220kV变压器阻抗保护的振荡闭锁方案

李 静

(镇江供电公司，江苏 镇江 212001)

110kV电压等级使用63 MV·A以及80 MV·A甚至100 MV·A大容量变压器[1]，可以提升配电网的供电能力和适应性，但造成220kV变压器容量与110kV变压器容量使用不相匹配；由于主变容量大、短路阻抗相对较小，使得在110kV线路距离保护与220kV主变110kV侧后备保护及110kV线路距离保护与110kV变电所110kV主变保护之间的配合上将产生矛盾，使得220kV主变110kV侧后备保护可能越级跳闸 （220kV变压器各侧后备保护一般采用复合电压闭锁过流方案[2-7]）。220kV变压器后备保护采用按阻抗原理特殊配置方案[8]，可以解决上述上下级保护不配合的问题。镇江供电公司与设备提供商合作研制了阻抗原理特殊配置的220kV变压器保护，并针对系统振荡对阻抗保护的影响进行了深入地研究，提出一个220kV变压器阻抗保护的振荡闭锁方案。

1 变压器配置阻抗保护的必要性

由于220kV变压器与110kV变压器在使用上不匹配和常规的保护配置与整定，带来220kV变压器保护与110kV线路保护、110kV变压器之间存在不配合问题。这种不配合使得220kV主变110kV侧后备保护可能越级跳闸。

1.1 防止保护不配合的常规措施

目前，防止保护不配合的常规措施[8]主要有：

（1）提高220kV主变110kV侧复压闭锁过流Ⅰ段定值；

（2）将线路距离Ⅱ段伸出110kV大容量变压器中压或低压侧[1]；

（3）增加保护段数完成配合和要求保护在动作行为上配合[9]；

（4）110kV大容量变压器可以选用高阻抗型；

（5）220kV变压器使用大容量主变。

上述常规措施会造成220kV主变110kV侧复压闭锁过流Ⅰ段保护灵敏度下降甚至拒动，会造成10kV线路距离保护与110kV变电所110kV主变保护之间的不配合，会造成实施困难等一系列问题。

1.2 220kV变压器的阻抗原理保护配置研究

通过分析，可以将220kV主变保护中220kV侧、110kV侧后备保护按稳定要求整定的复压闭锁过流Ⅰ段保护改用距离保护[8]，其他保护保留，可以做到上下级保护的相互配合。

（1）220kV主变220kV侧与110kV侧距离保护之间的配合。分析表明，由于阻抗保护的保护范围比较固定，因此，220kV主变保护采用阻抗保护，使得220kV主变保护、110kV线路保护、110kV主变保护之间的配合性能大大改善。

（2）220kV变压器“距离保护”的配置。为考虑配合和灵活整定，220kV主变保护“距离保护”宜配置：①110kV侧宜配置两段，一段保110kV母线灵敏度、另一段用作改善与线路保护配合的性能；②220kV侧宜配置一段，主要作为110kV母线故障或110kV死区故障的后备。

1.3 增设阻抗保护后要加振荡闭锁

虽然大部分220kV变压器中低压侧没有电源，但也有少部分220kV变压器中低压侧有小电厂并网运行，有些并网电厂单机容量达100 MW以上，甚至有多台大容量机组并网运行；考虑这些并网电厂的影响，在配置阻抗保护当动作时间躲不过振荡时，所以要加振荡闭锁。

2 阻抗保护的振荡闭锁方案

2.1 振荡闭锁方案

实时检测高、中压侧是否处于非全相运行状态，只要高、中压侧有一侧处于非全相运行，则高、中压侧阻抗都采用“非全相振荡闭锁逻辑”；如果高、中压侧都处于全相运行状态，则高、中压侧都采用“全相振荡闭锁逻辑”。

