关于220kV变压器应用阻抗保护满足热稳定运行的分析

王翠霞，刘万旭

（石嘴山供电局，宁夏石嘴山753000）

1 引言

随着大电网的建设，按照“升压、增容、换代、优化通道”的发展思路，电网发展愈发需求系统接入大容量变压器，以提升配电网的供电能力和适应性。继电保护对保证电网安全稳定有着极其重要的作用，而优化保护配置及定值整定计算策略是保证继电保护安全可靠运行的重要因素。大容量变压器得到普遍使用，其短路阻抗相对较小，致使变压器外部发生故障时穿越变压器的短路电流往往大于变压器的热稳定电流。规程规定，发生该种情况变压器后备保护动作时间不应超过2.0s，但枢纽变220kV变压器复压过流后备保护延时因考虑与下级配合的需求，远大于热稳定2.0s的规定，如采用常规增加限时速断电流保护的方案，则会发生与中压侧110kV出线距离保护动作原理不一致导致严格配合很困难的问题。本文提出220kV变压器保护采用按阻抗原理特殊配置的方案，可以解决上述常规方案不配合的问题。

2 大容量变压器运行中存在的问题

2.1 变压器后备保护配置及整定原则

当前，宁夏地区220kV变压器配置双套后备保护，高、中压侧普遍配置两段或三段式复合电压闭锁过流保护及零序过流保护，装置逻辑可定义各段是否选择经方向闭锁。高压侧复压方向过流保护方向由220kV母线指向变压器，过流定值按躲过主变高压侧额定电流整定，延时须满足220kV电源线配合限值并与主变中压侧复压方向过流延时配合，带方向的后备跳闸延时普遍长达4.0s左右。主变110kV中压侧复压闭锁方向过流保护，方向由变压器指向110kV母线，方向过流定值躲过中压侧额定电流，延时须满足高压侧方向过流配合限值并与中压侧110kV出线距离末段时间配合。因中压侧出线多作为110kV终端变的供电线路，经与下级变压器、负荷出线后备保护的数级配合，其相间距离III段延时在3.0s左右，则主变中压侧保护跳本侧延时配合出线保护最长延时整定为Δt+3.0s＝3.3s左右。

2.2 规程对与电网配合有关的变压器保护规定

电力行业标准《3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》规定，与电网配合有关的变压器保护，当变压器外部发生短路故障时，如短路电流大于任一侧绕组热稳定电流时，变压器过电流保护的动作时间不应超过2.0s。220kV变压器阻抗参数远小于110kV电网变压器阻抗，其中低压侧母线故障时短路电流远超过主变热稳定电流，故势必考虑220kV主变后备保护的整定应满足行业标准规定。

2.3 变压器热稳定电流与热稳定切除时间

热稳定是指电器通过短路电流时，电器的导体和绝缘部分不因短路电流的热效应使温度超过其短路时的最高允许温度而造成损坏并妨碍继续工作的性能。

电力变压器GB1094.5-85中要求“对称短路电流I的持续时间：当使用部门未提出其它要求时，用于计算变压器承受短路耐热能力的电流I的持续时间为2s，对于短路电流超过25倍额定电流的变压器，经制造厂与使用部门协商后，采用的短路电流持续时间可以小于2.0s。”热稳定电流与对称短路电流I的定义相近，且允许时间与规程中的相同，下文中统称为热稳定电流。

2.4 实例计算变压器外部短路电流

以地区220kV枢纽变电站实际参数进行主变中压侧110kV母线短路故障电流的计算，运行方式为1＃、2＃主变高、中压侧并列运行，低压侧分列运行。文中计算出110kV中压侧母线发生各种故障短路电流，接线如图1所示。

2.4.1 主变参数及基准参数

两台主变参数较一致：

基准容量：100MVA

2.4.2 归算至变电站110kV母线参数

方式综合考虑两台主变并列、分列运行：

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母线故障短路电流计算值（考虑大方式下）

以上计算结果可以表明，大方式下大型220kV变压器外部母线短路故障点处电流最大达到主变额定电流17倍，考虑流过两台主变电流分支系数后（参数较一致），流过主变绕组的电流最大达到8.5倍额定电流，后备保护延时却大于热稳定电流的允许时间2.0s，不利于设备安全运行。

2.5 变压器后备保护延时超过热稳定允许时间的后果分析

220kV变压器中、低压侧母线故障流过变压器的短路电流大，由于后备保护带延时动作，因此变压器必然要承受一定时间段内的外部故障造成的过电流，不仅引起变压器绕组过热，还可能造成绕组的动稳定破坏，诱发严重的内部故障。在此时间段内变压器是否损坏主要取决于变压器的热稳定性。因此，变压器后备保护的定值整定与变压器自身的热稳定要求之间存在着必然的联系。

3 220kV变压器采用常规措施解决热稳定问题的分析

3.1 主变中压侧后备增加限时电流速断保护

通常，对于变压器中压侧后备延时长且短延时后备保护缺位的情况，会考虑增加一段限时速断电流保护来补充。电流整定原则按至母线故障有规定的灵敏度整定，延时可与110kV出线距离I段或Ⅱ段配合，取值不超过1.0s。

