淺談電力變壓器繼電保護設(shè)計

王琪

[摘 要]本文對電力變壓器繼電保護設(shè)計進(jìn)行了探討，分析了電力變壓器繼電保護的工作原理，介紹了電力變壓器繼電保護的基本構(gòu)成，指出了電力變壓器繼電保護系統(tǒng)常見的故障類型，具有一定的參考價值與指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]電力工程；變壓器；繼電保護；設(shè)計分析

中圖分類號：TM41；TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）47-0399-02

1 導(dǎo)言

近幾年來，隨著我國電力工業(yè)水平的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模與日俱增，且網(wǎng)絡(luò)的密集程度也有了較為明顯的增長。在整個電氣系統(tǒng)當(dāng)中，作為一種極其重要的電氣設(shè)備，電力變壓器繼電系統(tǒng)充當(dāng)著一個負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換的中間橋梁的角色。電力變壓器很容易受到外接負(fù)荷的作用，因此在其工作期間可能會出現(xiàn)各種類型的故障，將對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成直接的影響，甚至?xí)Υ笕萘康淖儔浩髟斐梢欢ǔ潭鹊膿p壞。是以，為使供電的安全、可靠性具有一定的保障，就必須根據(jù)具體的工作情況設(shè)置相應(yīng)的繼電保護裝置。

2 電力變壓器繼電保護的工作原理

位于電力系統(tǒng)這的繼電保護的故障目的就是抱著電力系統(tǒng)運行安全，其這一目的不會伴隨著其工作狀態(tài)的變化而發(fā)生改變。但是電力系統(tǒng)這變壓器的繼電保護工作原理和其工作的基本原理并不相同，只有在系統(tǒng)中進(jìn)行確認(rèn)和測量不同環(huán)節(jié)程序的故障狀態(tài)才能保證繼電保護工作狀態(tài)的良好。然后注逐一分析其不同工作狀態(tài)下的不同參數(shù)，在依據(jù)整合后的數(shù)據(jù)找出其存在的不同點，以此產(chǎn)生不一樣的概念原理。在正常運行中的繼電保護系統(tǒng)，其工作原理的步驟為測量、邏輯、執(zhí)行。若在繼電保護的運行這出現(xiàn)了問題就會出現(xiàn)一些運行的故障，為了對工作的狀態(tài)進(jìn)行測量和分析，就需要利用正常工作狀態(tài)的物理量和問題出現(xiàn)后的物理量加以對比。

3 電力變壓器繼電保護的基本構(gòu)成

經(jīng)過長時間的發(fā)展與演變，如今電力變壓器繼電保護系統(tǒng)已逐步發(fā)展到了微機型的繼電保護系統(tǒng)的狀態(tài)，該類型的電力變壓器繼電保護系統(tǒng)主要由3部分組成。①電力系統(tǒng)信號采集部分。其主要功能是收集并整理電力系統(tǒng)內(nèi)部的電力數(shù)值的情況，然后將其收集整理的數(shù)據(jù)通過有效的傳遞方式提交給電力系統(tǒng)繼電保護部分。②電力系統(tǒng)的信號處理部分。其能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)信號采集整理的信號進(jìn)行處理，并以有效的方式對相關(guān)問題進(jìn)行分類與處理。③信號輸出部分。該部分是十分重要的一環(huán)節(jié)，信號輸出部分可以有效地將輸出信號的指令精準(zhǔn)無誤地發(fā)送給電力系統(tǒng)，從而保障調(diào)節(jié)工作的順利進(jìn)行。

4 電力變壓器繼電保護系統(tǒng)的故障類型及不正常的工作狀態(tài)

