1　引言

　　電力變壓器的故障分為內(nèi)部和外部?jī)煞N故障。內(nèi)部故障指變壓器油箱里面發(fā)生的各種故障，主要靠瓦斯和差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作切除變壓器;外部故障指油箱外部絕緣套管及其引出線(xiàn)上發(fā)生的各種故障，一般情況下由差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作切除變壓器。速動(dòng)保護(hù)(瓦斯和差動(dòng))無(wú)延時(shí)動(dòng)作切除故障變壓器，設(shè)備是否損壞主要取決于變壓器的動(dòng)穩(wěn)定性。而在變壓器各側(cè)母線(xiàn)及其相連間隔的引出設(shè)備故障時(shí)，若故障設(shè)備未配保護(hù)(如低壓側(cè)母線(xiàn)保護(hù))或保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，則只能靠變壓器后備保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)相應(yīng)開(kāi)關(guān)使變壓器脫離故障。因后備保護(hù)帶延時(shí)動(dòng)作，所以變壓器必然要承受一定時(shí)間段內(nèi)的區(qū)外故障造成的過(guò)電流，在此時(shí)間段內(nèi)變壓器是否損壞主要取決于變壓器的熱穩(wěn)定性。因此，變壓器后備保護(hù)的定值整定與變壓器自身的熱穩(wěn)定要求之間存在著必然的聯(lián)系。

　　2　變壓器設(shè)計(jì)熱穩(wěn)定指標(biāo)

　　文獻(xiàn)[1]中要求“對(duì)稱(chēng)短路電流I的持續(xù)時(shí)間：當(dāng)使用部門(mén)未提出其它要求時(shí)，用于計(jì)算承受短路耐熱能力的電流I的持續(xù)時(shí)間為2s。注：對(duì)于自耦變壓器和短路電流超過(guò)25倍額定電流的變壓器，經(jīng)制造廠與使用部門(mén)協(xié)商后，采用的短路電流持續(xù)時(shí)間可以小于2s。”

　　按以上設(shè)計(jì)考慮，一臺(tái)220kV/120MVA普通三卷變壓器，取變壓器典型參數(shù)(高低壓阻抗比為22.4)計(jì)算可知：低壓側(cè)能夠承受的熱穩(wěn)定電流標(biāo)幺值約為0.51。當(dāng)兩臺(tái)這樣的變壓器并列運(yùn)行，低壓側(cè)母線(xiàn)故障本側(cè)分段開(kāi)關(guān)跳開(kāi)時(shí)，變壓器低壓繞組中可能的短路電流可達(dá)到0.75倍標(biāo)幺值，比設(shè)計(jì)值增大了近50%。若三臺(tái)這樣的變壓器并列運(yùn)行，變耦變壓器，按技術(shù)規(guī)程[2]要求，裝設(shè)瓦斯保護(hù)、過(guò)激磁保護(hù)、雙重差動(dòng)保護(hù)，同時(shí)在其高、中壓側(cè)均裝設(shè)了阻抗保護(hù)及零序方向電流保護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)過(guò)流保護(hù)。這些保護(hù)均作用于跳閘。高、中壓側(cè)的阻抗保護(hù)和低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)屬變壓器的相間后備保護(hù)。由于500 kV變壓器多為單相式變壓器，所以變壓器本體不會(huì)發(fā)生相間故障。在變壓器所連接的高、中壓系統(tǒng)中，線(xiàn)路保護(hù)一般配置了雙重縱聯(lián)保護(hù)，并有完整的后備保護(hù)，這樣線(xiàn)路的故障一般會(huì)較快地切除，對(duì)變壓器影響較小。因此，變壓器的相間后備保護(hù)應(yīng)主要在其各側(cè)母線(xiàn)故障時(shí)起作用，特別是中、低壓側(cè)母線(xiàn)的故障(500 kV側(cè)母線(xiàn)設(shè)有雙套母差保護(hù))。中、低壓母線(xiàn)故障流過(guò)變壓器的短路電流大，不僅引起變壓器繞組過(guò)熱，還可能造成繞組的動(dòng)穩(wěn)定破壞，誘發(fā)嚴(yán)重的內(nèi)部故障。零序方向電流保護(hù)屬變壓器的接地故障后備保護(hù)，可以反應(yīng)變壓器內(nèi)部、高中壓側(cè)母線(xiàn)及與高中壓母線(xiàn)鄰近的電氣設(shè)備的接地故障。

