220 kV變壓器過載及故障保護(hù)措施研究與應(yīng)用

王紫薇，王 晶

(1.三峽大學(xué),湖北 宜昌 443002;2.國網(wǎng)湖北省電力公司,湖北 武漢 430077)

0 引言

220 kV變壓器作為輸變電主設(shè)備在電網(wǎng)運(yùn)行中作用巨大，并且因?yàn)槠鋬r(jià)格昂貴、損壞維修困難、修復(fù)工期長，其安全在電網(wǎng)運(yùn)行中備受重視。正常情況下，主變一般在額定電流以下運(yùn)行，但在系統(tǒng)大負(fù)荷、設(shè)備故障或異常、并列運(yùn)行主變一臺跳閘、系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移等多種情況下[1]，主變可能會超額定電流運(yùn)行，短時(shí)超額定電流運(yùn)行為系統(tǒng)潮流的調(diào)整贏得時(shí)間，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，但長期超過額定電流運(yùn)行將在不同程度上縮短變壓器的壽命，嚴(yán)重時(shí)會損壞變壓器[2]。造成變壓器損壞的主要原因是大電流引起的溫升，使得變壓器絕緣性能嚴(yán)重劣化。變壓器所允許的電流和變壓器各關(guān)鍵點(diǎn)的最高溫度相互關(guān)聯(lián)，互相制約。220 kV變壓器配置的后備保護(hù)一般為復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)和過電流保護(hù)，單一表征電流量的后備過電流保護(hù)根本無法適應(yīng)；且單從電流而言，實(shí)際運(yùn)行中過流保護(hù)靈敏度很難把握，靈敏度整定高則犧牲了主變過載能力，靈敏度低則會增大主變損壞程度，過流保護(hù)的靈敏性和選擇性難以兼顧。電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)生過多次因過流保護(hù)使用不當(dāng)導(dǎo)致的變壓器損壞或大面積損失負(fù)荷的事件[3][4]，如何在保證設(shè)備安全運(yùn)行的同時(shí)，最大限度地實(shí)現(xiàn)對用戶連續(xù)供電，一直是困擾電網(wǎng)運(yùn)行者的難題。

1 變壓器過載原因及后果分析

1.1 過載原因

引起220 kV主變超額定電流的主要原因有系統(tǒng)或主變故障時(shí)的過電流以及系統(tǒng)無故障時(shí)變壓器過載。對于變壓器內(nèi)部故障，電壓、電流均有變化，變壓器所配置的差動主保護(hù)和復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)一般具有較高靈敏度可以快速切除故障。對于區(qū)外故障及變壓器重載，差動保護(hù)可靠不動作，遠(yuǎn)處區(qū)外故障及變壓器重載，電壓變化不明顯，復(fù)壓元件不開放閉鎖過流保護(hù)，此時(shí)主變在較長時(shí)間內(nèi)超額定電流運(yùn)行。隨著電流和溫度的升高，增加了變壓器過早損壞的危險(xiǎn)性，這種危險(xiǎn)可能是直接的短期性質(zhì)，也可能是由于變壓器絕緣老化多年積累造成的[5]。故而國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施（試行）繼電保護(hù)專業(yè)重點(diǎn)實(shí)施要求5.3條規(guī)定：變壓器的高壓側(cè)宜設(shè)置不經(jīng)任何閉鎖的、長延時(shí)的后備保護(hù)，作為變壓器總后備，用于切除可能危及變壓器安全的過載電流。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，該后備保護(hù)往往不能兼顧靈敏性和選擇性，從而失去保護(hù)作用。

1.2 變壓器超額定電流運(yùn)行的后果

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況及相關(guān)規(guī)程，變壓器超額定電流運(yùn)行的后果如下：

（1）220 kV大型油浸式變壓器儲油柜中的油因膨脹可能會溢出，套管內(nèi)部壓力升高可能會漏油。繞組、線夾、引線、絕緣及油的溫度將會升高，且有可能達(dá)到不可接受的程度。

（2）隨著溫度的升高，絕緣和油中的水分和氣體含量將會發(fā)生變化。在熱點(diǎn)溫度突然升高超過臨界溫度時(shí)，絕緣紙中出現(xiàn)氣泡，使其絕緣強(qiáng)度降低，引起故障。對于具有正常含水量的變壓器，此臨界溫度約在140～160℃之間，當(dāng)水分含量增加時(shí)，此臨界溫度還要降低。

（3）套管、分接開關(guān)、電纜終端接線裝置和電流互感器等也將受到較高的熱應(yīng)力，從而使得其結(jié)構(gòu)和適用安全裕度受到影響。

（4）鐵心外的漏磁通密度將增加，從而使與此漏磁通耦合的金屬部件由于渦流效應(yīng)而發(fā)熱。隨著變壓器容量增大，漏磁磁密、短路應(yīng)力以及受高場強(qiáng)作用的絕緣體積都會增加，大型變壓器超額定負(fù)載時(shí)，比小型變壓器更易受損，故障的后果也更加嚴(yán)重[6][7]。

