電力變壓器保護系統研究及仿真

劉攀，張波，董燕麗，成慧翔，李凱麗

（山西農業大學信息學院，山西 晉中 030800）

隨著電力系統設備的完善，中國的“西電東送、南北互供、全國互聯”的發展非常的成功，電能的傳送距離增加、電網所覆蓋的區域越來越寬、電網的儲存容量也在增大，對電網安全、可靠以及穩定的運行有了很高的要求。電力變壓器對整個電力系統中發電、輸電以及配電有著不可替代的作用。

依據《繼電保護和自動裝置設計技術規程》，給電力變壓器應該配備下面的幾種保護裝置，比如在油箱內部要增加油位過低或者是短路的保護裝置，以及繞組和引出線多相發生短路等等的縱聯差動保護；大電流方式的接地系統中的變壓器外圍的接地故障而設置的零序電流保護；變壓器對稱方向的過負荷所設定的過負荷保護等。

1 電力變壓器基本理論與故障

1.1 變壓器結構及工作原理

電力變壓器是使用電磁感應的原理將一種交流電壓能轉換成另一種同頻率的交流電壓能。電力變壓器的工作原理可以用六個字來概括“電生磁，磁生電”。電力變壓器一次側通過變化的交流電，這種變化的電流在由鐵芯組成的主磁通回路中產生交變的主磁通，主磁通同時通過一次繞組與二次繞組，根據電磁感應原理，在電力變壓器的一次繞組中會產生自感應電動勢，而在二次繞組中也會產生互感應電動勢。

電力變壓器是通過電磁感應原理制成的，磁路一般由磁導率較高的鐵磁材料組成，為了降低交變磁通在鐵芯中形成的渦流與磁滯的消磨，電力變壓器的鐵心是通過厚度為0.35mm 的冷軋硅鋼板疊加而成的。電力變壓器的電路部分是繞組，它通常由高導電率材料制成，每個繞組之間應有較好的絕緣能力，以確保電力變壓器的電流回路暢通。在組裝的過程中，低電壓繞組接近鐵芯，低電壓繞組被高電壓繞組包裹在內部。繞組與鐵芯常常安放在有電力變壓器油的油箱中，這對增強絕緣和散熱起著非常重要的作用。電力變壓器的引線務必通過油箱的絕緣套管，并通過油箱蓋，以便高壓引線與接地油箱起絕緣作用。

1.2 電力變壓器故障及危害

內部故障一般包含有：不同繞組相間的短路故障、中心點直接接地側的接地短路以及匝間短路故障。當電力變壓器出現內部故障時，會特別的危險，一經出現故障，在故障點引起的電流和電弧，不僅會破壞繞組的絕緣，而且還會燒壞鐵芯。當出現的故障特別嚴重時，因電力變壓器油會發生受熱分解而產生大量氣體，將會引起電力變壓器油箱爆炸的情況。因此，繼電保護應快速地消除這些故障。

電力變壓器最為常見的外部異常情況有：因為過電流或者過電壓引起的過勵磁；因為受到過大負荷而發生的過負荷；由油箱漏油而導致油位下降的故障；溫度升高(通常由冷卻系統所導致)。另外，在過電壓、低頻率等不正常工作的情況下，對容量變壓器而言，由于額定工作和鐵心的飽和他們兩的磁通密度特別逼近，常常會導致電力變壓器產生過勵磁的故障。上述不正常運行情況會導致繞組和鐵芯等金屬部件過熱，從而導致電力變壓器的絕緣性能達不到要求。

2 電力變壓器保護系統

2.1 瓦斯保護

當電力變壓器油箱內部發生故障時(包括由于微小的匝間短路和絕緣的損壞而導致的經電弧電阻的接地短路故障)，由事故點電流與電弧的影響，導致電力變壓器油和其它絕緣材料會由于部分受熱分解從而產生氣體，由于氣體較輕，將會從油箱流到油枕的頂部。故障非常嚴重時，油將會快速膨脹且產生氣體，這時，強列的氣流將與油混合流到油枕的頂部，從而使繼電器的觸點開始工作，連接到指定的控制回路，并及時發送信號或電力變壓器自動被切斷，形成響應上述氣體而動作的保護裝置，該裝置稱為瓦斯保護。

