基于區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定性的220 kV主變高中后備保護(hù)失效分析

徐宇，楊永志，陳勁秋

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

220 kV變壓器是電網(wǎng)中重要的元件，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到電網(wǎng)的供電可靠性，尤其是作為中心城市的昆明，220 kV變壓器的供電可靠性顯得更加重要。而主變保護(hù)的動(dòng)作準(zhǔn)確性，對(duì)針對(duì)主變負(fù)載能力的區(qū)域穩(wěn)定控制裝置的可靠動(dòng)作有著重大影響，因此220 kV變壓器整定計(jì)算合理與正確顯得尤為重要。為規(guī)范220 kV降壓變的整定，云南省調(diào)下發(fā)了《云南電網(wǎng)220 kV降壓變后備保護(hù)配置和整定方案》。云網(wǎng)范圍內(nèi)降壓變統(tǒng)一按照省調(diào)下發(fā)的整定方案進(jìn)行整定，但經(jīng)過分析全網(wǎng)的幾次主變故障跳閘及短路電流的模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)存在部分廠站220 kV主變低壓側(cè)區(qū)內(nèi)外故障時(shí)高中后備保護(hù)失效的情況及主變失靈保護(hù)定值無靈敏度問題[1]。為解決主變高中后備保護(hù)失效問題，下面對(duì)有關(guān)整定原則和短路情況進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的措施和建議。

1 云南電網(wǎng)220 kV降壓變后備保護(hù)整定原則

220 kV降壓變后備保護(hù)[2]主要由復(fù)合電壓閉鎖相間過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、相間阻抗保護(hù)、接地阻抗保護(hù)、間隙零序保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等構(gòu)成。本文僅考慮相間后備保護(hù)。

1）220 kV相間故障后備保護(hù)整定原則。220 kV相間故障后備保護(hù)包括相間阻抗保護(hù)及復(fù)合電壓閉鎖相間過流保護(hù)。相間阻抗保護(hù)整定原則：正向指向變壓器，正向阻抗值在可靠躲過變壓器最大負(fù)荷電流的前提下，按躲過變壓器中、低壓側(cè)故障可靠不動(dòng)整定，反向偏移取3%~5%的正向阻抗值，其I時(shí)限跳主變各側(cè)開關(guān)，II、III時(shí)限退出，要求其I時(shí)限統(tǒng)一整定為0.3 s。復(fù)合方向過流整定原則：不經(jīng)方向元件控制，按躲過變壓器的最大負(fù)荷電流整定，時(shí)限按與變壓器110 kV側(cè)復(fù)壓方向過流保護(hù)的時(shí)限配合整定，其I時(shí)限跳主變各側(cè)開關(guān)，II、III時(shí)限退出。

2）110 kV相間故障后備保護(hù)整定原則。110 kV相間故障后備保護(hù)包括相間阻抗保護(hù)及復(fù)合電壓閉鎖相間過流保護(hù)。相間阻抗保護(hù)整定原則：正向指向110 kV系統(tǒng)，正向阻抗值在可靠躲過變壓器最大負(fù)荷電流的前提下，按與110 kV出線的相間距離I/II段配合整定，確保110 kV出線線路末端故障有足夠靈敏度（Klm≥1.2），反向偏移取3%~5%的正向阻抗值，其I時(shí)限跳110 kV母聯(lián)（分段）開關(guān)，II時(shí)限跳變壓器110 kV側(cè)開關(guān)，III時(shí)限跳主變各側(cè)開關(guān)，要求其II時(shí)限≯1.2 s，時(shí)限級(jí)差按Δt=0.3 s考慮。復(fù)合方向過流整定原則：正向指向110 kV系統(tǒng)，按躲過變壓器的最大負(fù)荷電流整定，其I時(shí)限跳110 kV母聯(lián)（分段）開關(guān)，II時(shí)限跳變壓器110 kV側(cè)開關(guān)，III時(shí)限跳主變各側(cè)開關(guān)，要求其III時(shí)限≯4.2 s，時(shí)限級(jí)差按Δt=0.3 s考慮。

