特高壓交流系統變壓器繼電保護配置與整定

李濟沅， 倪臘琴，李莎，邱玉婷，周浩

(1.浙江大學電氣工程學院, 杭州市 310027；2.華東電網有限公司，上海市 200120)

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特高壓交流系統變壓器繼電保護配置與整定

李濟沅1， 倪臘琴2，李莎1，邱玉婷1，周浩1

(1.浙江大學電氣工程學院, 杭州市 310027；2.華東電網有限公司，上海市 200120)

結合目前國內已經投運的特高壓輸電工程，對特高壓變壓器特點、勵磁涌流識別方案、主變及調壓補償變的繼電保護配置以及整定進行研究，提出特高壓變壓器各套保護的主保護與后備保護的具體配置方案。界定各差動保護的功能及保護范圍，保證保護方案能可靠動作，并給出各差動保護之間的配合整定建議。同時對典型故障進行動模試驗，論證保護方案的可行性。本方案已在華東地區1 000 kV變壓器保護中獲得應用，可以為其他特高壓交流工程中變壓器繼電保護的設計提供參考依據。

特高壓；變壓器；繼電保護；整定計算

0 引 言

隨著世界能源工業快速發展，能源和環境問題日趨緊迫，通過全球能源互聯實現能源結構向低碳、高效、大范圍優化的方向發展已成為必然趨勢，而構建以特高壓電網為骨干網架的堅強智能電網則是實現全球能源互聯的重要保障[1-3]。

變壓器是特高壓交流輸電工程的關鍵設備之一，因此對其繼電保護的速動性和可靠性要求很高[4-5]。目前針對超高壓變壓器繼電保護特點、原理的研究已經比較深入[6-7]，文獻[8]提出了750 kV變壓器配置及整定研究方案，然而對于特高壓變壓器保護配置及整定的探討還比較少，對于主、后備保護裝置的不同，會在差動保護的配置及動作延時方面產生差異，需要通過各差動保護之間的整定配合予以解決，隨著國內多條特高壓交流輸電線路的建成投運，積累了較為豐富的特高壓變壓器繼電保護工程經驗，有必要對特高壓變壓器的繼電保護配置及整定進行全面系統地研究。

本文結合國內目前已建成投運的1 000 kV晉東南—南陽—荊門、淮南—蕪湖—安吉—上海等特高壓交流輸電工程中特高壓變壓器繼電保護工程經驗，對特高壓變壓器的結構特點、繼電保護特點、勵磁涌流識別進行系統研究，并提出特高壓主變壓器(以下簡稱“主變”)的電氣量、非電氣量繼電保護配置整定方案以及調壓變壓器(以下簡稱“調壓變”)和補償變壓器(以下簡稱“補償變”)的繼電保護配置整定方案，并通過典型故障動模試驗驗證該保護方案的可行性，為其他特高壓交流輸電工程的變壓器的保護設計提供參考。

1 特高壓變壓器特點

1.1 結構特點

由于體積和容量的限制，特高壓變壓器一般采用由3個單相自耦變壓器組成的三相變壓器組，同時為解決變壓器容量增大所導致的溫升問題，特高壓變壓器鐵芯采用單相四柱式(兩芯柱、兩旁柱結構)，特高壓三繞組自耦變壓器接線如圖1所示，圖中：CV—公共繞組；SV—串聯繞組；LV—低壓繞組；LT—低壓補償繞組；LE—低壓勵磁繞組；EV—調壓勵磁繞組；TV—調壓繞組。

圖1 特高壓三繞組自耦變壓器接線

從圖1可以看出，調壓繞組與主變高壓繞組串聯，穩定中壓側的電壓，低壓補償繞組與主變低壓繞組串聯，補償在調節主變中壓側電壓時對低壓側的影響，穩定低壓側電壓。調壓和補償變壓器獨立于主變之外，通過硬母線連接[9-10]。

1.2 繼電保護特點

調壓變和補償變發生故障時主變保護可能會拒動。由特高壓的結構特點可知，調壓變和補償變匝數占整個變壓器的匝數比相對很小，因此當調壓變或補償變發生輕微甚至較嚴重匝間故障時，產生的差動電流對于主變差動保護來說都顯得很輕微，容易造成主變差動保護拒動，而調壓變、補償變匝間故障靈敏度不足這一特點也在中國電力科學研究院進行1 000 kV變壓器保護動模試驗模擬調壓變壓器發生25%匝間短路時的實驗結果中得到了驗證[11-12]。

