變壓器參數不對稱對后備阻抗保護的影響研究

陳小龍

(廣東電網公司 湛江供電局，廣東 湛江524001)

0 引言

隨著國民經濟的發展，人們對電能的要求也越來越高，大型電力變壓器作為電力系統中的關鍵設備之一，必須保證其對電網運行的可靠性，因此當主變發生需要較長時間修復的故障時，必須將與主變型號一致、各方面參數相同的變壓器及時投入來替換存在故障的主變，以免對整個電網造成巨大損失［1，2］。500 kV 變電站主變一般為三相三繞組自耦變壓器，當某相發生故障時，由于單相替換較三相替換能夠節省工程施工時間和工程費用，所以一般只對故障相進行替換，備用變與主變可能來自不同的生產廠家，短路阻抗電壓百分比存在著差異，導致變壓器三相短路電壓百分比參數不對稱。變壓器后備阻抗保護與變壓器繞組的阻抗有關，由此有必要對變壓器三相短路電壓百分比不對稱情況下后備阻抗保護的動作特性進行研究分析。

目前，國內外對主變替換引起的三相參數不平衡問題所進行的研究并不多。文獻［3］對主變單相替換后因三相容量不平衡問題進行了分析，從三相不平衡潮流、電壓和電流不平衡度等方面研究了主變單相替換的可行性和適應性;文獻［4 ～6］通過PSCAD 及RTDS 對換流變的分接頭開關調整、諧波電流等方面進行仿真，來研究深圳Y/Y 型換流變替換肇慶站環流變的可行性。以上都沒有涉及到主變單相替換后對變壓器繼電保護的影響，本文結合某站主變單相替換工程，從理論分析和基于PSCAD/EMTDC 仿真來研究500 kV 主變單相替換后對因三相短路電壓百分比不一致對變壓器后備阻抗保護的影響，為進一步研究主變單相替換的可行性提供參考依據。

1 理論分析

變壓器并列運行應滿足以下條件［7］:(a)相位關系相同，即連接組別要相同;(b)電壓變比要相同，差值不得超過±0.5%;(c)短路阻抗相同，盡量控制在允許偏差范圍±10%以內; (d)兩條變壓器的容量比不宜超過3∶1。滿足這4 個條件就能保證參與并列運行的各變壓器之間不產生過大的環流。

某500 kV 變電站主變A 相發生故障，現考慮用另外一臺變壓器進行單相替換，通過對替換前后的兩臺變壓器技術參數比較，發現兩者的容量及電壓比均相同，三相變壓器采用相同的YN，ao，d11 接線方式。由于替換后的變壓器與替換前的變壓器并非完全同一型號，短路電壓百分比有一定的偏差，如表1 所示。

表1 主變額定檔位下短路電壓百分比Tab．1 Short-circuit voltage percentage of main transformer under rated tap position (%)

由表1 可以看出，替換后主變三相短路電壓百分比參數不對稱，其中高中壓側的三相短路電壓百分比不對稱度最大，其偏差值達到了7.4%，根據電力變壓器并列運行的條件可知其可并列運行而不產生較大環流。三相變壓器短路電壓百分比的不對稱直接影響到三相繞組等值電抗的不對稱，通過比較可以發現，替換后的變壓器較替換前的變壓器高中壓側的等值電抗和高低壓側的等值電抗已經變大，而中低壓側的等值電抗卻變小了一點。當變壓器中壓側出線端發生故障時，高壓側故障相阻抗繼電器的測量阻抗即為變壓器高中壓側的等值阻抗，替換后A 相高中壓側的等值阻抗已經發生變化，因此，替換后發生故障時阻抗繼電器的測量阻抗也相應發生了變化，測量阻抗的變化對阻抗繼電器動作特性有可能產生影響。

阻抗保護作為變壓器的接地及相間短路的后備保護，一般配置了反應接地短路故障的接地阻抗保護和反應相間短路故障的相間阻抗保護［8，9］。根據主變保護配置說明，500 kV 主變后備阻抗保護一般采用有5%偏移特性的阻抗圓，正方向阻抗動作值可按對側母線有足夠靈敏度并與對側出線相配合進行計算［10］。接地阻抗保護零序補償系數值裝置固定設為0，阻抗元件的靈敏角為75°，阻抗元件的動作特性如圖1 所示。

