電力變壓器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

梅桂富 劉賀洋

（山東電力設(shè)備有限公司，濟(jì)南 250022）

隨著電力需求的增長(zhǎng)，電力企業(yè)加大了在電網(wǎng)工程方面的建設(shè)投入，并在電網(wǎng)中配備了各種電力設(shè)備和設(shè)施。電力變壓器在電網(wǎng)中有著不可替代的作用，一旦出現(xiàn)故障，將對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生極為不利的影響。因此，隨著電力事業(yè)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對(duì)電力變壓器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)提出了新的標(biāo)準(zhǔn)。只有全面合理設(shè)計(jì)繼電保護(hù)裝置，才能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電力變壓器可能出現(xiàn)的各種故障，并及時(shí)處理變壓器出現(xiàn)的相關(guān)問題。

1 變壓器繼電保護(hù)原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 基本工作原理

繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)變壓器的保護(hù)功能主要是通過采集、獲取與分析變壓器相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，從而進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)調(diào)整。若變壓器運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，繼電保護(hù)能夠快速啟動(dòng)其保護(hù)功能，從而控制故障的影響范圍。要實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能，必須要保障繼電保護(hù)裝置處于正常的運(yùn)行條件。通常情況下，變壓器的保護(hù)模式有多種，如瓦斯保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)。每種保護(hù)模式都有各自的原理和特點(diǎn)，但無論哪種保護(hù)模式，都需要采集和分析變壓器的運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)信息。只有這樣，才能夠保障保護(hù)程序的有效運(yùn)行。

1.2 變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

變壓器的繼電保護(hù)系統(tǒng)包含多個(gè)構(gòu)成部分，不同構(gòu)成部分之間互相配合，才能夠最大程度發(fā)揮繼電保護(hù)的作用。目前，變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)中主要包含以下模塊。第一，信號(hào)采集模塊。這一模塊可以在變壓器運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)采集相應(yīng)的參數(shù)和狀態(tài)信息，并及時(shí)將采集到的信號(hào)上傳到信號(hào)處理模塊。第二，信號(hào)處理模塊。該模塊在運(yùn)行過程中主要是根據(jù)繼電保護(hù)裝置中已經(jīng)設(shè)定好的信號(hào)處理程序處理前期得到的信號(hào)，并根據(jù)最終處理后的信號(hào)結(jié)果與保護(hù)動(dòng)作閾值進(jìn)行對(duì)比。第三，信號(hào)輸出模塊。針對(duì)處理程序結(jié)束后的結(jié)果輸出，該模塊與保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)有著直接關(guān)系[1]。

2 電力變壓器主要故障類型分析

2.1 電力變壓器產(chǎn)生繞組故障

電網(wǎng)運(yùn)行中的電力變壓器故障有多種，其中最常見的故障為繞組故障。在變壓器的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，若繞組呈現(xiàn)糾結(jié)式或糾連式結(jié)構(gòu)，在其運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)連線與段間糾結(jié)線接頭接觸不良的問題，同時(shí)伴隨有局部過熱現(xiàn)象，可能會(huì)導(dǎo)致匝絕緣被破壞，從而引起匝間、段間的短路故障。根據(jù)對(duì)這一類故障的分析可知，此故障大多是由繞組導(dǎo)線不良所引起。電力變壓器運(yùn)行時(shí)，外部短路故障出現(xiàn)的幾率較高，若受到短路電流沖擊，將會(huì)導(dǎo)致繞組某一段導(dǎo)線錯(cuò)位。雖然這種錯(cuò)位在較短的時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重故障，但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，由于變壓器的反復(fù)振動(dòng)、相鄰錯(cuò)位線匝間絕緣磨損等因素，將會(huì)導(dǎo)致變壓器被擊穿[2]。在安裝變壓器中的繞組時(shí)，一般要利用絕緣墊塊隔開各個(gè)線段，但在具體的安裝工作中，由于繞組軸向壓緊力裕度值偏小，將會(huì)導(dǎo)致絕緣墊的彈性值偏小。隨著變壓器的振動(dòng)，繞組導(dǎo)線錯(cuò)位最終會(huì)引起匝間短路。另外，變壓器長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷運(yùn)行將導(dǎo)致變壓器溫度異常升高，從而使其內(nèi)部絕緣老化加速，降低匝絕緣性能，最終引起匝間短路故障。

2.2 電力變壓器的鐵芯故障

鐵芯故障在電力變壓器中十分常見。在電力變壓器的運(yùn)行中，鐵芯的作用是電磁能量的傳遞和交換，對(duì)變壓器的運(yùn)行可靠性有著直接影響。鐵芯故障是變壓器故障中的主要類型之一。根據(jù)故障原因和表現(xiàn)，它可分為鐵芯多點(diǎn)接地故障、接觸不良故障和片間短路故障等。故障原因主要為鐵質(zhì)夾松動(dòng)、壓鐵松動(dòng)以及安裝不規(guī)范等。

