南瑞继保电气公司等单位顾乔根、张晓宇 等：高载流容量电网的主变保护适应性分析

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南京南瑞继保电气有限公司、广东电网有限责任公司的顾乔根、张晓宇、朱佳、谢华、莫品豪，在2023年第1期《电气技术》上撰文，本文分析高载流容量电网的满载负荷电流大幅上升对主变保护产生的系列影响，以实际工程为例，指出边、中开关选用高电流比的电流互感器将影响以固定门槛判别的保护的灵敏性和以故障分量为原理的差动保护的可靠性，且保护定值整定可能出现超过定值上下限的情形。线路载流容量大幅提升后，主变高压侧穿越性负荷电流远大于变压器额定电流，该特性可能造成常规差动保护的可靠性和灵敏性下降。

结合工程实施，本文建议主变套管互感器配置主保护、后备保护作为保护冗余方案，以减小高载流容量、高电流互感器电流比的影响。

为满足大容量电能跨区域传输的需求，广东电网目标网架建设中提出将8×630mm2的导线应用于500kV电压等级输电线路，其载流量可达到8kA，用以提升外环网线路输送功率。

随着输电线路载流量提升，为满足热稳定电流要求，主变高压侧边、中开关选取的电流互感器（current transformer, CT）电流比提升至8000/1，明显区别于常规主变高压侧电流互感器的电流比4000/1。然而，系统短路故障情况下，其短路容量没有明显变化，对故障动作灵敏度的要求亦没有降低，电流比的提升使该回路保护装置整定值的选择性和准确性要求难以满足。

保护用电流互感器一次额定电流的选择存在难以兼顾上述两个需求的难题。同时，选用高电流比的电流互感器，也会造成以固定二次门槛判别的保护的灵敏性下降。

本文结合载流量达到8000A的交流输电线网架应用需求，分析不同CT电流比对主变保护的影响，以及负荷电流增大对主变差动保护的影响，提出主变保护配置和整定计算优化方案。分析采用8000/1电流比的CT后，当前500kV保护配置及整定计算的适应性，提出对当前500kV保护配置及整定计算的修改建议，以便为后续广东目标网架8000A交流导线配套保护应用提供理论支撑。

1  典型目标网架结构

根据相关规划，广东电网将建设500kV湾区外环输电线路，按照建设进程分为外环中段、外环东段、外环西段及其相关配套工程，部分线路导线截面考虑8×630mm2。

以某典型500kV变电站扩建工程为例，该站500kV母线采用3/2断路器接线，本期安装6台8000A断路器，对应出线间隔内相应设备的额定电流与输电线路极限输送容量相匹配，按8000A考虑。线路长度为2×40km，全线按两个单回路架设。导线采用JL/LB20A-630/45型铝包钢芯铝绞线，每相8分裂。典型500kV主变结构如图1所示，该站500kV主变为分相自耦变压器。

图1  典型500kV主变结构

500kV主变保护区，配置主保护包括基于磁平衡原理的纵差保护（取图1中的CT1、CT2、CT3、CT4、CT5、CT6），配置后备保护包括过励磁保护、过电流保护、零序过电流保护、反时限零序过电流保护等。

该站500kV变压器的现有设备参数、各主要保护定值见表1。其中，Ie为变压器二次额定电流。

表1  500kV变压器设备参数及主要保护定值

2  高载流容量对主变保护的影响

考虑现场边、中开关流经8000A额定电流的情况下，选用电流比为4000/1的电流互感器，对变压器保护的影响初步分析如下。

2.1  CT量程

由表1计算得到该变压器的500kV侧一次额定电流为1102A，因此流过变压器自身的电流不会超过现有CT量程（现有高压侧套管CT一次值为3000A，见表1），同时，相关后备保护均使用变压器高压侧边、中开关和电流，因此相关后备保护基本不受影响。

当线路和变压器共用中开关，且线路流过较大电流时，可能会有比较大的穿越电流通过变压器的两个开关，此时保护装置二次电流互感器需要支持2倍额定电流长期连续工作，影响其运行可靠性。

2.2  对主保护的影响

当变压器高压侧两个开关未流过较大穿越电流时，对主保护基本无影响。

当流过变压器高压开关的穿越电流较大时，将造成差动保护制动电流显著增大。以最大穿越负荷电流为8000A计算，以高压侧一次额定电流为基准，折合标幺值为7.26Ie。可见，该穿越电流远大于变压器额定电流，将大幅增大差动保护制动电流，此时若变压器区内发生轻微故障，则差动保护存在灵敏度降低的问题。

