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【摘要】电力网络的运行受到多种因素的影响，其中变压器运行状态是一个非常重要的因素，一旦电力变压器出现运行故障，则可能对整个电力系统的安全及稳定运行造成不良影响，因此要注意对变压器进行继电保护，从而减少运行故障及防止变压器在非正常状态下运行。本文分析了变压器继电保护的重点，同时探讨了电力变压器的继电保护设计方法，包括过电流保护设计、纵联差动保护设计、过励磁、负荷及瓦斯保护设计，旨在提高继电保护水平及确保电力网络中的变压器能够充分发挥出应有的作用。
【关键词】继电保护；变压器；电力；设计
中图分类号：TM58文献标识码： A
变压器是电力系统当中的一种重要电气设备，具有维持电网稳定运行的作用。随着电力需求的不断增加，电网规模的扩大化已经成为了一种必然趋势，在扩大电网规模及提高电网密集度的过程中，电力变压器所承受的外界负荷也变得越来越大[1]。为了确保变压器可以在外界高负荷条件下安全可靠运行，并减少故障发生率，则应注意做好继电保护工作。本文结合笔者的实践经验探讨了电力变压器继电保护设计的相关问题，以供参考。
1.变压器继电保护的重点
进行继电保护设计的主要目的在于防止电力变压器出现运行故障或异常运行情况。变压器的异常运行现象包括过电压及过电流运行、过负荷运行、温度升高及油面降低等。就目前的情况而言，变压器在运行过程中出现的故障包括油箱外故障与油箱内故障两种，其中外部故障包括绝缘套管及引出线接地、相间短路，内部故障则包括发生于低压侧及高压侧的匝间、相间短路等[2]。此外，侧绕组与中性点的接地短路也属于内部故障。异常运行极容易引起运行故障，如在低频率或过电压状态下运行时可导致励磁故障等；而运行故障的出现会引起电弧的产生，并由此烧坏铁芯、绕组绝缘，甚至可能致使变压器发生爆炸，并由此造成非常严重的事故。因此在进行继电保护设计的过程中应注意将避免以上故障及运行状态作为工作的重点，进行差动保护、过电流、瓦斯及负荷保护等。
2.电力变压器的继电保护设计分析
2.1过电流保护设计
过电流保护是继电保护当中的重要组成部分，只有进行过电流保护，才能够为瓦斯保护及差动保护提供后备保护。（1）高压侧保护设计。如规定了母线灵敏系数，则应同时将保护装置安装在高压侧及低压侧的断路器当中，从而为母差保护提供后备保护及主保护。为了避免因弧光短路而引起故障，则可设计反时限过流保护，预防出现阻抗保护整定延时＞2.0s及灵敏度达不到要求等问题。此外，可将零序过流保护装置安装于低压侧的中性线当中，从而避免高压侧发生短路故障时产生的电流高于额定电流值的25%。（2）低压侧保护设计。可以将零序及闭锁过电流、间隙保护安装于中压侧及高压侧，以便使阻抗保护能够有效发挥后备保护作用，同时将闭锁过流复合保护装置安装于低压侧。对于保护装置当中的过流保护元件，在整定的过程中应确保额定电流小于元件电流。在实际整定中可以按照以下公式：I=K1/K2×I0，其中I0为额定电流，K2指的是返回系数，一般取0.85，K1指的是可靠系数，计算时的取值范围是1.2~1.3。另外，还应在低压侧的保护装置中设置闭锁元件，元件的工作电压应按照以下公式进行计算：U=U0/K1×K2，其中K2的取值范围是1.15~1.2，K1则取1.2~1.25，U0指的是最大残压。（3）负序保护设计。在对负序当中的过电流进行保护设计时应考虑到負序过负荷、定时限及反时限报警回路电流离散值，以便确保返回系数、刻度误差设计的合理性。就一般情况而言，可以采用延时的方法避免因短路故障而引起负序中出现过电流，对此在保护设计时可使断路分闸与速断保护时间之和小于保护动作发生的时间。
2.2纵联差动保护设计