根據(jù)目前的知識，我們可以將電力變壓器的故障簡要分為兩種類型：油箱內(nèi)部故障與油箱外部故障。前者指的是發(fā)生在變壓器內(nèi)部（同時包括高壓側(cè)與低壓側(cè)兩個部分）的相間短路、單相接地短路以及鐵芯繞損等問題。值得注意的是，變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時危險系數(shù)極高，該故障發(fā)生時所產(chǎn)生的電弧不僅會損毀纏繞組的絕緣部分，燒壞鐵芯，同時，由于絕緣材料和變壓器油在受熱分解的情況下會產(chǎn)生大量的氣體，很容易使變壓器的油箱發(fā)生爆炸，具有相當(dāng)大的危險性，因此這些故障在繼電保護過程中應(yīng)該被盡快排除。此外，油箱外部故障則主要指變壓器繞組引出線與絕緣套管發(fā)生相間短路以及接地短路的現(xiàn)象。

電力變壓器繼電保護系統(tǒng)的不正常運行工作狀態(tài)主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。其一，由變壓器外部短路而產(chǎn)生的過電流及變壓器外部接地而產(chǎn)生的過電流；當(dāng)實際負(fù)荷超過額定負(fù)荷容量而引起的過負(fù)荷狀態(tài)；由油箱漏油導(dǎo)致的油面降低以及當(dāng)冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時產(chǎn)生的溫度升高等現(xiàn)象。與此同時，當(dāng)其磁通量密度接近鐵芯的飽和磁通量密度時，對于大容量的變壓器而言，還很有可能會發(fā)生變壓器過勵磁故障等。以上的這些非正常的工作狀態(tài)都會給鐵芯、繞組等一些其他的金屬構(gòu)件造成不利的影響，從而對變壓器的絕緣效果造成不同程度的威脅。

除此之外，還有容量比較大的變壓器在額定工作狀態(tài)時，其磁通的密度和新芯的飽和磁同密度相接近。在運行狀態(tài)、方式不正常的狀態(tài)下，（比如：低頻率和過電壓）還會導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)過勵磁的故障。綜上所述，這些不正常、不合理的運行方式、狀態(tài)，都會讓鐵芯、繞組、或者別的金屬構(gòu)件產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象，使變壓器絕緣受到很大的威脅。

5 電力變壓器繼電保護設(shè)計優(yōu)化方法

5.1 電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)備

對主變壓器和線路進(jìn)行保護，并對線路的電流進(jìn)行保護工作。我們知道，在電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)正常的情況下，并且當(dāng)負(fù)荷電流流過輸電線路的時候，額定電壓為母線。而輸電系統(tǒng)一旦發(fā)生故障（如：斷路）的時候，回路線路上面就會有斷路電流經(jīng)過，并且，母線的電壓也會被降成殘余電壓。而出現(xiàn)殘余電壓這一情況的時候，裝置的測量部分會出這個信號的特征進(jìn)行反映，電壓保護會在線路上進(jìn)行。要是發(fā)生了嚴(yán)重的短路故障，就會使用順勢電流，來進(jìn)行速斷保護。其設(shè)定的電流動作，必須要按照在躲過本線的路末端短路的時候，所流過保護的最大電流來進(jìn)行設(shè)定。如果需要對保護范圍進(jìn)行擴大的時候，就一定要使用速斷電流保護，因為這種保護方法能夠使線路全長都得到保護，并且可以延伸到相鄰的線路的一部分。

