變壓器運(yùn)行安全與繼電保護(hù)

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摘要：通過(guò)分析變壓器熱穩(wěn)定要求及其在運(yùn)行中可能承受的故障考驗(yàn)，提出了變壓器保護(hù)定值整定應(yīng)考慮的相關(guān)問(wèn)題，對(duì)其相間故障后備保護(hù)應(yīng)具備的能力提出了看法。并對(duì)變壓器設(shè)計(jì)、運(yùn)行及其保護(hù)配置與整定提出了建議。

　　關(guān)鍵詞：變壓器 熱穩(wěn)定 保護(hù)配置 整定 　　引言 　　電力變壓器的故障分為內(nèi)部和外部?jī)煞N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)保護(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)保護(hù)動(dòng)作切除變壓器。速動(dòng)保護(hù)(瓦斯和差動(dòng))無(wú)延時(shí)動(dòng)作切除故障變壓器，設(shè)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設(shè)備故障時(shí)，若故障設(shè)備未配保護(hù)(如低壓側(cè)母線保護(hù))或保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，則只能靠變壓器后備保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)相應(yīng)開(kāi)關(guān)使變壓器脫離故障。因后備保護(hù)帶延時(shí)動(dòng)作，所以變壓器必然要承受一定時(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，變壓器后備保護(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然的聯(lián)系。 　　按以上設(shè)計(jì)考慮，一臺(tái)220kV/120MVA普通三卷變壓器，取變壓器典型參數(shù)(高低壓阻抗比為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達(dá)到0.75倍標(biāo)幺值，比設(shè)計(jì)值增大了近 50%。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[2]要求，裝設(shè)瓦斯保護(hù)、過(guò)激磁保護(hù)、雙重差動(dòng)保護(hù)，同時(shí)在其高、中壓側(cè)均裝設(shè)了阻抗保護(hù)及零序方向電流保護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)過(guò)流保護(hù)。這些保護(hù)均作用于跳閘。高、中壓側(cè)的阻抗保護(hù)和低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)屬變壓器的相間后備保護(hù)。由于500 kV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。在變壓器所連接的高、中壓系統(tǒng)中，線路保護(hù)一般配置了雙重縱聯(lián)保護(hù)，并有完整的后備保護(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，變壓器的相間后備保護(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(500 kV側(cè)母線設(shè)有雙套母差保護(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)重的內(nèi)部故障。零序方向電流保護(hù)屬變壓器的接地故障后備保護(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設(shè)備的接地故障。 　　220 kV及以下變壓器 　　220 kV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)瓦斯保護(hù)、差動(dòng)保護(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)流保護(hù)及零序方向過(guò)電流保護(hù)與間隙保護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)。各側(cè)復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)及零序方向過(guò)電流保護(hù)綜合，可以反應(yīng)變壓器內(nèi)部、各側(cè)母線及母線鄰近的電氣設(shè)備的接地與相間故障，作為變壓器自身主保護(hù)及各側(cè)母線及母線鄰近的電氣設(shè)備的后備保護(hù)。110 kV及以下變壓器一般裝設(shè)瓦斯保護(hù)(對(duì)油浸式變壓器)、差動(dòng)保護(hù)，110 kV側(cè)零序過(guò)電流保護(hù)、間隙保護(hù)及各側(cè)過(guò)流保護(hù)或復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)，這些保護(hù)的作用與220 kV變壓器的作用相似。 　　變壓器低壓側(cè)一般采用三角形接線，高、中壓側(cè)的阻抗保護(hù)很可能對(duì)低壓側(cè)短路起不到保護(hù)作用[4]。因此，變壓器低壓側(cè)的電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)多重化配置，才可以保證在任何情況下運(yùn)行設(shè)備都由兩套交、直流輸入和輸出回路相互獨(dú)立，并分別控制不同斷路器的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。單相式500 kV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TA。這樣的TA布局方便了低壓側(cè)保護(hù)多重化的交流電流回路接線要求，可將過(guò)流保護(hù)分別接于套管TA和外附TA。在保護(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控制，其中一套保護(hù)的直流熔斷器熔斷時(shí)不影響其他過(guò)流保護(hù)的正常運(yùn)行。在保護(hù)出口所跳斷路器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)滿足既有跳低壓側(cè)斷路器的保護(hù)段，又有跳變壓器各側(cè)斷路器的保護(hù)段。實(shí)際計(jì)算表明：此過(guò)流保護(hù)應(yīng)能保證對(duì)低壓母線的故障有足夠的靈敏度且動(dòng)作時(shí)間在1.0 s以內(nèi)。 　　220 kV聯(lián)絡(luò)變壓器的保護(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)設(shè)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)流保護(hù)對(duì)于未裝設(shè)母差的低壓側(cè)母線，應(yīng)是此母線故障的主保護(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)) 也只能靠后備保護(hù)切除;作為出線保護(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)流保護(hù)切除故障的時(shí)間不僅要不大于2.0 s，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。低壓側(cè)為10 kV的變壓器，其出線一般直供用戶，出線保護(hù)延時(shí)應(yīng)限制在1 s，主變低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)的延時(shí)可控制在2 s內(nèi)。低壓側(cè)為35 kV的變壓器均有送出線路，此線路帶下一級(jí)變電站，因此，此線路保護(hù)的延時(shí)按正常配合一般要長(zhǎng)于1.5 s，這就使得主變低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)的整定延時(shí)大于2 s。若將主變低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)的延時(shí)整定為2 s，必然與出線后備保護(hù)失配，有越級(jí)跳閘的可能。需要增加與出線保護(hù)限時(shí)電流速斷配合的變壓器低壓側(cè)短路過(guò)流保護(hù)，綜合考慮有配合關(guān)系的保護(hù)定值，提高保護(hù)的速動(dòng)性和選擇性。此短路過(guò)流保護(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)相間后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不大于2 s應(yīng)該說(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)流保護(hù)整定原則不變的情況下，增加一段短路保護(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段配合，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足此要求。因此，變壓器本側(cè)電流定值應(yīng)躲過(guò)出線阻抗II段保護(hù)范圍末端的短路。對(duì)于輻射線可考慮與出線的阻抗II段配合(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。短路過(guò)流保護(hù)動(dòng)作后先跳本側(cè)母聯(lián)再跳變壓器本側(cè)開(kāi)關(guān)最后跳各側(cè)。實(shí)際系統(tǒng)試算表明，在變壓器并列運(yùn)行、系統(tǒng)有檢修時(shí)此保護(hù)對(duì)本側(cè)母線兩相短路的靈敏度難以達(dá)到1.5的要求?？梢钥紤]增加負(fù)序電流保護(hù)以提高兩相短路的靈敏度，但綜合考慮各種短路的需求，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)流保護(hù)，其整定值應(yīng)由變壓器的熱穩(wěn)定要求決定。