洋口水電廠變壓器保護原理及繼電保護改造措施探究

鄭映畿

(福建省南平市順昌謨武水電有限責任公司，福建 南平 353200)

變壓器屬于水電廠電力系統重要組成部分，而繼電保護系統是確保發電機、變壓器以及水電廠電力系統安全運行的主要系統。因此，需要對水電廠變壓器繼電保護系統加以有效的升級改造，當電力系統中出現運行故障能夠及時作出保護反應，避免嚴重故障的發生。

文章以洋口水電廠2號主變保護升級改造項目為案例進行分析，圍繞水電廠變壓器局部放電監測的技術原理，有效運行監測變壓器早期故障的相關條件參數特點，通過分析案例有效排除變壓器在線監測及診斷繼電保護配置、做好保護改造的措施進行簡述。

1 項目案例

該工程為洋口水電廠2號主變保護升級改造項目，工作內容主要包括拆除原有主變保護柜，安裝新柜體，將原南自的DGT801C系列更換為的PST671U數字式變壓器保護裝置。包括柜體吊裝就位，底座焊接、接地母排及屏頂小母線的安裝；新系統布線：主變保護柜的接線，過柜母線的連接以及對外電纜的連接等；保護系統調試及傳動試驗。在實際的改造過程中需要做好與繼電保護相關的各項安全措施。洋口水電廠機組以發電機-變壓器組擴大單元接線方式接入升壓站110kV配電裝置，該配電裝置采用變壓器-線路單元接線。電氣主接線圖見圖1。

圖1 電氣主接線圖

2 水電廠提升變壓器監測故障的保護原理

分析新型變壓器鑒于保護原理的基礎上，有效考慮相關變壓器的勵磁狀態，分析影響變壓器故障的油箱內、外故障原因，主要是油箱內故障因各側的相間短路，導致相關的“大電流系統測”出現單向接地短路現象，易會造成相同部分導致繞組間出現不同狀況的匝間短路現象[1]。而油箱外故障主要是繞組現象引發端絕緣套管形成短線上引出的故障問題。另外還有短路(兩相短路及三相短路)故障也會造成大電流側、低壓側等接地故障。因此說，有效保障變壓器的保護措施，是為了安全控制變壓器，避免發生短路現象，如出現故障應及早盡快切除變壓器，或及時排查不正常運行狀態，及時預警并給予相應的檢修維護處理措施。有效避免電力系統出現異常供電而導致相關設備損壞，提升水電廠電力運行安全性、穩定性。

3 PST671U型配置主變壓器的保護要點

現代化生產中的變壓器保護設計，常用的變壓器保護包括短路保護、瓦斯保護、速斷保護。因為變壓器類型、容量、運行功率不同，過電流、過負荷等保護技術也逐漸應用到發電機變壓器保護中。所以，對于保護技術的應用需要有關人員按照變壓器具體情況，選擇最佳保護方式[2]。

PST671U數字式變壓器保護特點主要表現在工藝優良、硬件完善、原理簡單、判據可靠等方面。該變壓器保護裝置使用專業設備，硬件系統的設計和安裝工藝優良，不會出現因為硬件設備受損而導致保護誤動。保護裝置中設置有高性能數字信號處理器和其他處理器，現場應用雙CPU板實施繼電保護裝置，實現了雙套電氣量保護功能，同時確保采用標準機箱，配置雙CPU系統的硬件結構實現出口方式。通過實現雙CPU板邏輯判斷處理相關的雙AD采樣，才能有效保障兩個CPU系統，實現相互校驗，避免防止硬件異常出現誤動故障現象，繼電保護做好回路設置出口互鎖，才能全面保護出口跳閘與雙CPU實現同步操作時的動作，保證了保護的高可靠性。保護裝置人機交互效果良好，采用可靠性觸摸屏的方式實施調試操作，通過觀察各側顯示的電流、電壓以及相位的可視化界面，同時觀察相關的壓板狀態以及運行差流情況的相關量，全面保障完善記錄相關事件，以及記錄引發故障錄波的功能內容。通過觀察所有電流電壓量產生的故障波形，有效控制差動、諧波等差動保護差流相關量的顯示情況，隨時觀測相關量的電流、電壓的向量圖等。另外，保護系統軟件配置也是通過模塊化模式，可以按照水電廠變壓器實際需求,科學設計配置有效保護組態。軟件中還添加了防錯、糾錯設計，對多種保護加以整合。

