關(guān)于220kV變壓器應(yīng)用阻抗保護(hù)滿足熱穩(wěn)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(wǎng)的建設(shè)，按照“升壓、增容、換代、優(yōu)化通道”的發(fā)展思路，電網(wǎng)發(fā)展愈發(fā)需求系統(tǒng)接入大容量變壓器，以提升配電網(wǎng)的供電能力和適應(yīng)性。繼電保護(hù)對保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定有著極其重要的作用，而優(yōu)化保護(hù)配置及定值整定計算策略是保證繼電保護(hù)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(fā)生故障時穿越變壓器的短路電流往往大于變壓器的熱穩(wěn)定電流。規(guī)程規(guī)定，發(fā)生該種情況變壓器后備保護(hù)動作時間不應(yīng)超過2.0s，但樞紐變220kV變壓器復(fù)壓過流后備保護(hù)延時因考慮與下級配合的需求，遠(yuǎn)大于熱穩(wěn)定2.0s的規(guī)定，如采用常規(guī)增加限時速斷電流保護(hù)的方案，則會發(fā)生與中壓側(cè)110kV出線距離保護(hù)動作原理不一致導(dǎo)致嚴(yán)格配合很困難的問題。本文提出220kV變壓器保護(hù)采用按阻抗原理特殊配置的方案，可以解決上述常規(guī)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(hù)配置及整定原則

當(dāng)前，寧夏地區(qū)220kV變壓器配置雙套后備保護(hù)，高、中壓側(cè)普遍配置兩段或三段式復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)及零序過流保護(hù)，裝置邏輯可定義各段是否選擇經(jīng)方向閉鎖。高壓側(cè)復(fù)壓方向過流保護(hù)方向由220kV母線指向變壓器，過流定值按躲過主變高壓側(cè)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(cè)復(fù)壓方向過流延時配合，帶方向的后備跳閘延時普遍長達(dá)4.0s左右。主變110kV中壓側(cè)復(fù)壓閉鎖方向過流保護(hù)，方向由變壓器指向110kV母線，方向過流定值躲過中壓側(cè)額定電流，延時須滿足高壓側(cè)方向過流配合限值并與中壓側(cè)110kV出線距離末段時間配合。因中壓側(cè)出線多作為110kV終端變的供電線路，經(jīng)與下級變壓器、負(fù)荷出線后備保護(hù)的數(shù)級配合，其相間距離III段延時在3.0s左右，則主變中壓側(cè)保護(hù)跳本側(cè)延時配合出線保護(hù)最長延時整定為Δt+3.0s＝3.3s左右。

2.2 規(guī)程對與電網(wǎng)配合有關(guān)的變壓器保護(hù)規(guī)定

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《3～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運行整定規(guī)程》規(guī)定，與電網(wǎng)配合有關(guān)的變壓器保護(hù)，當(dāng)變壓器外部發(fā)生短路故障時，如短路電流大于任一側(cè)繞組熱穩(wěn)定電流時，變壓器過電流保護(hù)的動作時間不應(yīng)超過2.0s。220kV變壓器阻抗參數(shù)遠(yuǎn)小于110kV電網(wǎng)變壓器阻抗，其中低壓側(cè)母線故障時短路電流遠(yuǎn)超過主變熱穩(wěn)定電流，故勢必考慮220kV主變后備保護(hù)的整定應(yīng)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.3 變壓器熱穩(wěn)定電流與熱穩(wěn)定切除時間

熱穩(wěn)定是指電器通過短路電流時，電器的導(dǎo)體和絕緣部分不因短路電流的熱效應(yīng)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(xù)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(xù)時間：當(dāng)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(xù)時間為2s，對于短路電流超過25倍額定電流的變壓器，經(jīng)制造廠與使用部門協(xié)商后，采用的短路電流持續(xù)時間可以小于2.0s。”熱穩(wěn)定電流與對稱短路電流I的定義相近，且允許時間與規(guī)程中的相同，下文中統(tǒng)稱為熱穩(wěn)定電流。

2.4 實例計算變壓器外部短路電流

以地區(qū)220kV樞紐變電站實際參數(shù)進(jìn)行主變中壓側(cè)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(cè)并列運行，低壓側(cè)分列運行。文中計算出110kV中壓側(cè)母線發(fā)生各種故障短路電流，接線如圖1所示。

2.4.1 主變參數(shù)及基準(zhǔn)參數(shù)

兩臺主變參數(shù)較一致：

基準(zhǔn)容量：100MVA

2.4.2 歸算至變電站110kV母線參數(shù)

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(jié)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(dá)到主變額定電流17倍，考慮流過兩臺主變電流分支系數(shù)后（參數(shù)較一致），流過主變繞組的電流最大達(dá)到8.5倍額定電流，后備保護(hù)延時卻大于熱穩(wěn)定電流的允許時間2.0s，不利于設(shè)備安全運行。

