海洋石油平臺變壓器繼電保護研究

李童

（海洋石油工程（青島）有限公司， 山東 青島 266520）

變壓器作為海洋平臺電力系統(tǒng)中的主要設備，其運行是否可靠，對石油生產(chǎn)有著重要影響。變壓器運行過程中受過電壓、過電流、過負荷等多種因素干擾，應采取必要的措施進行繼電保護，使設備高效率地運行。提高變壓器的運行效率和電能質量，及時排除設備故障，是電力系統(tǒng)中的關鍵問題。本文探討了變壓器繼電保護器配置方法，并結合實際情況分析了幾種保護方案[1]。

1 變壓器繼電保護器裝置

變壓器繼電保護器具有高靈活度、高精度、高容量的特點。功能豐富，保護完善，性能穩(wěn)定。同時具備防塵、防水、防電磁干擾、抗震的先進性能，強大的硬件擴充能力，可根據(jù)需要擴展開入開出[1]。

圖1 就地控制面板外觀

2 變壓器保護原理

2.1 差動保護

保護裝置具有許多靈活的選項和邏輯功能，保護既可以設置啟動元件，也可以選擇實時計算。對于零序濾過功能各側均可投退；對于幅值和向量自動補償和校正。二次CT全采用星形接法，方便接線。差動保護分比率制動差動和二段差動速斷保護，其中第一段差速斷保護經(jīng)CT飽和判別閉鎖，第二段差速斷保護不經(jīng)任何閉鎖。

對兩繞組保護，差動電流與制動電流的計算式為：

對三繞組保護，差動電流與制動電流的計算式為：

（1）比率差動元件

差動保護裝置的跳閘特性有兩個拐點，第1個拐點與啟動門檻值DIFF:If，PSx的設定有關，跳閘特性的第2個拐點由DIFF:Im，PSx的整定定義。三個不同范圍的特性等式如下所述，圖2表示了其跳閘特性。

0.5If＜IR≤Im范圍的特性等式為：

IR＞Im范圍的特性等式為：

其中：Iref為參考電流；m1為0.5If＜IR≤Im范圍內(nèi)的特性斜率，m2為IR＞Im范圍內(nèi)的特性斜率。

圖2 比率差動元件動作特性

（2）差動速斷元件

當差動電流在上述的可調(diào)門檻DIFF:If＞PSx之上時，將直接跳閘而不考慮諧波制動及過激磁制動；如果差動電流超過可調(diào)門檻DIFF:If＞＞PSx，也不考慮制動電流及飽和檢測，而不管制動量為多少以及飽和檢測器的結果如何，繼電保護裝置將直接去跳閘。

（3）勵磁涌流、過激磁及CT飽和判別元件

對差動電流進行過濾，判別出差動電流的基波分量I(f0)及二次諧波分量I(2×f0)，如果至少有一個測量系統(tǒng)中的I(2×f0)/I(f0)之比超過某一可調(diào)值，則可選擇下列方式之一對跳閘進行閉鎖：

閉鎖所有三相測量系統(tǒng)；有選擇性地閉鎖某一相測量系統(tǒng)。

如果差動電流超過設定的門檻值DIFF:If＞PSx，則不進行閉鎖。

對于過激磁判別，繼電保護裝置檢測出基波分量I(f0)及5次諧波分量I(5×f0)，如果其中一個測量系統(tǒng)中的變比I(5×f0)/I(f0)超過設定值I(5×f0)/I(f0) PSx且制動電流小于4Iref，則可以有選擇性地閉鎖測量系統(tǒng)的跳閘。

對于CT飽和判別，在制動電流每次過零點時，由飽和檢測器監(jiān)視差動電流發(fā)生的時間。對內(nèi)部故障，差動電流隨著制動電流一起在過零點后出現(xiàn)。但是，在變換器飽和時的電流流通情況中，只有在變換器開始飽和才出現(xiàn)有差動電流。因此，根據(jù)與制動電流的比較，監(jiān)視差動電流的值，相應地產(chǎn)生一個閉鎖信號，以實現(xiàn)所希望的穿越性電流制動。當檢測到外部故障時，對測量系統(tǒng)施加閉鎖限制。

