电力运行中变压器保护的应用

电力运行中变压器保护的应用

李祥1黎展2祝坤3

（黄冈大别山发电有限责任公司湖北麻城市438304）

摘要：电力变压器的功能是通过电磁感应将变压器原方的交流电能传递到副方，同时还起到隔离电压、电压变换等功能，并且其广泛应用于电力系统中的发电系统、输变电系统以及配电系统等多个环节，是电力系统重要的组成设备之一，在电力系统中实现了不同电压等级电网的互联以及功率交换的功能，其安全稳定运行直接关系到电力系统的安全与稳定。一旦大型变压器发生故障，由于其影响范围大，检修时间长，检修难度大，将会给电力系统乃至社会经济和生活带来重大的损失。因此，变压器保护的研究和开发一直受到广泛的关注和高度重视。

关键词：电力运行；电子电力变压器；保护原理

1常规配电网变压器的保护

为了更好的对电子电力变压器的保护进行研究，首先对传统的常规配电网变压器保护进行回顾。不同于由电力电子器件组成的电子电力变压器，传统变压器是依据法拉第电磁感应定律，导磁铁芯以及绕组导线进行电能的转化，同时实现变压器原方与副方的电磁隔离。

1.1常规配电网变压器的常见故障及不正常工作状态

以500kV电力变压器为例，其常见故障可分为变压器油箱内故障和油箱外故障两部分。油箱内部故障包括各相绕组之间发生的相间短路，单相绕组部分线匝之间的匝间短路以及单相绕组通过接地外壳发生的单相接地故障。而油箱外部故障则可分为引出线的相间短路和绝缘套管闪烁或破坏、引出线通过外壳发生的单相接地短路。若分析发生故障的具体部分或器件，则可分为如下4种：（1）芯体发生故障：由于变压器各部分的绝缘层老化，导致绕组层间和匝间发生短路；铜线质量不好导致局部过热；线圈绝缘受潮；系统短路以及冲击电流使绕组造成机械损伤；（2）变压器油故障：绝缘油因高温运行而氧化，吸收空气中的水分导致电器绝缘性能下降；油泥沉积阻塞油道使散热性能变差；油绝缘降低造成闪络放电等；（3）磁路故障：芯体绝缘老化；传芯螺丝或扼夹件碰接铁芯；压铁松动引起电磁铁震动和噪声；铁芯接地不良引起间歇性静电放电；铁芯安装不良造成空洞声；芯片叠装不良造成铁损增加等；（4）结构方面故障：分接头接触不良导致局部过热；分接头之间因油泥造成相间短路或表面闪络；油箱漏油；油温指示失灵；防爆管故障使油受潮等。而变压器的不正常运行状态多半由上述故障引起，比如变压器发生相间短路或单相接地故障后变压器即工作在过电流以及中性点过电压状态下。其他不正常工作状态包括变压器工作在过载状态下和工作在过电压状态下导致变压器过励磁故障等。

1.2常规配电网变压器的保护种类以及动作类型

以500kV电力变压器为例，一般会安装瓦斯保护以防御变压器油箱内各种短路故障和油面降低，以及纵差动保护或差动电流速断保护以防御变压器绕组、套管以及引出线上的故障。上述保护动作后均会跳开变压器所有电源侧的断路器。变压器的瓦斯保护常见于各种变压器的安全保护中。当变压器局部发生击穿或短路故障时，一般会破坏其绝缘或变压器油产生气体。而监测气体发生的速度以及分析气体的各种特性和成分则可以推断出故障发生的原因、部位以及严重程度，并针对不同情况采取发出警报或跳开断路器等不同的措施。

