高載流容量電網的主變保護適應性分析

顧喬根 張曉宇 朱 佳 謝 華 莫品豪

高載流容量電網的主變保護適應性分析

顧喬根1張曉宇1朱 佳2謝 華1莫品豪1

（1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102； 2. 廣東電網有限責任公司，廣州 510220）

本文分析高載流容量電網的滿載負荷電流大幅上升對主變保護產生的系列影響，以實際工程為例，指出邊、中開關選用高電流比的電流互感器將影響以固定門檻判別的保護的靈敏性和以故障分量為原理的差動保護的可靠性，且保護定值整定可能出現超過定值上下限的情形。線路載流容量大幅提升后，主變高壓側穿越性負荷電流遠大于變壓器額定電流，該特性可能造成常規差動保護的可靠性和靈敏性下降。結合工程實施，本文建議主變套管互感器配置主保護、后備保護作為保護冗余方案，以減小高載流容量、高電流互感器電流比的影響。

大容量電能傳輸；繼電保護；差動保護；靈敏度

0 引言

為滿足大容量電能跨區域傳輸的需求，廣東電網目標網架建設中提出將8×630mm2的導線應用于500kV電壓等級輸電線路，其載流量可達到8kA，用以提升外環網線路輸送功率。

隨著輸電線路載流量提升，為滿足熱穩定電流要求，主變高壓側邊、中開關選取的電流互感器（current transformer, CT）電流比提升至8 000/1，明顯區別于常規主變高壓側電流互感器的電流比4 000/1[1]。然而，系統短路故障情況下，其短路容量沒有明顯變化，對故障動作靈敏度的要求亦沒有降低，電流比的提升使該回路保護裝置整定值的選擇性和準確性要求難以滿足。保護用電流互感器一次額定電流的選擇存在難以兼顧上述兩個需求的難題[2-4]。同時，選用高電流比的電流互感器，也會造成以固定二次門檻判別的保護的靈敏性下降。

本文結合載流量達到8 000A的交流輸電線網架應用需求，分析不同CT電流比對主變保護的影響，以及負荷電流增大對主變差動保護的影響，提出主變保護配置和整定計算優化方案。分析采用8 000/1電流比的CT后，當前500kV保護配置及整定計算的適應性，提出對當前500kV保護配置及整定計算的修改建議，以便為后續廣東目標網架8 000A交流導線配套保護應用提供理論支撐。

1 典型目標網架結構

根據相關規劃，廣東電網將建設500kV灣區外環輸電線路，按照建設進程分為外環中段、外環東段、外環西段及其相關配套工程，部分線路導線截面考慮8×630mm2。

以某典型500kV變電站擴建工程為例，該站500kV母線采用3/2斷路器接線，本期安裝6臺8 000A斷路器，對應出線間隔內相應設備的額定電流與輸電線路極限輸送容量相匹配，按8 000A考慮。線路長度為2×40km，全線按兩個單回路架設。導線采用JL/LB20A—630/45型鋁包鋼芯鋁絞線，每相8分裂。典型500kV主變結構如圖1所示，該站500kV主變為分相自耦變壓器。

圖1 典型500kV主變結構

500kV主變保護區，配置主保護包括基于磁平衡原理的縱差保護（取圖1中的CT1、CT2、CT3、CT4、CT5、CT6），配置后備保護包括過勵磁保護、過電流保護、零序過電流保護、反時限零序過電流保護等。

該站500kV變壓器的現有設備參數、各主要保護定值見表1。其中，e為變壓器二次額定電流。

表1 500kV變壓器設備參數及主要保護定值

2 高載流容量對主變保護的影響

考慮現場邊、中開關流經8 000A額定電流的情況下，選用電流比為4 000/1的電流互感器，對變壓器保護的影響初步分析如下。

2.1 CT量程

由表1計算得到該變壓器的500kV側一次額定電流為1 102A，因此流過變壓器自身的電流不會超過現有CT量程（現有高壓側套管CT一次值為3 000A，見表1），同時，相關后備保護均使用變壓器高壓側邊、中開關和電流，因此相關后備保護基本不受影響。

當線路和變壓器共用中開關，且線路流過較大電流時，可能會有比較大的穿越電流通過變壓器的兩個開關，此時保護裝置二次電流互感器需要支持2倍額定電流長期連續工作，影響其運行可靠性[5]。

