電力變壓器的故障分為內(nèi)部和外部兩種故障。內(nèi)部故障指變壓器油箱里面發(fā)生的各種故障，主要靠瓦斯和差動保護(hù)動作切除變壓器；外部故障指油箱外部絕緣套管及其引出線上發(fā)生的各種故障，一般情況下由差動保護(hù)動作切除變壓器。速動保護(hù)（瓦斯和差動）無延時動作切除故障變壓器，設(shè)備是否損壞主要取決于變壓器的動穩(wěn)定性。而在變壓器各側(cè)母線及其相連間隔的引出設(shè)備故障時，若故障設(shè)備未配保護(hù)（如低壓側(cè)母線保護(hù)）或保護(hù)拒動時，則只能靠變壓器后備保護(hù)動作跳開相應(yīng)開關(guān)使變壓器脫離故障。因后備保護(hù)帶延時動作，所以變壓器必然要承受一定時間段內(nèi)的區(qū)外故障造成的過電流，在此時間段內(nèi)變壓器是否損壞主要取決于變壓器的熱穩(wěn)定性。因此，變壓器后備保護(hù)的定值整定與變壓器自身的熱穩(wěn)定要求之間存在著必然的聯(lián)系。

 

    1、變壓器設(shè)計熱穩(wěn)定指標(biāo)

 

    “對稱短路電流I的持續(xù)時間：當(dāng)使用部門未提出其它要求時，用于計算承受短路耐熱能力的電流I的持續(xù)時間為2s。注：對于自耦變壓器和短路電流超過25倍額定電流的變壓器，經(jīng)制造廠與使用部門協(xié)商后，采用的短路電流持續(xù)時間可以小于2s。”

 

    當(dāng)以平均電壓作為基準(zhǔn)電壓，以1000MVA為基準(zhǔn)容量時，可以計算出對應(yīng)的系統(tǒng)等值電抗標(biāo)幺值。

 

    按以上設(shè)計考慮，一臺220kV/120MVA普通三卷變壓器，取變壓器典型參數(shù)（高低壓阻抗比為22．4）計算可知：低壓側(cè)能夠承受的熱穩(wěn)定電流標(biāo)幺值約為0．51。當(dāng)兩臺這樣的變壓器并列運行，低壓側(cè)母線故障本側(cè)分段開關(guān)跳開時，變壓器低壓繞組中可能的短路電流可達(dá)到0．75倍標(biāo)幺值，比設(shè)計值增大了近50％。若三臺這樣的變壓器并列運行，變耦變壓器，按技術(shù)規(guī)程［2］要求，裝設(shè)瓦斯保護(hù)、過激磁保護(hù)、雙重差動保護(hù)，同時在其高、中壓側(cè)均裝設(shè)了阻抗保護(hù)及零序方向電流保護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)過流保護(hù)。這些保護(hù)均作用于跳閘。高、中壓側(cè)的阻抗保護(hù)和低壓側(cè)過流保護(hù)屬變壓器的相間后備保護(hù)。由于500kV變壓器多為單相式變壓器，所以變壓器本體不會發(fā)生相間故障。在變壓器所連接的高、中壓系統(tǒng)中，線路保護(hù)一般配置了雙重縱聯(lián)保護(hù)，并有完整的后備保護(hù)，這樣線路的故障一般會較快地切除，對變壓器影響較小。因此，變壓器的相間后備保護(hù)應(yīng)主要在其各側(cè)母線故障時起作用，特別是中、低壓側(cè)母線的故障（500kV側(cè)母線設(shè)有雙套母差保護(hù)）。中、低壓母線故障流過變壓器的短路電流大，不僅引起變壓器繞組過熱，還可能造成繞組的動穩(wěn)定破壞，誘發(fā)嚴(yán)重的內(nèi)部故障。零序方向電流保護(hù)屬變壓器的接地故障后備保護(hù)，可以反應(yīng)變壓器內(nèi)部、高中壓側(cè)母線及與高中壓母線鄰近的電氣設(shè)備的接地故障。

 

    2、220kV及以下變壓器

 