2.5 變壓器后備保護(hù)延時超過熱穩(wěn)定允許時間的后果分析

220kV變壓器中、低壓側(cè)母線故障流過變壓器的短路電流大，由于后備保護(hù)帶延時動作，因此變壓器必然要承受一定時間段內(nèi)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(wěn)定破壞，誘發(fā)嚴(yán)重的內(nèi)部故障。在此時間段內(nèi)變壓器是否損壞主要取決于變壓器的熱穩(wěn)定性。因此，變壓器后備保護(hù)的定值整定與變壓器自身的熱穩(wěn)定要求之間存在著必然的聯(lián)系。

3 220kV變壓器采用常規(guī)措施解決熱穩(wěn)定問題的分析

3.1 主變中壓側(cè)后備增加限時電流速斷保護(hù)

通常，對于變壓器中壓側(cè)后備延時長且短延時后備保護(hù)缺位的情況，會考慮增加一段限時速斷電流保護(hù)來補充。電流整定原則按至母線故障有規(guī)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(guī)措施存在的整定配合問題

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

4 采用配置220kV變壓器阻抗原理保護(hù)的特殊措施

4.1 220kV主變后備保護(hù)采用阻抗保護(hù)的分析計算

主變阻抗為變壓器的部分繞組的后備保護(hù)，不作為變壓器低壓側(cè)故障的后備保護(hù)。

4.1.1 220kV主變110kV中壓側(cè)阻抗保護(hù)與110kV出線距離保護(hù)之間的配合

110kV單電源供電線路一般配置距離保護(hù)。其中，相間距離Ⅰ段保護(hù)范圍一般按本線全長80%整定，Ⅱ段保護(hù)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(cè)兩段式阻抗保護(hù)可分別與110kV線路Ⅰ、Ⅱ段距離保護(hù)配合。

整定策略如下。

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

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

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

220kV主變110kV側(cè)阻抗Ⅰ段或Ⅱ段定值應(yīng)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(cè)阻抗保護(hù)與110kV中壓側(cè)阻抗保護(hù)之間的配合

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

其中：Zdz,220為220kV主變220kV阻抗保護(hù)整定值；Zh為220kV主變高壓側(cè)繞組正序阻抗值；Kk為可靠系數(shù)，取0.7；n為220kV主變220kV側(cè)與110kV側(cè)的額定電壓之比；Kz為220kV主變220kV側(cè)對110kV側(cè)的最小助增系數(shù)；Zm為220kV主變中壓側(cè)繞組正序阻抗值。

220kV主變高壓側(cè)阻抗保護(hù)時間定值應(yīng)躲系統(tǒng)振蕩周期并滿足主變熱過負(fù)荷的要求，不小于1.5s，并保證與主變110kV側(cè)阻抗保護(hù)延時保留Δt配合級差。

4.2 220kV變壓器阻抗保護(hù)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(wěn)定運行需求，考慮配合和靈活整定，220kV主變阻抗保護(hù)按以下策略配置。

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

（2）220kV側(cè)一般宜配置一段阻抗保護(hù)，主要作為110kV母線故障或110kV死區(qū)故障的后備。整定時確保與110kV側(cè)Ⅰ段或Ⅱ段阻抗保護(hù)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(hù)裝置和2套RCS-978EN型220kV變壓器裝置分別接入寧夏某地區(qū)3座220kV變電所總計3臺主變保護(hù)回路，其中WBH-801B/G1/JX型裝置接入220kV智能變電站，該型裝置設(shè)計僅110kV中壓側(cè)配置不同方向的兩段式相間、接地阻抗保護(hù)，RCS-978EN型裝置高壓側(cè)及中壓側(cè)均設(shè)計配置相間阻抗保護(hù)。

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

6 結(jié)論

由上述分析和運行實踐可以得出以下列結(jié)論：

（1）220kV變壓器后備保護(hù)應(yīng)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(hù)延時超過主變承受外部故障熱穩(wěn)定允許切除時間的問題。

（2）應(yīng)用變壓器阻抗保護(hù)優(yōu)于常規(guī)措施，解決了上下級保護(hù)原理不一致的配合困難，使保護(hù)配置階梯性和方向性明確，上下級保護(hù)之間能夠相互達(dá)到預(yù)期的配合效果。

（3）變壓器阻抗保護(hù)利用反向偏移阻抗作為母線的后備保護(hù)。當(dāng)一側(cè)母差停時，主變同側(cè)阻抗保護(hù)時間可按運行要求調(diào)整縮短，以補充母線保護(hù)缺位。

［1] 國家發(fā)改委.3kV～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運行整定規(guī)程［DL ／T] .2008-06-01實施.

［2] 國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)繼電保護(hù)整定計算技術(shù)規(guī)范［Q／GDW] .國家電網(wǎng)公司2010-02-26實施.

［3] 電力變壓器 GB1094.5-85［GB] .