500 kV主變壓器低壓側總斷路器對繼電保護的影響

吳悅華，周永榮，陳 昊，許 馳，祝艷華，何嘉弘

（1.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 211102；2.國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 211106；3.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 211196）

0 引言

500 kV主變壓器（以下簡稱“主變”）一般采用自耦變壓器，一般低壓側不設出線，僅設置電抗器和電容器用于調節系統電壓［1-3］。由于500 kV主變低壓側無電源點，因此可不裝設低壓側斷路器，若主變低壓側發生區內故障，由高、中壓側斷路器跳開以隔離故障點。為節約成本，早期投運的500 kV變電站往往采用低壓側不設總斷路器的接線方式［4-5］。

此外，早期投運的500 kV變電站還有一種特殊的主變低壓側裝設總斷路器的模式。在該模式下，主變低壓側電抗器間隔斷路器后置，采用不可分斷故障電流的輕型斷路器。這種接線方式雖然降低了投資，但是當電抗器發生故障或低壓側母線故障時，需要直接跳開主變低壓側總斷路器。電抗器間隔斷路器為后置式，只在平時起到操作電抗器的作用［6-7］。

若500 kV主變低壓側加裝總斷路器，則低壓側具備獨立地切斷短路電流的能力，將給變電站繼電保護帶來影響。文獻［8］對500 kV變電站低壓側故障電流進行了理論分析，模擬電抗器間隔的不同位置發生故障，分析了變電站低壓側電抗器間隔電流互感器后置式接線情況下電抗器間隔的故障電流特征及對繼電保護的影響。文獻［9］對電抗器間隔斷路器后置式接線所引起的故障相判別錯誤、相鄰電抗器間隔低電流保護誤動、保護持續動作不返回等問題進行研究，最后針對上述問題提出了相應的應對措施。文獻［10］分析了變電站主變低壓側跳閘典型故障，對未來如何防范和緩解此類故障的影響提出了建議。本文介紹了主變低壓側加裝總斷路器對變壓器主保護、后備保護的影響，解釋了主變配置低壓側斷路器且電抗器間隔斷路器后置的接線方式情況下保護誤動作的原理，并提出改進措施。

1 加裝低壓側斷路器對變壓器主保護的影響

1.1 500 kV變壓器主保護配置及保護范圍

典型的500 kV 變壓器一次接線圖如圖1 所示，圖中為含有低壓側總斷路器的模式。

圖1 典型500 kV變壓器一次接線圖Fig.1 Typical primary wiring diagram of 500 kV transformer

500 kV 變壓器主保護一般有縱差保護、分側差動保護、分相差動保護、低壓側小區差動，各種保護的保護范圍如表1所示［11］。

表1 500 kV變壓器主保護配置與保護范圍Table 1 Main protection configuration and protection range of 500 kV transformer

若主變低壓側具有總斷路器，普遍采取的保護配置為：縱差保護、分側差動保護。若主變低壓側無總斷路器，普遍采取的保護配置為：分相差動保護、分側差動保護［12-14］。

1.2 加裝低壓側斷路器對主變主保護范圍的影響

根據圖2，若低壓側無總斷路器，主保護（分相差動保護）在低壓側的保護范圍僅至低壓繞組，無法保護低壓繞組至低壓側母線之間的引出線。加裝低壓側總斷路器后，由圖3可以看出，主保護（縱差保護）在低壓側的保護范圍至低壓側斷路器TA處，與分相差動保護相比，保護范圍有所擴大。

圖2 分相差動保護范圍Fig.2 Split-phase current differential protection rage

圖3 縱聯差動保護范圍Fig.3 Longitudinal differential protection rage

2 加裝低壓側斷路器對變壓器后備保護的影響

2.1 500 kV變壓器低壓側后備保護配置

500 kV變壓器低壓側后備保護一般為低壓側過流保護，并設置兩個動作時限，分別是低過流1時限和低過流2 時限，兩個動作時限可分別設置為跳開不同的斷路器。低過流定值一般設置為1.4Ie（Ie為主變低壓側額定電流），達到過流定值且達到對應過流時限后，后備保護動作并出口跳開對應斷路器［15-16］。

2.2 加裝低壓側斷路器對主變后備保護的影響

對比南京電網某500 kV 變電站主變加裝低壓側斷路器前后的調度定值單，無低壓側總斷路器時，低過流定值為1.4Ie，低過流1 時限停用，低過流2 時限1 s（跳主變壓器各側）；加裝低壓側總斷路器后，低過流定值1.4Ie，低過流1時限0.6 s（跳變壓器低壓側），低過流2時限1 s（跳主變壓器各側）。

