電力變壓器運(yùn)行安全與繼電保護(hù)

電力變壓器運(yùn)行安全與繼電保護(hù)

1電力變壓器的故障分為內(nèi)部和外部詼種故障。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)愛(ài)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)愛(ài)護(hù)動(dòng)作切除變壓器。速動(dòng)愛(ài)護(hù)（瓦斯和差動(dòng)）無(wú)延時(shí)動(dòng)作切

除故障變壓器，裝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裝備故障時(shí)，若故障裝備未配愛(ài)護(hù)（如

低壓側(cè)母線愛(ài)護(hù)）或愛(ài)護(hù)拒動(dòng)時(shí)，則只能靠變壓器后備愛(ài)護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)相

應(yīng)開(kāi)關(guān)使變壓器脫離故障。因后備愛(ài)護(hù)帶延時(shí)動(dòng)作，所以變壓器必定要

承受肯定時(shí)間段內(nèi)的區(qū)外故障造成的過(guò)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，變壓器后備愛(ài)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定的聯(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)運(yùn)用部門(mén)未提出其

它要求時(shí)，用于計(jì)算承受短路耐熱力量的電流I的持續(xù)時(shí)間為2so注：

對(duì)于自耦變壓器和短路電流超過(guò)25倍額定電流的變壓器，經(jīng)制造廠與

運(yùn)用部門(mén)協(xié)商后，采納的短路電流持續(xù)時(shí)間可以小于2s?！?/p>

按以上設(shè)計(jì)考慮，一臺(tái)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(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

1

故障本側(cè)分段開(kāi)關(guān)跳開(kāi)時(shí)，變壓器低壓繞組中可能的短路電流可到達(dá)

0.75倍標(biāo)幺值，比設(shè)計(jì)值增大了近50%o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⑵要求，裝設(shè)瓦斯愛(ài)護(hù)、過(guò)激磁愛(ài)護(hù)、雙

重差動(dòng)愛(ài)護(hù)，同時(shí)在其高、中壓側(cè)均裝設(shè)了阻抗愛(ài)護(hù)及零序方向電流愛(ài)

護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)過(guò)流愛(ài)護(hù)。這些愛(ài)護(hù)均作用于跳閘。高、中壓側(cè)的阻抗

愛(ài)護(hù)和低壓側(cè)過(guò)流愛(ài)護(hù)屬變壓器的相間后備愛(ài)護(hù)。由于500kV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。在變壓器所聯(lián)

結(jié)的高、中壓系統(tǒng)中，線路愛(ài)護(hù)一般配置了雙重縱聯(lián)愛(ài)護(hù)，并有完好的

后備愛(ài)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，變壓器的相間后備愛(ài)護(hù)應(yīng)主要在其各側(cè)母線故障時(shí)起作用，特別是

中、低壓側(cè)母線的故障（500kV側(cè)母線設(shè)有雙套母差愛(ài)護(hù)）。中、低壓

母線故障流過(guò)變壓器的短路電流大，不僅引起變壓器繞組過(guò)熱，還可能

造成繞組的動(dòng)穩(wěn)定破壞，誘發(fā)嚴(yán)峻的內(nèi)部故障。零序方向電流愛(ài)護(hù)屬變

壓器的接地故障后備愛(ài)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(shù)規(guī)程要求，一般裝設(shè)

瓦斯愛(ài)護(hù)、差動(dòng)愛(ài)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(guò)流

愛(ài)護(hù)及零序方向過(guò)電流愛(ài)護(hù)與間隙愛(ài)護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過(guò)

流愛(ài)護(hù)。各側(cè)復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流愛(ài)護(hù)及零序方向過(guò)電流愛(ài)護(hù)綜合，可以

2

反應(yīng)變壓器內(nèi)部、各側(cè)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(ài)護(hù)及各側(cè)母線及母線鄰近的電氣裝備的后備愛(ài)護(hù)。

HOkV及以下變壓器一般裝設(shè)瓦斯愛(ài)護(hù)（對(duì)油浸式變壓器）差動(dòng)愛(ài)護(hù)，

HOkV側(cè)零序過(guò)電流愛(ài)護(hù)、間隙愛(ài)護(hù)及各側(cè)過(guò)流愛(ài)護(hù)或復(fù)合電壓閉鎖

過(guò)流愛(ài)護(hù)，這些愛(ài)護(hù)的作用與220kV變壓器的作用相像。

4可能考驗(yàn)變壓器熱穩(wěn)定性的故障

4.1500kV變壓器

由于變壓器自身主愛(ài)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)愛(ài)護(hù)范圍內(nèi)故障對(duì)變壓器熱穩(wěn)定性的考驗(yàn)。

