一起35 kV變壓器單相高壓繞組短路故障分析

嚴國平，湯大海，陳永明，孫東杰，馬海薇，陳　燕，曹　斌

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇鎮(zhèn)江212001）

一起35 kV變壓器單相高壓繞組短路故障分析

嚴國平1，湯大海2，陳永明2，孫東杰2，馬海薇2，陳燕2，曹斌2

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇鎮(zhèn)江212001）

針對電網(wǎng)某35 kV變電所變壓器發(fā)生的一起A相高壓繞組短路故障造成35 kV變壓器差動保護動作跳閘的現(xiàn)象，以變電所設備參數(shù)和保護裝置的故障錄波為參考，進行了短路電流理論分析，推導出短路電流計算公式并進行短路電流反演計算。理論分析和短路電流計算結果與故障錄波圖提供的信息相一致，從而證實了35 kV變壓器差動保護的動作行為是正確的。

35 kV不接地系統(tǒng)；35 kV變壓器；單相高壓繞組短路；差動保護；動作行為

2013年3月12日，電網(wǎng)某35 kV變電所發(fā)生了一起35 kV變壓器A相高壓繞組引線與中性點套管樁頭之間的短路故障。故障時B相與C相電流大小相等，相位一致，而A相電流大小為B相或C相電流的2倍，相位與B相或C相電流反相；該故障造成了該變壓器差動速斷和比率差動保護動作，跳開變壓器高、低壓斷路器切除故障；上級35 kV電源線路斷路器保護動作跳閘，重合成功。變壓器繞組引線之間發(fā)生相間或單相接地故障比較常見［1-5］，但變壓器某相繞組引線與中性點套管樁頭之間發(fā)生短路故障卻不常見。

1　事故經(jīng)過及繼電保護動作情況

1.1事故發(fā)生經(jīng)過及繼電保護動作情況

2013年3月12日21：04，電網(wǎng)某35 kV變電所1號變壓器發(fā)生故障，1號變壓器差動保護動作，跳開變壓器高、低壓斷路器切除故障；1號變壓器故障跳閘，致使10 kVⅠ段母線失去電源，10 kV備自投動作，合上10 kV分段100斷路器，10 kV I段母線由2號變壓器轉(zhuǎn)供。

1.2事故時系統(tǒng)運行方式

故障前系統(tǒng)一次接線如圖1所示。故障前，A變電所35 kV湯侯336斷路器、35 kV其侯366斷路器運行，35 kV內(nèi)橋310斷路器熱備用，35 kV備自投啟用；1號變壓器10 kV側(cè)101斷路器帶10 kVⅠ段母線；2號變壓器10 kV側(cè)102斷路器帶10 kVⅡ段母線。10 kV分段110斷路器熱備用，2臺主變分列運行，10 kV備自投啟用。35 kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)。變壓器容量為10 MV·A，型號為SFZ9-10000/35，接線組別為YNd11，變壓比為35 kV/10 kV，2002年5月28日投運。

圖1　故障前系統(tǒng)一次接線圖

1.3故障時天氣情況

氣象報告表示2013年3月12日天氣為中雨轉(zhuǎn)陰，溫度為6～15℃。當晚21：00左右，該地區(qū)突降大雨，并伴有7級大風，陣風8～9級，氣象條件惡劣。

2　故障檢查情況

故障發(fā)生后，相關人員迅速到達現(xiàn)場，組織開展故障查找和分析工作，對1號變壓器本體進行油色譜采樣分析、變壓器診斷性試驗和檢測，變壓器各項試驗數(shù)據(jù)合格；對1號變壓器差動保護范圍內(nèi)的相關一次設備、湯侯線336斷路器套管電流互感器（TA）、1號變壓器差動保護進行各項試驗，各項試驗數(shù)據(jù)正常。對1號變壓器外觀進行檢查，發(fā)現(xiàn)1號變壓器35 kV側(cè)中性點套管瓷件最上層傘裙表面局部有嚴重的放電灼傷痕跡，與變壓器35 kV側(cè)A相套管的引線形成了放電通道，如圖2所示（圖中紅線為異物形成的放電通道）。所以故障點位置為1號變壓器35 kV側(cè)中性點套管樁頭與35 kV側(cè)A相套管的引線由于異物形成了短路（放電）。