如变压器处于并列运行状态且容量＞6.3MVA，或变压器处于单独运行状态时的容量＞10MVA，则应进行纵联差动保护设计。（1）为了确保差动设计的有效性，应注意遵循变压器的低压侧与高压侧互感器环流接线的原则，避免变压器处于正常工作状态时，继电保护装置出现误动问题。由于目前大部分电力变压器已经采用了微机保护装置，所以对于电压＞330kV的高压侧，应在引出线部分安装差动保护装置，以便预防变压器内部故障，并同时为过电流、速断保护提供有效的主保护[3]。（2）对于已经装设有断路器的变压器组，应将独立差动保护装置安装在变压器与发电机之间。如没有装设断路器，则对于容量＜100MVA的变压器与发电机，则共用一个保护装置即可；对于容量＞100MVA的变压器或发电机，应设置独立差动保护装置。（3）在设计差动保护中的CT二次绕组时应注意以下事项：对于第1套差动保护回路，则应独立接CT绕组，并保证可以切换旁代；对于第2套差动保护回路，则应在主变套管中接CT绕组，且无需切换旁代。经实践证明，采用以上设计方法能够确保中压侧与高压侧均处于第2套差动保护范围，即变压器出现外部运行故障时，互感器二次电流与差动保护装置中的电流大致相等，因此可以有效避免保护误动。在变压器的内部出现运行故障的情况下，互感器二次电流就会比故障点附近的短路电流小，所以差动保护装置中的电流也小于短路电流，当短路电流出现后，保护装置可及时发生保护动作，从而将断路器故障切断，并同时发挥继电保护作用。
2.3过励磁、负荷及瓦斯保护设计
过励磁、负荷及瓦斯保护设计对于防止变压器出现异常运行现象具有非常重要的作用。（1）过励磁保护设计。在整定过励磁的曲线时，应保证继电保护装置磁力曲线位于变压器磁力曲线下方，从而确保过励磁现象出现时，继电保护装置能够及时将高压侧与低压侧断路器切断。此外，应确保在变压器处于正常运行状态时能够承受一定的励磁强度，对此在设计的过程中要保证励磁保护装置的启动整定值比正常运行时的最高值略大。（2）过负荷保护设计。过负荷是引起过电流的常见原因，为避免出现过负荷问题，则可以将单相线路与继电器一一对接在一起，从而使跳闸时间延迟及发挥负荷保护作用。此外，也可以将温感元件，如热电偶、热敏电阻及热电阻等安装在线路当中，当变压器的运行负荷过大时，温度就会不断上升。如温度上升至温感元件的临界值时，就会发生保护动作及切断电源。（3）瓦斯保护设计。如油浸式变压器的容量＞0.8MVA，则应必须设置防瓦斯继电保护装置。目前大部分变压器所采用的保护装置由气体继电元件组成，且继电元件应安装在变压器油枕联管与油箱之间的部位。在安装继电保护装置后，虽然可以确保瓦斯保护动作的灵敏性及迅速性，但无法及时切断变压器外部出现的运行故障，再加上瓦斯保护容易被外界环境因素，如气温、湿度等干扰，因此容易出现保护误动问题[4]。因此在进行继电保护设计的过程中应注意将瓦斯保护、过负荷保护、励磁保护以及过电流保护等结合起来，从而有效避免变压器出现异常运行现象或导致运行故障的发生。
3.结束语
综上所述，电力变压器的稳定运行对于电网的发展具有重要作用，因此要不断完善变压器的继电保护设计工作，从而为变压器运行水平及运行状态的改善提供保障。为了确保继电保护的有效性，则在进行保护设计的过程中应综合考虑变压器的具体情况，如容量及运行方式等，并在此基础上应用先进的继电保护技术。
【参考文献】
[1]王晶,梁曦东,朱士全,朱明峰,潘文.超／特高压变压器套管端部试验用双环结构均压环设计[J].高电压技术,2011,37(7):1642-1648.
[2]李名加,康强,谭杰,辛佳祺,向飞,王淦平.基于Blumlein脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计[J].强激光与粒子束,2011,23(1):263-266.