圖1 阻抗保護元件動作特性Fig．1 Action characteristic of impedance protection element

2 模型的建立

根據表1 可知，替換后變壓器三相短路電壓百分比高中繞組間的不對稱性最大，所以本次研究主要通過模擬變壓器中壓側出線端的各種故障類型來分析三相參數不對稱對高壓側阻抗繼電器的動作特性的影響。在PSCAD/EMTDC 中建立本次的仿真模型，如圖2 所示，系統采用電源—變壓器—負荷模型，變壓器采用YN，ao，d11 接線方式，通過FAULTS 模塊來模擬變壓器中壓側各種類型的故障，負荷采用軟件中提供的Fixed Load模塊，對變壓器漏抗參數的設置可反映出三相短路電壓百分比的不對稱性。在變壓器正常運行的過程中，變壓器中壓側所帶負荷為額定容量的75%，負荷功率因數為0.95，變壓器低壓側一般不帶負荷或者帶少量的負荷。

圖2 系統仿真模型Fig．2 Model of system simulation

阻抗繼電器采用0°接線方法，通過測量高壓側三相的電壓和電流，然后對測量的數據進行處理，即可得到阻抗保護的動作特性，接入阻抗繼電器高壓側三相的電壓和電流處理流程如圖3所示。

圖3 數據處理流程Fig．3 Flow chart of data processing

(1)將測量的高壓側三相電壓、電流數據通過On-Line Frequency Scanner (FFT)模塊，進行傅里葉分析，提取三相基波電壓和電流的幅值、相位。

(2)將三相基波電流的幅值、相位通過Sequence Filter 模塊，通過對稱分量分析，獲取電流的正、負、零序分量的幅值和相位。

(3)將三相基波電壓和電流的幅值、相位以及零序電流的幅值和相位送入Line to Ground Impedance 模塊計算出接地阻抗的R 值和X 值，并且將三相基波電壓和電流的幅值、相位送入Line to Line Impedance 模塊計算出相間阻抗的R 值和X 值。

(4)將R 值和X 值輸入圓特性阻抗元件Mho Circle 模塊，該模塊可以根據整定阻抗值設置特征圓的坐標原點和半徑，根據輸入的R 值和X 值將可判斷測量阻抗是否在動作圓內，如果在阻抗圓內結果輸出為1，否則結果輸出為0。同時將R值和X 值送入XY Plots 模塊，該模塊可以繪出阻抗動作圓及測量阻抗的軌跡。

3 仿真與分析

3.1 正常運行方式

在正常運行方式下，替換前后變壓器高壓側A 相接地阻抗元件及AB 相間阻抗元件的測量阻抗如圖4 所示，圖中阻抗以Ω 為單位。其他相接地阻抗元件和相間阻抗元件的測量阻抗類似。

圖4 正常運行時，接地與相間阻抗元件的測量阻抗Fig．4 Measurement impedance of grounding and interphase impedance element under normal condition

從圖4 中可以看出，變壓器接地阻抗元件與相間阻抗元件的測量阻抗在替換前后基本一致，兩條阻抗軌跡線基本重合并且沒有進入動作阻抗圓的范圍內，因此替換后并不會引起阻抗保護的誤動作。

3.2 變壓器故障分析

(1)發生接地短路故障時

教師提出問題：血紅蛋白的結構有什么特點，具有哪些特性？并組織學生閱讀教材中血紅蛋白結構的相關文字。教師繼續設問：了解了血紅蛋白的結構，應該選擇什么樣的實驗材料提取血紅蛋白？為什么？選好材料以后，如何從中分離出血紅蛋白呢？首先應該了解血液中除血紅蛋白外還含有哪些成分？教師利用一系列問題，引導學生分析血液的成分，尋求獲得血紅蛋白的思路。最后，學生閱讀教材并思考：若整個實驗按照上述思路完成，實驗分為幾個環節？從而過渡到“樣品處理”環節。

