電力工程師評職范文電力變壓器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

　　摘要:電力系統(tǒng)變壓器是非常重要的部件,但電力變壓器在實(shí)際運(yùn)行中,會發(fā)生各類型的故障,影響著電力系統(tǒng)的安全連續(xù)運(yùn)行、以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。因此,設(shè)置具有良好性能、動作可靠的繼電保護(hù)裝置是很有必要的。

　　關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng),繼電保護(hù)裝置,電力變壓器

　　1、前言

　　隨著我國電力工業(yè)的迅猛發(fā)展,電網(wǎng)的規(guī)模也逐漸擴(kuò)大,電網(wǎng)的密集度也在不斷提高。作為電力系統(tǒng)的主要部件—變壓器也時(shí)刻受到外界負(fù)荷的影響。電力變壓器正常運(yùn)行中,可能會發(fā)生各類型的故障,例如超高壓輸電建設(shè),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(gè)電力系統(tǒng)的安全連續(xù)運(yùn)行。因此,為了保證供電的可靠性和連續(xù)性,必須對電力變壓器繼電保護(hù)裝置的性能和動作可靠性做出相應(yīng)的嚴(yán)格設(shè)置。

　　2、電力變壓器的故障類型及不正常狀態(tài)

　　電力變壓器的故障通?？梢苑譃橛拖鋬?nèi)部故障和油箱外部故障兩種。油箱內(nèi)部故障主要是指發(fā)生在變壓器油箱內(nèi)包括高壓側(cè)或低壓側(cè)繞組的相間短路、匝間短路、中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)側(cè)繞組的單相接地短路以及鐵芯的繞損等。變壓器內(nèi)部故障非常危險(xiǎn)，因?yàn)楣收蠒r(shí)產(chǎn)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(chǎn)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(hù)應(yīng)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(fā)生的相間短路和接地短路(直接接地系統(tǒng)側(cè))。變壓器的不正常運(yùn)行狀態(tài)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(diǎn)過電壓;負(fù)荷超過額定容量引起的過負(fù)荷;油箱漏油引起的油面降低或冷卻系統(tǒng)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(shí)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(yùn)行方式下，還會發(fā)生變壓器的過勵磁故障。這些不正常的運(yùn)行狀態(tài)會使繞組、鐵芯和其他金屬構(gòu)件過熱，威脅變壓器絕緣。

　　3、電力變壓器器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方案

　　3.1瓦斯保護(hù)設(shè)計(jì)

　　如果變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)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(shí)，往往差動保護(hù)及其他保護(hù)均不能動作，而瓦斯保護(hù)卻能動作。瓦斯保護(hù)主要由氣體繼電器來實(shí)現(xiàn)，安裝在變壓器油箱與油枕之間的連接導(dǎo)油管中。瓦斯保護(hù)分為兩種：一種是輕瓦斯保護(hù)動作于信號，根據(jù)氣體的數(shù)量、顏色、化學(xué)成分和可燃性等，判斷保護(hù)的原因和故障性質(zhì)，運(yùn)行人員能夠迅速發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)處理;另一種是重瓦斯保護(hù)動作于斷路器跳閘，監(jiān)視氣體發(fā)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(fā)生原因、部位和嚴(yán)重程度，在變壓器出現(xiàn)突然性嚴(yán)重故障時(shí)自動報(bào)警或切斷電源。

　　3.2過電流保護(hù)設(shè)計(jì)

　　為反應(yīng)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(nèi)部故障時(shí)，作為差動保護(hù)和瓦斯保護(hù)的后備保護(hù)，變壓器應(yīng)裝設(shè)過電流保護(hù)。過電流保護(hù)通常是指變壓器啟動電流按躲開最大負(fù)荷電流來整定的一種保護(hù)裝置。它主要在其各側(cè)母線故障時(shí)起作用，特別是中、低壓側(cè)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(hù)設(shè)計(jì)

