變壓器相間短路保護(hù)研究

楊文池

摘 ?要：近年來，供電量的需求越來越大，由于變壓器損壞而導(dǎo)致的供電系統(tǒng)故障也越來越頻繁，而變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要供電元件，也是維持電路正常運(yùn)行的核心要素，所以變壓器相間短路保護(hù)工作值得重視并進(jìn)一步的優(yōu)化提高。文章旨在變壓器保護(hù)裝設(shè)基本原則進(jìn)行簡要的介紹，并就短路現(xiàn)象產(chǎn)生的具體原因提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：變壓器;相間短路保護(hù);原理;預(yù)防措施

中圖分類號：TN715+ ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）02-0102-02

1 ?變壓器保護(hù)裝設(shè)的基本原則

變壓器是電力系統(tǒng)中的重要供電元件，而其對于保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性都有著重大的意義，所以重視并優(yōu)化變壓器保護(hù)裝設(shè)對于提高發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率以及經(jīng)濟(jì)效益都有著顯著的作用。而對于變壓器保護(hù)裝設(shè)合理工作的基本原則，首先應(yīng)該結(jié)合供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境以及其不同的設(shè)計(jì)方案來構(gòu)建，并保證其具體配置能達(dá)到可靠性、選擇性、速動(dòng)性、靈敏性這四個(gè)基本要求。但由于變壓器類型與重要程度上的差異性，在對其實(shí)際的保護(hù)方案中，也必須根據(jù)不同工程的具體需要來提供可靠的繼電保護(hù)裝置。變壓器一般裝設(shè)以下保護(hù)：

瓦斯保護(hù)、縱差動(dòng)保護(hù)或電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、零序電流保護(hù)以及防御對稱過負(fù)荷的過負(fù)荷保護(hù)。而在對于變壓器主保護(hù)的具體要求中，不同容量和機(jī)能的變壓器都采用不同的主保護(hù)措施，電壓在10 kV及以下、容量在10 MVA及以下的變壓器采用電流速斷保護(hù);而一般采用縱差保護(hù)來維持電壓在10 kV以上、容量在10 MVA以上的變壓器的安全運(yùn)行;對于電壓在220 kV以上的變壓器設(shè)備應(yīng)裝設(shè)數(shù)字式保護(hù)。當(dāng)然，在對細(xì)分后的繼電保護(hù)措施也有著不同的具體設(shè)計(jì)方案，以下簡單介紹變壓器差動(dòng)保護(hù)和后備保護(hù)的基本工作原理和要求。

1.1 ?變壓器相間短路差動(dòng)保護(hù)的基本原理和要求

差動(dòng)保護(hù)能防御變壓器繞組和引線的多相短路、中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)側(cè)繞組和引線的電路以及繞組匝間的短路現(xiàn)象，而其工作原理是根據(jù)基爾霍夫電流定理制成的，如圖1所示。

差動(dòng)保護(hù)把被保護(hù)的電路看作是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在穩(wěn)定狀態(tài)下即流進(jìn)設(shè)備的電流和流出的電流相等，此時(shí)差動(dòng)電流等于零。而當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，差動(dòng)電流大于零，即此時(shí)流進(jìn)設(shè)備的電流和流出的電流不相等。當(dāng)差動(dòng)電流大于差動(dòng)保護(hù)裝置的整定值時(shí)，上位機(jī)報(bào)警保護(hù)出口動(dòng)作，將相關(guān)設(shè)備的各側(cè)斷路器跳開，使故障設(shè)備斷開電源。

在對差動(dòng)保護(hù)能高效維持變壓器安全、穩(wěn)定工作的基本要求中要做到以下幾點(diǎn)：①能減小供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況下的不平衡電流，并當(dāng)通過外部最大穩(wěn)態(tài)短路電流時(shí)始終能維持各側(cè)用的電流互感器的穩(wěn)定運(yùn)行;②能減小電流互感器的二次負(fù)荷，并相應(yīng)的控制變壓器差動(dòng)保護(hù)專用的D級電流互感器中勵(lì)磁電流的產(chǎn)生，并嚴(yán)格將差動(dòng)保護(hù)回路的二次負(fù)荷控制在10%誤差以下，而為實(shí)現(xiàn)這一工作目的，一般采用適當(dāng)增大導(dǎo)線截面、縮短控制電纜長度這兩方面的措施來盡量減少控制電纜的電阻或者采用弱電控制用的電流互感器等來實(shí)施運(yùn)行方案;而為了進(jìn)一步改善在一次側(cè)電流較大的情況下，電流互感器容易飽和的情況，變壓器差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)方案一般采用帶小氣隙的電流互感器來減少不平衡電流，從而改善了電流互感器常見的暫態(tài)特征，有效地提高了變壓器運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 ?變壓器相間短路后備保護(hù)的基本原理和要求

