变压器和线路的继电保护整定心得

浅谈变压器和线路的继电保护整定计算摘要电力变压器是电力系统中的重要设备，其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定地工作。作为电力系统重要设备之一的变压器，其主保护主要差动保护和瓦斯保护。差动保护作为变压器的电气量主保护，其性能决定着变压器保护的性能，本文对变压器的差动保护基本原理做了介绍，同时对作为主变后备保护的复压过流保护进行了简单介绍，并结合应用实际以兴荣变主变保护的整定为例详细介绍了主变差动保护和后备保护的计算过程。除了对变压器保护整定计算的介绍，本文还针对厂内存在线路保护整定的一些弊端所导致的越级跳闸事件频发的现状，结合厂内几种常见的线路供电方式，对线路保护的整定配合问题做了简要的分析，以利于线路保护的整定配合，避免因越级跳闸导致的事故范围扩大。关键词：变压器保护；线路保护；整定配合一、变压器的差动保护1、配置要求一般要求电压等级10KV以上、容量为10MVA以上的变压器要装设差动保护。2、用途变压器差动保护反映变压器内部绕组相间短路和接地故障以及外部引出线到电流互感器之间的相间短路，且在一定程度上可以反映变压器内部的绕组匝间短路。差动保护反映匝间短路故障不理想的原因：匝间短路特别是小匝数的匝间短路，虽然在匝间短路形成的环路中有很大的短路电流，但是反映在外部的差流却不大，甚至引起的差流都不大于因有载调压而产生的差流（都是由于匝数的变化引起的差流）。因此匝间短路主要是通过瓦斯继电器保护，即利用匝间短路内部很大的环流产生的热量，使变压器油发热膨胀，推动气体继电器动作。3、原理1）传统电磁继电器式的差动保护差动继电器整定值固定为6A，一方面考虑有足够灵敏度，一方面要大于5A，主要是防止因一侧CT断线，差流等于负荷电流，而CT在一次侧为负荷电流时，二次侧电流不会大于5A，因此整定为6A，可以可靠躲过因CT断线时最大负荷电流引起的差流。比较上面两图可知，差动保护能够很好地判别区内故障和区外故障。2）微机保护原理的差动保护（数字式保护）规定正方向：变压器两侧均以母线指向变压器为正方向。三段式比率制动特性曲线图如下（横坐标为制动电流，纵坐标为差动动作电流）：其动作方程为：22112cd11cdcdSIISIIIISIIIIIIresresresrescdqdresrescdqdcdqd2211resresresresresresresIIIIIII)(21)(1res1cd各侧电流标量和的一半各侧电流相量和miimiiIIII式中：S1为第二段折线的斜率；S2为第三段折线的斜率；Icdqd为差动启动电流；Icdsd为差动速断电流。由上图可知随着制动电流的增大，动作电流先是不变（Ires拐点电流Ires1），然后在启动电流的基础上以斜率S1增加，当制动电流大流拐点电流2时，差动动作电流会变得更大，即采用固定门槛值加浮动门槛值。动作电流不断增大的原因是为了防止外部短路时电流很大，可能造成两侧CT饱和程度不同，会有差流，可能误动，因此利用差动动作电流随制动电流的增大而增大，来防止区外故障误动。由以上可知，决定三段式差动保护比率制动特性的参数有：差动启动电流、拐点电流1、拐点电流2、比率制动系数1、比率制动系数2。（1）参数的整定差动启动电流Icdqd：一般为0.4~0.8Ie；拐点电流Ires1：一般为0.5~1Ie；拐点电流Ires2：一般为3~4Ie；比率制动系数S1：基本都取为0.5；比率制动系数S2：可取0.6~0.8；差流告警定值：一般取门槛值（差动启动电流）的一半左右（建议投入，且不能大于启动定值）；二次谐波制动系数：0.15~0.20；二次谐波制动系数是指在流入保护装置的差流中，当二次谐波分量与基波分量的比值大于某一值时，将此差流判定为励磁涌流，将保护装置闭锁。对于二次谐波制动系数的整定既不能过大，过大会造成保护误动，过小则会导致涌流闭锁元件太过灵敏，造成保护拒动，因为正常的短路电流中也含有部分的二次谐波分量。