110 kV變壓器可靠運行方式的選擇及對系統(tǒng)繼保的影響

楊元領(lǐng)，于　群，楊亞麗，袁欽鵬，劉　源，馬　懿

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院, 山東 青島 266590； 2.濱州供電公司，山東 濱州 256602)

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·電網(wǎng)設(shè)備·

110 kV變壓器可靠運行方式的選擇及對系統(tǒng)繼保的影響

楊元領(lǐng)1，于群1，楊亞麗1，袁欽鵬2，劉源2，馬懿2

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院, 山東 青島 266590； 2.濱州供電公司，山東 濱州 256602)

為選擇變壓器發(fā)生故障時的合理運行方式，減小對變壓器的損害，利用matlab軟件搭建變壓器運行仿真模型，通過改變斷路器的開閉狀態(tài)，對預想存在的運行方式進行仿真，以選擇變壓器的可靠運行方式。通過在不同地點設(shè)置兩相短路故障，主變高壓側(cè)采用并列運行方式，低壓側(cè)分別采用并列運行和分列運行的運行方式，對變壓器進線電流Ⅱ段保護和過流保護作為遠后備保護進行仿真，分別研究變壓器低壓側(cè)在并列運行和分列運行方式下對系統(tǒng)繼保的影響，給出選擇變壓器可靠運行方式應(yīng)遵循的原則。

110 kV變壓器；運行方式；安全可靠；matlab建模仿真

Qingdao 266590,China; 2.Binzhou Power Supply Company,Binzhou 256602,China)

電能從發(fā)電廠發(fā)出后經(jīng)過多種電壓等級的變電站和輸電線路輸送給用戶[1]。變壓器作為發(fā)電廠和變電站中的主要電力設(shè)備，在輸配電環(huán)節(jié)具有不可替代的作用。110 kV變壓器有多種運行方式，在變壓器故障情況下，不合理的運行方式會使繼保裝置誤動作或拒動作，對變壓器造成巨大損害，而且對整個電力系統(tǒng)的安全運行和供電可靠性也會造成較大影響。因此選擇變壓器的可靠運行方式，確保變壓器安全穩(wěn)定運行，具有重大意義[2]。本文利用matlab軟件仿真研究變壓器各種運行方式對系統(tǒng)繼保的影響，以選擇變壓器的可靠運行方式，確保變壓器安全穩(wěn)定運行。

1　變壓器運行方式

一般情況下，110 kV變電站中均裝設(shè)多臺主變壓器，110 kV電源側(cè)采用單母線分段或雙母線的接線方式[3]。為保證重要用戶可靠靈活供電，在低壓負荷側(cè)采用單母線分段供電方式。山東某地區(qū)110 kV降壓變電站中2臺主變壓器運行方式如圖1所示，其高壓側(cè)為110 kV，低壓側(cè)為10 kV，電源側(cè)和負荷側(cè)的接線方式均采用單母線分段接線的方式。

表1 主變壓器參數(shù)

表2　系統(tǒng)參數(shù)

圖1　山東某地區(qū)2臺110 kV降壓主變壓器運行示意圖

Fig.1Schematic diagram of two 110 kV reduction voltage main transformer in a Shandong area

按變壓器以下5種運行方式進行理論分析與仿真研究。

方式1：主變壓器110 kV側(cè)并列運行，10 kV側(cè)并列運行。101DL、103DL、201DL、202DL、301DL、302DL、303DL開關(guān)均閉合運行，低壓側(cè)Ⅰ、Ⅱ段母線上的負荷由1號和2號主變壓器同時供電，變壓器110 kV側(cè)兩路進線為一用一備。

方式2：主變壓器110 kV側(cè)并列運行，10 kV側(cè)分列運行。101DL、103DL、201DL、202DL、301DL、302DL開關(guān)均閉合運行，303DL處于備用狀態(tài)，低壓側(cè)Ⅰ、Ⅱ段母線上的負荷分別由1號和2號主變壓器供電，利用303DL的備自投功能，提高低壓側(cè)母線段供電可靠性。

方式3：主變壓器110 kV側(cè)分列運行，10 kV側(cè)并列運行。101DL、102DL、201DL、202DL、301DL、302DL、303DL開關(guān)均閉合運行，103DL保持備用狀態(tài)，低壓側(cè)Ⅰ、Ⅱ段母線上的負荷由1號和2號主變壓器同時供電。

