自耦變壓器主保護配置方案研究

席亞克 劉桂蓮 劉永欣 牛 強 陶永健

（許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

變壓器在系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位[1]，它的故障將對供電可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴(yán)重的影響[2]，其故障診斷技術(shù)的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點[3]。

在超高壓電力系統(tǒng)中，自耦變壓器以其體積小、效率高、用材省等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用[4]。對于自耦變壓器內(nèi)部繞組的相間、匝間、接地短路故障，通常由瓦斯保護和壓力釋放保護擔(dān)任，同時也由差動保護擔(dān)任；而對于自耦變壓器引線上的相間短路和中性點接地側(cè)（簡稱Yn側(cè)）引線的接地短路，則僅由差動保護來擔(dān)任，差動保護仍是當(dāng)前廣為應(yīng)用的變壓器主保護[5]。本文針對自耦變壓器Yn側(cè)區(qū)內(nèi)引線經(jīng)過渡電阻接地短路故障[6]，對差動保護的靈敏系數(shù)展開短路計算驗證，考察自耦變壓器在各種不同運行方式下發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地短路故障時，差動保護能否滿足動作靈敏系數(shù)的工程應(yīng)用要求。

1 差動保護原理簡介

自耦變壓器差動保護原理判據(jù)已有詳細介紹[7]，此處僅給出保護軟件動作量判別式，即

式中，P為各側(cè)平衡系數(shù)，P=Ib/I。Ib為基準(zhǔn)電 流，一般取高壓側(cè)二次實際額定電流；I是各側(cè)二次電流。下標(biāo)s、h、m和l分別表示系統(tǒng)、自耦變壓器高壓Y側(cè)、中壓Y側(cè)和低壓Δ側(cè)。

2 經(jīng)過渡電阻接地短路故障時自耦變壓器差動保護的靈敏系數(shù)

《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》[8]（以下簡稱《規(guī)程》）和《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定導(dǎo)則》[9]（簡稱《導(dǎo)則》）沒有明確規(guī)定變壓器或自耦變壓器接地故障靈敏度的要求?！兑?guī)程》對線路保護有明確的規(guī)定，要求對于220kV、330kV、500kV線路保護，應(yīng)保證在過渡電阻不大于100Ω、150 Ω、300 Ω的接地故障時能可靠動作跳閘。大型樞紐變電站的重要性不亞于線路保護，為了確保變壓器設(shè)備安全和電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本文借用線路保護的要求來驗算自耦變壓器差動保護在相應(yīng)過渡電阻下能否滿足動作靈敏系數(shù)的要求。

自耦變壓器Yn 側(cè)在發(fā)生經(jīng)過渡電阻單相接地短路時的計算，可采用以最大容量為短路計算的基準(zhǔn)容量，標(biāo)定出高、中壓側(cè)系統(tǒng)電抗和各側(cè)電抗及系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)電抗，根據(jù)短路前的運行方式和短路點位置，求出經(jīng)過渡電阻接地短路點的各序總電抗和接地故障各序分量及相電流的標(biāo)幺值[10]，再結(jié)合保護整定值（按最大容量下的基準(zhǔn)電流標(biāo)幺整定）分析驗算差動保護接地短路的動作靈敏系數(shù)。

自耦變壓器的高、中壓側(cè)接入高壓側(cè)系統(tǒng)電源和中壓側(cè)系統(tǒng)電源，低壓側(cè)接有無電源站用負荷，高、中壓側(cè)中性點直接接地運行方式，其高、中壓側(cè)配有斷路器可實現(xiàn)并網(wǎng)或不并網(wǎng)運行，自耦變壓器系統(tǒng)接地短路示意圖如圖1所示。高壓側(cè)保護區(qū)內(nèi)引線d點發(fā)生經(jīng)過渡電阻Rg接地短路的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。中壓側(cè)保護區(qū)內(nèi)引線k點發(fā)生經(jīng)過渡電阻Rg接地短路的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。定義各側(cè)（包括公共繞組）故障序分量電流和故障相電流方向為流入短路故障點，即各電源側(cè)都向故障點提供故障電流；低壓側(cè)無電源不提供故障電流，其正、負序電抗視為開路（如圖中開關(guān)是斷開的）不參與短路計算；低壓側(cè)三角繞組具有零序環(huán)路，視為零序回路直接接地（如圖中開關(guān)是閉合的）。圖中Xsh、Xsm是高、中壓側(cè)系統(tǒng)聯(lián)系電抗，Xth、Xtm、Xtl分別是自耦變壓器高、中、低壓側(cè)電抗，右下標(biāo)1、2 和0 表示為正序、負序和零序。

1）計算自耦變壓器三側(cè)電抗

根據(jù)自耦變壓器高壓與中壓間電抗值Xh-m、高壓與低壓間電抗Xh-l、中壓與低壓間電抗Xm-l，可計算出自耦變壓器高、中、低三側(cè)的電抗Xth、Xtm和Xtl

