有效提高变压器高、低压侧后备保护可靠性的措施研究

摘要：变压器为电网最主要的元件，变压器故障对电力系统的正常运行有着直接性的影响，因此保障变压器后备保护可靠性意义重大。文章介绍了变压器后备保护，研究了提高变压器高、低压侧后备保护可靠性的有效措施。

关键词：变压器；后备保护；可靠性；电网运行；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM772 文章编号：1009-2374（2016）32-0034-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.016

变压器设备的安全可靠运行是保障电网正常运行的关键因素之一，目前大多数电网均为超高压、大容量系统，因此变压器也向大容量方向发展，在安装数量上也随着电网容量的增加而明显增加。但是在变压器的实际应用过程中，经常出现高、低压测后备保护灵敏度不足、断路器拒动或误动、母线故障等问题，造成变压器故障、烧毁甚至大面积电力系统故障、停电事故等严重后果，对此需采取有效的措施提高变压器后备保护装置的可靠性。

1 变压器后备保护简介及常见问题

1.1 变压器后备保护

按照《3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》中的相关规范，3～110kV电网的继电保护均应遵循远后备原则，具体为在同故障点相邻的断路器位置安装继电保护装置，目的是在变压器断路器设备本身发生拒动故障时启动电源侧的继电保护，从而保证及时将故障切除。输电线路的保护通常分为3段，第一段和第二段是主保护，第三段是后备保护，其中后备保护又分有远后备与近后备两种，在第三段保护中应至少装置有近保护，当第一段和第二段的距离保护出现误动或者拒动现象时由第三段距离保护做出跳闸保护动作。远后备保护范围是变压器低压侧的母线故障范围，因此在装置远后备保护时需要考虑变压器阻抗值、接线组别等问题。变压器后备保护主要有以下五种类型：（1）复合电压闭锁过流：主要作为变压器短路故障中的后备保护，用于变压器内部以及相邻元件的后备保护。部分元件经常因为灵敏度不足的问题而未能在出现短路故障时及时闭合电路，因此需增加复合电压闭锁回路。若是发生不对称故障时，在满足对称性故障和负序电压故障保护安装位置的三相电压低于定值时方可开放过电流启动保护，这样可以降低复合电压闭锁过流电流定值。（2）过电流保护：变压器高、低压侧过电流的多电流保护元件均是按照变压器最大负荷电流设置的，但是并没有针对短路进行选择性配合，动作时间会超过出线路保护的最长时间，当达到最大负荷时需警惕电路过负荷。（3）瓦斯保护：瓦斯保护为变压器常用的后备方式之一，包括重瓦斯保护与轻瓦斯保护两种，前者保护动作为直接将断路器断开，后者则是在发生故障时发出相应的警报信号，从而提示有关工作人员。瓦斯保护主要适用在油浸式的变压器中，其作用原理是根据检测到的油箱气体指数判定是否需要动作，变压器发生接地、内部短路等故障时，故障处电弧及电流会在短时间内产生大量热能，变压器油箱内的油会在热能作用下蒸发并分解为气体，油枕受到气体的冲击之后就会触发瓦斯保护装置，进而做出保护动作。瓦斯保护不仅成本较低、结构简单，而且具有较高的灵敏度，因此对于匝数比较少的绕组端变压器比较适合。但是瓦斯保护只能对变压器内部的故障做出保护反应，若是发生外部故障时瓦斯保护装置并不能在较短的时间内做出保护，会导致故障时间持续时间长、范围扩大。（4）差动保护：目前越来越多的变压器使用差动保护装置，差动保护能够有效判别保护元件本身是否存在故障，若是元件本身发生故障会立即启动保护将故障切除，保障其他设备不会受到干扰。（5）接地保护：在中性点直接接地电力系统的运行中，经常会发生接地故障，变压器设备也是，因此会安装相应的接地保护装置，可以同时发挥差动保护、瓦斯保护的故障保护功能。

1.2 变压器后备保护常见问题

变压器后备保护常见的故障问题主要有误动和拒动两种，均是由后备保护装置的灵敏度不足、可靠性降低等原因导致。（1）误动：误动指的是在变压器发生故障时没有及时有效地识别故障并做出相应动作或者是在变压器设备并未出现故障时做出跳闸等保护动作。引起后备保护误动的因素有很多种，例如直流偏磁、应涌流以及励磁涌流均会导致差动保护拒动，变压器零序阻抗、交流电压回路断线以及二次电压回路多个中性点接地均会引起零序保护误动。（2）拒动：变压器相邻线路远端出现故障时，若故障线路本身保护装置发生断路器拒动且该侧主变后备的保护灵敏度不足时，会导致后备保护拒动问题，从而不能及时有效地将故障切除，最后会导致事故范围不断扩大。变压器内部出现故障时，比如在三绕组变压器中，后备保护会按“跳母联——跳本侧——跳三侧”的顺序原则启动保护，最终变压器三侧断路器均需跳开，而若是变压器只有一侧发生故障时，例如断线、短路等问题时，应只跳该侧断路器即可，另外两侧仍可以继续正常运行。如果变压器闭锁过流保护灵敏度较差，变压器任意一侧线路出现三相短路故障，且故障点处于变压器线路远端，高压侧电压值会比低压侧电压元件的设定值高，导致低压侧电压元件以及过流保护不能正常启动，于是就出现了复合电压元件无法动作，主变压器复压过电流保护设备拒动的现象。

