高齐利1，胡勇2，李怀强3，黄莹4，胡建利5，王春光6，顾琦7
（1．2．3．4．国家电网有限公司西北分部，西安 710048；5．陕西省电力公司，西安 710048；6．甘肃省电力公司，兰州 730000；7．西藏电力有限公司，拉萨 850000）
Analysis and solution of the low voltage side differential protection problems of the 500kV and above voltage level main transformer
Gao Qi-li1，Hu Yong2，Li Huaiqiang3，Huang Ying4，Hu Jianli5，
Wuang Chunguang6，Gu Qi7
(1．2．3．4．Northwest Branch of State Grid Co.,Ltd of China,Xi`an 710048,China; 5．Shanxi Electric Power Corporation,Xi`an 710048,China; 6．Gansu Electric Power Corporation,Lanzhou 730000,China; 7．Tibet Electric Power Co.,Ltd，Lhasa 850000,China)
ABSTRACT: This article analyzes the low voltage side CT configuration and differential protection setting value of the 500kV and above voltage level main transformer in the current domestic power grid, and put forward targeted solutions,standardized the CT configuration of the low voltage side winding of the main transformer and the setting value of the the main transformer’s low voltage side differential protection,it not only solves the secondary wiring error of CT used in low voltage side differential protection of the nain transformer,but also unifies the starting current setting value’s sensitivity of the low voltage side differential protection of nain transformer,ensures the safe and stable operation of main transformer and power grid.
KEY WORDS: main transformer; low voltage side; differential protection; solutions
[摘 要] 本文分析了当前国内电网中500kV及以上电压等级主变小区差动保护用CT及其保护定值两方面存在的主要问题，提出针对性解决措施，规范了主变小区差动保护用主变低压侧绕组CT配置和小区差动保护启动电流定值，既解决了主变低压侧小区差动保护CT二次接线出错及其可能造成的继电保护不正确动作问题，又统一了主变小区差动保护启动电流定值灵敏度，保障了主变和电网安全稳定运行。
关键词：主变 小区 差动保护 措施
中图分类号:TM 774
0 引言
电网中500kV及以上电压等级主变一般使用三台分相自耦变组成，是变电站内最主要或极其重要的电力设备，其承担电能分配传输和电压变换作用，为保证其安全运行，除了配置有瓦斯等非电量保护外，一般均配置有完善的电气量主保护和后备保护。变压器电气量主保护在其保护范围内发生故障时，能够快速有选择性地切除故障，有利于系统稳定和设备安全要求[1]。为此，保护配置应遵循“强化主保护，简化后备保护和二次回路”的原则[2,3,4]。目前，国内电网中新投500kV及以上主变均按“六统一”变压器保护设计规范和继电保护配置规范配置有完善的主保护，其中小区差动保护属于变压器主保护，与变压器分相差动保护一起完成对主变及其三侧引线的短路故障，相当于纵差保护功能[3,4]。国内电网中500kV及以上主变基本均采用南瑞继保、四方继保、国电南自、许继电气、深圳南瑞和南瑞科技六大保护厂家装置，上述厂家变压器主保护均为差动速断、比率差动、分侧差动、分相差动和小区差动。