5.2 差動保護設(shè)計

將變壓器兩側(cè)的電流互感器二次側(cè)按正常時的“環(huán)流接線”是變壓器差動保護動作電流設(shè)計的原則。如果變壓器處于正常運行的狀態(tài)，那么差動繼電器中的電流為其兩側(cè)電流互感器CT的二次電流之差，其數(shù)值趨于0。如果差動繼電器不發(fā)生任何動作，那么其保護也不會有任何作為。也就是說，如果在電流互感器二次回路端線，并且變壓器處于最大符合的狀態(tài)下，差動保護是不會產(chǎn)生任何動作的。隨著計算機芯片性能的提升，對位于變壓器1套保護裝置中所具有的主保護以及各側(cè)全部后備保護的兩套主變壓器微機型保護裝置進(jìn)行了全力開發(fā)，其成果已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實際工程中。所以，在330kV及以上高壓側(cè)電壓的變壓器可以采用安裝雙重差動保護的方法對電力變壓器引出線、套管及其內(nèi)部短路故障進(jìn)行反應(yīng)，從而實現(xiàn)有效反應(yīng)電力變壓器繞組及其引出線的多相短路及繞組匝間短路的縱聯(lián)差動保護，同時也可以將電流速斷保護作為主保護，另外也能達(dá)到將瞬時動作于斷開各側(cè)斷路器的目的。

5.3 瓦斯保護設(shè)計

除了瓦斯保護可以動作，像差動保護以及其他有關(guān)保護設(shè)計通常是都不能進(jìn)行動作的。瓦斯保護主要是依靠氣體繼電器來實現(xiàn)動作的，其位于變壓器油箱和油枕之間的連接導(dǎo)油管中。瓦斯保護主要有兩種：①首先輕瓦斯保護動作于信號，然后依照氣體的屬性，包括：顏色、可燃性、數(shù)量以及化學(xué)成分來判斷保護的理由以及電力變壓器繼電保護裝置故障的性質(zhì)。根據(jù)此有關(guān)工作人員則可以及時察覺故障的發(fā)生并有針對性地對故障進(jìn)行相關(guān)處理。②首先重瓦斯保護動作于斷路器跳閘，然后通過監(jiān)視確定氣體發(fā)生的速度，并對氣體的不同特征以及相關(guān)成分進(jìn)行剖析，從而根據(jù)有關(guān)分析間接地推測、判斷造成故障發(fā)生的原因、故障出現(xiàn)的部位和以及故障的嚴(yán)重程度。

5.4 過電流保護設(shè)計

①低壓變壓器過電流保護設(shè)計。三相式三卷變壓器通常用于變壓器低壓側(cè)，而在壓側(cè)短路時高、中壓側(cè)的阻抗保護通常無法發(fā)揮作用，起不到保護功能，因此難以達(dá)成作為相鄰元件所具有的后備保護需求。在這種情況下可以在低壓側(cè)安置復(fù)合電壓閉鎖過流保護，并同時在其高、中壓側(cè)都設(shè)計并安裝復(fù)合電壓閉鎖過流保護以及零序方向過電流保護或間隙保護等。②高壓變壓器的保護設(shè)計。在電力變壓器高壓側(cè)的過電流保護對低壓側(cè)母線規(guī)定有靈敏系數(shù)的時候，可以在電力變壓器低壓側(cè)斷路器和電力變壓器高壓側(cè)短路器上設(shè)計安裝有關(guān)的過電流保護裝置。如果電力變壓器低壓側(cè)母差保護發(fā)生校驗停運現(xiàn)象，或者是因為故障出現(xiàn)拒動問題以及開關(guān)與TA間出現(xiàn)不正常現(xiàn)象的時候，過電流保護裝置則可以作為電力變壓器低壓側(cè)母線的主保護以及后備保護。不過需要注意的是，一旦出現(xiàn)的是非金屬性短路，在經(jīng)過弧光短路的時候，則容易出現(xiàn)阻抗保護靈敏度不足以及整定延時超過2s等情況。基于以上分析，應(yīng)該在電力變壓器的高壓側(cè)也安裝一個保護變壓器熱穩(wěn)定的反時限過流保護裝置，并且該裝置的整定值必須根據(jù)電力變壓器的熱穩(wěn)定要求進(jìn)行設(shè)置。另一方面在電力變壓器的低壓側(cè)應(yīng)當(dāng)另行設(shè)計保護，或者可以在電力變壓器低壓側(cè)的中性線上實際零序電流保護裝置。值得關(guān)注的是，需要根據(jù)中性線不平衡電流不超過變壓器額定電流的25%的要求設(shè)計動作電流。③負(fù)序過電流保護設(shè)計。在按照相間后備保護遠(yuǎn)后備原則進(jìn)行配置的時候，必須避免被保護電力變壓器所連接相鄰線路發(fā)生一相斷線時，在流過保護安裝位置的時候出現(xiàn)負(fù)序電流。另外為了不引起負(fù)序過電流保護出現(xiàn)非選擇性動作，在靈敏度方面應(yīng)當(dāng)配合相鄰線路零序電流保護的后備段。

