500 kV主变压器高压侧断路器失灵联跳主变压器三侧断路器优化

于兴林，李慧敏

(广东电网有限责任公司汕尾供电局，广东 汕尾 516600)

失灵保护一般应用在220 kV及以上电压等级的电网中，作为元件的近后备，是电网快速切除故障的最后一道防线。220 kV及以上电压等级的输电线路一般输送功率大、距离远，为提高线路的输送能力和电力系统的稳定性，往往采用分相断路器和快速保护[1]。断路器存在操作失灵的可能，利用故障设备的保护动作信息与拒动断路器的电流信息构成对断路器失灵的判据，能够以较短的时限切除同一厂站内其他有关断路器，将停电范围限制在最小，从而保证整个电网的稳定运行，避免造成发电机、变压器等故障元件的严重烧损和电网崩溃瓦解的事故[2-4]。

失灵保护的可靠性不仅会影响供电可靠性，还对系统稳定性有着一定的影响。南方电网距离长、容量大、交直流并列运行，稳定问题更加突出。2013—2016年，南方电网26个厂站极限切除时间小于0.35 s。文献[5]揭示了传统失灵保护没有双重化配置，压板容易误投退，其他支路失灵后主变压器(以下简称“主变”)支路再失灵不能隔离故障的缺陷。文献[6]分析了智能变电站启动失灵虚端子典型设计存在的问题，但未指出主变失灵联跳主变三侧存在的问题。文献[7-9]表明当发生断路器失灵和死区故障时，将故障切除时间控制在0.20 s以内，可有效降低直流连续多次换相失败的概率；利用站域信息可缩短大部分失灵保护动作时间；但文献未考虑500 kV主变高、中压侧断路器同时失灵的情况。

2008年1月20日，安顺电厂在跳闸过程中发生2台断路器同时失灵的现象[10]，该现象虽罕见，但对系统的影响很大，尤其是在主变高、中压侧断路器同时失灵时，经长延时才能隔离故障。近年来失灵保护已日趋完善，考虑了不同断路器先后失灵再次启动失灵的问题，失灵保护双重化配置，以及完善了失灵联跳主变三侧回路。但对于500 kV变电站，主变高、中压侧断路器失灵是通过非电量保护装置联跳主变三侧，而非电量保护装置仍为单套配置，且其保护动作接点不启动失灵。若主变高压侧断路器失灵的同时中压侧断路器也失灵，或非电量装置退出(异常)，不能快速隔离故障以及启动中压侧断路器失灵保护(或启动高压侧断路器失灵)。此时220 kV系统通过主变继续向故障点提供能量，仍对系统的稳定运行造成威胁；故障电流长时间通过主变将会烧毁主变，而500 kV主变一般为地区电网的枢纽，其烧毁将会损失大量负荷，延长负荷的送电时间。

1 失灵保护原理

故障时，保护发令跳闸，但相应断路器拒动，即为断路器失灵。断路器失灵时，利用保护动作信息和相应断路器的电流信息，经一定延时动作于失灵断路器的相邻断路器，可隔离故障，实现这一功能的保护即为失灵保护。失灵保护动作有3个必要条件[11]：①保护发出跳闸命令；②在跳闸命令持续时间内仍有故障电流；③经过一定的延时。

由于220 kV失灵保护动作将切除整条220 kV母线，220 kV失灵误动将会扩大停电范围，故在220 kV失灵保护出口串有复合电压闭锁接点。而500 kV失灵保护动作将切除所挂同一条母线的其他断路器或相邻断路器，不会影响其他输电线路或主变运行；同时为了提高500 kV失灵保护动作的可靠性，采用保护动作接点双开入，不设置复合电压闭锁接点。

现行规程规定，失灵跳相邻断路器的时间整定：500 kV为0.20 s、220 kV为0.40 s。文献[12]从断路器自身的开断时间、电流元件返回时间和时间裕度来考虑失灵保护的动作时间。文献[13-14]基于电流互感器(current transformer，CT)拖尾电流截断算法缩短了失灵保护延时。文献[15-18]分别统计了220 kV和500 kV系统断路器失灵各阶段的时间，进而从整体上对失灵保护动作延时进行优化；500 kV延时优化方案取0.16 s，失灵后故障持续时间可以控制在0.36 s以内，220 kV延时可优化至0.20 s。

