中外變壓器保護(hù)配置要求的異同探析

翟 強(qiáng) 裴善鵬

（1.淄博礦業(yè)集團(tuán)許廠煤礦，山東 淄博272073；2.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南250013）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)電力行業(yè)以總承包方式承接了多項(xiàng)國(guó)外電力工程［1］，項(xiàng)目主要分布在亞洲、南美洲、非洲等地區(qū)［2－3］，以電源項(xiàng)目居多，也有部分電網(wǎng)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目都用到了變壓器。和目前國(guó)外電力工程中其他設(shè)備和設(shè)計(jì)一樣，變壓器應(yīng)用遇到的最大問(wèn)題就是標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。目前對(duì)設(shè)備制造的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)外較為統(tǒng)一，但是對(duì)變壓器保護(hù)配置的標(biāo)準(zhǔn)不太一致。本文就從變壓器保護(hù)配置這一方面出發(fā)，分析我國(guó)電力常用的GB和DL標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的異同。

1 國(guó)內(nèi)外常用變壓器保護(hù)配置標(biāo)準(zhǔn)

由于本文針對(duì)的是保護(hù)配置方面，IEC標(biāo)準(zhǔn)、BS標(biāo)準(zhǔn)和NEMA標(biāo)準(zhǔn)中較少有對(duì)變壓器保護(hù)配置的要求，更多的是對(duì)繼電器設(shè)備本身抗干擾實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)格式等設(shè)備方面的一些要求，如IEC60255《電氣繼電器》，IEC60050－448《電力系統(tǒng)保護(hù)》等，所以本文不再對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析：IEEE標(biāo)準(zhǔn)中有很多關(guān)于保護(hù)配置的要求，因此本文主要引用IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行異同說(shuō)明。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方面，國(guó)標(biāo)中關(guān)于保護(hù)裝置通用技術(shù)規(guī)范和裝置電氣干擾試驗(yàn)等一些標(biāo)準(zhǔn)，如GB14598.300—2008《微機(jī)變壓器保護(hù)裝置通用技術(shù)要求》等，本文也不涉及，主要對(duì)標(biāo)的還是國(guó)內(nèi)的變壓器保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此本文總結(jié)出國(guó)內(nèi)外常用變壓器保護(hù)配置標(biāo)準(zhǔn)如下：

國(guó)內(nèi)常用的變壓器保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：GB／T14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》、GB／T50062—2008《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL／T5153—2002《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》、DL／T684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》。

國(guó)外常用的變壓器保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE Std C37.91—2008《Guide for Protecting Power Transformers》（電力變壓器保護(hù)導(dǎo)則）、IEEE Std C37.108—2002《Guide for the Protection of Network Transformer》（網(wǎng)絡(luò)變壓器保護(hù)導(dǎo)則）、IEEE Std242—2001《IEEE Reco mmended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Co mmercial Power Systems》（工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)保護(hù)和協(xié)調(diào)推薦實(shí)施規(guī)程）。

2 變壓器保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)介紹

IEEE Std C37.91—2008《電力變壓器保護(hù)導(dǎo)則》主要針對(duì)10kV及5MVA以上輸電和配電變壓器，討論了保護(hù)原則、工程實(shí)例和經(jīng)濟(jì)性等方面內(nèi)容，討論了變壓器故障類型、故障中電壓互感器的表現(xiàn)、故障的切除和變壓器的再次上電等問(wèn)題。本導(dǎo)則首先從分析各種故障情況下流過(guò)CT的電流入手，介紹了檢測(cè)故障的電氣方法。接下來(lái)介紹了非電量保護(hù)，以及故障切除和變壓器再上電的相關(guān)情況。最后介紹了變壓器氣體分析和一些特殊變壓器的保護(hù)，如發(fā)電機(jī)大差動(dòng)保護(hù)、接地變保護(hù)、三臺(tái)單相變壓器的保護(hù)、備用相變壓器保護(hù)等。導(dǎo)則更多是在介紹各種保護(hù)方式的原理，如對(duì)于差動(dòng)保護(hù)，導(dǎo)則討論了差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)的諸多原理性問(wèn)題，諧波限制、波形識(shí)別等技術(shù)的應(yīng)用，區(qū)域外故障時(shí)CT的飽和問(wèn)題等，以及保護(hù)整定計(jì)算，沒(méi)有像中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定差動(dòng)保護(hù)的具體用法。導(dǎo)則中很多附圖對(duì)了解國(guó)外保護(hù)配置很有幫助。如第10頁(yè)圖3描述了典型角—星接線10MVA以上變壓器的保護(hù)配置，第32頁(yè)的圖17和圖18描述了零差保護(hù)和方向零序保護(hù)的配置方法。導(dǎo)則附錄是關(guān)于保護(hù)整定計(jì)算的，如需要了解國(guó)外整定計(jì)算內(nèi)容可參考。

