变压器非电量保护误动作原因分析及防范措施研究

0引言

变压器保护根据是否采用电气量,可分为电量保护和非电量保护。其中,非电量保护通过非电气量反映故障并动作或发信,对保障变压器安全至关重要[1]。变压器非电量保护误动会导致非电量保护装置发信或动作跳闸,造成变压器停运,损失负荷,当负荷较大时,在一台变压器跳闸的情况下,另外一台变压器可能会出现重过载现象,所以必须对非电量保护给予重视。

目前,非电量保护理论体系较为成熟,认可度高,但在实际的运行维护过程中经常发生非电量保护误动作事件,不仅影响运维人员信号监视,还经常需要检修,部分情况需要对变压器进行停电处理,耗时又耗力。因此,有必要对非电量保护误动作原因进行分析,并提出一些针对性防范措施,从而提高非电量保护装置的可靠性。

1变压器非电量保护误动作机理分析

变压器非电量保护误动作可能由多种原因引起,通常涉及保护装置本身、信号传输、外部环境或人为因素。本文梳理了南方电网范围内2009年至今110 kv及以上变压器因非电量保护异常而导致的变压器跳闸事件,共计32起,如图1所示。

从非电量保护装置来看,瓦斯继电器发生故障16起,占比最高,达到50%;其次,冷却装置7起,占比21.9%。

根据上述情况,本文主要从以下四个方面进行变压器非电量保护误动机理分析。

1.1保护装置自身问题

1)非电量保护回路中的继电器或传感器故障。瓦斯继电器、压力继电器、温度继电器等机械部件卡涩、触点氧化或老化,其常开触点误动作,从而导致非电量保护装置误发信号;温度传感器漂移、短路或断路,导致温度保护误动。2)非电量保护装置定值设置不当。非电量保护定值(如油温报警、压力释放阈值)设置过低,当外界环境发生变化时,极易达到启动定值,非电量保护装置就会告警或动作。3)非电量保护回路中元件或电缆绝缘劣化。回路中继电器或接线端子受潮、电缆破损受潮,回路绝缘降低,从而导致信号回路误通。

1.2信号传输与回路问题

1)二次回路干扰或短路。电缆绝缘破损、接线松动,导致信号误触发;以及受到电磁干扰,从而导致继电器误动。2)回路设计缺陷。非电量保护未独立配置,与电气量保护共用回路,相互干扰。3)接地不良。信号回路接地不可靠,引入地电位差,导致误发信号。

1.3 变压器运行环境影响

1)温度与油位波动。极端天气、温度骤变,导致油温或油位异常'触发保护误动。2)机械振动。变压器附近施工、设备振动导致瓦斯继电器误判为“轻瓦斯动作”。3)油质劣化。油中气泡积聚、油污堵塞继电器管路,引发误发信号。

1.4 人为因素

1)维护不足。端子箱密封不良,继电器防雨防潮措施不到位;以及继电器、回路元器件校准周期长'长时间未校准'导致非电量保护装置可靠性降低。2)人员误碰误动。运行维护及检修过程中,误动非电量保护回路、误接线、误接地等导致非电量保护误动。

2变压器非电量保护信号处置

2.1 轻瓦斯保护动作

轻瓦斯保护动作的原因主要有以下几方面:第一,在变压器维护过程中有气体进入油箱;第二,出现温度下降或漏油,导致油面下降;第三,油箱出现一些较小故障,产生气体。当轻瓦斯动作信号报警时,首先应检查变压器温度、油面高度、声音、电压、电流情况,如没有问题,则应收集继电器顶部气体进行故障判别。

2.2 重瓦斯保护动作

重瓦斯保护动作的具体原因是变压器回路出现故障、内部出现较大故障或近区穿越性短路故障。当重瓦斯动作时,首先应检查变压器外部特征、停电范围等,如未发现异常,应收集继电器顶部气体进行故障判别。