    220kV變壓器多為三相式三卷變壓器，按技術(shù)規(guī)程要求，一般裝設(shè)瓦斯保護(hù)、差動保護(hù)，同時在其高、中壓側(cè)均裝設(shè)了復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)及零序方向過電流保護(hù)與間隙保護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)。各側(cè)復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)及零序方向過電流保護(hù)綜合，可以反應(yīng)變壓器內(nèi)部、各側(cè)母線及母線鄰近的電氣設(shè)備的接地與相間故障，作為變壓器自身主保護(hù)及各側(cè)母線及母線鄰近的電氣設(shè)備的后備保護(hù)。110kV及以下變壓器一般裝設(shè)瓦斯保護(hù)（對油浸式變壓器）、差動保護(hù)，110kV側(cè)零序過電流保護(hù)、間隙保護(hù)及各側(cè)過流保護(hù)或復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)，這些保護(hù)的作用與220kV變壓器的作用相似。

 

    3、可能考驗變壓器熱穩(wěn)定性的故障

 

    1）500kV變壓器

 

    由于變壓器自身主保護(hù)裝置及其交、直流回路的完全雙重化配置，應(yīng)可以不再考慮變壓器差動保護(hù)范圍內(nèi)故障對變壓器熱穩(wěn)定性的考驗。500kV系統(tǒng)母線、線路保護(hù)的完全雙重化配置，快速保護(hù)在保護(hù)范圍上的交叉布置，及完善的失靈保護(hù)，筆者認(rèn)為可以不考慮500kV系統(tǒng)側(cè)故障對變壓器熱穩(wěn)定性的考驗。

 

    220kV系統(tǒng)側(cè)線路保護(hù)雙重化配置，母線保護(hù)目前多為單配置。因此，當(dāng)母差保護(hù)校驗停運或故障拒動時，變壓器只能靠其后備保護(hù)動作使其脫離故障點。變壓器開關(guān)（或轉(zhuǎn)帶時旁路開關(guān)）與TA間的故障很可能靠變壓器后備保護(hù)脫離故障點。

 

    變壓器低壓側(cè)一般經(jīng)由母線帶站用變、電抗器及電容器，有的變電站可能帶較少的站外負(fù)荷。很多站低壓母線未配母差保護(hù)，因此母線故障變壓器只能靠其后備保護(hù)動作使其脫離故障點；再者，當(dāng)站用變或電抗器及電容器故障而其開關(guān)或保護(hù)拒動時，變壓器也要靠其后備保護(hù)動作使其脫離故障點。

 

    2）220kV及以下變壓器

 

    對于兩側(cè)系統(tǒng)都有電源的聯(lián)絡(luò)變壓器：任何一側(cè)母差保護(hù)校驗停運或故障拒動時；變壓器開關(guān)與TA間故障時；旁路轉(zhuǎn)帶方式在主變套管TA至旁母引線、旁路母線、旁路開關(guān)與TA間故障時；母線（220kV母線除外）上其他開關(guān)所帶電氣設(shè)備故障而其開關(guān)或保護(hù)拒動時變壓器只能靠其后備保護(hù)動作使其脫離故障點。

 

    對于僅高壓側(cè)系統(tǒng)有電源的降壓變壓器：中、低側(cè)母差保護(hù)校驗停運或故障拒動時；中、低壓側(cè)變壓器開關(guān)與TA間故障時；中、低壓側(cè)母線上其他開關(guān)所帶電氣設(shè)備故障而其開關(guān)或保護(hù)拒動時變壓器只能靠其后備保護(hù)動作使其脫離故障點。

 

    4、變壓器相間后備保護(hù)的配置與整定

 

    變壓器接地故障保護(hù)定值與其所帶負(fù)荷的關(guān)系不大，因此接地故障后備保護(hù)的整定延時一般較短，能夠滿足2s的熱穩(wěn)定時間要求。在此僅關(guān)心變壓器相間后備保護(hù)的定值問題。

 

    1）整定規(guī)程要求

 

    變壓器各側(cè)的過電流保護(hù)均按躲變壓器額定負(fù)荷整定，但不作為短路保護(hù)的一級參與選擇性配合，其動作時間應(yīng)大于所有出線保護(hù)的最長時間。

 

