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(zé)任公司，福建 南平 353200)

變壓器屬于水電廠電力系統(tǒng)重要組成部分，而繼電保護系統(tǒng)是確保發(fā)電機、變壓器以及水電廠電力系統(tǒng)安全運行的主要系統(tǒng)。因此，需要對水電廠變壓器繼電保護系統(tǒng)加以有效的升級改造，當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)運行故障能夠及時作出保護反應(yīng)，避免嚴(yán)重故障的發(fā)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(jiān)測的技術(shù)原理，有效運行監(jiān)測變壓器早期故障的相關(guān)條件參數(shù)特點，通過分析案例有效排除變壓器在線監(jiān)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(nèi)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)調(diào)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(guān)的各項安全措施。洋口水電廠機組以發(fā)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(jiān)測故障的保護原理

分析新型變壓器鑒于保護原理的基礎(chǔ)上，有效考慮相關(guān)變壓器的勵磁狀態(tài)，分析影響變壓器故障的油箱內(nèi)、外故障原因，主要是油箱內(nèi)故障因各側(cè)的相間短路，導(dǎo)致相關(guān)的“大電流系統(tǒng)測”出現(xiàn)單向接地短路現(xiàn)象，易會造成相同部分導(dǎo)致繞組間出現(xiàn)不同狀況的匝間短路現(xiàn)象[1]。而油箱外故障主要是繞組現(xiàn)象引發(fā)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(cè)、低壓側(cè)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(fā)生短路現(xiàn)象，如出現(xiàn)故障應(yīng)及早盡快切除變壓器，或及時排查不正常運行狀態(tài)，及時預(yù)警并給予相應(yīng)的檢修維護處理措施。有效避免電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常供電而導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備損壞，提升水電廠電力運行安全性、穩(wěn)定性。

3 PST671U型配置主變壓器的保護要點

現(xiàn)代化生產(chǎn)中的變壓器保護設(shè)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(shù)也逐漸應(yīng)用到發(fā)電機變壓器保護中。所以，對于保護技術(shù)的應(yīng)用需要有關(guān)人員按照變壓器具體情況，選擇最佳保護方式[2]。

PST671U數(shù)字式變壓器保護特點主要表現(xiàn)在工藝優(yōu)良、硬件完善、原理簡單、判據(jù)可靠等方面。該變壓器保護裝置使用專業(yè)設(shè)備，硬件系統(tǒng)的設(shè)計和安裝工藝優(yōu)良，不會出現(xiàn)因為硬件設(shè)備受損而導(dǎo)致保護誤動。保護裝置中設(shè)置有高性能數(shù)字信號處理器和其他處理器，現(xiàn)場應(yīng)用雙CPU板實施繼電保護裝置，實現(xiàn)了雙套電氣量保護功能，同時確保采用標(biāo)準(zhǔn)機箱，配置雙CPU系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)出口方式。通過實現(xiàn)雙CPU板邏輯判斷處理相關(guān)的雙AD采樣，才能有效保障兩個CPU系統(tǒng)，實現(xiàn)相互校驗，避免防止硬件異常出現(xiàn)誤動故障現(xiàn)象，繼電保護做好回路設(shè)置出口互鎖，才能全面保護出口跳閘與雙CPU實現(xiàn)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(diào)試操作，通過觀察各側(cè)顯示的電流、電壓以及相位的可視化界面，同時觀察相關(guān)的壓板狀態(tài)以及運行差流情況的相關(guān)量，全面保障完善記錄相關(guān)事件，以及記錄引發(fā)故障錄波的功能內(nèi)容。通過觀察所有電流電壓量產(chǎn)生的故障波形，有效控制差動、諧波等差動保護差流相關(guān)量的顯示情況，隨時觀測相關(guān)量的電流、電壓的向量圖等。另外，保護系統(tǒng)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(xué)設(shè)計配置有效保護組態(tài)。軟件中還添加了防錯、糾錯設(shè)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(xiàn)。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(fù)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(guān)鍵體現(xiàn)重要保護的配置內(nèi)容有：

分析差動保護裝置，有效總結(jié)兩繞組串聯(lián)相關(guān)的變壓器外部短路系統(tǒng)，在實施工程過程中，通過取電流互感器CT1、CT3，構(gòu)成相關(guān)磁平衡的縱差保護裝置，設(shè)置變壓器各側(cè)外附 的CT 呈現(xiàn)不同功能的縱差保護啟動值。從而觀察故障時，串、并聯(lián)變壓器在分析電機特征以及機電保護元件相關(guān)的響應(yīng)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(tài)狀態(tài)過程，有效控制變壓器流入/流出電流相差值的區(qū)間。從而實現(xiàn)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(chǎn)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(wěn)態(tài)比例的差動保護狀態(tài)下，主要采用經(jīng)傅氏變換保護原理，強化變壓器電流出現(xiàn)的差流計算達到區(qū)分差流，有效保障變壓器內(nèi)部、外部故障得到控制及時檢測與維修狀態(tài)，全面提升了穩(wěn)定相關(guān)變壓器出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)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(tài)。當(dāng) CT 斷線閉鎖差動控制字投入時，CT 斷線后，但當(dāng)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(shè)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(tài)下，實現(xiàn)整體控制整定值，以及相關(guān)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(zhì)量生產(chǎn)運行狀態(tài)，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(shè)置的正確值系數(shù)。