2 其他支路失灵启动主变支路失灵保护

近年来，发生过在系统中2台断路器同时失灵的情况，有必要完善失灵保护启动主变失灵保护的功能。这主要指当其他支路断路器失灵，在失灵保护跳主变支路时，如果在失灵保护装置里没有相应的启动主变失灵的逻辑，将导致主变断路器失灵不能启动，而由线路保护三段或主变不经方向的长延时保护来隔离故障。各厂家最新的母线失灵功能逻辑均能再次启动主变间隔失灵保护，实现失灵联跳主变三侧断路器，但失灵保护启动失灵将会导致故障时间持续0.80 s。

3 主变支路失灵联跳主变三侧回路

目前主变间隔失灵，失灵保护在跳相邻断路器的同时，通过1对接点开入给非电量保护装置，由非电量保护装置实现联跳主变三侧断路器，具体过程如图1所示，图中TJR为继电器。

图1 失灵联跳主变三侧示意图Fig.1 Schematic diagram of failure protection tripping on three sides of the main transformer

在主变高压侧断路器失灵时，500 kV断路器保护装置失灵保护动作，通过1对接点开入给非电量装置，实现联跳主变三侧。而非电量保护跳高、中压侧断路器是通过相应断路器操作箱的不启动重合闸不启动失灵继电器(即TJF继电器)来完成，这样会导致：中压侧断路器同时失灵时，不能启动失灵保护；不能解除母线电压闭锁[19]。

4 失灵联跳主变三侧优化方案

传统的失灵保护实现方案仅考虑了通过与中压侧断路器所挂同一母线的其他支路断路器失灵，来启动中压侧断路器失灵保护，以及在高、中压侧断路器失灵时通过主变非电量保护来联跳主变三侧；而未考虑主变高、中压侧断路器同时失灵的情况。另外，传统的通过非电量保护来实现联跳主变三侧的方案可靠性较低，在非电量保护检修的情况下，会失去联跳主变三侧的功能，并且没有考虑在联跳主变三侧时其他侧断路器失灵的可能性。

当前主变保护220 kV侧操作箱的南瑞配置有TJQ继电器(启动失灵启动重合闸继电器)、TJR继电器(启动失灵不启动重合闸继电器)和TJF继电器；长园深瑞的配置有TJR继电器和TJF继电器。各种电量保护接入TJR继电器，非电量保护和断路器的三相不一致保护接入TJF继电器。故在操作箱引入主变高压侧断路器失灵保护有一定的难度，需要更换现有操作箱。本文提出2种方案。

方案1，在主变保护装置增加逻辑：引入高压侧失灵动作开入，在保护收到该开入且高压侧有流时，高压侧电压满足复压开放，延时0.05 s跳三侧断路器；同时启动中压侧失灵保护，并解除失灵保护的电压闭锁。此时将在故障发生后0.60 s隔离故障。

方案2，高压侧断路器失灵启动220 kV失灵保护：在现有的500 kV断路器保护引出一对跳闸接点去启动主变中压侧断路器失灵保护，引出另一对接点去解除220 kV失灵保护的复合电压闭锁；动作延时为失灵跟跳高压侧断路器加上0.10 s的延时；此时将在故障发生后0.65 s隔离故障。

这2种方案适用于不同场合：对于新建变电站或主变保护改造，可以采用方案1，该方案回路简单，只需将接入非电量保护装置的联跳回路改接到失灵动作开入即可；对于已建成的变电站，可以采用方案2，该方案不需要改变主变保护的装置和回路，但需要另外增加2条去失灵保护的电缆回路。

5 仿真分析

利用MATLAB/Simulink[20]软件搭建如图2所示的仿真系统，由于500 kV主变低压侧不带站外负荷，图2中省略了低压侧。图2中：系统G的短路容量SG=18 000 MVA，X/R=7，其中X和R分别表示电抗和电阻；系统W的短路容量SW=1 524.16 MVA，X/R=7；M侧额定电压为500 kV，F侧额定电压为220 kV；系统负荷P=330 MW，Q=30 Mvar。