導(dǎo)則中還論述了不同非電量保護(hù)的原理，以及產(chǎn)生這些故障（如繞組溫度高、油溫高、氣體壓力高等）的原因、故障對(duì)變壓器的危害及影響等，并對(duì)變壓器油中氣體分析方法以及不同成分氣體對(duì)應(yīng)何種故障做了介紹。

IEEE Std C37.108—2002《網(wǎng)絡(luò)變壓器保護(hù)導(dǎo)則》專門(mén)描述了低壓配電變壓器的保護(hù)配置情況，低壓配電變壓器指的是高壓側(cè)為2.4～34.5kV、低壓側(cè)為600V以下的變壓器。這類變壓器一般成對(duì)出現(xiàn)，其保護(hù)配置原則參照IEEE Std C37.91—2008《電力變壓器保護(hù)導(dǎo)則》。

IEEE Std242—2001《工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)保護(hù)和協(xié)調(diào)推薦實(shí)施規(guī)程》是一種綜合性規(guī)范，內(nèi)容綜合了IEEE關(guān)于發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、線路等保護(hù)配置的要求。其變壓器保護(hù)部分與IEEE Std C37.91—2008基本相同。

與導(dǎo)則相對(duì)應(yīng)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是GB／T14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》和GB／T50062—2008《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中的變壓器保護(hù)相關(guān)內(nèi)容，還有DL／T5153—2002《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中變壓器保護(hù)的相關(guān)內(nèi)容。整定計(jì)算對(duì)應(yīng)DL／T684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》，讀者如有需要可查閱。

3 主要異同點(diǎn)

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)在變壓器保護(hù)方面相同點(diǎn)多于相異點(diǎn)，如相間故障主保護(hù)均規(guī)定為差動(dòng)保護(hù)或速斷保護(hù)，后備保護(hù)均規(guī)定為過(guò)流保護(hù)，但在具體規(guī)定上也有很多差別，具體如下：

3.1 非電量保護(hù)出口原則

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中均要求油浸變壓器設(shè)置瓦斯保護(hù)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)置瓦斯保護(hù)的變壓器容量0.4MVA及以上車間內(nèi)油浸式變壓器和0.8MVA及以上油浸式變壓器［4］，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)前言部分有適用于電壓在10kV以上、容量在10MVA及以上，小于該容量及低于該電壓等級(jí)的變壓器保護(hù)也可供參考［5］。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求輕瓦斯投信號(hào)重瓦斯跳閘，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求瓦斯保護(hù)投信號(hào)，從壓力保護(hù)設(shè)置中來(lái)看，重瓦斯由氣體壓力繼電器動(dòng)作后可投跳閘。對(duì)于變壓器繞組溫度和油面溫度保護(hù)以及油箱內(nèi)壓力保護(hù)，2套標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)出口一致。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)明確提到了CT飽和情況下壓力突發(fā)保護(hù)可以作為后備。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓力釋放保護(hù)保護(hù)出口為全停，只有在高廠變高壓側(cè)有斷路器的時(shí)候才能跳斷路器切換廠用電源。

3.2 差動(dòng)保護(hù)設(shè)置原則

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置差動(dòng)保護(hù)的變壓器條件均為電壓在10kV以上、容量在10MVA及以上［4－5］。差動(dòng)保護(hù)應(yīng)滿足的要求方面亦大致相同。但針對(duì)廠用變壓器，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高壓廠用工作變壓器：對(duì)6.3MVA及以上的變壓器應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，用于保護(hù)繞組內(nèi)及引出線上的相間短路故障，對(duì)2MVA及以上采用電流速斷保護(hù)靈敏性不符合要求的變壓器也應(yīng)裝設(shè)本保護(hù)［6］。美國(guó)的配電變壓器標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std C37.108沒(méi)有類似規(guī)定。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中側(cè)重講了不同差動(dòng)保護(hù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)、接線形式及針對(duì)電磁式繼電器和數(shù)字式繼電器的CT接線形式的不同，如電磁式差動(dòng)繼電器需考慮△—Y接線的相移等。

