500 kV主变压器低压侧总断路器对继电保护的影响

吴悦华，周永荣，陈 昊，许 驰，祝艳华，何嘉弘

（1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 211102；2.国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京 211106；3.东南大学电气工程学院，江苏 南京 211196）

0 引言

500 kV主变压器（以下简称“主变”）一般采用自耦变压器，一般低压侧不设出线，仅设置电抗器和电容器用于调节系统电压［1-3］。由于500 kV主变低压侧无电源点，因此可不装设低压侧断路器，若主变低压侧发生区内故障，由高、中压侧断路器跳开以隔离故障点。为节约成本，早期投运的500 kV变电站往往采用低压侧不设总断路器的接线方式［4-5］。

此外，早期投运的500 kV变电站还有一种特殊的主变低压侧装设总断路器的模式。在该模式下，主变低压侧电抗器间隔断路器后置，采用不可分断故障电流的轻型断路器。这种接线方式虽然降低了投资，但是当电抗器发生故障或低压侧母线故障时，需要直接跳开主变低压侧总断路器。电抗器间隔断路器为后置式，只在平时起到操作电抗器的作用［6-7］。

若500 kV主变低压侧加装总断路器，则低压侧具备独立地切断短路电流的能力，将给变电站继电保护带来影响。文献［8］对500 kV变电站低压侧故障电流进行了理论分析，模拟电抗器间隔的不同位置发生故障，分析了变电站低压侧电抗器间隔电流互感器后置式接线情况下电抗器间隔的故障电流特征及对继电保护的影响。文献［9］对电抗器间隔断路器后置式接线所引起的故障相判别错误、相邻电抗器间隔低电流保护误动、保护持续动作不返回等问题进行研究，最后针对上述问题提出了相应的应对措施。文献［10］分析了变电站主变低压侧跳闸典型故障，对未来如何防范和缓解此类故障的影响提出了建议。本文介绍了主变低压侧加装总断路器对变压器主保护、后备保护的影响，解释了主变配置低压侧断路器且电抗器间隔断路器后置的接线方式情况下保护误动作的原理，并提出改进措施。

1 加装低压侧断路器对变压器主保护的影响

1.1 500 kV变压器主保护配置及保护范围

典型的500 kV 变压器一次接线图如图1 所示，图中为含有低压侧总断路器的模式。

图1 典型500 kV变压器一次接线图Fig.1 Typical primary wiring diagram of 500 kV transformer

500 kV 变压器主保护一般有纵差保护、分侧差动保护、分相差动保护、低压侧小区差动，各种保护的保护范围如表1所示［11］。

表1 500 kV变压器主保护配置与保护范围Table 1 Main protection configuration and protection range of 500 kV transformer

若主变低压侧具有总断路器，普遍采取的保护配置为：纵差保护、分侧差动保护。若主变低压侧无总断路器，普遍采取的保护配置为：分相差动保护、分侧差动保护［12-14］。

1.2 加装低压侧断路器对主变主保护范围的影响

根据图2，若低压侧无总断路器，主保护（分相差动保护）在低压侧的保护范围仅至低压绕组，无法保护低压绕组至低压侧母线之间的引出线。加装低压侧总断路器后，由图3可以看出，主保护（纵差保护）在低压侧的保护范围至低压侧断路器TA处，与分相差动保护相比，保护范围有所扩大。

图2 分相差动保护范围Fig.2 Split-phase current differential protection rage

图3 纵联差动保护范围Fig.3 Longitudinal differential protection rage

2 加装低压侧断路器对变压器后备保护的影响

2.1 500 kV变压器低压侧后备保护配置

500 kV变压器低压侧后备保护一般为低压侧过流保护，并设置两个动作时限，分别是低过流1时限和低过流2 时限，两个动作时限可分别设置为跳开不同的断路器。低过流定值一般设置为1.4Ie（Ie为主变低压侧额定电流），达到过流定值且达到对应过流时限后，后备保护动作并出口跳开对应断路器［15-16］。

2.2 加装低压侧断路器对主变后备保护的影响

对比南京电网某500 kV 变电站主变加装低压侧断路器前后的调度定值单，无低压侧总断路器时，低过流定值为1.4Ie，低过流1 时限停用，低过流2 时限1 s（跳主变压器各侧）；加装低压侧总断路器后，低过流定值1.4Ie，低过流1时限0.6 s（跳变压器低压侧），低过流2时限1 s（跳主变压器各侧）。

