220 kV大型變壓器保護及二次系統(tǒng)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(tǒng)及設(shè)備發(fā)生故障時快速跳閘，切除故障，其作用至關(guān)重要。太鋼九降壓站是太鋼兩座220 kV變電站之一，擔(dān)負著太鋼電網(wǎng)一半的負荷。變壓器又是變電站最核心的一次設(shè)備，九降壓220 kV、120 MVA主變壓器的保護及二次系統(tǒng)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(wǎng)的安全，為此，提出了220 kV大型變壓器保護及二次系統(tǒng)的升級改造技術(shù)方案。

1 220 kV大型變壓器保護及二次系統(tǒng)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(shè)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(shù)的匹配不當(dāng)，易造成線包燒損；雙保護柜壓板多，存在壓板誤投風(fēng)險；主變電量保護與非電量保護跳閘出口共用，無法實現(xiàn)啟動失靈的保護功能。

2 技術(shù)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(tǒng)由于電壓等級高，系統(tǒng)安全穩(wěn)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(shè)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(cè)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(cè)2901開關(guān)的跳合閘操作箱，保護裝置和其他有關(guān)設(shè)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(wǎng)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(cè)1901開關(guān)的跳合閘操作箱，保護裝置和其他有關(guān)設(shè)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(wǎng)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(cè)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(xiàn)雙重化，如圖1所示。通過設(shè)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(xiàn)電流回路雙重化，如圖2所示。

圖1 原220 kV側(cè)CT二次電流回路

圖2 改進后的220 kV側(cè)CT二次電流回路

(2) 原110 kV側(cè)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(xiàn)雙重化，如圖3所示。通過設(shè)計改進110 kV側(cè)CT二次電流采樣回路，將A461、A471分別對應(yīng)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(xiàn)電流回路雙重化，如圖4所示。

圖3 原110 kV側(cè)CT二次電流回路

圖4 改進后110 kV側(cè)CT二次電流回路

2.2.2 交流電壓回路

110 kV系統(tǒng)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?shù)碾妷盒∧概欧謩e引接至3#主變、1#主變、110 kV母差，而主變復(fù)合電壓電流保護、方向電流保護、110 kV母差保護均經(jīng)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(shè)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(xiàn)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(tǒng)PT二次電壓回路發(fā)生異常時互不影響，事故范圍不會擴大，消除了曾多次發(fā)生的因110 kV系統(tǒng)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(cè)2901開關(guān)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(qū)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(xiàn)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(shù)匹配

在合跳開關(guān)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(guān)誤動、拒動，燒損線包等事故發(fā)生。CJX-11、CZX-12G可靈活實現(xiàn)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(shè)計時已經(jīng)考慮了2倍的動作裕度，在現(xiàn)場進行電流整定時，只要按開關(guān)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(guān)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(guān)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(qū)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(fēng)險。實施設(shè)計改進，將保護壓板進行功能區(qū)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(fēng)險，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

2.5 改進跳閘出口實現(xiàn)220 kV開關(guān)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(wěn)定的情況，電力行業(yè)規(guī)范中規(guī)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(xiàn)了變壓器電量保護動作時啟動220 kV開關(guān)失靈保護的功能，提高了九降壓及整個太鋼220 kV系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強了太鋼電力系統(tǒng)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(tǒng)性能優(yōu)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(xiàn)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(shù)匹配，跳合正常；增加了保護壓板功能區(qū)分，降低了誤投風(fēng)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(fā)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(wǎng)一半負荷失電、變壓器變形等惡性事故的發(fā)生,運行穩(wěn)定，效果良好,為國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)、電力行業(yè)老式220 kV大型主變壓器保護系統(tǒng)的改造升級提供了極有價值的借鑒。