高抗抽能繞組保護配置改進方法

陳 聰，陶悅玥，羅 瀟，汪 洋，譚 丹

(武漢電力職業技術學院，湖北 武漢 430079)

高抗抽能繞組保護配置改進方法

陳 聰，陶悅玥，羅 瀟，汪 洋，譚 丹

(武漢電力職業技術學院，湖北 武漢 430079)

以西南某開關站內抽能高抗的故障為背景，根據已有材料及數據詳細分析了該抽能高抗的故障原因，結合現有保護配置情況，提出了針對高抗抽能繞組的保護配置改進方案。該方案建議在現有的電抗器保護基礎上增加帶長延時和短延時的零序過流保護，以及增加帶負序方向閉鎖元件的抽能側過流保護。計算分析及實際工程均驗證了該改進的保護配置方案優于常規的電抗器保護方案。

抽能；高抗；保護配置方案；故障；改進

0 引言

近年來，隨著我國清潔能源戰略的大力實施，充分利用西南部豐富水電資源，建設大型水利電站已成為國家發展西部電力事業的主導方向。擔負輸送西部地區巨大電力輸送任務的500 kV變電站和線路大建設在偏遠山區，附近無可用外引站用電源。抽能高壓電抗器這一新產品有效好解決了偏遠開關站的站用電源問題。使用抽能電抗器供應開關站站用電源在我國并不廣泛，但在西部地區應用較多[1-2]。

抽能高抗的保護配置比較特殊，裝置中反映短路和接地故障的主保護有主電抗器差動保護、主電抗器零序差動保護、主電抗器匝間保護。主電抗器后備保護有主電抗器過電流保護、主電抗器零序過流保護、主電抗器過負荷保護。抽能繞組保護包括抽能復合電壓閉鎖的過流保護，以及非電量保護[3]。

本文以西南某開關站內抽能高抗事故分析為例，探討抽能高抗保護配置改進方法。

1 基本情況介紹

1.1 一次系統接線

1）開關站內抽能電抗器接線方式為YnD-1，抽能電抗器電壓比為550/3kV/6 kV，主電抗器容量和抽能繞組的容量比例很大，有數百倍，與常規變壓器不同；主電抗器高壓側TA變比300/1，抽能繞組出線側TA變比100/1；

2）抽能繞組上有兩組TA，正常工作電流大約27.8 A，抽能繞組出線側安裝有斷路器，下端帶的負載為一個6 kV/0.4 kV，DYn接線的箱式變壓器，箱變高壓側沒有斷路器，低壓側有斷路器。

圖1 抽能繞組一次TA接線示意圖Fig.1 Schematic diagram of primary TA of shunt reactor

1.2 保護配置情況

現場抽能電抗器接線方式為YnD-1，抽能電抗器電壓比為550/3kV/6 kV，主電抗器容量和抽能繞組的容量比例很大，有數百倍，與常規變壓器不同；主電抗器高壓側TA變比為300/1，抽能繞組出線側TA變比為100/1，且抽能繞組上有兩組TA，是可以引出來的，抽能繞組正常工作電流大約27.8 A，抽能繞組出線側安裝有斷路器，下端帶的負載為一個6 kV/0.4 kV，DYn接線的箱式變壓器，箱變高壓側沒有斷路器，低壓側有斷路器。

現有的抽能高抗保護裝置，型號分別為電量保護CSC-330AN，非電量保護CSC336C。針對抽能繞組故障配置有抽能繞組復壓過流保護，該保護設置兩段兩時限，采用抽能繞組Y形接線的三相電流來實現。保護Ⅰ段定值為16 A，0.3 s，動作于跳低壓側斷路器；Ⅱ段定值為0.73 A，0.9 s，動作于高抗全停。

2 事故分析

2.1 事故經過

在對該500 kV開關站的某一回500 kV線路及兩側的高抗進行沖擊試驗時，該線路主電抗器B相的非電量（重瓦斯）保護動作于跳閘，且保護裝置記錄的波形反映出A相抽能繞組反接。

2.2 波形分析

由于事故現場抽能側A相繞組接反，開關站內的抽能高抗出現故障，高抗內部燒毀，過電流保護未動作，而重瓦斯保護動作。對現場的故障數據進行分析，形成如表1所示數據。

表1 故障數據分析Tab.1 Fault data analysis

1）充電時刻的抽能繞組電流采樣值和有效值的波形分別如圖2和圖3所示。

圖2 斷路器充電時刻抽能繞組電流采樣值Fig.2 The current sampling value of shunt reactor when circuit breaker charging