2电力运行中变压器保护的应用

2.1变压器保护需求

配电网电子电力变压器的保护由各种电压和电流互感器及其调理电路，采样电路以及AD电路，处理和分析采样信号的DSP，集成在IGBT驱动中的短路保护电路，输入以及输出开关信号，输入断路器，软启动电阻断路器以及输出断路器等组成。对于容量为500kVA的10kV的配电网电子电力变压器的保护需要大量的电压和电流传感器及其调理电路。由于输入电压和输入电流的电压等级为10kV，因此为了保证测量以及控制机箱的安全需要对输入电压以及电流信号进行2次隔离，之后将10kV的电压通过调理电路转换为5V的模拟信号也即AD转换芯片可以处理的电压，最后AD转换芯片将调理电路输出的模拟信号转化为数字信号传输给DSP进行处理和分析。而电流信号则会通过电流互感器将大电流（如输出侧单相总电流为1450A左右）转化为SA的电流，再通过调理电路转化为SV模拟信号，最后由AD转换芯片转化为数字信号传输给DSP进行处理和分析。由于除了变压器之外还引入了高电压大功率电力电子器件以及低电压的电路，因此对其稳定性，可靠性，抗干扰性，逻辑处理能力甚至通讯能力都有相当高的要求。因此硬件方案充分考虑了电子电力变压器的保护所需要的大量的需求，具有广泛的适应性以及相当的可裁剪性和灵活性。

2.2外部过电压保护

2.2.1传统的过电压保护

正变换过电压是指雷电波沿着低压线路侵入配电变压器的低压绕组，由于低压绕组中性点与外壳相连，低压绕组上承受的过电压通过电磁稱合在高压绕组上产生很高的过电压，高压绕组上的电压在高压绕组中性点上达到最大值，使得高压绕组中性点对外壳电压升高。而高压绕组侧绝缘小于低压绕组侧绝缘，因此高压绕组绝缘被击穿，而低压绕组绝缘完好。为了减少雷害事故的发生，人们应用了各种新技术和新材料以保护配电线路，其中一种是改善接地材料并减小接地电阻，还有一种就是采用避雷器。按照发展历史和保护性能的改良过程，避雷器一般分为：放电间隙、管型避雷器、普通阀式避雷器，磁吹避雷器以及目前主流的氧化锋避雷器。

2.2.2电子电力变压器的耐压分析

电子电力变压器中的开关器件如IGBT等是最主要的组成部分，也是最脆弱的部分，在过电流和过电压的情况下很容易损坏，因此电子电力变压器的过电压保护主要针对其内部开关器件。由于电子电力变压器在待机状态下输入断路器断开，基本不受过电压的影响；而软启动状态持续时间较短，在此期间遭到雷击过电压的几率较小；因此将雷击过电压发生时电子电力变压器的工作状态设为正常工作状态较为合理。

由于电子电力变压器的三相电路时对称的，因此选取其中某一相进行分析。当雷击过电压引起输入电压升高时，输入级电路会暂时工作在不控整流状况下，此时电能会通过IGBT的反向恢复二极管进入级联在一起的输入级母线电容。输入级整流电路中每一路模块的IGBT所承受的电压为输入级直流母线电压，因此引起过电压的电能会由此加在IGBT上。由于本文所选取的IGBT为EUPEC公司的FF200R33KF2C，其IGBT及其反向恢复二极管的耐压均为3300V，因此6路级联的单相电路最高能承受19.8kV的电压。

2.3微机保护技术

当前，在变压器保护系统中开始不断应用数字技术和微机保护技术。在电力运行变压器保护系统中，微机保护技术的CPU组件包括中央处理器CPU、随机存储器、只读内存等。该微机保护系统的微处理器具有较高的性能，随机存储器则具有较大的容量。这样系统运转的效率就可以得到提升，实现安全存储的目标。此外，通过应用只读内存和闪存，也在较大程度上提升了系统保护CPU的功能。这样，数据处理能力和记录能力就得到了增强，不仅可以处理出现的各种复杂故障，还可以自动记录大量故障数据。微处理器作为一种先进的自动化高新技术产品，可以实现多种功能，比如测量、控制、监视、保护、通信，等等。微机保护作为发展趋势具有一系列优势，比如可靠性、选择性、灵敏度较高等，其核心是微处理器，输入通道和输出通道都是配套的。采用微机保护可促使记录事件的数目在40次以上，这样即使出现突然断电等情况，也不会丢失系统信息。

参考文献：

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[3]刘佃国.电力变压器数字化保护装置的研制[D].山东大学，2015.