在电网基建、技改或大修后,为了检验电气设备的绝缘强度能否承受冲击电压或操作过电压的冲击,检验变压器在励磁涌流作用下的机械强度,考核变压器继电保护装置在强励磁涌流作用下是否会误动,一次设备如线路、断路器、互感器、变压器、电容器、母线或机组等设备在投入运行时都需要充电。总的原则是保证电气设备在发生各种类型故障的情况下,保护具备足够的灵敏度^[1]。

一般情况下,除变压器外的其他一次设备充电保护定值的计算都相对简单。例如:35 kV及以下一次设备充电时可采用过流保护,110 kV及以上一次设备充电时可采用过流保护或距离保护来切除相间故障,采用零序保护切除接地故障,保护时限不超过0.3 s。电容器充电时,建议充电保护定值能够躲过合闸涌流;220 kV线路充电采用零序Ⅰ段保护时,建议充电保护定值能够躲过非全相时的零序电流;长距离输电线路充电在采用过流保护时,建议充电保护定值躲过电容电流。

变压器是电网中的主设备,由于其绕组多、涉及的电压等级多,在制订充电定值的过程中需要考虑的因素也相对较多。在变压器充电时,要求变压器三侧中性点均直接接地,以防止操作过电压对变压器造成损害^[2];非冲击侧断路器应全部断开,变压器主保护和后备保护全部投入。下面针对不同情况下变压器充电时保护定值进行分析。 1 35 kV及以下电压等级电源为变压器充电 1.1 保护要求

一般情况下,由于3~35 kV的电网中性点不直接接地运行,因此接地短路电流很小,只有发生相间短路故障才会产生较大的短路电流,称其为小电流接地系统。变压器在充电时,虽然中性点会直接接地或经消弧线圈接地,但因系统中没有其他接地点,即使变压器内部发生接地故障,电网内也没有其他中性点与之形成零序回路^[3],因此不需要考虑零序保护,仅采用过流保护即可。 1.2 算例分析

下面以某变压器为例,具体分析充电定值的计算方法。采用35 kV电源为某变压器充电的一次系统图如图 1所示。变压器额定容量为16 MVA,各侧电压为35 kV/10 kV,高压侧/低压侧额定电流为263.9 A/1466.29 A,系统基准容量S为100 MVA,系统基准电压U_j为37 kV,系统基准电流为I_j为1.56 kA。由于变压器35 kV侧额定电流I_e=263.9 A,励磁涌流按照额定电流的8倍考虑,因此I_励=2111.2 A。若选取过流Ⅰ段动作电流I_dz1=I_励,则在变压器发生两相短路时的保护范围K^[4]为:

X_xt-系统电抗的标幺值,取值0.322;

X_xl-线路电抗的标幺值,取值0.1536。

图1 采用35 kV电源为变压器充电一次系统图

图 1 采用35 kV电源为变压器充电一次系统图

在制订充电过流Ⅰ段保护定值时,需要躲过变压器空载合闸时产生的励磁涌流,保护范围要求深入到变压器内部。如果保护范围不能满足要求,可以按照保护范围整定过流Ⅰ段定值,延长保护时限。计算过程中要注意相电流和线电流之间的换算,由于K＜0,则判断保护范围为0。

在两相短路的情况下,将保护范围扩大至线路的50%,则过流Ⅰ段动作电流I_dz1为:

110 kV及以上的电网是中性点直接接地系统,当变压器发生接地短路时,会产生很大的零序电流。因此在变压器充电过程中除了要保证能够切除相间故障,还应考虑采用零序保护切除接地故障。在生产现场,常采用母联断路器或上一级线路断路器为变压器充电,一般母联保护装置或母差保护装置中设置有独立的充电保护装置,能够提供2段零序保护功能和过流保护功能;线路保护在一般情况下具备4段零序保护功能和3段距离保护功能。

对于具有高、中、低3个绕组的降压变压器,严禁从中压侧和低压侧对变压器进行全电压充电,例如:1台电压等级为110 kV/35 kV/10 kV的变压器,充电时只能从110 kV侧充电,严禁从35 kV和10 kV充电,原因是中、低压侧绕组匝数少,励磁涌流比高压侧大很多,容易破坏变压器绝缘。下面分别说明接地故障和相间故障的整定原则。 2.1.1 接地故障

零序保护和接地距离保护都能切除接地故障,但零序保护因其保护原理和计算过程相对简单而得到了广泛的应用。

需要注意的是,由于110 kV及以上电压等级的变压器中性点直接接地,在计算故障电流时一定要考虑变压器的分流,否则计算的定值会过大,导致灵敏度降低。另外,如果采用220 kV断路器充电,零序Ⅰ段保护定值还应躲过断路器合闸时的三相非同期零序电流或增加0.1 s的保护时限。 2.1.2 相间故障

