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。

 

    1、變壓器設計熱穩定指標

 

    “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。”

 

    當以平均電壓作為基準電壓，以1000MVA為基準容量時，可以計算出對應的系統等值電抗標幺值。

 

    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500kV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（500kV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。

 

    2、220kV及以下變壓器

 

    220kV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。110kV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，110kV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220kV變壓器的作用相似。

 

    3、可能考驗變壓器熱穩定性的故障

 

    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。500kV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500kV系統側故障對變壓器熱穩定性的考驗。

 

    220kV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。

 

    2）220kV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。

 

    4、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2s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。

 

    1）整定規程要求

 

    變壓器各側的過電流保護均按躲變壓器額定負荷整定，但不作為短路保護的一級參與選擇性配合，其動作時間應大于所有出線保護的最長時間。

 

    變壓器短路故障后備保護應主要作為相鄰元件及變壓器內部故障的后備保護。主電源側的變壓器相間短路后備保護主要作為變壓器內部故障的后備保護。其它各側的后備保護主要作為本側引線、本側母線和相鄰線路的后備保護，并盡可能當變壓器內部故障時起后備作用。以較短時限動作于縮小故障影響范圍，以較長時限動作于斷開變壓器各側斷路器。

 

    主電網間聯絡變壓器的短路故障后備保護整定：高（中）壓側（主電源側）相間短路后備保護動作方向可指向變壓器，作為變壓器高（中）壓側繞組及對側母線相間短路故障的后備保護，并對中（高）壓側母線故障有足夠的靈敏度，靈敏系數大于1．5；如采用阻抗保護作為后備保護，且不裝設振蕩閉鎖回路，則其動作時間應躲過系統振蕩周期，其反方向偏移阻抗部分作為本側母線故障的后備保護。

 

    供電變電所降壓變壓器的短路故障后備保護整定：高壓側（主電源側）相間短路后備保護動作方向指向變壓器，對中壓側母線故障有足夠靈敏度。

 

    2） 500kV變壓器的保護

 

    當220kV側母差保護校驗停運或故障拒動及開關與TA間故障時，變壓器高壓側及本側的阻抗保護對于金屬性短路故障應能可靠動作，且保護整定延時可以在1．5～2．0s之間。如果短路為非金屬性的，經弧光短路時，阻抗保護可能靈敏度不足或整定延時長于2．0s。最好在本側設一個保變壓器熱穩定的反時限過流保護，其整定值應由變壓器的熱穩定要求決定。如果只設一個電壓閉鎖定時限的過流保護，則其電流定值應保證在變壓器本側流過的電流接近熱穩定電流時可靠動作，如整定為0．8倍的設計允許熱穩定電流值（主要考慮TA和保護裝置本身的測量誤差），且使變壓器脫離故障點動作延時不長于2．0s。問題是當實際故障電流略小于保護定值時，保護將不能動作使變壓器脫離故障點，故障電流仍有可能在較長的時間內造成變壓器熱穩定的破壞。所以，還需要有一個延時較長（如3．0～5．0s），動作值更小的電壓閉鎖過流保護。筆者認為：220kV側母差保護雙重化配置，并合理設計失靈保護，由它們共同實現使變壓器快速脫離故障點，也應是較好的方案。（220kV母差保護直接跳變壓器各側開關，雖也可解決開關與TA間故障及母線故障變壓器該側開關拒動的問題，但在多數情況下多跳了開關，在一些情況下還可能導致500kV另一元件停電。）

 

    變壓器低壓側一般采用三角形接線，高、中壓側的阻抗保護很可能對低壓側短路起不到保護作用［4］。因此，變壓器低壓側的電壓閉鎖過流保護多重化配置，才可以保證在任何情況下運行設備都由兩套交、直流輸入和輸出回路相互獨立，并分別控制不同斷路器的繼電保護裝置進行保護。單相式500kV變壓器的低壓側設有套管TA，可測量到變壓器低壓側各相線圈流過的電流。在近低壓側斷路器處還設有外附TA。這樣的TA布局方便了低壓側保護多重化的交流電流回路接線要求，可將過流保護分別接于套管TA和外附TA。在保護裝置設計和制造時，要做到過流各有自身的直流逆變電源和出口跳閘繼電器。在二次回路設計時，要做到使它們的直流電源受不同的熔斷器控制，其中一套保護的直流熔斷器熔斷時不影響其他過流保護的正常運行。在保護出口所跳斷路器的設計中，應滿足既有跳低壓側斷路器的保護段，又有跳變壓器各側斷路器的保護段。實際計算表明：此過流保護應能保證對低壓母線的故障有足夠的靈敏度且動作時間在1．0s以內。

 

    3）220kV聯絡變壓器的保護

 

    一般中壓側的電源較弱（不以中壓側的電壓等級為主網架的電網），高壓側故障時流過變壓器的故障電流遠小于中、低壓側故障時流過的電流，應重點考慮中、低壓側相關設備短路時對變壓器熱穩定性的影響。

 