圖2　1號變壓器中性點套管放電痕跡照片

3　短路電流和保護動作行為分析

3.1故障錄波情況

故障發(fā)生后，繼電保護專業(yè)人員調(diào)閱了1號主變保護裝置和動作記錄，保護裝置動作報文信息如下：

2013-03-12T21：04：22：827，A變1號變壓器A相差動速斷保護動作（動作值IDA=19.16 A，差動速斷保護整定值19 A，比率差動保護整定值1.43 A，TA變比為600/5）；

2013-03-12T21：04：22：829，A變電所1號變壓器A相比率差動動作；

2013-03-12T21：04：23：336，A變電所湯侯線336斷路器分閘；

2013-03-12T21：04：23：358，A變電所1號變壓器低壓側(cè)101斷路器分閘；

2013-03-12T21：04：23：553，A變電所1號電容器105斷路器分閘；

2013-03-12T21：04：28：033，A變電所10 kV備自投動作；

2013-03-12T21：04：28：109，A變電所10 kV母聯(lián)110斷路器合閘；10 kV I段母線由2號變壓器轉(zhuǎn)供電。

調(diào)閱了1號變壓器35 kV側(cè)后備保護錄波波形如圖3所示。

圖3 1號變壓器35 kV側(cè)后備保護錄波波形圖

圖3中，從上到下分別為1號變壓器35 kV側(cè)后備保護A相電壓UA、B相電壓UB、C相電壓UC、A相電流IA、B相電流IB、C相電流IC、3倍零序電壓3U0及3倍零序電流3I0。

由圖3的故障錄波波形可以看出，故障時，B相和C相電流同相且大小相等，而A相電流與B相和C相電流反相且大小與B相和C相電流之和相等。由保護動作信息和故障錄波可知，差動保護的差動速斷整定值19 A，而差動差流電流值為19.16 A，超過定值，故差動速斷保護動作（2 ms后比率差動保護動作），啟動336和101斷路器跳閘，切除故障。故障持續(xù)了約5個周波100 ms。

3.2短路故障定性分析

1號變壓器35 kV側(cè)A相繞組短路，出現(xiàn)了B相和C相電流同相且大小相等，而A相電流與B相和C相電流反相且大小與B相和C相電流之和相等的情況。1號變壓器35 kV側(cè)A相短路時供電的電路示意圖如圖4所示。

圖4　1號變壓器35 kV側(cè)A相短路時電路示意圖

由于變壓器35 kV側(cè)A相繞組短路 （假設為金屬性短路），則B相繞組、C相繞組分別承受線電壓UBA和UCA，該電壓傳變到變壓器二次繞組對應ab繞組與cb繞組的等效電勢為Eab=EAB/n和Ecb=ECA/n，n為變壓器變比，即變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)線電壓之比。Eab與Ecb的合成等值電勢為：

該電勢加在變壓器二次ac繞組上。變壓器二次ac繞組與變壓器一次AN繞組組成一個單相變壓器，如圖5所示。

圖5　1號變壓器35 kV側(cè)A相短路時電壓分布圖

變壓器二次ac繞組電壓傳變到AN繞組的等效電源電勢為：

單相變壓器高壓A相繞組短路電流為：

式（3）中：Z為綜合阻抗折算到單相變壓器高壓繞組側(cè)的阻抗。該電流由單相變壓器高壓繞組傳變到低壓繞組側(cè)的電流為Iac僅是變比的變化，即：

因為35 kV變壓器二次繞組接成三角形，同時變壓器低壓側(cè)沒有電源，該短路電流沒有流出變壓器三角形二次繞組，所以Iac在變壓器三角形二次繞組形成環(huán)流，該環(huán)流電流大小相等相位一致，即有Iac=Icb=Iba，如圖6所示。由35 kV變壓器低壓繞組側(cè)的電流Icb，Iba傳變到高壓繞組側(cè)IB，IC僅是變比的變化，則有IB= IC。短路電流IB，IC為：