分析CSC-326G復(fù)合電壓閉鎖，通過整合變壓器差動保護構(gòu)建模型，實現(xiàn)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(chǎn)生的檢測故障相關(guān)的元件后備保護裝置，從而實現(xiàn)過流保護促進變壓器減少外部、內(nèi)部相間短路的后備保護措施，采用復(fù)合電壓閉鎖的控制方式，有效防止誤動現(xiàn)象發(fā)生，根據(jù)保護裝置設(shè)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(dǎo)致各側(cè)之間出現(xiàn)斷電路現(xiàn)象。保障電流達到取自本側(cè) CT狀態(tài)，保障復(fù)合電壓控制相關(guān)的相間低電壓與負序電壓設(shè)置保護?？爝\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(cè)，方向指向變壓器，最大靈敏角-45°。其動作判據(jù)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(yīng)的相電流大于過流定值。

控制放電間隙設(shè)置方式，采取中性點運行不接地方式，控制變壓器中性點設(shè)置相關(guān)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(shè)置間隙被擊穿控制的后備保護參數(shù)，避免出現(xiàn)延時跳閘等現(xiàn)象發(fā)生。未被擊穿狀態(tài)下，設(shè)置間隙保護控制零序電壓大于整定值狀態(tài)時，采用保護延時的跳閘設(shè)置行為，有效保障監(jiān)測間隙的電流以及觸發(fā)信號，實現(xiàn)平臺故障保護的運行動作。

主保護需要控制油箱內(nèi)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(nèi)部減少各種故障之間的少數(shù)繞組現(xiàn)象發(fā)生，如在發(fā)現(xiàn)故障匝間出現(xiàn)短路狀態(tài)時，控制故障電流有效保障差動保護的安全性、準(zhǔn)確性，及時分辨瞬間切除故障或釋放油箱內(nèi)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(wěn)定操作方式，確保變壓器避免出現(xiàn)空載合閘的勵磁涌流現(xiàn)象。

5 變壓器改造繼電保護干預(yù)的施工措施

在變壓器繼電保護技改中為確保相關(guān)措施實施的有效性、科學(xué)性，需要在改造項目正式開展前做好設(shè)計，明確技術(shù)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(guān)安全措施和技術(shù)措施。安全措施主要包括現(xiàn)場臨時電源管理措施、各類工器具使用管理規(guī)定、特殊作業(yè)安全措施、防止落物傷人措施、防止觸電或感應(yīng)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(shù)措施主要是此次2號主變保護改造安排在3號發(fā)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(tǒng)調(diào)試及傳動試驗2d。因2號主變保護屏頂有小母線，故需開關(guān)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(fā)電機組帶，在全站停電前,廠壩變保護屏直流電源需要設(shè)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(shè)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(tài)。斷開2號主變高壓側(cè)18B斷路器，18B1刀閘，68B1刀閘，在主變高低壓設(shè)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(zhuǎn)冷備用，綜合樓由400V壩區(qū)母線供電，柴油機處于隨時可自啟動熱備用狀態(tài)。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(fù)操作時落實倒閘操作安排并完成相關(guān)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(guān)出現(xiàn)過載情況。柴油機供電期間，現(xiàn)場需有人不間斷進行監(jiān)視，并記錄柴油機運行參數(shù)。在正式開展檢修工作前各檢修負責(zé)人按照檢修方案前往現(xiàn)場向工作人員開展技術(shù)交底和安全交底，做好作業(yè)危險點預(yù)控，交底簽字，最后申報檢修資料，并做好材料準(zhǔn)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(shè)部頒發(fā)的關(guān)于《電氣裝置安裝工程施工及驗收規(guī)范匯編》中相應(yīng)條款要求進行施工，開展全面質(zhì)量管理。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為一次驗收合格率≥95%；一次完成優(yōu)良率≥90%；竣工驗收合格為100%；優(yōu)良率≥95%。

6 結(jié) 語

水電廠變壓器保護系統(tǒng)是變壓器安全生產(chǎn)的可靠保證，保護裝置能否安全運行將直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和國民經(jīng)濟的發(fā)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(tǒng)也就面臨著改造更新，因此根據(jù)保護特點選擇先進、可靠的產(chǎn)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(jié)合實際情況設(shè)計了升級改造方案，明確技術(shù)要求，以科學(xué)、合理的安全措施和技術(shù)措施保證施工的進度和質(zhì)量，對提升企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益發(fā)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。