基于零序電流分布的自耦變壓器電流保護(hù)分析

張連杰

（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東 珠海519000）

0 引 言

在變電站，廣泛應(yīng)用三相獨(dú)立、自耦降壓式變壓器。由于自耦變壓器高、中壓側(cè)中性點(diǎn)必須直接接地，且有共同的接地中性點(diǎn)，零序電流可在高、中壓側(cè)系統(tǒng)之間流動(dòng)。因此，自耦變壓器零序保護(hù)有許多不同于普通變壓器保護(hù)的特點(diǎn)，下面就這些特殊性進(jìn)行探討。

1 零序電流分布

當(dāng)高壓側(cè)發(fā)生單相接地時(shí)，自耦變壓器中零序電流的分布如圖1所示，圖中，IG0、IZ0、Id0分別為自耦變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)的零序電流，Igg0為公共繞組的零序電流，IZX為中性點(diǎn)的零序電流。

經(jīng)分析可得［1］：

式中，IZX為流經(jīng)中性點(diǎn)的零序電流；IG0為自耦變壓器高壓側(cè)零序電流；kGZ為自耦變壓器高、中壓變比；XZ0為自耦變壓器中壓側(cè)的零序電抗；XD0為自耦變壓器低壓側(cè)的零序電抗；XN0為中壓側(cè)的系統(tǒng)零序電抗。

根據(jù)公式（2），當(dāng)自耦變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相接地短路時(shí)，中性點(diǎn)零序電流的大小和方向，都將隨著中壓側(cè)系統(tǒng)零序阻抗而變化。如果XSN0＋XZ0＞（kGZ－1）XD0，則中性點(diǎn)電流IZX與圖中所標(biāo)的方向相同；如果XSN0＋XZ0＜（kGZ－1）XD0，則中性點(diǎn)電流IZX與圖中所標(biāo)的方向相反，中性點(diǎn)電流的相位將改變180°。特別是，如果XSN0＋XZ0＝（kGZ－1）XD0，則不管高壓側(cè)零序電流有多大，流經(jīng)中性點(diǎn)的零序電流都為零。

圖1 自耦變壓器三相零序電流分布

2 零序電流保護(hù)

根據(jù)上述分析，自耦變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，流經(jīng)中性點(diǎn)的零序電流與中壓側(cè)系統(tǒng)阻抗有很大關(guān)系，不能明確地反映故障的方向和嚴(yán)重程度。

而根據(jù)公式（1），流經(jīng)自耦變壓器中壓側(cè)的零序電流的大小，盡管隨中壓側(cè)系統(tǒng)零序阻抗的變化而變化，但其方向不變。

因此，自耦變壓器零序電流保護(hù)，一般在高壓側(cè)、中壓側(cè)分別裝設(shè)，并分別接入高、中壓側(cè)CT的零序回路。為了保證動(dòng)作的選擇性，零序電流保護(hù)一般需要具有方向性。

在實(shí)際運(yùn)行中，往往存在自耦變壓器“高壓側(cè)或中壓側(cè)斷開運(yùn)行”的情況。此時(shí)，如果自耦變壓器內(nèi)部發(fā)生單相接地，接在中壓側(cè)或高壓側(cè)線端CT二次回路的零序過電流保護(hù)，可能滿足不了靈敏度的要求。因此，在自耦變壓器中性點(diǎn)處CT二次側(cè)，一般還配置零序過電流保護(hù)。

但是，根據(jù)公式（2），當(dāng)自耦變壓器高、中壓側(cè)同時(shí)投入運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)回路的零序過電流保護(hù)必須退出，否則，有可能不正確動(dòng)作。也就是說，自耦變壓器中性點(diǎn)回路裝設(shè)的零序過電流保護(hù)，只在高壓側(cè)或中壓側(cè)斷開、內(nèi)部發(fā)生單相接地故障、未斷開側(cè)零序過電流保護(hù)的靈敏度不夠時(shí)，才投入使用。

高壓側(cè)和中壓側(cè)的零序過電流保護(hù)通常設(shè)兩段，第一段動(dòng)作電流與本側(cè)母線出線的零序過電流保護(hù)的第Ⅰ或Ⅱ段配合，動(dòng)作電流由公式（3）計(jì)算［2］。

式中 ，IOP.0.Ⅰ為Ⅰ段零序過電流保護(hù)動(dòng)作電流；Krel為可靠系數(shù)，取1.2；Kbr.Ⅰ為零序電流分支系數(shù)，其值等于出線零序過電流保護(hù)Ⅰ段保護(hù)區(qū)末端發(fā)生接地短路時(shí)，流過本保護(hù)的零序電流與流過線路的零序電流之比；IOP.0.Ⅰ/Ⅱ?yàn)?線 路 零 序 過 電 流 保 護(hù) Ⅰ 段 或 Ⅱ 段 動(dòng) 作電流。