当流过变压器高压开关的穿越电流较大时，若其中一个开关发生CT断线，将使变压器产生较大的差流。仍以最大穿越负荷电流为7.26Ie计算，当发生CT断线后，若差动保护采用角侧向星侧转换的转角方式，消零后得到的断线相差流为7.26Ie× 2/3=4.84Ie；若差动保护采用星侧向角侧转换的转角方式，消零后得到的断线相差流为7.26Ie/1.732= 4.19Ie。

根据现有保护规程，当整定CT断线闭锁差动保护控制字为1时，若差动电流大于1.2Ie，允许差动保护动作。由上述计算可见，当流过变压器高压开关的穿越电流较大时，无论整定CT断线是否闭锁差动保护，一旦发生CT断线，纵差保护都将动作。

由上述分析可见，高载流容量工况会对原有纵差保护的灵敏性、可靠性产生显著影响。从保证现场主设备安全的角度出发，建议纵差保护取高压侧套管电流，即取图1中的CT7、CT3、CT4、CT5、CT6，这样流过变压器高压开关的穿越负荷电流不流经纵差保护的差回路，不会增大纵差保护制动电流，可以有效提高纵差保护反应变压器匝间等轻微故障的灵敏度。同时，以变压器高压开关CT、变压器高压侧套管CT（见图1中的CT1、CT2、CT7），配置基于电平衡原理的引线差动保护，作为该区域的主保护。

需要注意的是，高压侧套管CT用于差动保护时，应注意选用TPY级互感器，减少互感器饱和对差动保护的影响。

2.3  边、中开关选用电流比为8000/1的电流互感器的影响

由2.1节分析可知，现有工程边、中开关电流互感器电流比为4000/1，考虑流过变压器高压侧边、中开关的穿越负荷电流为8000A时，将造成边、中开关电流互感器二次线圈及保护装置长期以2倍额定电流过载运行。下面讨论边、中开关电流互感器选用电流比为8000/1的电流互感器的影响。

采用电流比为8000/1的电流互感器，会造成系统轻载情况下，折算至二次侧的电流值过小，从而使相对误差增大。

现有主变保护中，固定以二次门槛设置的逻辑包括：①电压互感器（potential transformer, PT）断线判别；②失灵联跳不平衡电流判别；③互感器二次回路异常判别的不平衡电流判别。

PT断线判别，常常需要判别当前系统是否处于停运状态，一般取继电保护装置的精工电流作为系统有电流的判别门槛，即存在有电流无电压的情形，或开关位置确认在合位却无电压，则认为PT发生了断线故障。

以精工电流为0.04In（In为电流互感器二次额定电流）计算，设边开关二次电流有效值为0.04In，若电流互感器的电流比为8000/1，则电流互感器一次电流为320A。

应注意到，由表1计算的变压器的一次额定电流为1 102A，320A约为0.29倍变压器额定电流。由此可见，从一次的角度看，高电流比的电流互感器实质上提高了保护有电流判别门槛，降低了保护判别灵敏性。

针对上述PT断线判别问题，建议现场可将主变保护装置不接入开关位置TWJ，认为开关始终在合位，此时一旦出现二次正序电压低，即可报PT断线，从而规避有电流门槛提高造成的判别灵敏性下降问题。

不平衡电流判别，常常用于判别当前系统是否存在负序分量或零序分量，进而判别当前系统是否存在故障或回路异常。典型应用如CT异常判别、失灵保护或失灵联跳保护的动作判别。

以CT异常判别为例，典型判据为当二次电流负序电流大于0.1In或零序电流大于0.06In时，延时10s报该侧CT异常，同时发出报警信号，在电流恢复正常后延时10s恢复。

需要注意的是，当系统轻载时，电流互感器二次回路断线，产生的差流可能很小，从差动保护的角度难以确认差回路CT是否存在断线现象，因此系统轻载情况下CT断线的判别存在灵敏度不足的问题。故设置CT异常报警，用于在系统轻载情况下灵敏判别互感器二次电流异常，提示运行人员进行检查确认。因此，CT异常判别与CT断线判别相比，具有同样的重要性。

以边开关二次电流零序有效值为0.06In计算，若电流互感器的电流比为8 000/1，则零序电流一次值为3I0=480A。设该相CT完全断线（电流二次值跌落至0），相电流为3I0=480A，以变压器一次额定电流为1 102A进行折算，为0.44Ie，即当边、中开关发生CT断线时，在变压器以近一半容量进行潮流输送的工况下，才可能引起保护作出告警提示，保护判别灵敏性下降明显。

