备用额敏额敏额敏额敏额敏油浸式变压器微机保护装置的配置及整定
随着发电机容量的不断增大，对系统稳定运行的要求不断提高，对发电厂厂用电系统的安全可靠运行也提出了更高的要求。起动/备用额敏额敏额敏额敏油浸式变压器作为电厂多台机组的起动和备用，其可靠性将直接影响到机组的安全运行，因此对电厂非常重要。然而由于起动/备用额敏额敏额敏油浸式变压器容量较小，所以往往没有引起各方的重视。但是，由于起动/备用额敏额敏油浸式变压器设计的不合理，许多电厂出现了烧毁额敏油浸式变压器的情况，教训是非常深刻的。因此加强对新型微机型起动/备用额敏油浸式变压器保护装置的研制是十分重要的。
起动/备用额敏油浸式变压器具有如下特点[1]：
（1）低压侧分支数较多，多可达8个分支，给保护装置特别是模拟量输入回路的设计带来一定的困难。
（2）高压侧电压等级较高（可直接引接至500kV系统），因此高压侧的短路电流水平非常高。为了确保电流互感器（TA）的可靠工作，在区内高压侧出口发生短路故障时不至于造成TA严重饱和，TA的变比不能取得太校但由于起动/备用额敏油浸式变压器容量相对较小（通常与高压厂用电额敏油浸式变压器容量相当），高压侧额定电流较小，为了保证在区内出现轻微故障时，特别是出现匝间故障和经过渡电阻接地故障时差动保护能可靠动作，因而TA的变比又不能选得太大，因为太大了会导致TA正常运行时的二次电流减小，从而直接影响交流的采样精度和差动两侧平衡系数的处理。
（3）起动/备用额敏油浸式变压器后备保护的配置必须考虑各段分支母线分期投运时的特殊问题。
（4）各设计单位对起动/备用额敏油浸式变压器主接线方式的设计也各不相同，因此保护的配置也不尽相同。
为了解决上述问题，四方公司开发了起动/备用额敏油浸式变压器的专用保护装置CSC－316B。
1CSC－316B保护装置的研制和组屏配置
起动/备用额敏油浸式变压器保护装置的设计应包括电气量保护装置的设计和本体保护装置的设计。由于本体保护与常规额敏油浸式变压器保护类似，因此本文不作介绍。本节着重介绍起动/备用额敏油浸式变压器电气量保护装置CSC－316B的设计。
1.1保护装置的设计和特点
（1）硬件平台的设计和特点。为了提高保护的可维护性和可扩展性，装置的硬件采用功能模块化设计思想，即按照功能需求，将插件分解为交流插件、保护CPU插件、通信及管理插件、开入插件、开出插件、插件和人机接口组件，不同规格的产品由相同的各功能组件按需要组合配置，实现了功能模块的标准化。
由于数据采样回路的异常而导致差动保护误动屡见报导，因此装置采用启动加保护动作“与”门的出口跳闸方式，杜绝了因单一硬件故障引起的保护误动。对于低压侧多个分支的起动/备用额敏油浸式变压器保护所需处理的模拟量非常多，装置采用总线不出芯片的具有DSP技术和功能的32位单片机，提高了保护数据的处理速度和保护控制逻辑实现的效率，同时芯片内集成了大容量的数据存储器RAM和程序存储器ROM，总线不扩展，简化了硬件电路设计，有利于实现保护装置的高可靠性。
采用全新的前插拔组合结构设计，强弱电回路分开，弱电回路采用背板总线方式，强电回路直接从插件上出线，以利于提高硬件的可靠性和抗干扰性能。
另外，装置对模拟量输入回路、开入回路、开出回路进行实时自检，以及实时监视状态和机箱内温度，极大地提高了装置的可靠性和自检能力。因此可以做到“只要装置不告警，装置就是完好的”，大大减轻了日常维护工作量。
（2）软件平台的设计和特点。装置的软件采用模块化的设计思想，以适应由于起动/备用额敏油浸式变压器的主接线型式、低压侧分支数和接地方式等改变时保护配置的变动。将软件按照功能分为底层驱动模块、通信模块、保护模块、保护配置模块等，其中保护模块又分为模拟量处理、保护逻辑、出口跳闸等子模块，将各子模块分别封装，保护配置模块分别调用不同的子模块就可以实现不同的保护功能。此种模块化的设计思想，可以使不同的起动/备用额敏油浸式变压器保护应用，只需通过下载配置，而无需改动软件便可实现，极大提高了装置的可靠性。
