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)運行中作用巨大，并且因為其價格昂貴、損壞維修困難、修復(fù)工期長，其安全在電網(wǎng)運行中備受重視。正常情況下，主變一般在額定電流以下運行，但在系統(tǒng)大負(fù)荷、設(shè)備故障或異常、并列運行主變一臺跳閘、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行，短時超額定電流運行為系統(tǒng)潮流的調(diào)整贏得時間，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行，但長期超過額定電流運行將在不同程度上縮短變壓器的壽命，嚴(yán)重時會損壞變壓器[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一般為復(fù)壓閉鎖過流保護和過電流保護，單一表征電流量的后備過電流保護根本無法適應(yīng)；且單從電流而言，實際運行中過流保護靈敏度很難把握，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，過流保護的靈敏性和選擇性難以兼顧。電網(wǎng)運行中發(fā)生過多次因過流保護使用不當(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)備安全運行的同時，最大限度地實現(xiàn)對用戶連續(xù)供電，一直是困擾電網(wǎng)運行者的難題。

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)或主變故障時的過電流以及系統(tǒng)無故障時變壓器過載。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和復(fù)壓閉鎖過流保護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，差動保護可靠不動作，遠處區(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，此時主變在較長時間內(nèi)超額定電流運行。隨著電流和溫度的升高，增加了變壓器過早損壞的危險性，這種危險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)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施（試行）繼電保護專業(yè)重點實施要求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、長延時的后備保護，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。但在實際應(yīng)用過程中，該后備保護往往不能兼顧靈敏性和選擇性，從而失去保護作用。

1.2 變壓器超額定電流運行的后果

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

（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。在熱點溫度突然升高超過臨界溫度時，絕緣紙中出現(xiàn)氣泡，使其絕緣強度降低，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，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)力以及受高場強作用的絕緣體積都會增加，大型變壓器超額定負(fù)載時，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?！盵7][8]

單從電流而言，并列運行的變壓器過電流保護，按選擇性要求應(yīng)考慮運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)計溫度時，變壓器將遭受一定程度的危險，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℃，強迫油循環(huán)風(fēng)冷的最高限值85℃，強迫油循環(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)載下運行，相對老化率遠大于1，繞組熱點溫度可能達到危險程度[9][10]。在出現(xiàn)這種情況時，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行具有完全不同的形態(tài)和運行要求，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、電壓具有很強的故障特征，變壓器配置的差動主保護及復(fù)壓閉鎖過流保護可以很好解決。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際過載整定。過電流保護按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行時，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溫度、環(huán)境溫度，所允許的變壓器運行時間亦不相同，單一表征電流量的后備過流保護顯然無法滿足國標(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，保護邏輯如下：

（1）I*＜IL，且頂層油溫T＜Tsd℃時，變壓器繼續(xù)運行；

（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，運行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，裝置短經(jīng)延時切除部分負(fù)荷，延時時間大于保護裝置最長動作時間，可取10s，使I*＜IH；

（5）頂層油溫T≥Tsd℃時，裝置經(jīng)短延時切除部分負(fù)荷，延時切除時間取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，強迫油循環(huán)風(fēng)冷的取85，強迫油循環(huán)水冷的取70。

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

3 實現(xiàn)和應(yīng)用

針對220 kV變壓器故障，保護裝置功能完善，只需改變后備過電流保護的應(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現(xiàn)3.2的邏輯，聯(lián)切負(fù)荷通過虛回路配置實現(xiàn)；常規(guī)變電站可以在變壓器非電量保護中實現(xiàn)3.2的邏輯，聯(lián)切負(fù)荷通過與中、低壓線路保護間配線實現(xiàn)。

4 結(jié)語

本保護措施完全滿足國標(biāo)及變壓器運行規(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?，F(xiàn)場應(yīng)用時可以依據(jù)變壓器實際評估結(jié)果進行調(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)的安全運行水平和最大限度地保障用戶連續(xù)供電，效果顯著。

[參考文獻]（References）

[1] 鄒圣權(quán),張振,魏寶林.變壓器復(fù)壓閉鎖過流保護整定探討[J].湖北電力,2012,36(05):30-31,41.ZOU Shengquan,ZHANG Zhen,WEI Baolin.Discus?sion of the setting for compound voltage blocking overcurrent protection of transformer[J].Hubei Elec?tric Power,2012,36(05):30-31,41.

[2] 陳晴,吳國忠,孫翔.提高500 kV大型變壓器過載能力的研究[J].機電工程,2010,27(12):94-97.CHEN Qing,WU Guozhong,SUN Xiang.Research of 500 kV high-capacity transformer's overload capac?ity improvement[J].Mechanical and Electrical Engi?neering Magazine,2010,27(12):94-97.

[3] 敖明,楊偉龍.油浸式電力變壓器過載限值分析[J].吉林電力,2005,(02):35-36.Ao Ming,Yang Weilong.Analysis on limited value by overload for oil-filled transformer[J].Jilin Elec?tric Power,2005,(02):35-36.

[4] 朱柳慧.變壓器過載能力優(yōu)化及運行風(fēng)險評估方法[D].上海交通大學(xué),2013.ZHU liuhui.Overload capability optimization and risk assessmentmethod fortransformer[D].Shang?hai Jiao Tong University,2013.

[5] 何文林,孫翔,蔣躍軍.浙江電網(wǎng)220 kV變壓器過載能力計算分析[J].浙江電力,2008,(05):20-23.HE Wenlin,SUN Xiang,JIANG Yuejun.Analysis on overload-capability calculation of 220 kV trans?formers in Zhejiang power grid[J].Zhejiang Electric Power,2008,(05):20-23.

[6] 國家能源局.DL/T 684-2012大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2012.National Energy Administration.DL/T 684-2012 Guide of calculating settings of relay protection for large generatorand transformer[S].Beijing:China Electric Power Press,2012.

[7] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會 .GB/T 1094.7-2008電力變壓器 第7部分：油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則[S]．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.General Administration of Quallty Supervision,In?spection and Quarantine of the People’s Republic of China.Standardization Administration of the People's Republic of China.GB/T 1094.7-2008 Power trans?formers- part 7:loading guide for oil-immersed power transformers[S].Beijing:Standards Press of China,2008.

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 1094.2-2013電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升[S]．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.General Administration of Quallty Supervision,In?spection and Quarantine of the People’s Republic of China.Standardization Administration of the People's Republic of China.GB/T 1094.2-2013 Power trans?formers―part 2:temperature rise for liquid-immersed transformers[S].Beijing：China Standard Press，2014.

[9] 王豐華,周翔,高沛,等.基于繞組熱分布的改進油浸式變壓器繞組熱點溫度計算模型[J].高電壓技術(shù),2015,41(03):895-901.WANG Fenghua,ZHOU Xiang,GAO Pei,etal.Im?proved thermal circuit model of hot spot tempera?ture in oil-immersed transformers based on heat distribution ofwinding[J].High VoltageEngineer?ing,2015,41(03):895-901.

[10] 李子峰.變壓器復(fù)合電壓閉鎖過流保護靈敏度問題研究[J].中國電力,2014,47(07):67-70,76.LIZifeng.Study on the sensitivity problem of transformer's over current protection interlocked by compound voltage[J].Electric Power，2014，47(7)：67-70,76．