基于區域電網穩定性的220 kV主變高中后備保護失效分析

徐宇，楊永志，陳勁秋

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

220 kV變壓器是電網中重要的元件，其安全穩定運行關系到電網的供電可靠性，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。而主變保護的動作準確性，對針對主變負載能力的區域穩定控制裝置的可靠動作有著重大影響，因此220 kV變壓器整定計算合理與正確顯得尤為重要。為規范220 kV降壓變的整定，云南省調下發了《云南電網220 kV降壓變后備保護配置和整定方案》。云網范圍內降壓變統一按照省調下發的整定方案進行整定，但經過分析全網的幾次主變故障跳閘及短路電流的模擬計算，發現存在部分廠站220 kV主變低壓側區內外故障時高中后備保護失效的情況及主變失靈保護定值無靈敏度問題[1]。為解決主變高中后備保護失效問題，下面對有關整定原則和短路情況進行分析，并提出相應的措施和建議。

1 云南電網220 kV降壓變后備保護整定原則

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

1）220 kV相間故障后備保護整定原則。220 kV相間故障后備保護包括相間阻抗保護及復合電壓閉鎖相間過流保護。相間阻抗保護整定原則：正向指向變壓器，正向阻抗值在可靠躲過變壓器最大負荷電流的前提下，按躲過變壓器中、低壓側故障可靠不動整定，反向偏移取3%~5%的正向阻抗值，其I時限跳主變各側開關，II、III時限退出，要求其I時限統一整定為0.3 s。復合方向過流整定原則：不經方向元件控制，按躲過變壓器的最大負荷電流整定，時限按與變壓器110 kV側復壓方向過流保護的時限配合整定，其I時限跳主變各側開關，II、III時限退出。

2）110 kV相間故障后備保護整定原則。110 kV相間故障后備保護包括相間阻抗保護及復合電壓閉鎖相間過流保護。相間阻抗保護整定原則：正向指向110 kV系統，正向阻抗值在可靠躲過變壓器最大負荷電流的前提下，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時限跳110 kV母聯（分段）開關，II時限跳變壓器110 kV側開關，III時限跳主變各側開關，要求其II時限≯1.2 s，時限級差按Δt=0.3 s考慮。復合方向過流整定原則：正向指向110 kV系統，按躲過變壓器的最大負荷電流整定，其I時限跳110 kV母聯（分段）開關，II時限跳變壓器110 kV側開關，III時限跳主變各側開關，要求其III時限≯4.2 s，時限級差按Δt=0.3 s考慮。

3）低壓側后備保護整定原則。復壓方向過流保護根據實際情況綜合考慮是否經方向元件控制及方向元件的指向，按變壓器低壓側母線故障有足夠靈敏度（Klm≥1.5）和躲過變壓器低壓側的最大負荷電流整定，時限按相關反措要求執行，且必須有跳變壓器各側的時限段。

2 220 kV主變低壓側故障高中后備保護失效分析

按照云南電網有限責任公司整定原則，部分廠站接線方式下存在以下風險：220 kV主變主保護拒動，220 kV、110 kV側均無法對主變低壓側進行后備保護，最終可能導致主變燒損；若220 kV主變110 kV側動作跳閘后由本臺主變高壓側后備保護跳閘，跳閘時間過長，最終可能導致主變損壞；相關的隔離開關、母線、斷路器等一次設備因長期流過大電流受損。下面以某220 kV變電站為例進行分析，指出主變低壓側區內故障時，差動保護拒動則主變將處于無保護狀態；主變低壓側區外故障時，低壓側斷路器故障（或低后備保護）拒動則主變也處于無保護狀態。

2.1 變電站主接線型式及相關設備參數

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

圖1 變電站一次接線示意圖

正常運行方式下，220 kV、110 kV雙母并列運行，35 kV由于并列運行短路電流較大，采取分列運行且投入35 kV備自投提高供電可靠性。變壓器相關參數：#1主變短路阻抗，高-中為13.44%，高-低為23.51%，中-低為7.5%，高壓側正序阻抗標幺值為0.081815，低壓側正序阻抗標幺值為0.119698；#2主變短路阻抗，高-中為13.69%，高-低為25.31%，中-低為7.97%，高壓側正序阻抗標幺值為0.081739，低壓側正序阻抗標幺值為0.11969；#3主變短路阻抗，高-中為13.67%，高-低為23.19%，中-低為7.49%，高壓側正序阻抗標幺值為0.074643，低壓側正序阻抗標幺值為0.11323；電抗器標幺值為0.0709，等值阻抗為0.00819。35 kV母線兩相短路時，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，各臺主變各側短路電流見表1。

表1 主變各側短路電流計算

2.2 后備保護整定及存在問題分析

按照云南電網有限責任公司220 kV降壓變壓整定原則，阻抗保護整定的阻抗值較小，在主變低壓側發生故障時不在保護范圍內，故不對阻抗保護分析。220 kV主變高壓側復壓方向過流整定為708 A，不帶方向，4.4 s跳主變三側；110 kV側整定為1248 A，方向指向110 kV母線，3.5 s跳主變110 kV側母聯，3.8 s跳主變110 kV側，4.1 s跳主變三側。

