啟備變縱差保護仿真分析

葉 震

（國電漢川發電有限公司，湖北 漢川 431614）

0 引言

啟動備用變壓器簡稱“啟備變”在機組啟動的過程中，可以用來為廠用輔助設備和全廠公用系統提供啟動電源，也可以在發電機組正常運行時為廠用輔助設備和全廠公用系統提供備用電源。因此，如果啟備變能保持正常狀態運行，也是對發電廠安全穩定運行的保障之一。為了防止啟備變出現異常或故障狀態時對發電廠的其它設備產生影響，應該為啟備變配置相應的保護裝置。

由于啟備變在任何類型的電廠里都必須使用，在工程實際中，關于啟備變以何種方式運行和運行故障分析的研究受到了廣大工程技術人員的重視。文獻[1-3]針對啟備變在實際運行中可能遇到的情況，提出了許多應注意的事項。

從本質上來說啟備變是眾多變壓器中的一種，對普通變壓器保護的研究進展也會更加優化啟備變的保護。最近幾年，關于變壓器各種類型保護的研究也獲得了不少成果,其中研究的熱點是作為變壓器電氣量主保護的縱差保護，尤其是在縱差保護中暫時還沒有得到完美解決方案的勵磁涌流鑒別的問題。文獻[4-5]提取了變壓器勵磁涌流新的判據或者采用新的算法對縱差保護進行分析，以提高其動作的正確性。

1 啟備變的縱差保護

變壓器的縱差保護通常用來反映絕緣套管及引出線上各種類型的相間短路故障。縱差保護是基于基爾霍夫電流定律的，它需要將變壓器各側的電流信號送入差動繼電器。根據基爾霍夫電流定律可知，當變壓器保護范圍內無故障時，流過該繼電器的電流之和理論上為0。如果在保護范圍內發生短路故障，流過該繼電器的電流之和不為0。通常情況下可以通過設置一個比較小的門檻值的方法，讓縱差保護能準確分辨變壓器保護范圍的區內、外故障。

變壓器縱差保護的原理接線圖如圖1所示，假設被保護變壓器T為雙繞組降壓變壓器，高壓側母線為母線M，低壓側母線為母線N，設變壓器變比為nT，變壓器高低壓側一次側電流分別為與之相對應的電流互感器二次電流稱為和。變壓器T的縱差保護需要取得流過變壓器高低壓側的二次電流，如果是三繞組變壓器，需要取得變壓器各側的電流，互感器同名端的接法應按照減極性法則連接，將電流互感器一、二次側的同名端都接在靠近母線側。并選擇合適的互感器的變比，使得正常運行時變壓器高低壓側電流互感器二次側電流幅值相等，這樣就能保證流入變壓器縱差保護差動繼電器的電流為變壓器各側二次電流的相量和，那么在出現短路時，就可以保證差動繼電器準確的做出選擇。

圖1 變壓器縱差保護原理接線圖Fig.1 Wiring diagram of transformer longitudinal differential protection

變壓器縱差保護在變壓器正常運行或處于不正常工作狀態時可能會產生不平衡電流，引起不平衡電流的主要原因有[6]：變壓器高低壓側繞組接線形式不同引起的不平衡電流、變壓器計算變比與現場安裝的電流互感器變比不一致引起的不平衡電流、變壓器分接頭調整引起的不平衡電流、電流互感器傳變誤差引起的不平衡電流、變壓器勵磁電流引起的不平衡電流。

變壓器縱差保護在整定時，應躲開可能存在的最大不平衡電流，否則可能會造成變壓器縱差保護的誤動。由于不平衡電流的幅值會隨著區外故障時穿越區內的短路電流的幅值增加而增大，所以，給變壓器的縱差保護設置一個能夠變動的整定值，該整定值能夠識別不同的短路電流，即能夠隨著區外故障時不同情況下的電流的變化而變化，可以提高區內故障時保護的靈敏度。

另外，還應該重視的是變壓器空載合閘或故障切除后電壓恢復時的勵磁涌流引起的不平衡電流。而當發生勵磁涌流時，不平衡電流達到了額定電流的4～8倍。如果通過保護整定值來躲開的話會使變壓器縱差保護的靈敏度降低，甚至沒有任何保護范圍。所以，在實際中一般會通過檢測二次諧波含量或間斷角鑒別的方式識別勵磁涌流，當變壓器出現勵磁涌流而非區內故障時，閉鎖縱差保護，防止保護誤動。圖2是制動特性的差動保護的動作

