關于220kV變壓器應用阻抗保護滿足熱穩定運行的分析

王翠霞，劉萬旭

（石嘴山供電局，寧夏石嘴山753000）

1 引言

隨著大電網的建設，按照“升壓、增容、換代、優化通道”的發展思路，電網發展愈發需求系統接入大容量變壓器，以提升配電網的供電能力和適應性。繼電保護對保證電網安全穩定有著極其重要的作用，而優化保護配置及定值整定計算策略是保證繼電保護安全可靠運行的重要因素。大容量變壓器得到普遍使用，其短路阻抗相對較小，致使變壓器外部發生故障時穿越變壓器的短路電流往往大于變壓器的熱穩定電流。規程規定，發生該種情況變壓器后備保護動作時間不應超過2.0s，但樞紐變220kV變壓器復壓過流后備保護延時因考慮與下級配合的需求，遠大于熱穩定2.0s的規定，如采用常規增加限時速斷電流保護的方案，則會發生與中壓側110kV出線距離保護動作原理不一致導致嚴格配合很困難的問題。本文提出220kV變壓器保護采用按阻抗原理特殊配置的方案，可以解決上述常規方案不配合的問題。

2 大容量變壓器運行中存在的問題

2.1 變壓器后備保護配置及整定原則

當前，寧夏地區220kV變壓器配置雙套后備保護，高、中壓側普遍配置兩段或三段式復合電壓閉鎖過流保護及零序過流保護，裝置邏輯可定義各段是否選擇經方向閉鎖。高壓側復壓方向過流保護方向由220kV母線指向變壓器，過流定值按躲過主變高壓側額定電流整定，延時須滿足220kV電源線配合限值并與主變中壓側復壓方向過流延時配合，帶方向的后備跳閘延時普遍長達4.0s左右。主變110kV中壓側復壓閉鎖方向過流保護，方向由變壓器指向110kV母線，方向過流定值躲過中壓側額定電流，延時須滿足高壓側方向過流配合限值并與中壓側110kV出線距離末段時間配合。因中壓側出線多作為110kV終端變的供電線路，經與下級變壓器、負荷出線后備保護的數級配合，其相間距離III段延時在3.0s左右，則主變中壓側保護跳本側延時配合出線保護最長延時整定為Δt+3.0s＝3.3s左右。

2.2 規程對與電網配合有關的變壓器保護規定

電力行業標準《3～110kV電網繼電保護裝置運行整定規程》規定，與電網配合有關的變壓器保護，當變壓器外部發生短路故障時，如短路電流大于任一側繞組熱穩定電流時，變壓器過電流保護的動作時間不應超過2.0s。220kV變壓器阻抗參數遠小于110kV電網變壓器阻抗，其中低壓側母線故障時短路電流遠超過主變熱穩定電流，故勢必考慮220kV主變后備保護的整定應滿足行業標準規定。

2.3 變壓器熱穩定電流與熱穩定切除時間

熱穩定是指電器通過短路電流時，電器的導體和絕緣部分不因短路電流的熱效應使溫度超過其短路時的最高允許溫度而造成損壞并妨礙繼續工作的性能。

電力變壓器GB1094.5-85中要求“對稱短路電流I的持續時間：當使用部門未提出其它要求時，用于計算變壓器承受短路耐熱能力的電流I的持續時間為2s，對于短路電流超過25倍額定電流的變壓器，經制造廠與使用部門協商后，采用的短路電流持續時間可以小于2.0s。”熱穩定電流與對稱短路電流I的定義相近，且允許時間與規程中的相同，下文中統稱為熱穩定電流。

2.4 實例計算變壓器外部短路電流

以地區220kV樞紐變電站實際參數進行主變中壓側110kV母線短路故障電流的計算，運行方式為1＃、2＃主變高、中壓側并列運行，低壓側分列運行。文中計算出110kV中壓側母線發生各種故障短路電流，接線如圖1所示。

2.4.1 主變參數及基準參數

兩臺主變參數較一致：

基準容量：100MVA

2.4.2 歸算至變電站110kV母線參數

方式綜合考慮兩臺主變并列、分列運行：

大方式正序阻抗Z1*max＝0.03518；

小方式正序阻抗Z1*min＝0.08294；

大方式零序阻抗Z0*max＝0.01917589；小方式零序阻抗Z0*min＝ 0.0209369。

2.4.3 110kV母線故障短路電流計算值（考慮大方式下）

以上計算結果可以表明，大方式下大型220kV變壓器外部母線短路故障點處電流最大達到主變額定電流17倍，考慮流過兩臺主變電流分支系數后（參數較一致），流過主變繞組的電流最大達到8.5倍額定電流，后備保護延時卻大于熱穩定電流的允許時間2.0s，不利于設備安全運行。

2.5 變壓器后備保護延時超過熱穩定允許時間的后果分析

220kV變壓器中、低壓側母線故障流過變壓器的短路電流大，由于后備保護帶延時動作，因此變壓器必然要承受一定時間段內的外部故障造成的過電流，不僅引起變壓器繞組過熱，還可能造成繞組的動穩定破壞，誘發嚴重的內部故障。在此時間段內變壓器是否損壞主要取決于變壓器的熱穩定性。因此，變壓器后備保護的定值整定與變壓器自身的熱穩定要求之間存在著必然的聯系。

3 220kV變壓器采用常規措施解決熱穩定問題的分析

3.1 主變中壓側后備增加限時電流速斷保護

通常，對于變壓器中壓側后備延時長且短延時后備保護缺位的情況，會考慮增加一段限時速斷電流保護來補充。電流整定原則按至母線故障有規定的靈敏度整定，延時可與110kV出線距離I段或Ⅱ段配合，取值不超過1.0s。

