摘要:电力系统变压器是非常重要的部件,但电力变压器在实际运行中,会发生各类型的故障,影响着电力系统的安全连续运行、以及经济效益的提高。因此,设置具有良好性能、动作可靠的继电保护装置是很有必要的。
关键词:电力系统,继电保护装置,电力变压器
1、前言
随着我国电力工业的迅猛发展,电网的规模也逐渐扩大,电网的密集度也在不断提高。作为电力系统的主要部件—变压器也时刻受到外界负荷的影响。电力变压器正常运行中,可能会发生各类型的故障,例如超高压输电建设,越来越离不开大型的电力变压器,它的故障也直接影响着整个电力系统的安全连续运行。因此,为了保证供电的可靠性和连续性,必须对电力变压器继电保护装置的性能和动作可靠性做出相应的严格设置。
2、电力变压器的故障类型及不正常状态
电力变压器的故障通常可以分为油箱内部故障和油箱外部故障两种。油箱内部故障主要是指发生在变压器油箱内包括高压侧或低压侧绕组的相间短路、匝间短路、中性点直接接地系统侧绕组的单相接地短路以及铁芯的绕损等。变压器内部故障非常危险，因为故障时产生的电弧，不仅会损坏绕组的绝缘、烧坏铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱的爆炸，所以继电保护应快速切除这些故障。油箱外部故障最常见的主要是变压器绕组引出线和绝缘套管上发生的相间短路和接地短路(直接接地系统侧)。变压器的不正常运行状态主要有：变压器外部相问短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压;负荷超过额定容量引起的过负荷;油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高。此外，对大容量变压器，由于其额定工作时的磁通密度接近于铁芯的饱和磁通密度，在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。这些不正常的运行状态会使绕组、铁芯和其他金属构件过热，威胁变压器绝缘。
3、电力变压器器继电保护设计方案
3.1瓦斯保护设计
如果变压器内部发生严重漏油或匝间短路、铁心局部烧损、线圈断线、绝缘劣化和油面下降等故障时，往往差动保护及其他保护均不能动作，而瓦斯保护却能动作。瓦斯保护主要由气体继电器来实现，安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中。瓦斯保护分为两种：一种是轻瓦斯保护动作于信号，根据气体的数量、颜色、化学成分和可燃性等，判断保护的原因和故障性质，运行人员能够迅速发现故障并及时处理;另一种是重瓦斯保护动作于断路器跳闸，监视气体发生的速度，分析气体的各种特征及成分，可以间接地推测故障发生原因、部位和严重程度，在变压器出现突然性严重故障时自动报警或切断电源。
3.2过电流保护设计
为反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变压器内部故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备保护，变压器应装设过电流保护。过电流保护通常是指变压器启动电流按躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。它主要在其各侧母线故障时起作用，特别是中、低压侧母线的故障。主要分为以下3 种情况：
1)低压变压器过电流保护设计
变压器低压侧一般采用三相式三卷变压器，高、中压侧的阻抗保护很可能对压侧短路起不到保护作用，不能满足作为相邻元件后备保护的要求，这时可以同时在其高、中压侧均装设复合电压闭锁过流保护及零序方向过电流保护与间隙保护，低压侧装设复合电压闭锁过流保护。复合电压闭锁过流保护装置的电流元应按大于变压器的额定电流整定，即I=K1/K2×I0 式中，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，为了正确反映各侧的不对称短路残压，此装置还应安装一套低电压锁闭元件。电压元件的动作电压应低于运行中可能出现的最低工作电压，如大容量电动机启动引起的电压降低等，其计算如下：U=U0/K1×K2, 式中，U0 为校验点故障时，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。__
2)高压变压器的保护设计