圖2 制動特性的差動保護Fig.2 Differential protection braking characteristics

制動特性的變壓器縱差保護的動作特性可以描述如下

式中：Iset為變壓器縱差保護的整定值；Iset.min為縱差保護的最小動作電流；Ires為制動電流；Ires.g為拐點g所對應的制動電流；K為制動特性折線的斜率。其中，設置縱差保護的最小動作電流是為了避免擾動存在或者數據采集系統獲得的電流信號不準確時，造成保護誤動。整定計算方法如下。

最小動作電流

式中IN為變壓器的額定電流。

拐點電流

制動折線的斜率

2 啟備變縱差保護仿真模型

漢川電廠Ⅰ、Ⅱ期共建有四臺330 MW火力發電機組，四臺機組均采用單元接線，接入華中電網的電壓等級為220 kV。在該廠Ⅲ期擴建工程中，建設2×1 000 MW發電機組，接線方式為發-變-線，接入華中500 kV電網。漢川電廠03號啟備變高壓側連接于Ⅱ期220 kV母線，低壓側分別連接在Ⅲ期5號、6號機組6 kV工作段母線上，其作用是當Ⅲ期發電機組啟動過程中，若廠用6 kV工作段母線全停，則通過03號啟備變將220 kV升壓站母線電能送至Ⅲ期發電機組提供啟動電源。

03號啟備變最常見的運行方式是高壓側開關合閘，低壓側與5號、6號機組6 kV廠用電母線之間的開關均為分閘。由此可見，03號啟備變在一般情況下空載運行。工程現場，03號啟備變配置雙套RCS-985T變壓器保護裝置及單套RCS-974AG2非電量保護裝置。

根據03號啟備變的最常見的運行方式和實際整定參數，利用MATLABsimulink仿真軟件搭建縱差動保護的仿真模型，如圖3所示：其中220 kVSystem為220 kV母線外部電力系統，3號、4號分別為漢川電廠Ⅱ期3號、4號發電機組，T3、T4分別為3號、4號主變，H32、H31分別為3號、4號主變高壓側開關，H34為03號啟備變高壓側開關，03號qbb為03號啟備變，65C0、66C0分別為漢川電廠Ⅲ期5號、6號機組6 kV工作段電源進線開關。

圖3 03號啟備變差動保護的仿真模型Fig.3 Simulation model of No.03 startup/standby transformer differential protection

圖3 中封裝的cddl模塊用于獲取變壓器各繞組各相電流的相量和，作為變壓器縱差保護的差動電流。封裝的zddl模塊用于獲取變壓器縱差保護的制動電流，這里的制動電流采用比率制動，即取變壓器各繞組電流幅值之和的1/2。封裝的lcdl模塊和pd模塊分別用于獲取變壓器的勵磁電流和判斷變壓器是否發生勵磁涌流，其中勵磁涌流的判據采用的是勵磁電流中二次諧波電流幅值和基波分量電流幅值的比值，若大于15%則判斷為勵磁涌流。啟備變縱差保護是否啟動利用S函數編程實現，若任意一相差動電流大于制動電流，縱差保護啟動，否則不啟動。而當啟備變僅發生勵磁涌流時，閉鎖縱差動保護，防止保護誤動。

3 結果分析

3.1 區內故障

在03號啟備變高壓側引出線設置三相短路故障，高壓側電壓、高低壓側繞組的短路電流如圖4～6所示，啟備變長期運行在空載狀態，故低壓側短路電流幾乎為0。

圖4 啟備變高壓側引出線短路故障時高壓側電壓Fig.4 Voltage of high voltage winding when fault at high voltage winding

圖5 啟備變高壓側引出線短路故障時高壓側電流Fig.5 Current of high voltage winding when fault at high voltage winding

圖6 啟備變高壓側引出線短路故障時低壓側電流Fig.6 Current of low voltage winding when fault at high voltage winding

在變壓器保護范圍內加入故障模塊，模擬區內短路故障，故障發生時間為0.1 s，仿真結果如圖7所示。

圖7 制動特性比率縱差保護動作情況（區內故障）Fig.7 Braking characteristic ratio longitudinal differential protection（fault inside protection zone）

圖7 中縱坐標從上到下分別表示整套保護是否啟動，A相差動保護是否啟動，B相差動保護是否啟動，C相差動保護是否啟動。啟動則輸出“1”，不啟動輸出“0”。ABC分相差動保護和差動保護整體的動作情況，ABC三相中只要有一相判斷為區內故障（S函數輸出變為1），整套差動保護就會動作（輸出由0變為1）。

