洋口水电厂变压器保护原理及继电保护改造措施探究

郑映畿

(福建省南平市顺昌谟武水电有限责任公司，福建 南平 353200)

变压器属于水电厂电力系统重要组成部分，而继电保护系统是确保发电机、变压器以及水电厂电力系统安全运行的主要系统。因此，需要对水电厂变压器继电保护系统加以有效的升级改造，当电力系统中出现运行故障能够及时作出保护反应，避免严重故障的发生。

文章以洋口水电厂2号主变保护升级改造项目为案例进行分析，围绕水电厂变压器局部放电监测的技术原理，有效运行监测变压器早期故障的相关条件参数特点，通过分析案例有效排除变压器在线监测及诊断继电保护配置、做好保护改造的措施进行简述。

1 项目案例

该工程为洋口水电厂2号主变保护升级改造项目，工作内容主要包括拆除原有主变保护柜，安装新柜体，将原南自的DGT801C系列更换为的PST671U数字式变压器保护装置。包括柜体吊装就位，底座焊接、接地母排及屏顶小母线的安装；新系统布线：主变保护柜的接线，过柜母线的连接以及对外电缆的连接等；保护系统调试及传动试验。在实际的改造过程中需要做好与继电保护相关的各项安全措施。洋口水电厂机组以发电机-变压器组扩大单元接线方式接入升压站110kV配电装置，该配电装置采用变压器-线路单元接线。电气主接线图见图1。

图1 电气主接线图

2 水电厂提升变压器监测故障的保护原理

分析新型变压器鉴于保护原理的基础上，有效考虑相关变压器的励磁状态，分析影响变压器故障的油箱内、外故障原因，主要是油箱内故障因各侧的相间短路，导致相关的“大电流系统测”出现单向接地短路现象，易会造成相同部分导致绕组间出现不同状况的匝间短路现象[1]。而油箱外故障主要是绕组现象引发端绝缘套管形成短线上引出的故障问题。另外还有短路(两相短路及三相短路)故障也会造成大电流侧、低压侧等接地故障。因此说，有效保障变压器的保护措施，是为了安全控制变压器，避免发生短路现象，如出现故障应及早尽快切除变压器，或及时排查不正常运行状态，及时预警并给予相应的检修维护处理措施。有效避免电力系统出现异常供电而导致相关设备损坏，提升水电厂电力运行安全性、稳定性。

3 PST671U型配置主变压器的保护要点

现代化生产中的变压器保护设计，常用的变压器保护包括短路保护、瓦斯保护、速断保护。因为变压器类型、容量、运行功率不同，过电流、过负荷等保护技术也逐渐应用到发电机变压器保护中。所以，对于保护技术的应用需要有关人员按照变压器具体情况，选择最佳保护方式[2]。

PST671U数字式变压器保护特点主要表现在工艺优良、硬件完善、原理简单、判据可靠等方面。该变压器保护装置使用专业设备，硬件系统的设计和安装工艺优良，不会出现因为硬件设备受损而导致保护误动。保护装置中设置有高性能数字信号处理器和其他处理器，现场应用双CPU板实施继电保护装置，实现了双套电气量保护功能，同时确保采用标准机箱，配置双CPU系统的硬件结构实现出口方式。通过实现双CPU板逻辑判断处理相关的双AD采样，才能有效保障两个CPU系统，实现相互校验，避免防止硬件异常出现误动故障现象，继电保护做好回路设置出口互锁，才能全面保护出口跳闸与双CPU实现同步操作时的动作，保证了保护的高可靠性。保护装置人机交互效果良好，采用可靠性触摸屏的方式实施调试操作，通过观察各侧显示的电流、电压以及相位的可视化界面，同时观察相关的压板状态以及运行差流情况的相关量，全面保障完善记录相关事件，以及记录引发故障录波的功能内容。通过观察所有电流电压量产生的故障波形，有效控制差动、谐波等差动保护差流相关量的显示情况，随时观测相关量的电流、电压的向量图等。另外，保护系统软件配置也是通过模块化模式，可以按照水电厂变压器实际需求,科学设计配置有效保护组态。软件中还添加了防错、纠错设计，对多种保护加以整合。

