变压器后备保护选择性与灵敏性配合问题的分析
天水供电公司的研究人员杨剑梅、杨雪梅、高辉，在2015年第3期《电气技术》杂志上撰文，介绍了在电网运行中发生的一起变压器后备保护动作的真实案例，在该案例中变压器高压侧与中低压侧后备保护定值在选择性、灵敏性难以同时兼顾。
本文从跳闸事件的一般现象出发，以故障录波信息为依据，以电网故障电流仿真系统为工具，对如何处理变压器后备保护上下级的配合关系，对整定值的选择性和灵敏性进行合理的取舍等问题展开分析，不仅为变压器保护整定计算提供了真实的参考依据，也为提高电网安全性和可靠性提供了符合生产实际的改进措施。
电网继电保护的整定计算应满足速动性、选择性和灵敏性要求[1]，但是在保护整定计算的工作中，经常遇到由于电网运行方式、装置性能等原因造成选择型、灵敏性难以同时兼顾的情况。如何处理上下级保护间的配合关系，对保护整定值进行合理的取舍，避免保护越级动作，是保护整定计算人员需要攻克的一道难题。
本文以110kV变电站主变后备保护高压侧与中、低压侧后备保护在选择性、灵敏性不能同时兼顾的真实案例进行了研究和探讨，层层递进地剖析保护动作情况，并提出了相应的改进措施。
1 案例概况
某110kV变电站配置110kV同型号变压器2台，1#、2#主变并列运行。两台主变110kV侧、35kV侧、10kV侧均配置两段复合电压过流保护。 2012年8月15日，3501开关内部发生短路故障起火，保护动作情况依次为：
（1）1220ms：1#、2#主变中压侧后备保护复压过流I段一时限动作出口，跳开3500开关；
（2）1520ms：1#主变中压侧后备保护复压过流I段二时限动作出口，跳开3501开关；
（3）1820ms 1#、2#主变高压侧后备保护复压过流I段一时限动作出口，跳开1101、101、1102、3502、102开关。
经过详细排查和检验，查明故障点k1位于3501开关箱内部（靠近主变侧），内部绝缘已严重破坏。
2 跳闸过程仿真分析
第一阶段：k1点发生短路故障，3500开关跳开前，主变各侧的短路电流如下图1所示，根据短路电流值及故障录波图分析，此时故障为A,B相间短路发展成三相短路。此时1#、2#主变高、中压侧短路电流同时达到后备保护动作值，高、中压侧后备保护起动，1220ms 1#、2#主变中压侧复压过流I段（840A/1.2S）一时限出口动作，跳开3500开关。
图1 第一阶段短路电流分布图
第二阶段：k1点发生故障，3500开关跳开后，主变各侧的短路电流如下图2所示,根据故障录波图及短路电流值分析，此时故障类型为三相短路故障。
图2 第二阶段短路电流分布图
1520ms：1#主变中压侧后备保护复压过流I段二时限（840A/1.5S）动作出口，跳开3501开关；由于3501开关内部故障，绝缘破坏，3500、3501开关跳闸后故障点仍未隔离， 1#、2#主变高压侧短路电流仍高于高后备I段动作值（270A/1.8S），故1820ms1#、2#主变高后备保护出口动作，1#、2#主变三侧开关跳闸。
3 保护定值分析及改进措施
根据主变后备保护整定原则，主变10kV侧（35kV侧）后备保护应按10kV（35kV）母线故障有1.5的灵敏度整定，并与各侧线路、所用变、电抗器、电容器等设备定值配合整定；主变110kV侧后备保护定值应躲过本侧负荷电流，兼做其他侧母线和出线等设备的后备保护[2]。按此整定原则，1#、2#主变高、中、低后备保护整定值见表1。
表1 1#（2#）主变后备保护定值
3.1 灵敏性分析
该变电站在小方式下（系统小方式且主变并列运行）10kV（35kV）母线发生短路故障流过1#、2#主变高中低压侧的最小短路电流如表2所示。
表2 1#（2#）主变故障电流（小方式）
将表2与表1进行对比分析，该站主变后中、低后备保护定值满足倍灵敏度的要求；但高后备保护定值在躲过最大负荷电流的情况下，与高低压侧定值配合整定，兼做10kV母线故障后备保护时灵敏度不足（仅为1.15）。
3.2 选择性分析
在本次跳闸事件中，在K1点发生故障时，第一阶段主变低后备保护未起动，第二阶段3500开关跳开后故障电流走向发生变化。
1220ms时1#、2#主变中后备保护起动，跳开3500开关后还需延时900ms，低后备保护才能动作（跳100关），但由于1#、2#主变高后备保护在第一阶段已起动（先于低后备保护起动），3500开关跳开后高后备未返回（短路电流仍高于定值），故高后备只需延时600ms（低后备需延时900 ms），便在1820ms跳开主变各侧开关。由于高后备保护先于低后备保护动作，10kV、35kV侧I、II段母线全部失压。
在第二阶段中（如图2中），3500开关跳开后，若2#主变低后备保护先于高后备保护动作，2#主变与故障点隔离，高后备保护返回，可以避免10kV、35kV侧II段母线失压，从而减少电量损失。
根据上述分析，该站主变后备保护定值不满足选择性的要求
3.3综合分析及改进措施
根据保护定值灵敏性和选择性的分析，在k1点发生短路的特殊故障形式下，该站主变保护定值在满足灵敏度的情况下不满足选择性的要求，主要原因是主变后备保护整定时主要考虑常见的母线故障类型，但发生特殊故障时无法兼顾选择性与灵敏性。
若要兼顾选择性与灵敏性，可以采取以下三方面的改进措施：
第一，调整主变高后备保护起动定值。在保证兼做其他侧母线和出线等设备后备保护有灵敏度前提下，提高变压器高后备保护的过流定值，优先由低后备保护动作（在本文案例中高后备定值应不小于277A才能保证选择性，但10kV侧母线故障灵敏度仅为1.1），同时变压器后备保护整定应充分考虑变压器热稳定的要求，一般保证故障切除时间在2s以内。
第二，调整主变低后备保护的时限。若要主变低后备保护先于高后备动作，本文案例中1#（2#）主变低后备保护一时限应不大于0.6S，在满足逐级配合要求的情况下，可以考虑将主变低后备保护与10kV线路过流保护II段定值配合。
第三，若调整主变后备保护定值始终无法兼顾选择性与灵敏性，优先考虑保证保护定值的灵敏度。另外为提高供电可靠性，可以考虑改变运行方式，将主变中、低压侧母线分列运行，加装备自投装置。
4 结论
变压器后备保护是保护变压器安全的最后一级保护，一方面在定值上要与其他侧出线等设备的保护定值配合，避免扩大停电范围，另一方面要充分保证主变、其他侧母线及出线等设备故障时能可靠动作。
保护整定计算时不能仅考虑常见故障类型[3]，应全面分析多种故障情况下的短路情况，在整定保护定值时尽量兼顾灵敏性与选择性，充分考虑通过调整运行方式达到提高供电可靠性的目的。
若实际整定计算中仍无法兼顾选择性与灵敏性，应按照“宁误动不拒动”的原则，优先考虑灵敏性[4]，保证保护装置能可靠动作，避免造成设备损害，扩大事故影响范围。