基于区域电网稳定性的220 kV主变高中后备保护失效分析

徐宇，杨永志，陈劲秋

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650011）

0 前言

220 kV变压器是电网中重要的元件，其安全稳定运行关系到电网的供电可靠性，尤其是作为中心城市的昆明，220 kV变压器的供电可靠性显得更加重要。而主变保护的动作准确性，对针对主变负载能力的区域稳定控制装置的可靠动作有着重大影响，因此220 kV变压器整定计算合理与正确显得尤为重要。为规范220 kV降压变的整定，云南省调下发了《云南电网220 kV降压变后备保护配置和整定方案》。云网范围内降压变统一按照省调下发的整定方案进行整定，但经过分析全网的几次主变故障跳闸及短路电流的模拟计算，发现存在部分厂站220 kV主变低压侧区内外故障时高中后备保护失效的情况及主变失灵保护定值无灵敏度问题[1]。为解决主变高中后备保护失效问题，下面对有关整定原则和短路情况进行分析，并提出相应的措施和建议。

1 云南电网220 kV降压变后备保护整定原则

220 kV降压变后备保护[2]主要由复合电压闭锁相间过流保护、零序过流保护、相间阻抗保护、接地阻抗保护、间隙零序保护、过负荷保护等构成。本文仅考虑相间后备保护。

1）220 kV相间故障后备保护整定原则。220 kV相间故障后备保护包括相间阻抗保护及复合电压闭锁相间过流保护。相间阻抗保护整定原则：正向指向变压器，正向阻抗值在可靠躲过变压器最大负荷电流的前提下，按躲过变压器中、低压侧故障可靠不动整定，反向偏移取3%~5%的正向阻抗值，其I时限跳主变各侧开关，II、III时限退出，要求其I时限统一整定为0.3 s。复合方向过流整定原则：不经方向元件控制，按躲过变压器的最大负荷电流整定，时限按与变压器110 kV侧复压方向过流保护的时限配合整定，其I时限跳主变各侧开关，II、III时限退出。

2）110 kV相间故障后备保护整定原则。110 kV相间故障后备保护包括相间阻抗保护及复合电压闭锁相间过流保护。相间阻抗保护整定原则：正向指向110 kV系统，正向阻抗值在可靠躲过变压器最大负荷电流的前提下，按与110 kV出线的相间距离I/II段配合整定，确保110 kV出线线路末端故障有足够灵敏度（Klm≥1.2），反向偏移取3%~5%的正向阻抗值，其I时限跳110 kV母联（分段）开关，II时限跳变压器110 kV侧开关，III时限跳主变各侧开关，要求其II时限≯1.2 s，时限级差按Δt=0.3 s考虑。复合方向过流整定原则：正向指向110 kV系统，按躲过变压器的最大负荷电流整定，其I时限跳110 kV母联（分段）开关，II时限跳变压器110 kV侧开关，III时限跳主变各侧开关，要求其III时限≯4.2 s，时限级差按Δt=0.3 s考虑。

3）低压侧后备保护整定原则。复压方向过流保护根据实际情况综合考虑是否经方向元件控制及方向元件的指向，按变压器低压侧母线故障有足够灵敏度（Klm≥1.5）和躲过变压器低压侧的最大负荷电流整定，时限按相关反措要求执行，且必须有跳变压器各侧的时限段。

2 220 kV主变低压侧故障高中后备保护失效分析

按照云南电网有限责任公司整定原则，部分厂站接线方式下存在以下风险：220 kV主变主保护拒动，220 kV、110 kV侧均无法对主变低压侧进行后备保护，最终可能导致主变烧损；若220 kV主变110 kV侧动作跳闸后由本台主变高压侧后备保护跳闸，跳闸时间过长，最终可能导致主变损坏；相关的隔离开关、母线、断路器等一次设备因长期流过大电流受损。下面以某220 kV变电站为例进行分析，指出主变低压侧区内故障时，差动保护拒动则主变将处于无保护状态；主变低压侧区外故障时，低压侧断路器故障（或低后备保护）拒动则主变也处于无保护状态。

2.1 变电站主接线型式及相关设备参数

该220 kV变电站一次接线如图1所示，配有3台额定容量都为180 MVA的变压器，220 kV、110 kV、35 kV均 为 双 母 接 线，且35 kV有对外供电的线路。

图1 变电站一次接线示意图

正常运行方式下，220 kV、110 kV双母并列运行，35 kV由于并列运行短路电流较大，采取分列运行且投入35 kV备自投提高供电可靠性。变压器相关参数：#1主变短路阻抗，高-中为13.44%，高-低为23.51%，中-低为7.5%，高压侧正序阻抗标幺值为0.081815，低压侧正序阻抗标幺值为0.119698；#2主变短路阻抗，高-中为13.69%，高-低为25.31%，中-低为7.97%，高压侧正序阻抗标幺值为0.081739，低压侧正序阻抗标幺值为0.11969；#3主变短路阻抗，高-中为13.67%，高-低为23.19%，中-低为7.49%，高压侧正序阻抗标幺值为0.074643，低压侧正序阻抗标幺值为0.11323；电抗器标幺值为0.0709，等值阻抗为0.00819。35 kV母线两相短路时，35 kV I母BC相间短路电流为9140.8 A, 35 kV II母BC相间短路电流为14306.6 A，各台主变各侧短路电流见表1。

