變壓器保護計算在35 kV變電站中的應(yīng)用

摘 要：變壓器保護計算是電力系統(tǒng)整定計算的重要一環(huán)，是電力設(shè)備保護計算的基礎(chǔ)，變壓器保護計算的正確與否直接關(guān)系到變壓器發(fā)生故障時保護裝置能否正確動作?，F(xiàn)首先對差動保護及變壓器后備保護計算原理進行研究，然后分析變壓器整定計算原則是否符合35 kV變壓器保護切除短路故障要求，并經(jīng)算例分析與實際應(yīng)用驗證了變壓器保護定值的選擇性與靈敏性，為變壓器安全穩(wěn)定運行提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變壓器；整定計算；短路電流；靈敏度

中圖分類號：TM774? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0009-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.003

0? ? 引言

變壓器是電網(wǎng)構(gòu)成的重要設(shè)備之一，起著電能傳輸和電壓等級轉(zhuǎn)換的核心作用，當(dāng)變壓器非正常狀態(tài)運行時，尤其是發(fā)生內(nèi)部繞組匝間短路或外部套管故障時，短路點產(chǎn)生的巨大短路電流將通過變壓器繞組和鐵芯，短時間產(chǎn)生大量熱量，輕則改變變壓器本體外形，重則燒毀整個變壓器及其相鄰電力設(shè)備。大型電力變壓器內(nèi)部設(shè)計十分復(fù)雜，構(gòu)造成本居高不下，如發(fā)生變壓器故障致使設(shè)備損壞等情況，將使整個供電系統(tǒng)停電，從而對居民生活造成極大不便，由于主變大修要求技術(shù)高、時間長、維修困難，在經(jīng)濟上也會造成極大損失[1]。

35 kV變壓器主要配置以非電量保護和差動保護為首的主保護，并配置以復(fù)合電壓閉鎖的過電流保護和過負荷告警等功能的后備保護。非電量保護中有反映變壓器內(nèi)部油流和氣體變化量的重瓦斯跳閘、輕瓦斯告警功能，也有反映變壓器溫度變化量的油溫高跳閘及繞組溫度高報警等保護，保護配置如圖1所示。通過多重保護可以確保電力變壓器安全穩(wěn)定運行[2]。

1? ? 變壓器保護原理

差動保護是電力變壓器區(qū)內(nèi)故障的主保護，無須與其他保護配合，可以快速無選擇性地切除區(qū)內(nèi)故障，其通過CT采集變壓器不同側(cè)二次電流，在保護裝置差動回路中形成環(huán)流計算差流[3]，變壓器正常運行時差流為零，當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時，流進保護裝置的差流為短路電流，當(dāng)短路電流大于保護裝置設(shè)置定值時，保護裝置動作跳變壓器各側(cè)開關(guān)，其保護原理如圖2所示。

（1）

式中：nCT1為一側(cè)CT變比；nCT2為二側(cè)CT變比。

（2）

式中：Ik′為二次電流相量和大小。

Ibh為保護定值，當(dāng)Ik′＞Ibh時，保護動作跳各側(cè)斷路器。

在差動保護整定計算中，變壓器各側(cè)連接繞組不同，各側(cè)電流大小和電流互感器變比也不一致，導(dǎo)致差動保護回路中有不平衡電流產(chǎn)生[4]。在智能保護裝置中應(yīng)用比率差動保護計算原理，能夠保證區(qū)外故障時不平衡電流產(chǎn)生保護不誤動，區(qū)內(nèi)故障時保護有很好的靈敏度，其公式如下：

Id≥Iqd.min，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Ir≤0.5Ie，Id-Iqd.min≥k×（Ir-0.5Ie），? ? ? ?0.5Ie＜Ir≤3Ie，Id-Iqd.min≥k×2.5Ie+Ir-3Ie，? ? ?Ir＞3Ie? ? ?（3）

式中：Id為差動電流；Iqd.min為差動啟動電流；Ir為制動電流；Ie為額定電流；k為比率制動系數(shù)。

（4）

其原理如圖3所示。

2? ? 變壓器保護原則

35 kV變電站變壓器保護計算整定值時，主要依據(jù)《黑龍江省10 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護整定計算技術(shù)規(guī)范（試行）》、DL/T 584—2017《3 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》[5]和Q/GDW 11425—2018《省、地、縣電網(wǎng)繼電保護一體化整定計算技術(shù)規(guī)范》[6]來選取35 kV變壓器保護整定原則。

