自耦變壓器主保護(hù)配置方案研究

席亞克 劉桂蓮 劉永欣 牛 強(qiáng) 陶永健

（許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

變壓器在系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位[1]，它的故障將對(duì)供電可靠性和系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響[2]，其故障診斷技術(shù)的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[3]。

在超高壓電力系統(tǒng)中，自耦變壓器以其體積小、效率高、用材省等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[4]。對(duì)于自耦變壓器內(nèi)部繞組的相間、匝間、接地短路故障，通常由瓦斯保護(hù)和壓力釋放保護(hù)擔(dān)任，同時(shí)也由差動(dòng)保護(hù)擔(dān)任；而對(duì)于自耦變壓器引線上的相間短路和中性點(diǎn)接地側(cè)（簡稱Yn側(cè)）引線的接地短路，則僅由差動(dòng)保護(hù)來擔(dān)任，差動(dòng)保護(hù)仍是當(dāng)前廣為應(yīng)用的變壓器主保護(hù)[5]。本文針對(duì)自耦變壓器Yn側(cè)區(qū)內(nèi)引線經(jīng)過渡電阻接地短路故障[6]，對(duì)差動(dòng)保護(hù)的靈敏系數(shù)展開短路計(jì)算驗(yàn)證，考察自耦變壓器在各種不同運(yùn)行方式下發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地短路故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)能否滿足動(dòng)作靈敏系數(shù)的工程應(yīng)用要求。

1 差動(dòng)保護(hù)原理簡介

自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)原理判據(jù)已有詳細(xì)介紹[7]，此處僅給出保護(hù)軟件動(dòng)作量判別式，即

式中，P為各側(cè)平衡系數(shù)，P=Ib/I。Ib為基準(zhǔn)電 流，一般取高壓側(cè)二次實(shí)際額定電流；I是各側(cè)二次電流。下標(biāo)s、h、m和l分別表示系統(tǒng)、自耦變壓器高壓Y側(cè)、中壓Y側(cè)和低壓Δ側(cè)。

2 經(jīng)過渡電阻接地短路故障時(shí)自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)的靈敏系數(shù)

《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》[8]（以下簡稱《規(guī)程》）和《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定導(dǎo)則》[9]（簡稱《導(dǎo)則》）沒有明確規(guī)定變壓器或自耦變壓器接地故障靈敏度的要求。《規(guī)程》對(duì)線路保護(hù)有明確的規(guī)定，要求對(duì)于220kV、330kV、500kV線路保護(hù)，應(yīng)保證在過渡電阻不大于100Ω、150 Ω、300 Ω的接地故障時(shí)能可靠動(dòng)作跳閘。大型樞紐變電站的重要性不亞于線路保護(hù)，為了確保變壓器設(shè)備安全和電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文借用線路保護(hù)的要求來驗(yàn)算自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)在相應(yīng)過渡電阻下能否滿足動(dòng)作靈敏系數(shù)的要求。

自耦變壓器Yn 側(cè)在發(fā)生經(jīng)過渡電阻單相接地短路時(shí)的計(jì)算，可采用以最大容量為短路計(jì)算的基準(zhǔn)容量，標(biāo)定出高、中壓側(cè)系統(tǒng)電抗和各側(cè)電抗及系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)電抗，根據(jù)短路前的運(yùn)行方式和短路點(diǎn)位置，求出經(jīng)過渡電阻接地短路點(diǎn)的各序總電抗和接地故障各序分量及相電流的標(biāo)幺值[10]，再結(jié)合保護(hù)整定值（按最大容量下的基準(zhǔn)電流標(biāo)幺整定）分析驗(yàn)算差動(dòng)保護(hù)接地短路的動(dòng)作靈敏系數(shù)。

自耦變壓器的高、中壓側(cè)接入高壓側(cè)系統(tǒng)電源和中壓側(cè)系統(tǒng)電源，低壓側(cè)接有無電源站用負(fù)荷，高、中壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式，其高、中壓側(cè)配有斷路器可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)或不并網(wǎng)運(yùn)行，自耦變壓器系統(tǒng)接地短路示意圖如圖1所示。高壓側(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)引線d點(diǎn)發(fā)生經(jīng)過渡電阻Rg接地短路的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。中壓側(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)引線k點(diǎn)發(fā)生經(jīng)過渡電阻Rg接地短路的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。定義各側(cè)（包括公共繞組）故障序分量電流和故障相電流方向?yàn)榱魅攵搪饭收宵c(diǎn)，即各電源側(cè)都向故障點(diǎn)提供故障電流；低壓側(cè)無電源不提供故障電流，其正、負(fù)序電抗視為開路（如圖中開關(guān)是斷開的）不參與短路計(jì)算；低壓側(cè)三角繞組具有零序環(huán)路，視為零序回路直接接地（如圖中開關(guān)是閉合的）。圖中Xsh、Xsm是高、中壓側(cè)系統(tǒng)聯(lián)系電抗，Xth、Xtm、Xtl分別是自耦變壓器高、中、低壓側(cè)電抗，右下標(biāo)1、2 和0 表示為正序、負(fù)序和零序。

