基于負(fù)序電流原理的變壓器低后備保護(hù)的改進(jìn)

向?yàn)椋疃鹩?，鐘忠，羅偉成

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司株洲供電分公司，湖南株洲410082；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

基于負(fù)序電流原理的變壓器低后備保護(hù)的改進(jìn)

向?yàn)?，李娥英2，鐘忠1，羅偉成1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司株洲供電分公司，湖南株洲410082；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

變壓器后備過流保護(hù)主要以變壓器的額定電流來設(shè)置，在作為出線末端兩相金屬性短路的遠(yuǎn)后備時(shí)，存在靈敏度不足問題。本文基于系統(tǒng)不對(duì)稱故障序分量特征分析，提出了變壓器的負(fù)序過流保護(hù)，提高了變壓器過流保護(hù)反應(yīng)于出線不對(duì)稱故障的靈敏度。

繼電保護(hù)；負(fù)序電流；變壓器后備保護(hù)

根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及故障的嚴(yán)重性質(zhì)等方面的綜合考慮，目前110 kV及以下電力系繼電保護(hù)采取遠(yuǎn)后備方式，但在實(shí)際運(yùn)行情況中，主變電流后備保護(hù)作為低壓側(cè)出線保護(hù)的遠(yuǎn)后備時(shí)，靈敏性較難保證。究其原因主要是主變電流后備保護(hù)主要作為防御外部相間短路引起的變壓器過電流和變壓器內(nèi)部相間短路的后備保護(hù)，是依據(jù)主變本身電氣特性而設(shè)置，限時(shí)速斷作為低壓側(cè)母線短路的主保護(hù)，針對(duì)的是近區(qū)短路時(shí)流經(jīng)主變的動(dòng)熱穩(wěn)電流，復(fù)壓過流則是針對(duì)主變過負(fù)載能力，兼顧出線的相間短路。文獻(xiàn) 〔1〕統(tǒng)計(jì)，在部分區(qū)域 “按照躲額定電流整定的變壓器10 kV側(cè)相過電流保護(hù)對(duì)本側(cè)出線遠(yuǎn)后備靈敏度遠(yuǎn)小于規(guī)定值 (1.15～1.25)的份額接近90%”。如果10 kV線路上發(fā)生故障(即使短路電流并不很大)，本線路斷路器拒動(dòng)，而主變?cè)搨?cè)過電流保護(hù)對(duì)該故障點(diǎn)靈敏系數(shù)不夠，將使故障線路全線長期通過較大的故障電流而不能切除，如果人工不及時(shí)隔離故障，則導(dǎo)致故障進(jìn)一步向主變方向發(fā)展，或者自然消除，并且負(fù)序電流對(duì)附近保護(hù)配置不全的小發(fā)電機(jī)造成損傷。

1 主變低后備過流保護(hù)分析

假定無窮大系統(tǒng)，正序阻抗等于負(fù)序阻抗，圖1所示出線末端兩相短路故障，針對(duì)不同容量變壓器對(duì)低壓側(cè)過流保護(hù)范圍進(jìn)行分析。

圖1 10 kV線路故障等值系統(tǒng)

選取110 kV常見型式主變計(jì)算，文獻(xiàn) 〔2〕對(duì)短路阻抗的規(guī)定: “2 501～6 300 kVA容量大于7.0%，6 301～25 000 kVA容量大于8.0%，25 001～40 000 kVA容量大于10.0%，40 001～63 000 kVA容量大于11.0%”，結(jié)合某公司具體主變相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 變壓器容量及短路阻抗表

式 (1)所示出線末端兩相短路故障電流

式中 Zs為系統(tǒng)正序阻抗，ZT為變壓器正序阻抗，ZL為線路正序阻抗。

假設(shè)遠(yuǎn)后備靈敏系數(shù) krel為 1(最大保護(hù)范圍)，計(jì)算主變低側(cè)過流后備對(duì)兩相金屬性短路的保護(hù)范圍I(2)≥krelIZ.1.op見表2。

