220kV變壓器阻抗保護(hù)的振蕩閉鎖方案

李 靜

(鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

110kV電壓等級使用63 MV·A以及80 MV·A甚至100 MV·A大容量變壓器[1]，可以提升配電網(wǎng)的供電能力和適應(yīng)性，但造成220kV變壓器容量與110kV變壓器容量使用不相匹配；由于主變?nèi)萘看?、短路阻抗相對較小，使得在110kV線路距離保護(hù)與220kV主變110kV側(cè)后備保護(hù)及110kV線路距離保護(hù)與110kV變電所110kV主變保護(hù)之間的配合上將產(chǎn)生矛盾，使得220kV主變110kV側(cè)后備保護(hù)可能越級跳閘 （220kV變壓器各側(cè)后備保護(hù)一般采用復(fù)合電壓閉鎖過流方案[2-7]）。220kV變壓器后備保護(hù)采用按阻抗原理特殊配置方案[8]，可以解決上述上下級保護(hù)不配合的問題。鎮(zhèn)江供電公司與設(shè)備提供商合作研制了阻抗原理特殊配置的220kV變壓器保護(hù)，并針對系統(tǒng)振蕩對阻抗保護(hù)的影響進(jìn)行了深入地研究，提出一個(gè)220kV變壓器阻抗保護(hù)的振蕩閉鎖方案。

1 變壓器配置阻抗保護(hù)的必要性

由于220kV變壓器與110kV變壓器在使用上不匹配和常規(guī)的保護(hù)配置與整定，帶來220kV變壓器保護(hù)與110kV線路保護(hù)、110kV變壓器之間存在不配合問題。這種不配合使得220kV主變110kV側(cè)后備保護(hù)可能越級跳閘。

1.1 防止保護(hù)不配合的常規(guī)措施

目前，防止保護(hù)不配合的常規(guī)措施[8]主要有：

（1）提高220kV主變110kV側(cè)復(fù)壓閉鎖過流Ⅰ段定值；

（2）將線路距離Ⅱ段伸出110kV大容量變壓器中壓或低壓側(cè)[1]；

（3）增加保護(hù)段數(shù)完成配合和要求保護(hù)在動(dòng)作行為上配合[9]；

（4）110kV大容量變壓器可以選用高阻抗型；

（5）220kV變壓器使用大容量主變。

上述常規(guī)措施會(huì)造成220kV主變110kV側(cè)復(fù)壓閉鎖過流Ⅰ段保護(hù)靈敏度下降甚至拒動(dòng)，會(huì)造成10kV線路距離保護(hù)與110kV變電所110kV主變保護(hù)之間的不配合，會(huì)造成實(shí)施困難等一系列問題。

1.2 220kV變壓器的阻抗原理保護(hù)配置研究

通過分析，可以將220kV主變保護(hù)中220kV側(cè)、110kV側(cè)后備保護(hù)按穩(wěn)定要求整定的復(fù)壓閉鎖過流Ⅰ段保護(hù)改用距離保護(hù)[8]，其他保護(hù)保留，可以做到上下級保護(hù)的相互配合。

（1）220kV主變220kV側(cè)與110kV側(cè)距離保護(hù)之間的配合。分析表明，由于阻抗保護(hù)的保護(hù)范圍比較固定，因此，220kV主變保護(hù)采用阻抗保護(hù)，使得220kV主變保護(hù)、110kV線路保護(hù)、110kV主變保護(hù)之間的配合性能大大改善。

（2）220kV變壓器“距離保護(hù)”的配置。為考慮配合和靈活整定，220kV主變保護(hù)“距離保護(hù)”宜配置：①110kV側(cè)宜配置兩段，一段保110kV母線靈敏度、另一段用作改善與線路保護(hù)配合的性能；②220kV側(cè)宜配置一段，主要作為110kV母線故障或110kV死區(qū)故障的后備。

1.3 增設(shè)阻抗保護(hù)后要加振蕩閉鎖

雖然大部分220kV變壓器中低壓側(cè)沒有電源，但也有少部分220kV變壓器中低壓側(cè)有小電廠并網(wǎng)運(yùn)行，有些并網(wǎng)電廠單機(jī)容量達(dá)100 MW以上，甚至有多臺大容量機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行；考慮這些并網(wǎng)電廠的影響，在配置阻抗保護(hù)當(dāng)動(dòng)作時(shí)間躲不過振蕩時(shí)，所以要加振蕩閉鎖。

