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摘要：电力变压器配置的继电保护含有多重要点，应当引起重视。电网规模不断扩大，电力网络变得更为密集。外部负荷变化、电力线路故障频发，变压器自身过载等，干扰保护正常运行。针对变压器继电保护设计，要有差动、瓦斯速断等主保护、相间过电流、接地过电流等后备保护，必要时还要有过励磁保护等，切实规避误动作及拒动，以提升变压器运行的精准性。
关键词：电力变压器；继电保护；设计要点
我国的电力事业随着经济建设快速发展而飞速前进。不断扩大的电力设施以及日益复杂的电力网络都给人们的日常生产和生活带来了极大地方便。变压器作为电力系统中一个极为重要的设备，在运行的过程中常会出现各种故障，破坏了电力系统的正常运行。为了保证电力系统的顺利运行，很有必要对电力变压器的继电保护配置进行优化设计。
一、电力变压器继电保护的基本结构
随着大规模集成电路技术飞速发展和微处理器和微型计算机的广泛应用，电力变压器继电保护几乎都由微机型的继电保护取代，微机型的继电保护主要是由三个部分构成的，一部分就是由电力系统信号的数据采集系统构成的，其主要的功能就是对设备运行时内部产生的各项数据信息进行收集与整理，然后将整理后的各项电量和非电量的数字信号准确完整的传递给保护数据处理系统。第二部分的主要是由数据处理系统构成的，其主要的工作就是将数据采集系统的各种电力系统信号进行有效的处理进行运用，并且将其中产生的问题根据一定的形式进行归类与处理，实现各种继电保护功能。第三部分主要是由信号输出设备构成的，其主要的工作原理就是将需要输出的信号信息对电力系统进行准确、及时的传递，从而完成电力变压器继电保护设计中的调节工作。
二、继电保护的工作原理及特点
2.1原理
在电力系统中，出现电气故障时，电气量变化的主要特征是：
（1）电流增大。短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。
（2）电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。
（3）电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60°～85°，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180°+（60°～85°）。
（4）测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点（保护安装处）电压与电流之比值。正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。
继电保护就是利用以上特征，当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况的根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。
2.2特点
2.2.1可靠性高
继电保护装置最为重要的特点就是可靠性高，尤其是正常的管理、维护中，继电保护装置拥有合理的配置，能够对电力系统进行信息技术管理，有自己独立的数据库，当电力系统中运行参数与数据库中已经录入的定值差别较大时，信息管理系统就会作出报警指示，就会将出现问题的部分进行隔离，这样就可以等待工作人员进行检查维修，不会妨碍整个供电系统的电力设施，可以减少经济损失。
2.2.2实用性强
由于继电保护装置在电力系统中可以快速将各部分的数据信息进行联网，这样就可以实现信息资源共享，可以大大节省人力、物力，提高工作人员的工作效率。这样工作人员在操作过程中只需要对继电保护系统进行操作就可以，能够有效确保电力设施的正常运行，具有较强的实用性。
2.2.3便于操作性
当前的电力变压器的继电保护装置都能与变电站的微机监控系统有通信联系。继电保护装置能实现与变电站的微机监控系统联系沟通是保护装置具备串行通信的能力，这样就能通过远程监控对整个电力变压器的继电保护装置进行实时监控，保障了继电保护系统的可操作性，进而使电力系统更为安全的运行。
