基于220kV變電站仿真系統的變壓器保護應用

變壓器故障的主要保護形式為縱聯差動保護，其保護可以無延時地切除變壓器內部繞組和引出線的相間和接地故障，甚至匝間短路，具有獨特的優點。一般來講，并列運行的變壓器，容量為6300kVA以上時;單獨運行的變壓器，容量為10000kVA以上時;發電廠廠用工作變壓器和工業企業中的重要變壓器，容量為6300kVA以上時，應裝設縱聯差動保護。

電網仿真系統的特點

第一，使用方便、實時仿真。該軟件運行方便，不受其他條件的影響。其優點是：投資比較少、使用靈活性較強、容易維護和更新。

第二，界面直觀、操作容易。該仿真軟件操作界面包含變電站概況、運行工況、控制室、就地操作屏、繼電保護屏、站用電/直流系統六大部分。界面切換不同仿真環境，操作控制接近實際現場。

第三，組合靈活、內容全面。電網仿真系統進行仿真時，功能從簡單到復雜，模擬各種類型工況并且可以組合不同的工況，逐步進入復雜的現場仿真環境。

電網仿真系統的功能

變電站仿真系統的功能結構包括三部分：正常基本操作模塊（變壓器分接頭、補償設備調壓;“五防”操作;電容器、電抗器停復役;母線、線路、變壓器停復役）、故障及異常事故處理模塊（電容器、電抗器故障;保護拒動、誤動故障;開關拒動、誤動故障;母線、線路變壓器永久故障;母線、線路、變壓器瞬時故障）和保護及自動裝置模塊（自動裝置;常規保護;微機保護）。

電網仿真系統采用開放式的實時UNIX操作系統作為仿真軟件運行環境，包括35kV、220kV、主變壓器等各種一次設備。內置了400多種不同工況下的故障類型，可以仿真一種或者同時仿真多種故障。該仿真系統結合了電力專業開設的“電力系統繼電保護”課程，加深學生對電力系統故障分析、繼電保護原理及實現、繼電保護裝置運行和維護的理解。同時，為學生提供一個自己動手設置故障的仿真平臺，能充分調動學生學習和自主解除疑問的積極性，提高了學生的故障分析能力。通過三維動畫、三維影像、聲音與文本以及圖形結合，刺激學生的聽覺以及視覺神經，明顯提高學生的學習熱情，加深印象，這樣便能夠取得更好的培訓效果。軟件采用分屏切換，其中包括故障類型的設定、工況的復位、系統運行/凍結、變電站運行狀態，變電站運行狀態又可以通過控制屏查看所有保護元件的實時狀態，如設備的開斷、警報鈴聲、光字牌顯示、警報記錄表顯示，能夠觀察運行變化的每一步。該軟件模擬新建220kV變電站進行各種繼電保護仿真實驗。

新建220kV變電站220kV母線的接線采用雙母線雙分段接線方式，一共有8回出線（2201-2208）;在220kV母線上有2臺分段斷路器，2臺母聯斷路器。3臺主變（T1-T3），變比為220kV/35kV，單臺容量為100MVA。35KV母線的接線采用單母線6分段接線方式，共24回出線（301-324）;3組電容器;2臺站用變，變比為35kV/380V。根據仿真系統的設定，裝設在主變壓器上的保護有：差動保護（BCH-1），220kV零序電流保護Ⅰ、Ⅱ段，220kV零序電壓保護，220kV電流速斷保護，220kV過電流保護，35kV過電流保護，35kV零序電流保護，35kV過負荷保護，以及反映非電氣量的瓦斯保護、溫度保護。以下主要針對變壓器的縱聯差動保護進行仿真。

電力變壓器縱聯差動保護原理

縱聯差動保護作為變壓器主要的保護，是反映被保護電力變壓器各端電流流入和流出的向量差，考慮到變壓器正常運行情況下，用于建立磁場的勵磁電流很小，不會超過額定電流的2%-5%，因此在差動回路引起的不平衡電力很小，可忽略不計，變壓器接近理想變壓器。

根據基爾霍夫電流定律，在不平衡電流忽略不計的理想情況下，流進差動繼電器的電流為零：

式中，為流入輸電線路j側的電流向量。

當內部發生故障時，電流流向如圖1所示。根據前面基爾霍夫原理，圖1中輸電線路MN，流入差動保護電流為：

式中，、分別是兩端的電流互感器變比，、分別為兩側互感器二次側電流。

根據上述差動原理，對常見的雙繞組和三繞組變壓器來講，其基本原理接線如圖2所示。規定各側電流方向均以流入變壓器為正。

由于流過變壓器高壓側和低壓側電流不同，為了使得正常運行時流入差動保護的電流為零，不讓其誤動，所以在通常情況下必須選擇適當的電流互感器變比，如圖2中的雙繞組變壓器接線形式，應使：

或

式中，是高壓側電流互感器的變比;是低壓側電流互感器的變比;nT為變壓器高壓和低壓的比值。從上面的公式可以看到，要實現差動保護，必須計算電流互感器的變比，而且盡量接近變壓器的高低和壓側的比值nT。

為了削弱高次諧波的影響，使得電壓接近正弦波，在電力系統中，高壓線路里的大容量變壓器一般采用Yd11的接法。在正常運行時，三角形側的電流相位超前星形側電流相位30°，所以必須對其進行校正。微機變壓器保護的縱聯差動保護中，其兩側的電流互感器均接成星形，如圖3所示。通過輸入進微機保護裝置中，正常運行情況下出現的相位差由軟件進行校正，這樣使得接線比較簡單清晰，便于知道故障相。

