220kV主变串联电抗器保护设计缺陷的改进方案_张凯

南京工程学院学报(自然科学版)

JournalofNanjingInstituteofTechnology(NaturalScienceEdition)

Vol.2,No.4

Dec.,2004

　　文章编号:1672-2558(2004)04-0051-05

220kV主变串联电抗器保护

设计缺陷的改进方案

张　凯

(南京供电公司,江苏　南京,210008)

摘　要:作为一座降压变电站,其变压器低压侧串联一台分裂电抗器运行的情况并不多见.设计部门在对此特殊案例的继电保护的设计当中,产生了一些疏漏.文中对这一实际工作中出现的情况,从继电保护的基本原理入手,详细分析了主变电抗器保护设计中存在的缺陷,提出了几种消除隐患的实施方案,同时对每种方案的利弊进行了研究探讨.并根据实际情况,初步给出了结论.关键词:电抗器保护;设计缺陷;参考方案中图分类号:TM47

文献标识码:B

ThePreventionoftheDesignBugsin220kVTransformers牕ReactorProtection

ZHANGKai

(NanjingPowerSupplyCompany,Nanjing210008,China)

Abstract:Itisraretoseeafissionreactorinseriesconnectedtothelowvoltagesideofthetransformerinastep-downsubstation.Insuchaspecialsystem,thereareafewbugsintheexistingdesignofitsrelayprotection,whichleadtopracticalproblems.Inthispaperthedesignbugsareanalyzedindetailusingthebasicprinciplesofrelayprotection.Anumberofsolutionsareproposedtotheseproblems.Theadvantagesanddisadvantagesofthesolutionsareinvestigatedandcompared,andtentativeconclusionsareprovided.

Keywords:reactorprotection;designbugs;solutionsforreference

1　引言

南京钟山变电站为一座220kV变电站,全站共两台125MVA主变,均采用220kV/110kV/10kV三个电压等级,并且每台主变10kV侧还通过串接一台双臂分裂电抗器的方式,分别联接10kV两段母线,以期达到稳定10kV母线的运行电压的目的.该变电站的二次设计顺利通过了审查,基建部门也已进入了正式施工阶段.此时,调度部门经过对主变保护进行详细的整定计算、分析后,却发现保护配置中存在较严重的设计疏漏.其影响足以危及到该变电站的安全稳定运行.为保证继电保护装置动作的准确性、可靠

收稿日期:2004-09-07

作者简介:张凯(1971-),男,工程师,从事电力系统安全稳定分析和继电保护整定计算工作.E-mail:kkk@jsepc.com.cn

　　　　　　　　　　　　　　　　　　南京工程学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　2004年12月52

性、选择性,调度部门及时提出了几套挽救方案.

2　主变及10kV分裂电抗器保护的配置情况

2.1　主变保护

主保护:采用JCD-4A型差动保护;

后备保护:220kV侧包括一套复合电压闭锁方向过流保护、一套方向零序电流保护、一套不带方向的零序电流保护、220kV侧间隙保护、220kV非全相运行保护;110kV侧包括一套复合电压闭锁方向过流保护、一套方向零序电流保护、一套不带方向的零序电流保护、110kV侧间隙保护;

此外,三侧均有过负荷保护.2.2　10kV分裂电抗器保护

在分裂电抗器受电侧,即变压器10kV侧与分裂电抗器之间装设了一套过流保护,作为分裂电抗器的主保护.理论上,主变后备保护之一,220kV侧的过流保护能反映10kV母线的故障,其动作时间的整定值应与10kV馈线保护的I段相配合.这样,主变过流保护实际上也对10kV分裂电抗器起到了后备保护的作用.

经计算分析发现:整个变压器的继电保护的配置基本上按照规程要求及运行要求设计,符合生产运行的要求.但10kV分裂电抗器的保护设计中存在较为严重的缺陷.

3　主变10kV分裂电抗器保护设计上的缺陷分析

原设计中主变10kV分裂电抗器保护配置如图1所示.

