有效提高變壓器高、低壓側(cè)后備保護(hù)可靠性的措施研究

摘要：變壓器為電網(wǎng)最主要的元件，變壓器故障對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著直接性的影響，因此保障變壓器后備保護(hù)可靠性意義重大。文章介紹了變壓器后備保護(hù)，研究了提高變壓器高、低壓側(cè)后備保護(hù)可靠性的有效措施。

關(guān)鍵詞：變壓器；后備保護(hù)；可靠性；電網(wǎng)運(yùn)行；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM772 文章編號(hào)：1009-2374（2016）32-0034-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.016

變壓器設(shè)備的安全可靠運(yùn)行是保障電網(wǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，目前大多數(shù)電網(wǎng)均為超高壓、大容量系統(tǒng)，因此變壓器也向大容量方向發(fā)展，在安裝數(shù)量上也隨著電網(wǎng)容量的增加而明顯增加。但是在變壓器的實(shí)際應(yīng)用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)高、低壓測后備保護(hù)靈敏度不足、斷路器拒動(dòng)或誤動(dòng)、母線故障等問題，造成變壓器故障、燒毀甚至大面積電力系統(tǒng)故障、停電事故等嚴(yán)重后果，對此需采取有效的措施提高變壓器后備保護(hù)裝置的可靠性。

1 變壓器后備保護(hù)簡介及常見問題

1.1 變壓器后備保護(hù)

按照《3～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)范，3～110kV電網(wǎng)的繼電保護(hù)均應(yīng)遵循遠(yuǎn)后備原則，具體為在同故障點(diǎn)相鄰的斷路器位置安裝繼電保護(hù)裝置，目的是在變壓器斷路器設(shè)備本身發(fā)生拒動(dòng)故障時(shí)啟動(dòng)電源側(cè)的繼電保護(hù)，從而保證及時(shí)將故障切除。輸電線路的保護(hù)通常分為3段，第一段和第二段是主保護(hù)，第三段是后備保護(hù)，其中后備保護(hù)又分有遠(yuǎn)后備與近后備兩種，在第三段保護(hù)中應(yīng)至少裝置有近保護(hù)，當(dāng)?shù)谝欢魏偷诙蔚木嚯x保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)或者拒動(dòng)現(xiàn)象時(shí)由第三段距離保護(hù)做出跳閘保護(hù)動(dòng)作。遠(yuǎn)后備保護(hù)范圍是變壓器低壓側(cè)的母線故障范圍，因此在裝置遠(yuǎn)后備保護(hù)時(shí)需要考慮變壓器阻抗值、接線組別等問題。變壓器后備保護(hù)主要有以下五種類型：（1）復(fù)合電壓閉鎖過流：主要作為變壓器短路故障中的后備保護(hù)，用于變壓器內(nèi)部以及相鄰元件的后備保護(hù)。部分元件經(jīng)常因?yàn)殪`敏度不足的問題而未能在出現(xiàn)短路故障時(shí)及時(shí)閉合電路，因此需增加復(fù)合電壓閉鎖回路。若是發(fā)生不對稱故障時(shí)，在滿足對稱性故障和負(fù)序電壓故障保護(hù)安裝位置的三相電壓低于定值時(shí)方可開放過電流啟動(dòng)保護(hù)，這樣可以降低復(fù)合電壓閉鎖過流電流定值。（2）過電流保護(hù)：變壓器高、低壓側(cè)過電流的多電流保護(hù)元件均是按照變壓器最大負(fù)荷電流設(shè)置的，但是并沒有針對短路進(jìn)行選擇性配合，動(dòng)作時(shí)間會(huì)超過出線路保護(hù)的最長時(shí)間，當(dāng)達(dá)到最大負(fù)荷時(shí)需警惕電路過負(fù)荷。（3）瓦斯保護(hù)：瓦斯保護(hù)為變壓器常用的后備方式之一，包括重瓦斯保護(hù)與輕瓦斯保護(hù)兩種，前者保護(hù)動(dòng)作為直接將斷路器斷開，后者則是在發(fā)生故障時(shí)發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號(hào)，從而提示有關(guān)工作人員。瓦斯保護(hù)主要適用在油浸式的變壓器中，其作用原理是根據(jù)檢測到的油箱氣體指數(shù)判定是否需要?jiǎng)幼鳎儔浩靼l(fā)生接地、內(nèi)部短路等故障時(shí)，故障處電弧及電流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱能，變壓器油箱內(nèi)的油會(huì)在熱能作用下蒸發(fā)并分解為氣體，油枕受到氣體的沖擊之后就會(huì)觸發(fā)瓦斯保護(hù)裝置，進(jìn)而做出保護(hù)動(dòng)作。瓦斯保護(hù)不僅成本較低、結(jié)構(gòu)簡單，而且具有較高的靈敏度，因此對于匝數(shù)比較少的繞組端變壓器比較適合。但是瓦斯保護(hù)只能對變壓器內(nèi)部的故障做出保護(hù)反應(yīng)，若是發(fā)生外部故障時(shí)瓦斯保護(hù)裝置并不能在較短的時(shí)間內(nèi)做出保護(hù)，會(huì)導(dǎo)致故障時(shí)間持續(xù)時(shí)間長、范圍擴(kuò)大。（4）差動(dòng)保護(hù)：目前越來越多的變壓器使用差動(dòng)保護(hù)裝置，差動(dòng)保護(hù)能夠有效判別保護(hù)元件本身是否存在故障，若是元件本身發(fā)生故障會(huì)立即啟動(dòng)保護(hù)將故障切除，保障其他設(shè)備不會(huì)受到干擾。（5）接地保護(hù)：在中性點(diǎn)直接接地電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生接地故障，變壓器設(shè)備也是，因此會(huì)安裝相應(yīng)的接地保護(hù)裝置，可以同時(shí)發(fā)揮差動(dòng)保護(hù)、瓦斯保護(hù)的故障保護(hù)功能。