该变电站在加装低压侧断路器改造前的一次结构如图4所示，主变低压侧无总断路器，低压侧为4个电抗器间隔，分别是311电抗器、312电抗器、313电抗器、314电抗器，且电抗器间隔断路器前置，具有切断短路电流的能力。当电抗器间隔断路器前置时，一般配置差动保护或过流保护，差动保护的动作时间为0 s 速动，过流一段的动作时间一般不超过0.3 s［17-19］。假设主变在额定运行状态，此时311 电抗器间隔在0.2 s 时刻发生区内三相短路故障，正常情况下应由电抗器保护动作，跳开311 断路器以隔离故障点，假设311 断路器拒动，故障状态下主变低压侧电流如图5所示。

图4 变压器低压侧加装断路器改造前一次接线图Fig.4 Primary wiring diagram before installing breaker at the transformer low-voltage side

图5 变压器低压侧加装断路器改造前低压侧故障电流Fig.5 Low-voltage side fault current before installing breaker at the transformer low-voltage side

由图5 可以看出，主变低压侧电流扩大至额定电流的2 倍左右，故障持续1 s 后，由于主变低压侧过流保护2 时限动作，主变保护跳开高压侧与中压侧断路器，故障点被隔离，同时主变退出运行。

加装主变低压侧总断路器3510后，主变间隔一次结构如图6 所示。假设在这种情况下311 电抗器间隔同样发生区内三相短路故障且311 断路器拒动，故障状态下主变低压侧电流如图7所示。

图6 变压器低压侧加装断路器改造后一次接线图Fig.6 Primary wiring diagram after installing breaker at the transformer low-voltage side

图7 变压器低压侧加装断路器改造后低压侧故障电流Fig.7 Low-voltage side fault current after installing breaker at the transformer low-voltage side

由图7 可以看出，由于主变低压侧电流扩大至额定电流的2倍左右，故障持续0.6 s后，主变低压侧过流保护1时限动作，跳开低压侧断路器3510，故障点被隔离，但主变高、中压侧仍可以保持运行状态。

对比以上两种情况，当主变低压侧某间隔发生故障时，若该间隔断路器拒动，无低压侧总断路器模式故障电流持续时间长，且导致主变跳闸退出运行；有总断路器模式时故障电流持续时间减少，仅主变低压侧断路器跳闸，主变高中压侧仍可以正常运行。

3 电抗器间隔断路器后置式接线与主变低压侧断路器

3.1 电抗器间隔断路器后置式接线与保护配置

电抗器间隔断路器后置式接线的模型图如图8所示，在该模式下，主变低压侧设总断路器，且在各个低压侧设备间隔配置断路器，电抗器靠近35 kV母线侧，而断路器远离母线侧，为后置式布置。

图8 电抗器间隔断路器后置式接线图Fig.8 Electric reactor bay with breaker rear-wiring pattern

以图8 的500 kV 变电站低压系统为例，4 台35 kV 电抗器的容量均为60 000 kVar，各间隔正常运行时的负荷相电流为980 A（负荷电流的波动性忽略不计）［20-22］，低电流保护的动作值为400 A（一次值）。低电流保护的动作条件是：当某相电流低于定值且满足低电压解锁要求时，保护延时跳闸［23-24］。

以321 间隔的电抗器发生三相短路故障为例说明继电保护的动作原理。假如故障过渡电阻可以忽略不计，故障电流仅流经至故障点而不再流经TA，TA 上的电流由正常负荷电流下降至接近于0，因此保护可以判断故障发生在321 间隔。假如故障过渡电阻较大，故障电流将根据过渡电阻与故障点到间隔末尾阻抗值的大小进行分流。总体而言，在这种情况下，故障电流也会降低，保护将正常动作。保护动作后，321 断路器跳开，但跳开321 断路器并不能切断故障电流，故需要跳开3520 断路器以隔离故障点。因此，电抗器间隔断路器后置式接线模式下，某电抗器间隔故障将导致对应主变低压侧全部间隔退出运行。

3.2 电抗器间隔断路器后置式接线情况下的保护误动

假设低压侧某一个电抗器间隔发生电抗器故障，故障点为f点，将图8中的一次模型转化为电抗器间隔等效模型图，如图9所示，图中，Ls是35 kV侧的等效电抗，约0.008 H；L是故障至电源侧的电抗值，整个间隔的电抗值为0.065 H；Rf是故障点过渡电阻，考虑到现场发生的多起故障实际过渡电阻值均较小，便于分析起见，这里假定Rf不超过5 Ω；Z是间隔末端断路器、电流互感器、中性点接地刀闸等装置的综合等效阻抗，取0.5 Ω。