如果变压器高压侧的过电流保护对低压侧母线有规定的灵敏系数时，则在变压器低压侧断路器与高压侧短路器上可配置过电流保护装置，当低压侧母差保护校验停运或故障拒动及开关与TA间故障时，此装置成为低压侧母线的主保护及后备保护。但是，如果短路为非金属性的，经弧光短路时，阻抗保护可能灵敏度不足或整定延时长于2.0s。因此，最好在高压侧设一个保护变压器热稳定的反时限过流保护，其整定值应由变压器的热稳定要求决定。同时，在低压侧另安装保护或在低压侧中性线上装设零序电流保护，跳高压侧短路器，其动作电流可按中性线不平衡电流不超过变压器额定电流的25%。
3)负序过电流保护设计
当相间后备保护按远后备原则配置时，应躲过被保护变压器所连接相邻线路发生一相断线时流过保护安装处的负序电流，并与相邻线路零序电流保护的后备段在灵敏度上配合，以防止负序过电流保护非选择性动作。设计时在各种两相短路情况下，测量反时限、定时限和负序过过负荷报警回路动作电流的离散值。测量反时限、定时限和负序过负荷报警回路的动作电流范围，刻度误差和返回系数。当负序保护作为发信号用时，由于断路合闸时的三相非同时，电力系统起动过程中的大电流、过流过程引起电流互感器的不平衡以及相邻近设备发生相间短路故障时都会引起较大的负序电流，可用延时来躲过。因此，动作时间应大于相邻设备的速断保护动作时间与断路器的分闸时间之和。当负序保护作为相间短路保护的后备保护时，即投跳闸时，动作时间应大于相邻设备及本设备的相间后备保护的动作时间。
4、电力变压器保护的应用
4.1变压器的差动保护
差动保护的构成原理主要是利用比较变压器高、低压侧的电流大小和相位来实现的。将变压器两侧的电流互感器二次侧按正常时的“环流接线”，图1 示出了适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比;对于Y，dl1 的电力变压器，同时再考虑采用“相位补偿接线”，即变压器星形侧的电流互感器接成三角形，变压器三角形侧的电流互感器接成星形。当变压器正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差接近于零(实际为由多种原因引起的不平衡电流，由于不平衡电流小)差动保护不动作，保护也不会动作。当变压器内部(包括变压器与电流互感器之间的引线)任何一点故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之和为故障点短路电流，大于继电器动作电流，继电器动作，跳变压器各侧断路器切除故障，同时发动作信号。
差动保护在继电保护的发展过程中， 有着独特而无法替代的地位，其灵敏度高，选择性好，实现简单，不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其他元件的保护配合，可以无延时地切除区内各种故障,因此差动保护被广泛应用于各种电气主设备和线路的保护中，作为电气主设备的主保护，具有独特的优点。
4.2变压器的瓦斯保护
当变压器油箱内部发生故障(包括轻微的匝间短路和绝缘破坏引起的经电弧电阻的接地短路)时，由于故障点电流和电弧的作用，将使变压器油及其它绝缘材料因局部受热而分解产生气体，因气体比较轻，它们将从油箱流向油枕的上部。当故障严重时，油会迅速膨胀并产生大量的气体， 此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部，迫使继电器内油面降低，引起瓦斯信号动作。当变压器发生穿越性短路故障，在穿越性故障电流作用下，油隙问的油流速度加快，当油隙内和绕组外侧产生的压力差变化大时，气体继电器就可能误动作。穿越性故障电流使绕组动作发热，当故障电流倍数很大时，绕组温度上升很快，使油的体积膨胀，造成气体继电器误动作，对此必须采取相应的措施。
4.3 变压器的后备过流保护
变压器后备保护作为变压器自身的近后备和各侧母线、线路的远后备，地位也十分重要。双绕组变压器，后备保护应装在主电源侧，根据主接线情况，保护可带一段或两段时限，以较短的时限缩小故障影响范围，跳母联或分段断路器;较长的时限断开变压器各侧的断路器。三绕组变压器和自耦变压器，后备保护要分别装在主电源侧和主负荷侧。主电源侧的保护带两段时限，以较短的时限断开未装保护侧的断路器，主负荷侧的保护动作于本侧断路器。当上述方式不符合灵敏性要求时，可在各侧装设后备保护，各侧保护应根据选择性的要求考虑加装方向元件。
5、结语
综上所述,无论是变压器的外部短路或过负荷引起的过电流或温度升高等非正常工作情况,都不容忽视。因此,继电保护设计在以供电的可靠性和连续性为前提下,做好相应的严格设置。