摘 要：變壓器保護(hù)計(jì)算是電力系統(tǒng)整定計(jì)算的重要一環(huán)，是電力設(shè)備保護(hù)計(jì)算的基礎(chǔ)，變壓器保護(hù)計(jì)算的正確與否直接關(guān)系到變壓器發(fā)生故障時(shí)保護(hù)裝置能否正確動(dòng)作?，F(xiàn)首先對(duì)差動(dòng)保護(hù)及變壓器后備保護(hù)計(jì)算原理進(jìn)行研究，然后分析變壓器整定計(jì)算原則是否符合35 kV變壓器保護(hù)切除短路故障要求，并經(jīng)算例分析與實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了變壓器保護(hù)定值的選擇性與靈敏性，為變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變壓器；整定計(jì)算；短路電流；靈敏度

中圖分類號(hào)：TM774? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）16-0009-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.003

0? ? 引言

變壓器是電網(wǎng)構(gòu)成的重要設(shè)備之一，起著電能傳輸和電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換的核心作用，當(dāng)變壓器非正常狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，尤其是發(fā)生內(nèi)部繞組匝間短路或外部套管故障時(shí)，短路點(diǎn)產(chǎn)生的巨大短路電流將通過變壓器繞組和鐵芯，短時(shí)間產(chǎn)生大量熱量，輕則改變變壓器本體外形，重則燒毀整個(gè)變壓器及其相鄰電力設(shè)備。大型電力變壓器內(nèi)部設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，構(gòu)造成本居高不下，如發(fā)生變壓器故障致使設(shè)備損壞等情況，將使整個(gè)供電系統(tǒng)停電，從而對(duì)居民生活造成極大不便，由于主變大修要求技術(shù)高、時(shí)間長、維修困難，在經(jīng)濟(jì)上也會(huì)造成極大損失[1]。

35 kV變壓器主要配置以非電量保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)為首的主保護(hù)，并配置以復(fù)合電壓閉鎖的過電流保護(hù)和過負(fù)荷告警等功能的后備保護(hù)。非電量保護(hù)中有反映變壓器內(nèi)部油流和氣體變化量的重瓦斯跳閘、輕瓦斯告警功能，也有反映變壓器溫度變化量的油溫高跳閘及繞組溫度高報(bào)警等保護(hù)，保護(hù)配置如圖1所示。通過多重保護(hù)可以確保電力變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

1? ? 變壓器保護(hù)原理

差動(dòng)保護(hù)是電力變壓器區(qū)內(nèi)故障的主保護(hù)，無須與其他保護(hù)配合，可以快速無選擇性地切除區(qū)內(nèi)故障，其通過CT采集變壓器不同側(cè)二次電流，在保護(hù)裝置差動(dòng)回路中形成環(huán)流計(jì)算差流[3]，變壓器正常運(yùn)行時(shí)差流為零，當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí)，流進(jìn)保護(hù)裝置的差流為短路電流，當(dāng)短路電流大于保護(hù)裝置設(shè)置定值時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作跳變壓器各側(cè)開關(guān)，其保護(hù)原理如圖2所示。

（1）

式中：nCT1為一側(cè)CT變比；nCT2為二側(cè)CT變比。

（2）

式中：Ik′為二次電流相量和大小。

Ibh為保護(hù)定值，當(dāng)Ik′＞Ibh時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳各側(cè)斷路器。

在差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算中，變壓器各側(cè)連接繞組不同，各側(cè)電流大小和電流互感器變比也不一致，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)回路中有不平衡電流產(chǎn)生[4]。在智能保護(hù)裝置中應(yīng)用比率差動(dòng)保護(hù)計(jì)算原理，能夠保證區(qū)外故障時(shí)不平衡電流產(chǎn)生保護(hù)不誤動(dòng)，區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)有很好的靈敏度，其公式如下：

Id≥Iqd.min，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Ir≤0.5Ie，Id-Iqd.min≥k×（Ir-0.5Ie），? ? ? ?0.5Ie＜Ir≤3Ie，Id-Iqd.min≥k×2.5Ie+Ir-3Ie，? ? ?Ir＞3Ie? ? ?（3）

式中：Id為差動(dòng)電流；Iqd.min為差動(dòng)啟動(dòng)電流；Ir為制動(dòng)電流；Ie為額定電流；k為比率制動(dòng)系數(shù)。

（4）

其原理如圖3所示。

2? ? 變壓器保護(hù)原則

35 kV變電站變壓器保護(hù)計(jì)算整定值時(shí)，主要依據(jù)《黑龍江省10 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)整定計(jì)算技術(shù)規(guī)范（試行）》、DL/T 584—2017《3 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》[5]和Q/GDW 11425—2018《省、地、縣電網(wǎng)繼電保護(hù)一體化整定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》[6]來選取35 kV變壓器保護(hù)整定原則。