3）低壓側(cè)后備保護(hù)整定原則。復(fù)壓方向過流保護(hù)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮是否經(jīng)方向元件控制及方向元件的指向，按變壓器低壓側(cè)母線故障有足夠靈敏度（Klm≥1.5）和躲過變壓器低壓側(cè)的最大負(fù)荷電流整定，時(shí)限按相關(guān)反措要求執(zhí)行，且必須有跳變壓器各側(cè)的時(shí)限段。

2 220 kV主變低壓側(cè)故障高中后備保護(hù)失效分析

按照云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司整定原則，部分廠站接線方式下存在以下風(fēng)險(xiǎn)：220 kV主變主保護(hù)拒動(dòng)，220 kV、110 kV側(cè)均無法對(duì)主變低壓側(cè)進(jìn)行后備保護(hù)，最終可能導(dǎo)致主變燒損；若220 kV主變110 kV側(cè)動(dòng)作跳閘后由本臺(tái)主變高壓側(cè)后備保護(hù)跳閘，跳閘時(shí)間過長(zhǎng)，最終可能導(dǎo)致主變損壞；相關(guān)的隔離開關(guān)、母線、斷路器等一次設(shè)備因長(zhǎng)期流過大電流受損。下面以某220 kV變電站為例進(jìn)行分析，指出主變低壓側(cè)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)則主變將處于無保護(hù)狀態(tài)；主變低壓側(cè)區(qū)外故障時(shí)，低壓側(cè)斷路器故障（或低后備保護(hù)）拒動(dòng)則主變也處于無保護(hù)狀態(tài)。

2.1 變電站主接線型式及相關(guān)設(shè)備參數(shù)

該220 kV變電站一次接線如圖1所示，配有3臺(tái)額定容量都為180 MVA的變壓器，220 kV、110 kV、35 kV均 為 雙 母 接 線，且35 kV有對(duì)外供電的線路。

圖1 變電站一次接線示意圖

正常運(yùn)行方式下，220 kV、110 kV雙母并列運(yùn)行，35 kV由于并列運(yùn)行短路電流較大，采取分列運(yùn)行且投入35 kV備自投提高供電可靠性。變壓器相關(guān)參數(shù)：#1主變短路阻抗，高-中為13.44%，高-低為23.51%，中-低為7.5%，高壓側(cè)正序阻抗標(biāo)幺值為0.081815，低壓側(cè)正序阻抗標(biāo)幺值為0.119698；#2主變短路阻抗，高-中為13.69%，高-低為25.31%，中-低為7.97%，高壓側(cè)正序阻抗標(biāo)幺值為0.081739，低壓側(cè)正序阻抗標(biāo)幺值為0.11969；#3主變短路阻抗，高-中為13.67%，高-低為23.19%，中-低為7.49%，高壓側(cè)正序阻抗標(biāo)幺值為0.074643，低壓側(cè)正序阻抗標(biāo)幺值為0.11323；電抗器標(biāo)幺值為0.0709，等值阻抗為0.00819。35 kV母線兩相短路時(shí)，35 kV I母BC相間短路電流為9140.8 A, 35 kV II母BC相間短路電流為14306.6 A，各臺(tái)主變各側(cè)短路電流見表1。

表1 主變各側(cè)短路電流計(jì)算

2.2 后備保護(hù)整定及存在問題分析

按照云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司220 kV降壓變壓整定原則，阻抗保護(hù)整定的阻抗值較小，在主變低壓側(cè)發(fā)生故障時(shí)不在保護(hù)范圍內(nèi)，故不對(duì)阻抗保護(hù)分析。220 kV主變高壓側(cè)復(fù)壓方向過流整定為708 A，不帶方向，4.4 s跳主變?nèi)齻?cè)；110 kV側(cè)整定為1248 A，方向指向110 kV母線，3.5 s跳主變110 kV側(cè)母聯(lián)，3.8 s跳主變110 kV側(cè)，4.1 s跳主變?nèi)齻?cè)。

