防止区外故障引起500kV变压器瓦斯保护动作研究

罗松林 黄盛超 赖绍奇 王旭明

（1.广东电网有限责任公司东莞供电局，广东东莞523000；2.国家电网公司中国电力研究院，北京100031）

0 引言

变压器在电力系统中主要起着变换电压和传递能量的作用，是实现高电压远距离输电和满足用户电压等级需求的重要一环，能够大幅降低电能损耗，在电网中有着至关重要的地位，是整个电网中最为关键的设备，不仅价格昂贵，而且在发生故障时，引发的后果非常严重，因此变压器设备的保护就显得非常重要，需快速、及时、准确动作，将故障切除，防止事故进一步扩大，影响电网安全运行。为此，变压器都配置了基于基尔霍夫电流差动保护原理的纵差主保护。但由于变压器差动保护对于变压器内部的一些故障，如变压器匝间、层间短路和一些非电气量的变化等，无法准确反应，容易造成运行隐患的形成，不利于对设备状态的把握[1-2]，因此，规程规定：容量超过800kVA的油浸式变压器，都应装设瓦斯保护[3]。

瓦斯保护是一种非电气量保护，分为轻瓦斯保护和重瓦斯保护，是变压器内部故障的主保护，反映油箱内的一切故障，与差动保护不能同时退出。瓦斯保护正常时，能够对变压器起到保驾护航的作用，但有时也会因为一些原因引发误动作，使运行人员不能准确判断设备状态，特别是引发重瓦斯保护跳闸时，将会导致负荷损失。而引发瓦斯保护误动作的原因主要有三条：

（1）作业人员误碰探针，引发瓦斯误动作；

（2）瓦斯保护进水引起二次接线短路或者二次接线错误引发瓦斯保护误动作；

（3）由于外部故障，产生较大的穿越电流，在电磁感应的作用下，绕组扩张，使油流冲击瓦斯继电器引发跳闸[4]。

针对第一、二种情况，我们通过日常巡视、维护等手段能够较好地控制，预防发生，但第三种情况则较难预防，从而给电网运行带来了严重的威胁。因此，如何防范区外故障引发瓦斯保护误动作的研究就显得非常必要。

1 瓦斯保护工作原理

变压器油箱内发生故障时，短路点电弧或短路电流将使绝缘材料和变压器油老化分解，产生气体，当故障较轻微时，产生的气体量较少，累积在瓦斯继电器的上部空间，使得瓦斯继电器内的油面逐渐下降，浮在油面上的浮筒跟随油面下降，当油面下降到一定程度时，信号回路接通，发出告警信号，即轻瓦斯保护动作，当内部严重故障，产生大量气体时，由于压力的原因，油会迅速膨胀，油流冲击安装在邮箱与油枕之间连接管道中的气体继电器，冲击挡板，挡板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，即重瓦斯保护。其接线原理如图1所示。

图1 瓦斯保护动作原理接线图

当变压器内部发生轻微故障，气体累积，使油位降低时，接通信号回路，使瓦斯继电器KG的上接点KG1动作，接通信号继电器1KS发出信号。当变压器内部发生严重故障时，使瓦斯继电器KG的下接点KG2动作，接通信号继电器2KS和中间继电器KM，发出信号，并使断路器跳闸[5]。

2 区外故障引发瓦斯保护误动作的原因分析

区外故障引发瓦斯保护误动作主要是指引发重瓦斯保护误动作导致跳闸故障。重瓦斯保护动作主要是油流冲击挡板，挡板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路[6-7]。也就是说，必须产生一个力F大于等于弹簧挡板的阻力f阻，而阻力又与油流速度存在着一定的关系[8]，如式（1）、式（2）所示：

式中，F为油流冲击挡板所产生的力；t为作用在挡板上的时间；m为冲击挡板的油质量；v为油流冲击挡板的速度；v0为油流正常情况下冲击挡板的速度，一般认为是0。

在作用时间t一定时，我们可以认为F与v成正比，也就是说，我们设定的重瓦斯保护克服的阻力整定值与速度成正比，即重瓦斯保护动作时的f阻整定与油流需达到的速度V整定成正比，即满足关系式（3）：

式中，k1为重瓦斯保护动作时的f阻整定与油流需达到的速度V整定的比例系数。

而区外短路故障引发油流冲击挡板的主要原因是穿越性短路电流引起的电动力使主变绕组快速挤压和扩张，使得本体油快速往油枕方向涌动，可能触发瓦斯继电器动作[9-10]。三菱公司的统计试验数据显示，外部短路电流与其所产生的油流速度之间又存在着接近正比例的关系，如式（4）所示：