    變壓器短路故障后備保護(hù)應(yīng)主要作為相鄰元件及變壓器內(nèi)部故障的后備保護(hù)。主電源側(cè)的變壓器相間短路后備保護(hù)主要作為變壓器內(nèi)部故障的后備保護(hù)。其它各側(cè)的后備保護(hù)主要作為本側(cè)引線、本側(cè)母線和相鄰線路的后備保護(hù)，并盡可能當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時起后備作用。以較短時限動作于縮小故障影響范圍，以較長時限動作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。

 

    主電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)變壓器的短路故障后備保護(hù)整定：高（中）壓側(cè)（主電源側(cè)）相間短路后備保護(hù)動作方向可指向變壓器，作為變壓器高（中）壓側(cè)繞組及對側(cè)母線相間短路故障的后備保護(hù)，并對中（高）壓側(cè)母線故障有足夠的靈敏度，靈敏系數(shù)大于1．5；如采用阻抗保護(hù)作為后備保護(hù)，且不裝設(shè)振蕩閉鎖回路，則其動作時間應(yīng)躲過系統(tǒng)振蕩周期，其反方向偏移阻抗部分作為本側(cè)母線故障的后備保護(hù)。

 

    供電變電所降壓變壓器的短路故障后備保護(hù)整定：高壓側(cè)（主電源側(cè)）相間短路后備保護(hù)動作方向指向變壓器，對中壓側(cè)母線故障有足夠靈敏度。

 

    2） 500kV變壓器的保護(hù)

 

    當(dāng)220kV側(cè)母差保護(hù)校驗停運或故障拒動及開關(guān)與TA間故障時，變壓器高壓側(cè)及本側(cè)的阻抗保護(hù)對于金屬性短路故障應(yīng)能可靠動作，且保護(hù)整定延時可以在1．5～2．0s之間。如果短路為非金屬性的，經(jīng)弧光短路時，阻抗保護(hù)可能靈敏度不足或整定延時長于2．0s。最好在本側(cè)設(shè)一個保變壓器熱穩(wěn)定的反時限過流保護(hù)，其整定值應(yīng)由變壓器的熱穩(wěn)定要求決定。如果只設(shè)一個電壓閉鎖定時限的過流保護(hù)，則其電流定值應(yīng)保證在變壓器本側(cè)流過的電流接近熱穩(wěn)定電流時可靠動作，如整定為0．8倍的設(shè)計允許熱穩(wěn)定電流值（主要考慮TA和保護(hù)裝置本身的測量誤差），且使變壓器脫離故障點動作延時不長于2．0s。問題是當(dāng)實際故障電流略小于保護(hù)定值時，保護(hù)將不能動作使變壓器脫離故障點，故障電流仍有可能在較長的時間內(nèi)造成變壓器熱穩(wěn)定的破壞。所以，還需要有一個延時較長（如3．0～5．0s），動作值更小的電壓閉鎖過流保護(hù)。筆者認(rèn)為：220kV側(cè)母差保護(hù)雙重化配置，并合理設(shè)計失靈保護(hù)，由它們共同實現(xiàn)使變壓器快速脫離故障點，也應(yīng)是較好的方案。（220kV母差保護(hù)直接跳變壓器各側(cè)開關(guān)，雖也可解決開關(guān)與TA間故障及母線故障變壓器該側(cè)開關(guān)拒動的問題，但在多數(shù)情況下多跳了開關(guān)，在一些情況下還可能導(dǎo)致500kV另一元件停電。）

 

    變壓器低壓側(cè)一般采用三角形接線，高、中壓側(cè)的阻抗保護(hù)很可能對低壓側(cè)短路起不到保護(hù)作用［4］。因此，變壓器低壓側(cè)的電壓閉鎖過流保護(hù)多重化配置，才可以保證在任何情況下運行設(shè)備都由兩套交、直流輸入和輸出回路相互獨立，并分別控制不同斷路器的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。單相式500kV變壓器的低壓側(cè)設(shè)有套管TA，可測量到變壓器低壓側(cè)各相線圈流過的電流。在近低壓側(cè)斷路器處還設(shè)有外附TA。這樣的TA布局方便了低壓側(cè)保護(hù)多重化的交流電流回路接線要求，可將過流保護(hù)分別接于套管TA和外附TA。在保護(hù)裝置設(shè)計和制造時，要做到過流各有自身的直流逆變電源和出口跳閘繼電器。在二次回路設(shè)計時，要做到使它們的直流電源受不同的熔斷器控制，其中一套保護(hù)的直流熔斷器熔斷時不影響其他過流保護(hù)的正常運行。在保護(hù)出口所跳斷路器的設(shè)計中，應(yīng)滿足既有跳低壓側(cè)斷路器的保護(hù)段，又有跳變壓器各側(cè)斷路器的保護(hù)段。實際計算表明：此過流保護(hù)應(yīng)能保證對低壓母線的故障有足夠的靈敏度且動作時間在1．0s以內(nèi)。