因為綜合阻抗Z的角度約為80～90°，故短路電流IB，IC滯后UA約80～90°；而1號變壓器35 kV側(cè)A相引線的電流為IA=-（IB+IC）=-2IB，即A相電流大小為B相、C相電流的2倍，相位與B相、C相電流反相，超前UA約80～90°電流分布如圖6所示。

圖6　1號變壓器35 kV側(cè)A相短路時電流分布圖

由式（3）、式（5）可知，變壓器35 kV側(cè)A相繞組的電流與B相繞組或C相繞組的電流大小相等相位相同。因為從變壓器繞組磁鏈平衡角度來看，有：

式（6）中：iNA，iB，iC分別為INA，IB，IC的瞬時值；iac，iba，icb分別為Iac，Icb，Iba的瞬時值；W1，W2為高壓一相繞組的匝數(shù)和低壓一相繞組的匝數(shù)。

因為Iac=Icb=Iba，因此根據(jù)式（6）也有INA=IB=IC，即變壓器35 kV側(cè)A相繞組的電流與B相繞組或C相繞組的電流大小相等相位相同。

由于變壓器35 kV側(cè)TA的極性是以母線指向變壓器為正方向，所以圖3的錄波圖中A相電流、B相電流、C相電流與上述分析的IA，IB，IC電流相位相反，錄波圖中（即實際的電流）的B相電流與C相電流超前UA約80～90°，而A相電流滯后約80～90°。

3.3短路故障電流推導與計算

3.3.1短路故障電流計算公式推導

短路電流計算等值電路［5］圖如圖7所示。

圖7短路電流計算等值電路圖

圖7中，Z'S，Z'B分別為電網(wǎng)某35 kV變電所側(cè)母線的B相與C相電源阻抗、35 kV側(cè)的B相與C相的變壓器阻抗ZB，折算到變壓器10 kV繞組側(cè)的等值阻抗（其中變壓器阻抗ZB和單相變壓器Zab阻抗相等）。

圖7中ab臂電源和bc臂電源的等值阻抗Zcb= Zab=Z'B+Z'S，ac臂的等值阻抗Zac=Z'B。由圖7得到變壓器低壓三角側(cè)環(huán)流電流為：

該環(huán)流電流折算到變壓器35 kV側(cè)的電流為：

3.3.2短路故障電流計算

A變電所35 kV母線短路容量為155 MV·A，10 MV·A的變壓器短路電壓為7.5%，取基準容量為100 MV·A，基準電壓為平均電壓37 kV，則有35 kV的基準電流 Ii=1560 A，電源內(nèi)阻抗 ZS的標幺值 ZS*= 0.645 2 p.u.，35 kV變壓器阻抗ZB的標幺值ZB*=0.75 p.u.。所以根據(jù)式（9）計算A相短路電流的大小為（采用標幺值計算）：

由式（10）計算得IA=3×1560/（0.645 2+1.5×0.75）= 2664 A。

由保護動作信息得到差動保護A相差動速斷的動作電流為19.16 A，TA變比為600/5。1號變壓器差動保護裝置型號為DSA-321，變壓器差動保護采用高壓側(cè)移相。由于IA=-2IB，因此TA的二次電流有Ia2= -2Ib2，所以流入A相差動繼電器回路的差電流值IDA為IDA=（Ia2-Ib2）/=Ia2/2，而IA=Ia2/n，所以折算到變壓器35 kV側(cè)A相一次的實際短路電流為IA= 2IDA×n/=2×19.16×120/=2655 A，該短路電流與式（10）的短路電流2644 A接近，所以計算結果與根據(jù)保護動作信息得到的短路電流是相符的。

3.4變壓器差動保護動作行為分析

變壓器差動保護的差動速斷整定值為19 A，而差流電流值為19.16 A，超過了整定值，故變壓器差動速斷保護能夠啟動并動作跳閘。

（1）在Imax≤Iset/k+1.5時，變壓器比率差動保護的動作方程為：

（2）在Imax≥Iset/k+1.5時，變壓器比率差動保護的動作方程為：

式（11，12）中：Id為差動保護動作電流；Imax為最大側(cè)電流（即變壓器各側(cè)二次電流中最大的電流值）；Iset為起始電流；k為比率制動系數(shù)（取值為0.5）。

