6kV配电变压器高、低压侧保护设置及其配合

李 华，徐光会

（1.中国石油华北石化公司；2.华北油田技术监督检验处环境监测中心站）

变压器是电力系统重要的主设备之一。电能通过各变电站的配电变压器分配给各用电设备。为了能确保电力主设备--变压器的安全经济运行，提高其继电保护的正确动作率是及其重要的。

华北石化千万吨扩建区域，6kV配电变压器高压侧采用ABB公司的REF542，设有瞬时速断、定时限过流、反时限过流、定时限过负荷、接地保护。低压进线开关主要采用ABB Emax pr122和施耐德的MT系列框架断路器，都设有长延时、短延时、与瞬时速断三段保护，其中所有变电所的瞬时速断保护选择了OFF形式；变压器采用反时限过流与短延时速断两段保护。

如果低压进线与变压器保护值整定及时限配合不合适，母线及以下范围发生短路故障时经常出现下面两种误动情况：进线开关瞬时速断与下级断路器瞬时脱扣同时动作；变压器反时限过流保护先于低压进线开关短延时保护动作，引发低压进线低电压跳闸，同时备自投成功使得故障扩大化。这些越级跳闸事故给石化厂的生产造成很大影响，合理设置变压器与低压进线保护值并使它们很好的配合在化工电气中已经显得尤为重要。

1 变压器高压侧保护整定

1.1 电流速断保护

1.1.1 保护范围：高压电缆、电缆头、高压侧套管接线端子机部分一次绕组。

1.1.2 按躲过二次侧最大三相短路电流整定，即二次动作电流

动作时间t1＝0s

1.1.3 保护灵敏度：

式中 Kk—可靠系数，取 1.3；

nct—电流互感器变比；

I13min—变压器一次侧最小三相短路电流，A；

I23max—变压器二次侧最大三相短路电流，A；

Nt—变压器的变比，Nt＝15 为 6/0.4kV 变压器

1.2 定时限过流保护

1.2.1 保护范围：二次侧母线桥、配电盘母线及配出回路部分电缆。

1.2.2 按躲过变压器最大负荷尖峰电流整定。

二次动作电流按下式计算：

动作时间t2＝0.7s（与二次侧断路器短延时脱扣器配合）；

或t2＝0.4s（与二次侧断路器短延时脱扣器不配合）。

1.2.3 保护灵敏系数：

式中I1n—变压器一次侧额定电流，A；

I23min—变压器二次侧最小三相短路电流A；

Kgh—变压器可能的过负荷系数，可取 1.5～3.0，推荐取2.0～2.5；

Kk—可靠系数，取 1.2

Kfh—保护装置返回系数，一般在 0.93～0.98 之间，按所选保护器确定。

其余符号同前

1.3 反时限过电流保护

1.3.1 保护范围：具有过负荷、过电流保护功能，能保护变压器一、二次侧及配出回路较长一段电缆线路的相间短路。

1.3.2 整定确定以下三要素

（1）二次动作电流初始值：

（2）选用反时限曲线：IEC曲线VIT，即非常反时限

时间倍乘因子Tp整定：

式中t2—二次侧最大三相短路时，与定时限过流保护配合的动作时间；可取 t2＝0.8s或 0.5s（分别对应 0.7s和 0.4s）

Kk—可靠系数，取 1.05～1.1

其余符号意义同前。

1.4 过负荷定时限保护

1.4.1 保护用途：保护变压器过负荷。

1.4.2 按躲过变压器额定电流整定。

（1）二次动作电流初始值：

（2）动作时间：t4＝15s（或按躲过最大一台电动机起动时间），保护动作于发信号。

式中 Kk—可靠系数，取 1.05，

其余符号意义同前。

1.5 一次侧接地保护

1.5.1 保护特点：

对于中性点不接地系统，对装置变电所而言，各配出回路整定值相同或基本相同。这是因为：一方面系统总的接地电容电流相同、其值较大，另一方面终端变电所各回路的电缆截面及长度相差不大，回路自身的接地电容电流相差很小。千万吨项目变电所零序互感器选用50/1A。

1.5.2 保护范围：一次侧电缆及变压器部分一次绕组接地。

1.5.3 整定原则：

零序过流保护一般通过开关柜上保护装置实现（将零序CT接入保护器）

按躲过本回路电容电流整定或按满足灵敏系数整定。

1）按躲过本回路电容电流，二次动作电流按下式计算：

保护灵敏系数：

动作时间：tj＝0.1s～0.15s 报警

2）按灵敏系数整定，二次动作电流按下式计算：

式中 Kk—可靠系数，取 4.0～5.