圖1 自耦變壓器接地短路示意圖

圖2 d 點經(jīng)過渡電阻短路序網(wǎng)絡(luò)分析圖

圖3 k 點經(jīng)過渡電阻短路序網(wǎng)絡(luò)分析圖

令自耦變壓器各側(cè)序電抗相等，則自耦變壓器零序電抗等于正、負序電抗。

2）計算不同運行方式下不同短路點的總電抗

根據(jù)自耦變壓器運行方式類型和短路點的不同位置，自耦變接地短路計算可分為3 類：①高、中壓側(cè)同時并網(wǎng)的高壓側(cè)或中壓側(cè)接地短路；②高壓側(cè)未并網(wǎng)中壓側(cè)并網(wǎng)的高壓側(cè)或中壓側(cè)接地短路；③中壓側(cè)未并網(wǎng)高壓側(cè)并網(wǎng)。限于篇幅，下面僅以高、中壓側(cè)同時并網(wǎng)的高壓側(cè)d點經(jīng)過渡電阻Rg接地短路為例給出計算步驟，其他不同運行方式下不同短路點的總電抗計算步驟類同。

高、中壓側(cè)同時并網(wǎng)（正常）運行時，高壓側(cè)保護區(qū)內(nèi)引線d處接地短路，高、中壓側(cè)系統(tǒng)提供接地故障各序分量電流和相電流。由圖2可列出短路點的各序總電抗

高壓側(cè)系統(tǒng)三序分支系數(shù)為

3）計算短路點故障電流及自耦變壓器各側(cè)系統(tǒng)故障相電流

采用標(biāo)幺值計算，令A(yù) 相為短路故障相，短路點電源電勢標(biāo)幺值為E∑=j。

（1）計算短路點過渡電阻標(biāo)幺值220kV、330kV、 500kV 不同電壓等級的過渡電阻R′j分別按100Ω、 150 Ω、300 Ω取值，過渡電阻標(biāo)幺值為

式中，Zj、Sj、Uj分別為基準(zhǔn)阻抗、基準(zhǔn)容量和基準(zhǔn)電壓（取平均額定電壓）。

（2）由序總電抗計算出d點經(jīng)過渡電阻Rg短路的各序故障分量電流

再由高壓側(cè)系統(tǒng)的分支系數(shù)，可計算出高壓側(cè)系統(tǒng)正（負）序分量電流（Idsh.1=Idsh.2=Csh.1IdA.1）和高壓側(cè)系統(tǒng)零序分量電流（Idsh.0=Csh.0IdA.0），進而可計算出高壓側(cè)系統(tǒng)流入保護裝置的各相故障電流

（3）計算自耦變高壓側(cè)繞組各序故障分量電流

由序網(wǎng)絡(luò)分析圖可寫出中壓側(cè)系統(tǒng)流入保護裝置的的正、負序故障分量電流

由以上各式可計算出中壓側(cè)系統(tǒng)流入保護裝置的各相故障電流

由于自耦變壓器低壓側(cè)三角繞組無電源只接有站用負荷，不提供故障電流，其正、負序電抗回路視為開路；而低壓側(cè)三角繞組環(huán)路中流過很大的故障零序電流，三角外無故障電流，所以自耦變壓器差動保護的低壓側(cè)也沒有故障電流。

4）驗算自耦變壓器差動保護接地動作靈敏系數(shù)

計算出自耦變壓器高、中壓側(cè)系統(tǒng)流入保護的故障電流和低壓側(cè)故障電流（等于零）后，自耦變壓器差動保護實際動作量判據(jù)變?yōu)?/p>

若高壓側(cè)相電流最大，制動量為

若中壓側(cè)相電流最大，制動量為

當(dāng)Ires≤Ires.0時，保護在無制動區(qū)動作，其動作靈敏系數(shù)按Ksen=Iop/Iop.0計算；當(dāng)Ires>Ires.0時，保護 在制動區(qū)動作，保護動作值為Io′p=Iop.0+S(Ires-Ires.0)， 其靈敏系數(shù)按Ksen=Iop/Io′p計算。 可靠動作；若 1.2 ≤Ksen<1.5，則判不滿足要求，但

若Ksen≥ 1.5，則判滿足《規(guī)程》要求，保護能能動作；若Ksen<1.2，則判保護不能動作。

3 實驗

自耦變壓器差動保護整定值是以自耦變壓器最大容量下的最大（額定）電流為基準(zhǔn)電流的標(biāo)幺值來整定的，各項整定（標(biāo)幺）值如下：最小動作電流值Iop.0= 0.5，最小制動電流值Ires.0= 0.8；比率制動系數(shù)S= 0.5；基準(zhǔn)電流IN.h為高壓側(cè)一次額定電流，nh為高壓側(cè)CT 變比，SN.max為自耦變壓器最大額定容量，Uj.h為高壓側(cè)一 次平均額定電壓；高壓側(cè)平衡系數(shù)Ph=Ij/Ih= 1；中壓側(cè)平衡系數(shù)Pm=Ij/Im。