变压器T为由3个单相自耦变压器构成的三相变压器，参数为：容量ST=750 MVA，频率f=50 Hz，高压侧额定电压为525 kV，中压侧额定电压为242 kV，低压侧额定电压为34.5 kV；三侧支路电阻(标幺值)均为0.005；空载励磁电流为0.06倍高压侧额定电流；空载损耗为0.104 MW；短路电抗(均为标幺值)XHL=0.087、XHT=0.166、XLT=0.067。

500 kV线路EM的参数：阻抗Z1=(0.8+j6.29) Ω/km，Z0=(3.02+j21.24) Ω/km；线路全长100 km。

图2 仿真系统结构Fig.2 Simulation system structure

5.1 线路单相接地，且主变高、中压侧开关同时失灵

500 kV线路EM靠E侧单相接地故障，如图3所示，其中Rg为高阻。

图3 线路末端接地故障示意图Fig.3 Schematic diagram of line end ground fault

5.1.1 经高阻接地

当Rg=300 Ω时，仿真持续时间为0.70 s，主变高、中压侧的的电压(标幺值，以下同)、电流波形如图4所示。

由图4可知：

在0.10 s时，500 kV线路EM靠E侧发生A相高阻接地故障，过渡电阻300 Ω。根据当前500 kV失灵保护规范，变压器高压侧断路器失灵，0.15 s时500 kV断路器失灵跟跳A相，将线路A相与500 kV系统隔离；0.35 s时500 kV断路器失灵保护动作，将线路B、C相与500 kV系统隔离，并通过主变的非电量保护装置联跳主变三侧。若此时中压侧断路器失灵，则需经0.40 s的220 kV失灵保护动作延时[21]将故障从220 kV系统中隔离开。但在实际工程中，非电量保护装置联跳不会启动220 kV断路器失灵，此时中压侧断路器失灵由其他保护经过长延时来隔离故障。

图4 系统高阻接地故障时电压和电流波形Fig.4 Voltage and current waveforms in case of system high resistance ground fault

在0.10～0.15 s时，由于故障相A相没有从系统中隔离，故障点在线路末端且经高阻接地，主变高压侧A相电压降落不明显，500 kV系统仍能通过主变向220 kV侧输送电能，主变中压侧仍有负荷电流流过，但负荷电流减小。同时，主变中压侧断路器所挂母线的A、C相电压压降不大，不满足相电压闭锁开放条件(220 kV母线二次电压57.7 V，相电压闭锁开放定值为40 V)，但存在负序和零序电压(零序电压开放定值为4 V、负序电压开放定值为6 V)，此时将有负序或零序电压开放闭锁条件。

在0.15～0.35 s时，500 kV断路器失灵跟跳A相，将故障相A相与500 kV系统隔离，主变中压侧A相电流增大，远大于负荷电流(大于2 000 A)，超过220 kV失灵启动电流定值；但相对于故障时刻已经延时0.15 s.

在0.35～0.70 s时，500 kV断路器失灵保护动作，将线路B、C相与500 kV系统隔离，并通过主变的非电量保护装置联跳主变三侧，但此时由于主变中压侧断路器失灵，未能将故障点从系统中隔离；主变中压侧三相均有故障电流流过。由于广东电网500 kV主变高压侧后备保护的方向均指向主变，此时的故障相对主变高压侧后备保护为反向故障，仅有零序反时限保护或不经方向的零序长延时保护能够切除该故障。此时高压侧零序电流最大为2 000 A，零序反时限动作时间为3.62 s。

线路故障点处的零序电流为1 000 A时，考虑2台主变的零序分流情况，主变高压侧零序电流为500 A，此时零序反时限的动作时间为13.63 s；当考虑3台及以上主变零序分流时，零序反时限的动作时间最短为5.74 s，最长可能不会动作。

500 kV主变中压侧后备保护的方向指向主变，此时故障相对于中压侧后备保护为正向故障。由于在线路末端发生故障，故障点在阻抗保护Ⅱ段的范围内，此时也仅有零序保护能实现该处保护，零序保护的时间为4 s。