5OOkV系統(tǒng)母線、線路愛(ài)護(hù)的完全雙重化配置，快速愛(ài)護(hù)在愛(ài)護(hù)范圍上

的交叉布置，及完善的失靈愛(ài)護(hù)，筆者認(rèn)為可以不考慮5OOkV系統(tǒng)側(cè)

故障對(duì)變壓器熱穩(wěn)定性的考驗(yàn)。

220kV系統(tǒng)側(cè)線路愛(ài)護(hù)雙重化配置，母線愛(ài)護(hù)目前多為單配置。因

此，當(dāng)母差愛(ài)護(hù)校驗(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)時(shí)，變玉器只能靠其后備愛(ài)護(hù)動(dòng)作

使其脫離故障點(diǎn)。變壓器開(kāi)關(guān)（或轉(zhuǎn)帶時(shí)旁路開(kāi)關(guān)）與TA間的故障很

可能靠變壓器后備愛(ài)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。許多站低壓母線未配母差愛(ài)護(hù)，因此母線故

障變壓器只能靠其后備愛(ài)護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn)；再者，當(dāng)站用變或電

3

變壓器各側(cè)的過(guò)電流愛(ài)護(hù)均按躲變壓器額定負(fù)荷整定，但不作為

短路愛(ài)護(hù)的一級(jí)參與選擇性協(xié)作，其動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于全部出線愛(ài)護(hù)的

最長(zhǎng)時(shí)間。

變壓器短路故障后備愛(ài)護(hù)應(yīng)主要作為相鄰元件及變壓器內(nèi)部故障

的后備愛(ài)護(hù)。主電源側(cè)的變壓器相間短路后備愛(ài)護(hù)主要作為變壓器內(nèi)

部故障的后備愛(ài)護(hù)。其它各側(cè)的后備愛(ài)護(hù)主要作為本側(cè)引線、本側(cè)母線

和相鄰線路的后備愛(ài)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(zhǎng)時(shí)限動(dòng)作于斷開(kāi)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愛(ài)護(hù)整定：高（中）壓側(cè)（主

電源側(cè)）相間短路后備愛(ài)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愛(ài)護(hù)，并對(duì)中（高）壓側(cè)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(ài)護(hù)作為后備愛(ài)

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(guò)系統(tǒng)振蕩周期，其反

方向偏移阻抗部分作為本側(cè)母線故障的后備愛(ài)護(hù)。

供電變電所降壓變壓器的短路故障后備愛(ài)護(hù)整定：高壓側(cè)（主電源

側(cè)）相間短路后備愛(ài)護(hù)動(dòng)作方向指向變壓器，對(duì)中壓側(cè)母線故障有充足

靈敏度。

5.2500kV變壓器的愛(ài)護(hù)

5

當(dāng)220kV側(cè)母差愛(ài)護(hù)校驗(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)及開(kāi)關(guān)與TA間故障時(shí),

變壓器高壓側(cè)及本側(cè)的阻抗愛(ài)護(hù)對(duì)于金屬性短路故障應(yīng)能牢靠動(dòng)作，

且愛(ài)護(hù)整定延時(shí)可以在1.5?2.0s之間。假如短路為非金屬性的，經(jīng)弧

光短路時(shí)，阻抗愛(ài)護(hù)可能靈敏度缺乏或整定延時(shí)長(zhǎng)于2.0s。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(guò)流愛(ài)護(hù)，其整定值應(yīng)由變壓器的熱

穩(wěn)定要求確定。假如只設(shè)一個(gè)電壓閉鎖定時(shí)限的過(guò)流愛(ài)護(hù)，則其電流定

值應(yīng)保證在變壓器本側(cè)流過(guò)的電流接近熱穩(wěn)定電流時(shí)牢靠動(dòng)作，如整

定為（）.8倍的設(shè)計(jì)答應(yīng)熱穩(wěn)定電流值（主要考慮TA和愛(ài)護(hù)裝置本身的

測(cè)量誤差），且使變壓器脫離故障點(diǎn)動(dòng)作延時(shí)不長(zhǎng)于2.0s。問(wèn)題是當(dāng)實(shí)

