外加電源注入式核電廠輔助變缺相保護研究

黃昌軍，陳海龍，張 軒，王靜濤，李 棟，徐立明，肖志剛

(1. 江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

斷路器觸頭斷開、導線拉斷、變壓器套管或線路絕緣子故障，接頭松動等故障都可能造成核電廠輔助變壓器缺相故障，在帶載工況下，可以由零序電流、負序電流、各次諧波分量等判據實現缺相故障判別[1-6]，核電廠的輔助變壓器作為備用電源，長期處于空載熱備用工況。輔助變壓器缺相斷線工況下，當帶載運行時會導致廠用電系統的異常，不僅對核電廠是一個重大的損失，也給電力系統的安全運行帶來了極大的威脅。世界核電運營者協會(WANO)在2015年的經驗反饋中著重提到了幾起核電廠的缺相故障，以及由此導致的嚴重后果[7]。

核電廠輔助變壓器一般采用三相三繞組分裂變壓器Yn0yn-yn-12+d或Yn0-d-d-11接線方式，空載運行的輔助變壓器在高壓側或電源線路發生缺相故障時，其各側電壓相量和電壓序分量沒有明顯變化，且空載變壓器的勵磁電流的大小為1%～5%額定電流，并具有顯著的諧波含量，很難利用現有的常規電磁式電氣保護方案進行檢測。

文獻[8-9]提出利用光學互感器檢測勵磁電流判斷變壓器缺相斷線，但是需在變壓器高壓側套管上安裝三組高壓光學互感器，增加了大筆工程費用，而且光學互感器對于空載時的小電流檢測也同樣存在測量精度問題[10-13]。

針對上述需求與問題，本文提出了外加電源注入的核電廠輔助變壓器缺相保護方案，研究分析了輔助變壓器缺相斷線故障的特征，提出了具體的保護方案，并利用RTDS實時數字仿真系統進行了驗證。

1 變壓器線路系統缺相斷線電氣量分析

1.1 缺相斷線時電壓特征

在變壓器高壓側發生缺相斷線故障時，高壓側電壓取決于變壓器的繞組聯接組別及接地方式，核電廠輔助變壓器一般采用三相三繞組分裂變壓器Yn0yn-yn-12+d或Yn0-d-d-11接線方式。假設變壓器高壓側A相發生缺相故障，高壓側B、C兩相電壓在低壓側感應出Ub、Uc，Ub、Uc在△繞組中產生Ua′，使a相繞組在低壓側產生勵磁電流和磁通。該勵磁電流和磁通在高壓側同樣產生感應電勢，使高壓側的三相電壓與缺相前一樣，在變壓器高壓側A相繞組上，重新建立UA′，使得變壓器高壓側電壓仍然三相對稱[14-15]，變壓器高壓側A相發生缺相時，A相電壓重建及三相電壓如圖1所示。

利用RTDS進行仿真，A相發生缺相斷線故障時，三相電壓的波形如圖2所示，缺相故障前后，三相電壓正常，無任何變化，與上面的分析一致。

圖1 A相缺相斷線時變壓器三相電壓分析圖Fig.1 The analysis of three-phase voltage when open phase of phase A of the transformer

現有常規電磁式電氣保護一般通過母線電壓互感器采集母線電壓，在線路發生缺相斷線時，母線上由于變壓器低壓側△繞組的電壓重建，高壓側母線TV采集到的電壓三相正常且平衡，而在變壓器高壓側繞組到高壓母線發生缺相斷線時，高壓母線TV采集的是系統電壓，三相正常且平衡。因此無論是線路還是變壓器高壓側發生缺相斷線故障時，高壓母線TV采集到的三相電壓正常且平衡，電壓相量和電壓序分量無任何變化。因此常規采用電壓量作為判據的保護不能檢測變壓器線路缺相斷線故障。

圖2 A相缺相斷線時三相電壓波形仿真圖Fig.2 The simulation of three-phase voltage waveform when open phase of phase A of the transformer