1）計(jì)算自耦變壓器三側(cè)電抗

根據(jù)自耦變壓器高壓與中壓間電抗值Xh-m、高壓與低壓間電抗Xh-l、中壓與低壓間電抗Xm-l，可計(jì)算出自耦變壓器高、中、低三側(cè)的電抗Xth、Xtm和Xtl

圖1 自耦變壓器接地短路示意圖

圖2 d 點(diǎn)經(jīng)過渡電阻短路序網(wǎng)絡(luò)分析圖

圖3 k 點(diǎn)經(jīng)過渡電阻短路序網(wǎng)絡(luò)分析圖

令自耦變壓器各側(cè)序電抗相等，則自耦變壓器零序電抗等于正、負(fù)序電抗。

2）計(jì)算不同運(yùn)行方式下不同短路點(diǎn)的總電抗

根據(jù)自耦變壓器運(yùn)行方式類型和短路點(diǎn)的不同位置，自耦變接地短路計(jì)算可分為3 類：①高、中壓側(cè)同時(shí)并網(wǎng)的高壓側(cè)或中壓側(cè)接地短路；②高壓側(cè)未并網(wǎng)中壓側(cè)并網(wǎng)的高壓側(cè)或中壓側(cè)接地短路；③中壓側(cè)未并網(wǎng)高壓側(cè)并網(wǎng)。限于篇幅，下面僅以高、中壓側(cè)同時(shí)并網(wǎng)的高壓側(cè)d點(diǎn)經(jīng)過渡電阻Rg接地短路為例給出計(jì)算步驟，其他不同運(yùn)行方式下不同短路點(diǎn)的總電抗計(jì)算步驟類同。

高、中壓側(cè)同時(shí)并網(wǎng)（正常）運(yùn)行時(shí)，高壓側(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)引線d處接地短路，高、中壓側(cè)系統(tǒng)提供接地故障各序分量電流和相電流。由圖2可列出短路點(diǎn)的各序總電抗

高壓側(cè)系統(tǒng)三序分支系數(shù)為

3）計(jì)算短路點(diǎn)故障電流及自耦變壓器各側(cè)系統(tǒng)故障相電流

采用標(biāo)幺值計(jì)算，令A(yù) 相為短路故障相，短路點(diǎn)電源電勢(shì)標(biāo)幺值為E∑=j。

（1）計(jì)算短路點(diǎn)過渡電阻標(biāo)幺值220kV、330kV、 500kV 不同電壓等級(jí)的過渡電阻R′j分別按100Ω、 150 Ω、300 Ω取值，過渡電阻標(biāo)幺值為

式中，Zj、Sj、Uj分別為基準(zhǔn)阻抗、基準(zhǔn)容量和基準(zhǔn)電壓（取平均額定電壓）。

（2）由序總電抗計(jì)算出d點(diǎn)經(jīng)過渡電阻Rg短路的各序故障分量電流

再由高壓側(cè)系統(tǒng)的分支系數(shù)，可計(jì)算出高壓側(cè)系統(tǒng)正（負(fù)）序分量電流（Idsh.1=Idsh.2=Csh.1IdA.1）和高壓側(cè)系統(tǒng)零序分量電流（Idsh.0=Csh.0IdA.0），進(jìn)而可計(jì)算出高壓側(cè)系統(tǒng)流入保護(hù)裝置的各相故障電流

（3）計(jì)算自耦變高壓側(cè)繞組各序故障分量電流

由序網(wǎng)絡(luò)分析圖可寫出中壓側(cè)系統(tǒng)流入保護(hù)裝置的的正、負(fù)序故障分量電流

由以上各式可計(jì)算出中壓側(cè)系統(tǒng)流入保護(hù)裝置的各相故障電流

由于自耦變壓器低壓側(cè)三角繞組無電源只接有站用負(fù)荷，不提供故障電流，其正、負(fù)序電抗回路視為開路；而低壓側(cè)三角繞組環(huán)路中流過很大的故障零序電流，三角外無故障電流，所以自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)的低壓側(cè)也沒有故障電流。

4）驗(yàn)算自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)接地動(dòng)作靈敏系數(shù)

計(jì)算出自耦變壓器高、中壓側(cè)系統(tǒng)流入保護(hù)的故障電流和低壓側(cè)故障電流（等于零）后，自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)實(shí)際動(dòng)作量判據(jù)變?yōu)?/p>

若高壓側(cè)相電流最大，制動(dòng)量為

若中壓側(cè)相電流最大，制動(dòng)量為

當(dāng)Ires≤Ires.0時(shí)，保護(hù)在無制動(dòng)區(qū)動(dòng)作，其動(dòng)作靈敏系數(shù)按Ksen=Iop/Iop.0計(jì)算；當(dāng)Ires>Ires.0時(shí)，保護(hù) 在制動(dòng)區(qū)動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作值為Io′p=Iop.0+S(Ires-Ires.0)， 其靈敏系數(shù)按Ksen=Iop/Io′p計(jì)算。 可靠動(dòng)作；若 1.2 ≤Ksen<1.5，則判不滿足要求，但

