防止區外故障引起500kV變壓器瓦斯保護動作研究

羅松林 黃盛超 賴紹奇 王旭明

（1.廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東東莞523000；2.國家電網公司中國電力研究院，北京100031）

0 引言

變壓器在電力系統中主要起著變換電壓和傳遞能量的作用，是實現高電壓遠距離輸電和滿足用戶電壓等級需求的重要一環，能夠大幅降低電能損耗，在電網中有著至關重要的地位，是整個電網中最為關鍵的設備，不僅價格昂貴，而且在發生故障時，引發的后果非常嚴重，因此變壓器設備的保護就顯得非常重要，需快速、及時、準確動作，將故障切除，防止事故進一步擴大，影響電網安全運行。為此，變壓器都配置了基于基爾霍夫電流差動保護原理的縱差主保護。但由于變壓器差動保護對于變壓器內部的一些故障，如變壓器匝間、層間短路和一些非電氣量的變化等，無法準確反應，容易造成運行隱患的形成，不利于對設備狀態的把握[1-2]，因此，規程規定：容量超過800kVA的油浸式變壓器，都應裝設瓦斯保護[3]。

瓦斯保護是一種非電氣量保護，分為輕瓦斯保護和重瓦斯保護，是變壓器內部故障的主保護，反映油箱內的一切故障，與差動保護不能同時退出。瓦斯保護正常時，能夠對變壓器起到保駕護航的作用，但有時也會因為一些原因引發誤動作，使運行人員不能準確判斷設備狀態，特別是引發重瓦斯保護跳閘時，將會導致負荷損失。而引發瓦斯保護誤動作的原因主要有三條：

（1）作業人員誤碰探針，引發瓦斯誤動作；

（2）瓦斯保護進水引起二次接線短路或者二次接線錯誤引發瓦斯保護誤動作；

（3）由于外部故障，產生較大的穿越電流，在電磁感應的作用下，繞組擴張，使油流沖擊瓦斯繼電器引發跳閘[4]。

針對第一、二種情況，我們通過日常巡視、維護等手段能夠較好地控制，預防發生，但第三種情況則較難預防，從而給電網運行帶來了嚴重的威脅。因此，如何防范區外故障引發瓦斯保護誤動作的研究就顯得非常必要。

1 瓦斯保護工作原理

變壓器油箱內發生故障時，短路點電弧或短路電流將使絕緣材料和變壓器油老化分解，產生氣體，當故障較輕微時，產生的氣體量較少，累積在瓦斯繼電器的上部空間，使得瓦斯繼電器內的油面逐漸下降，浮在油面上的浮筒跟隨油面下降，當油面下降到一定程度時，信號回路接通，發出告警信號，即輕瓦斯保護動作，當內部嚴重故障，產生大量氣體時，由于壓力的原因，油會迅速膨脹，油流沖擊安裝在郵箱與油枕之間連接管道中的氣體繼電器，沖擊擋板，擋板克服彈簧的阻力，帶動磁鐵向干簧觸點方向移動，使水銀觸點閉合，接通跳閘回路，使斷路器跳閘，即重瓦斯保護。其接線原理如圖1所示。

圖1 瓦斯保護動作原理接線圖

當變壓器內部發生輕微故障，氣體累積，使油位降低時，接通信號回路，使瓦斯繼電器KG的上接點KG1動作，接通信號繼電器1KS發出信號。當變壓器內部發生嚴重故障時，使瓦斯繼電器KG的下接點KG2動作，接通信號繼電器2KS和中間繼電器KM，發出信號，并使斷路器跳閘[5]。

2 區外故障引發瓦斯保護誤動作的原因分析

區外故障引發瓦斯保護誤動作主要是指引發重瓦斯保護誤動作導致跳閘故障。重瓦斯保護動作主要是油流沖擊擋板，擋板克服彈簧的阻力，帶動磁鐵向干簧觸點方向移動，使水銀觸點閉合，接通跳閘回路[6-7]。也就是說，必須產生一個力F大于等于彈簧擋板的阻力f阻，而阻力又與油流速度存在著一定的關系[8]，如式（1）、式（2）所示：

式中，F為油流沖擊擋板所產生的力；t為作用在擋板上的時間；m為沖擊擋板的油質量；v為油流沖擊擋板的速度；v0為油流正常情況下沖擊擋板的速度，一般認為是0。

在作用時間t一定時，我們可以認為F與v成正比，也就是說，我們設定的重瓦斯保護克服的阻力整定值與速度成正比，即重瓦斯保護動作時的f阻整定與油流需達到的速度V整定成正比，即滿足關系式（3）：

