特高压交流系统变压器继电保护配置与整定

李济沅， 倪腊琴，李莎，邱玉婷，周浩

(1.浙江大学电气工程学院, 杭州市 310027；2.华东电网有限公司，上海市 200120)



特高压交流系统变压器继电保护配置与整定

李济沅1， 倪腊琴2，李莎1，邱玉婷1，周浩1

(1.浙江大学电气工程学院, 杭州市 310027；2.华东电网有限公司，上海市 200120)

结合目前国内已经投运的特高压输电工程，对特高压变压器特点、励磁涌流识别方案、主变及调压补偿变的继电保护配置以及整定进行研究，提出特高压变压器各套保护的主保护与后备保护的具体配置方案。界定各差动保护的功能及保护范围，保证保护方案能可靠动作，并给出各差动保护之间的配合整定建议。同时对典型故障进行动模试验，论证保护方案的可行性。本方案已在华东地区1 000 kV变压器保护中获得应用，可以为其他特高压交流工程中变压器继电保护的设计提供参考依据。

特高压；变压器；继电保护；整定计算

0 引 言

随着世界能源工业快速发展，能源和环境问题日趋紧迫，通过全球能源互联实现能源结构向低碳、高效、大范围优化的方向发展已成为必然趋势，而构建以特高压电网为骨干网架的坚强智能电网则是实现全球能源互联的重要保障[1-3]。

变压器是特高压交流输电工程的关键设备之一，因此对其继电保护的速动性和可靠性要求很高[4-5]。目前针对超高压变压器继电保护特点、原理的研究已经比较深入[6-7]，文献[8]提出了750 kV变压器配置及整定研究方案，然而对于特高压变压器保护配置及整定的探讨还比较少，对于主、后备保护装置的不同，会在差动保护的配置及动作延时方面产生差异，需要通过各差动保护之间的整定配合予以解决，随着国内多条特高压交流输电线路的建成投运，积累了较为丰富的特高压变压器继电保护工程经验，有必要对特高压变压器的继电保护配置及整定进行全面系统地研究。

本文结合国内目前已建成投运的1 000 kV晋东南—南阳—荆门、淮南—芜湖—安吉—上海等特高压交流输电工程中特高压变压器继电保护工程经验，对特高压变压器的结构特点、继电保护特点、励磁涌流识别进行系统研究，并提出特高压主变压器(以下简称“主变”)的电气量、非电气量继电保护配置整定方案以及调压变压器(以下简称“调压变”)和补偿变压器(以下简称“补偿变”)的继电保护配置整定方案，并通过典型故障动模试验验证该保护方案的可行性，为其他特高压交流输电工程的变压器的保护设计提供参考。

1 特高压变压器特点

1.1 结构特点

由于体积和容量的限制，特高压变压器一般采用由3个单相自耦变压器组成的三相变压器组，同时为解决变压器容量增大所导致的温升问题，特高压变压器铁芯采用单相四柱式(两芯柱、两旁柱结构)，特高压三绕组自耦变压器接线如图1所示，图中：CV—公共绕组；SV—串联绕组；LV—低压绕组；LT—低压补偿绕组；LE—低压励磁绕组；EV—调压励磁绕组；TV—调压绕组。

图1 特高压三绕组自耦变压器接线

从图1可以看出，调压绕组与主变高压绕组串联，稳定中压侧的电压，低压补偿绕组与主变低压绕组串联，补偿在调节主变中压侧电压时对低压侧的影响，稳定低压侧电压。调压和补偿变压器独立于主变之外，通过硬母线连接[9-10]。

1.2 继电保护特点

调压变和补偿变发生故障时主变保护可能会拒动。由特高压的结构特点可知，调压变和补偿变匝数占整个变压器的匝数比相对很小，因此当调压变或补偿变发生轻微甚至较严重匝间故障时，产生的差动电流对于主变差动保护来说都显得很轻微，容易造成主变差动保护拒动，而调压变、补偿变匝间故障灵敏度不足这一特点也在中国电力科学研究院进行1 000 kV变压器保护动模试验模拟调压变压器发生25%匝间短路时的实验结果中得到了验证[11-12]。