因此在空充变压器时，如果出现保护动作，而变压器本身无故障，很有可能使二次谐波制动系数整定过大。综上所述：二次谐波制动系数的选择应该根据试验时的临界值来确定。因此，趋利避害，二次谐波定值不宜取过小，稍大点比小点好，因为在空充变压器时，宁可保护误动，也不能让其拒动。注意问题：当空充变压器时，如果差动保护动作，绝不可以单一的判定为励磁涌流的原因，此时要结合其他的一些辅助因素进行综合判定：A)若比率差动保护动作时伴随有压力释放动作、压力突变动作、轻瓦斯等信号时，可能是变压器内部存在故障。B)一般情况下两套不同涌流闭锁原理的保护同时动作的情况下，就可以排除不是励磁涌流的原因，因为两套不同闭锁原理的保护同时制动失败的可能性基本为零。C)如果差动速断也动作，也可以基本排除励磁涌流的原因，因为差动速断就是靠躲励磁涌流整定的，它动作，说明差流非常大，可能是内部短路故障（当然，也不排除是因为差动速断定值过小，无法躲过最大励磁涌流的可能）。因此综上所述：如果空充变压器时差动保护动作，不管是不是励磁涌流的原因，都要求试验人员对差动保护范围内的设备进行检查，确定是否存在故障。（2）纵差保护的灵敏度校验保证小方式下保护区内变压器低压侧两相相间故障灵敏度大于2。（3）差动速段保护1）采用差动速断保护的原因差动速断保护作为比率差动保护的辅助保护，主要是由于在空投变压器和外部短路切除时会产生很大的励磁涌流，该励磁涌流会成为差流从而使纵差保护误动，为此变压器纵差保护都设置了涌流闭锁元件，利用波形畸变或谐波分量来区分励磁涌流和故障电流，若判别为励磁涌流，则将纵差保护闭锁。但是在变压器内部严重故障时如果CT暂态饱和，CT二次电流波形将发生严重畸变，并含有大量的谐波分量，从而使涌流闭锁元件误判定为励磁涌流将保护闭锁，致使差动保护拒动，造成变压器严重损坏。为了克服纵差保护的缺点，设置差动速断，它的动作电流很大，比最大励磁涌流还大，只需要差流达到其整定值，就会瞬时动作，而不再经涌流闭锁。2)差动速断保护定值的整定按躲空充变压器时的最大励磁涌流整定，一般取8~10Ie。二、变压器保护实例（兴荣变主变保护整定）参数：容量SN=63MVA，短路电压百分比11.9%，额定电流高压侧330A、低压侧3464A，兴荣变110KV母线正序短路阻抗标幺值（忽略东荣线线路阻抗）：;9144.0;8406.0m1max1inZZ兴荣变10KV母线正序短路阻抗标幺值：;8234.2;7296.2m1max1inZZ1、差动保护差动启动电流Icdqd：取0.6Ie；即200A/1a。拐点电流Ires1：取0.5Ie；即166A0.83a。拐点电流Ires2：取4Ie；即1320A/6.6a。比率制动系数S1：0.5；比率制动系数S2：0.8；差流告警：取值70A/0.35a，时限5s。TA断线闭锁差动控制字置“0”（TA断线不闭锁差动保护，仅母差保护投入，其他差动保护不投）。2、差动速断定值按躲空投变压器时的励磁涌流整定。变压器空投时产生的励磁涌流一般为6～8倍变压器额定电流，330×8=2640A，差动速断保护定值取值：即2640A/13.2a。说明：在整定差动速断保护定值时，以前要求考虑躲过大方式下变压器低压侧（三绕组变压器躲中压侧）三相短路时流过高压侧的短路电流，主要是考虑到低压侧（中压侧）故障时，一侧CT完全饱和，从而导致差动速断动作。现在一般不再考虑此条件，主要是因为低压侧（中压侧）短路时，CT不可能完全饱和，只要不完全饱和，就会有电流进行中和，所以差动速断可不以这一条件整定，定值相比而言可以更低。3、灵敏度校验小方式下变压器低压侧两相短路时电流为：A154011531000238234.21min.d)2(I此时的制动电流为：AIIdres77015402121min.)2(对应的动作电流为：AIcd5025.0)166770(200则灵敏度为：207.35021540min.)2(sencddIIK满足灵敏度要求。