表2 變壓器過流定值保護(hù)阻抗范圍表

10 kV架空線路線徑電抗按照0.4 Ω/kM計(jì)算，保護(hù)范圍按照靈敏系數(shù)1.2校驗(yàn)，對(duì)于20 MVA主變保護(hù)范圍7～8 km，可根據(jù)線路情況配置主變負(fù)序電流保護(hù)；對(duì)于31.5 MVA主變保護(hù)范圍4～5 km，對(duì)于50 MVA、60 MVA主變保護(hù)范圍小于3 km?？紤]到系統(tǒng)阻抗、主變并列運(yùn)行方式以及后備保護(hù)靈敏系數(shù)，主變低壓側(cè)過流保護(hù)范圍會(huì)進(jìn)一步縮小。即針對(duì)大容量主變 (50 MV及以上)，低壓側(cè)過流后備保護(hù)不能很好起到遠(yuǎn)后備作用，由于系統(tǒng)正常時(shí)不產(chǎn)生負(fù)序電流，而兩相故障時(shí)可分解出負(fù)序電流，故以負(fù)序電流作為出線故障的遠(yuǎn)后備可較大程度提高靈敏性。

2 系統(tǒng)不對(duì)稱故障分析

如110 kV兩圈降壓變壓器電網(wǎng)，對(duì)可在主變低壓側(cè)產(chǎn)生負(fù)序電流的電網(wǎng)故障及異常進(jìn)行分析:

2.1 10 kV系統(tǒng)兩相金屬性短路

如圖2中發(fā)生BC相金屬性短路，邊界條件如下:

圖2 BC相金屬性短路

將式 (2)轉(zhuǎn)化為序分量表示

其復(fù)合序網(wǎng)如圖3所示:

圖3 BC相金屬性短路復(fù)合序網(wǎng)

求出故障點(diǎn)序電流、故障電流、序電壓 (正序阻抗等于負(fù)序阻抗)

對(duì)于圖1－1系統(tǒng)，假設(shè)故障點(diǎn)在線末，Z∑1＝ZS＋ZT＋ZL，則出線保護(hù)安裝處 (10 kV母線處)負(fù)序電壓為

2.2 10 kV系統(tǒng)兩相金屬性接地短路

如圖2，假設(shè)K點(diǎn)發(fā)生兩相金屬性短路的情況下，且K點(diǎn)金屬性接地，對(duì)于不接地系統(tǒng)，由于只有故障點(diǎn)一個(gè)接地點(diǎn)，零序阻抗Z∑0無限大，不存在零序電流，則其邊界條件如下。

其序電流、故障電流與不接地短路一致，如式(4)和式 (5)，但是序電壓發(fā)生變化。

即不接地系統(tǒng)發(fā)生兩相接地短路，系統(tǒng)產(chǎn)生零序電壓，非故障相電壓升高，并且由于不存在零序回路，系統(tǒng)各處零序電壓相同，故障點(diǎn)和10 kV母線負(fù)序、正序電壓與不接地短路相同，如式 (6)和式 (7)。

2.3 10 kV系統(tǒng)不同回路之間兩相金屬性短路

假設(shè)10 kV出線1S的B相與出線2S的C相發(fā)生金屬性短路，只有1S的B相與2S的C相有故障電流，系統(tǒng)故障電壓、序電壓與同一出線兩相短路一致，主變低壓側(cè)故障電流、序電流與同一出線兩相短路一致，出線故障相電流一致，但出線間隔保護(hù)裝置獲取序電流不一致。

若B相為基礎(chǔ)計(jì)算1S的負(fù)序分量:

若C相為基礎(chǔ)計(jì)算2S的序分量:

故障出線間隔保護(hù)裝置可計(jì)算出正序、負(fù)序、零序電流，且幅值相等，與式 (4)比較，出線保護(hù)在不同回路之間兩相短路的情況下的序電流幅值只有同一回路兩相短路的

2.4 單相斷線

控制模塊采用單片機(jī)STC89C52控制。STC89C52與DDS信號(hào)產(chǎn)生模塊進(jìn)行串口通信，通過軟件的編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形的控制。外圍電路采用獨(dú)立按鍵的方式，可以選擇波形種類的輸出以及調(diào)節(jié)頻率、電壓幅度的大小。該電路通過P4.0、P4.1、P4.2、P4.3 接口與信號(hào)發(fā)生部分的 CS、SDATA、SCLK、FYSYNC 接口相接；通過 P3.0～P3.7和P1.7接口與按鍵電路連接；通過P0.0，P0.1，P0.2接口與顯示電路連接。最后通過軟件的編程，來對(duì)各部分電路進(jìn)行控制。

假設(shè)系統(tǒng)發(fā)生單相斷線，如圖4〔3〕。

圖4 A相斷線

其邊界條件如下:

可得出A相斷線的復(fù)合序網(wǎng)如圖5，其中N′為系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)，N″為負(fù)荷側(cè)中性點(diǎn)。