3.1 算例1

某聯(lián)絡(luò)變電站的自耦變壓器接線方式為Yn/a0/d11，容量 240/240/72MVA，額定電壓為330 ± 8 × 1 .25%/121/35kV，高、中壓側(cè)接系統(tǒng)，低壓側(cè)為站用負荷，短路電抗：Xh-m=0.1029，

Xh-l=0.2457，Xm-l=0.128；Xsh.1=Xsh.2=0.12，Xsh.0=0.144；Xsm.1=Xsm.2=0.168，Xsm.0=0.2338，以上各電抗均是在基準(zhǔn)容量Sj=240MVA 下的標(biāo)幺值。高壓側(cè)CT 變比為600，中壓側(cè)CT 變比為1200，中性點接地線CT變比為600，低壓側(cè)CT 變比為5000。

對不同運行方式下高壓側(cè)d點經(jīng)過渡電阻150Ω接地短路和中壓側(cè)k點經(jīng)過渡電阻50Ω接地短路，各側(cè)故障電流以及保護動作靈敏系數(shù)計算結(jié)果見表1。

3.2 算例2

某 500kV 變電站的自耦變壓器接線方式為Yn/a0/d11，容量 750/750/53.5MVA，電壓比高、中壓側(cè)接系統(tǒng)電源，低壓 側(cè)為站用負荷無電源。Xh-m=0.12，Xh-l=0.55，Xm-l= 0.40、Xsh.1=Xsh.2=0.036、Xsh.0=0.0648、Xsm.1=Xsm.2=0.2433，Xsm.0=0.3893 ， 以上各電抗均是在基準(zhǔn)容量Sj=750MVA 下的標(biāo)幺值，自耦變壓器運行抽頭為500/220/35kV。高壓側(cè)CT 變比為2000，中壓側(cè)CT變比為4000，中性點接地線CT 變比為1500，低壓側(cè)CT 變比為4000。

對不同運行方式下高壓側(cè)d點經(jīng)接地電阻300Ω和中壓側(cè)k點經(jīng)過渡電阻150Ω接地短路，各側(cè)故障電流以及保護動作靈敏系數(shù)計算結(jié)果見表2。

表1 算例1 經(jīng)過渡電阻接地短路自耦變壓器差動保護靈敏系數(shù)（有名值）

表2 算例2 經(jīng)過渡電阻接地短路自耦變壓器差動保護靈敏系數(shù)（標(biāo)幺值）

4 結(jié)論

由表1和表2可得出以下結(jié)論：

1）機組、系統(tǒng)型式不同時，將有不同的參數(shù)和過渡電阻，因此經(jīng)過渡電阻接地短路時，自耦變壓器差動保護靈敏系數(shù)不同，保護動作行為也不同。

2）即使對于同一臺自耦變壓器，不同的運行方式或不同短路點也會直接影響差動保護的動作靈敏系數(shù)，甚至?xí)贡Ｗo有完全不同的動作行為，見表2。中壓側(cè)經(jīng)過渡電阻接地時，差動保護不能動作反應(yīng)，而高壓側(cè)短路時能動作反應(yīng)。

3）自耦變壓器容量越大，系統(tǒng)電壓越高，過渡電阻就越大，經(jīng)過渡電阻接地短路時，接地故障零序電流就越小，直接影響差動保護動作靈敏系數(shù)和動作行為，見表1和表2第一列。

[1] 索南加樂,張軍民,許立強,等.基于Yn/△接線變壓器零序縱差保護原理研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(16): 54-61.

[2] 王增平,王雪.基于改進主成分分析的變壓器勵磁涌流識別方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(22): 1-5,51.

[3] 李中,苑津莎,張利偉.基于自組織抗體網(wǎng)絡(luò)的電力變壓器故障診斷[J].電工技術(shù)學(xué)報,2010,25(10): 200-206.

[4] 孫集偉.自耦變壓器零序差動保護問題[J].電力系統(tǒng)自動化,1999,23(11): 45-49.

[5] 王雪,王增平.基于波形時域分布特征的變壓器勵磁涌流識別[J].電工技術(shù)學(xué)報,2012,27(1): 148-154.

[6] 王雪,王增平.基于廣義基波功率的新型變壓器主保護方案[J].電工技術(shù)學(xué)報,2012,27(12): 191-198.

[7] 劉桂蓮,席亞克,羅明亮.升壓變Yn 側(cè)區(qū)內(nèi)接地短路差動保護能正確動作[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(13): 130-133.

[8] GB/T 14285—2006 繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S].

[9] DL/T 684—1999《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定導(dǎo)則》[Z].

[10] 何仰贊,溫增銀.電力系統(tǒng)分析-上冊[M].武漢: 華中工學(xué)院出版社,1984.