220 kV大型变压器保护及二次系统的升级改造

渠天清

(太钢能源动力总厂，山西 太原 030003)

0 引言

继电保护的作用是在一次系统及设备发生故障时快速跳闸，切除故障，其作用至关重要。太钢九降压站是太钢两座220 kV变电站之一，担负着太钢电网一半的负荷。变压器又是变电站最核心的一次设备，九降压220 kV、120 MVA主变压器的保护及二次系统存在着保护装置老化、二次回路混接等诸多问题，直接影响了太钢电网的安全，为此，提出了220 kV大型变压器保护及二次系统的升级改造技术方案。

1 220 kV大型变压器保护及二次系统存在的问题

原九降压主变压器保护采用老式南瑞LFP微机保护装置，分离元件多，使用年限超期，插件损坏更换率达30%，且厂家已无备件；同时运行时间太久，一、二次设备及线路改动很多，并且自投运以来一直存在直流混接、交流电流和电压回路缺陷；跳合闸控制回路插件板参数的匹配不当，易造成线包烧损；双保护柜压板多，存在压板误投风险；主变电量保护与非电量保护跳闸出口共用，无法实现启动失灵的保护功能。

2 技术改进及实施过程

2.1 220 kV主变保护的选型配置

220 kV主变保护系统由于电压等级高，系统安全稳定性要求高，保护必须为双重化配置，即九降压220 kV、120 MVA的大型主变压器保护必须配置两面完整独立的保护屏，即设计主变保护A柜、B柜双重化保护配置。选择南瑞PCS系列微机保护，其A、B保护柜的保护装置具体选型配置如下。

2.1.1 A保护柜配置

A保护柜包含南瑞PCS-978T2-G主变一体化微机保护、南瑞PCS-974A主变非电量微机保护、南瑞CZX-12G操作箱装置。

(1) 南瑞PCS-978T2-G主变一体化微机保护是变压器主后备一体化微机保护,包含主变差动、差动速断主保护,以及高中压侧电流电压、方向、零序间隙等后备保护,是完整的变压器电量保护。

(2) 南瑞PCS-974A主变非电量微机保护包含本体瓦斯、有载瓦斯、压力释放等变压器非电量保护。

(3) 南瑞CZX-12G操作箱装置有两组分相跳闸回路、一组分相合闸回路，是变压器220 kV侧2901开关的跳合闸操作箱，保护装置和其他有关设备可通过操作继电器装置对断路器进行分合操作。

2.1.2 B保护柜配置

B保护柜包含南瑞PCS-978T2-G主变一体化微机保护、 南瑞CJX-11操作箱装置、南瑞PCS-9882以太网交换机。

(1) 南瑞PCS-978T2-G主变一体化微机保护配置与A屏相同。

(2) 南瑞CJX-11操作箱装置由两块操作回路插件和两块电压切换插件组成，为不分相操作，是变压器110 kV侧1901开关的跳合闸操作箱，保护装置和其他有关设备可通过操作继电器装置对断路器进行分合操作。

(3) 南瑞PCS-9882以太网交换机适用于变电站综合自动化，最大可支持4个千兆光口、24个百兆电口，性能高，传输快。

2.2 交直流二次回路改进

2.2.1 交流电流回路

(1) 原220 kV侧CT二次电流由2901汇控柜来，二次电流回路A411、A421分别由A保护柜串接至B保护柜，A411用于A柜、B柜的保护，A421用于A柜、B柜的测量， A柜、B柜使用同一电流采样，即二次电流回路没有独立，没有实现双重化，如图1所示。通过设计改进电流采样回路，将A411、A421两组电流回路分别去A保护柜、B保护柜，即A411电流回路接至A保护柜，A421电流回路接至B保护柜，变压器A、B保护柜电流采样独立，实现电流回路双重化，如图2所示。

图1 原220 kV侧CT二次电流回路

图2 改进后的220 kV侧CT二次电流回路

(2) 原110 kV侧CT二次电流由110 kV 1911电流接线箱来，1911接线箱共有4组电流回路，即一组测控、一组母差、一组保护A471，还有一组A461保护绕组封口，因此只有一组A471保护绕组串接A、B保护柜，A柜、B柜使用同一电流采样，即二次电流回路没有独立，没有实现双重化，如图3所示。通过设计改进110 kV侧CT二次电流采样回路，将A461、A471分别对应于A柜、B柜，即将 A461电流回路接至A保护柜，A471电流回路接至B保护柜，变压器A、B保护柜电流采样独立，实现电流回路双重化，如图4所示。