根据起动/备用额敏油浸式变压器的保护配置特点，通过设置自动的辅助定值和固定的输入定值，可使用户需要整定的保护定值和运行方式控制字减到少，方便了用户整定。
（3）用户平台的设计和特点。用户平台设计贯彻实用、便捷的原则，设计内容包括操作界面设计、通信接口设计、后台软件设计。通过面板上“一键操作”快捷键的设置以及按照运行人员和继保人员的使用习惯设置的菜单，使用方便。配置高速可靠的LonWoks现场总线接口、RS－485通信接口以及光电以太网接口，支持行业标准DL/T
667—1999（idt.IEC60870—103）的通信规约，方便接入后台监控系统。
为了克服原有微机保护的录波功能只知道模拟量和终动作结果的不足，装置采用了大容量的故障录波系统，可记录故障全过程，并将保护内部的测量元件、动作行为和逻辑过程完整地记录下来，使得动作过程完全透明化，配合后台分析软件，非常有利于事后的故障分析。
1.2保护的配置
装置采用主后备保护一体化的设计思想，整个装置具有额敏油浸式变压器差动保护、高压侧过流保护、高压侧接地保护、分支接地保护、分支限时速断和过流保护、后加速保护、启动通风、过激磁保护（330kV及以上电压等级选用）等功能，可根据具体工程进行选配。
由于硬件和软件设计都是按照模块化设计的，所以可方便地实现主、后备保护分开设计。
高压侧断路器的非全相保护和失灵启动，以及本体保护按照反措要求分别由独立的机箱实现。
1.3组屏设计
根据起动/备用额敏油浸式变压器重要性的不同，通常可按照2种方式组屏。种为完全双重化配置的两面屏方式，即A屏和B屏各包含1台CSC－316B起动/备用额敏油浸式变压器保护装置，本体保护装置和操作箱分别放置于A屏和B屏；第二种为单重化配置的一面屏方式，即将CSC－316B、本体保护装置和操作箱放置于一面屏。
2配置和整定的特殊问题
2.1高低压侧二次额定电流相差太大时对差动保护的影响
由于接入高压系统的起动/备用额敏油浸式变压器的差动保护高压侧二次额定电流很小和高低压侧二次电流相差很大，这给差动保护的实现带来困难。表1列出了实际工程的起动/备用额敏油浸式变压器差动保护的计算实例。
表1起动/备用额敏油浸式变压器差动保护计算实例
电厂A
电厂B
电厂C
电厂D
容量/MVA
16
50
16
63
高压侧电压等级/kV
110
230
230
500
低压侧电压等级/kV
6.3
6.3
6.3
6.3
高压侧TA变比
300/5
750/1
600/1
1250/1
低压侧TA变比
2000/5
3000/1
2000/1
4000/5
高压侧二次额定电流/A
1.40
0.167
0.067
0.058
低压侧二次额定电流/A
3.670
1.527
0.733
7.220
平衡系数
0.382
0.110
0.091
0.040*
注：电厂D的起动/备用额敏油浸式变压器高低压侧TA二次额定电流不同，所以差动保护的平衡系数为0.058×5/7.220=0.040。
由表1可见，电厂D起动/备用额敏油浸式变压器的高压侧二次额定电流Ih2N小，为0.058A（相当于5.8%的TA二次额定电流）。通常差动保护的小动作电流整定为（40％~50％）Ih2N，即该差动保护的小动作电流为0.4×0.058A＝0.023A，根据GB/T
19262—2003微机额敏油浸式变压器保护装置通用技术要求规定：差动保护的“整定值允许误差为±5%”，也就是误差不超过1.2mA。这么小的电流变化保护装置要能灵敏感受到，所以对保护装置的硬件系统（即数据采集系统）的设计提出了很高的要求。为了满足这一要求，可以选用高位数的A/D芯片；也可采用将高压侧每一相电流分别经2路数据采集系统，一路按照1∶1传变，另一路通过硬件放大4倍的方法。在相电流计算时若电流幅值较大则选用1∶1通道的数据，若电流幅值较小则选用放大通道的数据，这样既保证了小电流下的计算精度，也保证了大电流下不因饱和或截波而影响数据采集的正确性。
