李童

（海洋石油工程（青島）有限公司， 山東 青島 266520）

變壓器作為海洋平臺電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備，其運行是否可靠，對石油生產(chǎn)有著重要影響。變壓器運行過程中受過電壓、過電流、過負荷等多種因素干擾，應(yīng)采取必要的措施進行繼電保護，使設(shè)備高效率地運行。提高變壓器的運行效率和電能質(zhì)量，及時排除設(shè)備故障，是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題。本文探討了變壓器繼電保護器配置方法，并結(jié)合實際情況分析了幾種保護方案[1]。

1 變壓器繼電保護器裝置

變壓器繼電保護器具有高靈活度、高精度、高容量的特點。功能豐富，保護完善，性能穩(wěn)定。同時具備防塵、防水、防電磁干擾、抗震的先進性能，強大的硬件擴充能力，可根據(jù)需要擴展開入開出[1]。

圖1 就地控制面板外觀

2 變壓器保護原理

2.1 差動保護

保護裝置具有許多靈活的選項和邏輯功能，保護既可以設(shè)置啟動元件，也可以選擇實時計算。對于零序濾過功能各側(cè)均可投退；對于幅值和向量自動補償和校正。二次CT全采用星形接法，方便接線。差動保護分比率制動差動和二段差動速斷保護，其中第一段差速斷保護經(jīng)CT飽和判別閉鎖，第二段差速斷保護不經(jīng)任何閉鎖。

對兩繞組保護，差動電流與制動電流的計算式為：

對三繞組保護，差動電流與制動電流的計算式為：

（1）比率差動元件

差動保護裝置的跳閘特性有兩個拐點，第1個拐點與啟動門檻值DIFF:If，PSx的設(shè)定有關(guān)，跳閘特性的第2個拐點由DIFF:Im，PSx的整定定義。三個不同范圍的特性等式如下所述，圖2表示了其跳閘特性。

0.5If＜IR≤Im范圍的特性等式為：

IR＞Im范圍的特性等式為：

其中：Iref為參考電流；m1為0.5If＜IR≤Im范圍內(nèi)的特性斜率，m2為IR＞Im范圍內(nèi)的特性斜率。

圖2 比率差動元件動作特性

（2）差動速斷元件

當差動電流在上述的可調(diào)門檻DIFF:If＞PSx之上時，將直接跳閘而不考慮諧波制動及過激磁制動；如果差動電流超過可調(diào)門檻DIFF:If＞＞PSx，也不考慮制動電流及飽和檢測，而不管制動量為多少以及飽和檢測器的結(jié)果如何，繼電保護裝置將直接去跳閘。

（3）勵磁涌流、過激磁及CT飽和判別元件

對差動電流進行過濾，判別出差動電流的基波分量I(f0)及二次諧波分量I(2×f0)，如果至少有一個測量系統(tǒng)中的I(2×f0)/I(f0)之比超過某一可調(diào)值，則可選擇下列方式之一對跳閘進行閉鎖：

閉鎖所有三相測量系統(tǒng)；有選擇性地閉鎖某一相測量系統(tǒng)。

如果差動電流超過設(shè)定的門檻值DIFF:If＞PSx，則不進行閉鎖。

對于過激磁判別，繼電保護裝置檢測出基波分量I(f0)及5次諧波分量I(5×f0)，如果其中一個測量系統(tǒng)中的變比I(5×f0)/I(f0)超過設(shè)定值I(5×f0)/I(f0) PSx且制動電流小于4Iref，則可以有選擇性地閉鎖測量系統(tǒng)的跳閘。

對于CT飽和判別，在制動電流每次過零點時，由飽和檢測器監(jiān)視差動電流發(fā)生的時間。對內(nèi)部故障，差動電流隨著制動電流一起在過零點后出現(xiàn)。但是，在變換器飽和時的電流流通情況中，只有在變換器開始飽和才出現(xiàn)有差動電流。因此，根據(jù)與制動電流的比較，監(jiān)視差動電流的值，相應(yīng)地產(chǎn)生一個閉鎖信號，以實現(xiàn)所希望的穿越性電流制動。當檢測到外部故障時，對測量系統(tǒng)施加閉鎖限制。