但是，相关规范均未对主变小区差动保护使用的主变低压侧绕组CT配置及其启动电流定值规范，造成各厂家的主变低压侧绕组CT配置有差异，小区差动启动电流定值不相同，在工程中，各方人员对主变低压侧绕组CT配置、CT极性和主变保护说明书理解不透彻，造成主变低压侧绕组CT接线频繁错误引发小区差动误跳闸，跳闸时又因双重化配置的两套小区差动启动电流定值不相同，导致两套小区差动动作结果不一致，例如：2018年9月藏中联网工程中500kV许木变#1主变、2019年11月西北-新疆联网加强工程750kV甘州变#2主变、2020年6月陕西750kV乾县变就地化主变小区差动等误跳闸，严重影响新设备启动和设备正常运行，也使电网运行存在极大安全风险。国内西北区域以外其它部分地区，因小区差动频繁误动，采取将500kV主变小区差动退出措施，与“强化主保护，简化后备保护和二次回路”的原则不相符。因此，对电网内500kV及以上主变低压侧小区差动保护存在问题分析并提出解决措施很有必要，也十分重要。
1主变差动保护及其CT配置、极性要求
220kV～750kV接入电网运行的变压器，含电铁牵引站的牵引变和电力变、光伏发电升压变、风电场升压变等应按双重化原则，配置两套主后一体的电气量保护装置。双重化配置的两套装置与互感器两个不同的二次绕组、断路器两个不同的跳闸线圈分别一一对应，相互独立。330kV及以上线路、变压器、母线保护采用TPY类电流互感器二次绕组[2]。各类差动保护的所有支路应采用相同类型电流互感器且符合 DL/T 866—2015 要求[5]。对国内电网中新投“六统一”主变保护，其差动保护使用的各侧CT量规定只接入装置一次，供差动保护装置中各种原理差动保护使用。国内六大保护厂家的“六统一”变压器保护装置要求接入装置的各侧CT均以远离变压器侧为正极性端，差动电流的计算及方向元件的CT极性指向均以此为基准[6,7,8,9,10,11,12]。
以某变电站（该站有三个电压等级，750kV和330kV母线均采用一个半主接线，66kV母线采用单母分段主接线）#1主变为例，其“六统一”变压器差动保护及其CT配置图（含CT极性）如图1，图1中仅画出双重化保护中第一套主变差动保护及其CT，第二套及其CT省略。
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Fig.1 Main transformer differential protection and its CT configuration diagram
图1中，DL为开关，CT为电流互感器，为互感器极性端。主变纵
差保护范围为CT1~6之间的设备，主变分侧差动保护范围为CT1~4、CT7之间的设备，主变分相差动保护范围为CT1~4、CT8之间的设备，主变小区差动保护范围为CT5~6、CT8之间的设备。
由图1可知，主变小区差动使用主变低压侧绕组CT和主变低压侧开关CT构成差动保护。
目前，国内各厂家主变小区差动均采用比率制动特性差动，典型的差动保护两折线比率制动特性曲线，如图2：
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Fig.2 Ratio braking characteristic curve of differential protection
上图2中，Icd为差动电流，Izd为制动电流，Icdqd为差动保护启动电流定值，Icdsd为差动速断定值，Ir为制动拐点电流，K为斜率。
差动保护动作及动作条件如下：
Icd>Icdqd ，Izd≤Ir （1）
或 Icd>K*（Izd-Ir）+Icdqd ，Izd>Ir （2）
或 Icd>Icdsd （3）
由上可知，在差动保护范围故障时，若Izd小于Ir时，需要Icd大于Icdqd，差动保护可动作；Icd大于Icdsd时，不论Izd多大，差动保护均动作；当Izd大于Ir时，Icd与Ir之间关系需满足不等式（2），差动保护方可动作。
2主变小区差动使用的低压侧绕组CT问题分析
在实际中，因主变厂家低压侧绕组CT设计和电力用户要求等诸多因素差异，造成各厂家主变甚至同一厂家主变在不同工程中低压侧绕组CT配置存在差异。目前，实际电网中500kV及以上主变低压侧小区差动使用的主变低压侧绕组CT配置有两种情况，第一种：主变低压侧每相绕组的同一端布置两组CT；第二种：主变低压侧每相绕组的两端各布置两组CT。在实际工程中，主变低压侧绕组小区差动用CT配置大多为第一种情况，极少数为第二种情况。上述两种情况存在问题分析如下：
2.1 主变低压侧每相绕组的同一端布置两组CT情况
图3~6为主变低压侧a-x,b-y,c-z三相绕组的每相同一端配置两组供小区差动使用CT的四种典型接线示意图，图中仅画出双重化配置的第一套主变小区差动用主变低压侧绕组CT，第二套省略：