空投特高压变压器时产生励磁涌流导致主变保护误动。特高压变压器的铁芯饱和点低，剩磁较大，在特高压空载变压器合闸时，容易产生电流小、衰减时间长的励磁涌流。励磁涌流的大小及衰减时间与空投变压器系统电压相角、铁芯剩磁、系统等值阻抗、绕组接线方式等因素相关[13-15]。对于基于二次谐波制动等传统的励磁涌流鉴别方法，励磁涌流中二次谐波过小会导致差动保护误动，而保证差动保护正确动作的关键是准确区分励磁涌流和内部故障电流。

2 励磁涌流的识别

2.1 基于波形比较的励磁涌流识别

内部故障电流的全波傅式计算结果与半波傅式计算结果接近，而励磁涌流的全波傅式计算结果与半波傅式计算结果有较大差异，利用这一特点即可构成励磁涌流的识别判据。而且通过双曲S变换等时频分析手段对励磁涌流和故障电流信号处理后进行特征提取比较，从而识别励磁涌流和故障电流的方法也有较为广泛的研究。而基于波形识别的变压器保护原理需要对1个周波的采样数据进行处理，保护动作时间长，不利于特高压变压器保护快速、可靠动作[16-18]。

2.2 基于等效瞬时电感特性的励磁涌流识别

变压器铁芯磁导率在励磁涌流与内部故障时变化情况不同，引入瞬时励磁电感和等效瞬时电感的概念可以实现有效识别励磁涌流。但由于特高压变压器端部一般接有长距离输电线路以及特高压变压器低压侧装设无功补偿装置的原因，将导致变压器内部故障的暂态电流、电压中也含有较丰富的谐波分量，影响判断的准确性[19-20]。

2.3 基于磁制动原理的励磁涌流识别

为解决变压器内部故障电流、电压中大量谐波分量导致变压器等效瞬时电感计算时存在误差的问题，基于磁制动原理快速识别励磁涌流的方案被提出。该方案有效解决了内部故障时由于变压器模型简化造成的计算误差。具体方案如图2所示。

图2 基于等效瞬时磁阻励磁涌流识别方案

其中M为等效瞬时磁阻，在数字仿真与现场录波实验中，该方案实现了励磁涌流快速识别的功能[21-22]。

2.4 推荐励磁涌流识别方案

将励磁涌流闭锁定值自适应变化与“分相制动”方式相结合并通过差动电流中二次谐波含量的变化趋势进行辅助判断的励磁涌流识别方案目前被广泛采纳[8]。该方案的判断过程如图3所示。

图3 现采用的励磁涌流识别方案

当装置检测到系统合闸空载变压器时，励磁涌流闭锁定值自动下降，提高系统励磁涌流闭锁能力，随后励磁涌流闭锁定值逐渐提高，保障合闸空载故障变压器时保护能够快速动作，差动电流中二次谐波含量的变化趋势作为辅助判据，提高了差动保护的可靠性。

采用三相差动电流中二次谐波来识别励磁涌流，判别方程如式(1)所示。

I2nd>K2xbI1st

(1)

式中：I2nd为每相差动电流中的二次谐波；I1st为对应相的差动电流基波；K2xb为二次谐波制动系数整定值。当三相中某一相被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。

3 变压器保护配置

特高压变压器由主体变压器和调压补偿变压器组成，其中调压补偿变压器为特高压变压器所特有，为提高调压补偿变压器匝间故障时的灵敏度，必须为其单独配置差动保护。超高压变压器保护通常配置2套电气量保护和本体保护，每台变压器保护有3面屏，分别由主变第1套差动保护、主变第2套差动保护以及主变非电气量保护组成。而特高压变压器保护包含主变保护和调压补偿变保护，主变和调压补偿变的电气量保护均双重化配置，本体保护仅配置一套，主变保护和调压补偿变保护应分布于不同保护装置内，并单独组屏。

每台特高压变压器保护有5面屏，分别由主变第1套差动保护、主变第2套差动保护、主变非电气量保护、调压补偿变第1套差动保护+调压补偿变非电气量保护以及调压补偿变第2套差动保护组成。