　　3 220kV及以下變壓器

　　220 kV變壓器多為三相式三卷變壓器，按技術(shù)規(guī)程要求，一般裝設(shè)瓦斯保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)，同時(shí)在其高、中壓側(cè)均裝設(shè)了復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)及零序方向過(guò)電流保護(hù)與間隙保護(hù)，低壓側(cè)裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)。各側(cè)復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)及零序方向過(guò)電流保護(hù)綜合，可以反應(yīng)變壓器內(nèi)部、各側(cè)母線(xiàn)及母線(xiàn)鄰近的電氣設(shè)備的接地與相間故障，作為變壓器自身主保護(hù)及各側(cè)母線(xiàn)及母線(xiàn)鄰近的電氣設(shè)備的后備保護(hù)。110 kV及以下變壓器一般裝設(shè)瓦斯保護(hù)(對(duì)油浸式變壓器)、差動(dòng)保護(hù)，110 kV側(cè)零序過(guò)電流保護(hù)、間隙保護(hù)及各側(cè)過(guò)流保護(hù)或復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)，這些保護(hù)的作用與220 kV變壓器的作用相似。

　　4　可能考驗(yàn)變壓器熱穩(wěn)定性的故障

　　4.1　500kV變壓器

　　由于變壓器自身主保護(hù)裝置及其交、直流回路的完全雙重化配置，應(yīng)可以不再考慮變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)故障對(duì)變壓器熱穩(wěn)定性的考驗(yàn)。500 kV系統(tǒng)母線(xiàn)、線(xiàn)路保護(hù)的完全雙重化配置，快速保護(hù)在保護(hù)范圍上的交叉布置，及完善的失靈保護(hù)，筆者認(rèn)為可以不考慮500 kV系統(tǒng)側(cè)故障對(duì)變壓器熱穩(wěn)定性的考驗(yàn)。

　　220 kV系統(tǒng)側(cè)線(xiàn)路保護(hù)雙重化配置，母線(xiàn)保護(hù)目前多為單配置。因此，當(dāng)母差保護(hù)校驗(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)時(shí)，變壓器只能靠其后備保護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn)。變壓器開(kāi)關(guān)(或轉(zhuǎn)帶時(shí)旁路開(kāi)關(guān))與TA間的故障很可能靠變壓器后備保護(hù)脫離故障點(diǎn)。

　　變壓器低壓側(cè)一般經(jīng)由母線(xiàn)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(fù)荷。很多站低壓母線(xiàn)未配母差保護(hù)，因此母線(xiàn)故障變壓器只能靠其后備保護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn);再者，當(dāng)站用變或電抗器及電容器故障而其開(kāi)關(guān)或保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，變壓器也要靠其后備保護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn)。

　　4.2　220kV及以下變壓器

　　對(duì)于兩側(cè)系統(tǒng)都有電源的聯(lián)絡(luò)變壓器：任何一側(cè)母差保護(hù)校驗(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)時(shí);變壓器開(kāi)關(guān)與TA間故障時(shí);旁路轉(zhuǎn)帶方式在主變套管TA至旁母引線(xiàn)、旁路母線(xiàn)、旁路開(kāi)關(guān)與TA間故障時(shí);母線(xiàn)(220kV母線(xiàn)除外)上其他開(kāi)關(guān)所帶電氣設(shè)備故障而其開(kāi)關(guān)或保護(hù)拒動(dòng)時(shí)變壓器只能靠其后備保護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn)。

