淺談電力變壓器的保護設計原則

李明正

(寧夏吳忠供電局，寧夏 吳忠 751100)

1 引言

變壓器是電力系統中的重要設備之一，它的故障對供電可靠性和系統的正常運行帶來嚴重的影響。變壓器故障通常是伴隨著電弧和放電以及劇烈燃燒而發生，隨后電力設備即發生短路或其他故障，輕則可能僅僅是機器停轉，照明完全熄滅，嚴重時會發生重大火災乃至造成人身傷亡事故。同時大容量的變壓器也是非常貴重的設備，如何對變壓器進行保護設計，確保變壓器的安全運行受到了電力工程技術人員的廣泛關注和高度重視，故此必須根據變壓器容量和重要程度來進行保護設計和裝設專用的保護裝置，加強變壓器的保護模式，以使電力供應更加安全可靠。

變壓器常用的保護裝置有:瓦斯保護、縱聯差動保護、過負荷保護。

2 瓦斯保護運行原則設計

瓦斯保護是反映變壓器內部故障的重要保護。輕瓦斯反映變壓器內部的輕微故障或不正常現象，動作于信號;重瓦斯保護反映變壓器內短路故障，動作于跳閘。

對運行中的變壓器進行加油、濾油、清理呼吸道、換矽膠等工作之前，應先將重瓦斯跳閘壓板改接于信號位置。工作完畢完全停止排氣泡時，方可將重瓦斯壓板恢復至跳閘位置。

經大修或換油后投運的變壓器，應根據瓦斯繼電器的類型來確定將瓦斯保護投跳閘或信號。若變壓器的重瓦斯繼電器為擋板式，在變壓器投運時可將重瓦斯保護投跳閘。

輕瓦斯發出信號時，要鑒定繼電器內集聚氣體的性質，重瓦斯保護繼續運行。當重瓦斯保護動作跳閘后，變壓器未經檢查試驗禁止投入運行。

(1)旁路開關帶主變開關運行

①應將被帶主變開關的差動CT回路切換至主變套管CT。

②切換過程中，為防差動保護誤動，應將差動保護短時退出。

③變壓器后備保護跳本側壓板切換至跳旁路開關

(2)內橋接線的變電站主變差動保護，其高壓差動CT分別取自高壓進線開關和高壓母聯開關，當開關工作時應防止其CT開路造成主變差動保護誤動。

(3)變壓器的間隙保護在變壓器中性點不接地時投入，當變壓器中性點接地運行時退出。

(4)并聯運行的變壓器后備保護跳母聯壓板，單臺運行時要解除(和分路能配合的投入)，停電工作變壓器跳母聯的壓板必須解除。

(5)系統變壓器中性點接地方式規定

①凡與系統并列的220kV變壓器(含發電廠高備變)及省調調度的發電廠110kV變壓器接地方式由省調統一規定，系統內的自耦變壓器中性點經常保持接地運行。

②一個變電站有多臺變壓器運行，只允許有一個接地點，應優先考慮代負荷調壓變壓器接地，當中性點接地變壓器停運時，應先將運行中的另一臺變壓器接地。

③發電廠、變電站如果有兩臺變壓器接地，應分別接在兩組母線上運行。

④在兩組以上的發電機—變壓器組運行的發電廠，當一組中的發電機停運而變壓器繼續運行時，如果該變壓器接地運行(自耦變除外)，應倒換為接有發電機那臺變壓器接地。

⑤當變壓器高、中壓任一側斷開，變壓器繼續運行，則變壓器斷開側中性點必須接地并投入零序保護。變壓器特別是大型變壓器事故較多，往往出現瓦斯保護信號動作或開關跳閘。若瓦斯保護動作，變壓器開關跳閘，一般情況下，其事故過程已結束，后果比較嚴重。因此，必須在瓦斯信號動作時，認真檢查，仔細分析，正確判斷，立即采取措施。

3 縱聯差動保護設計

3.1 采用HH54P AC220型繼電器作為差動保護繼電器

變壓器差動保護接線及等效電路如圖1所示。

圖1 利用快速飽和變流器限制激磁涌流

但是，由于許多因素的影響，在正常運行和外部故障時，在繼電器中流過不平衡電流，會直接影響差動保護的靈敏度。其原因是:

(1)變壓器兩側裝設的電流互感器型式不同;

(2)兩側電流互感器變比不同;

(3)在運行中改變變壓器變比;

(4)勵磁涌流的產生;