1.2 變壓器后備保護(hù)常見問題

變壓器后備保護(hù)常見的故障問題主要有誤動(dòng)和拒動(dòng)兩種，均是由后備保護(hù)裝置的靈敏度不足、可靠性降低等原因?qū)е隆＃?）誤動(dòng)：誤動(dòng)指的是在變壓器發(fā)生故障時(shí)沒有及時(shí)有效地識(shí)別故障并做出相應(yīng)動(dòng)作或者是在變壓器設(shè)備并未出現(xiàn)故障時(shí)做出跳閘等保護(hù)動(dòng)作。引起后備保護(hù)誤動(dòng)的因素有很多種，例如直流偏磁、應(yīng)涌流以及勵(lì)磁涌流均會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)，變壓器零序阻抗、交流電壓回路斷線以及二次電壓回路多個(gè)中性點(diǎn)接地均會(huì)引起零序保護(hù)誤動(dòng)。（2）拒動(dòng)：變壓器相鄰線路遠(yuǎn)端出現(xiàn)故障時(shí)，若故障線路本身保護(hù)裝置發(fā)生斷路器拒動(dòng)且該側(cè)主變后備的保護(hù)靈敏度不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致后備保護(hù)拒動(dòng)問題，從而不能及時(shí)有效地將故障切除，最后會(huì)導(dǎo)致事故范圍不斷擴(kuò)大。變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，比如在三繞組變壓器中，后備保護(hù)會(huì)按“跳母聯(lián)——跳本側(cè)——跳三側(cè)”的順序原則啟動(dòng)保護(hù)，最終變壓器三側(cè)斷路器均需跳開，而若是變壓器只有一側(cè)發(fā)生故障時(shí)，例如斷線、短路等問題時(shí)，應(yīng)只跳該側(cè)斷路器即可，另外兩側(cè)仍可以繼續(xù)正常運(yùn)行。如果變壓器閉鎖過流保護(hù)靈敏度較差，變壓器任意一側(cè)線路出現(xiàn)三相短路故障，且故障點(diǎn)處于變壓器線路遠(yuǎn)端，高壓側(cè)電壓值會(huì)比低壓側(cè)電壓元件的設(shè)定值高，導(dǎo)致低壓側(cè)電壓元件以及過流保護(hù)不能正常啟動(dòng)，于是就出現(xiàn)了復(fù)合電壓元件無法動(dòng)作，主變壓器復(fù)壓過電流保護(hù)設(shè)備拒動(dòng)的現(xiàn)象。