比较500 kV高、中压测后备保护的动作时间，可知高压侧后备零序反时限保护在3.62 s动作，同时启动220 kV失灵保护，再经220 kV失灵保护的延时0.40 s，最终故障将在4.02 s时被隔离。而220 kV线路的距离保护范围不能覆盖故障点，零序保护三段或Ⅳ段范围可能覆盖故障点，仅考虑由220 kV线路动作来隔离故障，也需要4 s以上，甚至由于各支路的分流而导致线路保护不能动作。同时在该段时间内，由于自耦变压器阻抗较大，且经过高阻接地，导致220 kV侧母线电压的不平衡度很小，零序电压和负序电压均可能达不到开放定值，也不满足低压开放定值，需要引入解除复合电压闭锁接点。

综合主变后备保护动作时间和线路保护动作时间，故障点最快在3.62 s时从系统中隔离；该时间远远大于主变短路电流的耐受时间，会烧毁主变，严重时甚至导致220 kV或500 kV系统失稳。

采用本文提出的失灵联跳主变三侧优化方案，在故障发生后0.60～0.65 s将故障点从系统中隔离。

5.1.2 金属性短路

当Rg=0时，仿真持续时间0.70 s，故障时的电压、电流波形如图5所示。

图5 系统单相金属性故障时电压、电流波形Fig.5 Voltage and current waveforms in case of single-phase metallic fault in the system

由图5可知：

在0.10～0.15 s时，由于故障相A相没有从系统中隔离，故障电流由220 kV系统通过主变供向故障点；高压侧A相电压是故障点至高压侧之间的电压降。同时B、C相有零序电流流过，主变高压侧零序电流为3 000 A；三相电压严重不平衡，满足复合电压的开放条件。中压侧有故障电流流过，其值达到220 kV失灵保护启动的电流定值。

在0.10～0.35 s时，500 kV断路器失灵跟跳A相，将故障相A相与500 kV系统隔离；高压侧A相电流为220 kV系统W流向故障点的短路电流，主变高压侧零序电流为5 000 A，中压侧A相电流增大。

在0.35～0.70 s时，500 kV断路器失灵保护动作，将线路B、C相与500 kV系统隔离，并通过主变的非电量保护装置联跳主变三侧；但此时主变中压侧断路器失灵，未能将故障点从系统中隔离。主变高压侧零序电流为2 500 A，高、中压两侧A相电压明显降低，存在很大的零序电压和负序电压，满足220 kV失灵保护的复合电压闭锁开放条件，无需引入解除复合电压闭锁接点。

在此仿真过程中，故障对主变高压侧后备保护为反向故障，仅有零序反时限保护能够切除该故障，零序反时限保护的动作时间为3.23 s。500 kV主变中压侧后备保护的方向指向主变，此时故障为正向故障；由于在线路末端发生故障，故障点不在阻抗保护的范围内，此时也仅有零序保护能实现该处的保护，保护时间为4 s。

比较500 kV高、中压侧后备的动作时间，可知高压侧后备零序反时限保护在3.23 s动作；同时启动220 kV失灵保护，再经220 kV失灵保护的延时0.40 s，最终故障在3.63 s时被隔离。而220 kV线路的距离保护范围不能覆盖故障点，零序保护三段或Ⅳ段范围可能覆盖故障点，仅考虑由220 kV线路动作来隔离故障，也要4 s以上，甚至由于各支路的分流而导致线路保护不能动作。

综合主变后备保护动作时间和线路保护动作时间，故障点最快在3.63 s时从系统中隔离；该时间远远大于主变短路电流的耐受时间，会烧毁主变，严重时甚至导致220 kV或500 kV系统失稳。

采用本文的失灵联跳主变三侧优化方案，在故障发生后0.60～0.65 s将故障点从系统中隔离。

5.2 线路三相短路，且主变高、中压侧开关同时失灵

5.2.1 线路首端三相短路

500 kV线路EM靠M侧三相短路、弧光电阻Rg=15 Ω时，系统如图6所示；仿真时间0.70 s，故障时的电压、电流波形如图7所示。

图6 线路首端经三相短路系统Fig.6 Schematic diagram of line head end via three-phase short circuit system