圖3 斷路器充電時刻抽能繞組電流有效值Fig.3 The current effective value of shunt reactor when circuit breaker charging

根據錄波的數據可以看出，保護啟動后，抽能繞組出現了過電流的情況，其最大電流達到了1.19 A，小于Ⅰ段過流定值，因此Ⅰ段過流保護無法動作；在部分時間內大于Ⅱ段過流定值，但在啟動100 ms之后低于定值造成保護返回，因此抽能繞組在斷路器充電時無法滿足過流的動作條件。

2）斷路器合閘后抽能繞組電流采樣值和有效值的波形分別如圖4和圖5所示。

由后期的錄波可以看到，整個的過程中其抽能繞組的電流并未達到動作條件。

2.3 故障電流計算分析

A相抽能線圈極性反接時，△接線繞組回環內的三相感應電壓之和為Uloop，并產生循環電流Iloop，電氣連接圖如圖6所示。

圖4 斷路器合閘后抽能繞組電流采樣值Fig.4 The current sampling value of shunt reactor after circuit breaker is closed

圖5 斷路器合閘后抽能繞組電流有效值Fig.5 The current effective value of shunt reactor after circuit breaker is closed

圖6 電氣連接圖Fig.6 Electrical connection diagram

Xk為并聯繞組和抽能線圈間的短路阻抗，實測值約為6.65 Ω，則

大電流造成B相引線產生熱擊穿，使得B相故障進一步擴大，B相發生短路時，則A、C相間的電流計算如下：

上述計算的電流是零序分量，在△接的環里流不出來，并且由于抽能電抗器高低壓側容量差別很大，因此低壓側故障時抽能繞組出線側TA感受不到故障電流的存在，高壓側的過電流保護可能拒動。

目前國內針對匝間短路故障配置的保護通常有零序功率方向保護和負序功率方向保護等。對于本次故障，一次側為容量很大的電源，相對而言二次側容量很小，其故障可能不足以影響一次側電壓，方向元件判斷失效，匝間保護拒動；高壓側雖然安裝有差動保護，然而低壓側故障時，高壓側的首端和尾端電流相量和依舊為零，這種情況下差動保護也不會動作，實際上這個差動保護僅能反映原邊的接地或者相間故障。

以上分析表明，常規的電抗器保護用于抽能電抗器時存在拒動的情況，這是絕對不允許的，因此應該對常規的電抗器保護做相應的改進。

2.4 總結

由于保護配置考慮不周，使得出現了故障發生后沒有保護動作于切除故障的情況，繼而使得B相繞組過熱導致絕緣被破壞，最終導致重瓦斯保護動作切除故障，造成嚴重的后果。

3 改進的保護配置

由于抽能電抗器與常規并聯電抗器存在較大差異，常規的電抗器保護將不再適用于抽能電抗器[4-6]。通過本次事故分析，針對開關站內抽能電抗器的特點，對抽能電抗器的保護提出以下幾種配置建議。

3.1 增加以及完善抽能繞組保護配置

增加抽能匝間保護的程序部分，保護原理為：利用現場的抽能繞組接成三角角形接線時，當匝間故障時，會在角形繞組內部形成零序電流，保護通過引入角內TA的三相繞組電流合成出自產的零序電流，該電流設置門檻值。為防止高壓系統側因接地故障造成抽能繞組角內側出現零序電流造成誤動，特采用零序電流的長短延時兩種邏輯配合使用，邏輯為：

1）短延時的零序電流保護

利用高壓側的自產零序電壓與高壓側的自產零序電流，判斷當零序功率方向為區外時，即：高壓系統側故障，此時閉鎖抽能繞組的零序過流保護，當判斷為區內故障時，則開放抽能繞組的零序過流保護，當抽能繞組的零序過流元件滿足定值時，經整定的短延時時間跳開高抗各側開關。

2）長延時的零序電流保護

為防止因TV斷線等問題使得零序方向元件失效，而此時抽能繞組匝間故障時失去保護，特增設抽能繞組零序過流長延時，該保護定值與短延時相同，但時間可整定與系統側進行配合，躲開系統側接地保護的影響。

3.2 增加抽能繞組的過電流保護

保護采用抽能繞組TA的三相電流，該電流定值可以整定，保護可投退，過電流保護設置為兩段，每段一個時限。

3.3 完善抽能繞組的角外側過電流保護

保護通過抽能繞組TA的三相電流向角外側折算，折算方式按照定值中的抽能繞組接線組別自動進行（定值中增加抽能繞組的接線鐘點數），該過流元件的定值按照角外側電流整定，保護可投退，過流設置為兩段，每段一個時限。