针对该问题，建议现场设计主变保护方案时，以高压侧套管CT配置主保护及后备保护作为冗余，降低保护判别边、中开关电流异常灵敏性不足造成的保护可靠性下降的问题。

3  500kV主变保护的整定

本节着重分析高载流容量、高电流互感器电流比对现有保护定值整定原则的影响，并讨论定值整定的注意事项及应对措施。

1）差动保护的整定原则

现有差动速断保护的整定原则为：

（1）差动速断电流应按躲过变压器初始励磁涌流整定，Iop=KIn.ph，其中In.ph一般为三侧最大二次额定电流，120MV∙A及以上变压器的K取值为2～5。

（2）差动速断电流应按躲过区外故障最大不平衡电流整定，Iop=KrelIunb.max，其中Krel为可靠系数，取1.3～1.5，Iunb.max为外部短路最大不平衡电流。

基于前述分析，当差动保护取边、中开关电流时，高载流容量电网的主变保护差动速断定值的整定还应考虑躲过CT断线造成的差流（差动速断保护不经断线闭锁）。

现有纵差保护启动值的整定原则为：按躲过变压器额定负载时的最大不平衡电流整定，一般取0.5Ie～0.6Ie。

基于前述分析，高载流容量电网满负荷工况下，若纵差保护取边、中开关电流，则差动制动电流很大，将造成区内轻微故障灵敏度下降。针对该情况，应考虑尽量投入以故障分量为判别原理的差动保护，例如变化量差动、序分量差动，可不受负荷电流影响，适应系统重载工况下常规差动保护灵敏度不足的情形。

需要注意的是，考虑投入故障分量差动保护时，应特别注意边、中开关取高电流比电流互感器时该类差动保护的适应性问题，当二次额定电流过小或各侧二次额定值差异过大时，会造成此类差动保护可靠性下降，无法投入。

2）阻抗保护的整定原则

现有阻抗保护（指向主变）一般设置两段，阻抗Ⅰ段按不大于变压器阻抗的70%整定，阻抗Ⅱ段按反应主变另一电源侧母线故障设置，按照保护有1.3～1.5灵敏度整定。

高载流容量电网的短路容量不变，相关工况不改变主变自有阻抗，因此主变阻抗保护的整定原则不变，但整定时应特别注意边、中开关取高电流比电流互感器时，阻抗二次定值是否越过保护定值边界（电流互感器电流比越大，阻抗二次定值越大）。若越过保护定值上限，应考虑阻抗保护取高压侧套管CT。

3）反时限零序过电流保护

现有反时限零序过电流保护的整定原则为：现场反时限零序过电流保护使用高压侧套管CT，与500kV线路零序反时限保护配合，一次基准值取300A。

根据前述分析，高载流容量电网的500kV主变，系统短路容量不变、变压器高压侧套管CT选型不变，因而反时限零序过电流保护的整定不受影响。

4）过电流及零序过电流保护

现有500kV主变的过电流保护按躲过变压器额定电流整定，作为系统总后备保护，一般按变压器本侧额定电流的1.5倍整定。以表1参数核算，1.5倍额定电流约为0.2In，该值在过电流保护定值可整定范围内，因而过电流保护的整定不受影响。

现有500kV主变的零序过电流保护，按反应主变另一电源侧母线接地故障有1.5倍灵敏度整定。高载流容量电网的短路容量不变，母线接地故障时一次短路电流不变，因而零序过电流保护的整定原则不受影响，但整定时应特别注意边、中开关取高电流比电流互感器时，零序过电流二次定值是否越过保护定值下限（0.05In），若存在越下限情形，应考虑高压侧零序过电流保护取高压侧套管CT。

4  结论

高载流容量电网的满载负荷电流大于现有典型电流互感器的一次额定电流，可能造成电流互感器长期过载运行。若500kV变压器保护高压侧的边、中开关采用高电流比电流互感器，一定程度上将引起以固定二次电流门槛进行判别的保护灵敏度下降，极端情况下可能造成基于故障分量的差动保护无法适用，同时可能引起后备保护定值整定越限。

变压器差动保护若取高压侧边、中开关，系统满载负荷电流将提高差动保护制动电流，引起纵差保护反应区内轻微故障的灵敏度下降，同时，相关电流互感器二次回路断线时，也将造成差动保护可靠性下降，现场可考虑主变保护以高压侧套管CT配置主保护及后备保护作为冗余方案，提高主设备保护的适应性。

本文编自2023年第1期《电气技术》，论文标题为“高载流容量电网的主变保护适应性分析”，作者为顾乔根、张晓宇 等。

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