沈陽變壓器回收專題變壓器運行的安全與繼電保護
摘要：通過分析變壓器熱穩定要求及其在運行中可能承受的故障考驗，提出了變壓器保護定值整定應考慮的相關問題，對其相間故障后備保護應具備的能力提出了看法。并對變壓器設計、運行及其保護配置與整定提出了建議。
關鍵詞：變壓器 熱穩定 保護配置 整定
1 引言
電力變壓器的故障分為內部和外部兩種故障。內部故障指變壓器油箱里面發生的各種故障，主要靠瓦斯和差動保護動作切除變壓器；外部故障指油箱外部絕緣套管及其引出線上發生的各種故障，一般情況下由差動保護動作切除變壓器。速動保護（瓦斯和差動）無延時動作切除故障變壓器，設備是否損壞主要取決于變壓器的動穩定性。而在變壓器各側母線及其相連間隔的引出設備故障時，若故障設備未配保護（如低壓側母線保護）或保護拒動時，則只能靠變壓器后備保護動作跳開相應開關使變壓器脫離故障。因后備保護帶延時動作，所以變壓器必然要承受一定時間段內的區外故障造成的過電流，在此時間段內變壓器是否損壞主要取決于變壓器的熱穩定性。因此，變壓器后備保護的定值整定與變壓器自身的熱穩定要求之間存在著必然的聯系。
2 變壓器設計熱穩定指標
文獻［1］中要求“對稱短路電流I的持續時間：當使用部門未提出其它要求時，用于計算承受短路耐熱能力的電流I的持續時間為2s。注：對于自耦變壓器和短路電流超過25倍額定電流的變壓器，經制造廠與使用部門協商后，采用的短路電流持續時間可以小于2s。”
GB1094．5—85中僅提供雙繞組三相變壓器對稱短路電流I值的計算式：
當以平均電壓作為基準電壓，以1000 MVA為基準容量時，可以計算出與表1相對應的系統等值電抗標幺值如表2。
按以上設計考慮，一臺220kV/120MVA普通三卷變壓器，取變壓器典型參數（高低壓阻抗比為22．4）計算可知：低壓側能夠承受的熱穩定電流標幺值約為0．51。當兩臺這樣的變壓器并列運行，低壓側母線故障本側分段開關跳開時，變壓器低壓繞組中可能的短路電流可達到0．75倍標幺值，比設計值增大了近50％。若三臺這樣的變壓器并列運行，變耦變壓器，按技術規程［2］要求，裝設瓦斯保護、過激磁保護、雙重差動保護，同時在其高、中壓側均裝設了阻抗保護及零序方向電流保護，低壓側裝設過流保護。這些保護均作用于跳閘。高、中壓側的阻抗保護和低壓側過流保護屬變壓器的相間后備保護。由于500 kV變壓器多為單相式變壓器，所以變壓器本體不會發生相間故障。在變壓器所連接的高、中壓系統中，線路保護一般配置了雙重縱聯保護，并有完整的后備保護，這樣線路的故障一般會較快地切除，對變壓器影響較小。因此，變壓器的相間后備保護應主要在其各側母線故障時起作用，特別是中、低壓側母線的故障（500 kV側母線設有雙套母差保護）。中、低壓母線故障流過變壓器的短路電流大，不僅引起變壓器繞組過熱，還可能造成繞組的動穩定破壞，誘發嚴重的內部故障。零序方向電流保護屬變壓器的接地故障后備保護，可以反應變壓器內部、高中壓側母線及與高中壓母線鄰近的電氣設備的接地故障。
3．2 220 kV及以下變壓器
220 kV變壓器多為三相式三卷變壓器，按技術規程要求，一般裝設瓦斯保護、差動保護，同時在其高、中壓側均裝設了復合電壓閉鎖過流保護及零序方向過電流保護與間隙保護，低壓側裝設復合電壓閉鎖過流保護。各側復合電壓閉鎖過流保護及零序方向過電流保護綜合，可以反應變壓器內部、各側母線及母線鄰近的電氣設備的接地與相間故障，作為變壓器自身主保護及各側母線及母線鄰近的電氣設備的后備保護。110 kV及以下變壓器一般裝設瓦斯保護（對油浸式變壓器）、差動保護，110 kV側零序過電流保護、間隙保護及各側過流保護或復合電壓閉鎖過流保護，這些保護的作用與220 kV變壓器的作用相似。
4 可能考驗變壓器熱穩定性的故障
4．1 500kV變壓器
由于變壓器自身主保護裝置及其交、直流回路的完全雙重化配置，應可以不再考慮變壓器差動保護范圍內故障對變壓器熱穩定性的考驗。500 kV系統母線、線路保護的完全雙重化配置，快速保護在保護范圍上的交叉布置，及完善的失靈保護，筆者認為可以不考慮500 kV系統側故障對變壓器熱穩定性的考驗。
220 kV系統側線路保護雙重化配置，母線保護目前多為單配置。因此，當母差保護校驗停運或故障拒動時，變壓器只能靠其后備保護動作使其脫離故障點。變壓器開關（或轉帶時旁路開關）與TA間的故障很可能靠變壓器后備保護脫離故障點。
變壓器低壓側一般經由母線帶站用變、電抗器及電容器，有的變電站可能帶較少的站外負荷。很多站低壓母線未配母差保護，因此母線故障變壓器只能靠其后備保護動作使其脫離故障點；再者，當站用變或電抗器及電容器故障而其開關或保護拒動時，變壓器也要靠其后備保護動作使其脫離故障點。
4．2 220 kV及以下變壓器
對于兩側系統都有電源的聯絡變壓器：任何一側母差保護校驗停運或故障拒動時；變壓器開關與TA間故障時；旁路轉帶方式在主變套管TA至旁母引線、旁路母線、旁路開關與TA間故障時；母線（220kV母線除外）上其他開關所帶電氣設備故障而其開關或保護拒動時變壓器只能靠其后備保護動作使其脫離故障點。
對于僅高壓側系統有電源的降壓變壓器：中、低側母差保護校驗停運或故障拒動時；中、低壓側變壓器開關與TA間故障時；中、低壓側母線上其他開關所帶電氣設備故障而其開關或保護拒動時變壓器只能靠其后備保護動作使其脫離故障點。
5 變壓器相間后備保護的配置與整定
變壓器接地故障保護定值與其所帶負荷的關系不大，因此接地故障后備保護的整定延時一般較短，能夠滿足2 s的熱穩定時間要求。在此僅關心變壓器相間后備保護的定值問題。