（t'0為相鄰線路零序電流保護的后備段動作時間）動作于母聯或分段斷路器跳閘；以t4=t3+Δt動作于變壓器高壓側斷路器跳閘。

2.2 中性點可能接地或不接地變壓器的零序電流電壓保護

為了使零序保護有穩定的保護范圍和足夠的靈敏度，在電力系統中幾臺變壓器并聯運行時，將部分變壓器中性點直接接地，有些變壓器的中性點不固定接地，根據實際需要變壓器接地或不接地運行。

（1）全絕緣變壓器

由于全絕緣變壓器的中性點與出線端的絕緣水平相同，故障發生時，先切除中性點直接接地的變壓器，再切除中性點不接地的變壓器。

在全絕緣變壓器中，部分中性點直接接地的變壓器需配置零序電流保護。此外，中性點不接地的變壓器在故障發生時會產生較大的零序電壓，因此變壓器還應裝設零序電壓保護。

零序電壓保護的動作值應躲過在部分接地電網中發生接地短路時保護安裝處出現的最大零序電壓，通常Uact0=180V。

零序電壓保護只在中性點消失、系統中無零序電流的情況下才能動作，不需要與其他設備的接地保護相配合，其動作時限只需躲過暫態電壓的時間，一般取t=0.3～0.5s。

（2）分級絕緣變壓器

分級絕緣變壓器的中性點絕緣水平遠低于出線端的絕緣水平，一般常用于220 kV及以上的大接地系統中。當變壓器的中性點不接地且有接地故障發生時，會損壞分級絕緣變壓器的絕緣強度。為保證變壓器中性點的絕緣水平，需要將放電間隙裝在變壓器中性點處，間隙兩端電壓大于動作電壓時迅速放電。因放電間隙不能承受過電流，需要加裝零序電流速斷保護，當間隙釋放電能后迅速切除變壓器各側的斷路器。放電間隙是一種簡易的保護設備，受外部環境條件和放電次數的影響會出現拒動現象，因此還需裝設零序電壓保護，當放電間隙拒動時作后備保護，動作于跳開變壓器各側的斷路器，動作電壓與時限的整定與全絕緣變壓器的零序電壓保護相同。

3 電力變壓器的過負荷保護配置

變壓器長時間過負荷運行時，繞組會因為發熱而受到損害。當數臺容量在400kVA以上的變壓器同時投入并列運行時，過負荷狀態會影響系統正常運行，因此要在變壓器上裝設過負荷保護。當變壓器過負荷發生時，流過的電流三相對稱，用于過負荷保護的繼電保護裝置僅需在其中一相電流回路中裝設過負荷裝置檢測電流大小，經較長的延時后發出信號。

3.1 變壓器過負荷保護的整定

過負荷保護的動作電流應按躲過變壓器的額定電流進行整定，則

其中，Krel為可靠系數，一般取1.05；Kre為返回系數，一般取0.85。

過負荷信號繼電器的動作時間要大于同一設備的過電流保護時間，一般取t=8～10s即可滿足要求。

3.2 變壓器過負荷保護的裝設原則

過負荷保護的安裝位置要能正確反映變壓器各側繞組過負荷狀態對系統的影響，目的是保證過負荷保護的選擇性與可靠性：

（1）對三繞組升壓變壓器，當一側無電源時，過負荷保護應裝設在發電機電壓側和無電源側；

（2）對兩繞組升壓變壓器，過負荷保護應裝設在發電機電壓一側；

（3）對三側都有電源的三繞組升壓變壓器，過負荷保護應裝設在高壓側；

（4）對于單側電源的三繞組降壓變壓器，當三側繞組容量相同時，過負荷保護只裝設在電源側；

（5）對三側繞組容量不同的變壓器，過負荷保護裝在電源側和容量較小的一側；

4 結論

本文首先對電力變壓器的運行狀態進行了簡要介紹，說明了變壓器安裝繼電保護的必要性；對中性點直接接地變壓器配置零序電流保護，并分析其整定計算方法與動作時限；分析了中性點可能接地或不接地變壓器的零序電流、電壓保護配置；最后針對變壓器的可能出現的過負荷狀態，對變壓器的過負荷保護進行了整定分析，為下一步研究變壓器的后備保護系統配置及保護間的配合動作方式奠定了基礎。

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