4 变压器的继电保护配置

变压器保护装置以差动保护单元，后备保护单元分体配置，分为变压器差动单元(PST671UA)和变压器后备单元(PST671UB)。非电量保护由PCX操作箱及辅助装置实现。差动保护单元主要有纵差差动速断和纵差差动保护。后备保护主要有：复合电压闭锁过流方向保护；零序过电流保护；间隙过负荷以及过压、过流保护等。其中的非电量保护配置类型有：重瓦斯/轻瓦斯/温度保护/压力释放保护。关键体现重要保护的配置内容有：

分析差动保护装置，有效总结两绕组串联相关的变压器外部短路系统，在实施工程过程中，通过取电流互感器CT1、CT3，构成相关磁平衡的纵差保护装置，设置变压器各侧外附 的CT 呈现不同功能的纵差保护启动值。从而观察故障时，串、并联变压器在分析电机特征以及机电保护元件相关的响应情况。确保变压器在正常运行外部故障检测以及切除后的暂态状态过程，有效控制变压器流入/流出电流相差值的区间。从而实现变压器的纵差保护控制空载合闸时，达到控制励磁涌流对变压器产生差动保护的保障措施，避免引起励磁工况下误动行为。促进变压器在稳态比例的差动保护状态下，主要采用经傅氏变换保护原理，强化变压器电流出现的差流计算达到区分差流，有效保障变压器内部、外部故障得到控制及时检测与维修状态，全面提升了稳定相关变压器出现的稳态比率，以及差动保护控制(CT 断线/励磁涌流、CT 饱和)多种判别时的闭锁后出口运行状态。当 CT 断线闭锁差动控制字投入时，CT 断线后，但当差动电流> 1.2 Ie 时解除 CT 断线对纵差保护的闭锁。通过分析保护设备及保护范围的故障动作，确保变压器正确操作纵差保护状态下，实现整体控制整定值，以及相关控制TA二次回路的不良比率，保障机电保护的可靠性，达到装置运行的高质量生产运行状态，同时还对元件的整定值，有效保障合理化的整定值温和二次回路设置的正确值系数。

分析CSC-326G复合电压闭锁，通过整合变压器差动保护构建模型，实现仿真处理变压器后备保护故障的方向，细化分析主变后备保护各模块之间，所产生的检测故障相关的元件后备保护装置，从而实现过流保护促进变压器减少外部、内部相间短路的后备保护措施，采用复合电压闭锁的控制方式，有效防止误动现象发生，根据保护装置设置重要元件，达到保护电流的控制动作模块，避免变压器易导致各侧之间出现断电路现象。保障电流达到取自本侧 CT状态，保障复合电压控制相关的相间低电压与负序电压设置保护模快运行正常。方向元件的电流电压回路采用 90 度接线，电流 CT 极性端在母线侧，方向指向变压器，最大灵敏角-45°。其动作判据为：Ia-Ubc，Ib-Uca，Ic-Uab 三个夹角(电流落后电压时为正)，其中任一夹角满足-135°<φ<45°，且与之对应的相电流大于过流定值。

控制放电间隙设置方式，采取中性点运行不接地方式，控制变压器中性点设置相关的放电电路，达到配置电气保护控制间隙过流、过压后备保护行为，如电流大于整定值时，设置间隙被击穿控制的后备保护参数，避免出现延时跳闸等现象发生。未被击穿状态下，设置间隙保护控制零序电压大于整定值状态时，采用保护延时的跳闸设置行为，有效保障监测间隙的电流以及触发信号，实现平台故障保护的运行动作。

主保护需要控制油箱内部故障，保持释放压力的重瓦斯保护行为，全面保障变压器内部减少各种故障之间的少数绕组现象发生，如在发现故障匝间出现短路状态时，控制故障电流有效保障差动保护的安全性、准确性，及时分辨瞬间切除故障或释放油箱内部的压力，全面保障重瓦斯保护动作控制跳闸的切除动作，达到差动保护装置的安全稳定操作方式，确保变压器避免出现空载合闸的励磁涌流现象。