[3]莫育杰,江道灼,田中山,刘玡朋.新型固态限流器中饱和型耦合变压器的设计[J].电力系统自动化,2012,36(17):103-108.
[4]卢怡,顾惠祥,徐刚,卢达.电子提花机电源大功率全桥软开关变压器设计[J].磁性材料及器件,2014(1):35-39.
【关键词】继电保护；变压器；电力；设计
中图分类号：TM58文献标识码： A
变压器是电力系统当中的一种重要电气设备，具有维持电网稳定运行的作用。随着电力需求的不断增加，电网规模的扩大化已经成为了一种必然趋势，在扩大电网规模及提高电网密集度的过程中，电力变压器所承受的外界负荷也变得越来越大[1]。为了确保变压器可以在外界高负荷条件下安全可靠运行，并减少故障发生率，则应注意做好继电保护工作。本文结合笔者的实践经验探讨了电力变压器继电保护设计的相关问题，以供参考。
1.变压器继电保护的重点
进行继电保护设计的主要目的在于防止电力变压器出现运行故障或异常运行情况。变压器的异常运行现象包括过电压及过电流运行、过负荷运行、温度升高及油面降低等。就目前的情况而言，变压器在运行过程中出现的故障包括油箱外故障与油箱内故障两种，其中外部故障包括绝缘套管及引出线接地、相间短路，内部故障则包括发生于低压侧及高压侧的匝间、相间短路等[2]。此外，侧绕组与中性点的接地短路也属于内部故障。异常运行极容易引起运行故障，如在低频率或过电压状态下运行时可导致励磁故障等；而运行故障的出现会引起电弧的产生，并由此烧坏铁芯、绕组绝缘，甚至可能致使变压器发生爆炸，并由此造成非常严重的事故。因此在进行继电保护设计的过程中应注意将避免以上故障及运行状态作为工作的重点，进行差动保护、过电流、瓦斯及负荷保护等。
2.电力变压器的继电保护设计分析
2.1过电流保护设计
过电流保护是继电保护当中的重要组成部分，只有进行过电流保护，才能够为瓦斯保护及差动保护提供后备保护。（1）高压侧保护设计。如规定了母线灵敏系数，则应同时将保护装置安装在高压侧及低压侧的断路器当中，从而为母差保护提供后备保护及主保护。为了避免因弧光短路而引起故障，则可设计反时限过流保护，预防出现阻抗保护整定延时＞2.0s及灵敏度达不到要求等问题。此外，可将零序过流保护装置安装于低压侧的中性线当中，从而避免高压侧发生短路故障时产生的电流高于额定电流值的25%。（2）低压侧保护设计。可以将零序及闭锁过电流、间隙保护安装于中压侧及高压侧，以便使阻抗保护能够有效发挥后备保护作用，同时将闭锁过流复合保护装置安装于低压侧。对于保护装置当中的过流保护元件，在整定的过程中应确保额定电流小于元件电流。在实际整定中可以按照以下公式：I=K1/K2×I0，其中I0为额定电流，K2指的是返回系数，一般取0.85，K1指的是可靠系数，计算时的取值范围是1.2~1.3。另外，还应在低压侧的保护装置中设置闭锁元件，元件的工作电压应按照以下公式进行计算：U=U0/K1×K2，其中K2的取值范围是1.15~1.2，K1则取1.2~1.25，U0指的是最大残压。（3）负序保护设计。在对负序当中的过电流进行保护设计时应考虑到負序过负荷、定时限及反时限报警回路电流离散值，以便确保返回系数、刻度误差设计的合理性。就一般情况而言，可以采用延时的方法避免因短路故障而引起负序中出现过电流，对此在保护设计时可使断路分闸与速断保护时间之和小于保护动作发生的时间。
2.2纵联差动保护设计