空投特高壓變壓器時產生勵磁涌流導致主變保護誤動。特高壓變壓器的鐵芯飽和點低，剩磁較大，在特高壓空載變壓器合閘時，容易產生電流小、衰減時間長的勵磁涌流。勵磁涌流的大小及衰減時間與空投變壓器系統電壓相角、鐵芯剩磁、系統等值阻抗、繞組接線方式等因素相關[13-15]。對于基于二次諧波制動等傳統的勵磁涌流鑒別方法，勵磁涌流中二次諧波過小會導致差動保護誤動，而保證差動保護正確動作的關鍵是準確區分勵磁涌流和內部故障電流。

2 勵磁涌流的識別

2.1 基于波形比較的勵磁涌流識別

內部故障電流的全波傅式計算結果與半波傅式計算結果接近，而勵磁涌流的全波傅式計算結果與半波傅式計算結果有較大差異，利用這一特點即可構成勵磁涌流的識別判據。而且通過雙曲S變換等時頻分析手段對勵磁涌流和故障電流信號處理后進行特征提取比較，從而識別勵磁涌流和故障電流的方法也有較為廣泛的研究。而基于波形識別的變壓器保護原理需要對1個周波的采樣數據進行處理，保護動作時間長，不利于特高壓變壓器保護快速、可靠動作[16-18]。

2.2 基于等效瞬時電感特性的勵磁涌流識別

變壓器鐵芯磁導率在勵磁涌流與內部故障時變化情況不同，引入瞬時勵磁電感和等效瞬時電感的概念可以實現有效識別勵磁涌流。但由于特高壓變壓器端部一般接有長距離輸電線路以及特高壓變壓器低壓側裝設無功補償裝置的原因，將導致變壓器內部故障的暫態電流、電壓中也含有較豐富的諧波分量，影響判斷的準確性[19-20]。

2.3 基于磁制動原理的勵磁涌流識別

為解決變壓器內部故障電流、電壓中大量諧波分量導致變壓器等效瞬時電感計算時存在誤差的問題，基于磁制動原理快速識別勵磁涌流的方案被提出。該方案有效解決了內部故障時由于變壓器模型簡化造成的計算誤差。具體方案如圖2所示。

圖2 基于等效瞬時磁阻勵磁涌流識別方案

其中M為等效瞬時磁阻，在數字仿真與現場錄波實驗中，該方案實現了勵磁涌流快速識別的功能[21-22]。

2.4 推薦勵磁涌流識別方案

將勵磁涌流閉鎖定值自適應變化與“分相制動”方式相結合并通過差動電流中二次諧波含量的變化趨勢進行輔助判斷的勵磁涌流識別方案目前被廣泛采納[8]。該方案的判斷過程如圖3所示。

圖3 現采用的勵磁涌流識別方案

當裝置檢測到系統合閘空載變壓器時，勵磁涌流閉鎖定值自動下降，提高系統勵磁涌流閉鎖能力，隨后勵磁涌流閉鎖定值逐漸提高，保障合閘空載故障變壓器時保護能夠快速動作，差動電流中二次諧波含量的變化趨勢作為輔助判據，提高了差動保護的可靠性。

采用三相差動電流中二次諧波來識別勵磁涌流，判別方程如式(1)所示。

I2nd>K2xbI1st

(1)

式中：I2nd為每相差動電流中的二次諧波；I1st為對應相的差動電流基波；K2xb為二次諧波制動系數整定值。當三相中某一相被判別為勵磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件。

3 變壓器保護配置

特高壓變壓器由主體變壓器和調壓補償變壓器組成，其中調壓補償變壓器為特高壓變壓器所特有，為提高調壓補償變壓器匝間故障時的靈敏度，必須為其單獨配置差動保護。超高壓變壓器保護通常配置2套電氣量保護和本體保護，每臺變壓器保護有3面屏，分別由主變第1套差動保護、主變第2套差動保護以及主變非電氣量保護組成。而特高壓變壓器保護包含主變保護和調壓補償變保護，主變和調壓補償變的電氣量保護均雙重化配置，本體保護僅配置一套，主變保護和調壓補償變保護應分布于不同保護裝置內，并單獨組屏。

每臺特高壓變壓器保護有5面屏，分別由主變第1套差動保護、主變第2套差動保護、主變非電氣量保護、調壓補償變第1套差動保護+調壓補償變非電氣量保護以及調壓補償變第2套差動保護組成。