第二段動(dòng)作電流與本側(cè)母線出線的零序過電流保護(hù)的后備段配合，動(dòng)作電流由公式（4）計(jì)算。

式中，IOP.0.Ⅱ?yàn)棰蚨瘟阈蜻^電流保護(hù)動(dòng)作電流；Krel為可靠系數(shù)，取1.2；Kbr.Ⅱ?yàn)榱阈螂娏鞣种禂?shù)，出線零序過電流保護(hù)后備段保護(hù)區(qū)末端發(fā)生接地短路時(shí)，流過本保護(hù)的零序電流與流過線路的零序電流之比；IOP.0.Ⅱ?yàn)榫€路零序過電流保護(hù)后備段的動(dòng)作電流。

3 零序差動(dòng)保護(hù)

對(duì)于由三臺(tái)單相自耦變壓器組成的超高壓自耦變壓器組，內(nèi)部發(fā)生接地故障的概率遠(yuǎn)大于相間故障，普遍采用的變壓器縱差保護(hù)對(duì)內(nèi)部單相接地短路的靈敏度很低甚至拒動(dòng)［3］。自耦變壓器一般增設(shè)零序差動(dòng)保護(hù)，其原理接線如圖2所示。

圖2 零序差動(dòng)保護(hù)原理接線圖

變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，可能出現(xiàn)數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流。對(duì)于三相變壓器合閘，至少有兩相要出現(xiàn)程度不同的勵(lì)磁涌流，即三相勵(lì)磁涌流不對(duì)稱，且星形接線繞組中性點(diǎn)直接接地，因此，零序涌流一定存在。

按照?qǐng)D2所示零差保護(hù)的原理接線圖，零差保護(hù)的電流取自自耦變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)和公共繞組的CT，其保護(hù)范圍只包含有電路連接的自耦變壓器的串聯(lián)繞組和公共繞組，不包含無電路連接的由鐵芯磁路耦合的低壓繞組。因此，不管變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，零序涌流有多大，波形多畸變，一次零序涌流各側(cè)之和一定為0，總是穿越性電流。這樣，從構(gòu)成原理上來看，零差保護(hù)不受勵(lì)磁涌流的影響，不必經(jīng)勵(lì)磁涌流判據(jù)的閉鎖，也不必經(jīng)過勵(lì)磁判據(jù)的閉鎖。

盡管如此，由于CT特性不一致和磁飽和等因素的影響，一次零序涌流經(jīng)各側(cè)CT傳變后，二次零序涌流各側(cè)之和卻不為0，因此，零差保護(hù)必須考慮零序涌流的“間接影響”。例如，為避免由于CT暫態(tài)特性差異和磁飽和造成的區(qū)外三相短路故障時(shí)的“錯(cuò)誤的差動(dòng)回路零序電流”對(duì)零差保護(hù)的影響，RCS－978保護(hù)裝置采用正序電流制動(dòng)的閉鎖判據(jù)和CT飽和判據(jù)，來保證零差保護(hù)在變壓器區(qū)外故障時(shí)不誤動(dòng)。

自耦變壓器的匝間短路有兩種情況，一種是伴隨有接地故障的匝間短路，由反應(yīng)接地故障的保護(hù)動(dòng)作；另一種是不伴隨接地的純?cè)验g短路。此時(shí)，雖然短路回路中的電流很大，反應(yīng)到繞組線端的電流變化卻很小，構(gòu)成零序差動(dòng)保護(hù)所用的繞組各側(cè)電流間沒有電磁感應(yīng)關(guān)系，零序差動(dòng)保護(hù)不能反應(yīng)繞組中不接地的匝間短路故障，而且根據(jù)圖2，零序差動(dòng)保護(hù)不能保護(hù)變壓器低壓繞組故障，這是零序差動(dòng)保護(hù)的兩個(gè)缺點(diǎn)。

4 結(jié)束語

單相接地故障是分相式自耦變壓器的常見故障形式。零序差動(dòng)保護(hù)能夠靈敏反應(yīng)自耦變壓器高、中壓側(cè)的接地故障，在自耦變壓器繼電保護(hù)配置中有著不可替代的作用，是對(duì)常規(guī)變壓器縱差保護(hù)的重要補(bǔ)充，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)零序差動(dòng)保護(hù)的設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行監(jiān)護(hù)，使之能夠正常發(fā)揮作用。

［1］ 賀家禮，編著.繼電保護(hù)原理［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1995.

［2］ 宋繼成，編著.220～500 kV變電所二次接線設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［3］ 王維儉，編著.發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1998.