電力變壓器運行安全與繼電保護

電力變壓器運行安全與繼電保護

1電力變壓器的故障分為內部和外部詼種故障。內部故障指變壓器

油箱里面發(fā)生的各種故障，主要靠瓦斯和差動愛護動作切除變壓器；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

下由差動愛護動作切除變壓器。速動愛護（瓦斯和差動）無延時動作切

除故障變壓器，裝備是否損壞主要取決于變壓器的動穩(wěn)定性。而在變壓

器各側母線及其相連間隔的引出裝備故障時，若故障裝備未配愛護（如

低壓側母線愛護）或愛護拒動時，則只能靠變壓器后備愛護動作跳開相

應開關使變壓器脫離故障。因后備愛護帶延時動作，所以變壓器必定要

承受肯定時間段內的區(qū)外故障造成的過電流，在此時間段內變壓器是

否損壞主要取決于變壓器的熱穩(wěn)定性。因此，變壓器后備愛護的定值整

定與變壓器自身的熱穩(wěn)定要求之間存在著必定的聯(lián)系。

2變壓器設計熱穩(wěn)定指標

文獻［1］中要求“對稱短路電流I的持續(xù)時間：當運用部門未提出其

它要求時，用于計算承受短路耐熱力量的電流I的持續(xù)時間為2so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，經制造廠與

運用部門協(xié)商后，采納的短路電流持續(xù)時間可以小于2s?！?/p>

按以上設計考慮，一臺220kV/120MVA一般三卷變壓器，取變壓

器典型參數(shù)（上下壓阻抗比為22.4）計算可知：低壓側能夠承受的熱穩(wěn)

定電流標幺值約為0.51。當兩臺這樣的變壓器并列運行，低壓側母線

1

故障本側分段開關跳開時，變壓器低壓繞組中可能的短路電流可到達

0.75倍標幺值，比設計值增大了近50%o若三臺這樣的變壓器并列運

行，變耦變壓器，按技術規(guī)程⑵要求，裝設瓦斯愛護、過激磁愛護、雙

重差動愛護，同時在其高、中壓側均裝設了阻抗愛護及零序方向電流愛

護，低壓側裝設過流愛護。這些愛護均作用于跳閘。高、中壓側的阻抗

愛護和低壓側過流愛護屬變壓器的相間后備愛護。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。在變壓器所聯(lián)

結的高、中壓系統(tǒng)中，線路愛護一般配置了雙重縱聯(lián)愛護，并有完好的

后備愛護，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，變壓器的相間后備愛護應主要在其各側母線故障時起作用，特別是

中、低壓側母線的故障（500kV側母線設有雙套母差愛護）。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)嚴峻的內部故障。零序方向電流愛護屬變