　　變壓器低壓側(cè)一般采用三相式三卷變壓器，高、中壓側(cè)的阻抗保護(hù)很可能對壓側(cè)短路起不到保護(hù)作用，不能滿足作為相鄰元件后備保護(hù)的要求，這時(shí)可以同時(shí)在其高、中壓側(cè)均裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)及零序方向過電流保護(hù)與間隙保護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)。復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)裝置的電流元應(yīng)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(shù)，取1.2～1.3 ;K2 為返回系數(shù)，取0.85 ;I0 為變壓器的額定電流。同時(shí)，為了正確反映各側(cè)的不對稱短路殘壓，此裝置還應(yīng)安裝一套低電壓鎖閉元件。電壓元件的動作電壓應(yīng)低于運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最低工作電壓，如大容量電動機(jī)啟動引起的電壓降低等，其計(jì)算如下：U=U0/K1×K2, 式中，U0 為校驗(yàn)點(diǎn)故障時(shí)，電壓繼電器裝設(shè)母線上的最大殘壓;K1 為可靠系數(shù)，取1.2～1.25 ;K2 為返回系數(shù)，取1.15～1.2。__

　　2)高壓變壓器的保護(hù)設(shè)計(jì)

　　如果變壓器高壓側(cè)的過電流保護(hù)對低壓側(cè)母線有規(guī)定的靈敏系數(shù)時(shí)，則在變壓器低壓側(cè)斷路器與高壓側(cè)短路器上可配置過電流保護(hù)裝置，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)母差保護(hù)校驗(yàn)停運(yùn)或故障拒動及開關(guān)與TA間故障時(shí)，此裝置成為低壓側(cè)母線的主保護(hù)及后備保護(hù)。但是，如果短路為非金屬性的，經(jīng)弧光短路時(shí)，阻抗保護(hù)可能靈敏度不足或整定延時(shí)長于2.0s。因此，最好在高壓側(cè)設(shè)一個(gè)保護(hù)變壓器熱穩(wěn)定的反時(shí)限過流保護(hù)，其整定值應(yīng)由變壓器的熱穩(wěn)定要求決定。同時(shí)，在低壓側(cè)另安裝保護(hù)或在低壓側(cè)中性線上裝設(shè)零序電流保護(hù)，跳高壓側(cè)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(fù)序過電流保護(hù)設(shè)計(jì)

　　當(dāng)相間后備保護(hù)按遠(yuǎn)后備原則配置時(shí)，應(yīng)躲過被保護(hù)變壓器所連接相鄰線路發(fā)生一相斷線時(shí)流過保護(hù)安裝處的負(fù)序電流，并與相鄰線路零序電流保護(hù)的后備段在靈敏度上配合，以防止負(fù)序過電流保護(hù)非選擇性動作。設(shè)計(jì)時(shí)在各種兩相短路情況下，測量反時(shí)限、定時(shí)限和負(fù)序過過負(fù)荷報(bào)警回路動作電流的離散值。測量反時(shí)限、定時(shí)限和負(fù)序過負(fù)荷報(bào)警回路的動作電流范圍，刻度誤差和返回系數(shù)。當(dāng)負(fù)序保護(hù)作為發(fā)信號用時(shí)，由于斷路合閘時(shí)的三相非同時(shí)，電力系統(tǒng)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(shè)備發(fā)生相間短路故障時(shí)都會引起較大的負(fù)序電流，可用延時(shí)來躲過。因此，動作時(shí)間應(yīng)大于相鄰設(shè)備的速斷保護(hù)動作時(shí)間與斷路器的分閘時(shí)間之和。當(dāng)負(fù)序保護(hù)作為相間短路保護(hù)的后備保護(hù)時(shí)，即投跳閘時(shí)，動作時(shí)間應(yīng)大于相鄰設(shè)備及本設(shè)備的相間后備保護(hù)的動作時(shí)間。

