浅谈变压器继电保护设计

浅谈变压器继电保护设计

陈雷

广州大润成电力工程安装有限公司

【摘要】变压器作为电力系统的重要设备，对电力的正常运作起到保障性作用。因此，做好变压器继电保护工作具有重要意义。本文根据多年工作实践，对变压器常见的故障及变压器继电保护装置的原则进行论述，并提出变压器继电保护设计时应注意的要点，供同行借鉴参考。

【关键词】变压器；继电保护；设计

一、电力变压器的常见故障

变压器在正常运行情况下通常出现的两种问题是油箱内部故障及外部故障。

（一）变压器油箱内部故障

变压器油箱的长期运行，维护人员难以仔细检查内部，因此是极易造成故障的地方。油箱内部经常出现的故障有3种：

1、线圈、铜导线老化，虽然在加入变压油，但是绝缘材料本身还含有0.5%左右的水分，一台大型变压器上百公斤甚至上吨的绝缘材料，这些材料所含的水分量非常大，再加上一部分的线圈和导线都位于油箱内部，长期没有检查，导致出现老化的现象，而这些老化必然会造成同处于油箱内部的元件的正常使用。

2、油箱内部的短路。这些短路大多是由绝缘层的破坏造成的，常见的为相间或单相接地短路和匝间短路。因为同一个绕组是由许多的匝线绕成的，一旦绝缘层被破坏或者是绝缘不稳定，叠在一起的线圈就会出现短路的现象，也就是匝间短路。因为短路之后一部分绕阻直接不起作用，电机的磁场就会不对称，电阻减少，剩余线圈中的电流增大，再加上在电机运行中振动增强，出力就会减少很多，影响电力系统的正常工作。

3、油箱内气体和热量的增加。气体的增加很有可能是因为油箱内发生了短路，短路电流产生电弧，这些电弧不仅仅会烧坏铁芯，破坏绕组的绝缘保护。而且会提高变压油与绝缘材料受热，在油箱内部产生大量的气体，这些气体如果得不到及时处理就容易造成油箱爆炸。

而热量增加的原因是由于电阻力的存在。前面就已经提到过，油箱经常处于长时间的工作状态，这就意味着油箱长时间都要通电工作，这样一来就会油箱内就会产生大量的热量，而油箱内部存在有大量的变压油，如果这些热量不及时传到外界环境中，而是长时间集聚在油箱内部，就容易把热量传给变压油，会造成变压油的分解与氧化，绝缘效果被破坏，发生故障的可能性加大。

（二）变压器油箱外部故障

常见的外部故障为油箱的引出线相接短路和接地短路，以及油箱外部绝缘材料受损等导致变压器出现问题。

1、带病运行时

电力变压器如果超出了正常的工作范围或者是带病运行，都会使得变压器出现故障的可能性以及故障的危害性加大。比如说会使绕组，铁芯或者其他的金属构件过热，从而造成变压器的绝缘。

二、继电保护

（一）基本保证

1、可靠性

电力变压器继电保护装置的可靠性是由安全和值得信赖这两部分组成的。安全指的是继电保护装置不会发生误动，也就是说只有在需要继电保护的状态下才进行反应和工作。而值得信赖是指在继电保护装备负责的范围内，一旦电力变压器发生故障，继电保护就要及时作出反应，保护变电器的安全。

2、灵敏性

当电力变压器在属于继电保护的范围内发生故障或者出现不正常的运行时，继电保护能够根据故障或问题的不同及时作出反应。要求继电保护装置不管运用何种系统运行方式都能够通过调节线路电流的方式进行可靠动作。

3、实用性

实用性指的是在系统运行过程中，能够通过使用共享的数据有效解决运行过程中的问题。同时，还可以通过系统分析，数据统计，远程监控等方式来保障继电保护装置的正常的运行，从而为电力变压器的正常工作提供了坚实的保障。同时还要保证继电保护设备的操作简单，以提高其实用性。

（二）装置配置的原则

1、根据电力变压器的运行状况选择差动保护装置

2MVA及以上的用电流速断保护灵敏度不高的变压器，6.3MVA及以上的常用工作变压器或者并列运行的变压器，10MVA及以上的厂备用变压器或者单独运行变压器，都是应该设计安装差动保护装置电力变压器。而高压侧电压为330kV甚至更高的变压器，就需要安装双重差动保护装置来保证电力变压器的安全。

2、因油箱内易发生故障应安装瓦斯保护装置

前面提到电力变压器的油箱是非常容易发生短路故障的位置，在因为匝间短路或者是接地短路而引起的电弧以及电流的作用下，再加上较大的电阻力，就会产生较高的热量，使得油箱内部的绝缘材料以及变压油在加热的情况下产生大量气体。如果故障严重，这些气体不及时排出还极易引起爆炸，因此，要为电力变压器安装瓦斯保护装置。

3、根据不同的运行情况、容量及灵敏度采取过电流保护

采取过电流保护电力变压器的方式选择有很多，在实际工作运行时，则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，就可以采取必要保护，比如过电流保护，负序电流或者复合电压启动的过电流保护，也可将阻抗保护作为后备保护，比如带时限动作于跳闸。

三、继电保护设计应注意的要点

根据以上陈述的继电保护的原则把继电保护设计分为三大类：差动保护设计，瓦斯保护设计以及过电流保护设计。

（一）差动保护装置的设计要点

1、确保纵联差动保护设计的有效性

当电力变压器并列运行且容量>6.3MVA，或单独运行时容量>10MVA的状态下应该采用纵联差动保护设计。为了保证这一设计的有效性，避免误动，保证可靠性，就必须要遵循电力变压器低压侧与高压侧互感器环流接线的原则。对于电压>330kV的高压侧，则应该在引出线部分安装差动保护装置。

2、根据变压器与断路器设置差动保护装置的数量

有些电力变压器已设置断路器，在这种情况下，应该在电力变压器与发电机之间安装独立的差动保护装置。反之，如果没有安装断路器，则要根据电力变压器的容量来确定需要安装的差动保护装置的数量。容量在100MVA以下的变压器与发电机，可以共用一个保护装置，而容量在100MVA以上的变压器或发电机，就需要分别设置独立差动保护装置。

3、设置差动保护中的CT二次绕组时需注意的事项

如果是第1套差动保护回路，需要独立接CT绕组，同时要保证旁代可以切换，如果是第2套差动保护回路，就需要在主变套管中接CT绕组，而这时则不需要再次切换旁代。三烧组变压器差动保护装置，如图1所示。

（二）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油而造成的气体膨胀带来的爆炸。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2所示。

（三）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，我们在变压器的低压侧采用三相式三卷变压器，在变压器的中压侧和高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I=K1/K2×I0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U=U0/K1×K2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。

四、结语

综上所述，在进行变压器继电保护设计时应把控好相关的设计要点，确保变压器的稳定工作，为电力系统的正常运行做好保障。

参考文献：

[1]雷钰.电力变压器继电保护设计的探讨[J].科技与企业，2013，（19）.

[2]尹宇峰.电力变压器继电保护设计分析[J].城市建设理论研究：电子版，2014，（28）.

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