电力变压器的继电保护

2022-09-11

电力系统中广泛用电力变压器升高或降低电压, 它是电力系统中极其重要的电气设备, 它在整个电力系统中起转换枢纽的作用, 在钢铁企业中供电电压较低, 电网结构相对简单, 但变压器的故障对供电可靠性和系统的正常运行以及企业的生产均带来严重影响, 因此必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。

1 变压器主保护

1.1 变压器纵差动保护的原理和接线

纵差动保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成的。以双绕组变压器为例说明纵差保护原理, 实现纵差保护的原理接线如图1所示。

变压器高压侧和低压侧的额定电流不同, 为了保证纵差保护的正确工作, 必须适当选择两侧电流互感器的变比, 使在正常运行和外部故障时两个二次电流相等。例如在图1中应使:

或

式中nl1为高压侧电流互感器的变比;

nl2为低压侧电流互感器的变比;

nB为变压器的变比。

纵差保护动作判据用下式表示:

|I'2-I'2'|≥I0, 其中I0为纵差保护动作整定电流。当变压器正常运行及外部故障时, I'2≈I'2'。此时差电流小于动作整定电流, 保护不动作。如果变压器内部故障, 此时差电流大于动作整定电流, 保护动作。对于I0, 不仅要躲过外部短路时最大短路电流对应的最大不平衡电流IJbp, max, 还要避开变压器空载投入或故障切除后电压恢复时的励磁涌流, 这时I0数值较大。如果内部短路电流较小, 则差动电流的值小于最大不平衡电流Jbpmax, I, 保护不动作, 这时保护的灵敏度不能满足要求。为了保证在正常情况下流过差动继电器的不平衡电流为最小, 应恰当的选择电流互感器的接线方式和电流互感器的变比。同时可采取一些限制不平衡电流的措施。

1.2 变压器纵差动保护的整定计算原则

(1) 躲过电流互感器二次回路断线时引起的差电流。应大于变压器的最大负荷电流If, min。引入可靠系数Kk (一般采用1.3) , 则保护装置的起动电Idz=KkIf, max。

(2) 躲开保护范围外部短路时最大不平衡电流, 此时继电器的起动电流Idz=KkIbp, max, 式中Ibp, max为保护外部短路时的最大不平衡电流。

在稳态情况下, 为整定变压器差动保护所采用的最大不平衡电流Ibp, max可由下式确定:

式中:10%为电流互感器容许的最大相对误差;

ktx为电流互感器的同型系数, 取为1;

u1为由带负荷调压所引起的相对误差, 如果电流互感器的二次电流在相当于被调节变压器额定抽头的情况下处于平衡时, 取电压调整范围的一半;

fza为由于所采用的互感器变比或平衡线圈的匝数与计算值不同时所引起的误差。

无论按上述哪一个原则考虑变压器差动保护的起动电流, 还必须能够躲开变压器励磁涌流的影响。根据运行的经验, 差动继电器的电流仍需整定为Idz, j≥1.3Ie, B/n1时, 才能躲开励磁涌流的影响。

(3) 灵敏度的校验:按单侧电源供电时, 系统在最小运行方式下, 变压器发生短路时, 流过保护装置的最小短路电流计算, 即:

式中:Id, min为变压器另一侧短路时的最小短路电流。要求Klm≥2。

1.3 变压器瓦斯保护

变压器的主保护除了配置纵差动保护外还采用瓦斯保护。在变压器油箱内部发生故障时, 由于故障点电流和电弧的作用, 会使变压器油及其它绝缘材料因局部受热而分解产生气体, 它们将由油箱流向油枕的上部。利用这一特点, 可以由瓦斯继电器构成瓦斯保护。瓦斯保护又分为发出警报信号的轻瓦斯保护和动作跳闸的重瓦斯保护。

2 变压器的后备保护

为防止由外部故障引起的变压器绕组过电流, 并作为相邻元件 (母线或线路) 保护的后备以及在可能的条件下作为变压器内部故障时主保护的后备, 又考虑钢铁企业供电电压较低、变压器容量较小的情况, 通常选择过电流保护作为变压器的后备保护。

2.1 变压器过流保护的原理和接线

变压器过电流保护保护装置的单相原理接线如图2所示。

过电流保护通常是指其启动电流按躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。

2.2 变压器的过电流保护的整定计算

对升压变压器、大容量降压变压器、系统间的联络变压器以及其它负荷电流较大的变压器等, 都可能出现短时间的过负荷运行状态。当采用一般简单的过电流保护灵敏度不够时, 可装设带电压闭锁的过电流保护装置, 这样其电流定值计算可不考虑变压器的短时过负荷电流。

变压器带电压闭锁的过电流保护, 电流元件的整定计算, 按下述条件计算, 取其中最大值。

(1) 按变压器额定电流整定, 即:

式中:Ie为变压器的额定电流;

Kk为可靠系数, 取1.15~1.2;

Kf为返回系数, 取0.85

Ie的取值:对于并列运行的变压器, 应考虑切除一台最大容量的变压器时, 其它变压器中出现的负荷电流。对于降压变压器, 应考虑电动机自启动时的最大电流。

(2) 灵敏度的检验:按系统最小运行方式下变压器另一侧发生相间短路的短路电流作为故障参数的计算值, 即:

要求Klm≥1.3。

(3) 低电压元件的启动值应小于在正常运行情况下母线上可能出现的最低工作电压, 同时外部故障切除后电动机自启动时应能返回, 据实际经验:

灵敏度计算为:

式中:Ucy, max为检验点故障时, 电压继电器装设母线上的最大残压。要求Klm≥1.25。

3 结语

随着钢铁企业的不断发展, 电力变压器的应用数量也逐渐增加, 其运行状况的好坏将直接影响到企业的生产及电力系统的稳定运行。本文根据钢铁企业中供电电压较低、变压器容量较小、故障和异常运行方式以及故障点的位置, 选择瓦斯保护和纵差动保护作为变压器的主保护;根据较大容量变压器可能出现的过负荷运行状况, 选择带电压闭锁的过电流保护作为它的后备保护。文中同时给出纵差动保护和过电流保护的整定计算原则以及灵敏度校验。

摘要：结合在钢铁企业设计工作的实际经验介绍了电力变压器的两种主保护:纵差动保护原理接线以及反应于变压器油箱内部故障的瓦斯保护;对于钢铁企业供电电压较低、变压器的容量较小的运行状况, 选择过电流保护作为它的后备保护。列出了差动保护和过电流保护的整定计算原则, 并进行灵敏度的校验。

关键词：纵差动保护,过电流保护,整定计算