3.1 各差動保護的功能及范圍

差動保護是變壓器的主保護，特高壓變壓器各差動保護的保護范圍通過電流互感器(current transformer,CT)布置情況進行分析，特高壓變壓器CT布置如圖4所示。

圖4 特高壓變壓器CT布置圖

3.1.1 投用的差動保護

縱聯差動保護由高壓側斷路器CTH1/CTH2、中壓側斷路器CTM1/CTM2、低壓側斷路器CTL1/CTL2構成，其保護范圍為變壓器各側的各類故障。由于差動回路中存在磁耦合關系，所以設置勵磁涌流閉鎖判據。

分側差動保護由高壓側斷路器CTH1/CTH2、中壓側斷路器CTM1/CTM2、公共繞組套管CT5構成，其保護范圍為高、中壓側繞組和引線的接地和相間故障，不保護繞組的匝間故障。由于差動回路中不存在磁耦合關系，所以保護不受勵磁涌流的影響。

補償變差動保護由CT8、CT6構成，其保護范圍為補償變內部繞組所有故障和引線故障。由于差動回路中存在磁耦合關系，所以設置勵磁涌流閉鎖判據。

調壓變差動保護由CT5、CT6、CT7構成，其保護范圍為調壓變壓器內部繞組所有故障和引線故障。由于差動回路中存在磁耦合關系，所以設置勵磁涌流閉鎖判據。

3.1.2 停用的差動保護

分相差動保護由高壓側斷路器CTH1/CTH2、中壓側斷路器CTM1/CTM2、低壓側套管CT4構成，其保護范圍為變壓器內部繞組所有故障和高、中壓側引線故障。由于差動回路中存在磁耦合關系，所以需要設置勵磁涌流閉鎖判據。相比于縱聯差動保護，不存在Y/Δ轉角關系，差動電流實現了真正的分相計算，零序分量亦引入差動回路，差動電流的特性更真實，從而使勵磁涌流閉鎖邏輯的判別可以變得更為清晰、簡單。

低壓側小區差動保護由低壓側套管CT4、低壓側斷路器CTL1/CTL2、調壓變副邊套管CT7構成，其保護范圍為低壓側引線的接地和相間故障，不保護繞組的匝間故障。差動回路中不存在磁耦合關系，所以保護不受勵磁涌流的影響。

由于分相差動保護和低壓側小區差動保護的范圍等同于縱聯差動保護，且低壓側套管CT4中的次級線圈數量有限，故特高壓保護僅采用縱聯差動保護。

3.2 主體變保護配置

3.2.1 主保護配置

主保護包括比率差動保護、差動速斷保護、反應故障分量的差動保護以及零序比例差動保護，可以保護特高壓變壓器除調壓補償變以外的內部及引線上發生的絕大部分故障類型。

3.2.2 后備保護配置

主體變各側配置后備跳閘保護和過負荷告警保護。各側均裝設1套不帶任何閉鎖的過流保護或零序電流保護作為變壓器的總后備保護：高、中壓側為零序電流保護；低壓側為過流保護。變壓器低壓側還配置電壓偏移保護，在發生低壓側零序過壓或電壓互感器(potential transformer, PT)斷線時報警。高、中壓側的相間阻抗保護用于保護對外部相間短路引起的主體變過電流，接地阻抗保護用于保護對外部單相接地短路引起的主體變過電流，過激磁保護安裝在主體變的1 000 kV側，具有定時限低定值發信和反時限跳閘功能，反時限特性應與被保護變壓器的勵磁特性相配合。

1 000 kV 1號主變電氣量保護、非電氣量保護的具體配置分別如表1、2所示。

表1 1 000 kV 1號主變電氣量保護配置

Table 1 Disposition of electrical quantities protection for 1 000 kV 1# main transformer

表2 某1 000 kV 1號主變非電氣量保護配置 Table 2 Disposition of non-electrical quantities protection for

3.3 調壓補償變保護配置

只配置差動保護，不再配置后備保護。調壓變和補償變相對于整個變壓器而言，其匝數很少，當發生輕微匝間故障時，折算到主體變壓器來看更加輕微，主體變壓器縱差保護很難動作，因此需要單獨配置調壓變和補償變差動保護并放置在單獨的電量保護裝置中，另外還需要配置單獨的非電量保護裝置。配置調壓變和補償變保護的目的主要是用來提高調壓變和補償變內部匝間故障的靈敏度，因此調壓變和補償變只配置差動保護，不再配置后備保護。