 

    3）220kV聯(lián)絡(luò)變壓器的保護(hù)

 

    一般中壓側(cè)的電源較弱（不以中壓側(cè)的電壓等級為主網(wǎng)架的電網(wǎng)），高壓側(cè)故障時流過變壓器的故障電流遠(yuǎn)小于中、低壓側(cè)故障時流過的電流，應(yīng)重點考慮中、低壓側(cè)相關(guān)設(shè)備短路時對變壓器熱穩(wěn)定性的影響。

 

    變壓器低壓側(cè)：過流保護(hù)對于未裝設(shè)母差的低壓側(cè)母線，應(yīng)是此母線故障的主保護(hù)；裝設(shè)了母差的低壓側(cè)母線，主變開關(guān)與TA間的故障（TA未在開關(guān)近母線側(cè)時）也只能靠后備保護(hù)切除；作為出線保護(hù)的后備?；诹硗鈨蓚?cè)并列運行及故障時分段開關(guān)跳閘的因素，低壓側(cè)過流保護(hù)切除故障的時間不僅要不大于2．0s，而且要盡量壓縮到更短的時間。實際運行中定值整定的可行性取決于低壓側(cè)是否有送出線路。低壓側(cè)為10kV的變壓器，其出線一般直供用戶，出線保護(hù)延時應(yīng)限制在1s，主變低壓側(cè)過流保護(hù)的延時可控制在2s內(nèi)。低壓側(cè)為35kV的變壓器均有送出線路，此線路帶下一級變電站，因此，此線路保護(hù)的延時按正常配合一般要長于1．5s，這就使得主變低壓側(cè)過流保護(hù)的整定延時大于2s。若將主變低壓側(cè)過流保護(hù)的延時整定為2s，必然與出線后備保護(hù)失配，有越級跳閘的可能。需要增加與出線保護(hù)限時電流速斷配合的變壓器低壓側(cè)短路過流保護(hù)，綜合考慮有配合關(guān)系的保護(hù)定值，提高保護(hù)的速動性和選擇性。此短路過流保護(hù)應(yīng)有跳變壓器各側(cè)的功能。

 

    變壓器中壓側(cè)：使本側(cè)相間后備保護(hù)動作時間不大于2s應(yīng)該說有很大的困難。在現(xiàn)有按躲變壓器負(fù)荷電流整定的過流保護(hù)整定原則不變的情況下，增加一段短路保護(hù)過流定值。為了壓縮動作時間，可考慮與出線的阻抗II段配合，但要求此II段應(yīng)對本線及相鄰的下一級線路故障有靈敏度，聯(lián)絡(luò)線的阻抗II段因有電源的助增很難滿足此要求。因此，變壓器本側(cè)電流定值應(yīng)躲過出線阻抗II段保護(hù)范圍末端的短路。對于輻射線可考慮與出線的阻抗II段配合（II段應(yīng)對本線及相鄰的下一級線路故障有靈敏度），躲過出線相聯(lián)變電站其他側(cè)母線短路流過本變壓器的故障電流。短路過流保護(hù)動作后先跳本側(cè)母聯(lián)再跳變壓器本側(cè)開關(guān)最后跳各側(cè)。實際系統(tǒng)試算表明，在變壓器并列運行、系統(tǒng)有檢修時此保護(hù)對本側(cè)母線兩相短路的靈敏度難以達(dá)到1．5的要求?？梢钥紤]增加負(fù)序電流保護(hù)以提高兩相短路的靈敏度，但綜合考慮各種短路的需求，最好還是在本側(cè)設(shè)一個保變壓器熱穩(wěn)定的反時限過流保護(hù)，其整定值應(yīng)由變壓器的熱穩(wěn)定要求決定。

 