图7 近主变侧系统三相金属性故障时电压、电流波形Fig.7 Voltage and current waveforms in case of three-phase metallic fault of the system near the main transformer side

由图7可知：

在0.10～0.30 s时，500 kV系统在线路EM靠M端发生三相短路故障，弧光电阻为15 Ω，主变高压侧断路器失灵；在此过程中高压侧三相流过对称的故障电流，零序电流为零。220 kV母线的相电压仍大于0.65，无零序电压及负序电压，故220 kV失灵保护的复合电压闭锁仍不能开放，需要引入解除复合电压闭锁接点。

在0.30～0.70 s时，500 kV断路器失灵保护动作，将故障点从500 kV系统隔离，并通过主变的非电量保护装置联跳主变三侧；但此时主变中压侧断路器失灵，没能将故障点从系统中隔离。主变高、中压侧三相均流过对称的故障电流，高、中压侧均无零序电流。此时的故障相对主变高压侧后备保护为反向故障，以为没有零序电流，主变高压侧后备不能动作。

在故障全过程中，500 kV主变中压侧后备保护的方向指向主变，此时故障相对于中压侧后备保护为正向故障，由于故障发生在线路首端，故障点在主变中压侧后备阻抗保护的范围内，经1.2 s动作，中压侧无零序电流，因此零序过流保护也不能动作。而220 kV线路的距离保护范围不能覆盖故障点，零序保护三段或Ⅳ段范围可能覆盖故障点，但系统中无零序电流；因此该种情况下220 kV线路不会动作，仅有主变中压侧后备阻抗保护经1.2 s动作去启动220 kV失灵保护，再经过220 kV失灵保护的延时0.40 s，最终故障在1.6 s时被隔离。

采用本文的失灵联跳主变三侧优化方案，在故障发生后0.60～0.65 s将故障点从系统中隔离。

5.2.2 线路末端三相短路

500 kV线路EM靠E侧三相故障、弧光电阻Rg=15 Ω时，系统如图8所示；仿真持续时间0.70 s，故障时的电压、电流波形如图9所示。

图8 线路末端经三相短路系统Fig.8 Schematic diagram of line end via three-phase short circuit system

与500 kV线路EM靠M侧三相故障，弧光电阻Rg=15 Ω时相比较，二者的区别是：远主变端的故障电流比近主变端的电流稍小，220 kV母线电压在远主变端故障时比近主变端稍高。此时故障点不在变压器中压侧后备阻抗保护的动作范围内，会导致没有保护隔离故障。

在0.10～0.30 s时，虽然中压侧故障电流很大，但220 kV母线电压的相电压仍大于0.65，无零序电压及负序电压，故220 kV失灵保护的复合电压闭锁仍不能开放，需要引入解除复合电压闭锁接点。

采用本文的失灵联跳主变三侧优化方案，在故障发生后0.60～0.65 s将故障点从系统中隔离。

图9 远离主变侧系统三相金属性故障时电压、电流波形Fig.9 Voltage and current waveforms in case of three-phase metallic fault of the system far away from the main transformer side

6 结束语

在现有主变高压侧断路器失灵联跳主变三侧的接线方式下，通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型，在主变高、中压侧断路器同时失灵情况下，模拟典型500 kV主变高压侧反向短路故障。发生单相经高阻接地故障，当故障点还未从500 kV系统中隔离时，故障电流不能达到失灵启动电流定值；在故障点从500 kV系统中隔离后，故障电流能够达到失灵启动电流定值，但电压不满足220 kV失灵保护复合电压闭锁开放定值；在远离主变高压侧发生三相短路时，220 kV侧母线电压存在不能满足220 kV失灵保护复合电压闭锁开放定值的情况。综合分析了主变两侧电压、电流的变化，以及可能的保护动作情况，得出结论：对不同类型故障，故障点被隔离的时间也不同，最快在1.60 s隔离，但存在没有保护能隔离故障的情况，这将严重影响500 kV变压器的安全。针对500 kV主变高、中压侧开关同时失灵且没有保护能够快速隔离故障的情况，提出2种解决方案，可以将故障隔离时间缩短至0.60～0.65 s，减轻短路电流对主变的冲击，同时提高系统的稳定性。