1.2 缺相斷線時電流特征

對于空載運行的變壓器，變壓器高壓側TA流過的電流為空載勵磁電流，空載勵磁電流一般為1%～5%額定電流，常規保護在此范圍內無法正確檢測電流。

線路發生缺相斷線時，由于線路對地電容的存在，將在變壓器高壓側TA和線路TA安裝處流過對地電容電流，電流的大小取決于缺相斷線故障位置。

因此常規保護既不能區分是勵磁電流還是缺相斷線時的對地電容電流，也無法正確檢測小電流。空載運行的變壓器線路缺相斷線時的電流也遠小于常規電流類保護定值，常規電流類保護不能反應變壓器線路缺相斷線故障。

2 外加電源注入式變壓器缺相保護系統

2.1 基本原理

外加電源注入式變壓器缺相保護，是外加注入電源裝置將非工頻信號(小信號)通過注入TA耦合到變壓器中性點，將非工頻信號(小信號)注入到變壓器的零序回路中，在變壓器中性點安裝高精度測量電流互感器，保護裝置檢測注入的電壓、電流信號，通過計算零序阻抗，根據阻抗特征變化，采用綜合判據實現變壓器缺相故障檢測，檢測系統如圖3所示。

圖3 缺相斷線檢測系統圖Fig.3 Open-phase detection system of the transformer

圖3中，在T1變壓器中性點對地回路通過注入TA注入信號源，注入信號從T1變壓器中性點，經過T1變壓器、線路及大電源接地系統，最后經大地回到變壓器中性點，構成完整零序回路，注入信號的等效電路圖如圖4。

圖4 注入電源信號零序回路等效圖Fig.4 Equivalent diagram of the zero sequence circuit of the injection power signal

變壓器線路正常運行時，檢測系統檢測到的零序阻抗為T1變壓器回路零序阻抗、線路及大電源接地系統回路零序阻抗，注入的電流在三個完整的零序路徑中流動，流經原變壓器次級繞組并流出繞組。這種零序模式下，阻抗相對較低，一般總的計算阻抗Z∑數值在數百或數千歐姆[16]；若變壓器線路發生缺相斷線故障時，斷線故障所在支路的零序回路被破壞，注入電流通過系統正常相、缺相的變壓器勵磁阻抗及接地返回，零序阻抗變大，注入的電流在完整的零序路徑及缺相的零序勵磁阻抗中流動，流經原變壓器次級繞組并流出繞組。這種零序模式下，零序阻抗相對較大(數兆歐姆)，零序阻抗的特征變化較明顯。

如圖3，檢測系統接入變壓器中性點高精度測量TA，測量該回路的注入電流信號，接入注入回路電壓，計算回路零序阻抗Z∑，根據零序阻抗的變化特征，采用綜合判據實現變壓器缺相故障檢測。

如圖4，檢測系統利用注入電壓Un及測量電流In檢測整個回路的零序阻抗Z∑，如式(1)。

(1)

變壓器高壓側發生缺相斷線故障時，注入電流In降低，變壓器支路零序阻抗上升為數兆歐姆，Z∑阻抗測量值將變為數兆歐姆。

利用注入信號檢測零序回路的零序阻抗值，可以靈敏的檢測缺相斷線故障。

2.2 變壓器線路缺相斷線檢測方案

如圖3所示，注入式變壓器缺相故障檢測裝置一般包含注入電源裝置、注入耦合電流互感器、中性點測量TA、保護裝置等。由于采用非工頻注入信號，整個檢測裝置的特性是對于工頻50 Hz電流阻抗較大，而對注入信號頻率的阻抗較小。變壓器缺相斷線保護方案主要判據如下。

阻抗判據：

Z0>Z0set

(2)

測量注入的電壓、電流計算零序阻抗，如式(1)。當測量阻抗大于定值時，阻抗判據滿足。

開放判據：

(3)

測量中性點零序電流，采用傅里葉變換計算其基波、三次諧波、五次諧波的大小及變化量。當零序電流基波有效值變化量大于定值或零序電流三次諧波有效值變化量大于定值或零序電流五次諧波有效值變化量大于定值時，開放判據滿足。

輔助判據：

|U20|

(4)

輔助判據主要保證注入回路的完整性，當注入回路電壓、電流回路異常或斷線時，式(4)滿足，閉鎖保護。

非故障檢測判據：為了保證選擇性，該判據包括用于檢測高壓側和低壓側的幾種類型的非缺相故障的功能。主要包括負載側故障、不接地系統電源側故障、接地系統電源側故障、相間不接地故障等。這些故障通常由變壓器電壓、電流保護方案構成。

