电力变压器的零序保护与过负荷保护配置分析

孔瑾

【摘 要】通过对电力变压器的运行状態进行简要介绍，说明变压器进行继电保护配置的必要性，进而分析了变压器的零序保护配置方式、动作时限和过负荷保护的整定方法与装设原则，具有一定的实用性和可靠性，为下一步研究变压器的后备保护系统配置及保护间的配合动作方式奠定了基础。

【关键词】电力变压器；保护配置；零序保护；过负荷保护

中图分类号： TM41 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0074-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.032

【Abstract】A brief introduction to the operation state of power transformers is given to illustrate the necessity of relay protection configuration.Then the zero-sequence protection configuration mode， time limit of operation and overload protection setting method and installation principle are analyzed.With a certain degree of practicality and reliability，it lays the foundation for the next step of studying the backup protection system configuration of transformers and the coordinated actions between protections.

【Key words】Power transformer；Protection configuration；Zero-sequence protection；Overload protection

0 引言

近年来，随着我国的电气自动控制技术快速崛起，伴随而来的是电力设备的继电保护技术不断地发展沿革创新。而电力变压器作为电力系统不可或缺的重要电气设备，在电力系统中广泛用于升高或降低电压，一旦变压器发生故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重影响。在电力系统中，接地故障是最常见的故障，负荷长时间超过额定容量也会引起过负荷，这些都会使变压器的绕组和铁芯过热，威胁变压器的绝缘。一旦发生电力变压器发生接地故障或过负荷，继电保护装置能够自动、迅速、有选择性的切除故障设备，既能保护变压器免于遭受继续损坏，又能提高电力系统运行的稳定性，是保证电力系统及电力变压器安全运行最有效的方法之一。因此，对电力变压器的零序保护和过负荷保护配置进行分析研究就变得尤为重要。

1 电力变压器的工作状态

变压器的故障状态按照是否发生在油箱内，可以分为外部故障和内部故障。当变压器油箱外的套管和引出线上发生相间短路或接地故障时，即为外部故障；当油箱内的绕组发生层间间短路、接地短路、匝间短路等以及铁芯出现烧损现象时，即为内部故障。

变压器的不正常状态主要为变压器外部短路引起的过电流；变压器带负载长时间超过其额定容量运行时，引起过负荷状态；风扇故障或渗油、漏油引起的冷却能力下降等。

当变压器处于故障或不正常状态时，继电保护应快速切除故障设备区域或发出报警信号，以确保电力变压器的安全可靠。

2 电力变压器的零序保护配置

接地短路故障是在电力系统中最常见、最易发生的故障。当变压器中性点直接接地时，零序电流保护一般作为变压器的主保护及相邻元件接地保护的远后备保护。当发生接地故障时，零序电流与零序电压分别出现在变压器中性点与母线上，变压器的接地保护通常是由零序电流、零序电压这样的电气量构成。

在中性点直接接地系统中，只有在单相接地短路和亮相两相接地短路时才会产生零序分量，而变压器中性点接地的个数和位置决定着零序电流的分布与大小。一般情况下，当变电所只有一台升压变压器时，变压器都采用中性点直接接地的方式。当变电所采用数台变压器同时投入运行的方式时，则只需要部分变压器的中性点直接接地，另一部分变压器中性点不需要接地，改变电力系统的运行方式后，保持相同的变压器中性点接地的数目和位置，保证零序保护的保护范围的可靠性与灵敏性。

2.1 中性点直接接地变压器的零序电流保护

为缩小接地故障的影响范围及提高后备保护动作的快速性和可靠性，中性点直接接地的变压器一般配置两段式零序电流保护，每段带两级延时。

（1）零序Ⅰ段的动作电流应与相邻线路零序电流保护的Ⅰ段或Ⅱ段相配合，则：

Iact0=KrelKb0Iact·L

其中，Krel为可靠系数，一般取1.1～1.2；Kb0为零序分支系数；Iact·L为出线零序过流保护（Ⅰ段或Ⅱ段）的动作电流。

变压器的Ⅰ段零序电流保护以t1=t0+Δt（t0为相邻线路零序电流保护的Ⅰ段或Ⅱ段动作时间，Δt一般取0.5s）动作与母联或分段断路器跳闸；以t2=t1+Δt时间断开变压器各侧断路器。

