淺析電力變壓器繼電保護設計

尹義武，曾春花

1.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北黃岡 438600

2.湖北白蓮河水電有限公司，湖北黃岡 438200

0 引言

電力變壓器是電力系統中極其重要的電氣設備，它在整個電力系統中起轉換樞紐的作用，變壓器的安全運行與否，直接關系到電力系統能否連續穩定地工作。因此，為了供電的可靠性和系統正常運行，就必須視其容量的大小、電壓的高低和重要程度，設置相應的繼電保護裝置。

1 電力變壓器繼電保護裝置配置原則

在電力系統運行中，當電力系統發生故障或異常工況時，繼電保護裝置應實現在最短時間和最小區域內，自動將故障設備從系統中切除，或發出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設備的損壞和對相鄰地區供電的影響。其配置原則如下：

1）對于6.3MV·A 及以上的常用工作變壓器和并列運行的變壓器，10MV·A 及以上廠備用變壓器和單獨運行的變壓器，以及2MV·A 及以上用電流速斷保護靈敏性不滿足要求的變壓器，應裝設差動保護裝置。對高壓側電壓為330kV 及以上的變壓器，可裝設雙重差動保護裝置。

2）當在變壓器油箱內部發生故障（包括輕微的匝間短路和絕緣破壞引起的經電弧電阻的接地短路）時，由于故障點電流和電弧的作用，將使變壓器油及其它絕緣材料因局部受熱而分解產生氣體，它們將從油箱流向油枕的上部。當故障嚴重時，油會迅速膨脹并產生大量的氣體，此時將有劇烈的氣體夾雜著油流沖向油枕的上部。因此，變壓器應安裝瓦斯保護裝置。

3）對由外部相間短路引起的變壓器過電流，根據變壓器容量和運行情況的不同以及對變壓器靈敏度的要求不同，可采用過電流保護、復合電壓起動的過電流保護、負序電流和單相式低電壓起動的過電流保護或阻抗保護作為后備保護、帶時限動作于跳閘。

2 電力變壓器繼電保護裝置設計方案

2.1 差動保護設計

變壓器差動保護動作電流設計原則是將變壓器兩側的電流互感器二次側按正常時的“環流接線”，當變壓器正常運行時，差動繼電器中的電流等于兩側電流互感器（CT）的二次電流之差，它近于0，差動繼電器不動作，保護也不會動作。即在電流互感器二次回路端線且變壓器處于最大符合時，差動保護不應動作。由于高性能計算機芯片的出現，在變壓器1 套保護裝置中包含主保護、各側全部后備保護的2 套主變壓器微機型保護裝置已開發，并得到廣泛應用。因此，為反應電力變壓器引出線、套管及內部短路故障，對高壓側電壓為330kV 及以上的變壓器，可裝設雙重差動保護，達到反應變壓器繞組和引出線的多相短路及繞組匝間短路的縱聯差動保護或電流速斷保護作為主保護，瞬時動作于斷開各側斷路器的目的。

雙重差動保護裝置中，CT的二次繞組分配可以按下列方法進行設計：將第1 套保護電流回路接原差動保護CT 二次繞組，即接獨立CT，旁代時需切換；第2 套保護接原后備保護CT 二次繞組，即接主變套管CT，旁代時不需切換。雖然旁代時第2 套保護對降壓變壓器的高、中壓側來說，其保護范圍不包括獨立CT 到變壓器套管的引線，縮短了差動保護范圍，但可以保障旁代時2 套保護都在運行。這樣當變壓器正常運行或外部故障時，差動繼電器中的電流等于兩側電流互感器的二次電流之差接近于0（實際為由多種原因引起的不平衡電流，由于不平衡電流小）差動保護不動作，保護也不會動作。當變壓器內部（包括變壓器與電流互感器之間的引線）任何一點故障時，差動繼電器中的電流等于兩側電流互感器的二次電流之和為故障點短路電流，大于繼電器動作電流，繼電器動作，跳變壓器各側斷路器切除故障，同時發動作信號，起到保護作用。