值得注意的是，在這種微機變壓器縱聯差動保護中，電流互感器的變比并不需要完全符合上面所提到的要與變壓器高低壓變比nT相等，因為其可以采用具有標準化電流比的電流互感器，它將電流互感器二次側電流差改為數字差（由軟件實現），即由此帶來的二次不平衡電流用數值計算進行補償。這種補償方法較之傳統差動保護采用的補償方法更為準確，不平衡電流更小。

實際上，變壓器運行不能忽略不平衡電流的影響，因為它的產生原因不只一種，為了避免差動繼電器動作，必須考慮其所有可能會產生不平衡電流的影響。實際運行的變壓器中不平衡電流產生的原因有：變壓器空載合閘或者變壓器外部故障切除后變壓器電壓瞬間恢復時產生的勵磁電流，可達到額定電流的6～8倍，并且含有大量的非周期分量和高次諧波;電流互感器實際變流變比產生的不平衡電流;由于調整變壓器負荷分接頭之后沒有及時調整新的變比而產生的不平衡電流;兩側電流互感器型號不同產生的不平衡電流;外部故障時產生的不平衡電流。

目前，關于變壓器差動保護的研究一直停留在如何躲過變壓器空投勵磁涌流、外部故障TA飽和和不平衡電流方面。為了消除上述的不平衡電流，使得保護不會誤動作，在微機縱差保護中，主要方法有2種：用數字濾波方法對非周期分量進行消除、采用具有制動特性的比率差動保護。采用上述2中方法，對減小不平衡電流的影響有顯著的作用。

實驗仿真過程

主變相間短路故障類型設置及分析

故障類型：一號主變相間短路、一號主變重瓦斯拒動。結果輸出如表1所示。原因分析：由于一號主變發生相間短路，此短路屬于油箱內部故障，應由內部裝設的瓦斯保護切除故障，但是故障發生的時候往往不是單一發生的，還可能伴隨其他的故障一同發生，就如此次仿真設定那樣，瓦斯保護出現拒動的情況。那么此時的內部相間短路故障根本無法切除，所以由作為油箱外部故障的主保護縱聯差動保護來切除。仿真與分析結果一致。

表1 結果顯示

故障類型 一號主變相間短路、一號主變重瓦斯拒動

光

字

牌 一號主變 主變跳閘

一號電容 過流零流低壓及瓦斯過壓保護動作

二/三分段自切動作

一/六分段自切動作

繼電保護屏 一號主變保護第一屏 縱聯差動保護動作

一號電容第一屏 一號電容低電壓動作信號

一/六分段自切屏 35kV一/六分段合閘

二/三分段自切屏 35kV二/三分段合閘

35KV一母相間短路故障類型設置及分析

故障類型：一號主變35kV速斷保護拒動、35kV一母相間短路。結果輸出如表2所示。原因分析：從仿真系統結果來看，動作的元件有一號主變、一號電容器、一/六分段和二/三分段的分段斷路器。由于設置故障有35kV一母相間短路，母線對應的母線差動保護應動作，故障相對于變壓器來說是外部故障，變壓器的差動保護不會動作，只需35kV的速斷保護動作即可，變壓器保持運行狀態。但是變壓器的35kV速斷保護拒動，此時變壓器受到短路電流的沖擊，為了保護變壓器的安全，作為變壓器的主保護縱聯差動保護動作，把變壓器切除，讓變壓器退出運行。主變退出運行之后，35kV一/六分段和二/三分段失壓，一號電容器低壓保護動作。仿真與分析結果一致。

表2 結果顯示

故障類型 一號主變35kV速斷保護拒動、35kV一母相間短路

光字牌 一號主變 主變跳閘、主變壓力異常

一號電容器 過流、零流、低壓及瓦斯過壓保護動作

35kV一/六母線 一/六段自切動作

35kV二/三母線 二/三分段自切動作

一號主變 11XJ主變重瓦斯

一號電容器 1號電容器低電壓動作信號

繼電

保護屏 一/六分段自切屏 35kV一/六分段合閘、跳閘

二/三分段自切屏 35kV二/三分段合閘

從仿真結果來看，故障設置后，由于流入差動回路的電流增大，大于整定值，差動繼電器動作，使得變壓器動作，并且能在很短時間內跳閘退出運行，保護了變壓器的安全不受損壞，具有很高的可靠性和靈敏性。通過電網仿真軟件模擬變壓器縱差保護如何動作，什么情況下動作以及動作之后其他一次設備有什么變化，學生可以容易理解所學的知識，加深對“電力系統繼電保護”這門課程的認識程度。電網仿真系統不僅可以應用于教學，也可以讓學生自己動手解決心中的疑問，同時可以作為科研人員的研究平臺甚至可以作為變電人員上崗培訓的平臺。（作者李惜玉系廣東工業大學自動化學院高級實驗師;歐豐華系廣東工業大學自動化學院本科生。基金項目：本文系2013年廣東省廣東工業大學省級大學生創新基金資助項目（項目編號：1184513164），2014年廣東省廣東工業大學大學生創新基金資助項目，廣東省高等教育教學改革項目（粵財教[2012]361號），2012廣東工業大學校級重點項目（項目編號：2012Z010）廣東省電氣工程及其自動化特色專業基金資助項目（項目編號：402102299）的研究成果）