图3 原110 kV侧CT二次电流回路

图4 改进后110 kV侧CT二次电流回路

2.2.2 交流电压回路

110 kV系统PT二次电压回路由主控室的公共测控屏引至2#主变，然后由2#主变柜顶的电压小母排分别引接至3#主变、1#主变、110 kV母差，而主变复合电压电流保护、方向电流保护、110 kV母差保护均经电压闭锁，因此，一旦2#主变电压回路断开，则会造成1#主变、3#主变、110 kV母差保护均因电压回路问题而无法正常运行的严重缺陷。

通过实施改进，从控制室公共测控屏分别敷设引接电缆至3#主变保护屏、1#主变保护屏、110 kV母差保护屏，实施后相量测试正确，实现了九降压110 kV各单元的电压回路各自独立，接线清晰，110 kV系统PT二次电压回路发生异常时互不影响，事故范围不会扩大，消除了曾多次发生的因110 kV系统PT二次电压回路跳接并倒而造成的短路及断线隐患。

2.2.3 直流电源回路

A保护柜的CZX-12G操作箱装置是220 kV侧2901开关的跳合闸操作箱，其两套操作直流电源由A柜的总直流电源通过两个空开4K1、 4K2分别引入，其双套操作电源均引自A保护柜的直流电源，仅仅通过两个直流空开区分，并非真正的双直流操作电源，如图5所示。通过改进实施，引接B柜直流电源，将A柜4K2-1、4K2-3从原处断开，接入由B柜引接来的+KM、-KM,双套操作电源分别引至A保护柜、B保护柜的直流电源，实现直流操作电源的双重化，如图6所示。

图5 原两套直流跳合闸电源的两个空开均引至A柜

图6 改进后两套直流跳合闸电源的两个空开分别引至A柜、B柜

2.3 跳合闸控制回路插件板的参数匹配

在合跳开关的传动试验之前，必须先进行跳合闸回路电流电阻的计算和选择，否则会造成开关误动、拒动，烧损线包等事故发生。CJX-11、CZX-12G可灵活实现操作回路中跳合闸电流的匹配，跳合闸保持电流的整定采用了跳线方式，任何跳线不连时，保持电流为0.5 A；所有连线均连上时保持电流为4 A。装置设计时已经考虑了2倍的动作裕度，在现场进行电流整定时，只要按开关的实际跳合闸电流整定即可。

跳合闸保持电流的整定公式为：

Ib=0.5+∑I.

其中：Ib为保持电流整定值；I为各分流电阻上的电流值。

图7为跳合闸回路保持电流接线图。主变220 kV开关2901的跳闸电流为4 A, 即Ib=0.5+∑I=4 A，∑I=3.5 A,按跳闸电流计算，将电阻R22、R23、R24短接。主变110 kV开关1901的合闸电流为2 A,即Ib=0.5+∑I=2 A，∑I=1.5 A, 按合闸电流计算，将电阻R22、R23短接。

图7 跳合闸回路保持电流接线图

2.4 双保护屏保护压板功能区分

九降压主变两面保护屏共有保护压板81块，存在保护压板错投误操风险。实施设计改进，将保护压板进行功能区分，不同功能采用不同的颜色，即启动压板QLP 和输入压板RLP采用黄色，出口压板CLP采用红色，其他及备用压板采用浅驼色，降低了保护压板的操作风险，提高了系统运行的可靠性。

2.5 改进跳闸出口实现220 kV开关失灵保护的启动功能

原九降压主变保护的电量保护出口与非电量保护出口在一起，由于非电量如瓦斯保护存在动作后其接点动作返回时间不稳定的情况，电力行业规范中规定非电量保护不允许接失灵启动，通过实施改进，将主变压器电量保护与非电量保护跳闸出口分开，实现了变压器电量保护动作时启动220 kV开关失灵保护的功能，提高了九降压及整个太钢220 kV系统的稳定性，增强了太钢电力系统抗恶性事故的能力。

3 实施效果

(1) 该项目改进实施后，九降压220 kV主变保护系统性能优良，差动速断保护动作迅速(<15 ms),跳闸出口接点容量由5 A升级为8 A,保护装置及二次回路正确率达到100%；完成了保护装置及二次回路双重化，实现了完整意义的主变双主双后备的双重化保护功能； 220 kV、110 kV断路器跳合闸回路参数匹配，跳合正常；增加了保护压板功能区分，降低了误投风险；改进了跳闸出口，增加了完善失灵启动功能。

(2) 送电后向量测试正常，差流正常，消除了主变保护装置损坏率高，二次回路错接、混接问题频发等重大隐患, 避免了九降压大型主变保护误动拒动造成太钢电网一半负荷失电、变压器变形等恶性事故的发生,运行稳定，效果良好,为国内外钢铁行业、电力行业老式220 kV大型主变压器保护系统的改造升级提供了极有价值的借鉴。