1.3 規(guī)程與規(guī)定研究

根據(jù)GB 1094.2-2013《電力變壓器 第2部分 溫升》、GBT 1094.7-2008《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》規(guī)定，變壓器的負(fù)載狀態(tài)可分為3類：正常周期性負(fù)載、長期急救周期性負(fù)載和短期急救負(fù)載，并針對每一類負(fù)載規(guī)定了允許的電流和各關(guān)鍵點(diǎn)繞組溫度，對于大型變壓器，無論是正常周期性負(fù)載，還是長期急救周期性負(fù)載，電流標(biāo)幺值（或負(fù)載率）均不得超過1.3；短期急救負(fù)載的電流標(biāo)幺值（或負(fù)載率）不得超過1.5。對于中型變壓器，無論是正常周期性負(fù)載，還是長期急救周期性負(fù)載，電流標(biāo)幺值（或負(fù)載率）均不得超過1.5；短期急救負(fù)載的電流標(biāo)幺值（或負(fù)載率）不得超過1.8。GBT 1094.7-2008中還注明：“溫度和電流限值不同時(shí)適用，電流可比表中的限值低一些，以滿足溫度限值的要求。相反地，溫度可比表中的限值低一些，以滿足電流限值的要求。”[7][8]

單從電流而言，并列運(yùn)行的變壓器過電流保護(hù)，按選擇性要求應(yīng)考慮運(yùn)行中另一臺主變跳閘所引起的潮流轉(zhuǎn)移，對相同容量的兩臺主變，其至少應(yīng)為2倍額定電流，如果是不同容量的主變并列運(yùn)行，容量小的主變過流定值則會大于2倍額定電流[9]，但GBT 1094.7-2008規(guī)定，無論是正常周期性負(fù)載，還是長期急救周期性負(fù)載，大型變壓器電流標(biāo)幺值（或負(fù)載率）均不得超過1.3；短期急救負(fù)載的電流標(biāo)幺值（或負(fù)載率）不得超過1.5[7]。運(yùn)行要求與變壓器安全不能兼顧。

根據(jù)前面分析，220 kV變壓器過載，其對變壓器的影響是當(dāng)變壓器負(fù)載電流超過額定電流，或環(huán)境溫度高于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，變壓器將遭受一定程度的危險(xiǎn)，并且老化加速。盡管絕緣的老化或劣化是溫度、含水量、含氧量和含酸量的時(shí)間函數(shù)，但主要還是溫升影響。GBT 1094.7-2008《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》將絕緣溫度作為控制參數(shù)，由于溫度分布不均勻，在最高溫度下運(yùn)行的那部分一般將遭受最嚴(yán)重的劣化[7]，變壓器繞組最熱區(qū)所達(dá)到的溫度，是變壓器負(fù)載最關(guān)鍵的限制因素。

對于變壓器的一些運(yùn)行指標(biāo)，GBT 1094.7-2008作了如下規(guī)定：

（1）油浸式變壓器頂層油溫

油浸式變壓器頂層油溫一般不應(yīng)超過表1的規(guī)定，且自然循環(huán)冷卻變壓器的頂層油溫一般不宜經(jīng)常超過85℃。

表1 油浸式變壓器頂層油溫在額定電壓下的一般限值Tab.1 General limit value of top oil temperature for oil-immersed powertransformer at rated voltage

（2）變壓器負(fù)載電流和溫度的最大限值

變壓器在各類負(fù)載狀態(tài)下的負(fù)載電流和溫度的最大限值如表2所示。

表2 變壓器負(fù)載電流和溫度最大限值Tab.2 Maximum value of load current and temperature for transformer

對于大型變壓器和中型變壓器劃分，規(guī)程規(guī)定：三相最大額定容量為100 MVA，單相最大容量為33.3 MVA的變壓器為中型變壓器，超過該容量的變壓器為大型變壓器。在現(xiàn)在系統(tǒng)中220 kV變壓器的容量一般均大于100 MVA，故本文中220 kV主變按大型變壓器考慮。