表1 主变各侧短路电流计算

2.2 后备保护整定及存在问题分析

按照云南电网有限责任公司220 kV降压变压整定原则，阻抗保护整定的阻抗值较小，在主变低压侧发生故障时不在保护范围内，故不对阻抗保护分析。220 kV主变高压侧复压方向过流整定为708 A，不带方向，4.4 s跳主变三侧；110 kV侧整定为1248 A，方向指向110 kV母线，3.5 s跳主变110 kV侧母联，3.8 s跳主变110 kV侧，4.1 s跳主变三侧。

若故障发生在35 kV I母，则得到的主变后备保护动作分析见表2。由此可知，仅有#2主变中压侧短路电流达到动作值，但因为中压侧过流方向整定为指向110 kV母线，而短路时电流指向变压器，所以最终所有保护均不动作。若故障发生在35 kV II段母线，则得到的主变后备保护动作分析见表3。由此可知，#2主变高中压侧短路电流达到动作值，且中压侧电流指向110 kV母线，#1、#3主变高压侧达到动作值，但是因为高中压侧整定时间较长，若#1主变差动（区内故障）或低后备保护（区外故障）拒动，则#3主变经0.4 s跳#3主变低压侧，各主变高中压侧后备保护还未来得及动作，故障情况即转移为35 kV I母短路时的短路电流分配情况，所以最终各后备保护仅能跳开#3主变低压侧，故障一直存在。对于220 kV系统，不要求220 kV线路保护作为220 kV主变的远后备，最终导致主变的高中后备保护全部失效。由此可预想最终的结果是导致主变可能烧损，相关的隔离开关、断路器因长期流过大电流受损。

表2 35 kV I母故障主变后备保护动作分析

表3 35 kV II母故障主变后备保护动作分析

3 改进措施

云南省调明确要求220 kV降压变的110 kV侧复压过流方向保护的方向指向110 kV母线，但应将方向指向110 kV母线取消，这是导致中后备保护拒动的原因。

1）降压主变正常时分列运行，在110 kV系统故障时其电流方向肯定指向110 kV母线；若110 kV母线上有电源主变故障时，110 kV系统提供的短路电流达到整定值在整定时间内也应动作，否则主变可能烧损；若220 kV系统发生故障，则由于主变阻抗较大而110 kV电源一般较小，不会提供较大的短路电流，保护不会因220 kV系统故障而动作。

2）若降压变正常时并列运行，110 kV系统故障时故障电流方向指向110 kV母线，若为主变220 kV侧故障或低压侧故障时110 kV系统的电流方向为故障主变指向变压器，非故障主变指向110 kV母线，带方向后会可能出现主变中后备保护均不动作情况。

3）按整定原则，110 kV侧后备保护为先跳110 kV母联，这样跳开母联后非故障主变仍能正常供电，如上述情况中35 kV I母故障时，若#2主变中后备不带方向将先跳开110 kV母联，跳开110 kV母联后由于#1、#3不再向#2主变中压侧提供短路电流，因此#1、#3主变即可与故障隔离。

但是220 kV主变110 kV侧复压方向过流保护不带方向后仍存在问题。如上述35 kV I母故障，#2主变变中3.5 s跳开110 kV母联后，中后备保护由于母联断开后无电流从故障主变中压侧流入，导致中压侧保护复归，之前高后备保护未动作，3.5 s后高后备保护开始动作计时，最终在7.9 s切除#2主变的故障。主变切除时间较长，主变可能因遭受长期电动力及热效应而导致绕组严重变形损坏，因此应采取更有效的方式判断主变内部故障的后备保护。

由主变接线方式可知，220 kV和110 kV的电流在主变110 kV或220 kV开关外故障时流过的电流是同相位的，因此采用主变220 kV及110 kV差电流作为主变的后备保护的故障电流判据，可达到快速切除主变区内或低压侧区外故障。保护可分设两段：一段作为主变内部故障的后备保护，此时差电流定值应躲过主变低压侧母线故障时的最大短路电流，时间定值应躲开主变励磁涌流时间；一段作为低压侧断路器拒动或低后备保护拒动的后备保护，电流定值按躲过主变低压侧负荷电流整定，时间定值与低压侧后备保护段配合，直接跳主变三侧断路器。通过以上分析可知，设两段主变高中压侧差电流保护后可在主变区内故障或低压侧区外故障，主变差动保护拒动或中低压侧开关拒动情况下及时切除主变，降低主变及相关一次设备的受损程度。

4 实例

某 年6月3日8时13分29秒，该 变 电 站发生220 kV #2主变差动保护动作，跳开主变202、102、302断路器，35 kV备自投动作，跳开302断路器合上312断路器，35 kV I段母线电压恢复，跳闸故障原因为35 kV低压侧隔离开关的支柱绝缘子放电。故障时，#1、#2、#3主变高中压侧由于并列运行，因此均流过短路电流。由故障录波得到的故障时各台主变高中压侧后备保护动作情况见表4。由此可知，若主变差动保护出现拒动，就将出现所有主变高中后备保护失效情况，即使事故发展后短路电流增大或主变中压侧后备保护不带方向，至少也要在7.9 s才能切除故障。

表4 各台主变高中压侧后备保护动作分析

5 结束语

本文通过分析云南电网220 kV降压变整定原则中相间后备保护的整定对于主变低压侧故障存在保护失效的风险，提出取消110 kV复压过流保护方向元件措施，并探讨了采用高中压侧差电流判据作为主变内部故障和低压侧后备保护或开关拒动情况下的后备保护的建议，但因涉及相关的保护装置软件硬件实现问题，具体还需进一步的探讨实践。总之，220 kV主变是电网中的重要供电设备，后备保护应能起到应有的作用，才能确保主变的安全稳定运行。