浅谈大型变压器保护设计若干问题研究

摘 要：电力变压器在整个电力系统的发输配过程中的充当重要角色，因此如何既高效又实用的提高变压器工作的可靠性，对保证电力传输，系统安全运行具有十分重要的意义，本文主要针对变压器差动保护，以及大型电力变压器保护设计中的若干问题进行研究与探讨。

关键词：变压器保护设计；幅值和相位平衡准则；相位平衡理论

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）29-0108-02

目前，伴随着电力变压器自身容量的增大以及其电压等级的不断提高，在实际运行中，必须根据电压器的容量和重要程度并考虑到变压器可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况，而装设各种性能良好，动作可靠的继电保护设备，这对系统的安全性要求上了一个台阶，同时对变压器保护动作特点（快速、安全、可靠、灵敏）提出更高的要求。而变压器差动保护作为主保护之一，在继电保护中同样发挥举足轻重的作用，同时在变压器保护中，研究非电量保护在反映变压器内部故障和异常运行起着至关重要的作用，是电力变压器保护的重要组成部分。虽然上述保护在全国各地变电站现场得到了广泛应用，其技术应用也相对较为成熟，但是仍存在一些问题值得研究。

1 幅值和相位平衡基准侧选取

对目前电力变压器差动保护而言，由于使用的是Y/Δ接法，这使得在分析差动保护以及整定计算过程中涉及各侧的相位平衡问题，因此需要从理论上分析得到基准选取标准与原则。分析可得在选择相位平衡基准时，如果选用不同的基准，则整定计算中，差动保护定值及差动保护灵敏度将有所不同，因此在实际工程设计中，工程师针对幅值平衡和相位平衡问题需要讨论如何选择基准侧，如何处理平衡问题。

1.1 幅值平衡理论分析

从根据电机学理论可知，计算时选取任意一侧作为基准侧均可，为了深入分析高压侧和低压侧为基准侧时的异同，进行如下推导分析。

选择高压侧作为基准侧时，则可得到差动电流的计算公式见式（1）

Id=IH+KPL1×IL1+KPL2×IL2（1）

式中：Id为差动电流；KPL1=■为低压1侧平衡系数，KPL1=■为低压2侧平衡系数；代入低压1侧和低压2侧的平衡系数，即可得到对应的差动电流见式（2）

Id=IH+■IL1+■+IL2（2）

若以低压侧为基准，则对应的差动电流计算公式见式（3）

Id=KPH×IH+IL1+KPL2×IL2（3）

式中：KPH=■为高压侧平衡系数，KPL2=■为低压2侧平衡系数；将KPH、KPL2代入上式，即可得到对应的差动电流见式（4）

Id=■IH+IL1+■eIL2（4）

通过分析观察可得，式（4）等式两边同时乘以■，即可得到和（2）相同的结论。由此可以看出，理论分析电力变压器差动保护的幅值平衡可选任意侧为基准，但是对于选取不同侧基准选择不同侧的影响有如下几个方面：若选择指定侧的实际有名值为定值，则计算时需要依据基准侧的额定电流实际有名值进行换算，反之会导致计算定值出错，影响定值选取，当选定不同侧其对应的有名值不同时，可以类比电机学理论，根据基准侧额定电流的倍数进行代换，计算对应的保护定值保持不变，效果不会产生影响。因此实际保护设计中，选择哪侧为基准侧，对差动保护的灵敏度无影响。

1.2 相位平衡理论分析

同理，由电机学理论分析可得，针对通常存在的两种方式（Δ和Y0），在选取相位平衡参考侧时，选定参考之后，则需考虑两种接法方式之间相位转换（Y0Δ和ΔY0），同时在实际设计中针对这两种方式，还会考虑其相位平衡处理方法，以及在存在零序电流时如何消除其影响，设计方法有所不同，通过计算对各种故障情况下动作量进行分析，可得到如下结论见表1。

其中，表中为三相短路故障电流倍数，从表中可以看出，在单相接地时，Y0Δ转换方式比ΔY0转换方式的灵敏度稍低，在相间短路时，Y0Δ转换方式比ΔY0转换方式的灵敏度要高，而对于三相短路故障，其灵敏度相同。由此可以得出如下结论，在设计，选择相同的标幺值定值时，选取不同参考侧，分析不同故障类型所对应的差动保护灵敏度可能不同。

