電力變壓器運(yùn)行的安全與繼電保護(hù)

1、電力變壓器運(yùn)行的安全與繼電保護(hù)    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(dòng)保護(hù)動(dòng)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(dòng)保護(hù)動(dòng)作切除變壓器。速動(dòng)保護(hù)(瓦斯和差動(dòng))無延時(shí)動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(dòng)時(shí)，則只能靠變壓器后備保護(hù)動(dòng)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(shí)動(dòng)作，所以變壓器必然要承受一定時(shí)間段內(nèi)的區(qū)外故障造成的過

2、電流，在此時(shí)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。2變壓器設(shè)計(jì)熱穩(wěn)定指標(biāo)文獻(xiàn)1中要求“對(duì)稱短路電流I的持續(xù)時(shí)間：當(dāng)使用部門未提出其它要求時(shí)，用于計(jì)算承受短路耐熱能力的電流I的持續(xù)時(shí)間為2s。注：對(duì)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(shí)間可以小于2s?！卑匆陨显O(shè)計(jì)考慮，一臺(tái)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(jì)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(tái)這樣的變壓器并列運(yùn)行，低壓側(cè)母線故障本側(cè)

3、分段開關(guān)跳開時(shí)，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(jì)值增大了近50%。若三臺(tái)這樣的變壓器并列運(yùn)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(dòng)保護(hù)，同時(shí)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500 kV變壓器多為單相式變壓器，所以變壓器本體不會(huì)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(huì)較快地切除，對(duì)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

4、障時(shí)起作用，特別是中、低壓側(cè)母線的故障(500 kV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(dòng)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。3 220kV及以下變壓器220 kV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(dòng)保護(hù)，同時(shí)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)

5、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)。110 kV及以下變壓器一般裝設(shè)瓦斯保護(hù)(對(duì)油浸式變壓器)、差動(dòng)保護(hù)，110 kV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220 kV變壓器的作用相似。4可能考驗(yàn)變壓器熱穩(wěn)定性的故障4.1500kV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(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)故障對(duì)變壓器熱穩(wěn)定性的考驗(yàn)。500 kV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500 kV系統(tǒng)

6、側(cè)故障對(duì)變壓器熱穩(wěn)定性的考驗(yàn)。220 kV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(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)時(shí)，變壓器只能靠其后備保護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn)。變壓器開關(guān)(或轉(zhuǎn)帶時(shí)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(diǎn)。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(dòng)作使其脫離故障點(diǎn);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(dòng)時(shí)，變壓器也要靠其后備保護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn)。4.2220kV及以下變壓器對(duì)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(yàn)停運(yùn)或

7、故障拒動(dòng)時(shí);變壓器開關(guān)與TA間故障時(shí);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(shí);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(dòng)時(shí)變壓器只能靠其后備保護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn)。對(duì)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(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)時(shí);中、低壓側(cè)變壓器開關(guān)與TA間故障時(shí);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(dòng)時(shí)變壓器只能靠其后備保護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn)。5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(shí)一般較短，能夠滿足2 s的熱穩(wěn)定時(shí)間要求。在此僅關(guān)心變壓

8、器相間后備保護(hù)的定值問題。5.1整定規(guī)程要求220500 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程中要求3：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(jí)參與選擇性配合，其動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于所有出線保護(hù)的最長時(shí)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(shí)起后備作用。以較短時(shí)限動(dòng)作于縮小故障影響范圍，以較長時(shí)限動(dòng)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)

9、)相間短路后備保護(hù)動(dòng)作方向可指向變壓器，作為變壓器高(中)壓側(cè)繞組及對(duì)側(cè)母線相間短路故障的后備保護(hù)，并對(duì)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(dòng)作時(shí)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(dòng)作方向指向變壓器，對(duì)中壓側(cè)母線故障有足夠靈敏度。5.2500kV變壓器的保護(hù)當(dāng)220kV側(cè)母差保護(hù)校驗(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)及開關(guān)與TA間故障時(shí)，變壓器高壓側(cè)及本側(cè)的阻抗保護(hù)對(duì)于金屬性短路故障應(yīng)能可靠動(dòng)作，且保護(hù)整定延時(shí)可以在1.52.0

10、 s之間。如果短路為非金屬性的，經(jīng)弧光短路時(shí)，阻抗保護(hù)可能靈敏度不足或整定延時(shí)長于2.0 s。最好在本側(cè)設(shè)一個(gè)保變壓器熱穩(wěn)定的反時(shí)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(gè)電壓閉鎖定時(shí)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(shí)可靠動(dòng)作，如整定為0.8倍的設(shè)計(jì)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(diǎn)動(dòng)作延時(shí)不長于2.0 s。問題是當(dāng)實(shí)際故障電流略小于保護(hù)定值時(shí)，保護(hù)將不能動(dòng)作使變壓器脫離故障點(diǎn)，故障電流仍有可能在較長的時(shí)間內(nèi)造成變壓器熱穩(wěn)定的破壞。所以，還需要有一個(gè)延時(shí)較長(如3.05.0s)，動(dòng)作值更小的電壓閉