　　對(duì)于僅高壓側(cè)系統(tǒng)有電源的降壓變壓器：中、低側(cè)母差保護(hù)校驗(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)時(shí);中、低壓側(cè)變壓器開(kāi)關(guān)與TA間故障時(shí);中、低壓側(cè)母線(xiàn)上其他開(kāi)關(guān)所帶電氣設(shè)備故障而其開(kāi)關(guān)或保護(hù)拒動(dòng)時(shí)變壓器只能靠其后備保護(hù)動(dòng)作使其脫離故障點(diǎn)。

　　5　變壓器相間后備保護(hù)的配置與整定

　　變壓器接地故障保護(hù)定值與其所帶負(fù)荷的關(guān)系不大，因此接地故障后備保護(hù)的整定延時(shí)一般較短，能夠滿(mǎn)足2 s的熱穩(wěn)定時(shí)間要求。在此僅關(guān)心變壓器相間后備保護(hù)的定值問(wèn)題。

　　5.1　整定規(guī)程要求

　　《220～500 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》中要求[3]：

　　變壓器各側(cè)的過(guò)電流保護(hù)均按躲變壓器額定負(fù)荷整定，但不作為短路保護(hù)的一級(jí)參與選擇性配合，其動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于所有出線(xiàn)保護(hù)的最長(zhǎng)時(shí)間。

　　變壓器短路故障后備保護(hù)應(yīng)主要作為相鄰元件及變壓器內(nèi)部故障的后備保護(hù)。主電源側(cè)的變壓器相間短路后備保護(hù)主要作為變壓器內(nèi)部故障的后備保護(hù)。其它各側(cè)的后備保護(hù)主要作為本側(cè)引線(xiàn)、本側(cè)母線(xiàn)和相鄰線(xiàn)路的后備保護(hù)，并盡可能當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí)起后備作用。以較短時(shí)限動(dòng)作于縮小故障影響范圍，以較長(zhǎng)時(shí)限動(dòng)作于斷開(kāi)變壓器各側(cè)斷路器。

　　主電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)變壓器的短路故障后備保護(hù)整定：高(中)壓側(cè)(主電源側(cè))相間短路后備保護(hù)動(dòng)作方向可指向變壓器，作為變壓器高(中)壓側(cè)繞組及　　對(duì)側(cè)母線(xiàn)相間短路故障的后備保護(hù)，并對(duì)中(高)壓側(cè)母線(xiàn)故障有足夠的靈敏度，靈敏系數(shù)大于1.5;如采用阻抗保護(hù)作為后備保護(hù)，且不裝設(shè)振蕩閉鎖回路，則其動(dòng)作時(shí)間應(yīng)躲過(guò)系統(tǒng)振蕩周期，其反方向偏移阻抗部分作為本側(cè)母線(xiàn)故障的后備保護(hù)。

　　供電變電所降壓變壓器的短路故障后備保護(hù)整定：高壓側(cè)(主電源側(cè))相間短路后備保護(hù)動(dòng)作方向指向變壓器，對(duì)中壓側(cè)母線(xiàn)故障有足夠靈敏度。

　　5.2　500kV變壓器的保護(hù)