3.1 各差动保护的功能及范围

差动保护是变压器的主保护，特高压变压器各差动保护的保护范围通过电流互感器(current transformer,CT)布置情况进行分析，特高压变压器CT布置如图4所示。

图4 特高压变压器CT布置图

3.1.1 投用的差动保护

纵联差动保护由高压侧断路器CTH1/CTH2、中压侧断路器CTM1/CTM2、低压侧断路器CTL1/CTL2构成，其保护范围为变压器各侧的各类故障。由于差动回路中存在磁耦合关系，所以设置励磁涌流闭锁判据。

分侧差动保护由高压侧断路器CTH1/CTH2、中压侧断路器CTM1/CTM2、公共绕组套管CT5构成，其保护范围为高、中压侧绕组和引线的接地和相间故障，不保护绕组的匝间故障。由于差动回路中不存在磁耦合关系，所以保护不受励磁涌流的影响。

补偿变差动保护由CT8、CT6构成，其保护范围为补偿变内部绕组所有故障和引线故障。由于差动回路中存在磁耦合关系，所以设置励磁涌流闭锁判据。

调压变差动保护由CT5、CT6、CT7构成，其保护范围为调压变压器内部绕组所有故障和引线故障。由于差动回路中存在磁耦合关系，所以设置励磁涌流闭锁判据。

3.1.2 停用的差动保护

分相差动保护由高压侧断路器CTH1/CTH2、中压侧断路器CTM1/CTM2、低压侧套管CT4构成，其保护范围为变压器内部绕组所有故障和高、中压侧引线故障。由于差动回路中存在磁耦合关系，所以需要设置励磁涌流闭锁判据。相比于纵联差动保护，不存在Y/Δ转角关系，差动电流实现了真正的分相计算，零序分量亦引入差动回路，差动电流的特性更真实，从而使励磁涌流闭锁逻辑的判别可以变得更为清晰、简单。

低压侧小区差动保护由低压侧套管CT4、低压侧断路器CTL1/CTL2、调压变副边套管CT7构成，其保护范围为低压侧引线的接地和相间故障，不保护绕组的匝间故障。差动回路中不存在磁耦合关系，所以保护不受励磁涌流的影响。

由于分相差动保护和低压侧小区差动保护的范围等同于纵联差动保护，且低压侧套管CT4中的次级线圈数量有限，故特高压保护仅采用纵联差动保护。

3.2 主体变保护配置

3.2.1 主保护配置

主保护包括比率差动保护、差动速断保护、反应故障分量的差动保护以及零序比例差动保护，可以保护特高压变压器除调压补偿变以外的内部及引线上发生的绝大部分故障类型。

3.2.2 后备保护配置

主体变各侧配置后备跳闸保护和过负荷告警保护。各侧均装设1套不带任何闭锁的过流保护或零序电流保护作为变压器的总后备保护：高、中压侧为零序电流保护；低压侧为过流保护。变压器低压侧还配置电压偏移保护，在发生低压侧零序过压或电压互感器(potential transformer, PT)断线时报警。高、中压侧的相间阻抗保护用于保护对外部相间短路引起的主体变过电流，接地阻抗保护用于保护对外部单相接地短路引起的主体变过电流，过激磁保护安装在主体变的1 000 kV侧，具有定时限低定值发信和反时限跳闸功能，反时限特性应与被保护变压器的励磁特性相配合。

1 000 kV 1号主变电气量保护、非电气量保护的具体配置分别如表1、2所示。

表1 1 000 kV 1号主变电气量保护配置

Table 1 Disposition of electrical quantities protection for 1 000 kV 1# main transformer

表2 某1 000 kV 1号主变非电气量保护配置 Table 2 Disposition of non-electrical quantities protection for

3.3 调压补偿变保护配置

只配置差动保护，不再配置后备保护。调压变和补偿变相对于整个变压器而言，其匝数很少，当发生轻微匝间故障时，折算到主体变压器来看更加轻微，主体变压器纵差保护很难动作，因此需要单独配置调压变和补偿变差动保护并放置在单独的电量保护装置中，另外还需要配置单独的非电量保护装置。配置调压变和补偿变保护的目的主要是用来提高调压变和补偿变内部匝间故障的灵敏度，因此调压变和补偿变只配置差动保护，不再配置后备保护。