图9 电抗器间隔等效模型图Fig.9 Equivalent model diagram of reactor

如图9所示，若故障点靠近母线侧，即L值较小，取L=0.005 H，Rf=1 Ω，故障发生时刻为1 s，故障持续时间为0.5 s，在PSCAD 软件中进行仿真。流经故障间隔TA的电流I1如图10所示；低压侧母线的故障电压U如图11所示；非故障间隔流经TA的电流I2如图12所示。由于故障为对称性故障，不失一般性，有关波形图均仅绘制单相波形。

图10 故障点靠近母线侧时I1的波形图Fig.10 I1 waveform when the fault point is close to the bus side

图11 故障点靠近母线侧时母线电压的波形图Fig.11 Waveform of bus voltage when the fault point is close to the bus side

图12 故障点靠近母线侧时I2的波形图Fig.12 I2 waveform when the fault point is close to the bus side

由图10 可见，流经故障间隔TA 的电流I1在故障发生后明显下降；根据图11，低压侧母线电压在故障后有一定程度的跌落；根据图12，非故障间隔流经TA 的电流I2也有显著下降。由于故障点靠近母线，低压侧母线的电压通常会减低，流经正常运行电抗器间隔的电流可能减小甚至低于低电流保护定值，如图12 所示，此时该间隔配置的低电流保护将误判为本间隔故障，保护动作跳开低压侧总断路器。

为防止低电流保护误动作造成误切除正常运行的电抗器间隔，可对主变配置低压侧断路器且电抗器间隔断路器后置的接线方式进行改造。将电抗器间隔后置式轻型断路器改造为可切断故障电流的断路器，并将断路器前置放置。这种接线方式下，不会造成电抗器故障间隔误判，根据第2 节的分析，即使出现电抗器间隔断路器拒动，主变低压侧后备保护也能可靠动作，切除主变低压侧断路器以隔离故障区域。

4 主变低压侧加装总断路器面临的其他问题

4.1 建设成本与场地问题

电抗器间隔断路器后置式接线的模型图如图8所示，在该模式下，主变低压侧设总断路器，且在各个低压侧设备间隔配置断路器，电抗器靠近35 kV母线侧，而断路器远离母线侧，为后置式布置。

早期投运的500 kV 变电站，受制于建设成本，往往不在主变低压侧加装总断路器。近年新建的500 kV变电站广泛采取主变低压侧装设总断路器的接线方式，且一些已投运多年的变电站也开始进行加装低压侧总断路器改造［25-26］。

已投运变电站加装主变低压侧总断路器，主要成本为增加一次设备，主变保护装置无需更换。但已建成的主变低压侧场地，往往空间狭窄，无法新增低压侧总断路器及配套的电流互感器、隔离开关、接地刀闸等一次设备，这给改造带来了现实困难。随着GIS 设备的广泛应用，给已投运变电站加装主变低压侧总断路器带来了可能。GIS设备结构紧凑，占地面积小［27-30］，可应用于敞开式变电站主变低压侧加装总断路器的改造工程。

4.2 五防闭锁逻辑的改变

主变低压侧加装总断路器，低压侧需相应新增隔离开关、接地刀闸等一次设备，主变间隔的五防闭锁逻辑也会随之改变。由于主变低压侧加装隔离开关，主变高、中压侧的隔离开关、接地刀闸的闭锁逻辑不再与主变低压侧母线、电抗器、电容器间隔相关［31-36］，改造后的五防闭锁逻辑将更加简洁。

5 结语

本文介绍了主变低压侧加装总断路器对变压器主保护的影响，进而以南京电网某500 kV变电站为例介绍了低压侧加装总断路器对变压器后备保护的影响。通过PSCAD仿真，解释了主变配置低压侧断路器且电抗器间隔断路器后置的接线方式情况下保护误动作的原理并提出改进措施。最后阐述了主变低压侧加装总断路器面临的建设成本、场地利用、五防闭锁逻辑改变的问题。主要结论如下：

1） 与主变低压侧不配置总断路器相比，加装低压侧总断路器将延伸变压器主保护的保护范围；

2） 当主变低压侧某间隔发生故障时，若该间隔断路器拒动，无低压侧总断路器模式将导致主变跳闸并退出运行，有总断路器模式时仅主变低压侧断路器跳闸，主变可保持正常运行状态；

3） 对主变配置低压侧断路器且电抗器间隔断路器后置的接线方式，通过对后置式轻型断路器改造，可避免造成电抗器故障间隔误判；

4） 利用GIS 设备体积小的特点，可在有限的敞开式空间内装设主变低压侧总断路器及配套设备，且装设总断路器后可简化主变间隔的五防闭锁逻辑。