2 提高变压器后背保护可靠性的有效措施

2.1 延长设备接地放电间隙过流的保护时间

在变电站运行过程中，当系统出现故障时，放电间隙过流保护经常会使未采取接地措施的变压器出现越级跳闸或者抢先动作的现象，因此放电间隙过流保护不大理想。为了减少这类现象的发生，可将放电间隙的过流保护时间适当地延长，确保放电间隙能够在合理的时间点做出保护，并且有充足的时间解除接地故障，从而改善因未采取接地措施的变压器放电间隙发生抢先动作的现象而引起其他故障。此外，新建的变电站不应立即去除母线三相电压互感器，而是应将其同过电压保护以及中性点零序过流保护相融合，进一步完善变电站的配置方式，从而有效提升变压器设备运行的灵活性，最终达到有效保障、提高接地保护的可靠性和安全性。

2.2 提高设备负荷电压元件灵敏度

当外部相间短路时极易引起变压器过流现象，造成变压器故障，为了避免这一现象，需要在变压器设备中装置相间短路后备保护，同时采取过电流保护。因为负荷电压闭锁多电流保护设备有灵敏度高以及安全性优等特点，在变电站主变压器后备保护中的应用十分广泛。为了提高后备保护的可靠性，还应提高后备保护设备负荷元件的灵敏度，可同时安装两套复压方向过流保护，且两套设备间完全相互独立，分别从两个不同的电流互感器中取电流，直流电流也同样从两个不同直流母线中取，这样可以极大地提升后备保护的可靠性。此外，若是变压器高压侧负荷电压闭锁过流装置相对低压母线一侧的灵敏度低时，可于低压侧位置添加一套不带电压闭锁且定值较高的纯过流保护设备。这样一来，高压侧与低压侧的两套后备保护是完全相互独立的，不仅能够独立运行发挥保护作用，而且还不会相互干扰，减少了因低压侧过流保护出现拒动现象而导致变压器受损的现象。同时，低压侧过流保护还可将一个时间段的跳总出口延长，即低压侧和高压侧分先后顺序跳，这样就能够避免因低压侧断路而导致失灵的情况，并且低压侧与高压侧两者复合电压闭锁应采取并联方式连接，提升高压侧复合电压闭锁装置与低压侧断路的灵敏度。

2.3 于靠近断路器位置安装电流互感器

靠近断路器的母线侧位置是变压器低压侧的差动保护装置最为理想的安装位置，因为将电流互感器安装在靠近断路器的一侧能够在断路器发生故障时立即启动差动保护，及时、快速、有效地切除故障。此外，若是电流互感器无法仅靠母线侧位置安装，则应保证安装位置同断路器紧密相邻，尤其是相间过流电流互感器，应尽量靠近变压器位置安装，确保变压器引线和套管均在保护装置的保护范围之内，从而保证在变压器发生故障时，电流互感器能够在第一时间启动保护，及时切除故障。

2.4 优化保护装置的配置方案

部分后备保护拒动或者误动问题是由于配置不合理引起的，因此可通过优化保护装置的配置方案来达到提高后备保护可靠性的目的。（1）在变压器尤其是大型变压器正式投入运行使用之前应先进行空载合闸试验，通过试验选取合适的变压器后备保护方式，并合理设计后备保护装置方案；（2）在选取后备保护装置时需综合考虑实际保护范围、设备性能等多种因素，并在装置后进行数次电磁试验，确保装置正确且不会受到电磁干扰；（3）因为变压器的结构是比较复杂的，在运行的过程中可能会出现异常状态、内外部故障，需要安装的后备保护多达几十种，但是在变压器实际工作中某些故障类型发生的概率是极小的，因此各类型保护装置的灵敏度也存在一定的差异。对此在选取保护方式和设计配置方案时应遵循四个原则：（1）各项保护装置的功能完备，目的是保证能够对变压器的异常状态和故障及时做出有效的保护措施；（2）充分考虑变压器的容量等参数确定单套配置还是组合配置；（3）应选取性能优良、运行经验丰富成熟、技术达标的保护装置以及保护原理；（4）合理进行组屏，对于容量大的变压器最好选用两套保护系统，并分屏装置，采取分屏设置可实现在保障变压器继续运行的条件下进行系统的调试与检修。

3 结语

变压器后备保护在电力系统运行过程中有着不可忽视的作用，其可靠性高低直接关系着电力系统能否正常、稳定、安全运行，因此提高变压器后备保护灵敏度、可靠性具有十分重要的意义。受到多种因素的影响，变压器后备保护在实际运行中经常出现误动、拒动的问题，不仅会延误故障的切除，还会延长故障持续的时间、扩大故障的影响范围，造成严重的后果。对此需要采取有效措施提升后备保护装置的可靠性：（1）应延长设备接地放电间隙过流的保护时间；（2）要提高设备负荷电压元件灵敏度；（3）应于靠近断路器位置安装电流互感器；（4）应优化保护装置的配置方案，通过有效的措施降低后备保护装置误动或者拒动的现象，保障电力系统运行稳定性以及安全性。

参考文献

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[2] 杨剑梅，杨雪梅，高辉.变压器后备保护选择性与灵敏性配合问题的分析[J].电气技术，2015，（3）.

[3] 董雪.提高变电站主变压器后备保护可靠性的问题探讨[J].通讯世界，2015，（8）.

作者简介：宋胜菏（1971-），女，山东德州人，国网山东省电力公司德州供电公司高级工程师，高级企业培训师，研究方向：电力系统及其自动化。

（责任编辑：蒋建华）