該變電站在加裝低壓側斷路器改造前的一次結構如圖4所示，主變低壓側無總斷路器，低壓側為4個電抗器間隔，分別是311電抗器、312電抗器、313電抗器、314電抗器，且電抗器間隔斷路器前置，具有切斷短路電流的能力。當電抗器間隔斷路器前置時，一般配置差動保護或過流保護，差動保護的動作時間為0 s 速動，過流一段的動作時間一般不超過0.3 s［17-19］。假設主變在額定運行狀態，此時311 電抗器間隔在0.2 s 時刻發生區內三相短路故障，正常情況下應由電抗器保護動作，跳開311 斷路器以隔離故障點，假設311 斷路器拒動，故障狀態下主變低壓側電流如圖5所示。

圖4 變壓器低壓側加裝斷路器改造前一次接線圖Fig.4 Primary wiring diagram before installing breaker at the transformer low-voltage side

圖5 變壓器低壓側加裝斷路器改造前低壓側故障電流Fig.5 Low-voltage side fault current before installing breaker at the transformer low-voltage side

由圖5 可以看出，主變低壓側電流擴大至額定電流的2 倍左右，故障持續1 s 后，由于主變低壓側過流保護2 時限動作，主變保護跳開高壓側與中壓側斷路器，故障點被隔離，同時主變退出運行。

加裝主變低壓側總斷路器3510后，主變間隔一次結構如圖6 所示。假設在這種情況下311 電抗器間隔同樣發生區內三相短路故障且311 斷路器拒動，故障狀態下主變低壓側電流如圖7所示。

圖6 變壓器低壓側加裝斷路器改造后一次接線圖Fig.6 Primary wiring diagram after installing breaker at the transformer low-voltage side

圖7 變壓器低壓側加裝斷路器改造后低壓側故障電流Fig.7 Low-voltage side fault current after installing breaker at the transformer low-voltage side

由圖7 可以看出，由于主變低壓側電流擴大至額定電流的2倍左右，故障持續0.6 s后，主變低壓側過流保護1時限動作，跳開低壓側斷路器3510，故障點被隔離，但主變高、中壓側仍可以保持運行狀態。

對比以上兩種情況，當主變低壓側某間隔發生故障時，若該間隔斷路器拒動，無低壓側總斷路器模式故障電流持續時間長，且導致主變跳閘退出運行；有總斷路器模式時故障電流持續時間減少，僅主變低壓側斷路器跳閘，主變高中壓側仍可以正常運行。

3 電抗器間隔斷路器后置式接線與主變低壓側斷路器

3.1 電抗器間隔斷路器后置式接線與保護配置

電抗器間隔斷路器后置式接線的模型圖如圖8所示，在該模式下，主變低壓側設總斷路器，且在各個低壓側設備間隔配置斷路器，電抗器靠近35 kV母線側，而斷路器遠離母線側，為后置式布置。

圖8 電抗器間隔斷路器后置式接線圖Fig.8 Electric reactor bay with breaker rear-wiring pattern

以圖8 的500 kV 變電站低壓系統為例，4 臺35 kV 電抗器的容量均為60 000 kVar，各間隔正常運行時的負荷相電流為980 A（負荷電流的波動性忽略不計）［20-22］，低電流保護的動作值為400 A（一次值）。低電流保護的動作條件是：當某相電流低于定值且滿足低電壓解鎖要求時，保護延時跳閘［23-24］。

以321 間隔的電抗器發生三相短路故障為例說明繼電保護的動作原理。假如故障過渡電阻可以忽略不計，故障電流僅流經至故障點而不再流經TA，TA 上的電流由正常負荷電流下降至接近于0，因此保護可以判斷故障發生在321 間隔。假如故障過渡電阻較大，故障電流將根據過渡電阻與故障點到間隔末尾阻抗值的大小進行分流?？傮w而言，在這種情況下，故障電流也會降低，保護將正常動作。保護動作后，321 斷路器跳開，但跳開321 斷路器并不能切斷故障電流，故需要跳開3520 斷路器以隔離故障點。因此，電抗器間隔斷路器后置式接線模式下，某電抗器間隔故障將導致對應主變低壓側全部間隔退出運行。

3.2 電抗器間隔斷路器后置式接線情況下的保護誤動

假設低壓側某一個電抗器間隔發生電抗器故障，故障點為f點，將圖8中的一次模型轉化為電抗器間隔等效模型圖，如圖9所示，圖中，Ls是35 kV側的等效電抗，約0.008 H；L是故障至電源側的電抗值，整個間隔的電抗值為0.065 H；Rf是故障點過渡電阻，考慮到現場發生的多起故障實際過渡電阻值均較小，便于分析起見，這里假定Rf不超過5 Ω；Z是間隔末端斷路器、電流互感器、中性點接地刀閘等裝置的綜合等效阻抗，取0.5 Ω。