2 励磁涌流判别方法

在工程设计中，研究如何判别励磁涌流，一直是变压器差动保护的设计工作者的热门项目课题。目前对于电压等级为220 kV及以下的电力变压器（这里主要以电压等级区别），实际应用中发现其低压侧Δ侧内通常无法配置电流互感器（简称CT），所以实际差动保护配置一般采用Δ侧外电流互感器（CT）组成，如图1所示，CT配置在右边的Δ侧外面。其中对于电压等级为500 kV及以上大型变压器，基于其结构特殊性（变压器三相分体），这使得将CT配置在Δ侧内成为可能，若根据上述思路在Δ绕组内配置CT（如图2所示，CT配置在右边的Δ侧内部），基于上述分析可得，此种配置的差动保护无需考虑相位平衡，且各相差流与其它相无关。

目前研究较多的励磁涌流识别方法主要有两种方法，基于差动电流和相电流。根据常规计算流程可知在计算电力变压器差流之前，通常要考虑第一节所介绍平衡基准侧的选取（考虑幅值相位平衡和消除零序影响），基于上节推导可知，各相差动电流与其他各相相关联。例如ΔY0转换后，当Y0侧单相外加电流时，会使得三相产生差动电流，各相之间相互影响；其他转换以及计算分析类似，当设计中采用本相闭锁本相的闭锁方式，由于变压器本身空充时存在差动保护误动问题，则不能从根本消除此误动问题；文献中还提出了相电流判别法，但是Δ侧环形结构原因，可能会产生环流，从而形成助增效应，这极有可能导致所采集到的每相电流偏离实际值的大小。如果能将电流互感器配置如图2所示，CT配置在内部，则可采用Δ绕组内装设电流互感器与Y0侧配置电流互感器构成差值作为判别依据，变压器也不会出现上述空充时保护误动问题，同时对于高电压等级电力变压器，若考虑在Δ绕组内配置电流互感器，通过电流互感器输出差动电流来判别励磁涌流，则可根本解决识别励磁涌流中出现的差动保护误动问题。

3 非电量保护对策

在电力变压器保护设计中，非电量保护担任着重要的角色，实际应用中发现其对于反映内部故障和异常运行保护有着不可替代的作用。文献继电保护技术规程中规定对变压器（包括升压、降压和联络变压器），都装设反应油面降低、反应变压器油温、绕组温度过高及油箱压力过高和冷却系统故障的非电量保护。但是，目前非电量保护存在部分缺点，主要表现为动作时间相对较长，且只能反映变压器内部故障，不能反映变压器引线故障，保护范围有限。另外由于保护接点绝缘下降，使得触点导通而导致出口；进端子箱内使端子受潮；二次电缆是非屏蔽电缆；保护装置中非电量采用光耦输入、抗干扰能力差等引起非电量保护误动，因此需引起足够的重视并采取相应改进措施。

①在非电量保护配置设计中，从保护动作执行角度出发，一般对重瓦斯继电器保护采用投入跳闸，对于其他非电量保护全部只投入信号，提高速度。

②电力变压器本电缆进线应从下往上接入，进线盒需加装防雨罩，以防潮。

③为了增强抗干扰能力，应配置一定的中间继电器且具有一定的动作功率。

④变压器的二次电缆最好采用屏蔽电缆，进线盒至端子箱的中间电缆也应采用屏蔽电缆，使得交直流分开，防干扰。

⑤分工明确，本体内绝缘由一次负责检查，而二次负责回路的绝缘检查及接线的正确性（二次回路绝缘>1 M？赘/1 000 V）。

4 结 语

本文针对变压器差动保护，以及大型电力变压器保护设计中的若干问题进行研究与探讨，具体分析了电力变压器基准侧选取标准与原则、差动保护和非电量保护存在的问题及具体的解决办法，简要分析非电量保护误动的原因，提出了改进非电量保护的措施，通过这些解决方案可以保证和提高大型变压器保护的可靠性和安全稳定运行。

参考文献：

[1] GB/T 14285-2006，继电保护和安全自动装置技术规程[S].

[2] 唐跃中.变压器保护中几种励磁涌流判别方法的分析和评价[J].电力自动化设备，1995，（2）.

[3] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社，1998.

[4] 王梅义.电网继电保护应用[M].北京：中国电力出版社，1998.