3.3 變壓器后備保護(hù)、自耦變壓器以及接地變壓器保護(hù)的設(shè)置原則

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于變壓器后備保護(hù)、自耦變壓器以及接地變壓器保護(hù)設(shè)置原則基本相同，但側(cè)重點(diǎn)不同。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點(diǎn)在于不同容量電壓等級(jí)或型式的變壓器的后備保護(hù)的配置，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點(diǎn)在故障產(chǎn)生的原理及危害以及保護(hù)的原理和定值設(shè)置等。

3.4 變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的設(shè)置原則

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置過(guò)勵(lì)磁的變壓器條件為高壓側(cè)為330kV及以上［4］。美國(guó)導(dǎo)則中，認(rèn)為一般變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)由發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，因發(fā)電機(jī)允許過(guò)勵(lì)磁曲線一般比變壓器允許過(guò)勵(lì)磁曲線更嚴(yán)格。國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)及變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)是由發(fā)變組保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而美國(guó)導(dǎo)則中則論述為一般由勵(lì)磁控制系統(tǒng)V／Hz限制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，投信號(hào)或跳發(fā)電機(jī)及滅磁開(kāi)關(guān)。發(fā)電機(jī)變壓器另設(shè)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)亦較為常見(jiàn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)和變壓器額定電壓相同時(shí)，可共過(guò)勵(lì)磁保護(hù)，若變壓器電壓低于發(fā)電機(jī)額定電壓時(shí)，需為變壓器單獨(dú)設(shè)置過(guò)勵(lì)磁保護(hù)。變壓器電壓低于發(fā)電機(jī)額定電壓的情況很少見(jiàn)［5］。2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求不一致，國(guó)標(biāo)要求比IEEE標(biāo)準(zhǔn)更高，因此可按國(guó)標(biāo)執(zhí)行。

3.5 零序差動(dòng)保護(hù)的配置

對(duì)于中性點(diǎn)直接接地的變壓器，針對(duì)接地故障，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了零序過(guò)流保護(hù)［4］，而IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為了成功檢測(cè)到星型接線變壓器繞組中的接地故障，繼電器應(yīng)能區(qū)分出區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障，需要零序差動(dòng)繼電器［5］。但I(xiàn)EEE又提到，通常方向零序保護(hù)67G或零序過(guò)流保護(hù)就能滿足要求。目前國(guó)外工程尤其是印度工程要求所有變壓器裝設(shè)零序差動(dòng)保護(hù)，但現(xiàn)場(chǎng)反映保護(hù)整定困難，今后可按照IEEE Std C37.91—2008中8.4.1和8.4.2的要求向業(yè)主說(shuō)明，不必裝設(shè)零差保護(hù)，避免整定上的困難。

3.6 高壓熔斷器的應(yīng)用

美國(guó)導(dǎo)則中描述：熔斷器可用于容量在5000kVA及以下的變壓器，10000kVA以上的變壓器可采用斷路器加差動(dòng)、過(guò)流等來(lái)進(jìn)行保護(hù)。容量在5000～10000kVA的變壓器采用斷路器和熔斷器均可［5］。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)并熔斷器可以用到多大的變壓器未作規(guī)定，但根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的工程實(shí)際，容量在1250kVA以上的變壓器基本不采用熔斷器加接觸器回路方案［6］。

在美國(guó)導(dǎo)則中還提供了自恢復(fù)式故障遮斷器，這是一種類似于熔斷器的保護(hù)電器，額定電流更大，能夠保證三相斷開(kāi)，無(wú)需外部電源，故障后可恢復(fù)，最大69kV下可用到50000kVA，或者138kV下可用到83000kVA［5］。國(guó)內(nèi)電力行業(yè)較少采用這種設(shè)備。

4 中外標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)