2.3 分接開關(guān)故障

分接開關(guān)故障是電力變壓器故障的主要類型之一，對(duì)變壓器運(yùn)行水平有著直接影響。故障類型包括無載分接開關(guān)故障和有載分接開關(guān)故障，其中無載分接開關(guān)故障發(fā)生的概率相對(duì)較高。例如，固定絕緣桿的扭曲變形、有載開關(guān)油箱滲油以及觸頭松動(dòng)與脫落等，都屬于接開關(guān)故障[3]。

3 電力變壓器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 差動(dòng)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1.1 確保縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)的有效性

電力變壓器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)工作中，差動(dòng)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在開展設(shè)計(jì)工作的過程中，必須嚴(yán)格遵守相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在電力變壓器并列運(yùn)行且容量超過6.3 MVA或者單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)下容量在10 MVA以上時(shí)，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)尤為重要。為提升設(shè)計(jì)水平，避免設(shè)計(jì)缺陷而引起的誤動(dòng)，設(shè)計(jì)過程中必須要遵循電力變壓器低壓側(cè)和高壓側(cè)互感器環(huán)流接線的要求。其中，電壓在330 kV以上的高壓側(cè)，差動(dòng)保護(hù)裝置要安裝于引出線部位。

3.1.2 根據(jù)變壓器與斷路器設(shè)置差動(dòng)保護(hù)裝置數(shù)量

電網(wǎng)的構(gòu)成復(fù)雜，部分電力變壓器在使用過程中設(shè)置了斷路器。在這一特殊情況下，必須要設(shè)置對(duì)應(yīng)的差動(dòng)保護(hù)裝置，以確保整個(gè)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。安裝過程中，差動(dòng)保護(hù)裝置的安裝位置應(yīng)處于變壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間。若在電力變壓器運(yùn)行時(shí)沒有安裝對(duì)應(yīng)的斷路器，則需要結(jié)合電壓器的容量安裝相應(yīng)數(shù)量的差動(dòng)保護(hù)裝置。針對(duì)容量在100 MVA以內(nèi)的變壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)，共用一個(gè)保護(hù)裝置即可。但是，針對(duì)容量在100 MVA以上的變壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)，則需獨(dú)立安裝差動(dòng)保護(hù)裝置[4]。

3.1.3 設(shè)置差動(dòng)保護(hù)中的CT二次繞組時(shí)需注意的事項(xiàng)

若在電力變壓器中采用的是縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)，為保障裝置的可靠性，需要獨(dú)立接CT繞組，并確保旁代可以切換。若電力變壓器中為差動(dòng)保護(hù)裝置，需要將CT繞組接于主變套管，不需再次切換旁代。三繞組變壓器差動(dòng)保護(hù)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 三燒組變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 瓦斯保護(hù)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

電力變壓器的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)中，瓦斯保護(hù)設(shè)計(jì)也是重點(diǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。這一保護(hù)設(shè)計(jì)可以對(duì)加熱油箱內(nèi)絕緣材料或變壓油氣體膨脹爆炸類事故起到一定的預(yù)防和控制作用。目前，電力工程中幾乎全部的電力變壓器中都配備有對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)裝置。但是，在瓦斯保護(hù)裝置運(yùn)行中，由于存在溫度和濕度等各種外部條件的干擾，繼電保護(hù)裝置無法發(fā)揮正常的保護(hù)功能[5]。因此，在開展瓦斯設(shè)計(jì)保護(hù)時(shí)，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合其他保護(hù)方式，提升保護(hù)效果，確保電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。瓦斯繼電器運(yùn)行原理如圖2所示。

圖2 瓦斯繼電器工作原理

3.3 過電流保護(hù)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

在電力變壓器運(yùn)行過程中，若各側(cè)母線出現(xiàn)故障，過電流保護(hù)將會(huì)立即進(jìn)入工作狀態(tài)，并進(jìn)行有效處理。在過電流保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合電壓側(cè)的具體情況開展有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。例如：在變壓器低壓側(cè)位置，選用三相式三卷變壓器；在中壓側(cè)和高壓側(cè)位置，分布進(jìn)行復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)和間隙保護(hù)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

繼電保護(hù)對(duì)電力變壓器的保護(hù)作用突出。為切實(shí)發(fā)揮其保護(hù)功能和作用，專業(yè)人員在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，必須要遵循繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的基本規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提升總體的設(shè)計(jì)水平，以應(yīng)對(duì)變壓器運(yùn)行中的各種故障。