方式4：主變壓器110 kV側(cè)分列運行，10 kV側(cè)分列運行。101DL、102DL、201DL、202DL、301DL、302DL開關(guān)均閉合運行，1號和2號變壓器分別對低壓側(cè) Ⅰ、Ⅱ段母線負荷供電。在這種運行方式下，必須將兩條進行同時投入使用，相當于線路變壓器組運行方式。

方式5：1號主變壓器運行，2號主變壓器處于備用狀態(tài)。101DL、201DL、301DL、303DL開關(guān)均閉合運行，1號主變壓器投入運行，2號主變壓器處于備用狀態(tài)。

2　110 kV變電站仿真建模

變電站中2臺主變壓器的參數(shù)如表1所示，110 kV進線來自上級220 kV變電站，2條進線為一用一備，其系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。本文中提到的阻抗值均以100MVA為基準容量下的標幺值。

搭建的變壓器運行仿真模型如圖2所示。通過改變斷路器的開閉狀態(tài)，可以依次仿真變壓器的5種運行方式。

圖2變壓器運行仿真模型

Fig.2Transformer operation simulation model

3　變壓器在不同運行方式下對低壓側(cè)母線處故障的仿真研究

變壓器在運行方式1下低壓側(cè)母線處發(fā)生三相短路故障，其等效電路如圖3所示，其他4種運行方式的故障等效電路圖依此類推。

圖3　在方式1下低壓側(cè)母線處三相短路故障等效阻抗圖

方式1下10 kV母線處三相短路電流為

在圖2的仿真模型中，將001DL、101DL、103DL、201DL、202DL、301DL、302DL、303DL設(shè)置為閉合狀態(tài)，將三相短路故障模塊設(shè)置在10 kV母線處，就可以得到方式1下10 kV母線處的故障電流。與方式1的設(shè)置類似，通過改變斷路器的開閉狀態(tài)，可以得到在另外4種運行方式下10 kV母線處的故障電流。將matlab仿真值與理論計算的三相短路電流值進行對比，其結(jié)果如表3所示。 5種運行方式下流過10 kV母線處的最大三相短路電流波形如圖4所示。

表3　5種運行方式下10 kV母線處最大三相短路電流 仿真值與計算值對比表

圖4　5種方式下10 kV母線處三相短路電流波形

Fig.410 kV bus maximum three-phase short-circuit current waveform with 5 mode

從表3可以看出，由于充分考慮了系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備元件的電阻、電感、電容等參數(shù)，因此利用matlab模型能得到的仿真值與手工計算值誤差在3%之內(nèi)，進而能準確反映10 kV母線處最大三相短路電流值。

從圖4可以看出，主變10 kV母線處發(fā)生三相短路故障時，在方式3下流過的故障電流值最大，方式1下流過的故障電流較大，方式2、4、5下流過的故障電流相同。

在運行方式1下，由于并列運行，其供電可靠性高，能保證負荷不間斷供電；在方式2下，故障短路電流小，低壓側(cè)備自投裝置能提高供電可靠性；在方式3下，短路電流過大，對電力設(shè)備的沖擊最大，對各保護裝置的性能要求較高；在方式4下，必須同時將2條主變高壓側(cè)的進線投入使用，但使主變?nèi)笔Я藗溆眠M線；在方式5下，變壓器損耗雖然降低，但不能可靠供電，存在過負荷運行的風險[4]。

在變壓器這5種式運行下，只有在運行方式1與方式2下，變壓器的供電可靠性較高，所以可作為變壓器主要的運行方式。

4　變壓器運行方式1與方式2對系統(tǒng)繼保的影響

4.1對10 kV側(cè)線路遠后備保護的影響

變壓器后備保護一方面是主保護的后備保護，另一方面又可作為線路出線的遠后備保護。本變電站為110 kV降壓變電站，采用過電流保護作為變壓器后備保護的其中一種，按躲過變壓器最大負荷電流整定[5]。考慮10 kV側(cè)電動機自起動的影響，保護裝置的動作電流可按下式整定:

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.2～1.3；Kre為返回系數(shù)，取0.85；Kss為自起動系數(shù)，對6～10 kV系統(tǒng)，一般取1.5～2.5。