3.2 采用常规措施存在的整定配合问题

因220kV主变高、中压侧带方向的电流保护均指向负荷侧，其中压侧110kV线路一般会配置阶梯式相间距离、接地距离保护。中压侧后备增加限速速断电流保护，其保护范围已伸入中压侧110kV出线距离Ⅰ段或Ⅱ段保护范围，因两种保护动作原理不一致，上下级配合界限不明确，若达到阶梯特性严格配合存在很大困难。

4 采用配置220kV变压器阻抗原理保护的特殊措施

4.1 220kV主变后备保护采用阻抗保护的分析计算

主变阻抗为变压器的部分绕组的后备保护，不作为变压器低压侧故障的后备保护。

4.1.1 220kV主变110kV中压侧阻抗保护与110kV出线距离保护之间的配合

110kV单电源供电线路一般配置距离保护。其中，相间距离Ⅰ段保护范围一般按本线全长80%整定，Ⅱ段保护大多按单回线终端变压器方式伸入变压器不超出差动范围整定。220kV主变110kV侧两段式阻抗保护可分别与110kV线路Ⅰ、Ⅱ段距离保护配合。

整定策略如下。

（1）110kV侧阻抗保护按保证母线故障有足够灵敏度整定，时间定值应躲系统振荡周期并满足主变热过负荷的要求，不小于1.5s。

（2）因保护出口即为母线，故也可按与线路距离Ⅰ段或Ⅱ段保护配合，使整定有确凿配合数据。

其中：Zdz,110为220kV主变110kV阻抗保护距离Ⅰ段或Ⅱ段整定值；Zldz为110kV线路距离保护Ⅰ段或Ⅱ段整定值，Kk为可靠系数，取0.7；Kz为220kV主变110kV侧最小助增系数。

220kV主变110kV侧阻抗Ⅰ段或Ⅱ段定值应兼顾考虑与变电站各条110kV出线Ⅰ段或Ⅱ段定值配合取舍。

4.1.2 220kV主变220kV高压侧阻抗保护与110kV中压侧阻抗保护之间的配合

整定策略：220kV主变高压侧带偏移特性的阻抗保护，指向变压器的阻抗不伸出中压侧母线，可靠系数宜取0.7。

其中：Zdz,220为220kV主变220kV阻抗保护整定值；Zh为220kV主变高压侧绕组正序阻抗值；Kk为可靠系数，取0.7；n为220kV主变220kV侧与110kV侧的额定电压之比；Kz为220kV主变220kV侧对110kV侧的最小助增系数；Zm为220kV主变中压侧绕组正序阻抗值。

220kV主变高压侧阻抗保护时间定值应躲系统振荡周期并满足主变热过负荷的要求，不小于1.5s，并保证与主变110kV侧阻抗保护延时保留Δt配合级差。

4.2 220kV变压器阻抗保护的配置

220kV变电站110kV出线距离有长有短，还有T接支路，为了满足主变外部故障热稳定运行需求，考虑配合和灵活整定，220kV主变阻抗保护按以下策略配置。

（1）110kV侧一般宜配置两段，Ⅰ段保护在110kV母线故障时有足够的灵敏度，Ⅱ段保护用作改善与线路保护配合的性能。两段功能须结合实际整定取向合理选取，配置无固化形式。

（2）220kV侧一般宜配置一段阻抗保护，主要作为110kV母线故障或110kV死区故障的后备。整定时确保与110kV侧Ⅰ段或Ⅱ段阻抗保护定值及延时的配合性能。

5 运行情况

2011年9 月和10月，某公司4套WBH-801B/G1/JX型220kV变压器保护装置和2套RCS-978EN型220kV变压器装置分别接入宁夏某地区3座220kV变电所总计3台主变保护回路，其中WBH-801B/G1/JX型装置接入220kV智能变电站，该型装置设计仅110kV中压侧配置不同方向的两段式相间、接地阻抗保护，RCS-978EN型装置高压侧及中压侧均设计配置相间阻抗保护。

因考虑试运行，整定策略中仅在主变中压侧投入Ⅰ段阻抗保护，按至110kV出线末端有规定灵敏度整定，并满足与出线Ⅱ段保护范围的配合，延时取0.9s/1.2s（切母联/切本侧）整定，极大弥补了中压侧3.3s跳本侧长延时后备的弊端。上述6套装置阻抗保护分别经受220kV变压器高、中压侧5次空载冲击试验，已正常运行7～8个月，试运行期间经历了区外故障的考验，保护装置运行正常，未出现误动作现象。

6 结论

由上述分析和运行实践可以得出以下列结论：

（1）220kV变压器后备保护应用按阻抗原理配置的特殊措施，能有效解决变压器后备保护延时超过主变承受外部故障热稳定允许切除时间的问题。

（2）应用变压器阻抗保护优于常规措施，解决了上下级保护原理不一致的配合困难，使保护配置阶梯性和方向性明确，上下级保护之间能够相互达到预期的配合效果。

（3）变压器阻抗保护利用反向偏移阻抗作为母线的后备保护。当一侧母差停时，主变同侧阻抗保护时间可按运行要求调整缩短，以补充母线保护缺位。

［1] 国家发改委.3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程［DL ／T] .2008-06-01实施.

［2] 国家电网公司.国家电网继电保护整定计算技术规范［Q／GDW] .国家电网公司2010-02-26实施.

［3] 电力变压器 GB1094.5-85［GB] .