电力变压器继电保护设计

梅桂富 刘贺洋

（山东电力设备有限公司，济南 250022）

随着电力需求的增长，电力企业加大了在电网工程方面的建设投入，并在电网中配备了各种电力设备和设施。电力变压器在电网中有着不可替代的作用，一旦出现故障，将对整个电网系统产生极为不利的影响。因此，随着电力事业的发展，行业内对电力变压器继电保护设计提出了新的标准。只有全面合理设计继电保护装置，才能够实时监测电力变压器可能出现的各种故障，并及时处理变压器出现的相关问题。

1 变压器继电保护原理及系统构成

1.1 基本工作原理

继电保护实现变压器的保护功能主要是通过采集、获取与分析变压器相应的运行参数，从而进行相应的状态调整。若变压器运行过程中出现故障，继电保护能够快速启动其保护功能，从而控制故障的影响范围。要实现继电保护功能，必须要保障继电保护装置处于正常的运行条件。通常情况下，变压器的保护模式有多种，如瓦斯保护和差动保护。每种保护模式都有各自的原理和特点，但无论哪种保护模式，都需要采集和分析变压器的运行状态等参数信息。只有这样，才能够保障保护程序的有效运行。

1.2 变压器继电保护系统构成

变压器的继电保护系统包含多个构成部分，不同构成部分之间互相配合，才能够最大程度发挥继电保护的作用。目前，变压器继电保护系统中主要包含以下模块。第一，信号采集模块。这一模块可以在变压器运行过程中实时采集相应的参数和状态信息，并及时将采集到的信号上传到信号处理模块。第二，信号处理模块。该模块在运行过程中主要是根据继电保护装置中已经设定好的信号处理程序处理前期得到的信号，并根据最终处理后的信号结果与保护动作阈值进行对比。第三，信号输出模块。针对处理程序结束后的结果输出，该模块与保护功能实现有着直接关系[1]。

2 电力变压器主要故障类型分析

2.1 电力变压器产生绕组故障

电网运行中的电力变压器故障有多种，其中最常见的故障为绕组故障。在变压器的生产制造环节，若绕组呈现纠结式或纠连式结构，在其运行过程中会出现连线与段间纠结线接头接触不良的问题，同时伴随有局部过热现象，可能会导致匝绝缘被破坏，从而引起匝间、段间的短路故障。根据对这一类故障的分析可知，此故障大多是由绕组导线不良所引起。电力变压器运行时，外部短路故障出现的几率较高，若受到短路电流冲击，将会导致绕组某一段导线错位。虽然这种错位在较短的时间内不会发生严重故障，但随着运行时间的延长，由于变压器的反复振动、相邻错位线匝间绝缘磨损等因素，将会导致变压器被击穿[2]。在安装变压器中的绕组时，一般要利用绝缘垫块隔开各个线段，但在具体的安装工作中，由于绕组轴向压紧力裕度值偏小，将会导致绝缘垫的弹性值偏小。随着变压器的振动，绕组导线错位最终会引起匝间短路。另外，变压器长时间过负荷运行将导致变压器温度异常升高，从而使其内部绝缘老化加速，降低匝绝缘性能，最终引起匝间短路故障。

2.2 电力变压器的铁芯故障

铁芯故障在电力变压器中十分常见。在电力变压器的运行中，铁芯的作用是电磁能量的传递和交换，对变压器的运行可靠性有着直接影响。铁芯故障是变压器故障中的主要类型之一。根据故障原因和表现，它可分为铁芯多点接地故障、接触不良故障和片间短路故障等。故障原因主要为铁质夹松动、压铁松动以及安装不规范等。

2.3 分接开关故障

分接开关故障是电力变压器故障的主要类型之一，对变压器运行水平有着直接影响。故障类型包括无载分接开关故障和有载分接开关故障，其中无载分接开关故障发生的概率相对较高。例如，固定绝缘杆的扭曲变形、有载开关油箱渗油以及触头松动与脱落等，都属于接开关故障[3]。

3 电力变压器继电保护设计要点

3.1 差动保护装置的设计要点

3.1.1 确保纵联差动保护设计的有效性

电力变压器继电保护设计工作中，差动保护装置的设计为重点设计环节。在开展设计工作的过程中，必须严格遵守相应的技术标准。在电力变压器并列运行且容量超过6.3 MVA或者单独运行状态下容量在10 MVA以上时，纵联差动保护设计尤为重要。为提升设计水平，避免设计缺陷而引起的误动，设计过程中必须要遵循电力变压器低压侧和高压侧互感器环流接线的要求。其中，电压在330 kV以上的高压侧，差动保护装置要安装于引出线部位。

3.1.2 根据变压器与断路器设置差动保护装置数量

电网的构成复杂，部分电力变压器在使用过程中设置了断路器。在这一特殊情况下，必须要设置对应的差动保护装置，以确保整个电力系统正常运行。安装过程中，差动保护装置的安装位置应处于变压器与发动机之间。若在电力变压器运行时没有安装对应的断路器，则需要结合电压器的容量安装相应数量的差动保护装置。针对容量在100 MVA以内的变压器和发动机，共用一个保护装置即可。但是，针对容量在100 MVA以上的变压器和发动机，则需独立安装差动保护装置[4]。

3.1.3 设置差动保护中的CT二次绕组时需注意的事项

若在电力变压器中采用的是纵联差动保护设计，为保障装置的可靠性，需要独立接CT绕组，并确保旁代可以切换。若电力变压器中为差动保护装置，需要将CT绕组接于主变套管，不需再次切换旁代。三绕组变压器差动保护结构图如图1所示。

图1 三烧组变压器差动保护装置结构图

3.2 瓦斯保护设计的要点

电力变压器的继电保护设计中，瓦斯保护设计也是重点设计环节。这一保护设计可以对加热油箱内绝缘材料或变压油气体膨胀爆炸类事故起到一定的预防和控制作用。目前，电力工程中几乎全部的电力变压器中都配备有对应的继电保护装置。但是，在瓦斯保护装置运行中，由于存在温度和湿度等各种外部条件的干扰，继电保护装置无法发挥正常的保护功能[5]。因此，在开展瓦斯设计保护时，专业设计人员应结合其他保护方式，提升保护效果，确保电力系统正常运行。瓦斯继电器运行原理如图2所示。

图2 瓦斯继电器工作原理

3.3 过电流保护设计的要点

在电力变压器运行过程中，若各侧母线出现故障，过电流保护将会立即进入工作状态，并进行有效处理。在过电流保护设计时，要结合电压侧的具体情况开展有针对性的设计。例如：在变压器低压侧位置，选用三相式三卷变压器；在中压侧和高压侧位置，分布进行复合电压闭锁过流保护和间隙保护设计。

4 结语

继电保护对电力变压器的保护作用突出。为切实发挥其保护功能和作用，专业人员在开展设计工作时，必须要遵循继电保护设计的基本规范和标准，提升总体的设计水平，以应对变压器运行中的各种故障。