2.1? ? 變壓器差動保護整定原則

變壓器差動保護主要有差動速斷保護和比率差動保護需計算定值。差動速斷保護整定原則為躲變壓器充電時勵磁涌流，其大小與變壓器的容量有關(guān)，35 kV變電站變壓器容量多為3.15～10 MVA，其差動速斷整定為變壓器容量越大，倍數(shù)越小，多數(shù)取5倍。比率差動保護差動啟動電流整定原則為躲變壓器正常運行的最大不平衡電流，其計算公式如下[7]：

Iqd.min=Kk（Ker+ΔU+Δm）Ie? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.3～1.5；Ker為電流互感器誤差比，10P取0.06，5P取0.02；ΔU為變壓器調(diào)壓范圍比，取變壓器調(diào)壓百分比的一半；Δm為變壓器高低兩側(cè)電流互感器變比不匹配時產(chǎn)生的誤差，取0.05。

2.2? ? 變壓器后備保護整定原則

根據(jù)規(guī)程要求，經(jīng)過復(fù)壓閉鎖的變壓器后備過電流保護，應(yīng)選取合適的電動機自啟動系數(shù)來決定最大允許負荷電流[8]，以避免短路故障被保護切除后，保護裝置采集電壓恢復(fù)故障前狀態(tài)，而系統(tǒng)中負荷由于電動機的頻繁啟動超過過電流保護定值，造成保護誤動。故35 kV變壓器后備保護的計算公式如下：

Idz≥Kk×Kzq×Ie/Kf? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：Idz為動作電流；Kk為可靠系數(shù)，取1.15～1.25；Kzq為自啟動系數(shù)，多數(shù)為1，具體按接線和負荷性質(zhì)確定；Kf為保護返回系數(shù)，新式微機綜自裝置取0.95，老式電磁型取0.85。

變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)后備保護裝置均配有過負荷定值，其功能分為告警和跳閘，過負荷定值的整定原則為按躲過變壓器額定電流的1.05倍整定，其公式如下：

Idz≥Kk×Ie/Kf? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

3? ? 算例分析與應(yīng)用

龍江35 kV合山變原有容量6 300 kVA，由于近幾年經(jīng)濟增長和農(nóng)耕灌溉致使負荷增加，原有容量不足以滿足居民生產(chǎn)和生活需求，所以提出將原有6.3 MVA容量變壓器增容為10 MVA，更換變壓器參數(shù)為SZ11-10000/35（35±3×2.5%/10.5 kV），變壓器接線方式為Y/△-11接線，變壓器高壓側(cè)CT變比為200/5，低壓側(cè)CT變比為800/5。合山變?yōu)榫C自變電站，主變分為主保護和后備保護，主保護為變壓器差動保護，后備保護為經(jīng)復(fù)合電壓閉鎖的變壓器過電流保護，采用長園深瑞ISA-387G和ISA-388G變壓器保護裝置。

合山變35 kV變電站運行方式為上級線路西碾線單線供電方式，該變壓器配備的過電流保護除保護本變壓器之外，還是下級線路的遠后備保護，在下級線路保護拒動時，本保護能動作切除故障。在計算變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)后備保護定值時，依據(jù)選擇性原則，主變低壓側(cè)后備保護要比高壓側(cè)后備保護差1.1倍配合系數(shù)；依據(jù)靈敏性原則，主變的高后備保護對低壓側(cè)母線故障要有不小于1.3倍靈敏度，低壓側(cè)保護對本母線靈敏度要大于1.5。35 kV變壓器后備保護時間整定時，應(yīng)考慮與上級線路時間配合關(guān)系，有不小于Δt的時間極差，由于35 kV合山變?yōu)殡p繞組變壓器構(gòu)造，高后備保護時間與低后備保護時間要有不小于0.3 s的時間極差[6]。

合山變35 kV變電站一次系統(tǒng)如圖4所示，該站共有2臺35 kV雙繞組變壓器，依據(jù)龍江縣調(diào)運行方式為2臺35 kV變壓器不并列運行。

根據(jù)地調(diào)35 kV西碾線保護運行方案，過流保護定值一次值為420 A，時間為1.9 s，合山變35 kV母線等值電源為Xmin=1.351 1，Xmax=1.577 4。以1號主變?yōu)槔嬎愠龅戎底杩?，如圖5所示。