際故障電流略小于愛(ài)護(hù)定值時(shí)，愛(ài)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(zhǎng)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(zhǎng)（如3.0?5.0s）,動(dòng)作值更小的電壓閉鎖過(guò)流愛(ài)護(hù)。

筆者認(rèn)為：220kV側(cè)母差愛(ài)護(hù)雙重化配置，并合理設(shè)計(jì)失靈愛(ài)護(hù)，由它

們共同完成使變壓器快速脫離故障點(diǎn)，也應(yīng)是較好的方案。（220kV母

差愛(ài)護(hù)直接跳變壓器各側(cè)開(kāi)關(guān)，雖也可解決開(kāi)關(guān)與TA間故障及母線故

障變壓器該側(cè)開(kāi)關(guān)拒動(dòng)的問(wèn)題，但在多數(shù)情況下多跳了開(kāi)關(guān)，在一些情

況下還可能導(dǎo)致500kV另一元件停電。）

變壓器低壓側(cè)一般采納三角形接線，高、中壓側(cè)的阻抗愛(ài)護(hù)很可能

對(duì)低壓側(cè)短路起不到愛(ài)護(hù)作用［4］。因此，變壓器低壓側(cè)的電壓閉鎖過(guò)

流愛(ài)護(hù)多重化配置，才可以保證在任何情況下運(yùn)行裝備都由兩套交、直

流輸入和輸出回路互相獨(dú)立，并分別掌握不同斷路器的繼電愛(ài)護(hù)裝置

6

進(jìn)行愛(ài)護(hù)。單相式500kV變壓器的低壓側(cè)設(shè)有套管TA,可測(cè)量到變壓

器低壓側(cè)各相線圈流過(guò)的電流。在近低壓側(cè)斷路器處還設(shè)有外附TAo

這樣的TA布局便利了低壓側(cè)愛(ài)護(hù)多重化的溝通電流回路接線要求，可

將過(guò)流愛(ài)護(hù)分別接于套管TA和外附TAo在愛(ài)護(hù)裝置設(shè)計(jì)和制造時(shí)，

要做到過(guò)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掌握，其中一套愛(ài)護(hù)

的直流熔斷器熔斷時(shí)不影響其他過(guò)流愛(ài)護(hù)的正常運(yùn)行。在愛(ài)護(hù)出口所

跳斷路器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)滿意既有跳低壓側(cè)斷路器的愛(ài)護(hù)段，又有跳變壓

器各側(cè)斷路器的愛(ài)護(hù)段。實(shí)際計(jì)算說(shuō)明：此過(guò)流愛(ài)護(hù)應(yīng)能保證對(duì)低壓母

線的故障有充足的靈敏度且動(dòng)作時(shí)間在1.0s以內(nèi)。

5.3220kV聯(lián)絡(luò)變壓器的愛(ài)護(hù)

一般中壓側(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(guò)變壓器的故障電流遠(yuǎn)小于中、低壓側(cè)故障時(shí)流過(guò)的

電流，應(yīng)重點(diǎn)考慮中、低壓側(cè)相關(guān)裝備短路時(shí)對(duì)變壓器熱穩(wěn)定性的影響。

變壓器低壓側(cè)：過(guò)流愛(ài)護(hù)對(duì)于未裝設(shè)母差的低壓側(cè)母線，應(yīng)是此母

線故障的主愛(ài)護(hù)；裝設(shè)了母差的低壓側(cè)母線，主變開(kāi)關(guān)與TA間的故障

（TA未在開(kāi)關(guān)近母線側(cè)時(shí)）也只能靠后備愛(ài)護(hù)切除；作為出線愛(ài)護(hù)的

后備?；诹硗鈨蓚?cè)并列運(yùn)行及故障時(shí)分段開(kāi)關(guān)跳閘的因素，低壓側(cè)過(guò)

流愛(ài)護(hù)切除故障的時(shí)間不僅要不大于2.0s,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

7

壓側(cè)為l()kV的變壓器，其出線一般直供用戶，出線愛(ài)護(hù)延時(shí)應(yīng)限制在

1s,主變低壓側(cè)過(guò)流愛(ài)護(hù)的延時(shí)可掌握在2s內(nèi)。低壓側(cè)為35kV的變

壓器均有送出線路，此線路帶下一級(jí)變電站，因此，此線路愛(ài)護(hù)的延時(shí)

