有效提高變壓器高、低壓側后備保護可靠性的措施研究

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

關鍵詞：變壓器；后備保護；可靠性；電網運行；電力系統 文獻標識碼：A

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

變壓器設備的安全可靠運行是保障電網正常運行的關鍵因素之一，目前大多數電網均為超高壓、大容量系統，因此變壓器也向大容量方向發展，在安裝數量上也隨著電網容量的增加而明顯增加。但是在變壓器的實際應用過程中，經常出現高、低壓測后備保護靈敏度不足、斷路器拒動或誤動、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故障、停電事故等嚴重后果，對此需采取有效的措施提高變壓器后備保護裝置的可靠性。

1 變壓器后備保護簡介及常見問題

1.1 變壓器后備保護

按照《3～110kV電網繼電保護裝置運行整定規程》中的相關規范，3～110kV電網的繼電保護均應遵循遠后備原則，具體為在同故障點相鄰的斷路器位置安裝繼電保護裝置，目的是在變壓器斷路器設備本身發生拒動故障時啟動電源側的繼電保護，從而保證及時將故障切除。輸電線路的保護通常分為3段，第一段和第二段是主保護，第三段是后備保護，其中后備保護又分有遠后備與近后備兩種，在第三段保護中應至少裝置有近保護，當第一段和第二段的距離保護出現誤動或者拒動現象時由第三段距離保護做出跳閘保護動作。遠后備保護范圍是變壓器低壓側的母線故障范圍，因此在裝置遠后備保護時需要考慮變壓器阻抗值、接線組別等問題。變壓器后備保護主要有以下五種類型：（1）復合電壓閉鎖過流：主要作為變壓器短路故障中的后備保護，用于變壓器內部以及相鄰元件的后備保護。部分元件經常因為靈敏度不足的問題而未能在出現短路故障時及時閉合電路，因此需增加復合電壓閉鎖回路。若是發生不對稱故障時，在滿足對稱性故障和負序電壓故障保護安裝位置的三相電壓低于定值時方可開放過電流啟動保護，這樣可以降低復合電壓閉鎖過流電流定值。（2）過電流保護：變壓器高、低壓側過電流的多電流保護元件均是按照變壓器最大負荷電流設置的，但是并沒有針對短路進行選擇性配合，動作時間會超過出線路保護的最長時間，當達到最大負荷時需警惕電路過負荷。（3）瓦斯保護：瓦斯保護為變壓器常用的后備方式之一，包括重瓦斯保護與輕瓦斯保護兩種，前者保護動作為直接將斷路器斷開，后者則是在發生故障時發出相應的警報信號，從而提示有關工作人員。瓦斯保護主要適用在油浸式的變壓器中，其作用原理是根據檢測到的油箱氣體指數判定是否需要動作，變壓器發生接地、內部短路等故障時，故障處電弧及電流會在短時間內產生大量熱能，變壓器油箱內的油會在熱能作用下蒸發并分解為氣體，油枕受到氣體的沖擊之后就會觸發瓦斯保護裝置，進而做出保護動作。瓦斯保護不僅成本較低、結構簡單，而且具有較高的靈敏度，因此對于匝數比較少的繞組端變壓器比較適合。但是瓦斯保護只能對變壓器內部的故障做出保護反應，若是發生外部故障時瓦斯保護裝置并不能在較短的時間內做出保護，會導致故障時間持續時間長、范圍擴大。（4）差動保護：目前越來越多的變壓器使用差動保護裝置，差動保護能夠有效判別保護元件本身是否存在故障，若是元件本身發生故障會立即啟動保護將故障切除，保障其他設備不會受到干擾。（5）接地保護：在中性點直接接地電力系統的運行中，經常會發生接地故障，變壓器設備也是，因此會安裝相應的接地保護裝置，可以同時發揮差動保護、瓦斯保護的故障保護功能。

1.2 變壓器后備保護常見問題

變壓器后備保護常見的故障問題主要有誤動和拒動兩種，均是由后備保護裝置的靈敏度不足、可靠性降低等原因導致。（1）誤動：誤動指的是在變壓器發生故障時沒有及時有效地識別故障并做出相應動作或者是在變壓器設備并未出現故障時做出跳閘等保護動作。引起后備保護誤動的因素有很多種，例如直流偏磁、應涌流以及勵磁涌流均會導致差動保護拒動，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中性點接地均會引起零序保護誤動。（2）拒動：變壓器相鄰線路遠端出現故障時，若故障線路本身保護裝置發生斷路器拒動且該側主變后備的保護靈敏度不足時，會導致后備保護拒動問題，從而不能及時有效地將故障切除，最后會導致事故范圍不斷擴大。變壓器內部出現故障時，比如在三繞組變壓器中，后備保護會按“跳母聯——跳本側——跳三側”的順序原則啟動保護，最終變壓器三側斷路器均需跳開，而若是變壓器只有一側發生故障時，例如斷線、短路等問題時，應只跳該側斷路器即可，另外兩側仍可以繼續正常運行。如果變壓器閉鎖過流保護靈敏度較差，變壓器任意一側線路出現三相短路故障，且故障點處于變壓器線路遠端，高壓側電壓值會比低壓側電壓元件的設定值高，導致低壓側電壓元件以及過流保護不能正常啟動，于是就出現了復合電壓元件無法動作，主變壓器復壓過電流保護設備拒動的現象。