2 提高變壓器后背保護(hù)可靠性的有效措施

2.1 延長設(shè)備接地放電間隙過流的保護(hù)時(shí)間

在變電站運(yùn)行過程中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，放電間隙過流保護(hù)經(jīng)常會(huì)使未采取接地措施的變壓器出現(xiàn)越級跳閘或者搶先動(dòng)作的現(xiàn)象，因此放電間隙過流保護(hù)不大理想。為了減少這類現(xiàn)象的發(fā)生，可將放電間隙的過流保護(hù)時(shí)間適當(dāng)?shù)匮娱L，確保放電間隙能夠在合理的時(shí)間點(diǎn)做出保護(hù)，并且有充足的時(shí)間解除接地故障，從而改善因未采取接地措施的變壓器放電間隙發(fā)生搶先動(dòng)作的現(xiàn)象而引起其他故障。此外，新建的變電站不應(yīng)立即去除母線三相電壓互感器，而是應(yīng)將其同過電壓保護(hù)以及中性點(diǎn)零序過流保護(hù)相融合，進(jìn)一步完善變電站的配置方式，從而有效提升變壓器設(shè)備運(yùn)行的靈活性，最終達(dá)到有效保障、提高接地保護(hù)的可靠性和安全性。

2.2 提高設(shè)備負(fù)荷電壓元件靈敏度

當(dāng)外部相間短路時(shí)極易引起變壓器過流現(xiàn)象，造成變壓器故障，為了避免這一現(xiàn)象，需要在變壓器設(shè)備中裝置相間短路后備保護(hù)，同時(shí)采取過電流保護(hù)。因?yàn)樨?fù)荷電壓閉鎖多電流保護(hù)設(shè)備有靈敏度高以及安全性優(yōu)等特點(diǎn)，在變電站主變壓器后備保護(hù)中的應(yīng)用十分廣泛。為了提高后備保護(hù)的可靠性，還應(yīng)提高后備保護(hù)設(shè)備負(fù)荷元件的靈敏度，可同時(shí)安裝兩套復(fù)壓方向過流保護(hù)，且兩套設(shè)備間完全相互獨(dú)立，分別從兩個(gè)不同的電流互感器中取電流，直流電流也同樣從兩個(gè)不同直流母線中取，這樣可以極大地提升后備保護(hù)的可靠性。此外，若是變壓器高壓側(cè)負(fù)荷電壓閉鎖過流裝置相對低壓母線一側(cè)的靈敏度低時(shí)，可于低壓側(cè)位置添加一套不帶電壓閉鎖且定值較高的純過流保護(hù)設(shè)備。這樣一來，高壓側(cè)與低壓側(cè)的兩套后備保護(hù)是完全相互獨(dú)立的，不僅能夠獨(dú)立運(yùn)行發(fā)揮保護(hù)作用，而且還不會(huì)相互干擾，減少了因低壓側(cè)過流保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)現(xiàn)象而導(dǎo)致變壓器受損的現(xiàn)象。同時(shí)，低壓側(cè)過流保護(hù)還可將一個(gè)時(shí)間段的跳總出口延長，即低壓側(cè)和高壓側(cè)分先后順序跳，這樣就能夠避免因低壓側(cè)斷路而導(dǎo)致失靈的情況，并且低壓側(cè)與高壓側(cè)兩者復(fù)合電壓閉鎖應(yīng)采取并聯(lián)方式連接，提升高壓側(cè)復(fù)合電壓閉鎖裝置與低壓側(cè)斷路的靈敏度。