2.3压力释放阀保护动作

压力释放阀保护动作的具体原因包括变压器内部故障产生气体、过载运行、冷却系统失效、外部短路电流冲击、环境温度过高、油位异常或呼吸器堵塞以及压力释放阀本身故障等。当压力释放阀保护动作时'应检查变压器外观'观察是否有喷油、机械损伤或密封不严等情况;并检查油位和温度'确认油位和温度是否正常。

2.4 油温绕温保护动作

油温绕温保护动作的原因主要有以下几方面:第一'内部故障或过载等引起的真实过热;第二,油位计故障,出现假油位;第三,散热能力下降,导致油温升高;第四,信号回路接点老化、短路等原因导致接点导通,信号上送。当油温绕温保护动作时,应立即检查负荷电流、冷却系统,对比现场表计与远方显示,检查温度传感器及温度变送器,必要时,开展变压器取油,进行油样分析。

2.5冷却器全停保护动作

冷却器全停保护动作的原因主要有以下几方面:第一,空开跳闸、电源缺相、电压异常、备用电源切换失败等引起的电源故障;第二,继电器误动作、线圈烧毁故障、PLC或控制模块故障等引起的控制回路故障;第三,油泵电机烧毁、散热器堵塞、油流继电器误报等引起的冷却器机械故障。当冷却器全停保护动作信号出现时,应检查变压器运行状态,立即监视顶层油温,超过上限值时需降低负荷,并检查负荷电流,记录保护动作信号;检查主电源、备用电源、熔断器或空开等冷却器电源,若有跳开可以试送一次;检查接触器、继电器、接线等冷却器控制回路是否存在异常,同时可以手动启动冷却器;检查冷却器机械部分,查看风扇、油泵是否有异响,是否卡涩。

3 防误动优化措施

减少非电量保护误动作需采取综合性技术措施,根据以往经验总结并得到工程验证的改进措施,主要包括硬件抗干扰、软件逻辑优化、系统级优化、运维管理提升四个方面。

3.1硬件抗干扰

1)继电器回路改造。可以采用大功率继电器,并在回路中并联限流电阻,防止因回路功率不足或干扰导致误动。2)增加RC吸收回路。通过在继电器线圈两端并联电阻和电容,抑制干扰脉冲,吸收高频干扰,防止误触发。3)电缆优化。众所周知,当电缆绝缘不良时,可能会引起回路短路、开路、继电保护跳闸等,此时可以采用屏蔽双绞线(屏蔽层两端接地)将信号线与动力电缆分开,并间隔一定距离,避免二者相互影响。还可以更换受损电缆或绝缘不良的电缆,提高绝缘电阻,消除误动。

3.2 软件逻辑优化

1)延时设置。为防止延时定值设置过短,导致变压器非电量保护经常误动作,可以将时间定值延长,避免一些因短时振动、接地、短路等引起的非电量保护装置误告警。2)“三取二”逻辑。根据反措要求,作用于跳闸的非电量元件都应设置三副独立的跳闸接点,按照“三取二”的原则出口,三个开入回路要独立,不允许多副跳闸接点并联上送,“三取二”出口判断逻辑装置及其电源应冗余配置,减少误动频率[2]。

3.3 系统级优化

1)电缆与接地优化。使用屏蔽效果极佳的电缆,减少电容耦合的敷设方式,避免因投切变压器、感应电引起的电磁干扰。2)智能诊断与自检。实时监测传感器状态,提前预警。

3.4 运维管理提升

变电站内高压变电器主要安装在户外,温度表计、压力释放阀等长期暴露在户外,受环境因素影响较大,经常会因温度表计、压力释放阀等装置外壳密封不严,在雨天容易进入潮气,导致内部接点短路,从而引起非电量保护误动作。此时,运维人员应结合检修工作要求对表计加装防雨罩,并在外壳四周加装密封圈、涂抹密封胶,防止雨水、潮气进入表计,导致表计受潮,从而发生非电量保护误告警。