三、装置配置的原则
继电保护装置在电力系统运行过程中发挥着极其重要的作用，一旦电力系统运行过程出现异常情况或是有故障发生，则继电保护装置会在第一时间内进行动作，将故障部位进行快速的隔离，确保将故障控制在最小范围内，减少由于故障而对电力系统运行所带来的影响。所以合理进行继电保护配置是十分必要的，具体配置原则包括以下几个方面。
3.1对变压器的内部、套管及引出线的短路故障，按其容量及重要性的不同，应装设下列主保护
3.1.1电压在10 kV及以下、容量在10 MVA及以下的变压器，采用电流速断保护。
3.1.2电压在10 kV以上、容量在10 MVA及以上的变压器，采用纵差保护。对于电压为10 kV的重要变压器，当电流速断保护灵敏度不符合要求时也可采用纵差保护。
3.1.3电压为220 kV及以上的变压器装设数字式保护时，除非电量保护外，应采用双重化保护配置。当断路器具有两组跳闸线圈时，两套保护宜分别动作于断路器的一组跳闸线圈。
3.2油浸式变压器应安装反映壳内故障的瓦斯主保护
变压器故障时危害最大的即是油箱内部故障，往往是由于匝间短路或是绝缘受到破坏而导致的电弧电阻的接地短路，在这种情况下，故障点则会受到电流和电弧的双重作用，从而导致变压器油与其他绝缘材料在相互作用下会有大量的气体分解出来，而这部分气体会流向油枕的位置，一旦故障点扩大，则会导致油迅速膨胀，从而对油枕上部带来强烈的冲击，在这种情况下，需要对变压器进行瓦斯保护装置的安装。
0.4M VA及以上车间内油浸式变压器和0.8 M VA及以上油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当壳内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，应瞬时动作于信号；当壳内故障产生大量瓦斯时，应瞬时动作于断开变压器各侧断路器。
带负荷调压变压器充油调压开关，亦应装设瓦斯保护。
瓦斯保护应采取措施，防止因瓦斯继电器的引线故障、震动等引起瓦斯保护误动作。
3.3反应外部相间短路引起的变压器过电流，变压器应装设相间短路后备保护
在实际运行中，要根据电力变压器的运行情况，容量以及灵敏度来进行选择。由外部相间短路引起的变压器过电流，可以采取过电流保护，复合电流或者复合电压启动的过电流保护，也可用阻抗保护作为后备保护，带时限动作于跳闸。
3.3.1 35kV-66kV及以下中小容量的降压变压器，宜采用过电流保护。保护的整定值要考虑变压器可能出现的过负荷。
3.3.2 110kV-500kV降压变压器、升压变压器和系统联络变压器，相间短路后备保护用过电流保护不能满足灵敏性要求时，宜采用复合电压起动的过电流保护或复合电流保护。
3.3.3 对降压变压器、升压变压器和系统联络变压器，根据各侧接线、连接的系统和电源情况的不同，应配置不同的相间短路后备保护，该保护宜考虑能反映电流互感器与断路器之间的故障。
3.4 反应外部单相接地短路引起的过电流，应装设接地短路后备保护
在中性点直接接地的电网中，如变压器中性点直接接地运行，对单相接地引起的变压器过电流，应装设零序过电流保护，保护可由两段组成，其动作电流与相关线路零序过电流保护相配合。每段保护可设两个时限，并以较短时限动作于缩小故障影响范围，或动作于本侧断路器，以较长时限动作于断开变压器各侧断路器。此外，应增设零序过电压保护，当变压器所连接的电力网失去接地中性点时，零序过电压保护经0.3 s -0.5 s 时限动作断开变压器各侧断路器。
3.5 过负荷
过负荷保护可为单相式，具有定时限或反时限的动作特性。对经常有人值班的厂、所过负荷保护动作于信号；在无经常值班人员的变电所，过负荷保护可动作跳闸或切除部分负荷。
3.6 过励磁
对于高压侧为330 kV及以上的变压器，为防止由于频率降低和/或电压升高引起变压器磁密过高而损坏变压器，应装设过励磁保护。保护应具有定时限或反时限特性并与被保护变压器的过励磁特性相配合。定时限保护由两段组成，低定值动作于信号，高定值动作于跳闸。