3.1? ? 變壓器差動保護整定

1）差動速斷保護按躲變壓器勵磁涌流整定：

Idz≥5Ie≥5×164.96=824.8 A? ? ? ? ? ? ? （8）

取Idz為825 A，校驗變壓器正常方式下高壓側(cè)靈敏度：

Klm=Id.max/Idz=（1/1.351 1）×1 560/825≈1.40 （9）

式中：Klm為靈敏度；Id.max為正常方式下三相短路電流。

靈敏度大于1.2滿足要求。

2）比率差動啟動電流整定：

Iqd.min=1.5×（0.06+0.075+0.05）Ie=0.277 5Ie? （10）

取啟動電流為0.3Ie。

3.2? ? 高壓側(cè)后備保護整定

1）躲主變本側(cè)額定電流：

Idz≥Kk×Ie/Kf=1.25×164.96/0.95

≈217.05 A（11）

2）按變壓器中低壓側(cè)母線故障時有靈敏度整定。小運行方式，在合山變1號主變的低壓側(cè)發(fā)生兩相相間短路：

Idz≤I2d.min/Klm=（1/2.274 0）×1 560/1.3

≈527.7 A（12）

式中：I2d.min為小運行方式下兩相相間短路電流。

3）與上級電流保護反配合。與上級西碾線過流定值（I=420 A，t=1.9 s）反配合：

Idz≤I/（Kk×Kfz）=420/（1.1×1）≈381.82? ?（13）

式中：Kfz為分支系數(shù)。

tbh=t-Δt=1.9-0.3=1.6 s切主變兩側(cè)開關(guān)，所以復(fù)閉過流定值取292 A。

二次值Idzj=Idz/CT=292/（200/5）=7.3 A，小運行方式下校核1號主變低壓側(cè)靈敏度為：

Klm=I2d.min/Idz=（1/2.274 0）×1 560/292

≈2.35＞1.3? ?（14）

滿足靈敏度要求，過負荷電流定值按1.05倍的額定電流整定：

Idz≥Kk×Ie/Kf =1.05×164.96/0.95≈182.32（15）

取184 A，tbh=9.0 s作用于過負荷信號。

3.3? ? 低壓側(cè)后備保護整定

1）躲主變本側(cè)額定電流：

Idz≥Kk×Ie/Kf =1.25×549.86/0.95=723.5 A（16）

2）按變壓器中低壓側(cè)母線故障時有靈敏度整定。小運行方式，在合山變1號主變的低壓側(cè)發(fā)生兩相相間短路：

Idz≤I2d.min/Klm=（1/2.274 0）×5 500×0.866/1.5

≈1 396.36 A? ? ? ? ?（17）

3）與高壓側(cè)復(fù)合閉鎖方向過流保護反配合：

Idz≤[Idzh/（Kfz×Kk）×Ueh]/Uel

=[292/（1×1.1）×37]/10.5≈935.41 A（18）

式中：Idzh為高壓側(cè)定值；Ueh為高壓側(cè)基準(zhǔn)電壓；Uel為低壓側(cè)基準(zhǔn)電壓。

考慮到變壓器額定電流為549.86 A，為保證與主變高壓側(cè)過流配合時0.866系數(shù)，故取復(fù)閉過流定值Idz=800 A。

二次值Idzj=Idz/CT=800/（800/5）=5 A，第一動作時限tbh1=1 s切低壓側(cè)分段，第二動作時限tbh2=1.3 s切低壓側(cè)開關(guān)。

小運行方式下1號主變低壓側(cè)靈敏度為：

Klm=I2d.min/Idz=2 094.55/800≈2.62＞1.5? ? ?（19）

滿足靈敏度要求，同理過負荷電流定值按1.05倍的額定電流整定：

Idz≥Kk×Ie/Kf =1.05×549.86/0.95=607.74 A? （20）

取608 A，tbh=9.0 s作用于過負荷信號。

故合山變主變高后備保護及低后備保護定值和時間完全配合，為合山變安全運行提供了更好的保障。

4? ? 結(jié)束語

電力系統(tǒng)短路計算是解決電力系統(tǒng)相間故障的有效手段，繼電保護中整定計算原則的準(zhǔn)確選取、導(dǎo)則的相關(guān)運用是保證繼保裝置正確動作的重要一環(huán)，有效的整定計算值可以避免故障進一步擴大，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，避免可能發(fā)生的事故，對電網(wǎng)的安全運行起到?jīng)Q定性作用。

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收稿日期：2023-04-13

作者簡介：張延福（1989—），男，黑龍江人，工程師，研究方向：繼電保護整定計算。