從表1、表2可以看出，決定油浸式變壓器過載能力的主要是變壓器頂層油溫和變壓器負(fù)載電流的最大限值。油浸式變壓器頂層油溫最大值由其冷卻方式?jīng)Q定，自然循環(huán)自冷、風(fēng)冷的最高限值95℃，強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷的最高限值85℃，強(qiáng)迫油循環(huán)水冷的最高限值70℃。對于大型變壓器，無論是正常周期性負(fù)載，還是長期急救周期性負(fù)載，電流標(biāo)幺值（或負(fù)載率）均不得超過1.3；短期急救負(fù)載的電流標(biāo)幺值（或負(fù)載率）不得超過1.5。短期急救負(fù)載下運(yùn)行，相對老化率遠(yuǎn)大于1，繞組熱點(diǎn)溫度可能達(dá)到危險(xiǎn)程度[9][10]。在出現(xiàn)這種情況時(shí)，規(guī)程規(guī)定，應(yīng)投入包括備用在內(nèi)的全部冷卻器（制造廠有規(guī)定的除外），并盡量壓縮負(fù)載、減少時(shí)間，一般不超過0.5 h。

2 解決措施

從上面分析看出，變壓器故障和變壓器過載運(yùn)行具有完全不同的形態(tài)和運(yùn)行要求，對變壓器故障要求快速切除，而對于變壓器過載則應(yīng)視情況采取不同的策略。

2.1 針對220 kV變壓器故障

220 kV變壓器故障，電流、電壓具有很強(qiáng)的故障特征，變壓器配置的差動主保護(hù)及復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)可以很好解決。主變差動對變壓器內(nèi)部故障靈敏度高，復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)的電流定值整定為1.2～1.3倍額定電流，以保證可靠快速切除故障。對變壓器過載能力不足的變壓器按實(shí)際過載整定。過電流保護(hù)按1.1倍額定電流整定，僅告警，不跳閘。

2.2 針對220 kV變壓器過載

由以上分析可知變壓器重載運(yùn)行時(shí)，造成變壓器損壞的是大電流引起的溫升，從而使得變壓器絕緣性能嚴(yán)重劣化。變壓器所允許的電流和溫度相互關(guān)聯(lián)，互相制約，針對同一電流，不同的變壓器各熱點(diǎn)溫度、環(huán)境溫度，所允許的變壓器運(yùn)行時(shí)間亦不相同，單一表征電流量的后備過流保護(hù)顯然無法滿足國標(biāo)規(guī)定的變壓器在各類負(fù)載狀態(tài)下的負(fù)載電流和溫度的最大限值要求[6]。

故而針對220 kV變壓器過載綜合采用變壓器頂層油溫和電流定值，保護(hù)邏輯如下：

（1）I*＜IL，且頂層油溫T＜Tsd℃時(shí)，變壓器繼續(xù)運(yùn)行；

（2）I*≥IL，裝置啟動全部冷卻器，并閉鎖有載調(diào)壓裝置；

（3）IL≤I*＜IH，且頂層油溫T＜Tsd℃時(shí)，運(yùn)行0.5 h后，裝置切除部分負(fù)荷，使I*＜IL；

（4）I*≥IH，且頂層油溫T＜Tsd℃時(shí)，裝置短經(jīng)延時(shí)切除部分負(fù)荷，延時(shí)時(shí)間大于保護(hù)裝置最長動作時(shí)間，可取10s，使I*＜IH；

（5）頂層油溫T≥Tsd℃時(shí)，裝置經(jīng)短延時(shí)切除部分負(fù)荷，延時(shí)切除時(shí)間取10 s，使I*＜IL。

其中，I*為變壓器電流與額定電流比值；IH為電流高值，IL為電流低值，對大型變壓器，IL取1.3，IH取1.5；Tsd℃為設(shè)定溫度，自然循環(huán)自冷、風(fēng)冷的取95，強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷的取85，強(qiáng)迫油循環(huán)水冷的取70。

當(dāng)變壓器有嚴(yán)重缺陷或絕緣有弱點(diǎn)不宜超額定電流運(yùn)行時(shí)，按實(shí)際要求控制負(fù)荷，使得變壓器在各種情況下不過載。

3 實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

針對220 kV變壓器故障，保護(hù)裝置功能完善，只需改變后備過電流保護(hù)的應(yīng)用，僅告警不跳閘。

針對220 kV變壓器過載，智能變電站可以在變壓器的本體智能終端中實(shí)現(xiàn)3.2的邏輯，聯(lián)切負(fù)荷通過虛回路配置實(shí)現(xiàn)；常規(guī)變電站可以在變壓器非電量保護(hù)中實(shí)現(xiàn)3.2的邏輯，聯(lián)切負(fù)荷通過與中、低壓線路保護(hù)間配線實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

本保護(hù)措施完全滿足國標(biāo)及變壓器運(yùn)行規(guī)程要求，且構(gòu)成簡單，對現(xiàn)有二次系統(tǒng)改造很小，邏輯中的電流高、低定值、頂層油溫設(shè)定值可以靈活設(shè)置。現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)可以依據(jù)變壓器實(shí)際評估結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，在確保變壓器安全的前提下，充分利用變壓器的過載能力，極大地提高了系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平和最大限度地保障用戶連續(xù)供電，效果顯著。

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