3.8 油面降低、变压器油温、绕组温度过高及油箱压力过高和冷却系统故障等非电量保护变压器非电气量保护不应启动失灵保护。
四、电力变压器继主要故障类型分析
4.1电力变压器产生绕组故障
绕组是变压器的核心部件，负责电能的传输和电压变换，构成了变压器输入/输出电能的电气回路，绕组故障是出现在变压器线圈、纵绝缘中的故障，可分为绕组短路、断路、变形等。如果变压器的线圈导线表面存在毛刺，那么在它运行的时候就会受到电磁力的作用，毛刺会使得导线不能绝缘，进而造成线圈短路的问题产生，如果变压器的线圈由于受潮等影响进入水分，那么变压器在工作的时候就会比较容易产生匝间短路的问题。另外，如果线圈的接头部分的焊接质量较低或者线圈与导电杆的接触不良，那么变压器则会因为接头温度过高加速局部的绝缘功能的老化，这样当其绝缘恶化发展到一个极限的时候，绕组就会出现短路。在变压器的正常工作过程中其外部如果出现比较严重的短路问题，绕组的外部形态就会因为受到机械力与电动力的共同作用产生不可逆转的变化，这种情况是引发绕组变形的主要原因，这一状况出现之后就会影响变压器的正常工作，另外，如果发生雷击绕组的薄弱部分也会发生绝缘损坏或者击穿的状况。
4.2电力变压器的铁芯故障与分接开关故障
铁芯是除绕组之外的又一重要部件，它与绕组共同负责电磁能量的传递和交换，要想确保变压器稳定运行，铁芯的质量也在其中起着决定性的作用。变压器的铁芯问题通常是发生在磁路之中的，这种类型的故障主要表现在三个部分，其一就是铁芯叠片发生绝缘故障，这时会产生大冲击力的电流，进而会产生很多的热量，从而影响变压器中线圈以及铁芯的绝缘功能，还会增加变压器的铁耗。其二就是铁芯在制作的时候，如果产生较大的毛刺或者叠片发生弯曲，那么铁芯容易发生局部的变形与短路，进而形成涡流损坏变压器。其三就是在变压器正常的工作时应避免铁芯出现多点接地的状态，否则会产生局部温度过高，从而使得变压器发生跳闸或者损坏的故障。另外，分接开关运行的传动结构较为复杂，而且开关还要进行频繁的切换操作，这样会提升其故障的发生几率，造成分接开关问题的主要因素就是产品质量的不达标，比如选择开关接触问题，不能合到位，就会使得温度升高或者断轴等问题，如果切换开关的触点接触不好就会造成绝缘部件的机械强度减弱，如果油室的密封状况不合格就会使得判断失误，如果变压器结构中的低压控制电器和辅助器件质量不达标，就会造成分接开关发生误动、拒动的故障。
五、继电保护设计时的一些要点
5.1差动保护装置的设计要点
5.1.1 应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流；
5.1.2 在变压器过励磁时不应误动作；
5.1.3发电机变压器组是整个电力传输的起点，因此我们应对其继电保护装置进行严格的设计以保证电力的顺利传输。具体实施分为以下方面：单独的纵联差动保护可以装设于变压器和发电机之间有断路器的情况；对于变压器和发电机之间没有断路器的情况，共用纵联差动保护可以装设于100MVA及以下变压器与发电机组；共用纵联差动保护和单独纵联差动保护同时装设于100MVA以上发电机。
5.1.4在电流回路断线时应发出断线信号，电流回路断线允许差动保护动作跳闸；
5.2瓦斯保护设计时的要点
瓦斯保护设计是为了避免因加热油箱内绝缘材料或变压器油而造成的气体膨胀带来的爆炸和油面的突然降低。虽然目前大部分电力变压器都安装的有继电保护装置，但是瓦斯保护装置易受温度和湿度等外界影响因素的影响，从而很可能造成误动，影响保护效果。因而在瓦斯设计保护时，应该注意与其他保护方式比如励磁保护，过电流保护等的结合，从而提高保护效率，提高瓦斯继电保护的可靠性，瓦斯继电器工作原理，如图1所示。
5.3过电流保护设计时的要点
过电流保护装置特别是在电力变压器的各侧母线故障时发挥保护作用，因此在设计过电流保护时要根据不同的电压侧进行设计。