    變壓器低壓側：過流保護對于未裝設母差的低壓側母線，應是此母線故障的主保護；裝設了母差的低壓側母線，主變開關與TA間的故障（TA未在開關近母線側時）也只能靠后備保護切除；作為出線保護的后備?；诹硗鈨蓚炔⒘羞\行及故障時分段開關跳閘的因素，低壓側過流保護切除故障的時間不僅要不大于2．0s，而且要盡量壓縮到更短的時間。實際運行中定值整定的可行性取決于低壓側是否有送出線路。低壓側為10kV的變壓器，其出線一般直供用戶，出線保護延時應限制在1s，主變低壓側過流保護的延時可控制在2s內。低壓側為35kV的變壓器均有送出線路，此線路帶下一級變電站，因此，此線路保護的延時按正常配合一般要長于1．5s，這就使得主變低壓側過流保護的整定延時大于2s。若將主變低壓側過流保護的延時整定為2s，必然與出線后備保護失配，有越級跳閘的可能。需要增加與出線保護限時電流速斷配合的變壓器低壓側短路過流保護，綜合考慮有配合關系的保護定值，提高保護的速動性和選擇性。此短路過流保護應有跳變壓器各側的功能。

 

    變壓器中壓側：使本側相間后備保護動作時間不大于2s應該說有很大的困難。在現有按躲變壓器負荷電流整定的過流保護整定原則不變的情況下，增加一段短路保護過流定值。為了壓縮動作時間，可考慮與出線的阻抗II段配合，但要求此II段應對本線及相鄰的下一級線路故障有靈敏度，聯絡線的阻抗II段因有電源的助增很難滿足此要求。因此，變壓器本側電流定值應躲過出線阻抗II段保護范圍末端的短路。對于輻射線可考慮與出線的阻抗II段配合（II段應對本線及相鄰的下一級線路故障有靈敏度），躲過出線相聯變電站其他側母線短路流過本變壓器的故障電流。短路過流保護動作后先跳本側母聯再跳變壓器本側開關最后跳各側。實際系統試算表明，在變壓器并列運行、系統有檢修時此保護對本側母線兩相短路的靈敏度難以達到1．5的要求?？梢钥紤]增加負序電流保護以提高兩相短路的靈敏度，但綜合考慮各種短路的需求，最好還是在本側設一個保變壓器熱穩定的反時限過流保護，其整定值應由變壓器的熱穩定要求決定。

 

    變壓器高壓側：作為主電源的短路過流保護應作為變壓器中、低壓側故障的后備保護。在中、低壓側故障但保護拒動或開關拒動時，高壓側過流保護應動作切除故障，并與中、低壓的短路過流段配合，但對中、低壓側故障可能靈敏度不足，在220kV變壓器保護微機化并實現雙重配置，且中、低壓側過流都具有滿足延時要求并跳三側的保護段后，高壓側過流可不做嚴格要求。高壓側母線故障時，流過變壓器繞組的電流一般較中、低壓側故障時小，變壓器熱穩定允許的情況下，由按躲額定負荷電流整定的過流保護動作（延時在5s左右）使變壓器脫離故障。

 

    4）220kV及以下僅高壓側有電源的變壓器保護

 

    只考慮變壓器中、低壓側相關設備短路時對變壓器熱穩定性的影響。變壓器低壓側：應與聯變低壓側的保護相同。變壓器中壓側：增加一段短路保護過流定值，可考慮與出線的阻抗II段配合（II段應對本線及相鄰的下一級線路故障有靈敏度），躲過出線相聯變電站其他側母線短路流過本變壓器的故障電流，確保變壓器的熱穩定，其動作后先跳母聯再跳變壓器各側。對于多級串供的線路保護要做好保護定值的綜合考慮，盡量減少不配合。此短路過流保護若在某方式下對中壓側母線靈敏度不足時，應核算此時流過變壓器的故障電流是否允許持續到按躲變壓器負荷電流整定的過流保護動作。

 

    變壓器高壓側：與聯絡變類似，作為變壓器中、低壓側故障的后備保護。也可增加一段短路過流保護，與中、低壓的短路過流段配合。在中、低壓側故障但保護拒動或開關拒動時，高壓側過流保護動作切除故障。以保大容量主設備安全為首，并盡量兼顧對用戶供電可靠性的原則。盡可能將不配合點靠近用戶，使保護越級動作造成的影響范圍盡量縮小。重要用戶負荷可以考慮用備投方式解決供電可靠性。

 

    5、建議

 

    1）變壓器作為電力系統中的重要電氣設備，設計、制造及運行各環節都應注意其安全性。其動、熱穩定性的設計應充分考慮變壓器是否并列運行，并列運行的臺數，幾側有電源及電網中性點接地方式等要求。

 

    2）為了確保變壓器運行中承受故障的熱穩定性，制造廠應提供變壓器繞組流過故障電流大小與允許時間的關系曲線，類似于發電機允許承受負序的A值要求。

 

    3）變壓器保護的配置與整定時，應根據制造廠提供的變壓器繞組流過故障電流大小與允許時間的關系曲線配置與之相適應的保護。

 

    4）變壓器差動保護的范圍應包括低壓側開關，使低壓側開關與TA間的故障不對變壓器的熱穩定構成威脅。

 

    5）變壓器保護應盡可能實現微機化，可以有較多的過流保護段，使各側的過流保護能有相對較快的延時段跳變壓器各側開關，特別是中、低壓側保護跳變壓器各側開關的保護段有利于變壓器盡快脫離故障點。

 

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