劉攀，張波，董燕麗，成慧翔，李凱麗

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 晉中 030800）

隨著電力系統(tǒng)設(shè)備的完善，中國(guó)的“西電東送、南北互供、全國(guó)互聯(lián)”的發(fā)展非常的成功，電能的傳送距離增加、電網(wǎng)所覆蓋的區(qū)域越來(lái)越寬、電網(wǎng)的儲(chǔ)存容量也在增大，對(duì)電網(wǎng)安全、可靠以及穩(wěn)定的運(yùn)行有了很高的要求。電力變壓器對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸電以及配電有著不可替代的作用。

依據(jù)《繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，給電力變壓器應(yīng)該配備下面的幾種保護(hù)裝置，比如在油箱內(nèi)部要增加油位過(guò)低或者是短路的保護(hù)裝置，以及繞組和引出線多相發(fā)生短路等等的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)；大電流方式的接地系統(tǒng)中的變壓器外圍的接地故障而設(shè)置的零序電流保護(hù)；變壓器對(duì)稱方向的過(guò)負(fù)荷所設(shè)定的過(guò)負(fù)荷保護(hù)等。

1 電力變壓器基本理論與故障

1.1 變壓器結(jié)構(gòu)及工作原理

電力變壓器是使用電磁感應(yīng)的原理將一種交流電壓能轉(zhuǎn)換成另一種同頻率的交流電壓能。電力變壓器的工作原理可以用六個(gè)字來(lái)概括“電生磁，磁生電”。電力變壓器一次側(cè)通過(guò)變化的交流電，這種變化的電流在由鐵芯組成的主磁通回路中產(chǎn)生交變的主磁通，主磁通同時(shí)通過(guò)一次繞組與二次繞組，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在電力變壓器的一次繞組中會(huì)產(chǎn)生自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而在二次繞組中也會(huì)產(chǎn)生互感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

電力變壓器是通過(guò)電磁感應(yīng)原理制成的，磁路一般由磁導(dǎo)率較高的鐵磁材料組成，為了降低交變磁通在鐵芯中形成的渦流與磁滯的消磨，電力變壓器的鐵心是通過(guò)厚度為0.35mm 的冷軋硅鋼板疊加而成的。電力變壓器的電路部分是繞組，它通常由高導(dǎo)電率材料制成，每個(gè)繞組之間應(yīng)有較好的絕緣能力，以確保電力變壓器的電流回路暢通。在組裝的過(guò)程中，低電壓繞組接近鐵芯，低電壓繞組被高電壓繞組包裹在內(nèi)部。繞組與鐵芯常常安放在有電力變壓器油的油箱中，這對(duì)增強(qiáng)絕緣和散熱起著非常重要的作用。電力變壓器的引線務(wù)必通過(guò)油箱的絕緣套管，并通過(guò)油箱蓋，以便高壓引線與接地油箱起絕緣作用。

1.2 電力變壓器故障及危害

內(nèi)部故障一般包含有：不同繞組相間的短路故障、中心點(diǎn)直接接地側(cè)的接地短路以及匝間短路故障。當(dāng)電力變壓器出現(xiàn)內(nèi)部故障時(shí)，會(huì)特別的危險(xiǎn)，一經(jīng)出現(xiàn)故障，在故障點(diǎn)引起的電流和電弧，不僅會(huì)破壞繞組的絕緣，而且還會(huì)燒壞鐵芯。當(dāng)出現(xiàn)的故障特別嚴(yán)重時(shí)，因電力變壓器油會(huì)發(fā)生受熱分解而產(chǎn)生大量氣體，將會(huì)引起電力變壓器油箱爆炸的情況。因此，繼電保護(hù)應(yīng)快速地消除這些故障。

電力變壓器最為常見(jiàn)的外部異常情況有：因?yàn)檫^(guò)電流或者過(guò)電壓引起的過(guò)勵(lì)磁；因?yàn)槭艿竭^(guò)大負(fù)荷而發(fā)生的過(guò)負(fù)荷；由油箱漏油而導(dǎo)致油位下降的故障；溫度升高(通常由冷卻系統(tǒng)所導(dǎo)致)。另外，在過(guò)電壓、低頻率等不正常工作的情況下，對(duì)容量變壓器而言，由于額定工作和鐵心的飽和他們兩的磁通密度特別逼近，常常會(huì)導(dǎo)致電力變壓器產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁的故障。上述不正常運(yùn)行情況會(huì)導(dǎo)致繞組和鐵芯等金屬部件過(guò)熱，從而導(dǎo)致電力變壓器的絕緣性能達(dá)不到要求。

2 電力變壓器保護(hù)系統(tǒng)

2.1 瓦斯保護(hù)

當(dāng)電力變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)(包括由于微小的匝間短路和絕緣的損壞而導(dǎo)致的經(jīng)電弧電阻的接地短路故障)，由事故點(diǎn)電流與電弧的影響，導(dǎo)致電力變壓器油和其它絕緣材料會(huì)由于部分受熱分解從而產(chǎn)生氣體，由于氣體較輕，將會(huì)從油箱流到油枕的頂部。故障非常嚴(yán)重時(shí)，油將會(huì)快速膨脹且產(chǎn)生氣體，這時(shí)，強(qiáng)列的氣流將與油混合流到油枕的頂部，從而使繼電器的觸點(diǎn)開(kāi)始工作，連接到指定的控制回路，并及時(shí)發(fā)送信號(hào)或電力變壓器自動(dòng)被切斷，形成響應(yīng)上述氣體而動(dòng)作的保護(hù)裝置，該裝置稱為瓦斯保護(hù)。

