变电站 220kV电力变压器的二次接线设计研究

张琼龙

柳州电力勘察设计有限公司，广西柳州， 545000；

摘要：电力系统及电网系统为社会经济的发展提供了高效稳定的能源供给，随着我国电网建设规模的逐年扩张，变电站内部线路越发复杂。本文重点针对变电站220kV电力变压器，探讨了包括电流电压回路，电源回路测量回路等二次电路的接线设计。

关键字： 变电站，电力变压器，二次接线

1 引言

与我国经济社会飞速发展相适应的是，我国的能源需求逐年提升，电力系统的规模和建设质量也有着快速的提升，为人民的生产和生活带来了诸多便利。电网稳定是电力系统持续、高效的提供社会服务的基础条件，随着我国电网建设规模的迅速扩张，电网空间分布越来越广。由于自然条件变化和人为因素影响造成的异常状态时有发生，短路、负荷过重、绝缘损坏以及设备老化等问题是常见的电网系统问题。只有建立科学高效的预警和防护机制，才能有效避免电力系统震荡，防止出现大范围停电或者是人员伤亡。在此背景下，正确处理变电站的电力变压器二次接线设计问题具有积极的意义。

2 电力变压器二次接线设计

通常情况下，电网系统中的电气设备主要包括以下两部分，分别是一次设备和二次设备。一次设备可以将电能从发电厂直接传输给用户端，但其不仅包括直接经过的设备，也包括与传输设施附属连接的设备。由于一次设备直接与高压设备相连接，所以人员进行操作极其危险，故二次设备应运而生。二次设备是基于操作和监控高压设备的目的，将高电压、强电流的操作环境通过电气隔离的方式达到低电压、小容量的操作环境，而这些设备统称为二次设备。所以，一次设备和二次设备一般是按照用途以及工作环境来区分的。

电力变压器，发电机，隔离开关和高压电动机等属于常见的一次设备，继电保护装置、操控电源和信号部分属于二次设备，二次设备主要是对系统和设备进行监控。二次回路指的是二次设备之间相互连接构成的回路。变电系统中的二次回路通常较为复杂，不仅因为其连接着众多的二次设备，而且二次回路时常受到一次设备的影响。二次回路按照特点和连接设备的不同通常分为以下三类，首先是与电压互感器相连的二次设备，其次是与电流互感器相连的二次设备，最后是与直流操作电源相连的部分设备。

电力变压器的接线方式可分为一次接线和二次接线，一次接线主要针对高压线路部分，可分为无功部分和有功部分；二次接线主要针对于负载端部分，通常情况下，二次设备控制电路的电压小，容量低，能够有效保证工作人员的安全。

本文借助于电路图分析的方式，探讨电力变压器的二次接线设计，使用电路图表示设备的实际接线方式，以图形和文字表示内部的电气设备并。与之相对应的，电路图也可分为依次接线和二次接线图。

3 继电保护装置

继电保护装置在电力系统中有着举足轻重的地位，在系统出现事故之时防止事故的加重扩大，控制事故发生率以及维持系统事故后可靠稳定的继续运行，用最小的消耗实现最优的控制和调节。

由于电力系统内部十分复杂，不同设备具有特殊性，难以长时间稳定运行不发生事故，一旦局部的故障无法有效控制，导致故障扩大，可能出现大面积停电。在此背景下，继电保护装置越发重要，继电保护装置能够通过合理的保护方式，以极高的动作准确率实现电网的安全稳定运行。即便保护装置能够准确快速的检测电网系统中的异常信号和运行状态，并发出跳闸的指令。由于电网系统规模巨大，内部结构复杂，传统的故障处理方式难以应对突发情况，这就需要借助于继电装置自主快速的处理故障部分避免故障扩大化。为快速的进行故障的隔离，切除故障设备，要求机电保护的动作时间小于100毫秒。具体来看，机电保护回路又可细分为零序电流保护和差动保护两类。