2.2 對主保護的影響

當變壓器高壓側兩個開關未流過較大穿越電流時，對主保護基本無影響。

當流過變壓器高壓開關的穿越電流較大時，將造成差動保護制動電流顯著增大。以最大穿越負荷電流為8 000A計算，以高壓側一次額定電流為基準，折合標幺值為7.26e。可見，該穿越電流遠大于變壓器額定電流，將大幅增大差動保護制動電流，此時若變壓器區內發生輕微故障，則差動保護存在靈敏度降低的問題。

當流過變壓器高壓開關的穿越電流較大時，若其中一個開關發生CT斷線，將使變壓器產生較大的差流。仍以最大穿越負荷電流為7.26e計算，當發生CT斷線后，若差動保護采用角側向星側轉換的轉角方式，消零后得到的斷線相差流為7.26e× 2/3=4.84e；若差動保護采用星側向角側轉換的轉角方式，消零后得到的斷線相差流為7.26e/1.732= 4.19e。

根據現有保護規程，當整定CT斷線閉鎖差動保護控制字為1時，若差動電流大于1.2e，允許差動保護動作。由上述計算可見，當流過變壓器高壓開關的穿越電流較大時，無論整定CT斷線是否閉鎖差動保護，一旦發生CT斷線，縱差保護都將 動作。

由上述分析可見，高載流容量工況會對原有縱差保護的靈敏性、可靠性產生顯著影響。從保證現場主設備安全的角度出發，建議縱差保護取高壓側套管電流，即取圖1中的CT7、CT3、CT4、CT5、CT6，這樣流過變壓器高壓開關的穿越負荷電流不流經縱差保護的差回路，不會增大縱差保護制動電流，可以有效提高縱差保護反應變壓器匝間等輕微故障的靈敏度。同時，以變壓器高壓開關CT、變壓器高壓側套管CT（見圖1中的CT1、CT2、CT7），配置基于電平衡原理的引線差動保護，作為該區域的主保護。

需要注意的是，高壓側套管CT用于差動保護時，應注意選用TPY級互感器，減少互感器飽和對差動保護的影響。

2.3 邊、中開關選用電流比為8 000/1的電流互感器的影響

由2.1節分析可知，現有工程邊、中開關電流互感器電流比為4 000/1，考慮流過變壓器高壓側邊、中開關的穿越負荷電流為8 000A時，將造成邊、中開關電流互感器二次線圈及保護裝置長期以2倍額定電流過載運行。下面討論邊、中開關電流互感器選用電流比為8 000/1的電流互感器的影響。

采用電流比為8 000/1的電流互感器，會造成系統輕載情況下，折算至二次側的電流值過小，從而使相對誤差增大[6-8]。

現有主變保護中，固定以二次門檻設置的邏輯包括：①電壓互感器（potential transformer, PT）斷線判別；②失靈聯跳不平衡電流判別；③互感器二次回路異常判別的不平衡電流判別。

PT斷線判別，常常需要判別當前系統是否處于停運狀態，一般取繼電保護裝置的精工電流作為系統有電流的判別門檻，即存在有電流無電壓的情形，或開關位置確認在合位卻無電壓，則認為PT發生了斷線故障。

以精工電流為0.04n（n為電流互感器二次額定電流）計算，設邊開關二次電流有效值為0.04n，若電流互感器的電流比為8 000/1，則電流互感器一次電流為320A。應注意到，由表1計算的變壓器的一次額定電流為1 102A，320A約為0.29倍變壓器額定電流。由此可見，從一次的角度看，高電流比的電流互感器實質上提高了保護有電流判別門檻，降低了保護判別靈敏性。

針對上述PT斷線判別問題，建議現場可將主變保護裝置不接入開關位置TWJ，認為開關始終在合位，此時一旦出現二次正序電壓低，即可報PT斷線，從而規避有電流門檻提高造成的判別靈敏性下降問題。

不平衡電流判別，常常用于判別當前系統是否存在負序分量或零序分量，進而判別當前系統是否存在故障或回路異常。典型應用如CT異常判別、失靈保護或失靈聯跳保護的動作判別。

以CT異常判別為例，典型判據為當二次電流負序電流大于0.1n或零序電流大于0.06n時，延時10s報該側CT異常，同時發出報警信號，在電流恢復正常后延時10s恢復。