2 阻抗保護(hù)的振蕩閉鎖方案

2.1 振蕩閉鎖方案

實(shí)時(shí)檢測高、中壓側(cè)是否處于非全相運(yùn)行狀態(tài)，只要高、中壓側(cè)有一側(cè)處于非全相運(yùn)行，則高、中壓側(cè)阻抗都采用“非全相振蕩閉鎖邏輯”；如果高、中壓側(cè)都處于全相運(yùn)行狀態(tài)，則高、中壓側(cè)都采用“全相振蕩閉鎖邏輯”。

2.2 阻抗保護(hù)啟動(dòng)元件

啟動(dòng)元件包括Q1，Q2和Q3三個(gè)啟動(dòng)元件，只要有任何一個(gè)元件啟動(dòng)后，就可以進(jìn)行阻抗保護(hù)測量邏輯的判別。

Q1和Q2啟動(dòng)后展寬160 ms，之后根據(jù)阻抗保護(hù)啟動(dòng)狀態(tài)和Q1返回狀態(tài)來決定是否返回。

Q3啟動(dòng)后不展寬，根據(jù)阻抗保護(hù)啟動(dòng)狀態(tài)和Q3返回狀態(tài)來決定是否返回。

（1）啟動(dòng)元件Q1作為不對稱故障的啟動(dòng)元件，零序負(fù)序啟動(dòng)：

式（1）中：Iqd為零序負(fù)序電流啟動(dòng)門檻。

（2）啟動(dòng)元件Q2作為對稱故障的啟動(dòng)元件，突變量啟動(dòng)：

式（2）中：ΔI為相電流突變量，Ith為突變量電流啟動(dòng)門檻。

（3）啟動(dòng)元件Q3作為振蕩中發(fā)生對稱故障的啟動(dòng)元件（相電流可能緩慢上升，導(dǎo)致突變量啟動(dòng)元件不能啟動(dòng)），相電流啟動(dòng)：

式（3）中：I為相電流，Ijw為相電流啟動(dòng)門檻。

2.3 非全相運(yùn)行檢測判據(jù)

不管阻抗啟動(dòng)元件是否啟動(dòng)，實(shí)時(shí)檢測高、中壓側(cè)的非全相運(yùn)行狀態(tài)。非全相的檢測判據(jù)（以高壓側(cè)為例）：

（1）A相無流，B相有流，C相有流，且-60°＜arg（Io/I2a）＜60°（即 A區(qū)），且相間接地阻抗沒有落在圓內(nèi)。

（2）B相無流，A相有流，C相有流，且60°＜arg（Io/I2a）＜180°（即 B 區(qū)），且相間接地阻抗沒有落在圓內(nèi)。

（3）C相無流，A相有流，B相有流，且-180°＜arg（Io/I2a）＜-60°（即 C 區(qū)），且相間接地阻抗沒有落在圓內(nèi)。

動(dòng)作條件是式（1）、式（2）、式（3）中任一個(gè)判據(jù)連續(xù)滿足40 ms，判為該相非全相，置相應(yīng)的非全相標(biāo)志。

2.4 全相振蕩閉鎖邏輯

包括三個(gè)振蕩閉鎖判據(jù)B1和B2及B3，任何一個(gè)判據(jù)開放則開放阻抗保護(hù)。

（1）振蕩閉鎖判據(jù)B1，瞬時(shí)開放元件。Q1和Q2啟動(dòng)，并且Q3不啟動(dòng)或啟動(dòng)時(shí)間尚不到10 ms，則Q1和Q2啟動(dòng)后起始的160 ms內(nèi)無條件開放保護(hù)，保證正常運(yùn)行情況下突然發(fā)生故障能快速開放。如果在160 ms延時(shí)段內(nèi)的阻抗保護(hù)已經(jīng)動(dòng)作，則說明確有故障，允許阻抗元件動(dòng)作。

（2）振蕩閉鎖判據(jù)B2，不對稱故障開放元件。不對稱故障時(shí)，振蕩閉鎖回路可由對稱分量元件開放，該元件的動(dòng)作判據(jù)為：

式（4）中：m的取值固定為0.66。

（3）振蕩閉鎖判據(jù)B3，對稱故障開放元件。在啟動(dòng)元件開放160 ms以后或系統(tǒng)振蕩過程中，如發(fā)生三相故障，上述二項(xiàng)開放措施均不能開放保護(hù)。因此對對稱故障設(shè)置專門的振蕩判別元件，測量振蕩中心電壓，其測量方法為：