通常情况下，变压器采用三卷变压器，在变压器的高压侧和中压侧分别设置复合电压闭锁过流保护，间隙保护以及零序方向的过电流保护，而在低压侧使用复合电压闭锁过流保护。因为元件的复杂性，复合电压闭锁过流保护装置的电流元件在理论上应该大于电力变压器的额定电流，根据公式计算得到，其中，K1为可靠系数，取1.2～1.3，K2为返回系数，取0.85，I0为变压器的额定电流。同时，在低压侧还安装了一套低电压锁闭元件。这一套电压元件的动作电压可以按照：进行计算，其中，U0为校验点故障时在电压继电器装设母线上的最大残压；K1为可靠系数，取1.2～1.25，K2为返回系数，取1.15～1.2。
5.4电流速断保护设计的要点
变压器的电流速断保护，其组成、原理与线路的电流速断保护完全相同，对于企业供电采用的降压变压器的继电保护装置，其电流互感器安装在变压器的高压电源侧。变压器电流速断保护动作电流（速断电流）的整定计算也与线路电流速断保护基本相同。变压器的电流速断保护与线路电流速断保护一样，存有“死区”，如变压器内部某些位置两相短路故障、靠近中性点绕组三相短路故障及低压负荷侧引出线套管三相短路故障时电流速断保护不动作。弥补死区的措施，也是配备带时限的过电流保护，而瓦斯保护也能弥补电流速断保护在变压器内部的保护死区。
变压器在空载投入电压突然恢复时将出现一个冲击性的励磁涌流，为了避免电流速断保护误动作，通常在速断电流整定后，在变压器开始运行时，应根据变压器容量和保护配置空载试投几次，以检查速断保护是否误动作，如果动作，应将速断保护的动作电流适当增大，直到使速断保护不动作。运行经验证实，速断保护的动作电流只要大于变压器一次额定电流的3～5倍，即可避免流过励磁涌流时错误地断开变压器。变压器电流速断保护具有接线简单、动作迅速等优点，但它不能保护变压器的全部，因此不能单独作为变压器的主保护。
六、电力变压器继电保护对策
6.1瓦斯保护措施
瓦斯保护包括轻瓦斯保护和重瓦斯保护两类，轻瓦斯保护动作是可发送声光报警提示，以警示值班人员；重瓦斯保护动作则直接跳开断路器。
瓦斯保护适用于油浸式电力变压器，其动作逻辑是依据对邮箱内气体数量和油流的速度检测确定是否进行保护动作。若变压器内发生接地或相间短路故障，故障点电弧和电路会生发大量热能，将一些变压器油转变为气体，气体对油枕进行冲击由此可引发瓦斯保护动作。瓦斯保护具有较高的灵敏度，结构相对简化，造价较低，对部分绕组短路且匝数较少的变压器而言，电量检测保护动作难度较高，仅有瓦斯保护可正确动作。然而瓦斯保护仅可反映变压器内部故故障，难以在发生外部故障时对变压器进行即时隔离，机械结构的瓦斯保护在严重故障条件下动作时间较长，很难在较短时间内跳开断路器。
6.2差动保护措施
差动保护可分为横差保护和纵差保护，纵差保护可反映电力变压器绝缘套管、内部绕组等是否产生中性点接地、相间短路、单相接地等故障。差动保护是依据循环电流原理进行设计的，在电力变压器中，适当型号的电流互感器，在变压器运行正常时，经过差动继电器线圈的电流将保持为零，继电器无动作。若保护区内发生故障，电流产生分离，此会造成差动继电器线圈内电流增大，在高于（整定值）时继电器会动作，使变压器和电网分离，避免故障范围扩大。
6.3接地保护措施
在中性点直接接地的电力系统内，会经常发生接地故障，变压器接地故障问题也时常发生。通常选用零序保护装置对接地故障进行检测，在此过程中接地保护还可当作差动和瓦斯等主保护的备用保护或临近电力设备的备用保护。
结语
电力变压器是电力系统的重要组成部分，如果它出现故障，将会极大的影响电力系统的正常运行。电力变压器的常见故障主要为油箱内部故障和外部的故障，各种保护方式，采用不同的保护原理，都有各自的优点和缺点，正确合理的选用与配置继电保护设备可以有效的保护变压器。在设计使用时应该全面地考虑，扬长避短，可靠保证变压器的安全稳定运行，保证电力系统的的安全稳定运行。
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作者简介：
刘志昌（1974.9-），男，内蒙古通辽人，东北电力大学电力工程及自动化，工程师，单位：国华（宁夏）新能源有限公司，研究方向：新能源运营管理
论文作者:刘志昌
论文发表刊物:《电力设备》2016年第18期
论文发表时间:2016/12/2
标签：变压器论文; 电流论文; 故障论文; 瓦斯论文; 动作论文; 电压论文; 绕组论文; 《电力设备》2016年第18期论文;