(5)變壓器個側繞組接線形式不同。

3.2 三繞組變壓器差動保護設計

三繞組變壓器差動保護的動作原理和雙繞組變壓器差動保護的動作原理是一樣的，也是按循環電流原理構成的。正常運行和外部短路時，三繞組變壓器三側電流向量和(折算至同一電壓等級)為零。它可能是一側流入另兩側流出，也可能由兩側流入，而從第三側流出。所以，若將任何兩側電流相加再去和第三側電流相比較，就構成三繞組變壓器的差動保護。其原理接線如圖2所示。

圖2 三繞組變壓器的差動保

當正常運行和外部短路時，若不平衡電流忽略不計，則流入繼電器的電流為零，即

iR=iI2+iII2+iIII2=0

當內部短路時，流入繼電器的電流則為iR=iI2+iII2+iIII2=∑iK/na

即等于各側短路電流(二次值)的總和。

可見在正常及區外短路時，保護不會動作，而發生內部故障時，保護將靈敏動作。

為保證三繞組變壓器差動保護的可靠性和靈敏性，應注意以下幾點:

(1)各側電流互感器的變比應統一按變壓器最大額定容量來選擇。

(2)外部短路時的三繞組變壓器比雙繞組變壓器的不平衡電流大，宜采用帶制動特性的BCH－1型差動繼電器，若BCH－1型仍不滿足靈敏度要求，可采用二次諧波制動的差動保護，

(3)為解決實際變比與計算變比不一致而引起的不平衡電流，以保證每兩側線圈之間的平衡，對BCH－1型差動保護，應將兩組平衡線圈分別接在二次電流較小的兩側。

3.3 變壓器差動保護帶負荷測試

要排除設計、安裝、整定過程中的疏漏(如線接錯、極性弄反、平衡系數算錯等等)，就要收集充足、完備的測試數據。

3.3.1 差流(或差壓)。

變壓器差動保護是靠各側CT二次電流和差流工作的。所以，差流(或差壓)是差動保護帶負荷測試的重要內容。電流平衡補償的差動繼電器(如LCD－4、LFP－972、CST－31A型差動繼電器)，用鉗形相位表或通過微機保護液晶顯示屏依次測出A相、B相、C相差流，并記錄;磁平衡補償的差動繼電器(如BCH－1、BCH－2、DCD－5型差動繼電器)，用0.5級交流電壓表依次測出A相、B相、C相差壓，并記錄。

3.3.2 各側電流的幅值和相位。

只憑借差流判斷差動保護正確性是不充分的，因為一些接線或變比的小錯誤，往往不會產生明顯的差流，且差流隨負荷電流變化，負荷小，差流跟著變小，所以，除測試差流外，還要用鉗形相位表在保護屏端子排依次測出變壓器各側A相、B相、C相電流的幅值和相位(相位以一相PT二次電壓做參考)，并記錄。此處不推薦通過微機保護液晶顯示屏測量電流幅值和相位。

3.3.3 變壓器潮流。

通過控制屏上的電流、有功、無功功率表，或者監控顯示器上的電流、有功、無功功率數據，或者調度端的電流、有功、無功功率遙測數據，記錄變壓器各側電流大小，有功、無功功率大小和流向，為CT變比、極性分析奠定基礎。負荷電流要越大越好，負荷電流越大，各種錯誤在差流中的體現就越明顯，就越容易判斷。然而，實際運行的變壓器，負荷電流受網絡限制，不會很大，但至少應滿足所用測試儀器精度要求，以及差流和負荷電流的可比性。若二次負荷電流只有0.2A而差流有65mA時，判斷差動保護的正確性就相當困難。

4 變壓器的過流保護

為了防止外部短路引起變壓器線圈的過電流，并作為差動保護的后備，變壓器還必須裝設過電流保護。

對于單側電源，過電流保護安裝在電源側，其動作電流應按躲過變壓器的最大工作電流整定。即:

式中:Kf為返回系數，取0.85;Kz為自起動系數，取2;Ig為變壓器的工作電流57.74A。

保護裝置靈敏度:

式中:I(2)dmin為最小運行方式下，保護范圍末端發生兩短路電流。

5 變壓器的過負荷保護

變壓器過負荷大都是三相對稱的，所以過負荷保護可采用單電流繼電器接線方式，經過一定延時作用信號，動作時間通常取10s，保護裝置的動作電流，按躲過變壓器額定電流整定。即:

6 結束語

現代生產的變壓器，雖然結構可靠，故障機會較少，但在實際運行中，仍有可能發生各種類型故障和異常運行，同時大容量的變壓器又是十分重的設備，因此，為了保證電力系統安全連續地運行，并將故障和異常運行對電力系統的影響限制到最小范圍，必須根據變壓器容量大小、電壓等因素裝設必要的、動作可靠的繼電保護裝置。