電力變壓器的縱差保護(hù)技術(shù)探究

李江祖 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 102206

電力變壓器的縱差保護(hù)技術(shù)探究

李江祖 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 102206

變壓器內(nèi)部的電氣故障形式主要有各側(cè)繞組的匝問短路、中性點(diǎn)直接接地側(cè)繞組的單相接地短路、內(nèi)部引線和套管故障、各側(cè)繞組相間短路等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，變壓器保護(hù)正確動(dòng)作率遠(yuǎn)低于發(fā)電機(jī)保護(hù)和220～500kV線路保護(hù)。本文主要分析電力變壓器的縱差保護(hù)技術(shù)。

電力；變壓器；縱差保護(hù)

電力變壓器是電力系統(tǒng)中普遍使用且十分重要的電氣主設(shè)備。變壓器的故障包括單相繞組的匝間短路、繞組及引出線的相間短路、中性點(diǎn)接地側(cè)的單相接地短路、鐵芯燒壞等。變壓器的不正常運(yùn)行方式有變壓器外部故障(相間、接地)時(shí)引起的過電流、中性點(diǎn)過電壓、變壓器長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷、過勵(lì)磁、油面降低、溫度過高等。

1 電力變壓器的保護(hù)配置

為了保證變壓器的安全運(yùn)行，應(yīng)按照變壓器可能發(fā)生的故障和不正常運(yùn)行方式，裝設(shè)靈敏、快速、可靠和選擇性好的完善的保護(hù)裝置。根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，變壓器一般應(yīng)裝設(shè)如下繼電保護(hù)裝置：1)反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)部各種短路故障和油面降低的瓦斯保護(hù)；2)反應(yīng)變壓器繞組、引出線、套管內(nèi)短路的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)或電流速斷保護(hù)；3)反應(yīng)變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)(或電流速斷保護(hù))后備的過電流保護(hù)(低電壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)、復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過流保護(hù)、負(fù)序過電流保護(hù))；4)反應(yīng)大電流接地系統(tǒng)中變壓器外部接地短路的零序電流保護(hù)、零序過電壓保護(hù)；5)反應(yīng)變壓器對(duì)稱過負(fù)荷的過負(fù)荷保護(hù)；6)反應(yīng)變壓器過勵(lì)磁的過勵(lì)磁保護(hù)；7)其他非電量保護(hù)，如溫度保護(hù)等。另外，由于大型變壓器在電力系統(tǒng)中的重要性，目前國(guó)家電力部門相關(guān)規(guī)程要求電氣故障的保護(hù)實(shí)行主保護(hù)和后備保護(hù)雙重化配置，以確保變壓器及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 變壓器縱差保護(hù)的基本原理

變壓器的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)(簡(jiǎn)稱縱差保護(hù))用來反映變壓器繞組、引出線及套管上的各種短路故障，廣泛運(yùn)用于各種大中型變壓器保護(hù)中，是變壓器的主保護(hù)之一?？v差保護(hù)是通過比較被保護(hù)的變壓器兩側(cè)電流的大小和相位在故障前后的變化而實(shí)現(xiàn)保護(hù)的。為了實(shí)現(xiàn)這種比較，在變壓器兩側(cè)各裝設(shè)一組電流互感器T A l、TA2，其二次側(cè)按環(huán)流法連接(通常變壓器兩端的電流互感器一次側(cè)的正極性端子均置于靠近母線的一側(cè)，而二次側(cè)的同極性端子相連接組成差動(dòng)臂，再將差動(dòng)繼電器的線圈跨接在差動(dòng)臂上)，構(gòu)成縱差保護(hù)。變壓器的縱差保護(hù)與輸電線路的縱差保護(hù)相似，工作原理相同，但由于變壓器具有變比和接線組別等特殊情況，為了保證變壓器縱差保護(hù)的正常運(yùn)行，必須選擇好變壓器兩側(cè)電流互感器的變比和接線方式，保證變壓器在正常運(yùn)行和外部短路時(shí)兩側(cè)的二次電流大小相等、方向相同。其保護(hù)范圍為兩側(cè)電流互感器TAl、TA2之間的全部區(qū)域，包括變壓器的高、低壓繞組、套管及引出線等。

3 變壓器差動(dòng)保護(hù)的性能特征

3.1 變壓器差動(dòng)保護(hù)的特征

3.1.1 差動(dòng)速斷及比率差動(dòng)保護(hù)性能。

3.1.1.1 差動(dòng)速斷保護(hù)實(shí)質(zhì)上為反應(yīng)差動(dòng)電流的過電流繼電器，用以保證在變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)快速動(dòng)作跳閘，典型出口動(dòng)作時(shí)間小于15ms。

3.1.1.2 比率差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性，能可靠躲過外部故障時(shí)的不平衡電流。

3.1.2 采用軟件調(diào)整變壓器各側(cè)電流的平衡系數(shù)方法，把各側(cè)的額定電流都調(diào)整到保護(hù)裝置的額定工作電流(5A或1A)。

3.1.3 采用可靠的電流互感器斷線報(bào)警閉鎖功能，保證裝置在電流互感器斷線及交流回路故障時(shí)不誤動(dòng)。

3.1.4 采用變壓器接線方式整定的方法，使軟件適用于變壓器的任一接線方式。

3.1.5 該裝置算法的突出特點(diǎn)是在較高采樣率的前提下，保證了在故障全過程對(duì)所有繼電器的并行實(shí)時(shí)計(jì)算，裝置有很高的固有可靠性及動(dòng)作速度。

