500kV主變重瓦斯動作原因分析

鄒奇烽

（河源供電局，廣東 河源517000）

0 引言

變壓器的瓦斯繼電器（也稱氣體繼電器）安裝在變壓器油箱與油枕（也稱儲油柜）之間的連通管上，是變壓器的主要保護元件。它可以反應變壓器內部的各種故障及異常運行情況，如油面下降、絕緣劣化擊穿、繞組匝間或層間短路、鐵芯故障、分接開關接觸不良等，具有動作靈敏迅速、結構接線簡單、維護檢修方便的優點。變壓器一般有2個瓦斯繼電器，一個是變壓器本體瓦斯繼電器，另一個是變壓器調壓開關瓦斯繼電器。

瓦斯繼電器有2個輸出觸點：一個反應變壓器內部的不正常情況或輕微故障，稱為“輕瓦斯”；另一個反應變壓器的嚴重故障，稱為“重瓦斯”。輕瓦斯動作于信號，使運行人員能夠迅速發現故障并及時處理；重瓦斯動作于跳開變壓器各側開關［1］，切斷變壓器電源。

2013年5月27日，天氣為雷雨天，某500kV變電站220kV某甲、乙雙回線同時發生B、C相間接地故障，主Ⅰ電流差動保護，主Ⅱ縱聯距離、縱聯零序方向保護動作，跳開兩線A、B、C三相開關，不啟動重合閘。緊接著＃3主變電氣量保護啟動，但未出口，＃3主變本體重瓦斯C相動作，跳開主變三側開關，聯跳35kV電抗器332及334。經現場檢查，＃3主變本體及相關一次設備外觀無異常，瓦斯繼電器內無氣體。初步判斷為變壓器流過較大穿越短路電流而引起本體重瓦斯繼電器動作。

此次事故中，＃3主變本體瓦斯繼電器為日本兵田計器工業株式會社制造的BR－1－415－3B型浮球式瓦斯繼電器。筆者結合此次事故對瓦斯保護動作的原因進行分析，并提出整改措施。

1 瓦斯繼電器動作原理

在此，以雙浮子瓦斯繼電器為例說明瓦斯繼電器的動作原理。

雙浮子瓦斯繼電器的保護功能共有3個：

（1）輕瓦斯動作（動作于信號）；

（2）重瓦斯動作（動作于跳閘）；

（3）低油面動作（與重瓦斯共用接點，動作于跳閘）。

1.1 輕瓦斯保護動作原理

輕瓦斯保護動作于信號，其動作值按氣體容積整定，整定值范圍200～300mL［2］。在正常運行情況下，瓦斯繼電器內部充滿變壓器油，輕瓦斯接點斷開。當變壓器內部發生缺陷而產生氣體時，這些氣體會沿著管道上升（變壓器頂蓋沿瓦斯繼電器方向應有1%～1.5%的升高坡度，連接管應有2%～4%的升高坡度［1］），聚集在瓦斯繼電器內并擠壓變壓器油，從而導致瓦斯繼電器內油面下降。隨著液面的下降，上浮子也一同下降。當上浮子下降到整定位置時，將帶動開關元件啟動報警信號。若氣體持續產生，那么這些氣體將會占滿瓦斯繼電器上部的所有空間，同時還會繼續向上流動并在油枕的集氣盒內積存，不過下浮子不會受此影響，位置將保持不動。輕瓦斯工作原理如圖1所示。

圖1 輕瓦斯工作原理圖

1.2 重瓦斯保護動作原理

重瓦斯保護動作于跳閘，多采用擋板式結構，其動作值根據油流速度整定，整定值范圍為1.5m／s±15%。當變壓器內部發生嚴重故障時，會產生強烈的瓦斯氣體，使油箱內壓力瞬時突增，從而向油枕方向產生壓力波流。壓力波流沖擊安裝在流動液體中的擋板，當流速超過擋板的動作靈敏度時，擋板會順壓力波流的方向運動，開關元件因此被啟動，接通跳閘回路使變壓器三側開關跳閘。重瓦斯工作原理如圖2所示。

圖2 重瓦斯工作原理圖

1.3 低油面動作原理

當變壓器發生滲漏，造成變壓器油流失時，上浮子會隨著油面的下降同時下沉，到達整定值時發出報警信號。當液體繼續流失，油枕、管道和瓦斯繼電器的變壓器油逐漸被排空，隨著油面的繼續下降，下浮子也下沉。通過下浮子的運動，帶動開關元件，接通跳閘回路使變壓器三側開關跳閘。低油面動作工作原理如圖3所示。

