变电站变压器主保护动作事故分析及处理

裴海玲，杨 轩

（国网宁夏电力有限公司中卫供电公司，宁夏 中卫 755000）

引言

在当前科学技术高速发展背景下，各领域发展对电力资源的依赖性不断提升，因此，电力行业对电力工程建设及运维管理的重视程度逐年提高。然而受技术水平以及区域实际情况限制，部分山区供电系统存在线路长、安全等级低、易受自然环境因素影响等问题，因雷击导致主变主保护动作异常情况屡见不鲜。更为严重的是，因接地电流侵入变压器内部，击穿高压侧绕组绝缘，并造成绕组匝间短路故障，相应区域内电力供应完全瘫痪，给生产生活造成严重破坏。因此，当前电力行业已经将提升供电系统稳定性，构建完善的变压器故障分析与处理体系作为主要研究内容。

1 变压器差动保护概述

变压器的差动保护作为变压器的主保护，其主要功能为针对主变内部产生相间故障、接地故障以及各相引出线间故障进行保护。其实际工作过程中涉及以下几个概念：

1）基波与谐波。在电力设备周期性震荡中，与最长震动周期相等的正弦波分量即为基波。与基本频率倍数相等的正弦波分波即为谐波。

2）励磁涌流。励磁涌流为变压器在空载投运条件下建立磁场的电流，最为显著的特征为具备显著非周期分量且电流数值相对较大。

3）平衡系数。通常情况下，变压器各侧额定二次电流呈现出较为显著的差异性。技术人员在实际工作中通过设置平衡系数，使变压器运行过程中高低侧的额定二次电流值一致[1]，确保差动保护正常运行。

设定变压器高压侧、低压侧额定二次电流分别为4.6 A、3.8 A，在选择高压侧作为基本侧的情况下，则高压侧、低压侧平衡系数为Kph=4.6/4.6=1、Kpl=4.6/3.8=1.21，在对其进行平衡折算后，差动保护内部计算高压侧、低压侧额定二次电流分别为4.6×Kph=4.6 A、3.6×Kpl=4.6 A。在经过平衡这算处理后，保护内部计算用变压器两侧额定二次电流相等，都等于基本侧的额定二次电流。

从技术角度分析，差动保护基本原理为通过对被保护设备高压侧、低压侧电流的相位及数值大小进行横向比对，达到保护的目的。其原理接线图如图1所示。

图1 变压器差动保护原理接线图

差动保护动作原理为：设定保护差动电流、制动电流分别为Id、Ir，差动门槛定值、速断定值分别设定为Icd、Isd，拐点1、拐点2及其比例系数分别为Ig1、K1和Ig2、K2。

当Ir＜Ig1时：

当Ig2＞Ir＞Ig1时：

Ir＞Ig2时：

变压器实际运行过程中，只要满足上述方程之一，即会产生保护动作出口。

现阶段，差动保护基本采用单拐点，即使在双拐点差动保护中，为确保测试简便性，试验开始前要将保护定值修改为：Ig1=Ig2、K1=K2，然后依照单拐点方式进行测试。

当Ig2＞Ir＞Ig1时：

2 案例概述

为深入探究变压器主保护动作故障分析以及处理对策，本文选取实际案例进行具体分析。案例工程为某地区35 kV变电站，其建设位置处于山区地带。2019年6月，该变电站在运行过程中遭遇雷击天气，变电站内的2号主变本体及开关重瓦斯动作、变压器差动保护动作，导致主变两侧开关跳闸，全站陷入失压状态。依据现场工作人员报告，对主变保护测控装置读数显示，主变差动电流为0.58 A、变压器本体及开关重瓦斯保护启动、2号主变油温告警、泄压阀处于启动状态、轻瓦斯未能及时告警。除此以外，运行人员还反映变压器设备在保护跳闸前存在较为明显的异常响动。

变电站在事故发生后组织技术人员对其进行检查，最终结果显示2号主变外表未出现明显异常，高低压侧开关以及避雷器均未出现明显损坏，站内避雷针接地阻值为0.9 Ω。技术人员在对变压器绕组直流电阻进行检测后发现，低压侧绕组电阻值为258～260 mΩ，而高压侧AB以及BC两组绕组电阻值均＞2 kΩ，而AC组电阻值为4.05 Ω。

技术人员在充分结合检测结果的基础上，判断故障部位在高压侧B相绕组中。为验证此结论，技术人员于7月1日对变压器进行详细检查，最终结果显示，B相绕组两处呈现出较为显著的鼓起情况，鼓起部位分别位于上部导电杆连接部位以及分接开关，变压器内部绕组烧毁后，有较为明显的铜渣。