壓器的接地故障后備愛護，可以反應變壓器內部、高中壓側母線及與高

中壓母線鄰近的電氣裝備的接地故障。

3220kV及以下變壓器

220kV變壓器多為三相式三卷變壓器，按技術規(guī)程要求，一般裝設

瓦斯愛護、差動愛護，同時在其高、中壓側均裝設了復合電壓閉鎖過流

愛護及零序方向過電流愛護與間隙愛護，低壓側裝設復合電壓閉鎖過

流愛護。各側復合電壓閉鎖過流愛護及零序方向過電流愛護綜合，可以

2

反應變壓器內部、各側母線及母線鄰近的電氣裝備的接地與相間故障，

作為變壓器自身主愛護及各側母線及母線鄰近的電氣裝備的后備愛護。

HOkV及以下變壓器一般裝設瓦斯愛護（對油浸式變壓器）差動愛護，

HOkV側零序過電流愛護、間隙愛護及各側過流愛護或復合電壓閉鎖

過流愛護，這些愛護的作用與220kV變壓器的作用相像。

4可能考驗變壓器熱穩(wěn)定性的故障

4.1500kV變壓器

由于變壓器自身主愛護裝置及其交、直流回路的完全雙重化配置，

應可以不再考慮變壓器差動愛護范圍內故障對變壓器熱穩(wěn)定性的考驗。

5OOkV系統(tǒng)母線、線路愛護的完全雙重化配置，快速愛護在愛護范圍上

的交叉布置，及完善的失靈愛護，筆者認為可以不考慮5OOkV系統(tǒng)側

故障對變壓器熱穩(wěn)定性的考驗。

220kV系統(tǒng)側線路愛護雙重化配置，母線愛護目前多為單配置。因

此，當母差愛護校驗停運或故障拒動時，變玉器只能靠其后備愛護動作

使其脫離故障點。變壓器開關（或轉帶時旁路開關）與TA間的故障很

可能靠變壓器后備愛護脫離故障點。

變壓器低壓側一般經由母線帶站用變、電抗器及電容器，有的變電

站可能帶較少的站外負荷。許多站低壓母線未配母差愛護，因此母線故

障變壓器只能靠其后備愛護動作使其脫離故障點；再者，當站用變或電

3

變壓器各側的過電流愛護均按躲變壓器額定負荷整定，但不作為

短路愛護的一級參與選擇性協(xié)作，其動作時間應大于全部出線愛護的

最長時間。

變壓器短路故障后備愛護應主要作為相鄰元件及變壓器內部故障

的后備愛護。主電源側的變壓器相間短路后備愛護主要作為變壓器內

部故障的后備愛護。其它各側的后備愛護主要作為本側引線、本側母線

和相鄰線路的后備愛護，并盡可能當變壓器內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

側斷路器。

主電網間聯(lián)絡變壓器的短路故障后備愛護整定：高（中）壓側（主

電源側）相間短路后備愛護動作方向可指向變壓器，作為變壓器高（中）

壓側繞組及對側母線相間短路故障的后備愛護，并對中（高）壓側母線

故障有充足的靈敏度，靈敏系數(shù)大于1.5；如采納阻抗愛護作為后備愛

護，且不裝設振蕩閉鎖回路，則其動作時間應躲過系統(tǒng)振蕩周期，其反

方向偏移阻抗部分作為本側母線故障的后備愛護。

供電變電所降壓變壓器的短路故障后備愛護整定：高壓側（主電源

側）相間短路后備愛護動作方向指向變壓器，對中壓側母線故障有充足

靈敏度。

5.2500kV變壓器的愛護

5

當220kV側母差愛護校驗停運或故障拒動及開關與TA間故障時,

變壓器高壓側及本側的阻抗愛護對于金屬性短路故障應能牢靠動作，

且愛護整定延時可以在1.5?2.0s之間。假如短路為非金屬性的，經弧

光短路時，阻抗愛護可能靈敏度缺乏或整定延時長于2.0s。最好在本側

設一個保變壓器熱穩(wěn)定的反時限過流愛護，其整定值應由變壓器的熱

穩(wěn)定要求確定。假如只設一個電壓閉鎖定時限的過流愛護，則其電流定

值應保證在變壓器本側流過的電流接近熱穩(wěn)定電流時牢靠動作，如整

定為（）.8倍的設計答應熱穩(wěn)定電流值（主要考慮TA和愛護裝置本身的

測量誤差），且使變壓器脫離故障點動作延時不長于2.0s。問題是當實

際故障電流略小于愛護定值時，愛護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愛護。

筆者認為：220kV側母差愛護雙重化配置，并合理設計失靈愛護，由它

們共同完成使變壓器快速脫離故障點，也應是較好的方案。（220kV母

差愛護直接跳變壓器各側開關，雖也可解決開關與TA間故障及母線故

障變壓器該側開關拒動的問題，但在多數(shù)情況下多跳了開關，在一些情

況下還可能導致500kV另一元件停電。）

變壓器低壓側一般采納三角形接線，高、中壓側的阻抗愛護很可能

對低壓側短路起不到愛護作用［4］。因此，變壓器低壓側的電壓閉鎖過

流愛護多重化配置，才可以保證在任何情況下運行裝備都由兩套交、直

流輸入和輸出回路互相獨立，并分別掌握不同斷路器的繼電愛護裝置

6

進行愛護。單相式500kV變壓器的低壓側設有套管TA,可測量到變壓