調壓變和補償變只配置縱差保護，不配置差動速斷保護和突變量差動保護。由于調壓變和補償變的容量比主體變的小得多，主變空載合閘時調壓變和補償變中會出現大于數倍額定電流的勵磁涌流，而差動速斷保護動作電流定值通常按變壓器額定電流的6～8倍整定，空載合閘時調壓變和補償變差動速斷保護可能誤動，因此調壓變和補償變不配置差動速斷保護和突變量差動保護，只配置縱差保護。

1 000 kV 1號主變調壓補償變第1套保護屏保護配置如表3所示。

表3 1 000 kV 1號主變調壓補償變第一套保護屏保護配置

Table 3 The first set disposition of relay protection for 1 000 kV 1# regulation compensation transformer

4 變壓器繼電保護整定

電網繼電保護的整定應滿足速動性、選擇性和靈敏性要求，如果由于電網運行方式、裝置性能等原因，不能兼顧速動性、選擇性或靈敏性要求時，應在整定時合理地進行取舍，優先考慮靈敏性。

特高壓交流系統繼電保護整定應本著強化主保護，簡化后備保護的原則，合理配置線路及元件的主、后備保護，保護整定可以進行適當簡化。在2套主保護拒動時，后備保護應能可靠動作切除故障，允許部分失去選擇性[23-24]。

4.1 整定參數計算

各保護整定值需要根據變壓器的額定參數確定，1 000 kV特高壓變壓器參數如表4所示。

表4 1 000 kV特高壓變壓器參數

Table 4 Parameters of 1 000 kV UHV transformer

根據特高壓變壓器參數可以算得其各側一次額定電流分別為高壓側：1 649.6 A；中壓側:3 299.2 A;低壓側：15 746.4 A(全容量)，5 248.8 A(繞組容量)。

4.2 主體變保護整定

變壓器差動保護按變壓器內部故障能快速切除，區外故障可靠不誤動的原則整定。差動保護啟動電流一般取0.2～0.6倍的特高壓主變高壓側額定電流。

距離保護為變壓器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。帶偏移特性的阻抗保護，指向變壓器的阻抗不伸出對側母線，可靠系數宜取70%；指向母線側的定值按保證母線金屬性故障有足夠靈敏度整定。高壓側按指向變壓器側阻抗的10%整定；中壓側按指向變壓器側阻抗的20%整定。時間定值應躲過系統振蕩周期并滿足主變熱過負荷的要求，一般取2 s。

變壓器高、中壓側零序Ⅱ段電流保護按本側母線經100 Ω高阻接地故障有靈敏度整定，時間定值與本側出線反時限方向零序電流保護配合。同一變電站2臺及以上變壓器并列運行的零序Ⅱ段電流保護動作時間可以按不同時限整定，時間級差取0.3 s。

變壓器低壓側套管三相過流保護整定值按可靠躲過低壓側額定電流整定，按變壓器低壓側相間故障有靈敏度校核；變壓器低壓側分支三相過流保護整定值按可靠躲過低壓分支額定電流整定，按變壓器低壓側相間故障有靈敏度校核；過激磁保護告警定值取1.06倍過激磁倍數；1.1倍過激磁倍數啟動反時限跳閘曲線，跳閘時間和主變廠家的過激磁能力曲線相配合。

4.3 調壓補償變保護整定

調壓變靈敏差動和補償變差動按各變壓器內部故障能快速切除，區外故障可靠不誤動的原則整定。調壓變和補償變差動保護啟動電流一般為0.5倍的由主體變額定電流和公共繞組額定電流確定的110 kV側額定電流。補償變差動保護所有檔位定值均按照最大檔整定。調壓變差動保護每檔定值按照每一檔的額定電流整定，每個運行檔位均有對應的一組定值區。其中中性檔(額定檔、中間檔位)按照最大檔整定。

有載調壓變不靈敏差動僅取調壓繞組中間分接頭位置對應檔位的額定電流、電壓，例如對于有21檔的調壓變，取第5或17檔，并且按照1.2倍額定電流整定。CT斷線閉鎖主體變差動保護和調補變差動保護，但當檢測到差流達到一定值時再重新開放主體變差動保護和調補變差動保護。