2.1? ? 變壓器差動(dòng)保護(hù)整定原則

變壓器差動(dòng)保護(hù)主要有差動(dòng)速斷保護(hù)和比率差動(dòng)保護(hù)需計(jì)算定值。差動(dòng)速斷保護(hù)整定原則為躲變壓器充電時(shí)勵(lì)磁涌流，其大小與變壓器的容量有關(guān)，35 kV變電站變壓器容量多為3.15～10 MVA，其差動(dòng)速斷整定為變壓器容量越大，倍數(shù)越小，多數(shù)取5倍。比率差動(dòng)保護(hù)差動(dòng)啟動(dòng)電流整定原則為躲變壓器正常運(yùn)行的最大不平衡電流，其計(jì)算公式如下[7]：

Iqd.min=Kk（Ker+ΔU+Δm）Ie? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.3～1.5；Ker為電流互感器誤差比，10P取0.06，5P取0.02；ΔU為變壓器調(diào)壓范圍比，取變壓器調(diào)壓百分比的一半；Δm為變壓器高低兩側(cè)電流互感器變比不匹配時(shí)產(chǎn)生的誤差，取0.05。

2.2? ? 變壓器后備保護(hù)整定原則

根據(jù)規(guī)程要求，經(jīng)過復(fù)壓閉鎖的變壓器后備過電流保護(hù)，應(yīng)選取合適的電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)系數(shù)來決定最大允許負(fù)荷電流[8]，以避免短路故障被保護(hù)切除后，保護(hù)裝置采集電壓恢復(fù)故障前狀態(tài)，而系統(tǒng)中負(fù)荷由于電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)超過過電流保護(hù)定值，造成保護(hù)誤動(dòng)。故35 kV變壓器后備保護(hù)的計(jì)算公式如下：

Idz≥Kk×Kzq×Ie/Kf? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：Idz為動(dòng)作電流；Kk為可靠系數(shù)，取1.15～1.25；Kzq為自啟動(dòng)系數(shù)，多數(shù)為1，具體按接線和負(fù)荷性質(zhì)確定；Kf為保護(hù)返回系數(shù)，新式微機(jī)綜自裝置取0.95，老式電磁型取0.85。

變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)后備保護(hù)裝置均配有過負(fù)荷定值，其功能分為告警和跳閘，過負(fù)荷定值的整定原則為按躲過變壓器額定電流的1.05倍整定，其公式如下：

Idz≥Kk×Ie/Kf? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

3? ? 算例分析與應(yīng)用

龍江35 kV合山變?cè)腥萘? 300 kVA，由于近幾年經(jīng)濟(jì)增長和農(nóng)耕灌溉致使負(fù)荷增加，原有容量不足以滿足居民生產(chǎn)和生活需求，所以提出將原有6.3 MVA容量變壓器增容為10 MVA，更換變壓器參數(shù)為SZ11-10000/35（35±3×2.5%/10.5 kV），變壓器接線方式為Y/△-11接線，變壓器高壓側(cè)CT變比為200/5，低壓側(cè)CT變比為800/5。合山變?yōu)榫C自變電站，主變分為主保護(hù)和后備保護(hù)，主保護(hù)為變壓器差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)為經(jīng)復(fù)合電壓閉鎖的變壓器過電流保護(hù)，采用長園深瑞ISA-387G和ISA-388G變壓器保護(hù)裝置。

合山變35 kV變電站運(yùn)行方式為上級(jí)線路西碾線單線供電方式，該變壓器配備的過電流保護(hù)除保護(hù)本變壓器之外，還是下級(jí)線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)，在下級(jí)線路保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，本保護(hù)能動(dòng)作切除故障。在計(jì)算變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)后備保護(hù)定值時(shí)，依據(jù)選擇性原則，主變低壓側(cè)后備保護(hù)要比高壓側(cè)后備保護(hù)差1.1倍配合系數(shù)；依據(jù)靈敏性原則，主變的高后備保護(hù)對(duì)低壓側(cè)母線故障要有不小于1.3倍靈敏度，低壓側(cè)保護(hù)對(duì)本母線靈敏度要大于1.5。35 kV變壓器后備保護(hù)時(shí)間整定時(shí)，應(yīng)考慮與上級(jí)線路時(shí)間配合關(guān)系，有不小于Δt的時(shí)間極差，由于35 kV合山變?yōu)殡p繞組變壓器構(gòu)造，高后備保護(hù)時(shí)間與低后備保護(hù)時(shí)間要有不小于0.3 s的時(shí)間極差[6]。

合山變35 kV變電站一次系統(tǒng)如圖4所示，該站共有2臺(tái)35 kV雙繞組變壓器，依據(jù)龍江縣調(diào)運(yùn)行方式為2臺(tái)35 kV變壓器不并列運(yùn)行。

根據(jù)地調(diào)35 kV西碾線保護(hù)運(yùn)行方案，過流保護(hù)定值一次值為420 A，時(shí)間為1.9 s，合山變35 kV母線等值電源為Xmin=1.351 1，Xmax=1.577 4。以1號(hào)主變?yōu)槔?jì)算出等值阻抗，如圖5所示。