Kfh—返回系数，同前

Icn—本回路接地电容电流，A

Ic∑—本系统总的接地电容电流或补偿后剩余电流，A

Nj—零序电流互感器变比

KL—灵敏系数，取 1.5

1.6 二次侧接地保护

对于dyn-11接线变压器不需要专门设置此保护，利用高压侧的过流保护能满

足二次侧接地保护灵敏度要求。对于Yyn-12接线变压器需要设置此保护，在引出的N母线上装设AT。在AT后接地。

2 低压侧总进线开关

2.1 保护装置

框架式断路器（或称为空气断路器）配套电子式脱扣器（智能型监控装置），一般都具有过载长延时、短路短延时、短路瞬时三段保护（B类）。

2.2 断路器基本参数

2.2.1 框架额定电流等级

根据框架尺寸大小确定能安装最大脱扣器额定电流值来分级；每一级框架电流可适合几个等级不大于框架电流的脱扣器额定电流In。

例如，MT25H1智能型框架式断路器的框架额定电流是2500A。

MT25H1（含额定电流 In：1250A，1600A，2000A，2500A）

2.2.2 配套智能控制器类型

以MT25H1系列断路器为例，共有Micrologic 2（基本保护）、Micrologic 5（选择性保护）、Micrologic 6（选择性保护＋接地保护）、Micrologic 7（选择性＋漏电保护）等4种类型。

2.2.3 极数 3p，4p

2.2.4 断路器短路特性参数

以MT25H1为例

1）额定极限短路分断能力Icu 65kA

2）额定运行短路分断能力Ics 65kA

3）短时（1s）耐受电流 Icw 65kA

4）短路接通能力（峰值）Icm 143kA

5）全分断时间ms 25

2.3 保护功能及其整定

以Micrologic 5型智能控制器为例

2.3.1 过载长延时保护

动作电流：Ir1＝1.05×1.05I2n（A）

动作时间t1：应满足以下两个条件

a在一台变压器运行时，躲过最大一台电动机起动时间；

b变压器二次侧最大三相短路时，动作时间t1≥0.4s

最大一台电动机起动时二次侧最大负荷电流Ist

相当于过载保护动作电流的倍数：K＝I2st÷Ir1在此电流倍数，动作时间不应小于电动机起动时间。式中I2n—变压器二次侧额定电流，A

Inmax—最大一台电动机额定电流，A

Kst—电动机起动电流倍数。

2.3.2 短路短延时保护

（1）动作电流：可取一次测定时限过流保护相同定值，即

过负荷系数 Kgh取 2.1 倍，推荐 2.0～2.5 倍。

（2）动作时间 t2：

对只有定时限的脱扣器

I≥Ir2，t2＝0.4s（有 0.1，0.2，0.3，0.4s共 4 级）

2.3.3 短路瞬时保护

该保护功能关断（OFF），或按该等级最大值整定（且该值大于二次侧最大三相短路电流），工程设计中，推荐关断。

3 华北石化公司计算实例

千万吨扩建项目新增火炬设施改扩建单元，该单元内设配电室，为单层结构，负责本单元内所有用电负荷的供电。火炬配电室的低压进线电源由8＃开闭所供电，电缆ZA-YJV22-1KV 3 根 3＊240＋2＊120mm2，长度为 340 米。