从表1也可看出，电厂D起动/备用额敏油浸式变压器高低压侧二次额定电流相差大，达1/0.04＝25倍。当通过放大4倍的数据采集系统则达6.25倍，满足大相差16倍的技术要求。当差动保护进行电流折合（当以高压侧为基准侧时，则将低压侧电流向高压侧折合）时，舍入误差的影响通过软件算法可自动得到完全补偿，因此在整定差动保护的定值时，电流互感器变比未完全匹配产生的误差
Δm仍然可以取为零。
2.2起动/备用额敏油浸式变压器保护的双重化配置问题
目前220kV及以上电压等级的主额敏油浸式变压器保护已按照完全双重化配置。对于起动/备用额敏油浸式变压器的保护配置，根据国网公司颁发的《防止生产重大事故的二十五项重点要求》继电保护实施细则规定：大型发电机组和重要发电厂的起动/备用额敏油浸式变压器保护宜采用保护双重化配置。随着硬件水平的提高，新近推出的额敏油浸式变压器保护产品大都基于主后备保护一体化设计思想。因此，对于作为正常投入运行且低压侧带公共负荷的220kV及以上电压等级的起动/备用额敏油浸式变压器，应采用完全双重化设计；若按照单重化设计，根据220kV及以上电压等级系统近后备保护配置的原则，则起动/备用额敏油浸式变压器保护需按照主、后备保护在硬件上分开设计。从工程应用上考虑，按照完全双重化配置则更为简便。对于110kV及以下电压等级的起动/备用额敏油浸式变压器，根据110kV及以下电压等级系统能够满足远后备保护配置的原则，起动/备用额敏油浸式变压器保护可按照单重化设计。
2.3后备保护的配置及整定
2.3.1高压侧过电流保护
起动/备用额敏油浸式变压器高压侧后备保护只作额敏油浸式变压器主保护的后备，因为低压侧无，不需要作为高压侧出线的后备保护，高压侧的相间过电流保护整定只需考虑与低压侧相间过电流保护配合。目前大多数单位的做法是高压侧相间过电流保护采用低压侧复合电压元件闭锁的方式。考虑到机组投运的分期性以及起动/备用运行的特点（图1中的ⅠA、ⅠB投入或ⅡA、ⅡB投入），该复合电压元件应取自共箱封闭母线处的低压侧电压互感器TV，如图1中的TV1和TV2，而不应取自分支母线处的TVA～TVD。
图1复合电压过电流保护的低压侧电压元件选取
由于起动/备用额敏油浸式变压器的负荷相对较固定且无过负荷的可能，因而采取复合电压闭锁是不合适的。原因是：①由于系统短路阻抗比额敏油浸式变压器短路阻抗小很多，额敏油浸式变压器低压侧发生故障时，电流的灵敏度足可以得到保证；②当额敏油浸式变压器内部发生故障时电压的故障量难以计算，无法确定电压的灵敏度；③由于低压侧取多端TV，当电压断线时将造成拒动或误动。为了简化后备保护，高压侧可装设无需低压侧复合电压元件闭锁的两段式过电流保护：Ⅰ段过电流定值按（1.8～2.0）Ih2N整定，时间定值在低压侧过电流保护延时的基础上增加一个Δt
；Ⅱ段按躲电动机自起动过程整定，即电流定值为1.3Ih2N，延时整定为15~20s。一般额敏油浸式变压器1.3Ih2N
允许运行时间在60s以上，1.8Ih2N允许运行时间大于20s。
有的单位对于接至500kV系统的起动/备用额敏油浸式变压器，在高压侧配置了阻抗保护，以期与系统的阻抗保护相配合并缩短后备保护的延时。对于起动/备用额敏油浸式变压器是单侧供电的降压额敏油浸式变压器而言，阻抗元件的方向性难以确定，也不需要与系统的阻抗保护相配合，况且阻抗元件并不能作为额敏油浸式变压器各侧绕组内部短路的近后备保护[2]，因此，高压侧取消阻抗保护而只装设过电流保护是简单和安全的方案。
2.3.2低压侧过电流保护
低压侧通常配置复合电压过电流保护作为低压侧短路故障的后备保护，配置限时速断过电流保护作为分支母线故障的快速主保护。复合电压过电流保护的电流元件按照能躲过可能流过额敏油浸式变压器低压侧的大负荷电流来整定，当该分支TV发生断线时，自动将电流定值抬高1.5倍，并解除复合电压元件的闭锁；分支限时速断过流定值，可考虑躲过在正常的大负荷电流下，单独一台大型电动机启动时流过保护安装处的大电流，并能可靠地躲过低压厂用电额敏油浸式变压器的大速断保护定值进行整定；延时可按照与相邻元件的相应段的配合来整定。有关分支限时速断过流保护的具体算例将另文发表。
2.3.3高压侧零序过电流保护