以圖1變電站為例，按照10 kV出線架空線供電距離為1 km計算(10 kV線路阻抗值設(shè)為0.451 Ω/km)，研究方式1與方式2下負荷側(cè)出線末端發(fā)生兩相短路故障時，線路遠后備保護的動作情況。

10 kV架空線末端發(fā)生兩相短路故障時，由于并聯(lián)分流的原因，在方式2下，通過保護處的短路電流為架空線路上短路電流的一半。2種運行方式下變壓器過流保護作為負荷側(cè)出線遠后備保護整定定值及靈敏度如表4所示。

表4 變壓器低壓側(cè)出線遠后備保護定值及靈敏度校驗結(jié)果

Table 4　Low voltage side of Transformer Outlet remote backup protection setting and sensitivity check results

設(shè)置10 kV線路末端發(fā)生兩相短路故障，用matlab搭建的保護模型在2種不同方式下分別運行，查看通過變壓器低壓側(cè)過流保護的短路電流有效值與保護裝置的動作情況。在仿真模型中：“1”代表斷路器的閉合狀態(tài)，“0”代表斷路器斷開狀態(tài)；Iact3為變壓器低壓側(cè)過流保護整定值，Ia為10 kV線路末端發(fā)生兩相短路故障時通過變壓器低壓側(cè)過流保護的電流有效值，設(shè)定變壓器低壓側(cè)過流保護的整定延時為0.5 s；故障時間設(shè)置為0.2～1.0 s。方式1下10 kV線路末端發(fā)生兩相短路故障時，流過變壓器低壓側(cè)過流保護的電流有效值及保護動作情況如圖5所示。

圖5　方式1下10 kV線路末端兩相短路電流值及 301DL動作情況

Fig.5Mode 110 kV line terminal two-phase short circuit current value and 301DL action

從圖5可以看出：在方式1下，10 kV線路末端發(fā)生兩相短路故障時，變壓器低壓側(cè)過流保護不動作，不能滿足作為出線遠后備保護的要求。

在方式2下，10 kV線路末端發(fā)生兩相短路故障時，流過變壓器低壓側(cè)過流保護的短路電流有效值及保護動作情況如圖6所示。

圖6　方式2下10 kV線路末端兩相短路電流值及 301DL動作情況

從圖6可以看出，在方式2下，10 kV線路末端發(fā)生兩相短路故障時，變壓器低壓側(cè)過流保護經(jīng)延時后可靠動作。

4.2對變壓器進線電流Ⅱ段保護的仿真研究

變壓器在不同方式下運行，對上級線路的電流保護性能也有一定的影響。將進線101DL的電流保護分為三段設(shè)置：第Ⅰ段保護動作電流需大于線路末端出現(xiàn)的最大電流，瞬時動作，無時間延遲；第Ⅱ段按躲過變壓器低壓側(cè)母線故障整定，與變壓器主保護配合，動作延時0.5 s；第Ⅲ段動作電流大于線路上出現(xiàn)的最大負荷電流，動作延時1.5 s[6]。對電流Ⅱ段保護的要求是能夠保護線路的全部長度，在較短時間內(nèi)切除全線路任何一處的相間故障。變壓器在方式1與方式2的運行方式下，理論計算進線電流Ⅱ段保護定值與校驗靈敏度如表5所示。

表5　變壓器進線101DL電流Ⅱ段保護定值與靈敏度

用matlab搭建的保護模型在2種不同方式下分別運行，進線末端發(fā)生兩相相短路時通過101DL的短路電流有效值與保護的動作情況分別如圖7、8所示。Iact2為101DL電流Ⅱ段保護定值，Ia為變壓器進線末端發(fā)生兩相短路時通過101DL的短路電流有效值，短路故障時間設(shè)置為0.2～1.0 s。

圖7　方式1下電源進線末端兩相短路故障電流值及 101DL動作情況

Fig.7Mode 1 Power supply incoming line terminal two-phase short circuit fault current valueand 101DL action

圖8　方式2下電源進線末端兩相短路故障電流值 及101DL動作情況

Fig.8Mode 2 Power supply incoming line terminal two-phase short circuit fault current value and 101DL action

從圖7、8可以看出，在方式1下，電源進線末端發(fā)生兩相短路時101DL電流Ⅱ段不能動作，在經(jīng)過1.5 s后電流Ⅲ段保護啟動，101DL動作將故障切除。變壓器并列運行會使變壓器進線的電流Ⅱ段保護不能可靠動作，靈敏度降低，不能保護線路的全長，故障持續(xù)時間長。在方式2下電源進線末端發(fā)生兩相短路時101DL電流Ⅱ段能夠可靠動作，延時0.5 s切除短路故障電流，保護性能較高。