如果差動電流超過設定的門檻值DIFF:If＞＞PSx，則不進行閉鎖[2]。

2.2 零序差動保護

每個變壓器繞組可以有一個零序差動保護，最多可以三側均有一個零序差動保護，繼電保護裝置對某一零序差動保護功能相關的繞組進行顯示。零序差動保護功能所連接的繞組及動作的繞組用繞組代號表示，如“a”，同樣的考慮方式也使用于繞組“b”和“c”。

零序差動保護基于比較相關變壓器繞組的相電流矢量和IN與中性點電流IY0繼電保護裝置生成相電流的矢量和。保護裝置根據(jù)標稱容量自動作幅值補償。

繼電保護裝置將得到的幅值匹配電流IN及IY按下式計算出差動電流及制動電流：

另外，差動電流等式適用于保護對象有相對統(tǒng)一定義電流方向的情況下，即兩個電流均指向保護對象或均離開保護對象。

零序差動保護功能的跳閘特性，特性等式如下：

其中IfNa:If＞PSx整定值：

圖3 零序差動保護跳閘特性

2.3 定時限過流保護

在繼電保護裝置中實現(xiàn)有三個定時限過流保護功能（DTOC1、DTOC2及DTOC3）?？蓪⒚恳粋€定時限過流保護用于變壓器的其中一側或用于由用戶選擇的變壓器其中兩側電流之和構成的虛擬側。

對每一DTOC功能，有一個整定參量以用于用戶分配。于是DTOC功能就可監(jiān)視所選擇的相電流、負序電流及零序電流。

繼電保護裝置用三段功能監(jiān)視三相電流、負序電流和零序電流，以檢測其何時超過其設定的門檻。另外，可以激活兩個不同的門檻值類型。在設定的保持時間內(nèi)激活門檻值；當保持時間不運行時，激活門檻值，如果相應電流超過設定的門檻值，則啟動定時段。一旦這些定時段計時到，就發(fā)出一個跳閘信號?？赏ㄟ^相應配置的二進制信號輸入閉鎖該定時段。DTOC功能的第一段可選擇由差動保護的涌流制動功能進行閉鎖。

另外，過流保護設置了一個總啟動信號，如果電流超過其中一個相電流段的門檻值，就發(fā)出一個總啟動的判別信號。用戶可選擇在總啟動判別中是否考慮零序電流段。總啟動觸發(fā)一個定時段，在該定時段計時到后發(fā)出一個信號[3]。

2.4 反時限過流保護

在繼電保護裝置中實現(xiàn)有三個反時限過流保護功能（IDMT1、IDMT2及IDMT3）?？蓪⒚恳粋€反時限過流保護用于變壓器的其中一側或用于由用戶選擇的變壓器其中兩側電流之和構成的虛擬側。

對每一IDMT功能，有一個整定參量以用于用戶分配。于是IDMT功能就可監(jiān)視所選擇的相電流、負序電流及零序電流，實現(xiàn)反時限過流，負序過流及零序過流保護。

IDMT保護功能可選擇由差動保護的涌流制動功能進行閉鎖。

可通過相應配置的二進制信號輸入閉鎖反時限段。另外，根據(jù)設定，對單相或多相啟動可自動閉鎖反時限段。

反時限過流保護設置了一個總啟動信號，如果一相電流超過1.05倍的設定參考電流，就發(fā)出一個總啟動的判別信號。用戶可選擇在總啟動判別中是否考慮零序電流段?？倖佑|發(fā)一個定時段，在該定時段計時到后發(fā)出一個信號。

2.5 熱過負荷保護

THRM1設計用作變壓器的熱過負荷保護?？稍谒挟a(chǎn)品系列裝置中具有該功能，有相同整定選項的第二個功能THRM2。

對兩個功能中的每一種，均可選擇所保護的變壓器側、溫度采集的測量輸入及跳閘特性。所保護的變壓器側選項包括：a側、b側、c側或d側?？蛇M一步選擇由用戶選擇的變壓器其中兩側電流之和構成的虛擬側。