3.4 完善抽能繞組負序方向元件閉鎖匝間保護的邏輯

保護通過抽能繞組TA的三相電流向角外側折算，折算方式按照定值中的抽能繞組接線組別自動進行（定值中增加抽能繞組的接線鐘點數），通過抽能繞組的抽能電壓以及折算后的電流構成的負序方向元件作為主電抗器的匝間保護的閉鎖元件。邏輯為：

1）當抽能繞組三相電流都正常，無過流時，匝間保護不閉鎖，判出匝間故障后可靈敏動作；

2）當抽能繞組電流大于“抽能過流閉鎖匝間定值”時進行負序方向判別，若抽能負序方向為區內，則保護經短延時出口；若負序方向在區外，則閉鎖匝間保護；

3）當抽能TA斷線或抽能TV斷線或抽能電壓壓板退出時，閉鎖匝間保護。

4 結語

目前高抗抽能繞組為單相式設備，其接線形式為中性點不接地星形或三角形2種，其可能發生的故障主要有匝間短路、內部單相接地及相間短路3種。對于6 kV的抽能繞組，匝數很少，發生匝間短路故障后，無論是星形接線還是角形接線，其電流、電壓的變化量都很小，因此很難設計其保護邏輯。但為了安全，建議增加如下：（1）增加帶長延時和短延時的零序過流保護，零序過流保護的定值整定按要求保護的匝間故障的環流和最大負荷下的不平衡電流取最大值。（2）增加帶負序方向閉鎖元件的抽能側過流保護。

（References）

[1] 范榮全.帶有抽能繞組的500 kV并聯電抗器在開關站的應用[J].電網技術,2001,25(11):77-79.FAN Rongquan.Application of 500 kV shunt reactors with auxiliary winding system in switching station[J].Power System Technology,2001,25(11):77-79.

[2] 李世雄.500 kV抽能并聯電抗器在湖北魚峽開關站的應用[J].湖北電力,2009,33(S1):87-90.LI Shixiong.Application of 500 kV shunt reactors with auxiliary winding system in switching station ofHubeiYuxia[J].HubeiElectric Power,2009,33(S1):87-90.

[3] 尹剛，彭勇.500 kV抽能并聯電抗器的匝間短路保護[J].電網技術，2012,11:227-231.YING Gang,PENG Yong.Turn-to-turn faults protection of 500 kV energy extraction shunt reactor[J].Power System Technology,2012,11:227-231.

[4] 譚黎軍，龔筱琦，蘇鐘煥，等.500 kV抽能并聯電抗器空、負載特性研究[J].變壓器,2015,52(10):33-37.TAN Lijun,GONG Xiaoqi,SU Zhonghuan,et al.No-load and load characteristics research of 500 kV shunt reactor with transformer function[J].Transformer,2015,52(10):33-37.

[5] 張進德，曾鵬，鄧皓元，等.500 kV抽能并聯電抗器-6 kV所用變系統運行分析[J].湖北電力,2010,34(5):36-38.ZHANG Jinde,ZENG Peng,DENG Haoyuan,et al.Operation analysis of500 kV energy extraction shunt reactor-6 kV auxiliary transformer system[J].Hubei Electric Power,2010,34(5):36-38.

[6] 李慧奇，崔翔，李琳，等.帶抽能線圈并聯鐵心電抗器的分析[J].電工技術學報,2004,19(12):15-19.LI Huiqi,CUI Xiang,LI Lin,et al.Analysis of high-voltage shunt reactor with auxiliary winding system[J].TransactionsofChinaElectrotechnical Society,2004,19(12):15-19.

Improved Protection for High-Voltage Shunt Reactor with Auxiliary Winding System

CHEN Cong,TAO Yueyue,LUO Xiao,WANG Yang,TAN Dan
(Wuhan Electric Power Technical College,Wuhan Hubei 430079,China)

Taking the high-voltage shunt reactor of a switching station in Southwest China as an example,the fault reasons of the high-voltage shunt reactor with auxiliary winding are analyzed in this paper,and combined with the existing protection configuration,the improved scheme is put forward.The scheme proposes to increase the zero sequence overcurrent protection with long delay and short delay,and to increase the overcurrent protection on the shunt reactor side with negative sequence direction blocking elements on the basis of existing reactor protection.The computational analysis and the actual engineering verify that the improved protection scheme is superior to the conventional reactor protection scheme.

shunt reactor;auxiliary winding;protection scheme;fault;improve

TM771

B

1006-3986(2017)05-0008-04

10.19308/j.hep.2017.05.003

2017-04-10

陳 聰(1989),女,湖北鐘祥人,助理講師,碩士。