5 試驗論證

在本文給出的保護配置及整定方案的基礎上，對特高壓變壓器保護中典型故障進行動模試驗，6種典型故障的錄波波形如圖5所示。

圖5 典型故障波形

由圖5(a)～ 5(f)可知，主體變區內發生金屬性瞬時故障時，主變保護正確動作，跳開變壓器三側，而調補變保護未發生誤動，動作時間為16.0 ms；主體變區外發生金屬性瞬時故障時，各保護均未發生誤動；主體變高壓側區內發生經600 Ω過渡電阻接地短路故障時，主變保護正確動作，動作時間為32.0 ms；由高壓側空投變壓器于無窮大電源系統時，C相勵磁涌流最大峰值達到5 580 A，各保護均未發生誤動；主體變發生3%匝間短路故障時，主變保護正確動作，跳開變壓器三側，而調補變保護未發生誤動，動作時間為26.6 ms；調補變發生8%匝間短路故障時，調補變保護正確動作，跳開變壓器三側，動作時間為27.8 ms。典型故障的動模試驗結果也有效驗證了本文所提出保護配置及整定方案的可靠性和靈敏度。

6 結 論

特高壓變壓器主變與調補變相互獨立，由于調補變匝數占變壓器整體匝數比較小，需單獨配置差動保護裝置以提高調補變發生匝間故障時的靈敏度。通常只配置差動保護，不再配置后備保護；只配置縱差保護，不配置差動速斷保護和突變量差動保護。

勵磁涌流是導致變壓器差動保護誤動的主要原因，傳統基于二次諧波制動、間斷角原理等的勵磁涌流鑒別方法已經無法滿足特高壓變壓器繼電保護的速動性及可靠性要求。而隨著基于波形特征比較、等效瞬時電感特性、磁動原理等勵磁涌流識別新判據、新原理的研究逐漸展開，勵磁涌流識別問題得到了較好解決。目前實際特高壓工程中所采用的將勵磁涌流閉鎖定值自適應變化與“分相制動”方式相結合并通過差流中二次諧波含量的變化趨勢進行輔助判斷的勵磁涌流識別方案是基于其他電壓等級變壓器勵磁涌流識別工程經驗所推薦的。隨著研究的進一步深入，可以在新的特高壓工程中嘗試新原理或新判據的勵磁涌流識別方案，進一步提高特高壓變壓器繼電保護的速動性和可靠性。

本文給出的特高壓變壓器主變電氣量、非電氣量繼電保護以及調補變繼電保護配置整定方案的可行性已經通過典型故障的動模試驗論證，并且在國內現有的特高壓交流工程中運行情況良好，為其他特高壓交流工程的變壓器繼電保護設計提供參考依據。

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[24]GB/T 14285—2006 繼電保護及安全自動裝置技術規程[S].北京: 中國標準出版社, 2006.

(編輯：張小飛)

Disposition and Settings of Transformer Relay Protection in UHVAC System

LI Jiyuan1, NI Laqin2, LI Sha1, QIU Yuting1, ZHOU Hao1

(1.College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2.East China Grid Co., Ltd., Shanghai 200120, China)

Based on the operating experience of UHV transmission lines built in China, this paper studied the features of UHV transformer, the identification scheme for inrush current, the disposition and setting of relay protection for main transformer and voltage regulation compensation.Specific disposition schemes for both main protection and backup protection of each set of UHV transformer protection were proposed, also the function and range of each differential protection were defined to make sure that this protection scheme could reliably act on various types of failures happened in transformer.And then, the coordinate setting proposals were given and the feasibility of this proposed protection scheme had been proved by experiments on typical faults.The scheme has been successfully applied in 1 000 kV transformer protection in East China, which provides important references for the design of transformer relay protection in other UHVAC projects.

UHV; transformer; relay protection; setting calculation

國家重點基礎研究發展計劃項目(973計劃) (2011CB209405)。

TM 423

A

1000-7229(2015)08-0022-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.004

2015-05-25

2015-07-10

李濟沅(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向為特高壓電網繼電保護；

倪臘琴(1973)，女，高級工程師，從事電力系統繼電保護工作；

李莎(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向為特高壓電網繼電保護工作；

邱玉婷(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向為特高壓電網繼電保護；

周浩(1963)，男，教授，博士生導師，主要從事特高壓交直流輸電技術研究工作。

The National Basic Research Program of China (973 Program) (2011CB209405).