若故障發生在35 kV I母，則得到的主變后備保護動作分析見表2。由此可知，僅有#2主變中壓側短路電流達到動作值，但因為中壓側過流方向整定為指向110 kV母線，而短路時電流指向變壓器，所以最終所有保護均不動作。若故障發生在35 kV II段母線，則得到的主變后備保護動作分析見表3。由此可知，#2主變高中壓側短路電流達到動作值，且中壓側電流指向110 kV母線，#1、#3主變高壓側達到動作值，但是因為高中壓側整定時間較長，若#1主變差動（區內故障）或低后備保護（區外故障）拒動，則#3主變經0.4 s跳#3主變低壓側，各主變高中壓側后備保護還未來得及動作，故障情況即轉移為35 kV I母短路時的短路電流分配情況，所以最終各后備保護僅能跳開#3主變低壓側，故障一直存在。對于220 kV系統，不要求220 kV線路保護作為220 kV主變的遠后備，最終導致主變的高中后備保護全部失效。由此可預想最終的結果是導致主變可能燒損，相關的隔離開關、斷路器因長期流過大電流受損。

表2 35 kV I母故障主變后備保護動作分析

表3 35 kV II母故障主變后備保護動作分析

3 改進措施

云南省調明確要求220 kV降壓變的110 kV側復壓過流方向保護的方向指向110 kV母線，但應將方向指向110 kV母線取消，這是導致中后備保護拒動的原因。

1）降壓主變正常時分列運行，在110 kV系統故障時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，110 kV系統提供的短路電流達到整定值在整定時間內也應動作，否則主變可能燒損；若220 kV系統發生故障，則由于主變阻抗較大而110 kV電源一般較小，不會提供較大的短路電流，保護不會因220 kV系統故障而動作。

2）若降壓變正常時并列運行，110 kV系統故障時故障電流方向指向110 kV母線，若為主變220 kV側故障或低壓側故障時110 kV系統的電流方向為故障主變指向變壓器，非故障主變指向110 kV母線，帶方向后會可能出現主變中后備保護均不動作情況。

3）按整定原則，110 kV側后備保護為先跳110 kV母聯，這樣跳開母聯后非故障主變仍能正常供電，如上述情況中35 kV I母故障時，若#2主變中后備不帶方向將先跳開110 kV母聯，跳開110 kV母聯后由于#1、#3不再向#2主變中壓側提供短路電流，因此#1、#3主變即可與故障隔離。

但是220 kV主變110 kV側復壓方向過流保護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母聯后，中后備保護由于母聯斷開后無電流從故障主變中壓側流入，導致中壓側保護復歸，之前高后備保護未動作，3.5 s后高后備保護開始動作計時，最終在7.9 s切除#2主變的故障。主變切除時間較長，主變可能因遭受長期電動力及熱效應而導致繞組嚴重變形損壞，因此應采取更有效的方式判斷主變內部故障的后備保護。

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開關外故障時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的故障電流判據，可達到快速切除主變區內或低壓側區外故障。保護可分設兩段：一段作為主變內部故障的后備保護，此時差電流定值應躲過主變低壓側母線故障時的最大短路電流，時間定值應躲開主變勵磁涌流時間；一段作為低壓側斷路器拒動或低后備保護拒動的后備保護，電流定值按躲過主變低壓側負荷電流整定，時間定值與低壓側后備保護段配合，直接跳主變三側斷路器。通過以上分析可知，設兩段主變高中壓側差電流保護后可在主變區內故障或低壓側區外故障，主變差動保護拒動或中低壓側開關拒動情況下及時切除主變，降低主變及相關一次設備的受損程度。

4 實例

某 年6月3日8時13分29秒，該 變 電 站發生220 kV #2主變差動保護動作，跳開主變202、102、302斷路器，35 kV備自投動作，跳開302斷路器合上312斷路器，35 kV I段母線電壓恢復，跳閘故障原因為35 kV低壓側隔離開關的支柱絕緣子放電。故障時，#1、#2、#3主變高中壓側由于并列運行，因此均流過短路電流。由故障錄波得到的故障時各臺主變高中壓側后備保護動作情況見表4。由此可知，若主變差動保護出現拒動，就將出現所有主變高中后備保護失效情況，即使事故發展后短路電流增大或主變中壓側后備保護不帶方向，至少也要在7.9 s才能切除故障。

表4 各臺主變高中壓側后備保護動作分析

5 結束語

本文通過分析云南電網220 kV降壓變整定原則中相間后備保護的整定對于主變低壓側故障存在保護失效的風險，提出取消110 kV復壓過流保護方向元件措施，并探討了采用高中壓側差電流判據作為主變內部故障和低壓側后備保護或開關拒動情況下的后備保護的建議，但因涉及相關的保護裝置軟件硬件實現問題，具體還需進一步的探討實踐。總之，220 kV主變是電網中的重要供電設備，后備保護應能起到應有的作用，才能確保主變的安全穩定運行。