變壓器一般采用過電流保護(hù)或復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)作為后備保護(hù)，其是對變壓器主保護(hù)工作的補(bǔ)充，也可以說是對相鄰線路的后備保護(hù)，其原理圖如圖2所示，是指當(dāng)主保護(hù)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)而產(chǎn)生了很短工作延時(shí)，另一個(gè)保護(hù)將啟動(dòng)并動(dòng)作，將故障回路跳開，從而嚴(yán)格保障系統(tǒng)電路的安全性。

由于變壓器類型與重要程度上的差異性，在對其實(shí)際的保護(hù)方案中，也必須根據(jù)不同工程的具體需要來提供可靠的繼電保護(hù)裝置，而在對于變壓器后備保護(hù)的具體要求中，不同容量和機(jī)能的變壓器都采用不同的后備保護(hù)措施，過電流保護(hù)措施適用于降壓變壓器;對于大容量的變壓器組則采用負(fù)序電流和單項(xiàng)式低壓過電流保護(hù)，以此來避免額定電流大而導(dǎo)致電路元件靈敏度達(dá)不到要求的情況。

2 ?變壓器短路原因分析

就筆者在實(shí)踐工作中的經(jīng)驗(yàn)并且從變壓器的短路事故統(tǒng)計(jì)中可以發(fā)現(xiàn)，短路事故中變壓器損壞的主要原因是變壓器本身的抗短路能力以及承受短路動(dòng)穩(wěn)定能力不足，其中，變壓器的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)嚴(yán)重影響了供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，多數(shù)變壓器是經(jīng)過多次相間短路沖擊下，或者是使用期較長，在經(jīng)過多次過電流沖擊之下，導(dǎo)致繞組變形的加劇而損壞，并且動(dòng)作失靈。而變壓器在短路情況發(fā)生時(shí)最容易發(fā)生變形的是低壓繞組和平衡繞組、后使高中壓繞組、鐵芯和夾件。變壓器在遭受突發(fā)短路時(shí)，高低壓兩側(cè)都都會(huì)受到較大強(qiáng)度的短路電流沖擊，并且大部分都因?yàn)椴荒芗皶r(shí)跳閘而發(fā)生短路事故，而且往往在斷路器還沒有及時(shí)斷開的很短時(shí)間內(nèi)，短路電流產(chǎn)生與電流平方成正比的較強(qiáng)電動(dòng)力將作用于變壓器的繞組上，其中又具體分為輻向力和軸向力，在遭受短路情況時(shí)，此電動(dòng)力中的輻向力會(huì)對高壓繞組施以較強(qiáng)的張力，并使低壓繞組受到壓縮，因此，低壓繞組會(huì)很容易產(chǎn)生變形，從而改變了變壓器保護(hù)設(shè)備的內(nèi)部特征，并嚴(yán)重降低了其工作效率。而在突發(fā)短路時(shí)產(chǎn)生的軸向力使繞組壓縮、扭曲、鼓包和匝間短路。使高壓低壓繞組發(fā)生軸向位移。而在另一方面，由于在實(shí)踐工作中對于變壓器相間電路保護(hù)工作流程和方法都還不夠科學(xué)、系統(tǒng)，因此，建立一個(gè)在適應(yīng)實(shí)際供電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的電路保護(hù)程序也是不可或缺的工作環(huán)節(jié)，而且其對于提高供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性乃至經(jīng)濟(jì)效益都有著非凡的意義。

