電力工程師評職范文電力變壓器繼電保護設計

　　摘要:電力系統變壓器是非常重要的部件,但電力變壓器在實際運行中,會發生各類型的故障,影響著電力系統的安全連續運行、以及經濟效益的提高。因此,設置具有良好性能、動作可靠的繼電保護裝置是很有必要的。

　　關鍵詞:電力系統,繼電保護裝置,電力變壓器

　　1、前言

　　隨著我國電力工業的迅猛發展,電網的規模也逐漸擴大,電網的密集度也在不斷提高。作為電力系統的主要部件—變壓器也時刻受到外界負荷的影響。電力變壓器正常運行中,可能會發生各類型的故障,例如超高壓輸電建設,越來越離不開大型的電力變壓器,它的故障也直接影響著整個電力系統的安全連續運行。因此,為了保證供電的可靠性和連續性,必須對電力變壓器繼電保護裝置的性能和動作可靠性做出相應的嚴格設置。

　　2、電力變壓器的故障類型及不正常狀態

　　電力變壓器的故障通常可以分為油箱內部故障和油箱外部故障兩種。油箱內部故障主要是指發生在變壓器油箱內包括高壓側或低壓側繞組的相間短路、匝間短路、中性點直接接地系統側繞組的單相接地短路以及鐵芯的繞損等。變壓器內部故障非常危險，因為故障時產生的電弧，不僅會損壞繞組的絕緣、燒壞鐵芯，而且由于絕緣材料和變壓器油因受熱分解而產生大量的氣體，有可能引起變壓器油箱的爆炸，所以繼電保護應快速切除這些故障。油箱外部故障最常見的主要是變壓器繞組引出線和絕緣套管上發生的相間短路和接地短路(直接接地系統側)。變壓器的不正常運行狀態主要有：變壓器外部相問短路引起的過電流和外部接地短路引起的過電流和中性點過電壓;負荷超過額定容量引起的過負荷;油箱漏油引起的油面降低或冷卻系統故障引起的溫度升高。此外，對大容量變壓器，由于其額定工作時的磁通密度接近于鐵芯的飽和磁通密度，在過電壓或低頻率等異常運行方式下，還會發生變壓器的過勵磁故障。這些不正常的運行狀態會使繞組、鐵芯和其他金屬構件過熱，威脅變壓器絕緣。

　　3、電力變壓器器繼電保護設計方案

　　3.1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。

　　3.2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。

　　4、電力變壓器保護的應用

　　4.1變壓器的差動保護

　　差動保護的構成原理主要是利用比較變壓器高、低壓側的電流大小和相位來實現的。將變壓器兩側的電流互感器二次側按正常時的“環流接線”，圖1 示出了適當地選擇兩側電流互感器的變比，使其比值等于變壓器的變比;對于Y，dl1 的電力變壓器，同時再考慮采用“相位補償接線”，即變壓器星形側的電流互感器接成三角形，變壓器三角形側的電流互感器接成星形。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零(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。

　　差動保護在繼電保護的發展過程中， 有著獨特而無法替代的地位，其靈敏度高，選擇性好，實現簡單，不但能夠正確區分區內外故障，而且不需要與其他元件的保護配合，可以無延時地切除區內各種故障,因此差動保護被廣泛應用于各種電氣主設備和線路的保護中，作為電氣主設備的主保護，具有獨特的優點。

　　4.2變壓器的瓦斯保護

　　當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，因氣體比較輕，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，迫使繼電器內油面降低，引起瓦斯信號動作。當變壓器發生穿越性短路故障，在穿越性故障電流作用下，油隙問的油流速度加快，當油隙內和繞組外側產生的壓力差變化大時，氣體繼電器就可能誤動作。穿越性故障電流使繞組動作發熱，當故障電流倍數很大時，繞組溫度上升很快，使油的體積膨脹，造成氣體繼電器誤動作，對此必須采取相應的措施。

　　4.3 變壓器的后備過流保護

　　變壓器后備保護作為變壓器自身的近后備和各側母線、線路的遠后備，地位也十分重要。雙繞組變壓器，后備保護應裝在主電源側，根據主接線情況，保護可帶一段或兩段時限，以較短的時限縮小故障影響范圍，跳母聯或分段斷路器;較長的時限斷開變壓器各側的斷路器。三繞組變壓器和自耦變壓器，后備保護要分別裝在主電源側和主負荷側。主電源側的保護帶兩段時限，以較短的時限斷開未裝保護側的斷路器，主負荷側的保護動作于本側斷路器。當上述方式不符合靈敏性要求時，可在各側裝設后備保護，各側保護應根據選擇性的要求考慮加裝方向元件。

　　5、結語

　　綜上所述,無論是變壓器的外部短路或過負荷引起的過電流或溫度升高等非正常工作情況,都不容忽視。因此,繼電保護設計在以供電的可靠性和連續性為前提下,做好相應的嚴格設置。