为了切除变压器相间故障,可以采用过流保护或相间距离保护。过流保护的整定原则如前所述,相间距离保护的整定原则是将保护范围扩大至变压器的非冲击侧。根据系统启动的送电经验,建议变压器充电时最好采用线路保护。110 kV及以上电压等级的线路保护装置都具备3段距离保护和4段零序保护功能,能够快速切断相间故障和接地故障。尤其是距离保护能够有效解决由于采用过流保护躲过励磁涌流而导致的保护时限长的问题。 2.2 算例分析

某变电站新增110 kV变压器(充电系统简图如图 2所示),变压器额定容量为50 MVA,三侧额定电压分别为110 kV/38.5 kV/10.5 kV,三侧额定电流分别为262.4 A/749.8 A/2749.3 A。系统基准容量S为100 MVA,系统基准电压U_j为115 kV,系统基准电流为I_j为0.502 kA,不同运行方式下的充电保护定值计算分析如下。

图2 采用110 kV电源为变压器充电系统简图

图 2 采用110 kV电源为变压器充电系统简图

由于A断路器是线路断路器,因此保护装置采用4段零序和3段距离保护。充电时需要配合断开母联B断路器。 2.2.1.1 零序保护

为了简化计算过程,在计算变压器充电零序Ⅰ段定值时,可将故障点设置在变压器高压侧110 kV侧母线,灵敏度K_lm≥2,因此保护范围可以深入到变压器内部,保护时限设置为0 s,故障点的零序阻抗X₀为:

X_0xl-线路零序电抗的标幺值,取值0.126;

X_0高-变压器高压侧零序电抗的标幺值,取值0.1545;

X_0低-变压器低压侧零序电抗的标幺值,取值0.1245。

故障点的正序阻抗为:

X_1xl-线路正序电抗的标幺值,取值0.042。

由于变压器在单相接地故障时,零序电流比两相接地短路故障情况下的电流小,因此根据单相接地故障情况考虑,则短路点的最小零序电流为:

计算流过A断路器的零序电流为:

零序Ⅱ段保护的计算可以简化为变压器经高值电阻接地的情况,保护定值直接用I_0dz2=300 A(一次电流)计算即可,保护时限与零序Ⅰ段保护时限保持t₂=0.3 s的级差。这样当变压器内部或套管等发生接地故障时,上述整定方法可以使充电断路器及时跳闸,保证灵敏度。 2.2.1.2 距离保护

距离Ⅰ段保护范围按照扩大至主变压器高压侧整定,灵敏度K_lm=1.2,则

保护时限t₁=0.1 s。距离Ⅱ段保护按照保护范围扩大至变压器低压侧整定,灵敏度K_lm=1.2,则动作阻抗为:

设置距离Ⅱ段保护时限t₂=0.3 s。为验算距离保护躲避励磁涌流的能力,充电时母线电压U按照110 kV计算,距离保护能够通过的电流计算公式为:

根据上述公式计算出距离保护Ⅰ段能够通过的电流约为I₁=1552.7 A=5.9I_e,距离保护Ⅱ段能够通过的电流为I₂=1724 A=3.8I_e,完全能够躲过变压器励磁涌流。

实际应用中,微机型线路距离保护由于采用四边形原理,距离保护启动判据和动作方程更加复杂,因此具备更强的躲避励磁涌流的能力。 2.2.2 采用110 kV侧B断路器为变压器充电

由于B断路器是母联断路器,因此保护装置采用过流Ⅰ段、Ⅱ段保护和零序保护,充电时断开A断路器。 2.2.2.1 过流保护

为了快速切除变压器的相间故障,过流Ⅰ段保护定值按照躲过变压器的励磁涌流整定,则I_dz1=I_励=8I_e=2099.2 A。计算保护范围为:

换算成相电流为808.1A(为3.1I_e),延长时限可设置为t₁=0.3 s。

过流保护Ⅱ段保护定值按照变压器低压侧两相故障,灵敏度K_lm=1.2计算,则:

换算成相电流为426 A(=1.6I_励),考虑到励磁涌流衰减的时间,设置延长时限t₂=0.5 s。由此可见,相对于距离保护,过流保护的保护时限相对较长。 2.2.2.2 零序保护

零序保护的定值计算同A断路器,不再赘述。 3 结语

充电保护定值的计算过程较其他保护简单,但在实际应用中却需要考虑更多的细节问题。尤其在变压器充电过程中,更需要仔细研究充电方案,结合运行方式整定合理的充电定值。

(1) 35 kV及以下电压等级变压器充电时仅采用过流Ⅰ段、Ⅱ段保护即可,保护定值要求躲过变压器空载投入情况下的励磁涌流,可按照保护范围整定。

(2) 110 kV及以上电压等级变压器充电时可采用零序保护切除接地故障,采用过流保护或相间距离保护切除相间故障。但在计算零序充电定值时,一定要考虑变压器的分流情况。

(3) 对于110 kV及以上电压等级的变压器,充电时建议采用线路保护,由于其故障切除的速度更快,效果明显优于母联保护或者母差保护中的充电保护。