    變壓器高壓側(cè)：作為主電源的短路過流保護(hù)應(yīng)作為變壓器中、低壓側(cè)故障的后備保護(hù)。在中、低壓側(cè)故障但保護(hù)拒動或開關(guān)拒動時，高壓側(cè)過流保護(hù)應(yīng)動作切除故障，并與中、低壓的短路過流段配合，但對中、低壓側(cè)故障可能靈敏度不足，在220kV變壓器保護(hù)微機(jī)化并實現(xiàn)雙重配置，且中、低壓側(cè)過流都具有滿足延時要求并跳三側(cè)的保護(hù)段后，高壓側(cè)過流可不做嚴(yán)格要求。高壓側(cè)母線故障時，流過變壓器繞組的電流一般較中、低壓側(cè)故障時小，變壓器熱穩(wěn)定允許的情況下，由按躲額定負(fù)荷電流整定的過流保護(hù)動作（延時在5s左右）使變壓器脫離故障。

 

    4）220kV及以下僅高壓側(cè)有電源的變壓器保護(hù)

 

    只考慮變壓器中、低壓側(cè)相關(guān)設(shè)備短路時對變壓器熱穩(wěn)定性的影響。變壓器低壓側(cè)：應(yīng)與聯(lián)變低壓側(cè)的保護(hù)相同。變壓器中壓側(cè)：增加一段短路保護(hù)過流定值，可考慮與出線的阻抗II段配合（II段應(yīng)對本線及相鄰的下一級線路故障有靈敏度），躲過出線相聯(lián)變電站其他側(cè)母線短路流過本變壓器的故障電流，確保變壓器的熱穩(wěn)定，其動作后先跳母聯(lián)再跳變壓器各側(cè)。對于多級串供的線路保護(hù)要做好保護(hù)定值的綜合考慮，盡量減少不配合。此短路過流保護(hù)若在某方式下對中壓側(cè)母線靈敏度不足時，應(yīng)核算此時流過變壓器的故障電流是否允許持續(xù)到按躲變壓器負(fù)荷電流整定的過流保護(hù)動作。

 

    變壓器高壓側(cè)：與聯(lián)絡(luò)變類似，作為變壓器中、低壓側(cè)故障的后備保護(hù)。也可增加一段短路過流保護(hù)，與中、低壓的短路過流段配合。在中、低壓側(cè)故障但保護(hù)拒動或開關(guān)拒動時，高壓側(cè)過流保護(hù)動作切除故障。以保大容量主設(shè)備安全為首，并盡量兼顧對用戶供電可靠性的原則。盡可能將不配合點靠近用戶，使保護(hù)越級動作造成的影響范圍盡量縮小。重要用戶負(fù)荷可以考慮用備投方式解決供電可靠性。

 

    5、建議

 

    1）變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，設(shè)計、制造及運行各環(huán)節(jié)都應(yīng)注意其安全性。其動、熱穩(wěn)定性的設(shè)計應(yīng)充分考慮變壓器是否并列運行，并列運行的臺數(shù)，幾側(cè)有電源及電網(wǎng)中性點接地方式等要求。

 

    2）為了確保變壓器運行中承受故障的熱穩(wěn)定性，制造廠應(yīng)提供變壓器繞組流過故障電流大小與允許時間的關(guān)系曲線，類似于發(fā)電機(jī)允許承受負(fù)序的A值要求。

 

    3）變壓器保護(hù)的配置與整定時，應(yīng)根據(jù)制造廠提供的變壓器繞組流過故障電流大小與允許時間的關(guān)系曲線配置與之相適應(yīng)的保護(hù)。

 

    4）變壓器差動保護(hù)的范圍應(yīng)包括低壓側(cè)開關(guān)，使低壓側(cè)開關(guān)與TA間的故障不對變壓器的熱穩(wěn)定構(gòu)成威脅。

 

    5）變壓器保護(hù)應(yīng)盡可能實現(xiàn)微機(jī)化，可以有較多的過流保護(hù)段，使各側(cè)的過流保護(hù)能有相對較快的延時段跳變壓器各側(cè)開關(guān)，特別是中、低壓側(cè)保護(hù)跳變壓器各側(cè)開關(guān)的保護(hù)段有利于變壓器盡快脫離故障點。

 

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