　　4、電力變壓器保護(hù)的應(yīng)用

　　4.1變壓器的差動保護(hù)

　　差動保護(hù)的構(gòu)成原理主要是利用比較變壓器高、低壓側(cè)的電流大小和相位來實(shí)現(xiàn)的。將變壓器兩側(cè)的電流互感器二次側(cè)按正常時(shí)的“環(huán)流接線”，圖1 示出了適當(dāng)?shù)剡x擇兩側(cè)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(shí)再考慮采用“相位補(bǔ)償接線”，即變壓器星形側(cè)的電流互感器接成三角形，變壓器三角形側(cè)的電流互感器接成星形。當(dāng)變壓器正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，差動繼電器中的電流等于兩側(cè)電流互感器的二次電流之差接近于零(實(shí)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(hù)不動作，保護(hù)也不會動作。當(dāng)變壓器內(nèi)部(包括變壓器與電流互感器之間的引線)任何一點(diǎn)故障時(shí)，差動繼電器中的電流等于兩側(cè)電流互感器的二次電流之和為故障點(diǎn)短路電流，大于繼電器動作電流，繼電器動作，跳變壓器各側(cè)斷路器切除故障，同時(shí)發(fā)動作信號。

　　差動保護(hù)在繼電保護(hù)的發(fā)展過程中， 有著獨(dú)特而無法替代的地位，其靈敏度高，選擇性好，實(shí)現(xiàn)簡單，不但能夠正確區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，而且不需要與其他元件的保護(hù)配合，可以無延時(shí)地切除區(qū)內(nèi)各種故障,因此差動保護(hù)被廣泛應(yīng)用于各種電氣主設(shè)備和線路的保護(hù)中，作為電氣主設(shè)備的主保護(hù)，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

　　4.2變壓器的瓦斯保護(hù)

　　當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障(包括輕微的匝間短路和絕緣破壞引起的經(jīng)電弧電阻的接地短路)時(shí)，由于故障點(diǎn)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(chǎn)生氣體，因氣體比較輕，它們將從油箱流向油枕的上部。當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)，油會迅速膨脹并產(chǎn)生大量的氣體， 此時(shí)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(nèi)油面降低，引起瓦斯信號動作。當(dāng)變壓器發(fā)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(dāng)油隙內(nèi)和繞組外側(cè)產(chǎn)生的壓力差變化大時(shí)，氣體繼電器就可能誤動作。穿越性故障電流使繞組動作發(fā)熱，當(dāng)故障電流倍數(shù)很大時(shí)，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(yīng)的措施。

　　4.3 變壓器的后備過流保護(hù)

　　變壓器后備保護(hù)作為變壓器自身的近后備和各側(cè)母線、線路的遠(yuǎn)后備，地位也十分重要。雙繞組變壓器，后備保護(hù)應(yīng)裝在主電源側(cè)，根據(jù)主接線情況，保護(hù)可帶一段或兩段時(shí)限，以較短的時(shí)限縮小故障影響范圍，跳母聯(lián)或分段斷路器;較長的時(shí)限斷開變壓器各側(cè)的斷路器。三繞組變壓器和自耦變壓器，后備保護(hù)要分別裝在主電源側(cè)和主負(fù)荷側(cè)。主電源側(cè)的保護(hù)帶兩段時(shí)限，以較短的時(shí)限斷開未裝保護(hù)側(cè)的斷路器，主負(fù)荷側(cè)的保護(hù)動作于本側(cè)斷路器。當(dāng)上述方式不符合靈敏性要求時(shí)，可在各側(cè)裝設(shè)后備保護(hù)，各側(cè)保護(hù)應(yīng)根據(jù)選擇性的要求考慮加裝方向元件。

　　5、結(jié)語

　　綜上所述,無論是變壓器的外部短路或過負(fù)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(hù)設(shè)計(jì)在以供電的可靠性和連續(xù)性為前提下,做好相應(yīng)的嚴(yán)格設(shè)置。