某國(guó)外水電站變壓器瓦斯保護(hù)動(dòng)作分析和處理

杜瑞濤

（東方電氣集團(tuán)國(guó)際合作有限公司，四川 成都 610097）

1 引言

烏茲別克斯坦卡季林（Kadirin）水電站是東方電氣在“一帶一路”倡議下總包實(shí)施的一個(gè)典型水電站工程。該電站裝機(jī)為2臺(tái)7 670 kW的水輪發(fā)電機(jī)組，由發(fā)變組單元升壓接線(xiàn)至35 kV開(kāi)關(guān)站，并在35 kV開(kāi)關(guān)站接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。35 kV開(kāi)關(guān)站安裝了1臺(tái)2 500 kVA的油浸式降壓變壓器為電站周邊農(nóng)村供電。2019年6月6日，該變壓器發(fā)生瓦斯跳閘事故。

2 變壓器線(xiàn)路保護(hù)配置情況

發(fā)生瓦斯跳閘事故的變壓器線(xiàn)路電氣原理接線(xiàn)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。變壓器線(xiàn)路配置了電流保護(hù)和瓦斯保護(hù)，保護(hù)出口均為變壓器高壓側(cè)（35 kV側(cè)）斷路器。變壓器線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置通過(guò)跳開(kāi)變壓器高壓側(cè)斷路器切除故障。

圖1 變壓器支路電氣原理接線(xiàn)

變壓器高壓側(cè)裝設(shè)的電流保護(hù)裝置為南瑞公司生產(chǎn)型號(hào)為PCS-9611的微機(jī)式保護(hù)繼電器。該繼電器從變壓器高壓側(cè)電流互感器采集電流信號(hào)，線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，如果采集到的短路電流值超過(guò)繼電器設(shè)定的整定值且超過(guò)設(shè)定的延時(shí)，該繼電器將向變壓器高壓側(cè)斷路器發(fā)送跳閘命令，跳開(kāi)斷路器，防止事故擴(kuò)大[1]。

變壓器本體裝設(shè)了一只型號(hào)為QJ4-50的氣體繼電器用于該變壓器的瓦斯保護(hù)。氣體繼電器安裝在變壓器與儲(chǔ)油柜的連接管路上，在變壓器內(nèi)部故障使油分解產(chǎn)生氣體或造成油流沖動(dòng)時(shí)，使氣體繼電器的接點(diǎn)動(dòng)作，并通過(guò)跳開(kāi)變壓器高壓側(cè)斷路器以切除變壓器，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大[2]。

3 事故過(guò)程

2021年6月06日18：36：47，變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查動(dòng)作記錄，為瓦斯保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致的高壓側(cè)斷路器跳閘?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)取了電流保護(hù)繼電器PCS-9611中的電流波形（圖2），發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)變壓器高壓側(cè)電流明顯升高并持續(xù)一段時(shí)間（該線(xiàn)路額定電流為37.5 A，而此次故障發(fā)生期間，最高電流為365.9 A），但電流保護(hù)并未動(dòng)作。2021年6月16日現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變壓器進(jìn)行吊芯檢查，發(fā)現(xiàn)該變壓器的B相繞組線(xiàn)包出現(xiàn)破損（圖3）,B相低壓銅繞組部分熔毀。

圖3 變壓器繞組損壞圖片

4 原因分析

該變壓器高壓側(cè)配置了電流保護(hù)（電量保護(hù)）和瓦斯保護(hù)（非電量保護(hù)），變壓器低壓側(cè)未配置保護(hù)裝置。由于此6.3 kV配電線(xiàn)路較為簡(jiǎn)陋且維護(hù)較差，容易發(fā)生接地和相間短路。正常情況下，變壓器6.3 kV低壓線(xiàn)路如果發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)電流速斷保護(hù)跳閘來(lái)第一時(shí)間切除故障。只有當(dāng)速斷保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，才會(huì)引發(fā)瓦斯保護(hù)動(dòng)作。而本次瓦斯動(dòng)作前，過(guò)流速斷保護(hù)并未動(dòng)作。

現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)電流保護(hù)繼電器PCS-9611中保護(hù)定值，發(fā)現(xiàn)電流速斷保護(hù)定值為375 A。本次故障記錄的最高故障電流為365.9 A，沒(méi)有達(dá)到電流速斷保護(hù)的定值，因此電流速斷保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作。