3.1 零序电流保护

零序电流保护主要针对接地短路的情况，零序电流的产生主要是中性点接地系统短路导致的，在零序电流产生时，借助于零序电流互感器，发出保护动作实现接地保护。正常情况下，两相短路和三相短路均不会触发零序电流保护，具有较高的检测灵敏度，在正常的震荡系统中也不会产生零序电流。同时也应注意到，如果电网在极短时间内发生变化，由于零序电流保护的作用时间长，对于各段的保护能力会出现明显的下降，反应的灵敏度也会下降。零序电流保护原理图如下所示。

零序电流保护原理图

3.2 差动保护

差动保护基于基尔霍夫电流定理实现保护功能，即电路中的任意节点流入电流与流出电流相等。基于基尔霍夫电流理论，在流入电流与流出电流相等时差值为0，此时不启动差动保护。在除变压器以外的部分发生故障时，差动保护器同样不启动。如果故障发生在变压器的内部，流入电流与流出电流存在差值，此时差动保护装置检测到二次电流，启动作用。在差动电流超过差动保护装置内置的设定值时，被保护的设备被切断。差动保护在保护变压器时，主要的优势在于原理简单明了，保护动作迅速，保护元器件明确。差动保护的原理图如下所示。

单相变压器差动保护电路图

三相变压器差动保护电路图

4 电流电压回路

电流电压回路可细分为电压回路和电流回路，分别与电压互感器和电流互感器相连。电压电流互感器在变电站内部主要作用是将变电站内部的强电流和高电压转化为二次电流和二次电压，降低其强度，为检测仪表和保护装置供电使用。测量仪表，电流互感器，继电器的电流线圈和控制器等构成电流回路的环路。借助于电流互感器，从主电路中产生的感应电流，并不与主电路直接相连，二者相互独立，确保了电流二次回路的安全。与之相类似的，电压互感器及其内部的测量装置构成了电压回路。

电流回路电路图

电压回路电路图

5 测量计量控制回路

测量回路检测电气运行相关的设备工作情况，计量回路主要测量三相无功电能，控制回路负责开关设备的控制。在实际工作中测量回路使用测量仪表，来实时的监测电力系统内部各元器件的运行状态和运行参数，常用的计量仪表和测量仪器，包括有功功率表，电压表，电流表和无功功率表等，所以测量电路即可实现无功功率和有功功率的测量，也可实现无功电能和有功电能的测量。计量回路主要使用的设备是三项无功电能表，控制回路包含弱电控制和强电控制两种，主要针对电力运行过程中发生的故障进行相应的处理。

6 信号回路

信号回路的功能类似于人体的神经反馈机制，工作的原理是通过电信号将电气设备运行的情况进行展示，便于管理人员和一线工作者掌握电气设备的运行实际情况，信号回路主要包括接收元件和发送元件，按照信号用途不同又可分为以下三类，（1）位置信号，例如隔离刀闸分合闸的位置信息等，（2）跳闸信号，（3）报警信号。在故障发生时，信号回路可通过特定颜色的灯光信号指明故障发生的类型及所在位置。

7 电源回路

在220kV变电站的电源回路中，通常包括不停电交流电源，蓄电池直流电源，电容储能电源，交流二次电源等多种类型，其中大中型变电站主要使用直流操作电源，小型变电站主要使用交流操作电源，电源的主要功能是为电流互感器，电压互感器和变压器供电，电源回路通过为上述各种设备供电，保证了变电站内部所有设备的正常运行。

8 结语

变电站内部电力变压器的二次接线设计，对于电力系统的稳定运行具有至关重要的影响，科学、高效的变压器二次接线设计，不仅能够帮助管理人员及时了解内部元器件和设备的运行状况，提升电网运行的透明化程度，同时能在短路等异常情况发生时自动地作出反应，避免故障扩大化，降低大规模电路故障造成的影响。

参考文献：

[1]王越明.电气二次回路识图[M].北京:化学工业出版社，2012.

[2]贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社，2020.