圖9 電抗器間隔等效模型圖Fig.9 Equivalent model diagram of reactor

如圖9所示，若故障點靠近母線側，即L值較小，取L=0.005 H，Rf=1 Ω，故障發生時刻為1 s，故障持續時間為0.5 s，在PSCAD 軟件中進行仿真。流經故障間隔TA的電流I1如圖10所示；低壓側母線的故障電壓U如圖11所示；非故障間隔流經TA的電流I2如圖12所示。由于故障為對稱性故障，不失一般性，有關波形圖均僅繪制單相波形。

圖10 故障點靠近母線側時I1的波形圖Fig.10 I1 waveform when the fault point is close to the bus side

圖11 故障點靠近母線側時母線電壓的波形圖Fig.11 Waveform of bus voltage when the fault point is close to the bus side

圖12 故障點靠近母線側時I2的波形圖Fig.12 I2 waveform when the fault point is close to the bus side

由圖10 可見，流經故障間隔TA 的電流I1在故障發生后明顯下降；根據圖11，低壓側母線電壓在故障后有一定程度的跌落；根據圖12，非故障間隔流經TA 的電流I2也有顯著下降。由于故障點靠近母線，低壓側母線的電壓通常會減低，流經正常運行電抗器間隔的電流可能減小甚至低于低電流保護定值，如圖12 所示，此時該間隔配置的低電流保護將誤判為本間隔故障，保護動作跳開低壓側總斷路器。

為防止低電流保護誤動作造成誤切除正常運行的電抗器間隔，可對主變配置低壓側斷路器且電抗器間隔斷路器后置的接線方式進行改造。將電抗器間隔后置式輕型斷路器改造為可切斷故障電流的斷路器，并將斷路器前置放置。這種接線方式下，不會造成電抗器故障間隔誤判，根據第2 節的分析，即使出現電抗器間隔斷路器拒動，主變低壓側后備保護也能可靠動作，切除主變低壓側斷路器以隔離故障區域。

4 主變低壓側加裝總斷路器面臨的其他問題

4.1 建設成本與場地問題

電抗器間隔斷路器后置式接線的模型圖如圖8所示，在該模式下，主變低壓側設總斷路器，且在各個低壓側設備間隔配置斷路器，電抗器靠近35 kV母線側，而斷路器遠離母線側，為后置式布置。

早期投運的500 kV 變電站，受制于建設成本，往往不在主變低壓側加裝總斷路器。近年新建的500 kV變電站廣泛采取主變低壓側裝設總斷路器的接線方式，且一些已投運多年的變電站也開始進行加裝低壓側總斷路器改造［25-26］。

已投運變電站加裝主變低壓側總斷路器，主要成本為增加一次設備，主變保護裝置無需更換。但已建成的主變低壓側場地，往往空間狹窄，無法新增低壓側總斷路器及配套的電流互感器、隔離開關、接地刀閘等一次設備，這給改造帶來了現實困難。隨著GIS 設備的廣泛應用，給已投運變電站加裝主變低壓側總斷路器帶來了可能。GIS設備結構緊湊，占地面積?。?7-30］，可應用于敞開式變電站主變低壓側加裝總斷路器的改造工程。

4.2 五防閉鎖邏輯的改變

主變低壓側加裝總斷路器，低壓側需相應新增隔離開關、接地刀閘等一次設備，主變間隔的五防閉鎖邏輯也會隨之改變。由于主變低壓側加裝隔離開關，主變高、中壓側的隔離開關、接地刀閘的閉鎖邏輯不再與主變低壓側母線、電抗器、電容器間隔相關［31-36］，改造后的五防閉鎖邏輯將更加簡潔。

5 結語

本文介紹了主變低壓側加裝總斷路器對變壓器主保護的影響，進而以南京電網某500 kV變電站為例介紹了低壓側加裝總斷路器對變壓器后備保護的影響。通過PSCAD仿真，解釋了主變配置低壓側斷路器且電抗器間隔斷路器后置的接線方式情況下保護誤動作的原理并提出改進措施。最后闡述了主變低壓側加裝總斷路器面臨的建設成本、場地利用、五防閉鎖邏輯改變的問題。主要結論如下：

1） 與主變低壓側不配置總斷路器相比，加裝低壓側總斷路器將延伸變壓器主保護的保護范圍；

2） 當主變低壓側某間隔發生故障時，若該間隔斷路器拒動，無低壓側總斷路器模式將導致主變跳閘并退出運行，有總斷路器模式時僅主變低壓側斷路器跳閘，主變可保持正常運行狀態；

3） 對主變配置低壓側斷路器且電抗器間隔斷路器后置的接線方式，通過對后置式輕型斷路器改造，可避免造成電抗器故障間隔誤判；

4） 利用GIS 設備體積小的特點，可在有限的敞開式空間內裝設主變低壓側總斷路器及配套設備，且裝設總斷路器后可簡化主變間隔的五防閉鎖邏輯。