經(jīng)過(guò)上述分析，判斷此次故障是由于變壓器低壓側(cè)支路發(fā)生了短路，但由于最高故障電流沒(méi)有達(dá)到電流速斷保護(hù)的定值375 A，速斷保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作，進(jìn)而導(dǎo)致短路電流一直存在。變壓器B相繞組匝間絕緣在短路電流的持續(xù)作用下?lián)p壞，然后B相繞組匝間短路并發(fā)生電弧，使變壓器油分解產(chǎn)生的強(qiáng)烈氣體或油流涌動(dòng)沖擊氣體繼電器QJ4-50的擋板，氣體繼電器QJ4-50的接點(diǎn)動(dòng)作，跳開(kāi)變壓器高壓側(cè)斷路器[3]。

5 處理方案

基于上述分析，確定解決方案為重新設(shè)定合理的電流保護(hù)整定值。該變壓器低壓側(cè)出線(xiàn)未配置保護(hù)裝置，因此變壓器的電流保護(hù)應(yīng)將變壓器和線(xiàn)路當(dāng)做一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)DL/T 584-2017《3~110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》7.2.11.4款規(guī)定，本線(xiàn)路為終端線(xiàn)路，可采用三段式電流保護(hù)[4，5]。整定計(jì)算過(guò)程如下：

（1）電流速斷保護(hù)整定

電流速斷保護(hù)定值應(yīng)按躲過(guò)本線(xiàn)路末端最大三相短路電流整定。

式中：

Kk－可靠系數(shù)，根據(jù)DL/T584規(guī)定，取Kk=1.3；

I(3)Dmax－本線(xiàn)路末端故障最大三相短路電流數(shù)值，根據(jù)短路計(jì)算報(bào)告I(3)Dmax=187 A；

帶入計(jì)算得電流速斷保護(hù)定值IopI=243.1 A，延時(shí)設(shè)置為0 s。

（2）延時(shí)電流速斷保護(hù)整定

由于線(xiàn)路末端無(wú)保護(hù)裝置，因此延時(shí)電流速斷保護(hù)按本線(xiàn)路末端故障有靈敏度整定。

式中：

I(2)Dmin－本線(xiàn)路末端故障最小兩相短路電流，根據(jù)短路計(jì)算得I(2)Dmin=161.9 A；

Ksen－靈敏度，根據(jù)DL/T 584規(guī)定，取Ksen=1.5。

帶入計(jì)算得延時(shí)電流速斷保護(hù)定值IopII=107.9 A，延時(shí)設(shè)置為0.3 s 。

（3）過(guò)電流保護(hù)整定

過(guò)電流保護(hù)按躲過(guò)本線(xiàn)路的最大負(fù)荷電流整定。

IopIII=Kk/（Kf×Ilmax）

式中：

Kk－可靠系數(shù)，根據(jù)DL/T584規(guī)定，取Kk=1.2；

Kf－返回系數(shù)，根據(jù)DL/T584規(guī)定，取Kf=0.95；

Ilmax－本線(xiàn)路最大負(fù)荷電流，為45 A。

帶入計(jì)算得過(guò)電流保護(hù)定值IopIII=35.6 A，延時(shí)為0.8 s。

6 處理結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)委托當(dāng)?shù)刈儔浩鲝S(chǎng)對(duì)損壞的變壓器繞組進(jìn)行了修復(fù)，并將上述電流保護(hù)整定值輸入了變壓器高壓側(cè)保護(hù)繼電器PCS-9611，變壓器和線(xiàn)路成功投運(yùn)。

2021年8月25日，變壓器低壓側(cè)6.3 kV線(xiàn)路再一次發(fā)生短路故障，變壓器35 kV高壓側(cè)斷路器成功跳閘。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，電流速斷保護(hù)成功動(dòng)作。電流保護(hù)繼電器PCS-9611的故障錄波電流信號(hào)如圖4所示，發(fā)生故障時(shí)最大短路電流361 A，故障發(fā)生后由電流保護(hù)繼電器PCS-9611的速斷電流保護(hù)功能在51 ms內(nèi)成功將變壓器高壓側(cè)斷路器跳開(kāi)，氣體繼電器未動(dòng)作。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變壓器進(jìn)行了絕緣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果正常。線(xiàn)路短路故障排除后，再次送電，變壓器運(yùn)行正常。

圖4 電流保護(hù)整定后故障錄波電流信號(hào)

7 結(jié)語(yǔ)

電流保護(hù)是變壓器和線(xiàn)路保護(hù)的重要保護(hù)功能，對(duì)變壓器和線(xiàn)路的安全運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。本文對(duì)卡季林水電站變壓器-線(xiàn)路瓦斯保護(hù)動(dòng)作事件進(jìn)行了全面的分析，找到了此次瓦斯保護(hù)動(dòng)作的原因，并提出了合理的解決方案，對(duì)卡季林水電站變壓器-線(xiàn)路后續(xù)的安全、可靠運(yùn)行提供了保障。