调压变和补偿变只配置纵差保护，不配置差动速断保护和突变量差动保护。由于调压变和补偿变的容量比主体变的小得多，主变空载合闸时调压变和补偿变中会出现大于数倍额定电流的励磁涌流，而差动速断保护动作电流定值通常按变压器额定电流的6～8倍整定，空载合闸时调压变和补偿变差动速断保护可能误动，因此调压变和补偿变不配置差动速断保护和突变量差动保护，只配置纵差保护。

1 000 kV 1号主变调压补偿变第1套保护屏保护配置如表3所示。

表3 1 000 kV 1号主变调压补偿变第一套保护屏保护配置

Table 3 The first set disposition of relay protection for 1 000 kV 1# regulation compensation transformer

4 变压器继电保护整定

电网继电保护的整定应满足速动性、选择性和灵敏性要求，如果由于电网运行方式、装置性能等原因，不能兼顾速动性、选择性或灵敏性要求时，应在整定时合理地进行取舍，优先考虑灵敏性。

特高压交流系统继电保护整定应本着强化主保护，简化后备保护的原则，合理配置线路及元件的主、后备保护，保护整定可以进行适当简化。在2套主保护拒动时，后备保护应能可靠动作切除故障，允许部分失去选择性[23-24]。

4.1 整定参数计算

各保护整定值需要根据变压器的额定参数确定，1 000 kV特高压变压器参数如表4所示。

表4 1 000 kV特高压变压器参数

Table 4 Parameters of 1 000 kV UHV transformer

根据特高压变压器参数可以算得其各侧一次额定电流分别为高压侧：1 649.6 A；中压侧:3 299.2 A;低压侧：15 746.4 A(全容量)，5 248.8 A(绕组容量)。

4.2 主体变保护整定

变压器差动保护按变压器内部故障能快速切除，区外故障可靠不误动的原则整定。差动保护启动电流一般取0.2～0.6倍的特高压主变高压侧额定电流。

距离保护为变压器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。带偏移特性的阻抗保护，指向变压器的阻抗不伸出对侧母线，可靠系数宜取70%；指向母线侧的定值按保证母线金属性故障有足够灵敏度整定。高压侧按指向变压器侧阻抗的10%整定；中压侧按指向变压器侧阻抗的20%整定。时间定值应躲过系统振荡周期并满足主变热过负荷的要求，一般取2 s。

变压器高、中压侧零序Ⅱ段电流保护按本侧母线经100 Ω高阻接地故障有灵敏度整定，时间定值与本侧出线反时限方向零序电流保护配合。同一变电站2台及以上变压器并列运行的零序Ⅱ段电流保护动作时间可以按不同时限整定，时间级差取0.3 s。

变压器低压侧套管三相过流保护整定值按可靠躲过低压侧额定电流整定，按变压器低压侧相间故障有灵敏度校核；变压器低压侧分支三相过流保护整定值按可靠躲过低压分支额定电流整定，按变压器低压侧相间故障有灵敏度校核；过激磁保护告警定值取1.06倍过激磁倍数；1.1倍过激磁倍数启动反时限跳闸曲线，跳闸时间和主变厂家的过激磁能力曲线相配合。

4.3 调压补偿变保护整定

调压变灵敏差动和补偿变差动按各变压器内部故障能快速切除，区外故障可靠不误动的原则整定。调压变和补偿变差动保护启动电流一般为0.5倍的由主体变额定电流和公共绕组额定电流确定的110 kV侧额定电流。补偿变差动保护所有档位定值均按照最大档整定。调压变差动保护每档定值按照每一档的额定电流整定，每个运行档位均有对应的一组定值区。其中中性档(额定档、中间档位)按照最大档整定。

有载调压变不灵敏差动仅取调压绕组中间分接头位置对应档位的额定电流、电压，例如对于有21档的调压变，取第5或17档，并且按照1.2倍额定电流整定。CT断线闭锁主体变差动保护和调补变差动保护，但当检测到差流达到一定值时再重新开放主体变差动保护和调补变差动保护。