8＃开闭所为该项目新增2面6KV中压柜，2台S11-M油浸变压器 6.3/0.4KV，容量为 1250KVA，阻抗 4.7%。2 台变压器目前各带一个进线柜和出线柜（为其他项目预留备用位置，预留负荷中最大电动机容量按160kW考虑），该低压出线柜为火炬现场配电间提供电源，火炬现场配电间现有总负荷为100KW，最大电机为45KW，启动时间预估为7s。8＃变电所6kV母线短路容量：最大142MVA（13kA），最小 114.6MVA（10.5kA）。

3.1 短路电流计算

3.1.1 变压器二次侧母线短路电流

取6kV母线短路容量作为变压器一次侧短路容量，即

一次侧最大三相短路容量S”＝142MVA

一次侧最小三相短路容量S”＝114.6MVA

3.1.2 变压器一次侧系统阻抗（折算到低压侧）

（最小方式分别为 1.389mΩ 和.139mΩ）

3.1.3 变压器阻抗，S11M-1250kvA 油浸变压器，阻抗 4.7%，ΔPk＝11.5kW，得

3.1.4 变压器与低压进线不在一层楼上，它们之间连接电缆4根3＊300＋2＊300m2长度为30米，则电缆阻抗，查配四手册 p210，表 4.2-40 得：

c1＝0.0618×30/4＝0.464mΩ

Xc1＝0.0751×30/4＝0.563mΩ

总的电阻 R＝0.112＋1.177＋0.464＝1.753mΩ （1.78）

总的电抗 X＝1.121＋5.90＋0.563＝7.584mΩ （7.852）

总的阻抗 Z＝√（1.7532＋7.5842）＝7.784mΩ （8.05）

变压器二次侧母线短路电流最大值 Ik1max＝（1.05×380）/1.732×7.784＝29.595kA

变压器二次侧母线短路电流最小值 Ik1max＝（1.05×380）/1.732×8.05＝28.617kA

3.1.5 火炬设施配电间母线短路电流

该配电间每段电源电缆ZA-YJV22-1KV 3根3＊240＋2＊120mm2，长度为 340m，查配四手册 p213，表 4.2-46 得：

Rc2＝0.0774×340/3＝8.772mΩ

Xc2＝0.0716×340/3＝8.115mΩ

总的电阻 R＝1.753＋8.772＝10.525mΩ

总的电抗 X＝7.584＋8.115＝15.699mΩ

总的阻抗 Z＝√（10.5252＋15.6992）＝18.90mΩ

Ikmax＝（1.05×380）/1.732×18.90＝12.19kA （Imin＝12.10≈Ikma）

3.2 火炬项目变压器高压侧保护整定

全密封变压器 S11-M-1250/6.3，1250kVA，6.3 2.5% /0.4kV，4.7%，I1n/I2n＝114.6/1804.3A，电流互感器 200/1A，D，yn，变压器一次侧最大（最小）短路电流 13（10.5）kA。6kV 侧为不接地系统，二次侧母线最大（最小）三相短路电流29.59kA（28.62kA）。