3 ?預(yù)防變壓器短路現(xiàn)象的具體措施

3.1 ?加強(qiáng)變壓器的質(zhì)量檢測工作

要保證變壓器的質(zhì)量要求，首先要規(guī)范對變壓器的全過程管理工作。在訂購變壓器設(shè)備時(shí)，應(yīng)該十分注意對于變壓器的選型，要注意一些不同變壓器應(yīng)具備的特征細(xì)節(jié)，例如110 kV有載調(diào)壓變壓器中壓側(cè)不宜設(shè)調(diào)壓線圈并且降壓變壓器最好能有67%及以上的自冷能力，而且優(yōu)先選用已通過專業(yè)突發(fā)短路試驗(yàn)并檢測合格的產(chǎn)品，并就所購變壓器突發(fā)短路試驗(yàn)的試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)的核算工作。而在對所購變壓器進(jìn)行出廠檢測時(shí)，也要保變壓器的各項(xiàng)性能在特殊短路情況實(shí)驗(yàn)下的數(shù)值能滿足實(shí)際工作的需求，如在變壓器出廠時(shí)應(yīng)進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)來檢驗(yàn)繞組承受突發(fā)短路時(shí)產(chǎn)生的軸向力的能力，并通過頻響實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其相間頻響特性是否具有良好的一致性，并將變壓器的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制表并科學(xué)分析，而為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有代表性和準(zhǔn)確性，需要通過多次試驗(yàn)來積累原始數(shù)據(jù)，并將多次結(jié)論前后進(jìn)行對比，以檢查變壓器是否能正常運(yùn)行，而這樣的檢查工作應(yīng)該變壓器投入使用后就定期開展，以保證變壓器的良好運(yùn)行狀態(tài)，例如可以每5年對變壓器進(jìn)行一次繞組變形測試，以便對繞組變形的實(shí)時(shí)情況及變壓器的健康狀況充分的掌握，以此來控制變壓器相間短路現(xiàn)象發(fā)生的概率。

3.2 ?合理進(jìn)行變壓器相間短路的保護(hù)工作

要保證變壓器保護(hù)裝設(shè)合理高效的工作，首先要嚴(yán)格遵守變壓器保護(hù)裝設(shè)合理工作的基本原則，并應(yīng)該結(jié)合供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境以及其不同的設(shè)計(jì)方案來構(gòu)建，并保證其具體配置能達(dá)到可靠性、選擇性、速動(dòng)性、靈敏性這四個(gè)基本要求。在實(shí)踐工作中，要根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況來制定相應(yīng)的變壓器保護(hù)方案，并依據(jù)各個(gè)電路保護(hù)策略的具體特征，最終選擇最優(yōu)方案。并在處理相應(yīng)的問題時(shí)，能做到對電路的及時(shí)保護(hù)，并在技術(shù)和管理上采取有效措施，改善變壓器運(yùn)行條件，最大限度防止或減少變壓器的出口短路。

為減少變壓器低壓側(cè)出口短路幾率，可裝設(shè)絕緣熱縮保護(hù)材料在母線橋上，而對于110 kV及以上電壓等級變壓器出現(xiàn)出口短路、近區(qū)短路等故障時(shí)，應(yīng)該立即對變壓器的油作色譜分析。如色譜分析異常，應(yīng)立即申請變壓器停運(yùn)，并做進(jìn)一步的檢查試驗(yàn);如色譜分析正常，還應(yīng)在短期內(nèi)進(jìn)行一次色譜分析，確認(rèn)變壓器的合理運(yùn)行狀態(tài)，并作出調(diào)查報(bào)告。而加強(qiáng)開關(guān)柜管理也是一項(xiàng)關(guān)鍵的工作，當(dāng)變壓器發(fā)生出口或近區(qū)短路時(shí)，應(yīng)確保開關(guān)正確動(dòng)作切除故障，也能控制短路現(xiàn)象的擴(kuò)散，保證其他線路的安全。

4 ?結(jié) ?語

總而言之，要降低變壓器短路問題發(fā)生的幾率，首先要保證變壓器本身的質(zhì)量合格，并且做到定期檢查和修理;而在另一方面，變壓器相間電路保護(hù)工作也是一項(xiàng)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，只有完善了變壓器電路保護(hù)工作的各個(gè)工作流程，才能進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，并在一定程度上提升相關(guān)機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益，而且能改善現(xiàn)今越發(fā)頻繁的變壓器短路現(xiàn)象給人們?nèi)粘Ｉ顜淼挠绊?。所以，變壓器相間短路保護(hù)應(yīng)該逐漸成為我們的工作重心之一，并且值得進(jìn)一步深化的研究和探討。

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