电力变压器保护系统研究及仿真

刘攀，张波，董燕丽，成慧翔，李凯丽

（山西农业大学信息学院，山西 晋中 030800）

随着电力系统设备的完善，中国的“西电东送、南北互供、全国互联”的发展非常的成功，电能的传送距离增加、电网所覆盖的区域越来越宽、电网的储存容量也在增大，对电网安全、可靠以及稳定的运行有了很高的要求。电力变压器对整个电力系统中发电、输电以及配电有着不可替代的作用。

依据《继电保护和自动装置设计技术规程》，给电力变压器应该配备下面的几种保护装置，比如在油箱内部要增加油位过低或者是短路的保护装置，以及绕组和引出线多相发生短路等等的纵联差动保护；大电流方式的接地系统中的变压器外围的接地故障而设置的零序电流保护；变压器对称方向的过负荷所设定的过负荷保护等。

1 电力变压器基本理论与故障

1.1 变压器结构及工作原理

电力变压器是使用电磁感应的原理将一种交流电压能转换成另一种同频率的交流电压能。电力变压器的工作原理可以用六个字来概括“电生磁，磁生电”。电力变压器一次侧通过变化的交流电，这种变化的电流在由铁芯组成的主磁通回路中产生交变的主磁通，主磁通同时通过一次绕组与二次绕组，根据电磁感应原理，在电力变压器的一次绕组中会产生自感应电动势，而在二次绕组中也会产生互感应电动势。

电力变压器是通过电磁感应原理制成的，磁路一般由磁导率较高的铁磁材料组成，为了降低交变磁通在铁芯中形成的涡流与磁滞的消磨，电力变压器的铁心是通过厚度为0.35mm 的冷轧硅钢板叠加而成的。电力变压器的电路部分是绕组，它通常由高导电率材料制成，每个绕组之间应有较好的绝缘能力，以确保电力变压器的电流回路畅通。在组装的过程中，低电压绕组接近铁芯，低电压绕组被高电压绕组包裹在内部。绕组与铁芯常常安放在有电力变压器油的油箱中，这对增强绝缘和散热起着非常重要的作用。电力变压器的引线务必通过油箱的绝缘套管，并通过油箱盖，以便高压引线与接地油箱起绝缘作用。

1.2 电力变压器故障及危害

内部故障一般包含有：不同绕组相间的短路故障、中心点直接接地侧的接地短路以及匝间短路故障。当电力变压器出现内部故障时，会特别的危险，一经出现故障，在故障点引起的电流和电弧，不仅会破坏绕组的绝缘，而且还会烧坏铁芯。当出现的故障特别严重时，因电力变压器油会发生受热分解而产生大量气体，将会引起电力变压器油箱爆炸的情况。因此，继电保护应快速地消除这些故障。

电力变压器最为常见的外部异常情况有：因为过电流或者过电压引起的过励磁；因为受到过大负荷而发生的过负荷；由油箱漏油而导致油位下降的故障；温度升高(通常由冷却系统所导致)。另外，在过电压、低频率等不正常工作的情况下，对容量变压器而言，由于额定工作和铁心的饱和他们两的磁通密度特别逼近，常常会导致电力变压器产生过励磁的故障。上述不正常运行情况会导致绕组和铁芯等金属部件过热，从而导致电力变压器的绝缘性能达不到要求。

2 电力变压器保护系统

2.1 瓦斯保护

当电力变压器油箱内部发生故障时(包括由于微小的匝间短路和绝缘的损坏而导致的经电弧电阻的接地短路故障)，由事故点电流与电弧的影响，导致电力变压器油和其它绝缘材料会由于部分受热分解从而产生气体，由于气体较轻，将会从油箱流到油枕的顶部。故障非常严重时，油将会快速膨胀且产生气体，这时，强列的气流将与油混合流到油枕的顶部，从而使继电器的触点开始工作，连接到指定的控制回路，并及时发送信号或电力变压器自动被切断，形成响应上述气体而动作的保护装置，该装置称为瓦斯保护。

（1）轻瓦斯。当电力变压器的内部出现较小故障时，气体以较低的速度产生，气体首先聚集在通往油箱的瓦斯继电器的上部，导致油位降低，浮筒降低以关闭水银触点，并且打开报警信号。

（2）重瓦斯。当较严重故障出现在变压器内部时，变压器油的压力会瞬间增强，最终导致大量的油流向油枕方向，由于油流冲击档板，档板将会抑制弹簧的阻力，使磁铁沿干簧接触点方向挪动，关闭水银接触点，并且连接跳闸回路使断路器跳开。

2.2 纵差保护

根据基尔霍夫定律，测量电力变压器每一侧电流的向量和，其物理含义是：当电力变压器正常工作或出现外部故障时，如果忽略励磁电流和其他的损耗，则电力变压器流入的电流与流出的电流相同。

在电力变压器正常工作过程中发生外部短路现象，此时通过差动继电器中的电流为，处在最理想状态的时候，差动元件当中的电力值是0。因为电流式的互感器的特征以及变比等导致进入继电器中的电流无法达到平衡。在电力变压器内部出现故障的时候，进入差动继电器当中的电流指的就是短路点位置的短路电流。即，继电器的动作电流比短路电流值小的时候，此时继电器便会动作。

2.3 零序电流保护

当大电流流经接地系统的时候，会有零序的电流保护发生，被用来进行变压器的主保护以及相邻元器件在发生接地短路故障以后的后备保护。在正常情况下，当TA 中没有电流流过时，零序电流保护将不会动作，在发生接地短路故障时，将会出现零序电流。当零序电流比保护动作整定值大时，中间继电器将动作，通过延时继电器延时后，电力变压器两端的断路器会发生跳闸现象。保护的动作时限也应该比后者大一个延时。

2.4 温度保护

当电力变压器的冷却系统发生故障，或者外围发生短路并产生过负荷，此时内部油箱的油温增大。电力变压器油温过高将会加速电力变压器绕组绝缘的老化，严重影响它的寿命。所以容量在1000kVA 或1000kVA 以上的油浸式电力变压器为了监视上层油温的状况，都必须配备温度保护装置；车间内变电站，容量为315kVA 及以上的电力变压器通常都要配备温度保护装置。

3 保护系统仿真

构建一个具有双侧电源双绕组电力变压器的电力系统，利用MATLAB/SIMULINK 中的仿真模块构建电力变压器仿真模型，当电力变压器空载合闸时，并设置相应参数，仿真波形如图1 所示。

由仿真波形结果图1 可知，四路中的电流由下而上分别为在差动保护中左侧端的A 相取值电流，右侧端的A 相取值电流，A 相的差动电流取值，A 相的制动电流取值。由此看到，A 相中的励磁涌流将会迅速偏向时间轴端。当波形之间发现间断的时候，相应的出现间断角，此时大小和变压器中的合闸角、铁芯中的剩磁和电压它们互相之间全部都有关系。

4 结语

根据电力变压器继电保护的基本原理和整定方法，可以有效的解决电力系统及某些因素对电力变压器所造成的故障。电力变压器是变电站、电力系统电压变换的重要设备，也是变电站能够正常运行的中心枢纽，因此，对电力变压器进行操作与维护十分重要。电力变压器有很多种类的故障，对此影响的因素也比较多，它们之间互相干扰互相影响，对其采取综合性的分析以后，寻找准确的原因及位置，并针对性的提出最合适的处理办法，对此进行预防以及消除，避免造成损失。