2 提高變壓器后背保護可靠性的有效措施

2.1 延長設備接地放電間隙過流的保護時間

在變電站運行過程中，當系統出現故障時，放電間隙過流保護經常會使未采取接地措施的變壓器出現越級跳閘或者搶先動作的現象，因此放電間隙過流保護不大理想。為了減少這類現象的發生，可將放電間隙的過流保護時間適當地延長，確保放電間隙能夠在合理的時間點做出保護，并且有充足的時間解除接地故障，從而改善因未采取接地措施的變壓器放電間隙發生搶先動作的現象而引起其他故障。此外，新建的變電站不應立即去除母線三相電壓互感器，而是應將其同過電壓保護以及中性點零序過流保護相融合，進一步完善變電站的配置方式，從而有效提升變壓器設備運行的靈活性，最終達到有效保障、提高接地保護的可靠性和安全性。

2.2 提高設備負荷電壓元件靈敏度

當外部相間短路時極易引起變壓器過流現象，造成變壓器故障，為了避免這一現象，需要在變壓器設備中裝置相間短路后備保護，同時采取過電流保護。因為負荷電壓閉鎖多電流保護設備有靈敏度高以及安全性優等特點，在變電站主變壓器后備保護中的應用十分廣泛。為了提高后備保護的可靠性，還應提高后備保護設備負荷元件的靈敏度，可同時安裝兩套復壓方向過流保護，且兩套設備間完全相互獨立，分別從兩個不同的電流互感器中取電流，直流電流也同樣從兩個不同直流母線中取，這樣可以極大地提升后備保護的可靠性。此外，若是變壓器高壓側負荷電壓閉鎖過流裝置相對低壓母線一側的靈敏度低時，可于低壓側位置添加一套不帶電壓閉鎖且定值較高的純過流保護設備。這樣一來，高壓側與低壓側的兩套后備保護是完全相互獨立的，不僅能夠獨立運行發揮保護作用，而且還不會相互干擾，減少了因低壓側過流保護出現拒動現象而導致變壓器受損的現象。同時，低壓側過流保護還可將一個時間段的跳總出口延長，即低壓側和高壓側分先后順序跳，這樣就能夠避免因低壓側斷路而導致失靈的情況，并且低壓側與高壓側兩者復合電壓閉鎖應采取并聯方式連接，提升高壓側復合電壓閉鎖裝置與低壓側斷路的靈敏度。

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位置是變壓器低壓側的差動保護裝置最為理想的安裝位置，因為將電流互感器安裝在靠近斷路器的一側能夠在斷路器發生故障時立即啟動差動保護，及時、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位置安裝，則應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裝置的保護范圍之內，從而保證在變壓器發生故障時，電流互感器能夠在第一時間啟動保護，及時切除故障。

2.4 優化保護裝置的配置方案

部分后備保護拒動或者誤動問題是由于配置不合理引起的，因此可通過優化保護裝置的配置方案來達到提高后備保護可靠性的目的。（1）在變壓器尤其是大型變壓器正式投入運行使用之前應先進行空載合閘試驗，通過試驗選取合適的變壓器后備保護方式，并合理設計后備保護裝置方案；（2）在選取后備保護裝置時需綜合考慮實際保護范圍、設備性能等多種因素，并在裝置后進行數次電磁試驗，確保裝置正確且不會受到電磁干擾；（3）因為變壓器的結構是比較復雜的，在運行的過程中可能會出現異常狀態、內外部故障，需要安裝的后備保護多達幾十種，但是在變壓器實際工作中某些故障類型發生的概率是極小的，因此各類型保護裝置的靈敏度也存在一定的差異。對此在選取保護方式和設計配置方案時應遵循四個原則：（1）各項保護裝置的功能完備，目的是保證能夠對變壓器的異常狀態和故障及時做出有效的保護措施；（2）充分考慮變壓器的容量等參數確定單套配置還是組合配置；（3）應選取性能優良、運行經驗豐富成熟、技術達標的保護裝置以及保護原理；（4）合理進行組屏，對于容量大的變壓器最好選用兩套保護系統，并分屏裝置，采取分屏設置可實現在保障變壓器繼續運行的條件下進行系統的調試與檢修。

3 結語

變壓器后備保護在電力系統運行過程中有著不可忽視的作用，其可靠性高低直接關系著電力系統能否正常、穩定、安全運行，因此提高變壓器后備保護靈敏度、可靠性具有十分重要的意義。受到多種因素的影響，變壓器后備保護在實際運行中經常出現誤動、拒動的問題，不僅會延誤故障的切除，還會延長故障持續的時間、擴大故障的影響范圍，造成嚴重的后果。對此需要采取有效措施提升后備保護裝置的可靠性：（1）應延長設備接地放電間隙過流的保護時間；（2）要提高設備負荷電壓元件靈敏度；（3）應于靠近斷路器位置安裝電流互感器；（4）應優化保護裝置的配置方案，通過有效的措施降低后備保護裝置誤動或者拒動的現象，保障電力系統運行穩定性以及安全性。

參考文獻

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作者簡介：宋勝菏（1971-），女，山東德州人，國網山東省電力公司德州供電公司高級工程師，高級企業培訓師，研究方向：電力系統及其自動化。

（責任編輯：蔣建華）