2.2 瓦斯保護設計

如果變壓器內部發生嚴重漏油或匝間短路、鐵心局部燒損、線圈斷線、絕緣劣化和油面下降等故障時，往往差動保護及其他保護均不能動作，而瓦斯保護卻能動作。瓦斯保護主要由氣體繼電器來實現，安裝在變壓器油箱與油枕之間的連接導油管中。瓦斯保護分為兩種：一種是輕瓦斯保護動作于信號，根據氣體的數量、顏色、化學成分和可燃性等，判斷保護的原因和故障性質，運行人員能夠迅速發現故障并及時處理；另一種是重瓦斯保護動作于斷路器跳閘，監視氣體發生的速度，分析氣體的各種特征及成分，可以間接地推測故障發生原因、部位和嚴重程度，在變壓器出現突然性嚴重故障時自動報警或切斷電源。

2.3 過電流保護設計

為反應變壓器外部故障而引起的變壓器繞組過電流，以及在變壓器內部故障時，作為差動保護和瓦斯保護的后備保護，變壓器應裝設過電流保護。過電流保護通常是指變壓器啟動電流按躲開最大負荷電流來整定的一種保護裝置。它主要在其各側母線故障時起作用，特別是中、低壓側母線的故障。主要分為以下3種情況：

1）低壓變壓器過電流保護設計

變壓器低壓側一般采用三相式三卷變壓器，高、中壓側的阻抗保護很可能對壓側短路起不到保護作用，不能滿足作為相鄰元件后備保護的要求，這時可以同時在其高、中壓側均裝設復合電壓閉鎖過流保護及零序方向過電流保護與間隙保護，低壓側裝設復合電壓閉鎖過流保護。復合電壓閉鎖過流保護裝置的電流元件應按大于變壓器的額定電流整定，即I=K1/K2×I0 式中，K1 為可靠系數，取1.2～1.3；K2為返回系數，取0.85；I0 為變壓器的額定電流。同時，為了正確反映各側的不對稱短路殘壓，此裝置還應安裝一套低電壓鎖閉元件。電壓元件的動作電壓應低于運行中可能出現的最低工作電壓，如大容量電動機啟動引起的電壓降低等，其計算如下：U=U0/K1×K2,式中，U0 為校驗點故障時，電壓繼電器裝設母線上的最大殘壓；K1為可靠系數，取1.2～1.25；K2 為返回系數，取1.15～1.2。

2）高壓變壓器的保護設計

如果變壓器高壓側的過電流保護對低壓側母線有規定的靈敏系數時，則在變壓器低壓側斷路器與高壓側短路器上可配置過電流保護裝置，當低壓側母差保護校驗停運或故障拒動及開關與TA間故障時，此裝置成為低壓側母線的主保護及后備保護。但是，如果短路為非金屬性的，經弧光短路時，阻抗保護可能靈敏度不足或整定延時長于2.0s。因此，最好在高壓側設一個保護變壓器熱穩定的反時限過流保護，其整定值應由變壓器的熱穩定要求決定。同時，在低壓側另安裝保護或在低壓側中性線上裝設零序電流保護，跳高壓側短路器，其動作電流可按中性線不平衡電流不超過變壓器額定電流的25%。

3）負序過電流保護設計

當相間后備保護按遠后備原則配置時，應躲過被保護變壓器所連接相鄰線路發生一相斷線時流過保護安裝處的負序電流，并與相鄰線路零序電流保護的后備段在靈敏度上配合，以防止負序過電流保護非選擇性動作。設計時在各種兩相短路情況下，測量反時限、定時限和負序過過負荷報警回路動作電流的離散值。測量反時限、定時限和負序過負荷報警回路的動作電流范圍，刻度誤差和返回系數。

當負序保護作為發信號用時，由于斷路合閘時的三相非同時，電力系統起動過程中的大電流、過流過程引起電流互感器的不平衡以及相鄰近設備發生相間短路故障時都會引起較大的負序電流，可用延時來躲過。因此，動作時間應大于相鄰設備的速斷保護動作時間與斷路器的分閘時間之和。當負序保護作為相間短路保護的后備保護時，即投跳閘時，動作時間應大于相鄰設備及本設備的相間后備保護的動作時間。

3 結論

綜上所述，在電力系統運行中，變壓器繼電保護裝置必須具備靈敏性和快速性，能準確反映故障，能以最短時限將故障或異常消除。預防事故和縮小事故范圍，提高系統運行的可靠性，最大限度地保證向用戶安全連續供電。

[1]郭立新.電力變壓器繼電保護設計[J].西北職教，2007(9).

[2]羅有干.升壓變壓器過電流保護的改進[J].小水電，2001(4).