3 故障原因探究

由上述事故现象、保护数据以及变压器检查结果可知，设备高压侧B相绕组烧毁问题的原因为：雷电天气下，设备外部线路遭受强雷击，避雷器放电过程中形成单相接地故障，接地电流进入变压器内部，产生弧光过电压，造成高压侧B相绕组绝缘被击穿，绕组匝间出现短路，最终导致绕组被烧毁。

从技术角度分析，因外部雷击导致变压器主保护动作，甚至导致内部绕组被烧毁的主要原因为：

1）该体系为一个小接地系统（不连接于变压器的中性点）。这时，如果被一道闪电连续击中一相，经过避雷装置的放电，造成一次接地失效，那么，该断路器就不能起作用了。由于在单相接地点出现的小接地，因此，系统在一定程度上具有接地能力。当然，当闪电劈在两个或三个不同的地方，电路上的短路（或快速关闭）保护就会启动，从而避免接地故障[2]。

2）室外的电线应该位于电源线（电源线安装位置）的附近。当一条线路中的某一相被电击后，由于开关箱不起作用，短路的电流沿着低电压侧的母线进入到变压器的内部，从而造成了一次短路。因变压器的中性点未接地，在变压器内形成一道弧光过电压，这种弧光过电压有两种危害：一是造成变压器内部相间短路故障，引起变压器主保护动作。二是击穿故障相绕组的绝缘，进而发展成变压器绕组匝间短路永久性故障[3]。这两种危害都对变压器线圈的绝缘造成了很大的损害，对变压器安全运行构成了巨大的威胁。

对导线的输出端点进行分析可知，避雷器的放电是瞬时进行的，而且电流的释放速度要比其他的防护措施更高，正常的雷电不会引起接地失效。但是，当避雷器的放电能力很弱，或者接地网的接地不够好，就不可能在短时间内完成，长时间的放电很可能导致单相短路。

当以上条件都符合时，就可以看作是一个带有接地的小电流系统。当外部电线受到电击后，地面的电流进入到变压器的内部，从而导致变压器的单相接地失效。

若地线电流进入到变压器内，所产生的电弧过电压继续使其发生失效，从而导致线圈的绝缘破裂，产生线圈匝间短路，其幅度与接地电流的强弱有关。案例中35 kV变电所被击中后，2号变压器的主保护工作，使B相绕组的绝缘破裂，从而引发了线圈之间短路，烧毁了线圈。由此判断，在10 kV的电力系统中，B相受到了雷击。

4 解决措施

由上述分析结果可知，在以上条件同时具备的情况下，外部线路遭受雷击，变压器主保护产生动作，其偶发性特征较为显著。变压器内部出现侵入的接地电流，即使变压器主保速断动作均接近无时限，但在接地电流足够大的情况下，变压器内部会产生弧光过电压，对绕组造成毁坏的同时，也会导致相绕组绝缘被击穿，直接导致变压器陷入瘫痪状态。

为有效提升恶劣天气条件下系统供电稳定性，最大限度地降低因雷击天气导致的故障产生机率。技术人员工作中通过提升避雷器性能，确保线路遭受雷击情况下的放电可靠性，从源头上消除雷电波侵入通道。在避雷器产生放电不良并形成单相接地故障的情况下，应最大限度地降低或直接消除接地电流[4]。

技术人员针对案例电站的实际情况提出以下优化对策：一是定期对案例中的35 kV变电站10 kV出线杆避雷器进行更换，同时强化雷雨季节条件下对避雷器的监测力度，切实保障避雷器放电性能满足实际使用需求。二是在对案例中35 kV变电站主变运行方式优化可能性进行分析后，技术人员制定出经消弧线圈接地模式改建方案。将消弧线圈接地装设与现有主变10 kV侧绕组部分，通过消弧线圈产生的感性电流中和接地电流，从而最大限度地降低接地电流。计算出系统最大接地电流并选择合适的消弧线圈，即使接地电流侵入变压器内部，产生非常小的弧光过电压，也不会造成弧光短路故障。

5 结语

在当前新时期背景下，社会生产生活对电力资源的依赖性不断提升，因此，切实保障供电系统稳定运行具有重要的现实意义。变电站作为电力系统的重要组成部分，在确保电力系统平稳、可靠运行方面发挥着重要作用。本文所研究案例，对变电站变压器主保护动作故障进行研究，并提出相应的改进对策，可有效确保变电站可靠运行，具有推广借鉴的价值。