对于220kV及以上电压的起动/备用额敏油浸式变压器，其容量相对于主额敏油浸式变压器和联络额敏油浸式变压器很小，而零序阻抗较大，因此它的运行和退出对系统零序阻抗改变不大，不会引起系统零序电流及其保护定值的变化。为了保证额敏油浸式变压器的安全和简化保护接线，一般额敏油浸式变压器中性点采用直接接地方式[3]，也不需要装设间隙零序电流和零序电压保护。
对于高压侧内部接地故障的后备保护，可装设零序电流保护。有2种实现方式：外接式零序过电流继电器接在额敏油浸式变压器接地中性点回路TA的二次侧；自产式零序过电流继电器接在套管式TA构成的零序电流回路。因为高压侧中性点直接接地，因此高压侧绕组的接地故障相当于匝间故障，此时外接式零序电流继电器感受到的是短路环内的电流[4]。当发生靠近中性点附近的接地故障时，外接式零序过流继电器能感受到较大的零序电流，即灵敏度较高，而流过自产式零序电流继电器的零序电流较小，即灵敏度较低；当靠近高压侧绕组发生接地故障时，由于系统零序阻抗比起动/备用额敏油浸式变压器的零序阻抗要小得多，因此自产式零序电流继电器会流过数值非常大的零序电流，即具有很高的灵敏度，但很大的电流对差动保护和过流保护也会灵敏动作，此时对于外接式零序电流保护的灵敏度较低。综合考虑以上因素，高压侧接地后备保护应采用外接式零序过电流保护，主要保护靠近中性点附近的接地故障，以弥补差动保护和过流保护的不足。为安全起见，外接式零序电流定值应按躲过正常运行时的大不平衡电流整定，延时上应与系统后备保护的长延时段的整定相配合（不和零序反时限段相配合，通常为3.5s），即零序过电流保护用作后一级后备保护。
有的单位对于高压侧的自产零序过电流保护按照躲开所在高压侧母线发生故障时流过额敏油浸式变压器的大零序电流整定，时间带0.1~0.2s短延时跳闸整定。必须指出：自产零序过电流保护为了防止电流回路断线时需要躲开负荷电流，如果时间很短，尚需躲开低压侧大故障不平衡电流和励磁涌流，尤其是不同期的励磁涌流。对于双重化配置的额敏油浸式变压器，由于有双套差动保护和瓦斯保护作为内部故障的快速主保护，如此整定的零序过流保护似无装设的必要。
2.3.4低压侧零序过电流保护
发电厂厂用电系统的设备耐热能力相对较低，需限制接地时的故障电流幅值，以防止烧损设备。中阻接地方式，由于具有既可以减少故障电流，又可以减少工频过电压和操作过电压的优点，在大型发电厂厂用电设计中被应用的越来越多[1]。作为中阻接地时起动/备用额敏油浸式变压器低压侧接地故障保护，应装设零序过电流保护，段时间跳该分支低压侧断路器，第二段时间动作于跳各侧，其零序电流元件取自低压侧中性点的零序TA。零序电流的定值可按照与相邻分支上各元件的零序保护配合整定，并校核6kV系统接地故障时的灵敏度不小于2。
对于如图1所示的低压侧带多个分支的起动/备用额敏油浸式变压器，为了低压侧零序电流保护具有选择性，往往在分支上装设自产零序电流保护。注意到该自产零序电流保护用TA与分支过电流保护共用，其变比很大，而自产零序电流保护的电流整定值往往非常小，如一台220kV的
Y0/Y0-Y0起动/备用额敏油浸式变压器，自产零序电流定值整定相当于2.5%的TA额定值，对于这么小的电流整定值必须认真校核该继电器的精度，必要时可采用由单独的高精度电流采样通道来实现自产零序电流保护。
220kV线路一般保证该线路灵敏度的后备保护在1.2s内切除，因此取自低压侧中性点的零序电流保护时间在小于1.5s时，应校核220kV母线发生接地故障时零序电流保护不应误动。
2.4分支后备保护的放置
分支后备保护的动作只作用于该分支断路器，因此分支后备保护的放置有2种处理方式：一种是放置于起动/备用额敏油浸式变压器保护装置中；另一种是将单独的保护装置直接安置于开关柜上，此方式特别适用于低压侧分支较多或分支母线分期建设的场合，同时可以节省电缆。