需要注意的是，當系統輕載時，電流互感器二次回路斷線，產生的差流可能很小，從差動保護的角度難以確認差回路CT是否存在斷線現象，因此系統輕載情況下CT斷線的判別存在靈敏度不足的問題。故設置CT異常報警，用于在系統輕載情況下靈敏判別互感器二次電流異常，提示運行人員進行檢查確認。因此，CT異常判別與CT斷線判別相比，具有同樣的重要性。

以邊開關二次電流零序有效值為0.06n計算，若電流互感器的電流比為8 000/1，則零序電流一次值為30=480A。設該相CT完全斷線（電流二次值跌落至0），相電流為30=480A，以變壓器一次額定電流為1 102A進行折算，為0.44e，即當邊、中開關發生CT斷線時，在變壓器以近一半容量進行潮流輸送的工況下，才可能引起保護作出告警提示，保護判別靈敏性下降明顯。針對該問題，建議現場設計主變保護方案時，以高壓側套管CT配置主保護及后備保護作為冗余，降低保護判別邊、中開關電流異常靈敏性不足造成的保護可靠性下降的問題。

3 500kV主變保護的整定

本節著重分析高載流容量、高電流互感器電流比對現有保護定值整定原則的影響，并討論定值整定的注意事項及應對措施。

1）差動保護的整定原則

現有差動速斷保護的整定原則為：

（1）差動速斷電流應按躲過變壓器初始勵磁涌流整定，op=n.ph，其中n.ph一般為三側最大二次額定電流，120MV?A及以上變壓器的取值為2～5。

（2）差動速斷電流應按躲過區外故障最大不平衡電流整定，op=relunb.max，其中rel為可靠系數，取1.3～1.5，unb.max為外部短路最大不平衡電流。

基于前述分析，當差動保護取邊、中開關電流時，高載流容量電網的主變保護差動速斷定值的整定還應考慮躲過CT斷線造成的差流（差動速斷保護不經斷線閉鎖）。

現有縱差保護啟動值的整定原則為：按躲過變壓器額定負載時的最大不平衡電流整定，一般取0.5e～0.6e。

基于前述分析，高載流容量電網滿負荷工況下，若縱差保護取邊、中開關電流，則差動制動電流很大，將造成區內輕微故障靈敏度下降。針對該情況，應考慮盡量投入以故障分量為判別原理的差動保護，例如變化量差動、序分量差動，可不受負荷電流影響，適應系統重載工況下常規差動保護靈敏度不足的情形[9-10]。

需要注意的是，考慮投入故障分量差動保護時，應特別注意邊、中開關取高電流比電流互感器時該類差動保護的適應性問題，當二次額定電流過小或各側二次額定值差異過大時，會造成此類差動保護可靠性下降，無法投入。

2）阻抗保護的整定原則

現有阻抗保護（指向主變）一般設置兩段，阻抗Ⅰ段按不大于變壓器阻抗的70%整定，阻抗Ⅱ段按反應主變另一電源側母線故障設置，按照保護有1.3～1.5靈敏度整定。

高載流容量電網的短路容量不變，相關工況不改變主變自有阻抗，因此主變阻抗保護的整定原則不變，但整定時應特別注意邊、中開關取高電流比電流互感器時，阻抗二次定值是否越過保護定值邊界（電流互感器電流比越大，阻抗二次定值越大）。若越過保護定值上限，應考慮阻抗保護取高壓側套管CT。

3）反時限零序過電流保護

現有反時限零序過電流保護的整定原則為：現場反時限零序過電流保護使用高壓側套管CT，與500kV線路零序反時限保護配合，一次基準值取300A。

根據前述分析，高載流容量電網的500kV主變，系統短路容量不變、變壓器高壓側套管CT選型不變，因而反時限零序過電流保護的整定不受影響。

4）過電流及零序過電流保護

現有500kV主變的過電流保護按躲過變壓器額定電流整定，作為系統總后備保護，一般按變壓器本側額定電流的1.5倍整定。以表1參數核算，1.5倍額定電流約為0.2n，該值在過電流保護定值可整定范圍內，因而過電流保護的整定不受影響。

