變壓器死區故障的繼電保護方案設計

歐陽琦，呂璐，胡喆，王明慧

（1.國網江西省電力有限公司吉安縣供電分公司，江西 吉安 343000；2.吉安職業技術學院，江西 吉安 343000）

0 引言

在變電站中，變壓器的主保護采用差動保護，即保護變壓器雙側（雙繞組變壓器）或三側（三繞組變壓器）電流互感器（TA）所形成的閉合區域，當此區域內發生故障時，啟動變壓器差動保護出口將變壓器各側斷路器斷開。當故障發生在變壓器某側斷路器與電流互感器之間時（即變壓器死區故障），由于差動保護范圍內無法檢測到差動電流，首先是該側斷路器母差保護或后備保護動作將該側斷路器斷開，此時故障還沒有被切除，電源側仍然會向故障處輸送故障電流，故障最終依靠變壓器的后備保護隔離，故障切除時間過長，主變長時間承受短路電流的沖擊，可能造成變壓器損壞[1]。對于變壓器死區范圍內的故障，文獻[1]提出變壓器110 kV側的一種死區保護改進方案，但沒有對變壓器其他電壓等級側（尤其是35 kV及以下）的死區故障進行分析研究。文獻[2]利用母差保護中母聯死區故障保護原理提出利用“封電流互感器”的方式將變壓器死區故障快速隔離，并提出幾種方案結合起來使用，但此文獻是基于110 kV母線帶有母差保護，能在死區故障發生時瞬時啟動母差保護，而如果死區故障發生在35 kV及以下斷路器側，故障切除的時間依然較長。文獻[3]在斷路器各側裝設一組電流互感器，同時當某側電壓低于正常運行電壓時閉鎖相應側保護，不同時限斷開相關斷路器隔離死區故障，但是此方案需要檢測斷路器兩側的電壓是否恢復正常，對于單電源供電的斷路器此法并不適用。文中增加一個差流裝置，通過電流互感器與相應斷路器的配合快速識別故障區域，并在識別不同區域后啟動相應區域的保護，實現了快速切除故障的同時又不擴大停電范圍。

1 變壓器死區故障的分析

以如圖1所示的某220 kV變電站一次接線圖為例分析。220 kV系統為電源側，110 kV和35 kV系統為負荷側，保護裝置型號為許繼WBH-801A，該系統中變壓器主保護為差動保護，由TA1、TA2、TA3構成的閉合區域組成差動回路。當110 kV側K1區域發生故障時，由于故障點處于電流互感器TA2與斷路器2QF之間（即變壓器死區故障），不在主變差動回路內，本應由變壓器差動保護跳開三側開關，但卻是110 kV母線差動保護先動作，跳開母線I上所有斷路器。此時故障依舊存在，220 kV電源側向故障點繼續輸送短路電流，最終故障由變壓器中壓側零序過流保護（針對接地故障）或相間過流保護（針對相間故障）經過4.5 s延時動作跳開主變三側開關。由此看出，變壓器死區故障至少需要4.5 s以上的時間才能夠將故障隔離，故障切除時間過長，嚴重影響變壓器的安全穩定運行[4]。

圖1 220 kV變電站接線圖及死區故障位置

當變壓器死區故障發生的那一側是在110 kV及以上電壓等級時，由于此時母線都配有母差保護，所以首先是該側的母差保護動作瞬時切除變壓器該側斷路器以及該母線上連著的其他斷路器，然后由變壓器后備保護切除電源側斷路器，與上述的說明類似。當變壓器死區故障發生的那一側是110 kV以下電壓等級時，首先由該側的后備保護切除該側斷路器，一般動作時間為0.3 s～1.1 s，然后由變壓器電源側后備保護切除故障，故障切除時間更長[5-6]。

2 變壓器死區故障的方案設計

要想實現變壓器死區故障的快速切除，就必須在最短時間內識別故障是發生在死區范圍內，然后直接啟動保護出口跳開變壓器三側開關。因此，最關鍵的問題是找到一種快速判別故障發生在死區范圍內的方法。文中按照這種思路提出以下兩種設計方案。

2.1 方案1

將變壓器某側斷路器的電流互感器與該側母線上連著的全部電流互感器組成一個差流回路，當差流回路保護范圍內發生故障時，差流裝置檢測到差流，立即出口跳開變壓器該側斷路器，同時向變壓器差動保護和該側母差保護或后備保護發送閉鎖信號。然后由新型保護裝置通過變壓器該側電流互感器是否有電流來選擇解除或繼續閉鎖相關的保護，就能將故障快速切除并且不擴大停電范圍。

以35 kV側死區故障保護為例分析，如圖2所示，將變壓器35 kV側電流互感器以及35 kV母線各出線電流互感器的電流信號送到差流裝置中，當K3區域故障時，差流裝置檢測到差動電流大于啟動值，立即出口跳開3QF斷路器，同時向主變差動保護該側線后備保護發送閉鎖信號；ITA3＞Iset再由新型保護裝置檢測到ITA3＞Iset，此時解除主變差動保護閉鎖信號，變壓器三側斷路器跳開將故障隔離開來。當K5、K6或K7區域發生故障時，瞬時跳開3QF后，不滿足ITA3＞Iset，此時解除該側線路側保護閉鎖信號，如果L1和L2的對端為受電端，那么故障就已經被切除了；如果L1或L2的對端也存在電源，那么由35 kV的線路保護切除對端的斷路器，就能把故障切除。其中，Iset為躲過最大負荷電流的整定值。

圖2 變壓器死區故障保護方案1示意圖

此方案不僅能實現變壓器死區K3故障的快速切除，且針對K5、K6、K7處的故障也能通過差流裝置判定保護出口瞬時斷開3QF開關，使得本應是變壓器35 kV側后備保護延時切除故障變為瞬時切除故障，提高了系統的安全穩定性。

