1　引言

　　電力變壓器的故障分為內(nèi)部和外部兩種故障。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(fā)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(wěn)定性。而在變壓器各側(cè)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(cè)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(nèi)的區(qū)外故障造成的過電流，在此時間段內(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　變壓器設計熱穩(wěn)定指標

　　文獻[1]中要求“對稱短路電流I的持續(xù)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(xù)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(jīng)制造廠與使用部門協(xié)商后，采用的短路電流持續(xù)時間可以小于2s?！?/P>

　　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(shù)(高低壓阻抗比為22.4)計算可知：低壓側(cè)能夠承受的熱穩(wěn)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(cè)母線故障本側(cè)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(shù)規(guī)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(cè)均裝設了阻抗保護及零序方向電流保護，低壓側(cè)裝設過流保護。這些保護均作用于跳閘。高、中壓側(cè)的阻抗保護和低壓側(cè)過流保護屬變壓器的相間后備保護。由于500 kV變壓器多為單相式變壓器，所以變壓器本體不會發(fā)生相間故障。在變壓器所連接的高、中壓系統(tǒng)中，線路保護一般配置了雙重縱聯(lián)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(cè)母線故障時起作用，特別是中、低壓側(cè)母線的故障(500 kV側(cè)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(wěn)定破壞，誘發(fā)嚴重的內(nèi)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(nèi)部、高中壓側(cè)母線及與高中壓母線鄰近的電氣設備的接地故障。

　　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，一般裝設瓦斯保護、差動保護，同時在其高、中壓側(cè)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(cè)裝設復合電壓閉鎖過流保護。各側(cè)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(nèi)部、各側(cè)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(cè)母線及母線鄰近的電氣設備的后備保護。110 kV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，110 kV側(cè)零序過電流保護、間隙保護及各側(cè)過流保護或復合電壓閉鎖過流保護，這些保護的作用與220 kV變壓器的作用相似。

　　4　可能考驗變壓器熱穩(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(nèi)故障對變壓器熱穩(wěn)定性的考驗。500 kV系統(tǒng)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500 kV系統(tǒng)側(cè)故障對變壓器熱穩(wěn)定性的考驗。

　　220 kV系統(tǒng)側(cè)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(zhuǎn)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(cè)一般經(jīng)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。

　　4.2　220kV及以下變壓器

　　對于兩側(cè)系統(tǒng)都有電源的聯(lián)絡變壓器：任何一側(cè)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(zhuǎn)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(cè)系統(tǒng)有電源的降壓變壓器：中、低側(cè)母差保護校驗停運或故障拒動時;中、低壓側(cè)變壓器開關與TA間故障時;中、低壓側(cè)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。

　　5　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2 s的熱穩(wěn)定時間要求。在此僅關心變壓器相間后備保護的定值問題。

　　5.1　整定規(guī)程要求

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

　　變壓器各側(cè)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(nèi)部故障的后備保護。主電源側(cè)的變壓器相間短路后備保護主要作為變壓器內(nèi)部故障的后備保護。其它各側(cè)的后備保護主要作為本側(cè)引線、本側(cè)母線和相鄰線路的后備保護，并盡可能當變壓器內(nèi)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(cè)斷路器。

　　主電網(wǎng)間聯(lián)絡變壓器的短路故障后備保護整定：高(中)壓側(cè)(主電源側(cè))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(cè)繞組及　　對側(cè)母線相間短路故障的后備保護，并對中(高)壓側(cè)母線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(tǒng)振蕩周期，其反方向偏移阻抗部分作為本側(cè)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(cè)(主電源側(cè))相間短路后備保護動作方向指向變壓器，對中壓側(cè)母線故障有足夠靈敏度。

　　5.2　500kV變壓器的保護

　　當220kV側(cè)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(cè)及本側(cè)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1.5～2.0 s之間。如果短路為非金屬性的，經(jīng)弧光短路時，阻抗保護可能靈敏度不足或整定延時長于2.0 s。最好在本側(cè)設一個保變壓器熱穩(wěn)定的反時限過流保護，其整定值應由變壓器的熱穩(wěn)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(cè)流過的電流接近熱穩(wěn)定電流時可靠動作，如整定為0.8倍的設計允許熱穩(wěn)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2.0 s。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(nèi)造成變壓器熱穩(wěn)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：220 kV側(cè)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(xiàn)使變壓器快速脫離故障點，也應是較好的方案。(220 kV母差保護直接跳變壓器各側(cè)開關，雖也可解決開關與TA間故障及母線故障變壓器該側(cè)開關拒動的問題，但在多數(shù)情況下多跳了開關，在一些情況下還可能導致500 kV另一元件停電。)

　　變壓器低壓側(cè)一般采用三角形接線，高、中壓側(cè)的阻抗保護很可能對低壓側(cè)短路起不到保護作用[4]。因此，變壓器低壓側(cè)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500 kV變壓器的低壓側(cè)設有套管TA，可測量到變壓器低壓側(cè)各相線圈流過的電流。在近低壓側(cè)斷路器處還設有外附TA。這樣的TA布局方便了低壓側(cè)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(cè)斷路器的保護段，又有跳變壓器各側(cè)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1.0 s以內(nèi)。

　　5.3　220kV聯(lián)絡變壓器的保護

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

　　變壓