若Ksen≥ 1.5，則判滿足《規(guī)程》要求，保護(hù)能能動(dòng)作；若Ksen<1.2，則判保護(hù)不能動(dòng)作。

3 實(shí)驗(yàn)

自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)整定值是以自耦變壓器最大容量下的最大（額定）電流為基準(zhǔn)電流的標(biāo)幺值來整定的，各項(xiàng)整定（標(biāo)幺）值如下：最小動(dòng)作電流值Iop.0= 0.5，最小制動(dòng)電流值Ires.0= 0.8；比率制動(dòng)系數(shù)S= 0.5；基準(zhǔn)電流IN.h為高壓側(cè)一次額定電流，nh為高壓側(cè)CT 變比，SN.max為自耦變壓器最大額定容量，Uj.h為高壓側(cè)一 次平均額定電壓；高壓側(cè)平衡系數(shù)Ph=Ij/Ih= 1；中壓側(cè)平衡系數(shù)Pm=Ij/Im。

3.1 算例1

某聯(lián)絡(luò)變電站的自耦變壓器接線方式為Yn/a0/d11，容量 240/240/72MVA，額定電壓為330 ± 8 × 1 .25%/121/35kV，高、中壓側(cè)接系統(tǒng)，低壓側(cè)為站用負(fù)荷，短路電抗：Xh-m=0.1029，

Xh-l=0.2457，Xm-l=0.128；Xsh.1=Xsh.2=0.12，Xsh.0=0.144；Xsm.1=Xsm.2=0.168，Xsm.0=0.2338，以上各電抗均是在基準(zhǔn)容量Sj=240MVA 下的標(biāo)幺值。高壓側(cè)CT 變比為600，中壓側(cè)CT 變比為1200，中性點(diǎn)接地線CT變比為600，低壓側(cè)CT 變比為5000。

對(duì)不同運(yùn)行方式下高壓側(cè)d點(diǎn)經(jīng)過渡電阻150Ω接地短路和中壓側(cè)k點(diǎn)經(jīng)過渡電阻50Ω接地短路，各側(cè)故障電流以及保護(hù)動(dòng)作靈敏系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

3.2 算例2

某 500kV 變電站的自耦變壓器接線方式為Yn/a0/d11，容量 750/750/53.5MVA，電壓比高、中壓側(cè)接系統(tǒng)電源，低壓 側(cè)為站用負(fù)荷無電源。Xh-m=0.12，Xh-l=0.55，Xm-l= 0.40、Xsh.1=Xsh.2=0.036、Xsh.0=0.0648、Xsm.1=Xsm.2=0.2433，Xsm.0=0.3893 ， 以上各電抗均是在基準(zhǔn)容量Sj=750MVA 下的標(biāo)幺值，自耦變壓器運(yùn)行抽頭為500/220/35kV。高壓側(cè)CT 變比為2000，中壓側(cè)CT變比為4000，中性點(diǎn)接地線CT 變比為1500，低壓側(cè)CT 變比為4000。

對(duì)不同運(yùn)行方式下高壓側(cè)d點(diǎn)經(jīng)接地電阻300Ω和中壓側(cè)k點(diǎn)經(jīng)過渡電阻150Ω接地短路，各側(cè)故障電流以及保護(hù)動(dòng)作靈敏系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 算例1 經(jīng)過渡電阻接地短路自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)靈敏系數(shù)（有名值）

表2 算例2 經(jīng)過渡電阻接地短路自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)靈敏系數(shù)（標(biāo)幺值）

4 結(jié)論

由表1和表2可得出以下結(jié)論：

1）機(jī)組、系統(tǒng)型式不同時(shí)，將有不同的參數(shù)和過渡電阻，因此經(jīng)過渡電阻接地短路時(shí)，自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)靈敏系數(shù)不同，保護(hù)動(dòng)作行為也不同。

2）即使對(duì)于同一臺(tái)自耦變壓器，不同的運(yùn)行方式或不同短路點(diǎn)也會(huì)直接影響差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作靈敏系數(shù)，甚至?xí)贡Ｗo(hù)有完全不同的動(dòng)作行為，見表2。中壓側(cè)經(jīng)過渡電阻接地時(shí)，差動(dòng)保護(hù)不能動(dòng)作反應(yīng)，而高壓側(cè)短路時(shí)能動(dòng)作反應(yīng)。

3）自耦變壓器容量越大，系統(tǒng)電壓越高，過渡電阻就越大，經(jīng)過渡電阻接地短路時(shí)，接地故障零序電流就越小，直接影響差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作靈敏系數(shù)和動(dòng)作行為，見表1和表2第一列。

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