2.3 于靠近斷路器位置安裝電流互感器

靠近斷路器的母線側(cè)位置是變壓器低壓側(cè)的差動(dòng)保護(hù)裝置最為理想的安裝位置，因?yàn)閷㈦娏骰ジ衅靼惭b在靠近斷路器的一側(cè)能夠在斷路器發(fā)生故障時(shí)立即啟動(dòng)差動(dòng)保護(hù)，及時(shí)、快速、有效地切除故障。此外，若是電流互感器無法僅靠母線側(cè)位置安裝，則應(yīng)保證安裝位置同斷路器緊密相鄰，尤其是相間過流電流互感器，應(yīng)盡量靠近變壓器位置安裝，確保變壓器引線和套管均在保護(hù)裝置的保護(hù)范圍之內(nèi)，從而保證在變壓器發(fā)生故障時(shí)，電流互感器能夠在第一時(shí)間啟動(dòng)保護(hù)，及時(shí)切除故障。

2.4 優(yōu)化保護(hù)裝置的配置方案

部分后備保護(hù)拒動(dòng)或者誤動(dòng)問題是由于配置不合理引起的，因此可通過優(yōu)化保護(hù)裝置的配置方案來達(dá)到提高后備保護(hù)可靠性的目的。（1）在變壓器尤其是大型變壓器正式投入運(yùn)行使用之前應(yīng)先進(jìn)行空載合閘試驗(yàn)，通過試驗(yàn)選取合適的變壓器后備保護(hù)方式，并合理設(shè)計(jì)后備保護(hù)裝置方案；（2）在選取后備保護(hù)裝置時(shí)需綜合考慮實(shí)際保護(hù)范圍、設(shè)備性能等多種因素，并在裝置后進(jìn)行數(shù)次電磁試驗(yàn)，確保裝置正確且不會(huì)受到電磁干擾；（3）因?yàn)樽儔浩鞯慕Y(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，在運(yùn)行的過程中可能會(huì)出現(xiàn)異常狀態(tài)、內(nèi)外部故障，需要安裝的后備保護(hù)多達(dá)幾十種，但是在變壓器實(shí)際工作中某些故障類型發(fā)生的概率是極小的，因此各類型保護(hù)裝置的靈敏度也存在一定的差異。對此在選取保護(hù)方式和設(shè)計(jì)配置方案時(shí)應(yīng)遵循四個(gè)原則：（1）各項(xiàng)保護(hù)裝置的功能完備，目的是保證能夠?qū)ψ儔浩鞯漠惓顟B(tài)和故障及時(shí)做出有效的保護(hù)措施；（2）充分考慮變壓器的容量等參數(shù)確定單套配置還是組合配置；（3）應(yīng)選取性能優(yōu)良、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富成熟、技術(shù)達(dá)標(biāo)的保護(hù)裝置以及保護(hù)原理；（4）合理進(jìn)行組屏，對于容量大的變壓器最好選用兩套保護(hù)系統(tǒng)，并分屏裝置，采取分屏設(shè)置可實(shí)現(xiàn)在保障變壓器繼續(xù)運(yùn)行的條件下進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試與檢修。

3 結(jié)語

變壓器后備保護(hù)在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中有著不可忽視的作用，其可靠性高低直接關(guān)系著電力系統(tǒng)能否正常、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，因此提高變壓器后備保護(hù)靈敏度、可靠性具有十分重要的意義。受到多種因素的影響，變壓器后備保護(hù)在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)、拒動(dòng)的問題，不僅會(huì)延誤故障的切除，還會(huì)延長故障持續(xù)的時(shí)間、擴(kuò)大故障的影響范圍，造成嚴(yán)重的后果。對此需要采取有效措施提升后備保護(hù)裝置的可靠性：（1）應(yīng)延長設(shè)備接地放電間隙過流的保護(hù)時(shí)間；（2）要提高設(shè)備負(fù)荷電壓元件靈敏度；（3）應(yīng)于靠近斷路器位置安裝電流互感器；（4）應(yīng)優(yōu)化保護(hù)裝置的配置方案，通過有效的措施降低后備保護(hù)裝置誤動(dòng)或者拒動(dòng)的現(xiàn)象，保障電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性以及安全性。

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作者簡介：宋勝菏（1971-），女，山東德州人，國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司高級工程師，高級企業(yè)培訓(xùn)師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：蔣建華）