變壓器中壓側出線端發生A 相接地短路故障時，變壓器高壓側反應A 相接地短路故障的接地阻抗元件的測量阻抗如圖5 所示，圖中阻抗以Ω為單位。

圖5 接地故障時，接地阻抗元件的測量阻抗Fig．5 Measurement impedance of grounding impedance element under grounding fault

從圖5 中可以看出，替換前后接地阻抗元件的測量阻抗軌跡線不重合，替換后的測量阻抗軌跡線在替換前的上面，即替換后的測量阻抗比替換前的測量阻抗相應要大些，從表1 中可以看出，這是因為替換后的A 相高中壓側阻抗較替換前增大了，當變壓器中壓側發生A 相接地短路故障時，高壓側A相接地阻抗元件測量阻抗的穩態值就是等效到高壓側的高中繞組等值阻抗。替換后測量阻抗的增大降低了阻抗保護的靈敏性，但不至于使阻抗保護產生誤動作。

(2)發生相間短路故障時

變壓器中壓側出線端發生AB 相間短路故障時，變壓器高壓側反應AB 相間短路故障的相間阻抗元件的測量阻抗如圖6 所示，圖中阻抗以Ω為單位。

圖6 相間故障時，相間阻抗元件的測量阻抗Fig．6 Measurement impedance of interphase impedance element under phase to phase fault

從圖6 中可知，替換前后相間阻抗元件的測量阻抗軌跡線很靠近但不相重合，替換后的軌跡線在替換前的上面，即替換后的測量阻抗比替換前的測量阻抗要稍微大一點，但兩者之間的差值比圖5 中的要小，即三相短路電壓百分比不對稱對相間阻抗元件的影響要小于接地阻抗元件。這是因為當發生AB 相間短路故障時，高壓側AB 相間阻抗元件測量阻抗的穩態值，等于A 相等效到高壓側的高中繞組等值阻抗與B 相等效到高壓側的高中繞組等值阻抗之和的一半，由于替換前后只有A 相高中壓側的短路電壓百分比發生了變化，所以相間阻抗元件替換前后的變化近似為接地短路故障時相應相接地阻抗元件替換前后變化的一半。

(3)發生三相短路故障時

變壓器中壓側出線端發生ABC 三相短路故障時，替換前后變壓器高壓側A 相接地及AB 相間阻抗元件的測量阻抗如圖7 所示，其他相的接地阻抗和相間的測量阻抗類似，圖中阻抗以Ω 為單位。

圖7 三相故障時，接地及相間阻抗元件的測量阻抗Fig．7 Measurement impedance of grounding and interphase impedance element under three phase fault

根據圖7 可知，替換前后接地阻抗元件比相間阻抗元件的測量阻抗變化要大，替換后阻抗元件測量阻抗的增大降低了阻抗保護的靈敏性，但接地阻抗元件和相間阻抗元件的測量阻抗都進入了動作特性圓內，能夠使阻抗保護正確動作。

4 結論

(1)兩臺500 kV 主變的電壓和變比、容量及三相連接組別均一致，但兩者的短路電壓百分比最大偏差為7.4%，根據電力變壓器并列運行條件認為當主變某相發生故障時用另外一臺變壓器進行單相替換具有一定的可行性。

(2)雖然單相替換后三相短路電壓百分比參數出現了一定程度的不對稱，但通過仿真以及分析可以發現，變壓器三相短路電壓百分比一定程度的不對稱并不會影響后備阻抗保護的正確動作。

(3)單相替換后短路電壓百分比參數的增大，故障時將會使反應故障的阻抗元件測量阻抗變大，降低阻抗元件的靈敏性。

(4)單相替換后短路電路電壓百分比的變化，對替換相接地阻抗元件的影響要比替換相相間阻抗元件的要大，替換相相間阻抗元件測量阻抗的變化近似為替換相接地阻抗元件測量阻抗元件變化的一半。

本文主要研究了變壓器單相替換后對后備阻抗保護的影響，參數不對稱對于變壓器其他保護的影響有待于進一步研究。

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