以區內故障時A相為例詳細分析，如圖8所示：縱坐標從上到下依次是保護是否動作（動作為1，不動作為0）、A相差流幅值、A相制動電流幅值、A相二次諧波電流和基波電流幅值比。當啟備變保護區內發生三相短路時，A相差動電流幅值為4×104A，制動電流為2×104A，經過S函數程序判斷為區內短路故障，所以在A相二次諧波電流和基波電流幅值比在一個工頻周期后穩定輸出，判斷為非勵磁涌流狀態，則開放保護，A相S函數輸出1，即保護動作。

圖8 差動保護區內故障（A相）Fig.8 Braking characteristic ratio longitudinal differential protection（fault inside protection zone,take phase A for example）

3.2 區外故障

設置變壓器高壓側220 kV母線發生三相短路故障，對于03號啟備變來說是區外故障，故障設置在0.1 s發生。仿真結果如圖9所示，圖中縱坐標從上到下依次為保護是否動作（動作為1，不動作為0）、A相差流幅值、A相制動電流幅值、A相二次諧波電流和基波電流幅值比。此時A相差流很小，同時制動電流也很低，未達到差動保護的啟動值，S函數判斷為區外故障，裝置不動作，S函數輸出保持0。

3.3 不正常運行狀態（勵磁涌流）

設置變壓器鐵芯飽和，飽和特性為[0,0;0.0024,1.2;1.0,1.52],ABC三相初始剩磁分別為[0.7，-0.6，-0.4]，同時該仿真模型中取消三相故障模塊。設置啟備變高壓側開關初始狀態是分閘，在0.1 s時高壓側開關合閘。模擬變壓器勵磁涌流，仿真結果如圖10所示。

圖9 差動保護區外故障（A相）Fig.9 Braking characteristic ratio longitudinal differential protection（fault out of protection zone,phase A）

圖10 差動保護勵磁涌流（A相）Fig.10 Magnetizing inrush(phase A）

該仿真結果是只有勵磁涌流而無故障的情況。在這種情況下，雖然差動電流已經超過了差動保護的啟動電流，但二次諧波電流和基波電流幅值比超過了勵磁涌流閉鎖的整定值15%。所以利用該信號閉鎖了整套差動保護，S函數持續輸出0，保護不會誤動作。

4 結語

本文利用MATLAB/simulink仿真軟件，選取了RCS-985T中的比率差動保護，以漢川電廠03號啟備變及相關設備的原始參數和整定值為依據，搭建了03號啟備變縱差保護的仿真模型。仿真結果表明，該模型能夠實現利用二次諧波判斷啟備變是否發生勵磁涌流，若發生勵磁涌流情況，則閉鎖保護防止保護誤動，同時可以實現分相比率差動保護的功能。

[1] 劉苗,李烜.600 MW發電廠啟備變跳閘事故分析[J].華北電力技術，2009，12（10）：37-39.LIU Miao,LI Xuan.Analysis on transformer tripping incident in 600 MW power plant[J].North China Electric Power,2009,12(10)：37-39.

[2] 孟慶忠.達拉特電廠啟備變熱備用改冷備用的研究與應用[D]北京：華北電力大學，2014.MENG Qingzhong.The technology research on changing start-up standby transformer from hot-standby to cold-standby and its engineering application[D].Beijing：North China Electrical Power University,2014.

[3] 呂于新.啟備變高壓側220 k V開關跳躍原因分析及處理[J].華中電力，2011,24(6)：23-25.LV Yuxin.Analysis and processing of 220 k V switch bouncing in startup/standby transformer[J].Central China Electric Power，2011,24(6)：23-25.

[4] 王曉凱，文博，杜鎮安,等.發電廠發變組保護整定計算問題分析及解決方案[J].湖北電力，2016,40（2）：61-64.WANG Xiaokai,WEN Bo,DU Zhen,an,et al.Analysis and solutions of generator-transformer protection setting calculation problems of power plant[J].Hubei Electric Power，2016,40（2）：61-64.

[5] 李敏，謝齊家.大型變壓器低頻加熱中鐵心飽和問題研究[J].湖北電力,2016,40（7）：1-5.LI Min，XIE Qijia.Study on iron core saturation of large transformers in low frequency heating[J].Hubei Electric Power,2016,40（7）：1-5.

[6] 張保會，尹項根.電力系統繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2009.ZHANG Baohui,YIN Xianggen.Power system protective relaying[M].Beijing：China Electric Power Press,2009.

[7] RCS-985T型發電廠變壓器保護裝置技術和使用說明書.Transformer protection device technology and instruction manual for RCS-985T.