4 變壓器的繼電保護配置

變壓器保護裝置以差動保護單元，后備保護單元分體配置，分為變壓器差動單元(PST671UA)和變壓器后備單元(PST671UB)。非電量保護由PCX操作箱及輔助裝置實現。差動保護單元主要有縱差差動速斷和縱差差動保護。后備保護主要有：復合電壓閉鎖過流方向保護；零序過電流保護；間隙過負荷以及過壓、過流保護等。其中的非電量保護配置類型有：重瓦斯/輕瓦斯/溫度保護/壓力釋放保護。關鍵體現重要保護的配置內容有：

分析差動保護裝置，有效總結兩繞組串聯相關的變壓器外部短路系統，在實施工程過程中，通過取電流互感器CT1、CT3，構成相關磁平衡的縱差保護裝置，設置變壓器各側外附 的CT 呈現不同功能的縱差保護啟動值。從而觀察故障時，串、并聯變壓器在分析電機特征以及機電保護元件相關的響應情況。確保變壓器在正常運行外部故障檢測以及切除后的暫態狀態過程，有效控制變壓器流入/流出電流相差值的區間。從而實現變壓器的縱差保護控制空載合閘時，達到控制勵磁涌流對變壓器產生差動保護的保障措施，避免引起勵磁工況下誤動行為。促進變壓器在穩態比例的差動保護狀態下，主要采用經傅氏變換保護原理，強化變壓器電流出現的差流計算達到區分差流，有效保障變壓器內部、外部故障得到控制及時檢測與維修狀態，全面提升了穩定相關變壓器出現的穩態比率，以及差動保護控制(CT 斷線/勵磁涌流、CT 飽和)多種判別時的閉鎖后出口運行狀態。當 CT 斷線閉鎖差動控制字投入時，CT 斷線后，但當差動電流> 1.2 Ie 時解除 CT 斷線對縱差保護的閉鎖。通過分析保護設備及保護范圍的故障動作，確保變壓器正確操作縱差保護狀態下，實現整體控制整定值，以及相關控制TA二次回路的不良比率，保障機電保護的可靠性，達到裝置運行的高質量生產運行狀態，同時還對元件的整定值，有效保障合理化的整定值溫和二次回路設置的正確值系數。

分析CSC-326G復合電壓閉鎖，通過整合變壓器差動保護構建模型，實現仿真處理變壓器后備保護故障的方向，細化分析主變后備保護各模塊之間，所產生的檢測故障相關的元件后備保護裝置，從而實現過流保護促進變壓器減少外部、內部相間短路的后備保護措施，采用復合電壓閉鎖的控制方式，有效防止誤動現象發生，根據保護裝置設置重要元件，達到保護電流的控制動作模塊，避免變壓器易導致各側之間出現斷電路現象。保障電流達到取自本側 CT狀態，保障復合電壓控制相關的相間低電壓與負序電壓設置保護模快運行正常。方向元件的電流電壓回路采用 90 度接線，電流 CT 極性端在母線側，方向指向變壓器，最大靈敏角-45°。其動作判據為：Ia-Ubc，Ib-Uca，Ic-Uab 三個夾角(電流落后電壓時為正)，其中任一夾角滿足-135°<φ<45°，且與之對應的相電流大于過流定值。

控制放電間隙設置方式，采取中性點運行不接地方式，控制變壓器中性點設置相關的放電電路，達到配置電氣保護控制間隙過流、過壓后備保護行為，如電流大于整定值時，設置間隙被擊穿控制的后備保護參數，避免出現延時跳閘等現象發生。未被擊穿狀態下，設置間隙保護控制零序電壓大于整定值狀態時，采用保護延時的跳閘設置行為，有效保障監測間隙的電流以及觸發信號，實現平臺故障保護的運行動作。