3.2 變壓器縱差保護(hù)與發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的不同

變壓器縱差保護(hù)與發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)一樣，也可采用比率制動(dòng)方式或標(biāo)積制動(dòng)方式達(dá)到外部短路不誤動(dòng)和內(nèi)部短路靈敏動(dòng)作的目的。但是變壓器縱差保護(hù)在以下幾方面顯著不同于發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)：(1)變壓器各側(cè)額定電壓和額定電流各不相等，因此各側(cè)電流互感器的型號(hào)一定不同，而且各側(cè)三相接線方式不盡相同，所以各側(cè)相電流的相位也可能不一致，這將使外部短路時(shí)不平衡電流增大，所以變壓器縱差保護(hù)的最大制動(dòng)系數(shù)比發(fā)電機(jī)的大，靈敏度相對(duì)較低。(2)變壓器高壓繞組常有調(diào)壓分接頭，有的還要求帶負(fù)荷調(diào)節(jié)，使變壓器縱差保護(hù)已調(diào)整平衡的二次電流被破壞，不平衡電流增大，這將使變壓器縱差保護(hù)的最小動(dòng)作電流和制動(dòng)系數(shù)都要相應(yīng)的加大。(3)對(duì)于定子繞組的匝間短路，發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)完全沒有保護(hù)作用。變壓器各側(cè)繞組的匝間短路，通過變壓器鐵芯磁路的耦合，改變了各側(cè)電流的大小和相位，使變壓器縱差保護(hù)對(duì)匝間短路起保護(hù)作用。(4)無(wú)論變壓器繞組還是發(fā)電機(jī)定子繞組的開焊故障，完全縱差保護(hù)均不能動(dòng)作，但變壓器還可依靠瓦斯保護(hù)或壓力保護(hù)。(5)變壓器縱差保護(hù)范圍除包括各側(cè)繞組外，還包括變壓器的鐵芯，即變壓器縱差保護(hù)區(qū)內(nèi)不僅有電路還有磁路，這就違反了縱差保護(hù)的理論基礎(chǔ)——基爾霍夫電流定律。對(duì)于僅包括電路的縱差保護(hù)對(duì)象(如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、母線、電抗器等)本身沒有故障時(shí)，不管外部發(fā)生什么擾動(dòng)，恒有諸端電路的相量和為零。

4 電力變壓器的縱差保護(hù)技術(shù)

4.1 變壓器調(diào)壓分接頭位置改變而產(chǎn)生的不平衡電流

電力系統(tǒng)中常用調(diào)整變壓器調(diào)壓分接頭位置的方法來調(diào)整系統(tǒng)的電壓。調(diào)整分接頭位置實(shí)際上就是改變變壓器的變比，其結(jié)果必然將破壞兩側(cè)電流互感器二次電流的平衡關(guān)系，產(chǎn)生了新的不平衡電流，需要重新改變平衡繞組匝數(shù)來予以平衡。但對(duì)于帶負(fù)荷調(diào)整變壓器分接頭，由于是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的要求隨時(shí)都可進(jìn)行的，所以在縱差保護(hù)中不可能采用改變平衡繞組匝數(shù)的方法來及時(shí)加以平衡。因此，在帶負(fù)荷調(diào)壓的變壓器縱差保護(hù)中，應(yīng)在整定計(jì)算時(shí)加以考慮，即用提高保護(hù)動(dòng)作電流的方法來躲過這種不平衡電流的影響。

4.2 變壓器接線組別的影響及其補(bǔ)償措施

三相變壓器的接線組別決定了變壓器兩側(cè)的電流相位關(guān)系，以常用的Y，d11接線的電力變壓器為例，高、低壓側(cè)電流之間就存在著30零的相位差。這時(shí)，即使變壓器兩側(cè)電流互感器二次電流的大小相等，也會(huì)在差動(dòng)回路中產(chǎn)生不平衡電流。為了消除這種不平衡電流的影響，就必須消除變壓器兩側(cè)電流的相位差。(1)常規(guī)保護(hù)的補(bǔ)償方法。通常都是將兩側(cè)電流互感器按“相位補(bǔ)償法”進(jìn)行連接，即將變壓器星形接線側(cè)電流互感器的二次繞組接成三角形，而將變壓器三角形接線側(cè)電流互感器的二次繞組接成星形，以便將電流互感器二次電流的相位校正過來。

4.3 變壓器勵(lì)磁涌流的影響及防止措施

由于變壓器的勵(lì)磁電流只流經(jīng)它的電源側(cè)，故造成變壓器兩側(cè)電流不平衡，從而在差動(dòng)回路內(nèi)產(chǎn)生不平衡電流。在正常運(yùn)行時(shí)，此電流很小，一般不超過變壓器額定電流的3%～5%。外部故障時(shí)，由于電壓降低，勵(lì)磁電流也相應(yīng)減小，其影響就更小。因此，由正常勵(lì)磁電流引起的不平衡電流影響不大，可以忽略不計(jì)。但是，當(dāng)變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，可能出現(xiàn)很大的勵(lì)磁涌流，其值可達(dá)變壓器額定電流的6～8倍。因此，勵(lì)磁涌流將在差動(dòng)回路中引起很大的不平衡電流，可能導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)作。勵(lì)磁涌流，就是變壓器空載合閘時(shí)的暫態(tài)勵(lì)磁電流。

[1]邵玉槐主編.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].中國(guó)電力出版社，2008.6：98-99

[2]閻偉，吳波，張曉青等編著.電工實(shí)用技術(shù)入門與提高[M].人民郵電出版社，2010.06：67-68

[3]中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)電氣分會(huì)主編.建筑供配電新技術(shù)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.02：102

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.058

李江祖，男，甘肅蘭州人，1982年10月職稱：助理工程師，本科，專業(yè)：電氣系統(tǒng)及其自動(dòng)化。