如图2所示，一台起动/备用额敏油浸式变压器带8条分支，其中L1~L4是一期投运的，L5~L8是二期投运的，即为预留分支。此时将分支后备保护放置于开关柜将带来工程实施的便利，额敏油浸式变压器差动保护可以放置于起动/备用额敏油浸式变压器的低压侧，而无需引至L1~L8分支上。为了防止在电流互感器TA2和TA3之间发生短路时无快速主保护的情况，可以在TA2处装设限时速断保护以便快速切除故障。
图2起动/备用额敏油浸式变压器接线示意
2.5高压侧断路器的非全相保护
通常情况下，起动/备用额敏油浸式变压器正常运行且处于空载运行状态，或带公共负荷时，运行电流很小，对于分相操作的高压侧断路器，尽管非全相保护负序电流元件整定为（0.15～0.2）I2N、零序电流元件整定为(0.2～0.3)I2N，在断路器非全相运行的情况下，由于电流元件达不到定值而闭锁非全相保护。解决的方法有2种：①采用操作机构本身所带的非全相保护；②在具有经电流闭锁的非全相保护的基础上，轻负荷或空载时增设不经电流闭锁的不一致告警功能，即由不一致触点经10s发出告警信号，由值班人员及时处理。由于不一致触点由开关场经长电缆进入保护屏，为了防止外界各种因素对该触点状态的干扰造成保护的不正确动作，通常采用继电器重动方式（不允许使用光隔）将不一致触点引入保护装置。
在条件允许的情况下，高压侧断路器优先选用操作或联动的断路器是好的解决方案。
2.6高压侧经长输电线缆引接时的保护配置
在电厂的扩建工程中，扩建机组的起动/备用额敏油浸式变压器的往往由老厂经长输电线缆引接。例如，华东某电厂起动/备用额敏油浸式变压器高压侧通过1.8km的高压电缆与老厂220kV母线连接，若起动/备用额敏油浸式变压器差动保护范围包括长电缆，则高压侧电流需经过1.8km的长电缆引至保护装置，造成的后果是：各侧TA二次回路的负荷匹配很难，在外部故障时差动回路的暂态不平衡电流将大大增加，直接影响差动保护的性能。因此，针对此种情况，较为可行的方案是将起动/备用额敏油浸式变压器的保护布置在2个地方，220kV断路器和进线电缆侧的保护布置在老厂主控室，起动/备用额敏油浸式变压器的本体保护及低压侧保护布置在新厂主控室，新、老厂保护装置通过光纤通道传递保护跳闸命令和相关信息。
高压侧进线电缆侧的保护配置有：电流速断保护作为长电缆短路故障时的快速主保护，电流按照躲过低压侧短路时流过保护的大短路电流和额敏油浸式变压器励磁涌流整定；过流保护和自产零序过流保护作为主保护相间短路故障和接地故障的后备保护。
2.72台起动/备用额敏油浸式变压器共用1台断路器时的主保护配置
当公用负荷由每2台机组配置的2台高压厂用电起动/备用额敏油浸式变压器供电，并由高压厂用电工作额敏油浸式变压器作为其备用或公用负荷由高压厂用电工作额敏油浸式变压器供电时，2台高压厂用电起动/备用额敏油浸式变压器高压侧可共用1台断路器[1]。这种主接线方式的主保护配置如图3所示。从图3可见，每台起动/备用额敏油浸式变压器可以装设各自的主保护和后备保护，高压侧电缆可以装设短引线差动保护。
图32台起动/备用额敏油浸式变压器共用1台
断路器时的主保护配置
3结语
本文针对起动/备用额敏油浸式变压器的特点，基于全新硬件和平台设计思想的专用起动/备用额敏油浸式变压器保护装置CSC－316B，大可实现九侧差动保护，经过硬件和软件特殊处理的差动保护其高低压侧的二次额定电流大可相差64倍。该装置经多次动模试验和几十套现场运行考验，具有硬件可靠、配置灵活和使用方便的特点。在保护的配置上，对于重要的起动/备用额敏油浸式变压器可优先考虑完全双重化配置。为了简化后备保护的接线，高压侧可设置两段式过电流保护，取消低压侧复合电压元件的闭锁。高压侧的零序电流保护应采用外接式零序电流元件，主要保护靠近中性点附近发生的接地故障，并将该保护作为后一级后备保护使用。为了保障分支低压母线发生故障时的快速切除，低压侧应配置分支限时速断保护。
高压侧断路器的非全相保护优先采用操作机构所带的非全相保护，当采用电气量装置实现非全相保护时，可增设不一致告警功能。另外，低压侧多分支且分期投运时起动/备用额敏油浸式变压器低压侧后备保护可优先考虑放置于开关柜，特殊接线方式的起动/备用额敏油浸式变压器的保护配置需要特殊考虑。
