220 kV大型變壓器保護及二次系統的升級改造

渠天清

(太鋼能源動力總廠，山西 太原 030003)

0 引言

繼電保護的作用是在一次系統及設備發生故障時快速跳閘，切除故障，其作用至關重要。太鋼九降壓站是太鋼兩座220 kV變電站之一，擔負著太鋼電網一半的負荷。變壓器又是變電站最核心的一次設備，九降壓220 kV、120 MVA主變壓器的保護及二次系統存在著保護裝置老化、二次回路混接等諸多問題，直接影響了太鋼電網的安全，為此，提出了220 kV大型變壓器保護及二次系統的升級改造技術方案。

1 220 kV大型變壓器保護及二次系統存在的問題

原九降壓主變壓器保護采用老式南瑞LFP微機保護裝置，分離元件多，使用年限超期，插件損壞更換率達30%，且廠家已無備件；同時運行時間太久，一、二次設備及線路改動很多，并且自投運以來一直存在直流混接、交流電流和電壓回路缺陷；跳合閘控制回路插件板參數的匹配不當，易造成線包燒損；雙保護柜壓板多，存在壓板誤投風險；主變電量保護與非電量保護跳閘出口共用，無法實現啟動失靈的保護功能。

2 技術改進及實施過程

2.1 220 kV主變保護的選型配置

220 kV主變保護系統由于電壓等級高，系統安全穩定性要求高，保護必須為雙重化配置，即九降壓220 kV、120 MVA的大型主變壓器保護必須配置兩面完整獨立的保護屏，即設計主變保護A柜、B柜雙重化保護配置。選擇南瑞PCS系列微機保護，其A、B保護柜的保護裝置具體選型配置如下。

2.1.1 A保護柜配置

A保護柜包含南瑞PCS-978T2-G主變一體化微機保護、南瑞PCS-974A主變非電量微機保護、南瑞CZX-12G操作箱裝置。

(1) 南瑞PCS-978T2-G主變一體化微機保護是變壓器主后備一體化微機保護,包含主變差動、差動速斷主保護,以及高中壓側電流電壓、方向、零序間隙等后備保護,是完整的變壓器電量保護。

(2) 南瑞PCS-974A主變非電量微機保護包含本體瓦斯、有載瓦斯、壓力釋放等變壓器非電量保護。

(3) 南瑞CZX-12G操作箱裝置有兩組分相跳閘回路、一組分相合閘回路，是變壓器220 kV側2901開關的跳合閘操作箱，保護裝置和其他有關設備可通過操作繼電器裝置對斷路器進行分合操作。

2.1.2 B保護柜配置

B保護柜包含南瑞PCS-978T2-G主變一體化微機保護、 南瑞CJX-11操作箱裝置、南瑞PCS-9882以太網交換機。

(1) 南瑞PCS-978T2-G主變一體化微機保護配置與A屏相同。

(2) 南瑞CJX-11操作箱裝置由兩塊操作回路插件和兩塊電壓切換插件組成，為不分相操作，是變壓器110 kV側1901開關的跳合閘操作箱，保護裝置和其他有關設備可通過操作繼電器裝置對斷路器進行分合操作。

(3) 南瑞PCS-9882以太網交換機適用于變電站綜合自動化，最大可支持4個千兆光口、24個百兆電口，性能高，傳輸快。

2.2 交直流二次回路改進

2.2.1 交流電流回路

(1) 原220 kV側CT二次電流由2901匯控柜來，二次電流回路A411、A421分別由A保護柜串接至B保護柜，A411用于A柜、B柜的保護，A421用于A柜、B柜的測量， A柜、B柜使用同一電流采樣，即二次電流回路沒有獨立，沒有實現雙重化，如圖1所示。通過設計改進電流采樣回路，將A411、A421兩組電流回路分別去A保護柜、B保護柜，即A411電流回路接至A保護柜，A421電流回路接至B保護柜，變壓器A、B保護柜電流采樣獨立，實現電流回路雙重化，如圖2所示。

圖1 原220 kV側CT二次電流回路

圖2 改進后的220 kV側CT二次電流回路

(2) 原110 kV側CT二次電流由110 kV 1911電流接線箱來，1911接線箱共有4組電流回路，即一組測控、一組母差、一組保護A471，還有一組A461保護繞組封口，因此只有一組A471保護繞組串接A、B保護柜，A柜、B柜使用同一電流采樣，即二次電流回路沒有獨立，沒有實現雙重化，如圖3所示。通過設計改進110 kV側CT二次電流采樣回路，將A461、A471分別對應于A柜、B柜，即將 A461電流回路接至A保護柜，A471電流回路接至B保護柜，變壓器A、B保護柜電流采樣獨立，實現電流回路雙重化，如圖4所示。