若故障發(fā)生在35 kV I母，則得到的主變后備保護(hù)動(dòng)作分析見表2。由此可知，僅有#2主變中壓側(cè)短路電流達(dá)到動(dòng)作值，但因?yàn)橹袎簜?cè)過流方向整定為指向110 kV母線，而短路時(shí)電流指向變壓器，所以最終所有保護(hù)均不動(dòng)作。若故障發(fā)生在35 kV II段母線，則得到的主變后備保護(hù)動(dòng)作分析見表3。由此可知，#2主變高中壓側(cè)短路電流達(dá)到動(dòng)作值，且中壓側(cè)電流指向110 kV母線，#1、#3主變高壓側(cè)達(dá)到動(dòng)作值，但是因?yàn)楦咧袎簜?cè)整定時(shí)間較長(zhǎng)，若#1主變差動(dòng)（區(qū)內(nèi)故障）或低后備保護(hù)（區(qū)外故障）拒動(dòng)，則#3主變經(jīng)0.4 s跳#3主變低壓側(cè)，各主變高中壓側(cè)后備保護(hù)還未來得及動(dòng)作，故障情況即轉(zhuǎn)移為35 kV I母短路時(shí)的短路電流分配情況，所以最終各后備保護(hù)僅能跳開#3主變低壓側(cè)，故障一直存在。對(duì)于220 kV系統(tǒng)，不要求220 kV線路保護(hù)作為220 kV主變的遠(yuǎn)后備，最終導(dǎo)致主變的高中后備保護(hù)全部失效。由此可預(yù)想最終的結(jié)果是導(dǎo)致主變可能燒損，相關(guān)的隔離開關(guān)、斷路器因長(zhǎng)期流過大電流受損。

表2 35 kV I母故障主變后備保護(hù)動(dòng)作分析

表3 35 kV II母故障主變后備保護(hù)動(dòng)作分析

3 改進(jìn)措施

云南省調(diào)明確要求220 kV降壓變的110 kV側(cè)復(fù)壓過流方向保護(hù)的方向指向110 kV母線，但應(yīng)將方向指向110 kV母線取消，這是導(dǎo)致中后備保護(hù)拒動(dòng)的原因。

1）降壓主變正常時(shí)分列運(yùn)行，在110 kV系統(tǒng)故障時(shí)其電流方向肯定指向110 kV母線；若110 kV母線上有電源主變故障時(shí)，110 kV系統(tǒng)提供的短路電流達(dá)到整定值在整定時(shí)間內(nèi)也應(yīng)動(dòng)作，否則主變可能燒損；若220 kV系統(tǒng)發(fā)生故障，則由于主變阻抗較大而110 kV電源一般較小，不會(huì)提供較大的短路電流，保護(hù)不會(huì)因220 kV系統(tǒng)故障而動(dòng)作。

2）若降壓變正常時(shí)并列運(yùn)行，110 kV系統(tǒng)故障時(shí)故障電流方向指向110 kV母線，若為主變220 kV側(cè)故障或低壓側(cè)故障時(shí)110 kV系統(tǒng)的電流方向?yàn)楣收现髯冎赶蜃儔浩?，非故障主變指?10 kV母線，帶方向后會(huì)可能出現(xiàn)主變中后備保護(hù)均不動(dòng)作情況。

3）按整定原則，110 kV側(cè)后備保護(hù)為先跳110 kV母聯(lián)，這樣跳開母聯(lián)后非故障主變?nèi)阅苷９╇姡缟鲜銮闆r中35 kV I母故障時(shí)，若#2主變中后備不帶方向?qū)⑾忍_110 kV母聯(lián)，跳開110 kV母聯(lián)后由于#1、#3不再向#2主變中壓側(cè)提供短路電流，因此#1、#3主變即可與故障隔離。