2 事故應急措施及原因分析

2.1 應急措施

根據《電力變壓器運行規程》中相關規定，瓦斯繼電器動作跳閘時，在查明原因消除故障前不得將變壓器投入運行。為查明原因應重點考慮以下因素，作出綜合判斷［3］：

圖3 低油面動作工作原理圖

（1）是否呼吸不暢或排氣未盡。

（2）保護及直流等二次回路是否正常。

（3）變壓器外觀有無明顯反映故障性質的異常現象。

（4）氣體繼電器中積聚的氣體是否可燃。

（5）氣體繼電器中氣體和油中溶解氣體的色譜分析結果。

（6）必要的電氣試驗結果。

（7）變壓器其他繼電保護裝置的動作情況。

因此，在＃3主變轉檢修后，對其開展了一、二次設備檢查和試驗，包括設備外觀檢查、瓦斯繼電器取氣、繞組變形測試、直流電阻試驗、油色譜分析試驗以及重瓦斯二次回路絕緣測試試驗等。檢查和試驗結果均正常，可以判斷變壓器本體內部無造成瓦斯繼電器動作的短路放電現象，故判斷此次主變跳閘為瓦斯繼電器誤動。

2.2 原因分析

原＃3主變的瓦斯繼電器為日本兵田計器工業株式會社制造的BR－1－415－3B型浮球式瓦斯繼電器，與德國EMB公司的BC－80型瓦斯繼電器功能類似。不同之處在于BR－1－415－3B型浮球式瓦斯繼電器沒有擋板結構，重瓦斯動作依靠浮球運動到達整定位置時出口，易發生誤動。根據＃3主變的生產者三菱公司的計算，確認了SUB型主變在通過故障電流時會形成油的涌動，當變中側通過13kA（有效值）以上故障電流時，流過瓦斯繼電器的油流速度將會導致重瓦斯保護動作。

結合＃3主變和220kV某甲、乙雙回線跳閘有關報文及現場天氣情況分析，事發時流經＃3主變的穿越短路電流B、C兩相相電流有效值分別為10.26kA、8.46kA，均小于三菱公司計算的理論值13kA，考慮到存在測量誤差與偶然因素的影響，以及廣東電網在2011年也發生過類似事故，當時的故障電流有效值約為9.6kA，故能得到如下結論：＃3主變跳閘原因可能為220kV某甲、乙雙回線被雷電擊中發生B、C相間接地故障，使得有較大的穿越短路電流流經變壓器，導致變壓器繞組瞬間收縮、擴張產生油流涌動，同時變壓器因承受較大的穿越電流器身振動加劇，在油流涌動和振動加劇的雙重作用下，引起瓦斯繼電器動作。

3 改進措施及防誤動建議

3.1 改進措施

從以上分析可知，本次主變的誤跳主要是瓦斯繼電器誤動作所致，故將原500kV主變本體瓦斯繼電器更換為具備擋板的德國EMB公司制BC－80型單浮子瓦斯繼電器。要求流速整定值為1.5m／s，聯管改造為80mm，同時加裝支撐架進行加固。

單浮子瓦斯繼電器動作原理與上述介紹的雙浮子瓦斯繼電器類似，區別在于沒有下浮子及其開關系統，即無低油面動作跳閘功能。

另外，220kV某甲、乙雙回線輸電走廊位于多雷區，應盡快加裝避雷器。根據雷電定位系統信息，220kV某甲、乙雙回線在本次故障點周邊1km范圍、前后5min內共有36次雷電活動記錄，最大雷電流幅值達到188.3kA，超出線路反擊耐雷水平93.5kA。

3.2 防誤動建議［4］

（1）對于新投產變壓器應把關好附件的安裝，特別是潛油泵對稱布置，保證油路暢通。

（2）運行中的變壓器進行濾油、補油，更換潛油泵、冷卻器、凈油器和呼吸器或其內的吸濕劑時，本體重瓦斯保護應切換為發信號。

（3）運行中的變壓器冷卻器油回路、通向儲油柜各閥門由關閉位置旋轉至開啟位置時，以及當油位計的油面異常升高或呼吸系統有異常現象，需要打開放油或放氣閥門時，應先將變壓器本體重瓦斯保護切換為發信號。

（4）定期檢查瓦斯繼電器各部位元器件狀態完好，嚴格按規程檢驗，做到方法正確、整定準確、動作可靠。

（5）增加可靠有效的防雨、防潮、防振動措施，防止由于環境原因造成瓦斯保護誤動。

4 結語

瓦斯繼電器是變壓器內部故障的主要保護元件。雙浮子瓦斯繼電器的動作條件有3個：輕瓦斯動作于報警，重瓦斯動作于跳閘及低油面動作于跳閘。擋板式結構的瓦斯繼電器能有效防止油流涌動造成的瓦斯繼電器誤動作。

［1］陳少華，陳衛，何瑞文，等.電力系統繼電保護［M］.北京：機械工業出版社，2009

［2］DL／T540—2013 氣體繼電器檢驗規程［S］

［3］DL／T572—2010 電力變壓器運行規程［S］

［4］肖立佳.變壓器本體瓦斯保護誤動分析及防范措施［A］.全國火電600MW機組技術協作會第13屆年會論文集［C］，2009