4试验验证

现阶段500 kv变压站非电量保护除了重瓦斯投跳闸,其他非电量保护均投信号,不会引起变压器实际跳闸出口。所以,要防止非电量保护误动作,更多的是要防止重瓦斯保护误动作。因此,本文在试验阶段将重点研究防止瓦斯继电器误动的一系列措施。

4.1 瓦斯继电器结构设计

为防止瓦斯继电器误动,首先得弄清瓦斯继电器内部结构,如图2所示。

瓦斯继电器主要由上浮子、下浮子、油流挡板、上浮子永磁铁、下浮子永磁铁、干簧管等组成。

当变压器内部出现故障而使油分解产生气体或造成油流冲击时,继电器接点就会动作,以接通指定的控制回路,并及时发出信号或自动切除变压器。瓦斯继电器二次回路图如图3所示,原理图如图4所示。

当主变发生严重故障时(如匝间短路),引发的油流由主变本体流向油枕。油的速度达到一定数值(一般为1 m/s),冲击挡板,挡板就会带动下浮子的永磁铁动作,令相应干簧管磁化,簧片闭合,辅助节点动作,令主变三侧开关跳闸。所以,为防止瓦斯继电器误动,应从油流速度、挡板位移等方面下功夫,增加防涡流挡板、磁性阻尼器、双弹簧缓冲、油流导流槽等对瓦斯继电器进行改造。

4.2抗误动关键改进措施

根据瓦斯继电器结构,提出了抗误动关键改进措施,如表1所示。

4.3 油流速度—挡板位移关系

本文选取带变频油、流量控制器的油流系统,精确控制油流速度。利用激光多普勒测速仪,实时监测油流速度。利用激光位移传感器,非接触测量挡板位移。然后,利用高速摄像机I实时捕捉挡板运动轨迹I流程图如图5所示。

通过试验研究在不同油流速度下挡板位移的变化情况I如图6所示。

正常情况下I正常油泵启动速度在0.6~1.0 m/SI对应的挡板位移应小于1.0mmI当挡板位移达到1.0 mm时I瓦斯继电器就会动作跳闸(动作阈值:油流速度≥1.0 m/S时I挡板位移就会大于1.0 mmI瓦斯继电器动作I触发跳闸)。而改进后的瓦斯继电器通过对称弹簧抵消横向振动,导流槽使油流平稳通过,试验表明,油泵启动时,相同的油流速度下挡板位移明显减小,有效降低了瓦斯继电器误动概率。

4.4振动频率-误动概率关系

在振动台上测试瓦斯继电器(如QJ—80型)在不同频率(20~180 Hz)下误动次数(样本量≥30次/频点),通过ANSYS谐响应分析,计算继电器接点在振动中的位移幅值,分析不同频率机械振动下的误动概率,如图7所示。

试验数据显示,QJ—80型瓦斯继电器在90~120Hz振动下误动概率明显变大,其中在100 Hz左右时,误动概率可达75%。查出厂资料,该瓦斯继电器固有频率为98HzI与试验共峰吻合。然后再对改造后的瓦斯继电器进行试验I反复多次试验证明I改造后的瓦斯继电器在相同振动频率下I误动概率均有下降I且在90~120 Hz振动频率下误动概率下降为20%以下I从而验证了抗振措施的有效性。

5 结束语

为减少非电量保护误动作,本文从瓦斯继电器内部结构改造、振动频率等方面提出了如何提高变压器非电量保护的可靠性,减少误动作发生率。通过保持单一变量,利用试验反复验证,保证了试验的准确性和科学性。非电量保护误动作与油流速度是正相关关系,与瓦斯继电器固有频率关系密切,油流速度越快,越接近瓦斯继电器固有频率,非电量保护误动作概率越大,反之,概率越小。这一论证进一步完善了非电量保护误动作评估系统,为今后的研究提供了新的思路与方法手段。

[参考文献]

[1]贺家李,李永丽,董新洲,等.电力系统继电保护原理[M].5版.北京:中国电力出版社,2022.

[2] 国家能源局关于印发《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2023版)》的通知:国能发安全〔2023〕22号[A].

《机电信息》2025年第22期第4篇