總之，變壓器的運行方式影響系統(tǒng)的繼保性能，在并列運行方式下，變壓器進線電流Ⅱ段保護和低壓側(cè)出線的遠后備保護的靈敏度不能達到繼保規(guī)程的要求，在部分故障情況下不能可靠動作。

5　結(jié)　語

方式1與方式2各有優(yōu)缺點，具體選擇哪種運行方式，應(yīng)該按照本地區(qū)實際情況，根據(jù)側(cè)重點的不同進行選擇。在選擇變壓器的運行方式時，應(yīng)遵循以下原則：

1) 要確保變壓器負荷側(cè)出線斷路器能夠正常斷開線路最大短路電流，若斷路器不能正常斷開線路最大短路電流，則變壓器需分列運行，以限制短路電流。

2) 若負荷側(cè)沒有安裝自投裝置，在短路電流不超標的情況下，為保證負荷不間斷供電，應(yīng)采用變壓器并列運行的方式。

3) 對一般變電站來說，要保證變電站運行的安全性，分列運行方式能提高保護裝置性能。若單臺變壓器能滿足單段母線負荷供電容量，建議采用負荷側(cè)分列運行方式。

4) 若要改變變壓器的運行方式，變壓器各側(cè)的保護定值也要重新整定計算。

[1] 金福銘.考慮通信模式研究的輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)分析[J].電子制作,2014(1):151-151.

JIN Fuming. Analysis of online monitoring technology for transmission line considering communication modes[J]. Practical Electronics, 2014(1):151-151.

[2] 李超.變壓器動態(tài)經(jīng)濟運行與降損分析[D].濟南:山東大學,2011.

LI Chao. Analysis of transformer dynamic economic operation and loss reduction[D]. Jinan: Shandong University, 2011.

[3] 陳燕來,張紅記,張建卓.110 kV及以下變電站主變壓器運行方式的選擇[J].煤礦機電,2013(5):77-81

CHEN Yanlai, ZHANG Hongji, ZHANG Jianzhuo. Selection of 110 kV and under substation main substation main transformer operation mode[J]. Colliery Mechanical & Electrical Technology, 2013(5):77-81

[4] 梅菁.變壓器高效經(jīng)濟運行方式的探討[J].高電壓技術(shù),2002,28(6):55-56.

MEI Jing. Discussion on efficient and economic operation of transformer[J]. High Voltage Technology, 2002,28(6):55-56.

[5] 劉桂林,馬靜輝.變壓器后備保護拒動事故原因分析及對策[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(3):129-133

LIU Guilin, MA Jinghui. Cause analysis and countermeasures on transformer backup-protection operation-failure accident[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013,37(3):129-133.

[6] 于群,曹娜.電力系統(tǒng)繼電保護原理及仿真[M].第一版.北京:機械工業(yè)出版社,2015

YU Qun, CAO Na. Principle and simulation of power system relay protection[M]. Ver.1. Beijing: China Machine Press, 2015.

(責任編輯侯世春)

Selection of reliable operation mode of 110 kV transformer andinfluence on relay protection

YANG Yuanling1， YU Qun1， YANG Yali1， YUAN Qinpeng2， LIU Yuan2， MA Yi2

(1.College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Tecnology,

In order to select the reasonable operation mode which can greatly reduce the damage to the transformer when failures occur, this paper established the transformer operation simulation model through matlab, simulated the possible operation modes by changing the opening and closing state of the circuit breaker, so as to select the reliable operation modes of the transformer. By setting two phase short circuit fault in different locations, main transformer high voltage side uses the parallel operation mode, low voltage side separately using he parallel operation mode and the splitting operation mode, to simulate transformer line current II period of protection and over-current protection as far distance protection, and to research on the influence of the low voltage side of transformer under the two kinds of operation modes of system operation on system relay protection, so as to give the principle of selecting reliable operation mode for transformers.

110 kV transformer; operation mode; safe and reliable; matlab modeling and simulation

2015-11-25;

2016-01-10。

楊元領(lǐng)(1989—),男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。

TM406

A

2095-6843(2016)03-0234-05