2.2 阻抗保护启动元件

启动元件包括Q1，Q2和Q3三个启动元件，只要有任何一个元件启动后，就可以进行阻抗保护测量逻辑的判别。

Q1和Q2启动后展宽160 ms，之后根据阻抗保护启动状态和Q1返回状态来决定是否返回。

Q3启动后不展宽，根据阻抗保护启动状态和Q3返回状态来决定是否返回。

（1）启动元件Q1作为不对称故障的启动元件，零序负序启动：

式（1）中：Iqd为零序负序电流启动门槛。

（2）启动元件Q2作为对称故障的启动元件，突变量启动：

式（2）中：ΔI为相电流突变量，Ith为突变量电流启动门槛。

（3）启动元件Q3作为振荡中发生对称故障的启动元件（相电流可能缓慢上升，导致突变量启动元件不能启动），相电流启动：

式（3）中：I为相电流，Ijw为相电流启动门槛。

2.3 非全相运行检测判据

不管阻抗启动元件是否启动，实时检测高、中压侧的非全相运行状态。非全相的检测判据（以高压侧为例）：

（1）A相无流，B相有流，C相有流，且-60°＜arg（Io/I2a）＜60°（即 A区），且相间接地阻抗没有落在圆内。

（2）B相无流，A相有流，C相有流，且60°＜arg（Io/I2a）＜180°（即 B 区），且相间接地阻抗没有落在圆内。

（3）C相无流，A相有流，B相有流，且-180°＜arg（Io/I2a）＜-60°（即 C 区），且相间接地阻抗没有落在圆内。

动作条件是式（1）、式（2）、式（3）中任一个判据连续满足40 ms，判为该相非全相，置相应的非全相标志。

2.4 全相振荡闭锁逻辑

包括三个振荡闭锁判据B1和B2及B3，任何一个判据开放则开放阻抗保护。

（1）振荡闭锁判据B1，瞬时开放元件。Q1和Q2启动，并且Q3不启动或启动时间尚不到10 ms，则Q1和Q2启动后起始的160 ms内无条件开放保护，保证正常运行情况下突然发生故障能快速开放。如果在160 ms延时段内的阻抗保护已经动作，则说明确有故障，允许阻抗元件动作。

（2）振荡闭锁判据B2，不对称故障开放元件。不对称故障时，振荡闭锁回路可由对称分量元件开放，该元件的动作判据为：

式（4）中：m的取值固定为0.66。

（3）振荡闭锁判据B3，对称故障开放元件。在启动元件开放160 ms以后或系统振荡过程中，如发生三相故障，上述二项开放措施均不能开放保护。因此对对称故障设置专门的振荡判别元件，测量振荡中心电压，其测量方法为：

式（5）中：U1为正序电压，φ 为正序电压U˙1与正序电流I˙1的夹角加上90°减去线路正序阻抗角（固定取为 85°）。

对称故障用cosφ判断两侧电势的相位差δ，在δ≈180°时，U1cosφ接近于0。在三相短路时不论故障点远近如何，U1cosφ等于或小于电弧的压降，约为额定电压的5%。因此，可利用U1cosφ来作为振荡判别元件。

当-0.03Un＜U1cosφ＜ 0.08Un停留达 150 ms以上，则认为是故障，置开放标志。

当-0.1Un＜U1cosφ＜ 0.25Un停留达 500 ms以上，则认为是故障，置开放标志。

2.5 非全相振荡闭锁逻辑

假设某侧判为A相非全相，对应的非全相振荡闭锁逻辑如下（B，C相非全相振荡闭锁逻辑类同）。

（1）振荡闭锁判据C1，接地故障开放元件。如果发生健全相接地故障，arg（Io/I2a）落在 B，C区（如果B相非全相，落在A，C区；如果C相非全相，落在 A，B 区）。

① 60°＜arg（Io/I2a）＜180°（即 B 区）

② -180°＜arg（Io/I2a）＜-60°（即 C 区）

上式任何一个判据连续满足40 ms，置接地阻抗开放标志。

（2）振荡闭锁判据C2，相间故障开放元件。和振荡闭锁判据B3类似，U1取Ubc，I1取Ibc。 （如果B相非全相，U1取 Uca，I1取 Ica；如果 C 相非全相，U1取Uab，I1取 Iab）。