式中，k1為重瓦斯保護動作時的f阻整定與油流需達到的速度V整定的比例系數。

而區外短路故障引發油流沖擊擋板的主要原因是穿越性短路電流引起的電動力使主變繞組快速擠壓和擴張，使得本體油快速往油枕方向涌動，可能觸發瓦斯繼電器動作[9-10]。三菱公司的統計試驗數據顯示，外部短路電流與其所產生的油流速度之間又存在著接近正比例的關系，如式（4）所示：

式中，v油流為油流沖擊擋板的速度；I短路電流為外部故障的短路電流；k2為油流速度與產生它的外部短路電流之間的比例系數。

由式（3）、式（4）可知，外部短路電流達到一定數值時，才可能引發內部瓦斯保護誤動作。此外，部分繼電器抗震性能較差也是瓦斯繼電器誤動作的重要原因之一。

表1 瓦斯保護動作分析

3 事例分析

據南方電網公司統計，2011年7月11日至2015年1月1日，單三菱公司生產的500kV主變就相繼發生了5次由于外部短路引起的主變本體重瓦斯誤動事件，下面以2014年4月11日發生在500kV橫瀝變電站的事故為例進行分析。

500kV橫瀝站有4臺分相式三菱變壓器，其中#1～#3主變處于運行狀態，#4主變處于熱備用狀態，220kV側母線為雙母雙分段，其接線圖如圖2所示，灰色表示斷開，黑色表示合上，因故檢修ⅤM母線，在進行熱倒母操作時，由于#3變中ⅥM母線側23036刀閘合閘不到位，在拉開#3變中ⅤM母線側23035刀閘時，發生故障，差動保護跳開ⅤM、ⅥM母線，由于變中側短路故障，使得#1、#2、#3主變瓦斯保護動作跳閘，導致220kV 4條母線全部失壓，造成4個220kV站失壓及13個110kV站失壓。

圖2 500kV橫瀝站事發前設備運行接線方式

經過試驗、測試，#1、#2、#3主變內部并無故障，除#3主變由于差動保護動作跳閘外，#1、#2主變都是由于區外故障產生的誤動作，擴大了事故停電范圍。現對事故發生時#1～#3主變變高、變中側電流進行分析，如表1所示。

由于當前根據彈簧阻力設置的重瓦斯保護動作油流速度V整定為1m/s，根據算式（4）及三菱變壓器設備對應的比例系數k2取值，我們可以算出，當變中側短路電流超過9kA時，瓦斯保護會誤動作，與當前實際情況相符合。

4 防止區外故障引發瓦斯保護誤動作措施

由于區外故障短路電流可能引發瓦斯保護誤動作導致主變跳閘，擴大事故范圍，因此，我們可以考慮以下幾種措施：

（1）將重瓦斯保護改接信號，但這種方式固然不會引起重瓦斯保護誤動作，但卻不能在主變內部發生故障時及時、快速切除故障，因而有損主變壽命，故該方法不予采用。

（2）適當調整重瓦斯保護動作整定值，調整彈簧擋板阻力f阻整定，根據式（3），即調整V整定，從而適應對區外故障短路電流動作值的調整，使其既能在變壓器內部發生嚴重故障時動作跳閘，也可以在一定程度上避開區外短路故障所引發的誤動作，如將V整定調整為1.5m/s，由式（4）可得變中故障短路電流達到13kA以上時，重瓦斯保護才會動作，根據表1中的數據可知，#1、#2、#3主變均可避開區外故障的穿越性電流，不發生跳閘，從而降低負荷損耗。

為此，經過專家分析，廣東電網決定在2014年年底前完成包括500kV莞城站在內的全省共計25組瓦斯繼電器的更換工作，將其整定值全部更改設定為1.5m/s。當然，不同的變壓器根據運行條件還可以適當調大整定油流速度來避開短路電流。

（3）三菱變壓器2008年起選用了兵田計器公司生產的瓦斯繼電器BR-1-415-3B型，該瓦斯繼電器是采用輕撞擊型微動開關，對油流及振動較為敏感，容易在發生外部短路時造成瓦斯誤動，經過對比試驗，我們發現日本兵田生產的氣體繼電器抗震動特性不滿足JB/T9647—2014《變壓器用氣體繼電器》的要求，而其他廠家的符合要求，我們可以對使用該型號的變壓器進行更換及加固工作。

5 結論

（1）區外故障短路電流是引發重瓦斯保護誤動作的重要原因之一，會導致主變跳閘，可能擴大事故范圍，增加負荷損失；

（2）我們可以通過適當調整瓦斯繼電器油流動作整定值的方式，將500kV三菱變壓器的油流整定值由1m/s提高至1.5m/s，來降低瓦斯繼電器受區外故障穿越性電流的影響，同時保持瓦斯保護對于區內故障的靈敏度；

（3）將部分抗震特性不滿足抗震要求的瓦斯繼電器更換為滿足要求的瓦斯繼電器，也是防止瓦斯保護受區外故障穿越電流影響的措施之一。

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