式（5）中：U1為正序電壓，φ 為正序電壓U˙1與正序電流I˙1的夾角加上90°減去線路正序阻抗角（固定取為 85°）。

對稱故障用cosφ判斷兩側(cè)電勢的相位差δ，在δ≈180°時(shí)，U1cosφ接近于0。在三相短路時(shí)不論故障點(diǎn)遠(yuǎn)近如何，U1cosφ等于或小于電弧的壓降，約為額定電壓的5%。因此，可利用U1cosφ來作為振蕩判別元件。

當(dāng)-0.03Un＜U1cosφ＜ 0.08Un停留達(dá) 150 ms以上，則認(rèn)為是故障，置開放標(biāo)志。

當(dāng)-0.1Un＜U1cosφ＜ 0.25Un停留達(dá) 500 ms以上，則認(rèn)為是故障，置開放標(biāo)志。

2.5 非全相振蕩閉鎖邏輯

假設(shè)某側(cè)判為A相非全相，對應(yīng)的非全相振蕩閉鎖邏輯如下（B，C相非全相振蕩閉鎖邏輯類同）。

（1）振蕩閉鎖判據(jù)C1，接地故障開放元件。如果發(fā)生健全相接地故障，arg（Io/I2a）落在 B，C區(qū)（如果B相非全相，落在A，C區(qū)；如果C相非全相，落在 A，B 區(qū)）。

① 60°＜arg（Io/I2a）＜180°（即 B 區(qū)）

② -180°＜arg（Io/I2a）＜-60°（即 C 區(qū)）

上式任何一個(gè)判據(jù)連續(xù)滿足40 ms，置接地阻抗開放標(biāo)志。

（2）振蕩閉鎖判據(jù)C2，相間故障開放元件。和振蕩閉鎖判據(jù)B3類似，U1取Ubc，I1取Ibc。 （如果B相非全相，U1取 Uca，I1取 Ica；如果 C 相非全相，U1取Uab，I1取 Iab）。

① 當(dāng)-0.03Un＜U1cosφ＜0.08Un停留達(dá)150 ms以上，則認(rèn)為是故障，置相間開放標(biāo)志。

② 當(dāng)-0.1Un＜U1cosφ＜0.25Un停留達(dá) 500 ms以上，則認(rèn)為是故障，置相間開放標(biāo)志。

3 實(shí)施數(shù)字仿真（RTDS）數(shù)模試驗(yàn)

RTDS數(shù)模試驗(yàn)分別檢驗(yàn)了220kV變壓器距離保護(hù)的階梯特性、電壓互感器（TV）斷線閉鎖性能、振蕩閉鎖性能、區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障動(dòng)作性能等，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3.1 RTDS變壓器模型

RTDS數(shù)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D如圖1所示。主電源在220kV側(cè)，次電源在110kV側(cè)，負(fù)荷由高壓側(cè)向中、低壓側(cè)送電。模型參數(shù)、中壓側(cè)線路阻抗、高壓側(cè)相間阻抗保護(hù)和中壓側(cè)相間阻抗Ⅰ段、相間阻抗Ⅱ段保護(hù)等具體試驗(yàn)定值如表1、表2所示。

圖1 RTDS數(shù)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

表1 設(shè)備參數(shù)

表2 保護(hù)定值

3.2 振蕩閉鎖性能試驗(yàn)

（1）模擬系統(tǒng)全相振蕩，主變距離保護(hù)可靠閉鎖；再模擬系統(tǒng)振蕩轉(zhuǎn)相應(yīng)區(qū)內(nèi)故障，主變相應(yīng)距離保護(hù)閉鎖后又可靠開放并啟動(dòng)保護(hù)出口跳閘。

（2）模擬系統(tǒng)非全相振蕩，在開關(guān)偷跳非全相振蕩期間，主變保護(hù)不誤動(dòng)；振蕩時(shí)區(qū)外故障能夠正確不動(dòng)，區(qū)內(nèi)故障能夠正確動(dòng)作。典型錄波圖如圖2所示。

圖2 振蕩中區(qū)外故障錄波圖

4 動(dòng)模試驗(yàn)