5 试验论证

在本文给出的保护配置及整定方案的基础上，对特高压变压器保护中典型故障进行动模试验，6种典型故障的录波波形如图5所示。

图5 典型故障波形

由图5(a)～ 5(f)可知，主体变区内发生金属性瞬时故障时，主变保护正确动作，跳开变压器三侧，而调补变保护未发生误动，动作时间为16.0 ms；主体变区外发生金属性瞬时故障时，各保护均未发生误动；主体变高压侧区内发生经600 Ω过渡电阻接地短路故障时，主变保护正确动作，动作时间为32.0 ms；由高压侧空投变压器于无穷大电源系统时，C相励磁涌流最大峰值达到5 580 A，各保护均未发生误动；主体变发生3%匝间短路故障时，主变保护正确动作，跳开变压器三侧，而调补变保护未发生误动，动作时间为26.6 ms；调补变发生8%匝间短路故障时，调补变保护正确动作，跳开变压器三侧，动作时间为27.8 ms。典型故障的动模试验结果也有效验证了本文所提出保护配置及整定方案的可靠性和灵敏度。

6 结 论

特高压变压器主变与调补变相互独立，由于调补变匝数占变压器整体匝数比较小，需单独配置差动保护装置以提高调补变发生匝间故障时的灵敏度。通常只配置差动保护，不再配置后备保护；只配置纵差保护，不配置差动速断保护和突变量差动保护。

励磁涌流是导致变压器差动保护误动的主要原因，传统基于二次谐波制动、间断角原理等的励磁涌流鉴别方法已经无法满足特高压变压器继电保护的速动性及可靠性要求。而随着基于波形特征比较、等效瞬时电感特性、磁动原理等励磁涌流识别新判据、新原理的研究逐渐展开，励磁涌流识别问题得到了较好解决。目前实际特高压工程中所采用的将励磁涌流闭锁定值自适应变化与“分相制动”方式相结合并通过差流中二次谐波含量的变化趋势进行辅助判断的励磁涌流识别方案是基于其他电压等级变压器励磁涌流识别工程经验所推荐的。随着研究的进一步深入，可以在新的特高压工程中尝试新原理或新判据的励磁涌流识别方案，进一步提高特高压变压器继电保护的速动性和可靠性。

本文给出的特高压变压器主变电气量、非电气量继电保护以及调补变继电保护配置整定方案的可行性已经通过典型故障的动模试验论证，并且在国内现有的特高压交流工程中运行情况良好，为其他特高压交流工程的变压器继电保护设计提供参考依据。

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(编辑：张小飞)

Disposition and Settings of Transformer Relay Protection in UHVAC System

LI Jiyuan1, NI Laqin2, LI Sha1, QIU Yuting1, ZHOU Hao1

(1.College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2.East China Grid Co., Ltd., Shanghai 200120, China)

Based on the operating experience of UHV transmission lines built in China, this paper studied the features of UHV transformer, the identification scheme for inrush current, the disposition and setting of relay protection for main transformer and voltage regulation compensation.Specific disposition schemes for both main protection and backup protection of each set of UHV transformer protection were proposed, also the function and range of each differential protection were defined to make sure that this protection scheme could reliably act on various types of failures happened in transformer.And then, the coordinate setting proposals were given and the feasibility of this proposed protection scheme had been proved by experiments on typical faults.The scheme has been successfully applied in 1 000 kV transformer protection in East China, which provides important references for the design of transformer relay protection in other UHVAC projects.

UHV; transformer; relay protection; setting calculation

国家重点基础研究发展计划项目(973计划) (2011CB209405)。

TM 423

A

1000-7229(2015)08-0022-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.004

2015-05-25

2015-07-10

李济沅(1992)，男，硕士研究生，主要研究方向为特高压电网继电保护；

倪腊琴(1973)，女，高级工程师，从事电力系统继电保护工作；

李莎(1992)，女，硕士研究生，主要研究方向为特高压电网继电保护工作；

邱玉婷(1992)，女，硕士研究生，主要研究方向为特高压电网继电保护；

周浩(1963)，男，教授，博士生导师，主要从事特高压交直流输电技术研究工作。

The National Basic Research Program of China (973 Program) (2011CB209405).