注入式變壓器缺相保護邏輯如圖5所示。

圖5 變壓器缺相斷線檢測邏輯圖Fig.5 The logic of transformer open-phase detection

當保護裝置檢測到注入零序阻抗滿足阻抗判據及中性點零序電流滿足開放判據，在注入回路正常條件下，且未發生故障時，保護經延時t1告警或跳閘。為躲過啟動備用變壓器及系統的各種故障暫態干擾，延時定值可設定為15.0 s。

2.3 系統故障對檢測系統的影響

檢測系統通過注入信號檢測零序回路阻抗，系統或變壓器相間故障、變壓器匝間故障不影響檢測回路零序阻抗，此類故障不影響外加電源注入式變壓器線路缺相斷線檢測判斷；系統或變壓器發生接地故障時會改變零序回路，接地故障時回路零序阻抗變小，而變壓器線路缺相斷線時該支路零序回路增大，接地故障時檢測系統測量的信號量有別于變壓器線路缺相斷線時的信號量，接地故障不會影響外加電源注入式變壓器線路缺相斷線檢測判斷。

3 變壓器線路缺相斷線檢測系統驗證

利用RTDS實時數字仿真系統，建立系統模型，仿真系統模型如圖6，在系統各位置模擬系統各類故障，得到系統故障波形。利用Delphi應用程序開發工具，編制離線數字分析軟件，計算線路系統、變壓器等支路零序阻抗，驗證在線路變壓器系統各個位置發生缺相斷線時，外加電源注入式變壓器線路缺相斷線檢測系統是否可靠動作；在線路變壓器系統各個位置發生相間、接地等故障時，外加電源注入式變壓器線路缺相斷線檢測系統是否可靠不動作。

圖6 RTDS實時數字仿真系統模型圖Fig.6 The model of RTDS real time digital simulation system

正常運行時，兩組變壓器高壓TA采到的A相基波電流為變壓器勵磁電流，一次電流大小為1%額定電流，離線應用程序計算的回路零序阻抗Z∑，T2變壓器支路零序阻抗計算值Zt，線路系統支路零序阻抗計算值Zs，錄波圖如圖7，外加電源注入信號計算的阻抗值如圖8。

圖7 正常運行時RTDS仿真錄波圖Fig.7 Wave charts of RTDS simulation for normal running state

圖8 正常運行時阻抗圖Fig.8 Zero sequence impedance diagram for normal running state

T1變壓器高壓側發生A相發生缺相斷線時，T1變壓器高壓側A相基波電流為0，母線電壓三相平衡，故障錄波圖如圖9，外加電源注入信號計算的阻抗值如圖10。

T1變壓器高壓側發生A相發生缺相斷線時，變壓器中性點零序電流有效值基波、三次諧波、五次諧波的大小及變化量如圖11所示。

圖9 T1變壓器A相缺相斷線時RTDS仿真錄波圖Fig.9 Wave chart of RTDS simulation when open phase of phase A of the T1 transformer

圖10 T1變壓器A相缺相斷線時阻抗圖Fig.10 Zero sequence impedance diagramwhen open phase of phase A of the T1 transformer

圖11 缺相前后中性點諧波電流變化Fig.11 Change of neutral harmonic current before and after an open-phase event

通過Delphi離線數字軟件分析RTDS實時數字仿真系統故障錄波，變壓器高壓側發生缺相斷線故障時，零序阻抗上升為數兆歐姆，中性點零序電流基波、三次諧波、五次諧波變化量明顯，仿真結果基本符合理論分析。

4 結束語

本文研究分析了變壓器線路缺相斷線故障時的電壓、電流特征，介紹了外加電源注入式變壓器缺相保護系統，提出了適用高壓側直接接地的核電廠輔助變壓器缺相斷線保護方案，理論分析及仿真系統驗證外加電源注入核電廠輔助變壓器缺相保護系統能夠靈敏、準確、可靠檢測變壓器的缺相斷線狀態，解決空載工況下輔助變壓器高壓側缺相故障難以檢測的問題，提升了核電廠輔助變壓器系統的運行可靠性。