圖5 A相斷線復(fù)合序網(wǎng)

2.4.1 系統(tǒng)在10 kV出線發(fā)生單相斷線故障

由于10 kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，A相斷線時(shí)系統(tǒng)無零序電流，B，C相電流大小相等、方向相反，可知正序電流與負(fù)序電流大小相等、方向相反，并且對(duì)于正序、負(fù)序分量，由于電源、阻抗、負(fù)荷完全對(duì)稱，三相電力系統(tǒng)的系統(tǒng)側(cè)接地中性點(diǎn)與負(fù)荷側(cè)不接地中性點(diǎn) (或電氣虛擬中性點(diǎn))電位相等，圖4可簡(jiǎn)化如圖6。

圖6 10 kV系統(tǒng)A相斷線復(fù)合序網(wǎng)簡(jiǎn)化圖

A相負(fù)序電流為

針對(duì)出線斷線，由于 EA、ZS、ZT、ZL、ZLoad均已在斷線前確定，從式 (14)可得出，母線負(fù)序電壓與出線斷線位置無關(guān)。

2.4.2 系統(tǒng)在110 kV出線發(fā)生單相斷線故障

N′為系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)，10 kV母線負(fù)序電壓為

綜合以上分析:1)電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)，主變低壓側(cè)負(fù)序電流僅由不平衡負(fù)荷引起，數(shù)值遠(yuǎn)小于額定電流，不接地系統(tǒng)兩相故障時(shí) (三相故障多由兩相故障發(fā)展而成)，負(fù)序電流明顯增大，故相比較與故障電流保護(hù)，負(fù)序電流保護(hù)故障量變化顯著，靈敏性提高；2)單相斷線故障對(duì)負(fù)序電流影響較大，特別是額定電流運(yùn)行情況下主變高壓側(cè)發(fā)生斷線故障，假設(shè)負(fù)荷電流不發(fā)生幅值及相位變化，負(fù)序電流幅值可達(dá)0.3倍的額度電流，降低負(fù)序電流保護(hù)靈敏性。

3 主變負(fù)序電流保護(hù)裝置研制

負(fù)序電流保護(hù)所需電流、電壓、控制回路與低后備過流方向保護(hù)一致，可通過在現(xiàn)有主變低后備保護(hù)程序中增加專用負(fù)序電流模塊實(shí)現(xiàn)，保護(hù)裝置檢測(cè)故障負(fù)序電流大小及方向，如故障負(fù)序電流大于定值，且方向指向10 kV出線，保護(hù)動(dòng)作，相對(duì)于文獻(xiàn) 〔4－5〕負(fù)序阻抗保護(hù)，原理更為簡(jiǎn)單。

TV斷線閉鎖保護(hù)，由于負(fù)序電流保護(hù)在電流方向判斷中采用TV電壓，TV斷線過程中均可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，故TV斷線退出負(fù)序電流保護(hù)。

電流斷線影響，TA二次斷線，保護(hù)裝置采樣電流不會(huì)發(fā)生變化；一次斷線，將電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)看做經(jīng)對(duì)稱負(fù)荷電阻三相短路，單相斷線時(shí)看做經(jīng)負(fù)荷電阻兩相短路，保護(hù)裝置TA采樣值將變小。即負(fù)序電流保護(hù)在相電流變大情況下啟動(dòng)，如相電流不變或變小，則負(fù)序電流保護(hù)不啟動(dòng)。

4 主變負(fù)序電流保護(hù)整定方法

根據(jù)文獻(xiàn) 〔5〕規(guī)定: “在實(shí)際工程中負(fù)序電流定值可以粗略選取Iop.2＝(0.5－0.6)IN。如靈敏度不能滿足要求時(shí)，可根據(jù)靈敏度再進(jìn)行詳細(xì)的配合計(jì)算，降低負(fù)序電流保護(hù)的整定值，以提高負(fù)序電流保護(hù)的靈敏度。負(fù)序電流繼電器的整定應(yīng)考慮:1)躲過變壓器最大負(fù)荷電流時(shí)，伴隨系統(tǒng)頻率變化，負(fù)序?yàn)V過器輸出的不平衡電流。根據(jù)電力系統(tǒng)允許的頻率偏差，這一不平衡電流一般不會(huì)超過變壓器額定電流的20%；2)當(dāng)相間后備保護(hù)按遠(yuǎn)后備原則配置時(shí)，應(yīng)躲過被保護(hù)變壓器所連接的線路發(fā)生一相斷線時(shí)，流過保護(hù)安裝處的負(fù)序電流，并與線路零序過電流保護(hù)的后備段在靈敏度上相配合，防止負(fù)序過電流保護(hù)非選擇性動(dòng)作?！?/p>