5 变压器改造继电保护干预的施工措施

在变压器继电保护技改中为确保相关措施实施的有效性、科学性，需要在改造项目正式开展前做好设计，明确技术要求[3]。在洋口水电厂2号主变保护升级改造项目中，首先对施工条件进行分析，编写改造施工方案，合理安排施工进度。之后为确保改造项目的有效进行，制定相关安全措施和技术措施。安全措施主要包括现场临时电源管理措施、各类工器具使用管理规定、特殊作业安全措施、防止落物伤人措施、防止触电或感应电措施、着装要求以及“两票”和操作要求，确保改造施工的有效开展。

技术措施主要是此次2号主变保护改造安排在3号发电机小修期间进行，工期为5d，其中主变保护柜的拆箱及安装，包括柜体吊装就位，底座焊接、接地母排及屏顶小母线的拆除回装1d；主变保护柜的接线，包括过柜母线的连接以及对外电缆的连接等2d；保护系统调试及传动试验2d。因2号主变保护屏顶有小母线，故需开关站停电一天进行拆除，为保障全站停电后厂用电负荷由1号发电机组带，在全站停电前,厂坝变保护屏直流电源需要设置临时220V直流电源,电源由继保室直流馈线屏备用空开引入。移开屏顶小母线时，三相电压要做好记录，避免回装时相序错误。中控屏顶小母线布置，见图2。

图2 中控屏顶小母线布置

2号主变保护升级改造时的运行方式设计：1号主变和1号机带Ⅰ、Ⅱ段厂用电、坝用电正常运行，2号机冷备用，3号机处于检修状态。断开2号主变高压侧18B断路器，18B1刀闸，68B1刀闸，在主变高低压设置短路接地线，合上18B6接地刀闸。1号厂、坝变运行、2号厂、坝变转冷备用，综合楼由400V坝区母线供电，柴油机处于随时可自启动热备用状态。高压室6.3KV I段母线运行，6.3KV II段母线检修、6.3KV II段母线PT检修。在停电操作和恢复操作时落实倒闸操作安排并完成相关安全措施。柴油机供电要求：在该项目中柴油机为2号主变保护改造时备用电源。柴油机最大负荷<540A，直接启动电机启动容量≤50kW，避免柴油机、线路及开关出现过载情况。柴油机供电期间，现场需有人不间断进行监视，并记录柴油机运行参数。在正式开展检修工作前各检修负责人按照检修方案前往现场向工作人员开展技术交底和安全交底，做好作业危险点预控，交底签字，最后申报检修资料，并做好材料准备。对接入保护柜的电流互感器电流回路须在来源端进行短接，防止开路。对接入保护柜的电压互感器电压回路做好绝缘包扎，防止短路。

柜子所有的对外电缆白头均要保护好，用绝缘胶布包扎并做好记录。另外，项目按照工程特点，在安装施工中，坚持按建设部颁发的关于《电气装置安装工程施工及验收规范汇编》中相应条款要求进行施工，开展全面质量管理。质量标准为一次验收合格率≥95%；一次完成优良率≥90%；竣工验收合格为100%；优良率≥95%。

6 结 语

水电厂变压器保护系统是变压器安全生产的可靠保证，保护装置能否安全运行将直接影响电力系统的安全稳定运行和国民经济的发展。随着微机继电保护的不断升级换代，旧水电厂的变压器保护系统也就面临着改造更新，因此根据保护特点选择先进、可靠的产品，合理地进行保护配置非常重要。洋口水电厂2号主变保护升级改造项目在改造过程中结合实际情况设计了升级改造方案，明确技术要求，以科学、合理的安全措施和技术措施保证施工的进度和质量，对提升企业经济效益和社会效益发挥积极作用，对其它类似水电站变压器保护改造具有一定的借鉴作用。