圖3 原110 kV側CT二次電流回路

圖4 改進后110 kV側CT二次電流回路

2.2.2 交流電壓回路

110 kV系統PT二次電壓回路由主控室的公共測控屏引至2#主變，然后由2#主變柜頂的電壓小母排分別引接至3#主變、1#主變、110 kV母差，而主變復合電壓電流保護、方向電流保護、110 kV母差保護均經電壓閉鎖，因此，一旦2#主變電壓回路斷開，則會造成1#主變、3#主變、110 kV母差保護均因電壓回路問題而無法正常運行的嚴重缺陷。

通過實施改進，從控制室公共測控屏分別敷設引接電纜至3#主變保護屏、1#主變保護屏、110 kV母差保護屏，實施后相量測試正確，實現了九降壓110 kV各單元的電壓回路各自獨立，接線清晰，110 kV系統PT二次電壓回路發生異常時互不影響，事故范圍不會擴大，消除了曾多次發生的因110 kV系統PT二次電壓回路跳接并倒而造成的短路及斷線隱患。

2.2.3 直流電源回路

A保護柜的CZX-12G操作箱裝置是220 kV側2901開關的跳合閘操作箱，其兩套操作直流電源由A柜的總直流電源通過兩個空開4K1、 4K2分別引入，其雙套操作電源均引自A保護柜的直流電源，僅僅通過兩個直流空開區分，并非真正的雙直流操作電源，如圖5所示。通過改進實施，引接B柜直流電源，將A柜4K2-1、4K2-3從原處斷開，接入由B柜引接來的+KM、-KM,雙套操作電源分別引至A保護柜、B保護柜的直流電源，實現直流操作電源的雙重化，如圖6所示。

圖5 原兩套直流跳合閘電源的兩個空開均引至A柜

圖6 改進后兩套直流跳合閘電源的兩個空開分別引至A柜、B柜

2.3 跳合閘控制回路插件板的參數匹配

在合跳開關的傳動試驗之前，必須先進行跳合閘回路電流電阻的計算和選擇，否則會造成開關誤動、拒動，燒損線包等事故發生。CJX-11、CZX-12G可靈活實現操作回路中跳合閘電流的匹配，跳合閘保持電流的整定采用了跳線方式，任何跳線不連時，保持電流為0.5 A；所有連線均連上時保持電流為4 A。裝置設計時已經考慮了2倍的動作裕度，在現場進行電流整定時，只要按開關的實際跳合閘電流整定即可。

跳合閘保持電流的整定公式為：

Ib=0.5+∑I.

其中：Ib為保持電流整定值；I為各分流電阻上的電流值。

圖7為跳合閘回路保持電流接線圖。主變220 kV開關2901的跳閘電流為4 A, 即Ib=0.5+∑I=4 A，∑I=3.5 A,按跳閘電流計算，將電阻R22、R23、R24短接。主變110 kV開關1901的合閘電流為2 A,即Ib=0.5+∑I=2 A，∑I=1.5 A, 按合閘電流計算，將電阻R22、R23短接。

圖7 跳合閘回路保持電流接線圖

2.4 雙保護屏保護壓板功能區分

九降壓主變兩面保護屏共有保護壓板81塊，存在保護壓板錯投誤操風險。實施設計改進，將保護壓板進行功能區分，不同功能采用不同的顏色，即啟動壓板QLP 和輸入壓板RLP采用黃色，出口壓板CLP采用紅色，其他及備用壓板采用淺駝色，降低了保護壓板的操作風險，提高了系統運行的可靠性。

2.5 改進跳閘出口實現220 kV開關失靈保護的啟動功能

原九降壓主變保護的電量保護出口與非電量保護出口在一起，由于非電量如瓦斯保護存在動作后其接點動作返回時間不穩定的情況，電力行業規范中規定非電量保護不允許接失靈啟動，通過實施改進，將主變壓器電量保護與非電量保護跳閘出口分開，實現了變壓器電量保護動作時啟動220 kV開關失靈保護的功能，提高了九降壓及整個太鋼220 kV系統的穩定性，增強了太鋼電力系統抗惡性事故的能力。

3 實施效果

(1) 該項目改進實施后，九降壓220 kV主變保護系統性能優良，差動速斷保護動作迅速(<15 ms),跳閘出口接點容量由5 A升級為8 A,保護裝置及二次回路正確率達到100%；完成了保護裝置及二次回路雙重化，實現了完整意義的主變雙主雙后備的雙重化保護功能； 220 kV、110 kV斷路器跳合閘回路參數匹配，跳合正常；增加了保護壓板功能區分，降低了誤投風險；改進了跳閘出口，增加了完善失靈啟動功能。

(2) 送電后向量測試正常，差流正常，消除了主變保護裝置損壞率高，二次回路錯接、混接問題頻發等重大隱患, 避免了九降壓大型主變保護誤動拒動造成太鋼電網一半負荷失電、變壓器變形等惡性事故的發生,運行穩定，效果良好,為國內外鋼鐵行業、電力行業老式220 kV大型主變壓器保護系統的改造升級提供了極有價值的借鑒。