功能THRM2可分配給變壓器弱點源側或兩個弱電源側構成的一個組合，帶有功能THRM2相應的跳閘特性選擇。

按照IEC255-8，用所選變壓器測的最大相電流IPmax.y來跟蹤一階模型的熱映像特性。

保護對象的溫度由IPmax.y計算出，并在THRM1上進行顯示，冷卻器的溫度也可通過PT100輸入或通過20mA輸入測量，或者使用缺省的溫度值，其選擇由THRM1設定進行控制。所得到的冷卻器溫度的菜單顯示點為THRM1，保護對象所允許的最大溫度設定與冷卻器所允許的最大溫度之差值可在THRM1上顯示出。

跳閘特性由下列等式定義：

對運行方式的設定可選擇為絕對或相對模擬特性。如果整定為絕對模擬，則將以100%的固定跳閘門檻Θtrip動作。

2.6 電壓保護

繼電保護裝置檢測輸入的單相電壓，判斷其是否超過設定的門檻值之上或降低至設定的門檻值之下。在經(jīng)過一定時段延時后，保護將動作。該保護可通過相應配置的二進制信號輸入進行閉鎖。保護提供二段過電壓和二段低電壓及一暫態(tài)延時。

另外，帶時限的電壓保護對每一定時段提供有一個窗口功能，用V＜＞：Vmin PSx整定定義兩個定時段的下限值，用參量子集及相關定時段的V＜或V＜＜動作整定值定義上限值。采用這種方式，在切換操作電壓消失的短時間內(nèi)，可用后續(xù)定時段無壓的判斷進行相應整定值的配合[4]。

2.7 過頻和低頻保護

繼電保護裝置檢查電壓以判別其是否超過或低于所設定的門檻值，裝置根據(jù)電壓過零點的時間差來確定頻率。過頻/低頻保護共有4段。過頻/低頻保護需要有足夠幅值的測量電壓，如果測量電壓低于低電壓段所設定的門檻值，則瞬時閉鎖過頻/低頻保護。

為防止由于一般的頻率波動或干擾而引起頻率段啟動，可由用戶設定判斷時間。要發(fā)動作信號須至少在設定的判斷時段內(nèi)滿足動作條件。

對過頻/低頻保護功能的每一段，用戶可在下列運行方式中作選擇：頻率監(jiān)視；與頻率微分量組合的頻率監(jiān)視；與平均頻率差變化量組合的頻率監(jiān)視。

2.8 過激磁保護

過激磁保護對參考到標幺值的電壓頻率比V/f進行判別，該變比與互感器鐵芯中的感應成正比，如果電壓頻率不在允許的限值范圍內(nèi)，就不開放過激磁測量。裝置設一定時限和一反時限段。

定時限過激磁對V/f進行監(jiān)視以確定其是否超過設定的門檻值，如果發(fā)現(xiàn)過激磁值超過該門檻值，則觸發(fā)一個定時器，在該定時段計時到后，發(fā)出一個信號。

反時限跳閘特性的過激磁通過定義對過激磁值及相關的跳閘時間值來進行設定，可通過插值得到中間值，用單調(diào)下降特性來檢查特性設定的正確性。對V/f＞1.6的值，將跳閘時間限制為V/f=1.6時的設定值。

3 結語

變壓器是海洋平臺電力系統(tǒng)中的關鍵的電氣設備，本文對變壓器繼電保護進行了分析，提出了部分解決方案。繼電保護裝置在石油平臺變壓器中的應用，有效地清除了部分安全隱患，是避免電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障的重要元件，促進了電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化水平，進一步帶動我國石油工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

◆參考文獻

[1] 賀家李. 電力系統(tǒng)繼電保護原理與實用技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 葛來龍，倪維東，朱桂權. 空投變壓器的勵磁涌流分析及相關應用[J].裝備制造技術，2009，(10)：160-163.

[3] 王維儉. 電氣主設備繼電保護原理與應用（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2002.

[4] GB/T 50062-2008，電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規(guī)范[S].