220 kV变压器过载及故障保护措施研究与应用

王紫薇，王 晶

(1.三峡大学,湖北 宜昌 443002;2.国网湖北省电力公司,湖北 武汉 430077)

0 引言

220 kV变压器作为输变电主设备在电网运行中作用巨大，并且因为其价格昂贵、损坏维修困难、修复工期长，其安全在电网运行中备受重视。正常情况下，主变一般在额定电流以下运行，但在系统大负荷、设备故障或异常、并列运行主变一台跳闸、系统潮流转移等多种情况下[1]，主变可能会超额定电流运行，短时超额定电流运行为系统潮流的调整赢得时间，有利于系统稳定运行，但长期超过额定电流运行将在不同程度上缩短变压器的寿命，严重时会损坏变压器[2]。造成变压器损坏的主要原因是大电流引起的温升，使得变压器绝缘性能严重劣化。变压器所允许的电流和变压器各关键点的最高温度相互关联，互相制约。220 kV变压器配置的后备保护一般为复压闭锁过流保护和过电流保护，单一表征电流量的后备过电流保护根本无法适应；且单从电流而言，实际运行中过流保护灵敏度很难把握，灵敏度整定高则牺牲了主变过载能力，灵敏度低则会增大主变损坏程度，过流保护的灵敏性和选择性难以兼顾。电网运行中发生过多次因过流保护使用不当导致的变压器损坏或大面积损失负荷的事件[3][4]，如何在保证设备安全运行的同时，最大限度地实现对用户连续供电，一直是困扰电网运行者的难题。

1 变压器过载原因及后果分析

1.1 过载原因

引起220 kV主变超额定电流的主要原因有系统或主变故障时的过电流以及系统无故障时变压器过载。对于变压器内部故障，电压、电流均有变化，变压器所配置的差动主保护和复压闭锁过流保护一般具有较高灵敏度可以快速切除故障。对于区外故障及变压器重载，差动保护可靠不动作，远处区外故障及变压器重载，电压变化不明显，复压元件不开放闭锁过流保护，此时主变在较长时间内超额定电流运行。随着电流和温度的升高，增加了变压器过早损坏的危险性，这种危险可能是直接的短期性质，也可能是由于变压器绝缘老化多年积累造成的[5]。故而国家电网公司十八项电网重大反事故措施（试行）继电保护专业重点实施要求5.3条规定：变压器的高压侧宜设置不经任何闭锁的、长延时的后备保护，作为变压器总后备，用于切除可能危及变压器安全的过载电流。但在实际应用过程中，该后备保护往往不能兼顾灵敏性和选择性，从而失去保护作用。

1.2 变压器超额定电流运行的后果

根据现场实际运行情况及相关规程，变压器超额定电流运行的后果如下：

（1）220 kV大型油浸式变压器储油柜中的油因膨胀可能会溢出，套管内部压力升高可能会漏油。绕组、线夹、引线、绝缘及油的温度将会升高，且有可能达到不可接受的程度。

（2）随着温度的升高，绝缘和油中的水分和气体含量将会发生变化。在热点温度突然升高超过临界温度时，绝缘纸中出现气泡，使其绝缘强度降低，引起故障。对于具有正常含水量的变压器，此临界温度约在140～160℃之间，当水分含量增加时，此临界温度还要降低。

（3）套管、分接开关、电缆终端接线装置和电流互感器等也将受到较高的热应力，从而使得其结构和适用安全裕度受到影响。

（4）铁心外的漏磁通密度将增加，从而使与此漏磁通耦合的金属部件由于涡流效应而发热。随着变压器容量增大，漏磁磁密、短路应力以及受高场强作用的绝缘体积都会增加，大型变压器超额定负载时，比小型变压器更易受损，故障的后果也更加严重[6][7]。

1.3 规程与规定研究

根据GB 1094.2-2013《电力变压器 第2部分 温升》、GBT 1094.7-2008《油浸式电力变压器负载导则》规定，变压器的负载状态可分为3类：正常周期性负载、长期急救周期性负载和短期急救负载，并针对每一类负载规定了允许的电流和各关键点绕组温度，对于大型变压器，无论是正常周期性负载，还是长期急救周期性负载，电流标幺值（或负载率）均不得超过1.3；短期急救负载的电流标幺值（或负载率）不得超过1.5。对于中型变压器，无论是正常周期性负载，还是长期急救周期性负载，电流标幺值（或负载率）均不得超过1.5；短期急救负载的电流标幺值（或负载率）不得超过1.8。GBT 1094.7-2008中还注明：“温度和电流限值不同时适用，电流可比表中的限值低一些，以满足温度限值的要求。相反地，温度可比表中的限值低一些，以满足电流限值的要求。”[7][8]

单从电流而言，并列运行的变压器过电流保护，按选择性要求应考虑运行中另一台主变跳闸所引起的潮流转移，对相同容量的两台主变，其至少应为2倍额定电流，如果是不同容量的主变并列运行，容量小的主变过流定值则会大于2倍额定电流[9]，但GBT 1094.7-2008规定，无论是正常周期性负载，还是长期急救周期性负载，大型变压器电流标幺值（或负载率）均不得超过1.3；短期急救负载的电流标幺值（或负载率）不得超过1.5[7]。运行要求与变压器安全不能兼顾。