如果差動電流超過設(shè)定的門檻值DIFF:If＞＞PSx，則不進行閉鎖[2]。

2.2 零序差動保護

每個變壓器繞組可以有一個零序差動保護，最多可以三側(cè)均有一個零序差動保護，繼電保護裝置對某一零序差動保護功能相關(guān)的繞組進行顯示。零序差動保護功能所連接的繞組及動作的繞組用繞組代號表示，如“a”，同樣的考慮方式也使用于繞組“b”和“c”。

零序差動保護基于比較相關(guān)變壓器繞組的相電流矢量和IN與中性點電流IY0繼電保護裝置生成相電流的矢量和。保護裝置根據(jù)標稱容量自動作幅值補償。

繼電保護裝置將得到的幅值匹配電流IN及IY按下式計算出差動電流及制動電流：

另外，差動電流等式適用于保護對象有相對統(tǒng)一定義電流方向的情況下，即兩個電流均指向保護對象或均離開保護對象。

零序差動保護功能的跳閘特性，特性等式如下：

其中IfNa:If＞PSx整定值：

圖3 零序差動保護跳閘特性

2.3 定時限過流保護

在繼電保護裝置中實現(xiàn)有三個定時限過流保護功能（DTOC1、DTOC2及DTOC3）?？蓪⒚恳粋€定時限過流保護用于變壓器的其中一側(cè)或用于由用戶選擇的變壓器其中兩側(cè)電流之和構(gòu)成的虛擬側(cè)。

對每一DTOC功能，有一個整定參量以用于用戶分配。于是DTOC功能就可監(jiān)視所選擇的相電流、負序電流及零序電流。

繼電保護裝置用三段功能監(jiān)視三相電流、負序電流和零序電流，以檢測其何時超過其設(shè)定的門檻。另外，可以激活兩個不同的門檻值類型。在設(shè)定的保持時間內(nèi)激活門檻值；當保持時間不運行時，激活門檻值，如果相應(yīng)電流超過設(shè)定的門檻值，則啟動定時段。一旦這些定時段計時到，就發(fā)出一個跳閘信號?？赏ㄟ^相應(yīng)配置的二進制信號輸入閉鎖該定時段。DTOC功能的第一段可選擇由差動保護的涌流制動功能進行閉鎖。

另外，過流保護設(shè)置了一個總啟動信號，如果電流超過其中一個相電流段的門檻值，就發(fā)出一個總啟動的判別信號。用戶可選擇在總啟動判別中是否考慮零序電流段?？倖佑|發(fā)一個定時段，在該定時段計時到后發(fā)出一個信號[3]。

2.4 反時限過流保護

在繼電保護裝置中實現(xiàn)有三個反時限過流保護功能（IDMT1、IDMT2及IDMT3）?？蓪⒚恳粋€反時限過流保護用于變壓器的其中一側(cè)或用于由用戶選擇的變壓器其中兩側(cè)電流之和構(gòu)成的虛擬側(cè)。

對每一IDMT功能，有一個整定參量以用于用戶分配。于是IDMT功能就可監(jiān)視所選擇的相電流、負序電流及零序電流，實現(xiàn)反時限過流，負序過流及零序過流保護。

IDMT保護功能可選擇由差動保護的涌流制動功能進行閉鎖。

可通過相應(yīng)配置的二進制信號輸入閉鎖反時限段。另外，根據(jù)設(shè)定，對單相或多相啟動可自動閉鎖反時限段。

反時限過流保護設(shè)置了一個總啟動信號，如果一相電流超過1.05倍的設(shè)定參考電流，就發(fā)出一個總啟動的判別信號。用戶可選擇在總啟動判別中是否考慮零序電流段?？倖佑|發(fā)一個定時段，在該定時段計時到后發(fā)出一個信號。

2.5 熱過負荷保護

THRM1設(shè)計用作變壓器的熱過負荷保護?？稍谒挟a(chǎn)品系列裝置中具有該功能，有相同整定選項的第二個功能THRM2。

對兩個功能中的每一種，均可選擇所保護的變壓器側(cè)、溫度采集的測量輸入及跳閘特性。所保護的變壓器側(cè)選項包括：a側(cè)、b側(cè)、c側(cè)或d側(cè)?？蛇M一步選擇由用戶選擇的變壓器其中兩側(cè)電流之和構(gòu)成的虛擬側(cè)。