動(dòng)模試驗(yàn)分別檢驗(yàn)了220kV變壓器距離保護(hù)的階梯特性、TV斷線閉鎖性能、振蕩閉鎖性能、區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障動(dòng)作性能等，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4.1 動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D如圖3所示。主電源在220kV側(cè)，次電源在110kV側(cè)，負(fù)荷由高壓側(cè)向中、低壓側(cè)送電。參數(shù)數(shù)據(jù)為：220kV變壓器短路阻抗（高-中）11.2 Ω（二次值），中壓側(cè)線路阻抗 65.4 Ω（二次值）；高壓側(cè)相間阻抗保護(hù)：方向指向變壓器，阻抗定值17 Ω（無偏移），保護(hù)范圍至中壓側(cè)線路30%處，延時(shí)300 ms。中壓側(cè)相間阻抗Ⅰ段、相間阻抗Ⅱ段保護(hù)：方向指向母線，阻抗Ⅰ段定值49 Ω（無偏移），保護(hù)范圍至110kV線路的75%，延時(shí)100 ms；阻抗Ⅱ段定值80 Ω，無偏移，保護(hù)范圍至110kV變壓器內(nèi)但未伸出110kV變壓器，延時(shí)200 ms。

4.2 振蕩閉鎖性能試驗(yàn)

模擬系統(tǒng)全相振蕩，主變距離保護(hù)可靠閉鎖；再模擬系統(tǒng)振蕩轉(zhuǎn)相應(yīng)區(qū)內(nèi)故障，主變相應(yīng)距離保護(hù)閉鎖后又可靠開放并啟動(dòng)保護(hù)出口跳閘，典型錄波如圖4所示。

4.3 其他特性試驗(yàn)

（1）階梯特性試驗(yàn)。分別模擬K1～K9點(diǎn)單相接地故障、兩相短路、兩相接地短路、三相短路、三相接地短路，阻抗保護(hù)階梯特性和方向性明確，出口短路記憶特性試驗(yàn)良好。

（2）區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障試驗(yàn)。分別模擬K1～K9點(diǎn)區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障試驗(yàn)，在單相接地故障、兩相短路、兩相接地短路、三相短路、三相接地短路情況下，區(qū)外故障保護(hù)可靠不動(dòng)，轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障阻抗保護(hù)階梯特性和方向性明確，出口短路記憶特性試驗(yàn)良好。

圖3 動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

圖4 系統(tǒng)振蕩轉(zhuǎn)K8 ABC區(qū)內(nèi)故障典型錄波

（3）TV斷線故障試驗(yàn)。在變壓器重載情況下，分別模擬220kV側(cè)、110kV側(cè)TV斷線故障，模擬區(qū)內(nèi)外故障，相關(guān)保護(hù)可靠閉鎖。

5 裝置試運(yùn)行情況

2009年11月，保護(hù)裝置接入1座220kV變電所1臺主變上，經(jīng)受220kV變壓器110kV側(cè)4次空載沖擊試驗(yàn)和220kV側(cè)1次空載沖擊試驗(yàn)考驗(yàn)，現(xiàn)在2座220kV變電所試運(yùn)行。截至2010年8月25日，試運(yùn)行保護(hù)經(jīng)歷了近30次區(qū)外故障考驗(yàn)，該保護(hù)裝置運(yùn)行正常，未出現(xiàn)誤動(dòng)作現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

由上述分析和裝置RTDS數(shù)模試驗(yàn)、動(dòng)模試驗(yàn)可得出下列結(jié)論：

（1）220kV變壓器與110kV變壓器容量使用不匹配，產(chǎn)生了在110kV線路距離保護(hù)與220kV主變110kV側(cè)后備保護(hù)，及110kV線路距離保護(hù)與110kV變電所110kV主變保護(hù)之間的保護(hù)不配合，存在越級跳閘的危險(xiǎn)。

（2）研制了按阻抗原理配置的220kV變壓器保護(hù)裝置，靜模和RTDS數(shù)模試驗(yàn)及裝置試運(yùn)行表明，上下級保護(hù)配置階梯特性和方向性明確，振蕩閉鎖等措施可行、可靠，上下級保護(hù)之間能夠相互配合，達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1]陳 曙.110kV大容量變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算分析[J].供用電，2008.25(4)：46-48.

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[3]DL/T 584—2007，3～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)運(yùn)行整定規(guī)程[S].

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