5.5 高壓變壓器的保護設(shè)計

若過電流保護在高壓側(cè)的變壓器規(guī)定了低壓側(cè)母線的靈敏系數(shù)時，過電流保護要設(shè)置在變壓器高壓側(cè)的斷路器這和低壓側(cè)的斷路器這，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)出現(xiàn)故障拒動、TA與開關(guān)間故障或是保護校驗停運的時候，要將此裝置作為低壓側(cè)的后備保護或是主保護。但是在特殊情況下，例如，非金屬材質(zhì)的短路。在經(jīng)過弧光短路的時候，阻抗保護會出現(xiàn)整定延時大于2.0s或者阻抗保護的靈敏度下降。所以，最好的解決辦法就是將一個保護變壓器熱穩(wěn)定的反時限過流保護設(shè)置在高壓側(cè)，并且變電器的熱穩(wěn)定要求決定整定的電流數(shù)值。

6 繼電保護需要注意的事項

一般性檢查。我們知道，在電力系統(tǒng)中，檢查保護裝置，是最為重要的環(huán)節(jié)之一。它有著非常大的作用和意義?？墒牵诰唧w的操作過程中，檢查工作總是會被人們所忽視。對于這一現(xiàn)象，我們必須加以重視。一般情況下，檢查工作有以下幾個方面：

（1）必須要使屏障的接地、以及保護屏中各個機箱、在屏內(nèi)的排銅上面相接。一般情況下，如果所購買的廠家能夠確保其不存在質(zhì)量問題的話，那么是要檢查一下異常情況有無發(fā)生就可以了。

（2）電壓回路、電流的接地工作，必須要保證其可靠安全，比如：要是接在了端子箱的上面，就一定要對端子箱進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保其安全可靠。

（3）定值區(qū)問題。定值區(qū)在計算的保護工作中，是一個非常好的有點。它能夠在很多個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行定值工作，這樣，不但使電網(wǎng)的運行方法得到了很大程度上的方便，而且，在更改線路的時候，也能有一定的作用。

結(jié)束語

總而言之，從以上的分析當(dāng)中我們不難看出，電力變壓器繼電保護系統(tǒng)在整個電力系統(tǒng)之中占據(jù)著十分重要的位置。因此，相關(guān)工作人員對于電力變壓器繼電保護系統(tǒng)當(dāng)中可能存在的故障與問題應(yīng)該及時進(jìn)行解決，以充分保證電力系統(tǒng)的正常運行工作。與此同時，通過以往的工作經(jīng)驗以及調(diào)查研究，我們會發(fā)現(xiàn)，二次回路故障和電流互感器故障等問題是電力變壓繼電保護系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)的問題。對此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)針對這一方面進(jìn)行積極的研究和改進(jìn)，這一舉措將具有重大的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 莊重.關(guān)于電力變壓器繼電保護設(shè)計的探究[J].黑龍江科技信息，2016，（36）：34.[2017-08-10].

[2] 姜偉.對電力變壓器繼電保護設(shè)計的探討[J].低碳世界，2016，（28）：56-57.[2017-08-10].DOI：10.16844/j.cnki.cn10-1007/tk.2016.28.034

[3] 康璐.35kv降壓變壓器繼電保護設(shè)計[J].黑龍江科技信息，2016，（25）：23.[2017-08-10].