（1）电流速断50

一次动作电流 I11＝（1.3×I23max）÷Nt＝1.3×29590÷15.75＝2442.3A

二次动作电流 I12＝2442.3÷200＝12.21A 取 12A

动作时间 t1＝0s

保护灵敏度：

KL＝0.866×10500÷（12×200）＝3.79＞2.0 满足要求。

（2）定时限过流 51-1

一次动作电流

I21＝1.2×2.1×114.6÷0.95＝304 A

二次动作电流 I22＝304÷200＝1.52A 取 1.5A

一次动作电流 I21＝1.5×200＝300A

动作时间 t2＝0.7s

保护灵敏度：

KL＝（0.866×26880）÷（25×10×20）＝4.65＞1.5 满足要求。

（3）反时限过负荷（过电流）51-2

一次动作电流

I31＝1.1×114.6÷0.95＝132.69

1）二次动作电流 I32＝132.69÷200＝0.66A 取 0.7A（一次侧140A）

2）选用IEC曲线VIT，即非常反时限（或极端反时限EI），动作特性为：

3）时间因子Tp

Tp＝0.7｛［（29590÷15.75）÷0.7×200）］-1｝/13.5＝0.64s

取 Tp＝0.75s（保护装置时间整定步长：0.01s）

校验1：二次侧最大短路时，与定时限过流保护是否配合：

t＝｛13.5/［（29590÷15.75）÷140-1］｝×0.75＝0.82s＞0.7s满足要求。

校验2：躲过最大一台电动机起动时间，二次侧最大电动机P＝160kW，

Inm＝292A，Ks＝7，预期起动时间 12s，该电机起动时变压器最大负荷电流：

I1st＝（1.05×114.6-0.8×292÷15.75）＋7×292÷15.75＝235.28 A（折算到一次测）

t＝13.5÷［（235.28/140）-1］×0.75＝14.9s＞12s 满足要求。

（4）过负荷定时限保护

1）二次动作电流 I42＝1.05×114.6÷（0.95×200）＝0.63A，取0.6A

2）动作时间 t4＝14s（躲过最大一台电动机起动时间tst＝12s）

（5）单相接地保护

3.3 火炬项目低压侧保护整定计算

基础数据

8＃开闭所内新增配电变压器 S11-M-1250/6.3，1250kVA，（6.3±2×2.5%）/0.4kV，4.7%，I1n/I2n＝114.55/1804.3A，电流互感器200/1A，D，yn，一次侧最大（最小）短路电流 13（10.5）kA。6kV侧为不接地系统，二次侧母线最大（最小）三相短路电流29.595kA（28.617kA）。配出柜为现场火炬配电间提供电源，火炬配电间母线最大三相短路电路为12.19KA（最小12.10kA）。