3.1? ? 變壓器差動(dòng)保護(hù)整定

1）差動(dòng)速斷保護(hù)按躲變壓器勵(lì)磁涌流整定：

Idz≥5Ie≥5×164.96=824.8 A? ? ? ? ? ? ? （8）

取Idz為825 A，校驗(yàn)變壓器正常方式下高壓側(cè)靈敏度：

Klm=Id.max/Idz=（1/1.351 1）×1 560/825≈1.40 （9）

式中：Klm為靈敏度；Id.max為正常方式下三相短路電流。

靈敏度大于1.2滿足要求。

2）比率差動(dòng)啟動(dòng)電流整定：

Iqd.min=1.5×（0.06+0.075+0.05）Ie=0.277 5Ie? （10）

取啟動(dòng)電流為0.3Ie。

3.2? ? 高壓側(cè)后備保護(hù)整定

1）躲主變本側(cè)額定電流：

Idz≥Kk×Ie/Kf=1.25×164.96/0.95

≈217.05 A（11）

2）按變壓器中低壓側(cè)母線故障時(shí)有靈敏度整定。小運(yùn)行方式，在合山變1號(hào)主變的低壓側(cè)發(fā)生兩相相間短路：

Idz≤I2d.min/Klm=（1/2.274 0）×1 560/1.3

≈527.7 A（12）

式中：I2d.min為小運(yùn)行方式下兩相相間短路電流。

3）與上級(jí)電流保護(hù)反配合。與上級(jí)西碾線過流定值（I=420 A，t=1.9 s）反配合：

Idz≤I/（Kk×Kfz）=420/（1.1×1）≈381.82? ?（13）

式中：Kfz為分支系數(shù)。

tbh=t-Δt=1.9-0.3=1.6 s切主變兩側(cè)開關(guān)，所以復(fù)閉過流定值取292 A。

二次值Idzj=Idz/CT=292/（200/5）=7.3 A，小運(yùn)行方式下校核1號(hào)主變低壓側(cè)靈敏度為：

Klm=I2d.min/Idz=（1/2.274 0）×1 560/292

≈2.35＞1.3? ?（14）

滿足靈敏度要求，過負(fù)荷電流定值按1.05倍的額定電流整定：

Idz≥Kk×Ie/Kf =1.05×164.96/0.95≈182.32（15）

取184 A，tbh=9.0 s作用于過負(fù)荷信號(hào)。

3.3? ? 低壓側(cè)后備保護(hù)整定

1）躲主變本側(cè)額定電流：

Idz≥Kk×Ie/Kf =1.25×549.86/0.95=723.5 A（16）

2）按變壓器中低壓側(cè)母線故障時(shí)有靈敏度整定。小運(yùn)行方式，在合山變1號(hào)主變的低壓側(cè)發(fā)生兩相相間短路：

Idz≤I2d.min/Klm=（1/2.274 0）×5 500×0.866/1.5

≈1 396.36 A? ? ? ? ?（17）

3）與高壓側(cè)復(fù)合閉鎖方向過流保護(hù)反配合：

Idz≤[Idzh/（Kfz×Kk）×Ueh]/Uel

=[292/（1×1.1）×37]/10.5≈935.41 A（18）

式中：Idzh為高壓側(cè)定值；Ueh為高壓側(cè)基準(zhǔn)電壓；Uel為低壓側(cè)基準(zhǔn)電壓。

考慮到變壓器額定電流為549.86 A，為保證與主變高壓側(cè)過流配合時(shí)0.866系數(shù)，故取復(fù)閉過流定值Idz=800 A。

二次值Idzj=Idz/CT=800/（800/5）=5 A，第一動(dòng)作時(shí)限tbh1=1 s切低壓側(cè)分段，第二動(dòng)作時(shí)限tbh2=1.3 s切低壓側(cè)開關(guān)。

小運(yùn)行方式下1號(hào)主變低壓側(cè)靈敏度為：

Klm=I2d.min/Idz=2 094.55/800≈2.62＞1.5? ? ?（19）

滿足靈敏度要求，同理過負(fù)荷電流定值按1.05倍的額定電流整定：

Idz≥Kk×Ie/Kf =1.05×549.86/0.95=607.74 A? （20）

取608 A，tbh=9.0 s作用于過負(fù)荷信號(hào)。

故合山變主變高后備保護(hù)及低后備保護(hù)定值和時(shí)間完全配合，為合山變安全運(yùn)行提供了更好的保障。

4? ? 結(jié)束語

電力系統(tǒng)短路計(jì)算是解決電力系統(tǒng)相間故障的有效手段，繼電保護(hù)中整定計(jì)算原則的準(zhǔn)確選取、導(dǎo)則的相關(guān)運(yùn)用是保證繼保裝置正確動(dòng)作的重要一環(huán)，有效的整定計(jì)算值可以避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，避免可能發(fā)生的事故，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行起到?jīng)Q定性作用。

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收稿日期：2023-04-13

作者簡介：張延福（1989—），男，黑龍江人，工程師，研究方向：繼電保護(hù)整定計(jì)算。