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Fig.3~6 CT configuration and polarity diagram1~4 for low voltage side winding of main transformer
上图中，图3和图4中主变低压侧绕组CT安装于每相绕组的首端，区别系图3中CT绕组极性远离变压器侧为正极性端，而图4中反之；图5和图6中主变低压侧绕组CT安装于每相绕组的尾端，区别系图6中CT绕组极性远离变压器侧为正极性端，而图5中反之。
对照“六统一”变压器保护对低压侧绕组CT二次接线要求，图3和图6中的CT极性符合要求，按照此CT极性进行二次回路接线，小区差动接线正确；图4和图5中的CT极性不符合要求，必须对此CT绕组二次回路进行反极性接线，小区差动接线方正确。
2.2 主变低压侧每相绕组的两端各布置两组CT情况
图7~14为主变低压侧a-x,b-y,c-z三相绕组的每相两端各配置两组（每相共计四组）CT供小区差动选用的四种典型接线示意图，两套主变小区差动保护可以使用首端两组CT，或者使用尾端两组CT，或者一套使用首端一组CT另一套使用尾端一组CT。实际工程设计时，目前均是两套小区差动要么使用绕组首端两组CT，要么使用绕组尾端两组CT。图中仅画出主变低压侧每相绕组首、尾端中第一组CT和双重化配置的第一套小区差动保护，第二组CT和第二套主变小区差动省略：
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Fig.7~14 CT configuration and polarity diagram5~12 for low voltage side winding of main transformer
上图7~10中，主变低压侧每相绕组首、尾端CT绕组极性均一致。不同之处如下：
图7和图8中主变低压侧每相绕组首、尾端CT绕组极性均系远离变压器侧为正极性端，图7中小区差动选取首端CT，图8中小区差动选取尾端CT。图9和图10中主变低压侧每相绕组首、尾端CT绕组极性均系远离变压器侧为负极性端，图9中小区差动选取首端CT，10中小区差动选取尾端CT。
上图11~14中，主变低压侧每相绕组首、尾端CT绕组极性相反。不同之处如下：
图11和图12中主变低压侧每相绕组首端CT绕组极性系远离变压器侧为正极性端，尾端CT绕组极性系远离变压器侧为负极性端，图11中小区差动选取首端CT，图12中小区差动选取尾端CT。图13和图14中主变低压侧每相绕组首端CT绕组极性系远离变压器侧为负极性端，尾端CT绕组极性系远离变压器侧为正极性端，图13中小区差动选取首端CT，图14中小区差动选取尾端CT。
对照国网“六统一”变压器保护对低压侧绕组CT二次接线要求，图7、8、11、14中的CT极性符合要求，按照此CT极性进行二次回路接线，小区差动接线正确。图9、10、12、13中的CT极性不符合要求，必须对此CT绕组二次回路进行反极性接线，小区差动接线方正确。
此外，按图7、8、11、14中接线，虽然CT极性符合“六统一”变压器保护接线要求，但是CT安装位置有区别，图7、11中小区差动选用绕组首端CT，而图8、14中小区差动选用绕组尾端CT。
从以上2.1和2.2分析，可知，目前国内电网中500kV及以上主变低压侧小区差动使用的主变低压侧绕组CT配置方面主要问题是CT安装位置、CT数量和CT极性三方面差别，这给继电保护二次回路接线设计、二次回路运行维护等方面带来风险和不便，使得主变和电网运行存在潜在安全隐患。
3主变小区差动启动电流定值问题分析
目前，国内电网中500kV及以上“六统一”主变小区差动保护CT均是取自主变低压侧绕组CT和主变低压开关CT，小区差动原理均是基于电流基尔霍夫定律的电平衡原理的比率制动式差动，但各厂家主变小区差动启动电流定值设置却不尽相同，具体如下表1所示：
表1 各厂家主变小区差动保护启动电流定值设置情况
Table 1 Setting of starting current setting value
of different manufacturers’s cell differential protection of transformer
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从表1可知，各保护厂家的小区差动启动电流定值不同，具体如下：
3.1主变低压侧小区差动启动电流定值的计算基准侧选取不同
从表1可知，南瑞科技主变小区差动启动电流定值计算基准取主变高压侧电流；其它厂家定值计算基准侧均取主变低压侧电流。