器低壓側各相線圈流過的電流。在近低壓側斷路器處還設有外附TAo

這樣的TA布局便利了低壓側愛護多重化的溝通電流回路接線要求，可

將過流愛護分別接于套管TA和外附TAo在愛護裝置設計和制造時，

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

設計時，要做到使它們的直流電源受不同的熔斷器掌握，其中一套愛護

的直流熔斷器熔斷時不影響其他過流愛護的正常運行。在愛護出口所

跳斷路器的設計中，應滿意既有跳低壓側斷路器的愛護段，又有跳變壓

器各側斷路器的愛護段。實際計算說明：此過流愛護應能保證對低壓母

線的故障有充足的靈敏度且動作時間在1.0s以內。

5.3220kV聯(lián)絡變壓器的愛護

一般中壓側的電源較弱（不以中壓側的電壓等級為主網架的電網）,

高壓側故障時流過變壓器的故障電流遠小于中、低壓側故障時流過的

電流，應重點考慮中、低壓側相關裝備短路時對變壓器熱穩(wěn)定性的影響。

變壓器低壓側：過流愛護對于未裝設母差的低壓側母線，應是此母

線故障的主愛護；裝設了母差的低壓側母線，主變開關與TA間的故障

（TA未在開關近母線側時）也只能靠后備愛護切除；作為出線愛護的

后備。基于另外兩側并列運行及故障時分段開關跳閘的因素，低壓側過

流愛護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是否有送出線路。低

7

壓側為l()kV的變壓器，其出線一般直供用戶，出線愛護延時應限制在

1s,主變低壓側過流愛護的延時可掌握在2s內。低壓側為35kV的變

壓器均有送出線路，此線路帶下一級變電站，因此，此線路愛護的延時

按正常協(xié)作一般要長于1.5s,這就使得主變低壓側過流愛護的整定延

時大于2s。若將主變低壓側過流愛護的延時整定為2s,必定與出線后

備愛護失配，有越級跳閘的可能。需要增加與出線愛護限時電流速斷協(xié)

作的變壓器低壓側短路過流愛護，綜合考慮有協(xié)作關系的愛護定值，提

高愛護的速動性和選擇性。此短路過流愛護應有跳變壓器各側的功能。

變壓器中壓側：使本側相間后備愛護動作時間不大于2s應當說有

很大的困難。在現(xiàn)有按躲變壓器負荷電流整定的過流愛護整定原則不

變的情況下，增加一段短路愛護過流定值。為了壓縮動作時間，可考慮

與出線的阻抗II段協(xié)作，但要求此II段應對本線及相鄰的下一級線路

故障有靈敏度，聯(lián)絡線的阻抗II段因有電源的助增很難滿意此要求。

因此，變壓器本側電流定值應躲過出線阻抗II段愛護范圍末端的短路。

對于輻射線可考慮與出線的阻抗II段協(xié)作(II段應對本線及相鄰的下

一級線路故障有靈敏度)，躲過出線相聯(lián)變電站其他側母線短路流過本

變用器的故障電流.短路過流愛護動作后先跳本側母聯(lián)再跳變樂器本

側開關最終跳各側。實際系統(tǒng)試算說明，在變壓器并列運行、系統(tǒng)有檢

修時此愛護對本側母線兩相短路的靈敏度難以到達1.5的要求。可以考

慮增加負序電流愛護以提高兩相短路的靈敏度，但綜合考慮各種短路

8

的需求，最好還是在本側設一個保變壓器熱穩(wěn)定的反時限過流愛護，其

整定值應由變壓器的熱穩(wěn)定要求確定。

變壓器高壓側：作為主電源的短路過流愛護應作為變壓器中、低壓

側故障的后備愛護。在中、低壓側故障但愛護拒動或開關拒動時，高壓

側過流愛護應動作切除故障，并與中、低壓的短路過流段協(xié)作，但對中、

低壓側故障可能靈敏度缺乏，在220kV變玉器愛護微機化并完成雙重

配置，且中、低壓側過流都具有滿意延時要求并跳三側的愛護段后，高

壓側過流可不做嚴格要求。高壓側母線故障時\流過變壓器繞組的電流

一般較中、低壓側故障時小，變壓器熱穩(wěn)定答應的情況下，由按躲額定

負荷電流整定的過流愛護動作（延時在5s左右）使變壓器脫離故障。

5.4220kV及以下僅高壓側有電源的變壓器愛護

只考慮變壓器中、低壓側相關裝備短路時對變壓器熱穩(wěn)定性的影

響。

變壓器低壓側：應與聯(lián)變低壓側的愛護相同。

變壓器中壓側：增加一段短路愛護過流定值，可考慮與出線的阻抗

II段協(xié)作（II段應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。對于多級串供的線路愛

護要做好愛護定值的綜合考慮，盡量削減不協(xié)作。此短路過流愛護若在

9

某方式下對中壓側母線靈敏度缺乏時，應核算此時流過變壓器的故障

電流是否答應持續(xù)到按躲變壓器負荷電流整定的過流愛護動作。

變壓器高壓側：與聯(lián)絡變類似，作為變