按正常協(xié)作一般要長(zhǎng)于1.5s,這就使得主變低壓側(cè)過(guò)流愛(ài)護(hù)的整定延

時(shí)大于2s。若將主變低壓側(cè)過(guò)流愛(ài)護(hù)的延時(shí)整定為2s,必定與出線后

備愛(ài)護(hù)失配，有越級(jí)跳閘的可能。需要增加與出線愛(ài)護(hù)限時(shí)電流速斷協(xié)

作的變壓器低壓側(cè)短路過(guò)流愛(ài)護(hù)，綜合考慮有協(xié)作關(guān)系的愛(ài)護(hù)定值，提

高愛(ài)護(hù)的速動(dòng)性和選擇性。此短路過(guò)流愛(ài)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)相間后備愛(ài)護(hù)動(dòng)作時(shí)間不大于2s應(yīng)當(dāng)說(shuō)有

很大的困難。在現(xiàn)有按躲變壓器負(fù)荷電流整定的過(guò)流愛(ài)護(hù)整定原則不

變的情況下，增加一段短路愛(ài)護(hù)過(guò)流定值。為了壓縮動(dòng)作時(shí)間，可考慮

與出線的阻抗II段協(xié)作，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意此要求。

因此，變壓器本側(cè)電流定值應(yīng)躲過(guò)出線阻抗II段愛(ài)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段協(xié)作(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(guò)出線相聯(lián)變電站其他側(cè)母線短路流過(guò)本

變用器的故障電流.短路過(guò)流愛(ài)護(hù)動(dòng)作后先跳本側(cè)母聯(lián)再跳變樂(lè)器本

側(cè)開(kāi)關(guān)最終跳各側(cè)。實(shí)際系統(tǒng)試算說(shuō)明，在變壓器并列運(yùn)行、系統(tǒng)有檢

修時(shí)此愛(ài)護(hù)對(duì)本側(cè)母線兩相短路的靈敏度難以到達(dá)1.5的要求。可以考

慮增加負(fù)序電流愛(ài)護(hù)以提高兩相短路的靈敏度，但綜合考慮各種短路

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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(guò)流愛(ài)護(hù)，其

整定值應(yīng)由變壓器的熱穩(wěn)定要求確定。

變壓器高壓側(cè)：作為主電源的短路過(guò)流愛(ài)護(hù)應(yīng)作為變壓器中、低壓

側(cè)故障的后備愛(ài)護(hù)。在中、低壓側(cè)故障但愛(ài)護(hù)拒動(dòng)或開(kāi)關(guān)拒動(dòng)時(shí)，高壓

側(cè)過(guò)流愛(ài)護(hù)應(yīng)動(dòng)作切除故障，并與中、低壓的短路過(guò)流段協(xié)作，但對(duì)中、

低壓側(cè)故障可能靈敏度缺乏，在220kV變玉器愛(ài)護(hù)微機(jī)化并完成雙重

配置，且中、低壓側(cè)過(guò)流都具有滿意延時(shí)要求并跳三側(cè)的愛(ài)護(hù)段后，高

壓側(cè)過(guò)流可不做嚴(yán)格要求。高壓側(cè)母線故障時(shí)\流過(guò)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)定答應(yīng)的情況下，由按躲額定

負(fù)荷電流整定的過(guò)流愛(ài)護(hù)動(dòng)作（延時(shí)在5s左右）使變壓器脫離故障。

5.4220kV及以下僅高壓側(cè)有電源的變壓器愛(ài)護(hù)

只考慮變壓器中、低壓側(cè)相關(guān)裝備短路時(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)的愛(ài)護(hù)相同。

變壓器中壓側(cè)：增加一段短路愛(ài)護(hù)過(guò)流定值，可考慮與出線的阻抗

II段協(xié)作（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(guò)出

線相聯(lián)變電站其他側(cè)母線短路流過(guò)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)串供的線路愛(ài)

護(hù)要做好愛(ài)護(hù)定值的綜合考慮，盡量削減不協(xié)作。此短路過(guò)流愛(ài)護(hù)若在

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某方式下對(duì)中壓側(cè)母線靈敏度缺乏時(shí)，應(yīng)核算此時(shí)流過(guò)變壓器的故障

電流是否答應(yīng)持續(xù)到按躲變壓器負(fù)荷電流整定的過(guò)流愛(ài)護(hù)動(dòng)作。

變壓器高壓側(cè)：與聯(lián)絡(luò)變類似，作為變