電力變壓器繼電保護設計

梅桂富 劉賀洋

（山東電力設備有限公司，濟南 250022）

隨著電力需求的增長，電力企業加大了在電網工程方面的建設投入，并在電網中配備了各種電力設備和設施。電力變壓器在電網中有著不可替代的作用，一旦出現故障，將對整個電網系統產生極為不利的影響。因此，隨著電力事業的發展，行業內對電力變壓器繼電保護設計提出了新的標準。只有全面合理設計繼電保護裝置，才能夠實時監測電力變壓器可能出現的各種故障，并及時處理變壓器出現的相關問題。

1 變壓器繼電保護原理及系統構成

1.1 基本工作原理

繼電保護實現變壓器的保護功能主要是通過采集、獲取與分析變壓器相應的運行參數，從而進行相應的狀態調整。若變壓器運行過程中出現故障，繼電保護能夠快速啟動其保護功能，從而控制故障的影響范圍。要實現繼電保護功能，必須要保障繼電保護裝置處于正常的運行條件。通常情況下，變壓器的保護模式有多種，如瓦斯保護和差動保護。每種保護模式都有各自的原理和特點，但無論哪種保護模式，都需要采集和分析變壓器的運行狀態等參數信息。只有這樣，才能夠保障保護程序的有效運行。

1.2 變壓器繼電保護系統構成

變壓器的繼電保護系統包含多個構成部分，不同構成部分之間互相配合，才能夠最大程度發揮繼電保護的作用。目前，變壓器繼電保護系統中主要包含以下模塊。第一，信號采集模塊。這一模塊可以在變壓器運行過程中實時采集相應的參數和狀態信息，并及時將采集到的信號上傳到信號處理模塊。第二，信號處理模塊。該模塊在運行過程中主要是根據繼電保護裝置中已經設定好的信號處理程序處理前期得到的信號，并根據最終處理后的信號結果與保護動作閾值進行對比。第三，信號輸出模塊。針對處理程序結束后的結果輸出，該模塊與保護功能實現有著直接關系[1]。

2 電力變壓器主要故障類型分析

2.1 電力變壓器產生繞組故障

電網運行中的電力變壓器故障有多種，其中最常見的故障為繞組故障。在變壓器的生產制造環節，若繞組呈現糾結式或糾連式結構，在其運行過程中會出現連線與段間糾結線接頭接觸不良的問題，同時伴隨有局部過熱現象，可能會導致匝絕緣被破壞，從而引起匝間、段間的短路故障。根據對這一類故障的分析可知，此故障大多是由繞組導線不良所引起。電力變壓器運行時，外部短路故障出現的幾率較高，若受到短路電流沖擊，將會導致繞組某一段導線錯位。雖然這種錯位在較短的時間內不會發生嚴重故障，但隨著運行時間的延長，由于變壓器的反復振動、相鄰錯位線匝間絕緣磨損等因素，將會導致變壓器被擊穿[2]。在安裝變壓器中的繞組時，一般要利用絕緣墊塊隔開各個線段，但在具體的安裝工作中，由于繞組軸向壓緊力裕度值偏小，將會導致絕緣墊的彈性值偏小。隨著變壓器的振動，繞組導線錯位最終會引起匝間短路。另外，變壓器長時間過負荷運行將導致變壓器溫度異常升高，從而使其內部絕緣老化加速，降低匝絕緣性能，最終引起匝間短路故障。

2.2 電力變壓器的鐵芯故障

鐵芯故障在電力變壓器中十分常見。在電力變壓器的運行中，鐵芯的作用是電磁能量的傳遞和交換，對變壓器的運行可靠性有著直接影響。鐵芯故障是變壓器故障中的主要類型之一。根據故障原因和表現，它可分為鐵芯多點接地故障、接觸不良故障和片間短路故障等。故障原因主要為鐵質夾松動、壓鐵松動以及安裝不規范等。

2.3 分接開關故障

分接開關故障是電力變壓器故障的主要類型之一，對變壓器運行水平有著直接影響。故障類型包括無載分接開關故障和有載分接開關故障，其中無載分接開關故障發生的概率相對較高。例如，固定絕緣桿的扭曲變形、有載開關油箱滲油以及觸頭松動與脫落等，都屬于接開關故障[3]。

3 電力變壓器繼電保護設計要點

3.1 差動保護裝置的設計要點

3.1.1 確保縱聯差動保護設計的有效性

電力變壓器繼電保護設計工作中，差動保護裝置的設計為重點設計環節。在開展設計工作的過程中，必須嚴格遵守相應的技術標準。在電力變壓器并列運行且容量超過6.3 MVA或者單獨運行狀態下容量在10 MVA以上時，縱聯差動保護設計尤為重要。為提升設計水平，避免設計缺陷而引起的誤動，設計過程中必須要遵循電力變壓器低壓側和高壓側互感器環流接線的要求。其中，電壓在330 kV以上的高壓側，差動保護裝置要安裝于引出線部位。

3.1.2 根據變壓器與斷路器設置差動保護裝置數量

電網的構成復雜，部分電力變壓器在使用過程中設置了斷路器。在這一特殊情況下，必須要設置對應的差動保護裝置，以確保整個電力系統正常運行。安裝過程中，差動保護裝置的安裝位置應處于變壓器與發動機之間。若在電力變壓器運行時沒有安裝對應的斷路器，則需要結合電壓器的容量安裝相應數量的差動保護裝置。針對容量在100 MVA以內的變壓器和發動機，共用一個保護裝置即可。但是，針對容量在100 MVA以上的變壓器和發動機，則需獨立安裝差動保護裝置[4]。

3.1.3 設置差動保護中的CT二次繞組時需注意的事項

若在電力變壓器中采用的是縱聯差動保護設計，為保障裝置的可靠性，需要獨立接CT繞組，并確保旁代可以切換。若電力變壓器中為差動保護裝置，需要將CT繞組接于主變套管，不需再次切換旁代。三繞組變壓器差動保護結構圖如圖1所示。

圖1 三燒組變壓器差動保護裝置結構圖

3.2 瓦斯保護設計的要點

電力變壓器的繼電保護設計中，瓦斯保護設計也是重點設計環節。這一保護設計可以對加熱油箱內絕緣材料或變壓油氣體膨脹爆炸類事故起到一定的預防和控制作用。目前，電力工程中幾乎全部的電力變壓器中都配備有對應的繼電保護裝置。但是，在瓦斯保護裝置運行中，由于存在溫度和濕度等各種外部條件的干擾，繼電保護裝置無法發揮正常的保護功能[5]。因此，在開展瓦斯設計保護時，專業設計人員應結合其他保護方式，提升保護效果，確保電力系統正常運行。瓦斯繼電器運行原理如圖2所示。

圖2 瓦斯繼電器工作原理

3.3 過電流保護設計的要點

在電力變壓器運行過程中，若各側母線出現故障，過電流保護將會立即進入工作狀態，并進行有效處理。在過電流保護設計時，要結合電壓側的具體情況開展有針對性的設計。例如：在變壓器低壓側位置，選用三相式三卷變壓器；在中壓側和高壓側位置，分布進行復合電壓閉鎖過流保護和間隙保護設計。

4 結語

繼電保護對電力變壓器的保護作用突出。為切實發揮其保護功能和作用，專業人員在開展設計工作時，必須要遵循繼電保護設計的基本規范和標準，提升總體的設計水平，以應對變壓器運行中的各種故障。