變壓器比率差動保護的Imax為19.16 A，起始電流Iset整定值為1.43 A，計算Iset/k+1.5=4.36，得到Imax大于4.36 A，所以取式（12）進行計算，得到差動保護動作電流Id為8.83 A，而差動保護的實際差動電流為19.16 A大于動作電流Id，即變壓器比率差動保護的靈敏系數(shù)為19.16/8.83=2.17，且大于1，所以變壓器比率差動保護能夠啟動并動作跳閘。

4　結束語

根據(jù)錄波圖提供的數(shù)據(jù)、短路電流理論分析和反演分析計算結果可以得出下列結論：

（1）變壓器35 kV側(cè)A相繞組短路，B相與C相電流大小相等相位一致，而A相電流大小等于B相與C相電流之和，即A相電流等于B相或C相電流的2倍，相位與B相或C相電流反相。

（2）1號變壓器35 kV側(cè)B相電流或C相電流超前A相電壓約80～90°；A相電流滯后A相電壓約80～90°。

（3）變壓器35 kV側(cè)最大短路電流（即故障相）理論計算公式為IA=3EA/（ZS+1.5ZB）；理論計算的短路電流與根據(jù)保護動作信息得到短路電流是相符的。

（4）變壓器35 kV側(cè)A相繞組的電流與B相繞組的電流或C相繞組的電流大小相等相位相同。

（5）變壓器差動保護的差動速斷和比率差動保護的動作行為是正確的。

［1］DL/T 584—2007 3～110 kV電網(wǎng)繼電保護運行整定規(guī)程［S］.

［2］江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護原理與實用技術［M］.北京：中國電力出版社，2006：174-197.

［3］國家電力調(diào)度通信中心.國家電網(wǎng)繼電保護培訓教材［M］.北京：中國電力出版社，2009：152-158.

［4］戴網(wǎng)虎，湯大海，曹 斌，等.一起35 kV系統(tǒng)非金屬性三相短路保護動作行為分析［J］.江蘇電機工程，2010，30（6）：9-12.

［5］袁宇波，李 澄，葛永高，等.復雜故障情況下的變壓器差動保護動作特性分析［J］.江蘇電機工程，2006，26（5）：9-11.

嚴國平（1965），男，江蘇常州人，高級工程師，從事電網(wǎng)技術管理工作；

湯大海（1963），男，江蘇鎮(zhèn)江人，研究員級高級工程師，從事電網(wǎng)繼電保護運行管理工作；

陳永明（197），男，江蘇海安人，高級工程師，從事電網(wǎng)繼電保護運行管理工作；

孫東杰（1985），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，從事電網(wǎng)繼電保護運行管理工作；

馬海薇（1981），女，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運行管理工作；

陳燕（1981），女，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運行管理工作；

曹斌（1977），男，江蘇海安人，高級工程師，從事電網(wǎng)繼電保護運行管理工作。

Analysis of Single-phase Short Circuit Fault in 35 kV Transformer High Voltage Winding

YAN Guoping1，TANG Dahai2，CHEN Yongming2，SUN Dongjie2，MA Haiwei2，CHEN Yan2，CAO Bin2
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China；2.State Grid Zhenjiang Power Supply Company，Zhenjiang 212001，Chinaa）

The fault at the phase A of a 35 kV transformer high voltage winding activated its differential protection.This paper theoretically analyses the short circuit current by using the substation equipment parameters and fault recording data. Also，the short circuit current is calculated by using the derived short circuit current computing formula.It turns out that the theoretical and computational results of the short circuit current are consistent with each other，which confirms the 35 kV transformer differential protection's correct action.

35 kV neutral-unearthed system；35 kV transformer；single-phase high voltage winding short circuit；differential protection，actions

TM77

B

1009-0665（2016）04-0080-40

2016-05-09；修回日期：2016-06-20