3.2 采用常規措施存在的整定配合問題

因220kV主變高、中壓側帶方向的電流保護均指向負荷側，其中壓側110kV線路一般會配置階梯式相間距離、接地距離保護。中壓側后備增加限速速斷電流保護，其保護范圍已伸入中壓側110kV出線距離Ⅰ段或Ⅱ段保護范圍，因兩種保護動作原理不一致，上下級配合界限不明確，若達到階梯特性嚴格配合存在很大困難。

4 采用配置220kV變壓器阻抗原理保護的特殊措施

4.1 220kV主變后備保護采用阻抗保護的分析計算

主變阻抗為變壓器的部分繞組的后備保護，不作為變壓器低壓側故障的后備保護。

4.1.1 220kV主變110kV中壓側阻抗保護與110kV出線距離保護之間的配合

110kV單電源供電線路一般配置距離保護。其中，相間距離Ⅰ段保護范圍一般按本線全長80%整定，Ⅱ段保護大多按單回線終端變壓器方式伸入變壓器不超出差動范圍整定。220kV主變110kV側兩段式阻抗保護可分別與110kV線路Ⅰ、Ⅱ段距離保護配合。

整定策略如下。

（1）110kV側阻抗保護按保證母線故障有足夠靈敏度整定，時間定值應躲系統振蕩周期并滿足主變熱過負荷的要求，不小于1.5s。

（2）因保護出口即為母線，故也可按與線路距離Ⅰ段或Ⅱ段保護配合，使整定有確鑿配合數據。

其中：Zdz,110為220kV主變110kV阻抗保護距離Ⅰ段或Ⅱ段整定值；Zldz為110kV線路距離保護Ⅰ段或Ⅱ段整定值，Kk為可靠系數，取0.7；Kz為220kV主變110kV側最小助增系數。

220kV主變110kV側阻抗Ⅰ段或Ⅱ段定值應兼顧考慮與變電站各條110kV出線Ⅰ段或Ⅱ段定值配合取舍。

4.1.2 220kV主變220kV高壓側阻抗保護與110kV中壓側阻抗保護之間的配合

整定策略：220kV主變高壓側帶偏移特性的阻抗保護，指向變壓器的阻抗不伸出中壓側母線，可靠系數宜取0.7。

其中：Zdz,220為220kV主變220kV阻抗保護整定值；Zh為220kV主變高壓側繞組正序阻抗值；Kk為可靠系數，取0.7；n為220kV主變220kV側與110kV側的額定電壓之比；Kz為220kV主變220kV側對110kV側的最小助增系數；Zm為220kV主變中壓側繞組正序阻抗值。

220kV主變高壓側阻抗保護時間定值應躲系統振蕩周期并滿足主變熱過負荷的要求，不小于1.5s，并保證與主變110kV側阻抗保護延時保留Δt配合級差。

4.2 220kV變壓器阻抗保護的配置

220kV變電站110kV出線距離有長有短，還有T接支路，為了滿足主變外部故障熱穩定運行需求，考慮配合和靈活整定，220kV主變阻抗保護按以下策略配置。

（1）110kV側一般宜配置兩段，Ⅰ段保護在110kV母線故障時有足夠的靈敏度，Ⅱ段保護用作改善與線路保護配合的性能。兩段功能須結合實際整定取向合理選取，配置無固化形式。

（2）220kV側一般宜配置一段阻抗保護，主要作為110kV母線故障或110kV死區故障的后備。整定時確保與110kV側Ⅰ段或Ⅱ段阻抗保護定值及延時的配合性能。

5 運行情況

2011年9 月和10月，某公司4套WBH-801B/G1/JX型220kV變壓器保護裝置和2套RCS-978EN型220kV變壓器裝置分別接入寧夏某地區3座220kV變電所總計3臺主變保護回路，其中WBH-801B/G1/JX型裝置接入220kV智能變電站，該型裝置設計僅110kV中壓側配置不同方向的兩段式相間、接地阻抗保護，RCS-978EN型裝置高壓側及中壓側均設計配置相間阻抗保護。

因考慮試運行，整定策略中僅在主變中壓側投入Ⅰ段阻抗保護，按至110kV出線末端有規定靈敏度整定，并滿足與出線Ⅱ段保護范圍的配合，延時取0.9s/1.2s（切母聯/切本側）整定，極大彌補了中壓側3.3s跳本側長延時后備的弊端。上述6套裝置阻抗保護分別經受220kV變壓器高、中壓側5次空載沖擊試驗，已正常運行7～8個月，試運行期間經歷了區外故障的考驗，保護裝置運行正常，未出現誤動作現象。

6 結論

由上述分析和運行實踐可以得出以下列結論：

（1）220kV變壓器后備保護應用按阻抗原理配置的特殊措施，能有效解決變壓器后備保護延時超過主變承受外部故障熱穩定允許切除時間的問題。

（2）應用變壓器阻抗保護優于常規措施，解決了上下級保護原理不一致的配合困難，使保護配置階梯性和方向性明確，上下級保護之間能夠相互達到預期的配合效果。

（3）變壓器阻抗保護利用反向偏移阻抗作為母線的后備保護。當一側母差停時，主變同側阻抗保護時間可按運行要求調整縮短，以補充母線保護缺位。

［1] 國家發改委.3kV～110kV電網繼電保護裝置運行整定規程［DL ／T] .2008-06-01實施.

［2] 國家電網公司.國家電網繼電保護整定計算技術規范［Q／GDW] .國家電網公司2010-02-26實施.

［3] 電力變壓器 GB1094.5-85［GB] .