　　當(dāng)220kV側(cè)母差保護(hù)校驗(yàn)停運(yùn)或故障拒動(dòng)及開(kāi)關(guān)與TA間故障時(shí)，變壓器高壓側(cè)及本側(cè)的阻抗保護(hù)對(duì)于金屬性短路故障應(yīng)能可靠動(dòng)作，且保護(hù)整定延時(shí)可以在1.5～2.0 s之間。如果短路為非金屬性的，經(jīng)弧光短路時(shí)，阻抗保護(hù)可能靈敏度不足或整定延時(shí)長(zhǎng)于2.0 s。最好在本側(cè)設(shè)一個(gè)保變壓器熱穩(wěn)定的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)，其整定值應(yīng)由變壓器的熱穩(wěn)定要求決定。如果只設(shè)一個(gè)電壓閉鎖定時(shí)限的過(guò)流保護(hù)，則其電流定值應(yīng)保證在變壓器本側(cè)流過(guò)的電流接近熱穩(wěn)定電流時(shí)可靠動(dòng)作，如整定為0.8倍的設(shè)計(jì)允許熱穩(wěn)定電流值(主要考慮TA和保護(hù)裝置本身的測(cè)量誤差)，且使變壓器脫離故障點(diǎn)動(dòng)作延時(shí)不長(zhǎng)于2.0 s。問(wèn)題是當(dāng)實(shí)際故障電流略小于保護(hù)定值時(shí)，保護(hù)將不能動(dòng)作使變壓器脫離故障點(diǎn)，故障電流仍有可能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)造成變壓器熱穩(wěn)定的破壞。所以，還需要有一個(gè)延時(shí)較長(zhǎng)(如3.0～5.0s)，動(dòng)作值更小的電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)。筆者認(rèn)為：220 kV側(cè)母差保護(hù)雙重化配置，并合理設(shè)計(jì)失靈保護(hù)，由它們共同實(shí)現(xiàn)使變壓器快速脫離故障點(diǎn)，也應(yīng)是較好的方案。(220 kV母差保護(hù)直接跳變壓器各側(cè)開(kāi)關(guān)，雖也可解決開(kāi)關(guān)與TA間故障及母線(xiàn)故障變壓器該側(cè)開(kāi)關(guān)拒動(dòng)的問(wèn)題，但在多數(shù)情況下多跳了開(kāi)關(guān)，在一些情況下還可能導(dǎo)致500 kV另一元件停電。)

　　變壓器低壓側(cè)一般采用三角形接線(xiàn)，高、中壓側(cè)的阻抗保護(hù)很可能對(duì)低壓側(cè)短路起不到保護(hù)作用[4]。因此，變壓器低壓側(cè)的電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)多重化配置，才可以保證在任何情況下運(yùn)行設(shè)備都由兩套交、直流輸入和輸出回路相互獨(dú)立，并分別控制不同斷路器的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。單相式500 kV變壓器的低壓側(cè)設(shè)有套管TA，可測(cè)量到變壓器低壓側(cè)各相線(xiàn)圈流過(guò)的電流。在近低壓側(cè)斷路器處還設(shè)有外附TA。這樣的TA布局方便了低壓側(cè)保護(hù)多重化的交流電流回路接線(xiàn)要求，可將過(guò)流保護(hù)分別接于套管TA和外附TA。在保護(hù)裝置設(shè)計(jì)和制造時(shí)，要做到過(guò)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(shè)計(jì)時(shí)，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(hù)的直流熔斷器熔斷時(shí)不影響其他過(guò)流保護(hù)的正常運(yùn)行。在保護(hù)出口所跳斷路器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)滿(mǎn)足既有跳低壓側(cè)斷路器的保護(hù)段，又有跳變壓器各側(cè)斷路器的保護(hù)段。實(shí)際計(jì)算表明：此過(guò)流保護(hù)應(yīng)能保證對(duì)低壓母線(xiàn)的故障有足夠的靈敏度且動(dòng)作時(shí)間在1.0 s以?xún)?nèi)。

　　5.3　220kV聯(lián)絡(luò)變壓器的保護(hù)

　　一般中壓側(cè)的電源較弱(不以中壓側(cè)的電壓等級(jí)為主網(wǎng)架的電網(wǎng))，高壓側(cè)故障時(shí)流過(guò)變壓器的故障電流遠(yuǎn)小于中、低壓側(cè)故障時(shí)流過(guò)的電流，應(yīng)重點(diǎn)考慮中、低壓側(cè)相關(guān)設(shè)備短路時(shí)對(duì)變壓器熱穩(wěn)定性的影響。

　　變壓