式中，v油流为油流冲击挡板的速度；I短路电流为外部故障的短路电流；k2为油流速度与产生它的外部短路电流之间的比例系数。

由式（3）、式（4）可知，外部短路电流达到一定数值时，才可能引发内部瓦斯保护误动作。此外，部分继电器抗震性能较差也是瓦斯继电器误动作的重要原因之一。

表1 瓦斯保护动作分析

3 事例分析

据南方电网公司统计，2011年7月11日至2015年1月1日，单三菱公司生产的500kV主变就相继发生了5次由于外部短路引起的主变本体重瓦斯误动事件，下面以2014年4月11日发生在500kV横沥变电站的事故为例进行分析。

500kV横沥站有4台分相式三菱变压器，其中#1～#3主变处于运行状态，#4主变处于热备用状态，220kV侧母线为双母双分段，其接线图如图2所示，灰色表示断开，黑色表示合上，因故检修ⅤM母线，在进行热倒母操作时，由于#3变中ⅥM母线侧23036刀闸合闸不到位，在拉开#3变中ⅤM母线侧23035刀闸时，发生故障，差动保护跳开ⅤM、ⅥM母线，由于变中侧短路故障，使得#1、#2、#3主变瓦斯保护动作跳闸，导致220kV 4条母线全部失压，造成4个220kV站失压及13个110kV站失压。

图2 500kV横沥站事发前设备运行接线方式

经过试验、测试，#1、#2、#3主变内部并无故障，除#3主变由于差动保护动作跳闸外，#1、#2主变都是由于区外故障产生的误动作，扩大了事故停电范围。现对事故发生时#1～#3主变变高、变中侧电流进行分析，如表1所示。

由于当前根据弹簧阻力设置的重瓦斯保护动作油流速度V整定为1m/s，根据算式（4）及三菱变压器设备对应的比例系数k2取值，我们可以算出，当变中侧短路电流超过9kA时，瓦斯保护会误动作，与当前实际情况相符合。

4 防止区外故障引发瓦斯保护误动作措施

由于区外故障短路电流可能引发瓦斯保护误动作导致主变跳闸，扩大事故范围，因此，我们可以考虑以下几种措施：

（1）将重瓦斯保护改接信号，但这种方式固然不会引起重瓦斯保护误动作，但却不能在主变内部发生故障时及时、快速切除故障，因而有损主变寿命，故该方法不予采用。

（2）适当调整重瓦斯保护动作整定值，调整弹簧挡板阻力f阻整定，根据式（3），即调整V整定，从而适应对区外故障短路电流动作值的调整，使其既能在变压器内部发生严重故障时动作跳闸，也可以在一定程度上避开区外短路故障所引发的误动作，如将V整定调整为1.5m/s，由式（4）可得变中故障短路电流达到13kA以上时，重瓦斯保护才会动作，根据表1中的数据可知，#1、#2、#3主变均可避开区外故障的穿越性电流，不发生跳闸，从而降低负荷损耗。

为此，经过专家分析，广东电网决定在2014年年底前完成包括500kV莞城站在内的全省共计25组瓦斯继电器的更换工作，将其整定值全部更改设定为1.5m/s。当然，不同的变压器根据运行条件还可以适当调大整定油流速度来避开短路电流。

（3）三菱变压器2008年起选用了兵田计器公司生产的瓦斯继电器BR-1-415-3B型，该瓦斯继电器是采用轻撞击型微动开关，对油流及振动较为敏感，容易在发生外部短路时造成瓦斯误动，经过对比试验，我们发现日本兵田生产的气体继电器抗震动特性不满足JB/T9647—2014《变压器用气体继电器》的要求，而其他厂家的符合要求，我们可以对使用该型号的变压器进行更换及加固工作。

5 结论

（1）区外故障短路电流是引发重瓦斯保护误动作的重要原因之一，会导致主变跳闸，可能扩大事故范围，增加负荷损失；

（2）我们可以通过适当调整瓦斯继电器油流动作整定值的方式，将500kV三菱变压器的油流整定值由1m/s提高至1.5m/s，来降低瓦斯继电器受区外故障穿越性电流的影响，同时保持瓦斯保护对于区内故障的灵敏度；

（3）将部分抗震特性不满足抗震要求的瓦斯继电器更换为满足要求的瓦斯继电器，也是防止瓦斯保护受区外故障穿越电流影响的措施之一。

［参考文献］

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[3]关建军，吕群贤，刘敏，等.降压变压器重瓦斯保护误动的原因分析[J].变压器，2010，47（3）：72-73.

[4]莫妃炳.超高压变压器瓦斯继电器动作分析[J].继电器，2000，28（6）：52-53.

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[8]赵胜，李先明.一起因保护区外故障引起主变跳闸事故的分析[J].硅谷，2012（18）：157.

[9]杨小萍.电力变压器的故障和瓦斯保护[J].贵州电力技术，2014，17（2）：82-83.

[10]刘静，王志军，林楠.500kV主变瓦斯保护误动故障分析[J].电工技术，2011（3）：66-67.