（2）零序Ⅱ段的动作电流应与相邻线路零序过电流保护的后备段相配合，则：

Iact0=KrelKb0I'act·L

其中，I'act·L为出线零序过流保护（后备段）的动作电流。

零序保护Ⅱ段作为出现接地故障的后备保护，以t3=t'0+Δt（t'0为相邻线路零序电流保护的后备段动作时间）动作于母联或分段断路器跳闸；以t4=t3+Δt动作于变压器高压侧断路器跳闸。

2.2 中性点可能接地或不接地變压器的零序电流电压保护

为了使零序保护有稳定的保护范围和足够的灵敏度，在电力系统中几台变压器并联运行时，将部分变压器中性点直接接地，有些变压器的中性点不固定接地，根据实际需要变压器接地或不接地运行。

（1）全绝缘变压器

由于全绝缘变压器的中性点与出线端的绝缘水平相同，故障发生时，先切除中性点直接接地的变压器，再切除中性点不接地的变压器。

在全绝缘变压器中，部分中性点直接接地的变压器需配置零序电流保护。此外，中性点不接地的变压器在故障发生时会产生较大的零序电压，因此变压器还应装设零序电压保护。

零序电压保护的动作值应躲过在部分接地电网中发生接地短路时保护安装处出现的最大零序电压，通常Uact0=180V。

零序电压保护只在中性点消失、系统中无零序电流的情况下才能动作，不需要与其他设备的接地保护相配合，其动作时限只需躲过暂态电压的时间，一般取t=0.3～0.5s。

（2）分级绝缘变压器

分级绝缘变压器的中性点绝缘水平远低于出线端的绝缘水平，一般常用于220 kV及以上的大接地系统中。当变压器的中性点不接地且有接地故障发生时，会损坏分级绝缘变压器的绝缘强度。为保证变压器中性点的绝缘水平，需要将放电间隙装在变压器中性点处，间隙两端电压大于动作电压时迅速放电。因放电间隙不能承受过电流，需要加装零序电流速断保护，当间隙释放电能后迅速切除变压器各侧的断路器。放电间隙是一种简易的保护设备，受外部环境条件和放电次数的影响会出现拒动现象，因此还需装设零序电压保护，当放电间隙拒动时作后备保护，动作于跳开变压器各侧的断路器，动作电压与时限的整定与全绝缘变压器的零序电压保护相同。

3 电力变压器的过负荷保护配置

变压器长时间过负荷运行时，绕组会因为发热而受到损害。当数台容量在400kVA以上的变压器同时投入并列运行时，过负荷状态会影响系统正常运行，因此要在变压器上装设过负荷保护。当变压器过负荷发生时，流过的电流三相对称，用于过负荷保护的继电保护装置仅需在其中一相电流回路中装设过负荷装置检测电流大小，经较长的延时后发出信号。

3.1 变压器过负荷保护的整定

过负荷保护的动作电流应按躲过变压器的额定电流进行整定，则

其中，Krel为可靠系数，一般取1.05；Kre为返回系数，一般取0.85。

过负荷信号继电器的动作时间要大于同一设备的过电流保护时间，一般取t=8～10s即可满足要求。

3.2 变压器过负荷保护的装设原则

过负荷保护的安装位置要能正确反映变压器各侧绕组过负荷状态对系统的影响，目的是保证过负荷保护的选择性与可靠性：

（1）对三绕组升压变压器，当一侧无电源时，过负荷保护应装设在发电机电压侧和无电源侧；

（2）对两绕组升压变压器，过负荷保护应装设在发电机电压一侧；

（3）对三侧都有电源的三绕组升压变压器，过负荷保护应装设在高压侧；

（4）对于单侧电源的三绕组降压变压器，当三侧绕组容量相同时，过负荷保护只装设在电源侧；

（5）对三侧绕组容量不同的变压器，过负荷保护装在电源侧和容量较小的一侧；

4 结论

本文首先对电力变压器的运行状态进行了简要介绍，说明了变压器安装继电保护的必要性；对中性点直接接地变压器配置零序电流保护，并分析其整定计算方法与动作时限；分析了中性点可能接地或不接地变压器的零序电流、电压保护配置；最后针对变压器的可能出现的过负荷状态，对变压器的过负荷保护进行了整定分析，为下一步研究变压器的后备保护系统配置及保护间的配合动作方式奠定了基础。

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