如变压器处于并列运行状态且容量＞6.3MVA，或变压器处于单独运行状态时的容量＞10MVA，则应进行纵联差动保护设计。（1）为了确保差动设计的有效性，应注意遵循变压器的低压侧与高压侧互感器环流接线的原则，避免变压器处于正常工作状态时，继电保护装置出现误动问题。由于目前大部分电力变压器已经采用了微机保护装置，所以对于电压＞330kV的高压侧，应在引出线部分安装差动保护装置，以便预防变压器内部故障，并同时为过电流、速断保护提供有效的主保护[3]。（2）对于已经装设有断路器的变压器组，应将独立差动保护装置安装在变压器与发电机之间。如没有装设断路器，则对于容量＜100MVA的变压器与发电机，则共用一个保护装置即可；对于容量＞100MVA的变压器或发电机，应设置独立差动保护装置。（3）在设计差动保护中的CT二次绕组时应注意以下事项：对于第1套差动保护回路，则应独立接CT绕组，并保证可以切换旁代；对于第2套差动保护回路，则应在主变套管中接CT绕组，且无需切换旁代。经实践证明，采用以上设计方法能够确保中压侧与高压侧均处于第2套差动保护范围，即变压器出现外部运行故障时，互感器二次电流与差动保护装置中的电流大致相等，因此可以有效避免保护误动。在变压器的内部出现运行故障的情况下，互感器二次电流就会比故障点附近的短路电流小，所以差动保护装置中的电流也小于短路电流，当短路电流出现后，保护装置可及时发生保护动作，从而将断路器故障切断，并同时发挥继电保护作用。
2.3过励磁、负荷及瓦斯保护设计
过励磁、负荷及瓦斯保护设计对于防止变压器出现异常运行现象具有非常重要的作用。（1）过励磁保护设计。在整定过励磁的曲线时，应保证继电保护装置磁力曲线位于变压器磁力曲线下方，从而确保过励磁现象出现时，继电保护装置能够及时将高压侧与低压侧断路器切断。此外，应确保在变压器处于正常运行状态时能够承受一定的励磁强度，对此在设计的过程中要保证励磁保护装置的启动整定值比正常运行时的最高值略大。（2）过负荷保护设计。过负荷是引起过电流的常见原因，为避免出现过负荷问题，则可以将单相线路与继电器一一对接在一起，从而使跳闸时间延迟及发挥负荷保护作用。此外，也可以将温感元件，如热电偶、热敏电阻及热电阻等安装在线路当中，当变压器的运行负荷过大时，温度就会不断上升。如温度上升至温感元件的临界值时，就会发生保护动作及切断电源。（3）瓦斯保护设计。如油浸式变压器的容量＞0.8MVA，则应必须设置防瓦斯继电保护装置。目前大部分变压器所采用的保护装置由气体继电元件组成，且继电元件应安装在变压器油枕联管与油箱之间的部位。在安装继电保护装置后，虽然可以确保瓦斯保护动作的灵敏性及迅速性，但无法及时切断变压器外部出现的运行故障，再加上瓦斯保护容易被外界环境因素，如气温、湿度等干扰，因此容易出现保护误动问题[4]。因此在进行继电保护设计的过程中应注意将瓦斯保护、过负荷保护、励磁保护以及过电流保护等结合起来，从而有效避免变压器出现异常运行现象或导致运行故障的发生。
3.结束语
综上所述，电力变压器的稳定运行对于电网的发展具有重要作用，因此要不断完善变压器的继电保护设计工作，从而为变压器运行水平及运行状态的改善提供保障。为了确保继电保护的有效性，则在进行保护设计的过程中应综合考虑变压器的具体情况，如容量及运行方式等，并在此基础上应用先进的继电保护技术。
【参考文献】
[1]王晶,梁曦东,朱士全,朱明峰,潘文.超／特高压变压器套管端部试验用双环结构均压环设计[J].高电压技术,2011,37(7):1642-1648.
[2]李名加,康强,谭杰,辛佳祺,向飞,王淦平.基于Blumlein脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计[J].强激光与粒子束,2011,23(1):263-266.
[3]莫育杰,江道灼,田中山,刘玡朋.新型固态限流器中饱和型耦合变压器的设计[J].电力系统自动化,2012,36(17):103-108.
[4]卢怡,顾惠祥,徐刚,卢达.电子提花机电源大功率全桥软开关变压器设计[J].磁性材料及器件,2014(1):35-39.