現有500kV主變的零序過電流保護，按反應主變另一電源側母線接地故障有1.5倍靈敏度整定。高載流容量電網的短路容量不變，母線接地故障時一次短路電流不變，因而零序過電流保護的整定原則不受影響，但整定時應特別注意邊、中開關取高電流比電流互感器時，零序過電流二次定值是否越過保護定值下限（0.05n），若存在越下限情形，應考慮高壓側零序過電流保護取高壓側套管CT。

4 結論

高載流容量電網的滿載負荷電流大于現有典型電流互感器的一次額定電流，可能造成電流互感器長期過載運行。若500kV變壓器保護高壓側的邊、中開關采用高電流比電流互感器，一定程度上將引起以固定二次電流門檻進行判別的保護靈敏度下降，極端情況下可能造成基于故障分量的差動保護無法適用，同時可能引起后備保護定值整定越限。

變壓器差動保護若取高壓側邊、中開關，系統滿載負荷電流將提高差動保護制動電流，引起縱差保護反應區內輕微故障的靈敏度下降，同時，相關電流互感器二次回路斷線時，也將造成差動保護可靠性下降，現場可考慮主變保護以高壓側套管CT配置主保護及后備保護作為冗余方案，提高主設備保護的適應性。

[1] 張長庚, 田亞坤, 李永建, 等. 諧波及直流偏磁下變壓器疊片式磁屏蔽雜散損耗模擬與驗證[J]. 電工技術學報, 2022, 37(15): 3733-3742.

[2] 陳明泉. 繼電保護二次回路絕緣現狀分析及對策[J]. 電氣技術, 2022, 23(3): 98-102.

[3] 張烈, 王德林, 劉亞東, 等. 國家電網220kV及以上交流保護十年運行分析[J]. 電網技術, 2017, 41(5): 1654-1659.

[4] 孫仲民, 呂航, 熊蕙, 等. 智能變電站繼電保護動作診斷系統[J]. 電氣技術, 2022, 23(6): 77-82.

[5] 國智博, 陳鋒, 王彥昊, 等. 基于動態無功補償技術的磁平衡式電流互感器設計[J]. 電工技術學報, 2022, 37(增刊1): 217-224.

[6] 顧喬根, 周華, 許宗光, 等. 就地化分布式元件保護子機動作行為差異分析[J]. 電力系統自動化, 2020, 44(16): 178-183.

[7] 李鵬, 衛星, 郭利軍, 等. 智能變電站繼電保護運維防誤技術研究及應用[J]. 電力系統保護與控制, 2017, 45(19): 123-129.

[8] 盛海華, 趙紀元, 奚洪磊. 適應智能電網繼電保護定值的在線管控方案[J]. 電力系統自動化, 2016, 40(15): 154-158.

[9] 華煌圣, 游大海, 王陽光, 等. 基于等效電路的變壓器保護原理性能分析與判據改進[J]. 電力系統自動化, 2010, 34(9): 72-76.

[10] 王毅, 顧喬根, 張曉宇, 等. UPFC串聯變壓器匝間故障特性分析[J]. 電力系統自動化, 2018, 42(24): 98-104.

Adaptability analysis of transformer protection in power system with high current carrying capacity

GU Qiaogen1ZHANG Xiaoyu1ZHU Jia2XIE Hua1MO Pinhao1

(1. NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102; 2. Guangdong Power Grid Co., Ltd, Guangzhou 510220)

This paper analyzes the series of impacts on the transformer protection caused by the sharp rise of the full load current of the power grid with high current carrying capacity. Taking the actual project as an example, it points out that the selection of high transformation ratio current transformers for side and middle switches will affect the protection sensitivity judged by the fixed threshold and the reliability of the differential protection based on the fault component principle. At the same time, the protection setting may exceed the upper and lower limits of the setting value. After the current carrying capacity of the line is greatly increased, the through load current at the high-voltage side of the main transformer is far greater than the rated current of the transformer, which may cause the reliability and sensitivity of the conventional differential protection to decline. Combined with the project imple- mentation, this paper suggests that the main protection and backup protection should be configured with bushing transformer as the protection redundancy scheme to reduce the impact of high current carrying capacity and high transformation ratio.

large capacity power transmission; relay protection; differential protection; sensitivity

2022-11-02

2022-11-14

顧喬根（1986—），男，江蘇省南通市人，碩士，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護、變電站智能運維的研究與開發工作。