① 当-0.03Un＜U1cosφ＜0.08Un停留达150 ms以上，则认为是故障，置相间开放标志。

② 当-0.1Un＜U1cosφ＜0.25Un停留达 500 ms以上，则认为是故障，置相间开放标志。

3 实施数字仿真（RTDS）数模试验

RTDS数模试验分别检验了220kV变压器距离保护的阶梯特性、电压互感器（TV）断线闭锁性能、振荡闭锁性能、区外故障转区内故障动作性能等，达到了预期的效果。

3.1 RTDS变压器模型

RTDS数模试验模型图如图1所示。主电源在220kV侧，次电源在110kV侧，负荷由高压侧向中、低压侧送电。模型参数、中压侧线路阻抗、高压侧相间阻抗保护和中压侧相间阻抗Ⅰ段、相间阻抗Ⅱ段保护等具体试验定值如表1、表2所示。

图1 RTDS数模试验模型图

表1 设备参数

表2 保护定值

3.2 振荡闭锁性能试验

（1）模拟系统全相振荡，主变距离保护可靠闭锁；再模拟系统振荡转相应区内故障，主变相应距离保护闭锁后又可靠开放并启动保护出口跳闸。

（2）模拟系统非全相振荡，在开关偷跳非全相振荡期间，主变保护不误动；振荡时区外故障能够正确不动，区内故障能够正确动作。典型录波图如图2所示。

图2 振荡中区外故障录波图

4 动模试验

动模试验分别检验了220kV变压器距离保护的阶梯特性、TV断线闭锁性能、振荡闭锁性能、区外故障转区内故障动作性能等，达到了预期的效果。

4.1 动模试验模型

动模试验模型图如图3所示。主电源在220kV侧，次电源在110kV侧，负荷由高压侧向中、低压侧送电。参数数据为：220kV变压器短路阻抗（高-中）11.2 Ω（二次值），中压侧线路阻抗 65.4 Ω（二次值）；高压侧相间阻抗保护：方向指向变压器，阻抗定值17 Ω（无偏移），保护范围至中压侧线路30%处，延时300 ms。中压侧相间阻抗Ⅰ段、相间阻抗Ⅱ段保护：方向指向母线，阻抗Ⅰ段定值49 Ω（无偏移），保护范围至110kV线路的75%，延时100 ms；阻抗Ⅱ段定值80 Ω，无偏移，保护范围至110kV变压器内但未伸出110kV变压器，延时200 ms。

4.2 振荡闭锁性能试验

模拟系统全相振荡，主变距离保护可靠闭锁；再模拟系统振荡转相应区内故障，主变相应距离保护闭锁后又可靠开放并启动保护出口跳闸，典型录波如图4所示。

4.3 其他特性试验

（1）阶梯特性试验。分别模拟K1～K9点单相接地故障、两相短路、两相接地短路、三相短路、三相接地短路，阻抗保护阶梯特性和方向性明确，出口短路记忆特性试验良好。

（2）区外转区内故障试验。分别模拟K1～K9点区外转区内故障试验，在单相接地故障、两相短路、两相接地短路、三相短路、三相接地短路情况下，区外故障保护可靠不动，转区内故障阻抗保护阶梯特性和方向性明确，出口短路记忆特性试验良好。

图3 动模试验模型图

图4 系统振荡转K8 ABC区内故障典型录波

（3）TV断线故障试验。在变压器重载情况下，分别模拟220kV侧、110kV侧TV断线故障，模拟区内外故障，相关保护可靠闭锁。

5 装置试运行情况

2009年11月，保护装置接入1座220kV变电所1台主变上，经受220kV变压器110kV侧4次空载冲击试验和220kV侧1次空载冲击试验考验，现在2座220kV变电所试运行。截至2010年8月25日，试运行保护经历了近30次区外故障考验，该保护装置运行正常，未出现误动作现象。

6 结束语

由上述分析和装置RTDS数模试验、动模试验可得出下列结论：

（1）220kV变压器与110kV变压器容量使用不匹配，产生了在110kV线路距离保护与220kV主变110kV侧后备保护，及110kV线路距离保护与110kV变电所110kV主变保护之间的保护不配合，存在越级跳闸的危险。

（2）研制了按阻抗原理配置的220kV变压器保护装置，静模和RTDS数模试验及装置试运行表明，上下级保护配置阶梯特性和方向性明确，振荡闭锁等措施可行、可靠，上下级保护之间能够相互配合，达到了预期的效果。

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