（1）輕瓦斯。當電力變壓器的內部出現較小故障時，氣體以較低的速度產生，氣體首先聚集在通往油箱的瓦斯繼電器的上部，導致油位降低，浮筒降低以關閉水銀觸點，并且打開報警信號。

（2）重瓦斯。當較嚴重故障出現在變壓器內部時，變壓器油的壓力會瞬間增強，最終導致大量的油流向油枕方向，由于油流沖擊檔板，檔板將會抑制彈簧的阻力，使磁鐵沿干簧接觸點方向挪動，關閉水銀接觸點，并且連接跳閘回路使斷路器跳開。

2.2 縱差保護

根據基爾霍夫定律，測量電力變壓器每一側電流的向量和，其物理含義是：當電力變壓器正常工作或出現外部故障時，如果忽略勵磁電流和其他的損耗，則電力變壓器流入的電流與流出的電流相同。

在電力變壓器正常工作過程中發生外部短路現象，此時通過差動繼電器中的電流為，處在最理想狀態的時候，差動元件當中的電力值是0。因為電流式的互感器的特征以及變比等導致進入繼電器中的電流無法達到平衡。在電力變壓器內部出現故障的時候，進入差動繼電器當中的電流指的就是短路點位置的短路電流。即，繼電器的動作電流比短路電流值小的時候，此時繼電器便會動作。

2.3 零序電流保護

當大電流流經接地系統的時候，會有零序的電流保護發生，被用來進行變壓器的主保護以及相鄰元器件在發生接地短路故障以后的后備保護。在正常情況下，當TA 中沒有電流流過時，零序電流保護將不會動作，在發生接地短路故障時，將會出現零序電流。當零序電流比保護動作整定值大時，中間繼電器將動作，通過延時繼電器延時后，電力變壓器兩端的斷路器會發生跳閘現象。保護的動作時限也應該比后者大一個延時。

2.4 溫度保護

當電力變壓器的冷卻系統發生故障，或者外圍發生短路并產生過負荷，此時內部油箱的油溫增大。電力變壓器油溫過高將會加速電力變壓器繞組絕緣的老化，嚴重影響它的壽命。所以容量在1000kVA 或1000kVA 以上的油浸式電力變壓器為了監視上層油溫的狀況，都必須配備溫度保護裝置；車間內變電站，容量為315kVA 及以上的電力變壓器通常都要配備溫度保護裝置。

3 保護系統仿真

構建一個具有雙側電源雙繞組電力變壓器的電力系統，利用MATLAB/SIMULINK 中的仿真模塊構建電力變壓器仿真模型，當電力變壓器空載合閘時，并設置相應參數，仿真波形如圖1 所示。

由仿真波形結果圖1 可知，四路中的電流由下而上分別為在差動保護中左側端的A 相取值電流，右側端的A 相取值電流，A 相的差動電流取值，A 相的制動電流取值。由此看到，A 相中的勵磁涌流將會迅速偏向時間軸端。當波形之間發現間斷的時候，相應的出現間斷角，此時大小和變壓器中的合閘角、鐵芯中的剩磁和電壓它們互相之間全部都有關系。

4 結語

根據電力變壓器繼電保護的基本原理和整定方法，可以有效的解決電力系統及某些因素對電力變壓器所造成的故障。電力變壓器是變電站、電力系統電壓變換的重要設備，也是變電站能夠正常運行的中心樞紐，因此，對電力變壓器進行操作與維護十分重要。電力變壓器有很多種類的故障，對此影響的因素也比較多，它們之間互相干擾互相影響，對其采取綜合性的分析以后，尋找準確的原因及位置，并針對性的提出最合適的處理辦法，對此進行預防以及消除，避免造成損失。