图1　原设计钟山变主变、电抗器保护接线示意图

3.1　缺陷一

设计中,TA4、TA5两处分别装设了10kV复合电压闭锁过流保护,起到保护10kV正、副母线的作用,当10kV母线发生故障时,该保护动作跳开3QF或4QF断路器.

TA3处装设的10kV分裂电抗器过流保护,原设计中该保护动作后,跳开3/4QF断路器.我们认为,第2卷第4期　　　　　　　　　　张　凯:220kV主变串联电抗器保护设计缺陷的改进方案　　　　　　　　　　　　53

此处设计有明显的错误.假设10kV分裂电抗器内部发生故障时,TA4/TA5处的保护不会动作,按设计要求10kV分裂电抗器过流保护动作跳开3/4QF断路器,但3/4QF断开后,显然故障并不能消除.因此,可以判定分裂电抗器过流保护的跳闸对象设计有误,应该选择能切断故障点电源的断路器.由于电抗器受电侧与变压器之间并无断路器,仅有一副隔离开关,因此,分裂电抗器过流保护的跳闸对象可改为主变电源侧,即钟山主变的220kV侧1QF.实际运行中,分裂电抗器发生故障时多为永久性的,在没有断路器的情况下,为防止扩大事故影响范围,切断主变电源还是非常有必要的.3.2　缺陷二

由于主变主保护JCD-4A型差动保护,未将电抗器包括进保护范围内(如图1所示).因此,电抗器发生故障时仅一套过流保护能有反应.对于220kV侧复合电压闭锁过流保护,根据规程规定及主变后备保护的整定原则[1]:①该保护应该作为整个变压器相间故障的总后备.当主变内部发生故障,而差动保护又拒动时,该保护应该以较长于其它保护的动作时限,动作跳闸,切除故障.②它还应该躲开变压器正常运行时可能出现的最大负荷电流、励磁涌流等.③它必须对110kV母线故障有足够的灵敏度,同样也应对10kV母线故障有灵敏度.必须与110kV、10kV侧复合电压闭锁过流保护配合,并作其后备.

因此,按通常的整定原则

[1]

,钟山变的220kV侧的复合电压闭锁过流保护,应该作10kV母线分裂电

抗器的后备,并有足够的灵敏度.但通过计算发现:钟山变正常运行时的最大电流(可等于额定电流)与10kV母线(或是分裂电抗器内部)发生故障时的短路电流较接近,保护整定无法满足整定原则规定的要求.这是由于电抗器的阻抗较大(单臂供电是变压器阻抗的2倍,双臂供电时较小,有1.3倍左右),自然短路电流较小.短路电流计算结果见表1.

表1　Ifhmax与Ik(10)比较

正常Ifhmax(Ic)

TA5处对应到220kV

侧的电流/A

328

10kV侧母线故障/(电抗器内部故障)计算大方式496.2

计算小方式424.6

说明:

(1)系统归算到钟山变220kV母线侧的等值阻抗,在大方式/小方式下的标么值分别为:0.0164/0.1017;变压器高压侧-低压侧的阻抗标么值为:0.0088;电抗器的阻抗标么值为:0.4806.

　　　　　　　Ikmax=251/(0.0164+0.0088+0.4806)=496.2A　　　　　　　Ikmin=251/(0.1017+0.0088+0.4806)=424.6A(2)按整定原则②计算

[2]

:

Idz=Kk/Kf×Ifhmax=1.1～1.2/0.85×328=424.5～463.1A;很明显,Idz>最小故障电流(424.6A),保护无足够灵敏度.

其中:Kk:可靠系数,一般取1.1～1.2;Kf:返回系数,一般取0.85;Ifhmax:变压器最大负荷电流.由此可见,220kV侧复合电压闭锁过流保护对分裂电抗器难以起到远后备作用,此主变系统的全部保护配置当中仅有一套保护能对分裂电抗器起到保护作用,即:TA3处的10kV分裂电抗器保护.　　　　　　　　　　　　　　　　　　南京工程学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　2004年12月54

4　改进措施的探讨

由于分裂电抗器仅一套过流保护,当分裂电抗器发生故障,而该保护因某种原因出现拒动时,将导致系统中再无别的保护装置能切除故障,扩大了事故的影响范围,给系统安全带来威胁.