三、主变后备保护1、主变高后备保护（1）复压过流保护简介：复压过流保护一般用于升压变压器、发电机以及过电流保护灵敏系数达不到要求的降压变压器的后备保护，是由一个负序电压继电器（相或线）和一个接在相间电压上的低电压继电器共同组成的复合电压元件，两个继电器只要有一个动作，同时电流继电器也动作，整套保护装置即能启动。其主要是用来解决系统在线路终端两相短路（负序元件起作用）或三相短路（低电压元件起作用）时，故障电流达不到速断值或保护灵敏度不够，过流保护的延时时间又太长，因而引入复合电压回路，来降低过流的动作值。另一方面采用复压过流还可以区分故障电流和过载电流（主要由于备自投的作用，一台主变故障，负荷全部转移到另一台主变上，使另一台主变严重过负荷），即利用故障时（三相故障电压降低，低电压元件动作；两相短路时出现负序电压，负序电压继电器动作）电压的变化，而过载时仅有电流增大，电压变化不大的特点区分故障电流和严重过负荷电流。（2）整定原则A)高后备保护的范围要保证变压器低压侧故障灵敏度≥1.4~1.5，一般取2Ie，即660A/3.3a，然后再校验灵敏度。取2Ie原因：为了不采用复压。采用复压的原因是因为过流保护的灵敏度无法满足要求，当过流保护灵敏度满足要求时，复压最好不用，如果用的话就会增加拒动的可能性。（前面已经算得低压侧两相短路的电流为1540A，考虑1.5倍的灵敏度，为1020A，即只要取值小于1020A肯定满足灵敏度要求。）B)时限：由于东荣线距离Ⅲ段的保护范围也覆盖到兴荣变低压侧母线，因此高后备保护时间上要比距离Ⅲ段时间小一个时间差，即取1.7s。C)说明：对于单线带单变压器而言，高后备保护可不与距离Ⅲ段配合，因为上下级开关跳闸性质一样。但对于兴荣变而言，由于采用双母线，且以后有可能出现单线带双变压器的情况，这样一来，上下级开关跳闸的性质和断电范围是不同的，因此必须要求配合。此外不管带单变压器还是带双变压器，配合的另一个好处就是有利于运行人员根据跳闸位置来判断故障在哪一段，即可以缩小寻找故障的范围。（3）过负荷告警按1.24Ie整定，定值取值：400A/2a，时限5s；2、低后备保护（1）低后备保护的整定1）过流元件定值要满足下面两点：A)要作为低压侧母线的近后备（灵敏度大于等于1.5）；B)要作为所有出线的远后备（即要保证下级出线中最长的一条末端在小方式下发生故障有灵敏度。由于厂区内采用全线电缆，且长度较短，因此线路阻抗可忽略不计，则只要第一点可以满足，第二点肯定可以满足。为了和高后备保护配合，一般取1.5~1.8Ie（配合系数取1.1~1.2，考虑有载调压的影响）。因此取1.8Ie，即6235，取整6240A/7.8a，延时1.4s（比高后备小一个时间差，此处低后备时间也可以小于1.4s，之所以设置为1.4s，主要是为了给下级线路留出足够的时间级差）。2）灵敏度校验：低压侧两相短路时电流为：A168665.1031000238234.21min.d)2(I，灵敏度满足要求。5.17.2624016866senK3）电压元件复压闭锁相间低电压：取值60V（线电压）；复压闭锁负序相电压：取值3.46V（相电压）；说明：复压元件一般在灵敏度达到1.8以上时，可以不投。此处高后备复压不投，而低后备复压投入（可以不投）是考虑到应用复压的利与弊（用可能会拒动，不用可能会误动）。4）低后备增设一段保护理由：上述低后备时间为1.4s，如果母线发生故障，以1.4s的延时切出故障，时间太长，可能会导致严重发热，导致事故范围增大（可能导致更多的开关柜烧坏），因此增设一段时间更短的保护作为低后备保护的Ⅰ段，1.4s的保护作为低后备保护的Ⅱ段。由上面的计算可得低压侧两相短路电流为：A168665.1031000238234.21min.d)2(I因此可将定值取为10000A/12.5a，时间取0.6s（数值要与下级出现中速断的最大值相配合，时限比下级