3.2主变低压侧小区差动启动电流定值的倍数和基准侧电流有差别
各厂家小区差动启动电流定值倍数不一致，有0.4倍和0.5倍两种。
南瑞科技小区差动启动电流定值的基准电流为主变高压侧额定电流，其它厂家的基准侧电流为主变低压侧或低压侧开关CT的额定电流。
南瑞科技之外其它五个厂家主变小区差动启动电流定值，虽然计算基准侧均取主变低压侧，但也存在差别：南瑞继保基准电流为主变低压侧开关CT额定电流二次值，四方继保基准电流为主变低压侧套管（即低压侧绕组）处主变低压侧额定电流，而许继电气、国电南自和长园深瑞基准电流为主变低压侧外附CT处主变低压侧额定电流
从以上3.1和3.2分析可知，不论是小区差动启动电流定值的基准侧和基准电流不同，还是定值电流倍数不同，都会使得双重化配置的两套主变小区差动保护的定值不相同，从而造成两套小区差动对其保护范围内故障反应能力不相同，影响保护动作行为。
4 解决措施
4.1 规范、统一主变低压侧绕组CT配置和极性
考虑到主变低压侧绕组CT接入主要涉及保护、录波、测量和测温四个方面需求，以及保护配置双重化配置要求，主变低压侧绕组可设置5组CT，分别供主变两套低压侧小区差动、故障录波、绕组测量、绕组测温使用。
上述5组CT可按照保护、故障录波用CT安装于每相绕组的首端，测量、测温用CT安装于每相绕组的尾端。各组CT绕组准确级执行对应专业的技术要求。
按照保护装置标准化设计要求，“六统一”主变保护装置要求使用的CT极性以远离变压器侧（即靠近母线侧）为正极性引出接入保护装置。因主变故障录波、绕组测量和绕组测温电流对电流极性接入无要求，考虑到安装、试验、正常运维和事故跳闸分析方便等各方面因素，主变低压侧绕组录波、测量和测温CT极性均可与小区差动用的两组CT极性相同。
改进后的主变低压侧绕组CT配置及小区差动接线如图15示意图，图中主变仅画出其低压侧绕组，主变其它侧绕组省略；仅画出双重化配置的第一套主变小区差动保护，第二套省略：
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Fig.15 Improved CT configuration and polarity diagram for low voltage side winding of main transformer
4.2 统一主变小区差动启动电流定值的计算基准和定值倍数
按照双重化配置的两套主变低压侧小区差动定值对其保护范围内故障反应灵敏度应相同的技术要求，提出对各厂家主变低压侧小区差动启动电流定值基准和定值倍数进行统一，首先，不同厂家的主变保护装置中的低压侧小区差动启动电流计算的基准侧选取相同。主变小区差动的保护范围为其低压侧绕组至主变低压侧外附开关之间设备，与主变高、中压无关，再考虑去掉计算时向其它侧的折算，主变小区差动启动电流计算基准侧选取主变低压侧更合理。其次，各厂家主变小区差动启动电流定值倍数宜相同。主变低压侧发生金属性短路故障时一般短路电流水平较高，而正常运行时主变低压侧小区差动保护采集到的是正常运行时不平衡电流，一般数值很小；500kV及以上主变低压侧一般为并联电容器和并联电抗器等无功负荷，按照DL 5014-2010《330kV~750kV变电站无功补充装置设计技术规定》规定要求，并联电容器组和并联电抗器组的补偿容量宜分别为主变容量的30%以下[13]，而500kV及以上主变低压侧额定容量一般为主变额定容量的30%，因此，主变低压侧小区差动保护启动电流定值可按大于主变正常运行时差动不平衡电流整定，并尽可能躲低压侧CT断线，考虑一定的裕度整定。在实际工程计算中，可选取0.36ILe（ILe为主变低压侧额定线电流）作为主变小区差动启动电流定值。
5 结论
通过对国内电网中500kV及以上主变小区差动保护用CT及小区差动保护定值两方面存在问题分析，提出主变低压侧绕组CT配置（包括极性）和小区差动启动电流定值改进措施，第一，规范、统一了各变压器厂家的主变低压侧绕组CT配置、极性，方便CT安装与试验；第二，可实现主变低压侧小区差动CT二次回路接线标准化，提高设计工作效率和质量；第三，杜绝了主变低压侧小区差动CT二次回路误接线引起的保护误动、拒动问题；第四，统一了各厂家的主变低压侧小区差动启动电流定值，实现了双重化配置的两套主变小区差动保护对其保护范围内故障的反应能力相同，避免两套小区差动保护动作行为不一致问题。最终，也达到了提高电网继电保护正确动作率指标，保障主设备和大电网安全稳定运行的目的。
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作者简介：
高齐利（1973-），男，陕西西安人，研究生，高级工程师，长期从事电力系统继电保护运行管理和整定计算工作。QQ：1484406881，E-mail：1484406881l@qq.com，