2.2 方案2

在斷路器的另一側增設一組電流互感器，將變壓器該側斷路器兩側電流互感器的電流信號送到差流裝置中，當差流回路內發生故障時，差動電流大于動作值立即啟動出口跳開變壓器該側斷路器，同時向變壓器差動保護和該側母差保護或后備保護發送閉鎖信號，然后比較兩側電流互感器的電流值來解除相應的保護，實現對故障的快速切除。

以變壓器110 kV側死區故障為例，如圖3所示，在斷路器2QF的另一側增設一組電流互感器TA4，當圖中K1或K2區域發生故障時，差流裝置能檢測到差動電流，此時立即跳開2QF斷路器，同時向變壓器差動保護和110 kV母線差動保護發送閉鎖信號，若此時滿足式ITA2＞Iset則可以判定是K1區域發生故障，新型保護裝置向主變差動保護發送解除閉鎖信號，故障切除；若不滿足ITA2＞Iset則可以判定是K2區域發生故障，新型保護裝置向母線差動保護發送解除閉鎖信號，故障切除。其中，Iset為躲過最大負荷電流的整定值。

圖3 變壓器死區故障保護方案2示意圖

3 變壓器死區故障保護兩種方案的分析

3.1 兩種方案的保護時限

根據文獻的研究數據，新型保護裝置動作時間按20 ms考慮，斷路器開斷時間按60 ms考慮，主變差動保護和該側線路保護閉鎖信號接受時間按5 ms考慮（該過程與斷路器開斷過程同時進行），新型保護裝置根據判據判斷故障區域按30 ms考慮，解除相關保護閉鎖按5 ms考慮，主變差動保護動作按20 ms考慮，母線差動保護動作按20 ms考慮。

方案1 K3區域故障與方案2 K1區域故障切除時間=新型保護裝置動作時間+斷路器開斷時間（主變差動保護和該側線路保護閉鎖信號接受時間）+判斷故障區域時間+解除主變差動保護動作時間+主變三側斷路器開斷時間=175 ms

當35 kV系統對端沒有電源時，方案1 K5、K6或K7區域故障切除時間=新型保護裝置動作時間+斷路器開斷時間（主變差動保護和該側線路保護閉鎖信號接受時間）=80 ms

當35 kV系統對端有電源時，由于故障范圍不屬于瞬時動作段，所以故障切除時間按對端保護延時計算。

對于方案2中K2區域發生故障時，本來是直接啟動110 kV母差保護的，但是方案2的邏輯是先跳開2QF，再進行故障區域判別后，才啟動110 kV母差保護。相較于正常情況下K2區域故障，方案2多了2QF斷路器跳閘時間、故障區域判別時間以及解除母差保護閉鎖時間。故方案2情況下K2區域發生故障比正常情況要晚95 ms切除，延時在100 ms以內，屬于可以接受的范圍。

由上述分析可知，當變壓器死區故障時，采用方案1和方案2均能夠保證故障在200 ms內被切除，比靠后備保護切除故障快得多。

3.2 兩種方案情況下斷路器拒動

兩方案中，當差流裝置保護范圍內故障時應立即跳開變壓器該側斷路器，如果此時該斷路器拒動，近變壓器側電流互感器電流值依然大于動作值，解除主變差動保護的閉鎖，從而使主變三側跳閘，但此時故障依然存在，靠線路側的保護才把故障切除。

以方案2中2QF斷路器拒動為例分析，K2區域故障切除時間=新型保護裝置動作時間+斷路器開斷時間（主變差動保護和該側線路保護閉鎖信號接受時間）+判斷故障區域時間+解除主變差動保護動作時間+主變三側斷路器開斷時間+解除母差保護動作時間+母線上相關斷路器開斷時間=240 ms。

所以，當2QF拒動時，采用方案2故障能夠在240 ms被切除。對比不采用此文中的方案，當K2區域發生故障而2QF斷路器拒動時，母差保護動作時間按20 ms考慮，斷路器開斷時間按60 ms考慮，判斷為失靈并啟動失靈保護按100 ms考慮，故障切除時間為240 ms。因此文中研究的兩種方案亦可以起到變壓器該側斷路器失靈保護的作用。

3.3 兩種方案的比較

兩種方案的實現原理是一樣的，只是在不同的情況下各有優勢，兩方案的邏輯框圖如圖4所示。方案1在原有一次設備基礎上通過改變判斷邏輯及相應的保護配合實現了死區故障的快速切除，且方案1針對部分區域還能夠讓原本后備保護動作變為瞬時動作。但是方案1亦有局限性，對于單母線分段接線和雙母線接線方式，由于分段斷路器和母聯斷路器的存在，保護的配合較為復雜。特別是在元件非固定連接的雙母線接線方式中，差動回路不固定，也會給保護的配合帶來影響。所以，方案1適合用在該側斷路器為單母線接線情況。

圖4 新型保護裝置動作邏輯

雖然方案2的使用不受斷路器該側接線情況的影響，但方案2增加了一組電流互感器，變電站建設投資增大，所需要的場地也更多，提高了可靠性，犧牲了經濟性。故方案2適合用在斷路器該側為雙母線接線或單母線分段接線等復雜情況。

4 結語

文中針對變電站變壓器死區故障進行分析，通過改變判斷邏輯及相應的保護配合，提出了兩種快速切除死區故障的方案。這兩種方案較于之前的研究切除故障時間更快，同時不擴大停電范圍，其中方案1改造成本低，但適用面窄；方案2改造成本高，但適用面寬。實際應用中兩種方案結合起來使用，可有效提高主變及電網的安全穩定性。