主保護需要控制油箱內部故障，保持釋放壓力的重瓦斯保護行為，全面保障變壓器內部減少各種故障之間的少數繞組現象發生，如在發現故障匝間出現短路狀態時，控制故障電流有效保障差動保護的安全性、準確性，及時分辨瞬間切除故障或釋放油箱內部的壓力，全面保障重瓦斯保護動作控制跳閘的切除動作，達到差動保護裝置的安全穩定操作方式，確保變壓器避免出現空載合閘的勵磁涌流現象。

5 變壓器改造繼電保護干預的施工措施

在變壓器繼電保護技改中為確保相關措施實施的有效性、科學性，需要在改造項目正式開展前做好設計，明確技術要求[3]。在洋口水電廠2號主變保護升級改造項目中，首先對施工條件進行分析，編寫改造施工方案，合理安排施工進度。之后為確保改造項目的有效進行，制定相關安全措施和技術措施。安全措施主要包括現場臨時電源管理措施、各類工器具使用管理規定、特殊作業安全措施、防止落物傷人措施、防止觸電或感應電措施、著裝要求以及“兩票”和操作要求，確保改造施工的有效開展。

技術措施主要是此次2號主變保護改造安排在3號發電機小修期間進行，工期為5d，其中主變保護柜的拆箱及安裝，包括柜體吊裝就位，底座焊接、接地母排及屏頂小母線的拆除回裝1d；主變保護柜的接線，包括過柜母線的連接以及對外電纜的連接等2d；保護系統調試及傳動試驗2d。因2號主變保護屏頂有小母線，故需開關站停電一天進行拆除，為保障全站停電后廠用電負荷由1號發電機組帶，在全站停電前,廠壩變保護屏直流電源需要設置臨時220V直流電源,電源由繼保室直流饋線屏備用空開引入。移開屏頂小母線時，三相電壓要做好記錄，避免回裝時相序錯誤。中控屏頂小母線布置，見圖2。

圖2 中控屏頂小母線布置

2號主變保護升級改造時的運行方式設計：1號主變和1號機帶Ⅰ、Ⅱ段廠用電、壩用電正常運行，2號機冷備用，3號機處于檢修狀態。斷開2號主變高壓側18B斷路器，18B1刀閘，68B1刀閘，在主變高低壓設置短路接地線，合上18B6接地刀閘。1號廠、壩變運行、2號廠、壩變轉冷備用，綜合樓由400V壩區母線供電，柴油機處于隨時可自啟動熱備用狀態。高壓室6.3KV I段母線運行，6.3KV II段母線檢修、6.3KV II段母線PT檢修。在停電操作和恢復操作時落實倒閘操作安排并完成相關安全措施。柴油機供電要求：在該項目中柴油機為2號主變保護改造時備用電源。柴油機最大負荷<540A，直接啟動電機啟動容量≤50kW，避免柴油機、線路及開關出現過載情況。柴油機供電期間，現場需有人不間斷進行監視，并記錄柴油機運行參數。在正式開展檢修工作前各檢修負責人按照檢修方案前往現場向工作人員開展技術交底和安全交底，做好作業危險點預控，交底簽字，最后申報檢修資料，并做好材料準備。對接入保護柜的電流互感器電流回路須在來源端進行短接，防止開路。對接入保護柜的電壓互感器電壓回路做好絕緣包扎，防止短路。

柜子所有的對外電纜白頭均要保護好，用絕緣膠布包扎并做好記錄。另外，項目按照工程特點，在安裝施工中，堅持按建設部頒發的關于《電氣裝置安裝工程施工及驗收規范匯編》中相應條款要求進行施工，開展全面質量管理。質量標準為一次驗收合格率≥95%；一次完成優良率≥90%；竣工驗收合格為100%；優良率≥95%。

6 結 語

水電廠變壓器保護系統是變壓器安全生產的可靠保證，保護裝置能否安全運行將直接影響電力系統的安全穩定運行和國民經濟的發展。隨著微機繼電保護的不斷升級換代，舊水電廠的變壓器保護系統也就面臨著改造更新，因此根據保護特點選擇先進、可靠的產品，合理地進行保護配置非常重要。洋口水電廠2號主變保護升級改造項目在改造過程中結合實際情況設計了升級改造方案，明確技術要求，以科學、合理的安全措施和技術措施保證施工的進度和質量，對提升企業經濟效益和社會效益發揮積極作用，對其它類似水電站變壓器保護改造具有一定的借鑒作用。