3.3.1 变压器二次侧进线断路器整定

选用施耐德 MT25H1/3P 5.0E 2500A

3.3.1.1 过载长延时（反时限特性）

脱扣器额定电流In＝2500A

1.1 动作电流：Ir＝1.05×1.05×1804.3＝1989.2 A＝0.7957In

取 Ir＝0.8 In＝0.8×2500＝2000A （整定范围 Ir1＝0.4～1.0In步长10A）

1.2 动作时间：

该断路器过载保护为反时限特性，遵循I2t＝K的规律。

预选施耐德样本中6Ir1时，动作时间4.0s这一档，则

K＝（6×2000）2×4＝57600×104A2.s

1.2.1 校验a二次侧最大三相短路时，动作时间不应小于0.4s，即

变压器二次侧最大三相短路电流为：

Ik1max＝29595÷2000＝14.798Ir1

在此电流下，该保护动作时间为：

t＝K/（14.798Ir1）2＝57600×104/（29595）2＝0.657s

考虑动作时间最大可能有-20%的误差（样本数据），则动作时间：

t＝0.657-0.2×0.657＝0.525s＞0.4 s

在二次侧发生短路时，短延时保护先于过载保护跳闸，所以，满足配合要求。

1.2.2 校验 b 最大一台电动机起动时（160KW，292A，起动电流倍数7，预期起动时间12s），长延时保护动作时间应躲过起动时间。

要考虑该变压器今后负荷发展：即考虑一台变压器运行时接近满载、再有最大一台电动机（160kW）起动时，过载保护不应该误动作（时间躲过），此时最大电流按下式计算：

Imax＝（1804.3-0.8×292）＋7×292＝3614.4A＝1.81Ir

验算大电机启动时保护的动作时间：

t＝K/（1.81Ir）2＝57600×104/（3614.4）2＝44.09s

考虑 20%的负误差或后，t＝44.09-0.2×44.09＝35.3s＞14.4s

大电机启动时，过载保护不会误动作。

结论：过载长延时整定值：

Ir＝0.8In＝2000A；6Ir，4.0s

（注意：此值应与一次侧定时限过负荷保护尽量一致）

2短路短延时

2.1 动作电流按可能出现的最大尖峰电流整定，即

Isd＝1.05×（1804.3-0.8×292＋7×292）＝3795.4A≈1.898Ir

取 Isd＝2.0Ir＝4000A

灵敏度 KL＝0.866×28617÷4000＝6.2＞1.3 满足要求

注意：此定值应与一次侧定时限过流保护定值相同（或非常接近）。

2.2 动作时间：

定时限：tsd＝0.4s，定时限；反时限关断。

3 短路瞬时

该保护功能关断（OFF）

3.3.2 变压器二次侧母线分段断路器整定

1过载长延时

1.1 动作电流 Ir＝0.8In＝2000A；

1.2 动作时间 6Ir，4.0s

2 短路短延时

2.1 动作电流 Isd＝2.0Ir＝4000A

2.2 动作时间 tsd＝0.2s

3 短路瞬时

该保护功能关断（OFF）

3.3.3 火炬配电间进线断路器整定

选用施耐德 MT10H1/3P 5.0E 1000A，该配电间最大电机 45KW，Ie＝82A

1 过载长延时（反时限特性）

额定电流In＝1000A，现阶段最大负荷100KW。虽然目前负荷很小，但电源电缆允许载流量达到 IZ＝3×483×0.65＝942A，为了不封锁电缆容量并为以后发展留有余地。

1.1 动作电流：Ir＝0.8In＝800A

1.2 动作时间：

过载保护为反时限特性，遵循 I2t＝K ，即 t＝K/I2。

如果预选 6Ir时，2.0s，则

K＝（6×800）2×2＝4608×104A2.s

1.2.1 校验a电源电缆末端三相短路时（即配电间母线），动作时间不应小于 0.2s，即

当线路末端最大三相短路时：IK＝12.19kA＝12190A＝15.24Ir

此时动作时间；

t＝K/（15.24Ir）2＝4608×104/（12190）2＝0.31s＞0.2s满足要求1.2.2 校验 b

最大一台电动机起动时（45KW Ie＝82A），动作时间应躲过起动时间

即

Imax＝（800-0.8×82）＋7x82＝1308.4A＝1.636Ir，

动作时间

t＝K÷（Imax）2＝4608×104÷（1308.4）2＝26.9s

考虑 20%的负误差或后，t＝26.9-0.2×26.9＝21.5s＞1.2×7＝8.4s 满足要求

结论：动作电流：Ir＝0.8In＝800A

动作时间：6Ir时，2 s

2 短路短延时

2.1 动作电流：

Isd＝1.2［（800-0.8×82）＋7x82］＝1570A＝1.963Ir

取Isd＝2.0Ir＝1600A（样本中有这一档，整定范围1.5Ir～10Ir）

灵敏度 KL＝0.866×12100÷1600＝6.55＞1.3 满足要求

2.2 动作时间：tsd＝0.2s 定时限

3 短路瞬时

该保护功能关断（OFF）。

3.3.4 8＃ 开闭所火炬配出线断路器整定

选用施耐德 MT10H1/3P 5.0E 1000A，该配电间最大电机 45KW Ie＝82A

1 过载长延时（反时限特性）

额定电流 In＝1000A，

1.1 动作电流：Ir＝0.8In＝800A

1.2 动作时间：6Ir时，2s

2 短路短延时

2.1 动作电流 Isd＝2.0Ir＝1600A

2.2 动作时间：tsd＝0.2s

灵敏度校验：

线路末端短路时，

KL＝0.866×12100÷1600＝6.55＞1.3

满足要求

线路首端短路时，

KL＝0.866×28610÷1600＝15.48＞1.3

满足要求

3 短路瞬时

该保护功能关断（OFF）。

3.3.5 火炬配电间分段断路器整定

1 过载长延时（反时限特性）

额定电流 In＝1000A，

1.1 动作电流：Ir＝0.8In＝800A

1.2 动作时间：6Ir时，2s

2 短路短延时

2.1 动作电流 Isd＝2.0Ir＝1600A

2.2 动作时间：t2＝0.1s

3 短路瞬时

该保护功能关断。

4 附表

表1 2×1250kvA变压器、火炬配电等八个空气断路器整定值一览表

5 小结

①变压器高压侧保护装置的整定值，与低压进线断路器的整定值应该相差很小（折算到同一侧后），因为短路时流过同一电流；

②变压器高压侧过负荷定时限保护与低压进线断路器的过载长延时保护整定值相差很小或是同一数值；

③低压各级断路器的整定通过时间的配合实现保护的选择性。