因此提出以下4种方案,并探讨其利弊:4.1　方案1

改进差动保护接线

将差动线圈10kV侧接至TA4、TA5处,即将分裂电抗器纳入到差动保护的动作范围[3].JCD-4A型差动保护能满足这种四臂接线方式.这样,理论上讲,分裂电抗器故障时,差动保护将视为变压器内部故障而0s动作,切除故障.但这种接线方式,运行经验不足,生产JCD-4A型差动保护的厂家对接入电抗器后的动作特性亦无完全把握,贸然接入,有一定的风险.4.2　方案2

主变压器限负荷运行

限负荷运行,降低最大正常负荷电流,即降低下限,以满足220kV侧复合电压闭锁过流保护对10kV母线故障灵敏度的要求.以220kV侧VAT保护作分裂电抗器的后备保护,二套保护满足运行要求.但限负荷运行,降低了主变的使用容量.经计算,需按主变60～70%额定容量运行限负荷才能满足要求.这样很不经济,浪费了主变容量,从而浪费了对变电站的投资.4.3　方案3

对电抗器增设一套差速断保护

将分裂电抗器视作一台变压器,从TA4、TA5、TA6处引出电流回路,增设一套差速断保护(如图2所示).当电抗器内部发生故障时,该保护将0s切除故障.此方案保护动作原理正确可靠,精确度高,但由于电气接线一次二次回路部分改动较大,实施较繁琐.

图2　方案3中电抗器增设保护的接线示意图

4.4　方案4

在TA3处增设一套过流保护

这样,两套保护互为后备,一套拒动,另一套亦能可靠动作;也可将两套保护从时间上隔开,一套短时限作速断,另一套长时限作过流保护.此方案虽然实现起来简单,但两套保护原理相同,又同装设于一个

第2卷第4期　　　　　　　　　　张　凯:220kV主变串联电抗器保护设计缺陷的改进方案　　　　　　　　　　　　55

电流互感器(TA3)处,如TA3发生故障将导致两套保护不能正确动作.另外,按整定规程要求,电抗器过流保护还应与主变10kV侧复合电压闭锁过流保护配合,时间上需要滞后其0.5s,以便在10kV母线或馈线出口故障时,先由10kV侧复合电压闭锁过流保护跳开10kV侧开关.这势必造成电抗器过流保护的动作时间过长,达不到快速切除电抗器故障的目的.

5　结论

综上所述,无论采用以上哪种方案,都有利弊.且有一共同特点:因变压器与电抗器间无断路器,无论哪种保护,要切除故障均须跳开电源侧,这样将影响110kV侧的供电.如果在变压器10kV侧与分裂电抗器之间加装一台断路器,就能保证110kV侧负荷的正常供电,较圆满地解决此问题.遗憾的是,由于在设计阶段未能及时发现此缺陷,从工程进度、工作量的角度出发,已不允许再更改变电站的一次设计重新施工.因此,对比以上诸方案,我们权衡利弊,最终采取了方案3,虽然实现起来较繁琐,但能根本性地解决这一问题.

参考文献:

[1]　吕继绍,陈德树,吴系再.电力系统继电保护原理与运行[M].北京:水利电力出版社,1989.

[2]　崔家佩,孟庆炎,陈永芳等.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算[M].北京:水利电力出版社,1993.[3]　王梅义.电网继电保护应用[M].北京:中国电力出版社,1999.

[责任编校:胡可乐]

南京工程学院各部门2004年发表论文排序

2004年,《南京工程学院学报(自然科学版)》在学院领导、编委会全体委员、校内外审稿专家以及学院各部门的关心、支持和帮助下,第2卷共4期如期出版发行,共发表论文52篇,特此表示衷心的感谢!按南京工程学院院内第一作者所在部门发表文章数量统计排序,前4名依次是:(1)机械工程系(9篇);(2)材料工程系(6篇);(3)基础部(5篇);(4)、工业自动化系、计算机工程系(均4篇).

《南京工程学院学报》编辑部