但是220 kV主變110 kV側(cè)復(fù)壓方向過流保護(hù)不帶方向后仍存在問題。如上述35 kV I母故障，#2主變變中3.5 s跳開110 kV母聯(lián)后，中后備保護(hù)由于母聯(lián)斷開后無電流從故障主變中壓側(cè)流入，導(dǎo)致中壓側(cè)保護(hù)復(fù)歸，之前高后備保護(hù)未動(dòng)作，3.5 s后高后備保護(hù)開始動(dòng)作計(jì)時(shí)，最終在7.9 s切除#2主變的故障。主變切除時(shí)間較長(zhǎng)，主變可能因遭受長(zhǎng)期電動(dòng)力及熱效應(yīng)而導(dǎo)致繞組嚴(yán)重變形損壞，因此應(yīng)采取更有效的方式判斷主變內(nèi)部故障的后備保護(hù)。

由主變接線方式可知，220 kV和110 kV的電流在主變110 kV或220 kV開關(guān)外故障時(shí)流過的電流是同相位的，因此采用主變220 kV及110 kV差電流作為主變的后備保護(hù)的故障電流判據(jù)，可達(dá)到快速切除主變區(qū)內(nèi)或低壓側(cè)區(qū)外故障。保護(hù)可分設(shè)兩段：一段作為主變內(nèi)部故障的后備保護(hù)，此時(shí)差電流定值應(yīng)躲過主變低壓側(cè)母線故障時(shí)的最大短路電流，時(shí)間定值應(yīng)躲開主變勵(lì)磁涌流時(shí)間；一段作為低壓側(cè)斷路器拒動(dòng)或低后備保護(hù)拒動(dòng)的后備保護(hù)，電流定值按躲過主變低壓側(cè)負(fù)荷電流整定，時(shí)間定值與低壓側(cè)后備保護(hù)段配合，直接跳主變?nèi)齻?cè)斷路器。通過以上分析可知，設(shè)兩段主變高中壓側(cè)差電流保護(hù)后可在主變區(qū)內(nèi)故障或低壓側(cè)區(qū)外故障，主變差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)或中低壓側(cè)開關(guān)拒動(dòng)情況下及時(shí)切除主變，降低主變及相關(guān)一次設(shè)備的受損程度。

4 實(shí)例

某 年6月3日8時(shí)13分29秒，該 變 電 站發(fā)生220 kV #2主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開主變202、102、302斷路器，35 kV備自投動(dòng)作，跳開302斷路器合上312斷路器，35 kV I段母線電壓恢復(fù)，跳閘故障原因?yàn)?5 kV低壓側(cè)隔離開關(guān)的支柱絕緣子放電。故障時(shí)，#1、#2、#3主變高中壓側(cè)由于并列運(yùn)行，因此均流過短路電流。由故障錄波得到的故障時(shí)各臺(tái)主變高中壓側(cè)后備保護(hù)動(dòng)作情況見表4。由此可知，若主變差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)，就將出現(xiàn)所有主變高中后備保護(hù)失效情況，即使事故發(fā)展后短路電流增大或主變中壓側(cè)后備保護(hù)不帶方向，至少也要在7.9 s才能切除故障。

表4 各臺(tái)主變高中壓側(cè)后備保護(hù)動(dòng)作分析

5 結(jié)束語

本文通過分析云南電網(wǎng)220 kV降壓變整定原則中相間后備保護(hù)的整定對(duì)于主變低壓側(cè)故障存在保護(hù)失效的風(fēng)險(xiǎn)，提出取消110 kV復(fù)壓過流保護(hù)方向元件措施，并探討了采用高中壓側(cè)差電流判據(jù)作為主變內(nèi)部故障和低壓側(cè)后備保護(hù)或開關(guān)拒動(dòng)情況下的后備保護(hù)的建議，但因涉及相關(guān)的保護(hù)裝置軟件硬件實(shí)現(xiàn)問題，具體還需進(jìn)一步的探討實(shí)踐?？傊?，220 kV主變是電網(wǎng)中的重要供電設(shè)備，后備保護(hù)應(yīng)能起到應(yīng)有的作用，才能確保主變的安全穩(wěn)定運(yùn)行。