（1）輕瓦斯。當(dāng)電力變壓器的內(nèi)部出現(xiàn)較小故障時(shí)，氣體以較低的速度產(chǎn)生，氣體首先聚集在通往油箱的瓦斯繼電器的上部，導(dǎo)致油位降低，浮筒降低以關(guān)閉水銀觸點(diǎn)，并且打開(kāi)報(bào)警信號(hào)。

（2）重瓦斯。當(dāng)較嚴(yán)重故障出現(xiàn)在變壓器內(nèi)部時(shí)，變壓器油的壓力會(huì)瞬間增強(qiáng)，最終導(dǎo)致大量的油流向油枕方向，由于油流沖擊檔板，檔板將會(huì)抑制彈簧的阻力，使磁鐵沿干簧接觸點(diǎn)方向挪動(dòng)，關(guān)閉水銀接觸點(diǎn)，并且連接跳閘回路使斷路器跳開(kāi)。

2.2 縱差保護(hù)

根據(jù)基爾霍夫定律，測(cè)量電力變壓器每一側(cè)電流的向量和，其物理含義是：當(dāng)電力變壓器正常工作或出現(xiàn)外部故障時(shí)，如果忽略勵(lì)磁電流和其他的損耗，則電力變壓器流入的電流與流出的電流相同。

在電力變壓器正常工作過(guò)程中發(fā)生外部短路現(xiàn)象，此時(shí)通過(guò)差動(dòng)繼電器中的電流為，處在最理想狀態(tài)的時(shí)候，差動(dòng)元件當(dāng)中的電力值是0。因?yàn)殡娏魇降幕ジ衅鞯奶卣饕约白儽鹊葘?dǎo)致進(jìn)入繼電器中的電流無(wú)法達(dá)到平衡。在電力變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障的時(shí)候，進(jìn)入差動(dòng)繼電器當(dāng)中的電流指的就是短路點(diǎn)位置的短路電流。即，繼電器的動(dòng)作電流比短路電流值小的時(shí)候，此時(shí)繼電器便會(huì)動(dòng)作。

2.3 零序電流保護(hù)

當(dāng)大電流流經(jīng)接地系統(tǒng)的時(shí)候，會(huì)有零序的電流保護(hù)發(fā)生，被用來(lái)進(jìn)行變壓器的主保護(hù)以及相鄰元器件在發(fā)生接地短路故障以后的后備保護(hù)。在正常情況下，當(dāng)TA 中沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，零序電流保護(hù)將不會(huì)動(dòng)作，在發(fā)生接地短路故障時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)零序電流。當(dāng)零序電流比保護(hù)動(dòng)作整定值大時(shí)，中間繼電器將動(dòng)作，通過(guò)延時(shí)繼電器延時(shí)后，電力變壓器兩端的斷路器會(huì)發(fā)生跳閘現(xiàn)象。保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限也應(yīng)該比后者大一個(gè)延時(shí)。

2.4 溫度保護(hù)

當(dāng)電力變壓器的冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障，或者外圍發(fā)生短路并產(chǎn)生過(guò)負(fù)荷，此時(shí)內(nèi)部油箱的油溫增大。電力變壓器油溫過(guò)高將會(huì)加速電力變壓器繞組絕緣的老化，嚴(yán)重影響它的壽命。所以容量在1000kVA 或1000kVA 以上的油浸式電力變壓器為了監(jiān)視上層油溫的狀況，都必須配備溫度保護(hù)裝置；車間內(nèi)變電站，容量為315kVA 及以上的電力變壓器通常都要配備溫度保護(hù)裝置。

3 保護(hù)系統(tǒng)仿真

構(gòu)建一個(gè)具有雙側(cè)電源雙繞組電力變壓器的電力系統(tǒng)，利用MATLAB/SIMULINK 中的仿真模塊構(gòu)建電力變壓器仿真模型，當(dāng)電力變壓器空載合閘時(shí)，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，仿真波形如圖1 所示。

由仿真波形結(jié)果圖1 可知，四路中的電流由下而上分別為在差動(dòng)保護(hù)中左側(cè)端的A 相取值電流，右側(cè)端的A 相取值電流，A 相的差動(dòng)電流取值，A 相的制動(dòng)電流取值。由此看到，A 相中的勵(lì)磁涌流將會(huì)迅速偏向時(shí)間軸端。當(dāng)波形之間發(fā)現(xiàn)間斷的時(shí)候，相應(yīng)的出現(xiàn)間斷角，此時(shí)大小和變壓器中的合閘角、鐵芯中的剩磁和電壓它們互相之間全部都有關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電力變壓器繼電保護(hù)的基本原理和整定方法，可以有效的解決電力系統(tǒng)及某些因素對(duì)電力變壓器所造成的故障。電力變壓器是變電站、電力系統(tǒng)電壓變換的重要設(shè)備，也是變電站能夠正常運(yùn)行的中心樞紐，因此，對(duì)電力變壓器進(jìn)行操作與維護(hù)十分重要。電力變壓器有很多種類的故障，對(duì)此影響的因素也比較多，它們之間互相干擾互相影響，對(duì)其采取綜合性的分析以后，尋找準(zhǔn)確的原因及位置，并針對(duì)性的提出最合適的處理辦法，對(duì)此進(jìn)行預(yù)防以及消除，避免造成損失。