功能THRM2可分配給變壓器弱點源側(cè)或兩個弱電源側(cè)構(gòu)成的一個組合，帶有功能THRM2相應(yīng)的跳閘特性選擇。

按照IEC255-8，用所選變壓器測的最大相電流IPmax.y來跟蹤一階模型的熱映像特性。

保護對象的溫度由IPmax.y計算出，并在THRM1上進行顯示，冷卻器的溫度也可通過PT100輸入或通過20mA輸入測量，或者使用缺省的溫度值，其選擇由THRM1設(shè)定進行控制。所得到的冷卻器溫度的菜單顯示點為THRM1，保護對象所允許的最大溫度設(shè)定與冷卻器所允許的最大溫度之差值可在THRM1上顯示出。

跳閘特性由下列等式定義：

對運行方式的設(shè)定可選擇為絕對或相對模擬特性。如果整定為絕對模擬，則將以100%的固定跳閘門檻Θtrip動作。

2.6 電壓保護

繼電保護裝置檢測輸入的單相電壓，判斷其是否超過設(shè)定的門檻值之上或降低至設(shè)定的門檻值之下。在經(jīng)過一定時段延時后，保護將動作。該保護可通過相應(yīng)配置的二進制信號輸入進行閉鎖。保護提供二段過電壓和二段低電壓及一暫態(tài)延時。

另外，帶時限的電壓保護對每一定時段提供有一個窗口功能，用V＜＞：Vmin PSx整定定義兩個定時段的下限值，用參量子集及相關(guān)定時段的V＜或V＜＜動作整定值定義上限值。采用這種方式，在切換操作電壓消失的短時間內(nèi)，可用后續(xù)定時段無壓的判斷進行相應(yīng)整定值的配合[4]。

2.7 過頻和低頻保護

繼電保護裝置檢查電壓以判別其是否超過或低于所設(shè)定的門檻值，裝置根據(jù)電壓過零點的時間差來確定頻率。過頻/低頻保護共有4段。過頻/低頻保護需要有足夠幅值的測量電壓，如果測量電壓低于低電壓段所設(shè)定的門檻值，則瞬時閉鎖過頻/低頻保護。

為防止由于一般的頻率波動或干擾而引起頻率段啟動，可由用戶設(shè)定判斷時間。要發(fā)動作信號須至少在設(shè)定的判斷時段內(nèi)滿足動作條件。

對過頻/低頻保護功能的每一段，用戶可在下列運行方式中作選擇：頻率監(jiān)視；與頻率微分量組合的頻率監(jiān)視；與平均頻率差變化量組合的頻率監(jiān)視。

2.8 過激磁保護

過激磁保護對參考到標幺值的電壓頻率比V/f進行判別，該變比與互感器鐵芯中的感應(yīng)成正比，如果電壓頻率不在允許的限值范圍內(nèi)，就不開放過激磁測量。裝置設(shè)一定時限和一反時限段。

定時限過激磁對V/f進行監(jiān)視以確定其是否超過設(shè)定的門檻值，如果發(fā)現(xiàn)過激磁值超過該門檻值，則觸發(fā)一個定時器，在該定時段計時到后，發(fā)出一個信號。

反時限跳閘特性的過激磁通過定義對過激磁值及相關(guān)的跳閘時間值來進行設(shè)定，可通過插值得到中間值，用單調(diào)下降特性來檢查特性設(shè)定的正確性。對V/f＞1.6的值，將跳閘時間限制為V/f=1.6時的設(shè)定值。

3 結(jié)語

變壓器是海洋平臺電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵的電氣設(shè)備，本文對變壓器繼電保護進行了分析，提出了部分解決方案。繼電保護裝置在石油平臺變壓器中的應(yīng)用，有效地清除了部分安全隱患，是避免電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障的重要元件，促進了電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化水平，進一步帶動我國石油工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

◆參考文獻

[1] 賀家李. 電力系統(tǒng)繼電保護原理與實用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 葛來龍，倪維東，朱桂權(quán). 空投變壓器的勵磁涌流分析及相關(guān)應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2009，(10)：160-163.

[3] 王維儉. 電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2002.

[4] GB/T 50062-2008，電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范[S].