11、鎖過流保護(hù)。筆者認(rèn)為：220 kV側(cè)母差保護(hù)雙重化配置，并合理設(shè)計(jì)失靈保護(hù)，由它們共同實(shí)現(xiàn)使變壓器快速脫離故障點(diǎn)，也應(yīng)是較好的方案。(220 kV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(dòng)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500 kV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(duì)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(yùn)行設(shè)備都由兩套交、直流輸入和輸出回路相互獨(dú)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500 kV變壓器的低壓側(cè)設(shè)有

12、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(jì)和制造時(shí)，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(jì)時(shí)，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(shí)不影響其他過流保護(hù)的正常運(yùn)行。在保護(hù)出口所跳斷路器的設(shè)計(jì)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(shí)際計(jì)算表明：此過流保護(hù)應(yīng)能保證對(duì)低壓母線的故障有足夠的靈敏度且動(dòng)作時(shí)間在1.0 s以內(nèi)。5.3220kV聯(lián)絡(luò)變壓器的保護(hù)一般

13、中壓側(cè)的電源較弱(不以中壓側(cè)的電壓等級(jí)為主網(wǎng)架的電網(wǎng))，高壓側(cè)故障時(shí)流過變壓器的故障電流遠(yuǎn)小于中、低壓側(cè)故障時(shí)流過的電流，應(yīng)重點(diǎn)考慮中、低壓側(cè)相關(guān)設(shè)備短路時(shí)對(duì)變壓器熱穩(wěn)定性的影響。變壓器低壓側(cè)：過流保護(hù)對(duì)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(shí))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(yùn)行及故障時(shí)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(shí)間不僅要不大于2.0 s，而且要盡量壓縮到更短的時(shí)間。實(shí)際運(yùn)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10 kV的變壓器，其出線一般直供用戶，出

14、線保護(hù)延時(shí)應(yīng)限制在1 s，主變低壓側(cè)過流保護(hù)的延時(shí)可控制在2 s內(nèi)。低壓側(cè)為35 kV的變壓器均有送出線路，此線路帶下一級(jí)變電站，因此，此線路保護(hù)的延時(shí)按正常配合一般要長于1.5 s，這就使得主變低壓側(cè)過流保護(hù)的整定延時(shí)大于2 s。若將主變低壓側(cè)過流保護(hù)的延時(shí)整定為2 s，必然與出線后備保護(hù)失配，有越級(jí)跳閘的可能。需要增加與出線保護(hù)限時(shí)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(dòng)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(dòng)作時(shí)間不大于2 s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

15、下，增加一段短路保護(hù)過流定值。為了壓縮動(dòng)作時(shí)間，可考慮與出線的阻抗II段配合，但要求此II段應(yīng)對(duì)本線及相鄰的下一級(jí)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(duì)于輻射線可考慮與出線的阻抗II段配合(II段應(yīng)對(duì)本線及相鄰的下一級(jí)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(dòng)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(shí)際系統(tǒng)試算表明，在變壓器并列運(yùn)行、系統(tǒng)有檢修時(shí)此保護(hù)對(duì)本側(cè)母線兩相短路的靈敏度難以達(dá)到1.5的要求。可以考慮增加負(fù)序電流保護(hù)以提高兩相短路的靈敏度，但

16、綜合考慮各種短路的需求，最好還是在本側(cè)設(shè)一個(gè)保變壓器熱穩(wěn)定的反時(shí)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(dòng)或開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，高壓側(cè)過流保護(hù)應(yīng)動(dòng)作切除故障，并與中、低壓的短路過流段配合，但對(duì)中、低壓側(cè)故障可能靈敏度不足，在220 kV變壓器保護(hù)微機(jī)化并實(shí)現(xiàn)雙重配置，且中、低壓側(cè)過流都具有滿足延時(shí)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(shí)，流過變壓器繞組的電流一般較中、低壓側(cè)故障時(shí)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(dòng)作(延時(shí)在5 s左右)使變壓

17、器脫離故障。5.4220kV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(shí)對(duì)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(duì)本線及相鄰的下一級(jí)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(dòng)作后先跳母聯(lián)再跳變壓器各側(cè)。對(duì)于多級(jí)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(duì)中壓側(cè)母線靈敏度不足時(shí)，應(yīng)核算此時(shí)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(dòng)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(dòng)或開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，高壓側(cè)過流保護(hù)動(dòng)作切除故障。 以保大容量主設(shè)備安全為首，并盡量兼顧對(duì)用戶供電可靠性的原則。盡可能將不配合點(diǎn)靠近用戶，使保護(hù)越級(jí)動(dòng)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。6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(jì)、制造及運(yùn)行各環(huán)節(jié)都應(yīng)注意其安全性。其動(dòng)、熱穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮變壓器是否并列運(yùn)行，并列運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，幾側(cè)有電源及