（1）美國(guó)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)更注重原理、描述現(xiàn)象及原理，但并沒(méi)有給出具體的做法；而中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)正好相反，很少描述現(xiàn)象和原理，給出的都是可操作性非常強(qiáng)的具體措施。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)更適合做教材，可以讓工程師全面掌握相關(guān)知識(shí)；而中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)僅有寥寥數(shù)語(yǔ)，更適合專業(yè)技術(shù)人員使用。如對(duì)中性點(diǎn)可能不接地變壓器單相接地故障保護(hù)，GB／T14285—2006中做了如下描述：4.3.8在110kV、220kV中性點(diǎn)直接接地的電力網(wǎng)中，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)有電源的變壓器中性點(diǎn)可能接地運(yùn)行或不接地運(yùn)行時(shí)，對(duì)外部單相接地短路故障引起的過(guò)電流，以及對(duì)因失去接地中性點(diǎn)引起的變壓器中性點(diǎn)電壓升高，應(yīng)按下列規(guī)定裝設(shè)：4.3.8.1全絕緣變壓器裝設(shè)零序過(guò)電流保護(hù)，滿足變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行的要求。此外，應(yīng)增設(shè)零序過(guò)電壓保護(hù)。4.3.8.2分級(jí)絕緣變壓器在變壓器中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)放電間隙。應(yīng)裝設(shè)用于中性點(diǎn)直接接地和經(jīng)放電間隙接地的兩套零序過(guò)電流保護(hù)。此外，還應(yīng)增設(shè)零序過(guò)電壓保護(hù)。用于經(jīng)間隙接地的變壓器，裝設(shè)反應(yīng)間隙放電的零序電流保護(hù)和零序過(guò)電壓保護(hù)。而美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std C37.91—2002描述的是：接地故障的靈敏檢測(cè)可通過(guò)差動(dòng)繼電器或?qū)ｉT(mén)的過(guò)流繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)變壓器的繞組連接，電流互感器可用性、零序電流源、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作實(shí)際不同，有幾種典型保護(hù)方案，附錄B提供了接地故障繼電器在電網(wǎng)變壓器保護(hù)上的應(yīng)用。IEEE側(cè)重于原理說(shuō)明而非指導(dǎo)保護(hù)如何配置，但中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變壓器單相接地保護(hù)如何配置作出明確規(guī)定。

（2）美國(guó)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)比中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋的范圍更廣，種類更多。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)常用的變壓器類型作出了詳細(xì)的保護(hù)配置規(guī)定，但對(duì)于一些不常用變壓器，如應(yīng)用在高壓直流輸電（HVDC）換流站上和輸油氣管道大型同步電機(jī)變頻器上的四繞組變壓器的保護(hù)，還有高—高模式中壓變頻器里的移相變，以及電解設(shè)備中的整流變等設(shè)備的保護(hù)配置，只能在IEEE里找到，中國(guó)電力工業(yè)常用標(biāo)準(zhǔn)無(wú)此類規(guī)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從選擇變壓器保護(hù)配置的國(guó)內(nèi)外常用標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，詳細(xì)描述了國(guó)內(nèi)外變壓器保護(hù)配置標(biāo)準(zhǔn)的異同，并總結(jié)了這些保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，為我國(guó)電力工程技術(shù)人員掌握國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、少走彎路提供了良好的借鑒。但本文描述的僅是一個(gè)很小的方面，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)體系非常龐雜，僅靠個(gè)人的力量是無(wú)法對(duì)常用的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析的。為了更好地整合國(guó)內(nèi)資源，建議上級(jí)主管部門(mén)或行業(yè)協(xié)會(huì)組織本行業(yè)力量，對(duì)設(shè)計(jì)、設(shè)備、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)分專業(yè)進(jìn)行對(duì)比，大幅減少中國(guó)企業(yè)在國(guó)際上的工程風(fēng)險(xiǎn)，為中國(guó)企業(yè)更好地走向國(guó)際奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］周曉波，高華，魏燕.國(guó)外發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)特點(diǎn)淺析［J］.電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2011（6）

［2］劉璐，安琳.印度某發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)特點(diǎn)淺析［J］.電氣應(yīng)用，2012（19）

［3］裴善鵬，于青.印度大型火力發(fā)電工程電氣二次設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.山東電力技術(shù)，2013（5）

［4］DL／T5153—2002 火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］

［5］GB／T14285—2006 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程［S］

［6］GB／T50062—2008 電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］