根据前面分析，220 kV变压器过载，其对变压器的影响是当变压器负载电流超过额定电流，或环境温度高于设计温度时，变压器将遭受一定程度的危险，并且老化加速。尽管绝缘的老化或劣化是温度、含水量、含氧量和含酸量的时间函数，但主要还是温升影响。GBT 1094.7-2008《油浸式电力变压器负载导则》将绝缘温度作为控制参数，由于温度分布不均匀，在最高温度下运行的那部分一般将遭受最严重的劣化[7]，变压器绕组最热区所达到的温度，是变压器负载最关键的限制因素。

对于变压器的一些运行指标，GBT 1094.7-2008作了如下规定：

（1）油浸式变压器顶层油温

油浸式变压器顶层油温一般不应超过表1的规定，且自然循环冷却变压器的顶层油温一般不宜经常超过85℃。

表1 油浸式变压器顶层油温在额定电压下的一般限值Tab.1 General limit value of top oil temperature for oil-immersed powertransformer at rated voltage

（2）变压器负载电流和温度的最大限值

变压器在各类负载状态下的负载电流和温度的最大限值如表2所示。

表2 变压器负载电流和温度最大限值Tab.2 Maximum value of load current and temperature for transformer

对于大型变压器和中型变压器划分，规程规定：三相最大额定容量为100 MVA，单相最大容量为33.3 MVA的变压器为中型变压器，超过该容量的变压器为大型变压器。在现在系统中220 kV变压器的容量一般均大于100 MVA，故本文中220 kV主变按大型变压器考虑。

从表1、表2可以看出，决定油浸式变压器过载能力的主要是变压器顶层油温和变压器负载电流的最大限值。油浸式变压器顶层油温最大值由其冷却方式决定，自然循环自冷、风冷的最高限值95℃，强迫油循环风冷的最高限值85℃，强迫油循环水冷的最高限值70℃。对于大型变压器，无论是正常周期性负载，还是长期急救周期性负载，电流标幺值（或负载率）均不得超过1.3；短期急救负载的电流标幺值（或负载率）不得超过1.5。短期急救负载下运行，相对老化率远大于1，绕组热点温度可能达到危险程度[9][10]。在出现这种情况时，规程规定，应投入包括备用在内的全部冷却器（制造厂有规定的除外），并尽量压缩负载、减少时间，一般不超过0.5 h。

2 解决措施

从上面分析看出，变压器故障和变压器过载运行具有完全不同的形态和运行要求，对变压器故障要求快速切除，而对于变压器过载则应视情况采取不同的策略。

2.1 针对220 kV变压器故障

220 kV变压器故障，电流、电压具有很强的故障特征，变压器配置的差动主保护及复压闭锁过流保护可以很好解决。主变差动对变压器内部故障灵敏度高，复压闭锁过流保护的电流定值整定为1.2～1.3倍额定电流，以保证可靠快速切除故障。对变压器过载能力不足的变压器按实际过载整定。过电流保护按1.1倍额定电流整定，仅告警，不跳闸。

2.2 针对220 kV变压器过载

由以上分析可知变压器重载运行时，造成变压器损坏的是大电流引起的温升，从而使得变压器绝缘性能严重劣化。变压器所允许的电流和温度相互关联，互相制约，针对同一电流，不同的变压器各热点温度、环境温度，所允许的变压器运行时间亦不相同，单一表征电流量的后备过流保护显然无法满足国标规定的变压器在各类负载状态下的负载电流和温度的最大限值要求[6]。

故而针对220 kV变压器过载综合采用变压器顶层油温和电流定值，保护逻辑如下：

（1）I*＜IL，且顶层油温T＜Tsd℃时，变压器继续运行；

（2）I*≥IL，装置启动全部冷却器，并闭锁有载调压装置；

（3）IL≤I*＜IH，且顶层油温T＜Tsd℃时，运行0.5 h后，装置切除部分负荷，使I*＜IL；

（4）I*≥IH，且顶层油温T＜Tsd℃时，装置短经延时切除部分负荷，延时时间大于保护装置最长动作时间，可取10s，使I*＜IH；

（5）顶层油温T≥Tsd℃时，装置经短延时切除部分负荷，延时切除时间取10 s，使I*＜IL。

其中，I*为变压器电流与额定电流比值；IH为电流高值，IL为电流低值，对大型变压器，IL取1.3，IH取1.5；Tsd℃为设定温度，自然循环自冷、风冷的取95，强迫油循环风冷的取85，强迫油循环水冷的取70。

当变压器有严重缺陷或绝缘有弱点不宜超额定电流运行时，按实际要求控制负荷，使得变压器在各种情况下不过载。

3 实现和应用

针对220 kV变压器故障，保护装置功能完善，只需改变后备过电流保护的应用，仅告警不跳闸。

针对220 kV变压器过载，智能变电站可以在变压器的本体智能终端中实现3.2的逻辑，联切负荷通过虚回路配置实现；常规变电站可以在变压器非电量保护中实现3.2的逻辑，联切负荷通过与中、低压线路保护间配线实现。

4 结语

本保护措施完全满足国标及变压器运行规程要求，且构成简单，对现有二次系统改造很小，逻辑中的电流高、低定值、顶层油温设定值可以灵活设置。现场应用时可以依据变压器实际评估结果进行调整，在确保变压器安全的前提下，充分利用变压器的过载能力，极大地提高了系统的安全运行水平和最大限度地保障用户连续供电，效果显著。

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