本保護(hù)裝置可躲過電流斷線以及變壓器及以上系統(tǒng)故障影響，且10 kV為不接地系統(tǒng)，不產(chǎn)生零序電流，負(fù)序電流保護(hù)按以下原則進(jìn)行整定:

1)動(dòng)作值按躲過變壓器最大負(fù)荷電流時(shí)伴隨系統(tǒng)變化的負(fù)序不平衡電流，根據(jù)文獻(xiàn) 〔5〕不會(huì)超過變壓器額定電流的20%，可靠系數(shù)kel為1.5。

負(fù)序過電流保護(hù)的靈敏系數(shù)校驗(yàn)

式中 Ik.2.min為在最小方式下，后備保護(hù)區(qū)末端不對(duì)稱相間短路時(shí)，流經(jīng)保護(hù)處的負(fù)序電流。要求Ksen≥2.0(近后備)或Ksen≥1.2(遠(yuǎn)后備)。

與按主變額定容量整定相比較比較，負(fù)序電流保護(hù)的靈敏度提高3倍以上。

2)動(dòng)作時(shí)間整定，負(fù)序電流保護(hù)做為后備或輔助保護(hù)，針對(duì)的是10 kV線路遠(yuǎn)端不對(duì)稱短路，故障電流較小，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備損傷相對(duì)較小，動(dòng)作時(shí)間按主變低壓側(cè)復(fù)壓過流保護(hù)二、三時(shí)限配合整定，并與所有饋線過流保護(hù)的最長延時(shí)配合，負(fù)序電流保護(hù)第一時(shí)限跳閘低壓側(cè)分段斷路器，第二時(shí)限跳主變低壓側(cè)，不跳主變各側(cè)。如10 kV線路配置負(fù)序電流保護(hù)，則與10 kV線路負(fù)序電流保護(hù)配合。

5 結(jié)語

主變負(fù)序電流保護(hù)采取與現(xiàn)有主變后備保護(hù)共用硬件的形式，能靈敏反應(yīng)10 kV出線兩相短路，通過降低電流動(dòng)作值，提高主變后備保護(hù)作為出線短路遠(yuǎn)后備的靈敏性，并且考慮電壓斷線及電流斷線的影響，降低了保護(hù)的誤動(dòng)可能性。

〔1〕魏莉，彭建寧.變壓器、配網(wǎng)線路后備保護(hù)配置、整定方面的改進(jìn)措施 〔J〕.繼電器，2007，35(17):83-85.

〔2〕電力變壓器第5部分:承受路的能力:GB1094.5—2008〔S〕.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

〔3〕國家電力調(diào)度通信中心.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材〔M〕.北京:中國電力出版社，2009:141-148.

〔4〕賀元康，趙鑫，樊江濤.變壓器相間短路后備保護(hù)中負(fù)序阻抗繼電器應(yīng)用探討 〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(15): 84-87.

〔5〕周旭，包玉勝，尤旦峰，等.變壓器相間后備保護(hù)的改進(jìn)〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26(7):59-61.

〔6〕國家電力調(diào)度通信中心.大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則:DL/T 684—1999〔S〕.北京:中國電力出版社，2000.

Development of transformer buckup protection based on negative sequence current

XIANG Wei1，LI Eying2，ZHONG Zhong1，LUO Weicheng1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Zhuzhou Power Supply Company，ZhuZhou 410082，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007)

The transformer over－current backup protection is configured mainly according to transformer’s rated current，but as far backup protection for two-phase short-circuit at line end，it’s sensitivity can’t meet the requirements of setting code usually. Based on analyzing the sequence component characteristics of power system unbalanced faults，this paper presents transformer’s negative sequence current protection to improve the sensitivity to the line’s unbalanced faults.

protective relaying；negative sequence current；transformer backup protection

TM774

B

1008－0198(2016)06－0072－04

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.020

向?yàn)?1978)，男，湖南桃源人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)專業(yè)工作。

李娥英(1978)，女，湖南郴州人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)測(cè)量計(jì)量工作。

鐘忠(1978)，女，湖南株洲人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

羅偉成(1965)，男，湖南株洲人，工程師，從事電力系統(tǒng)分析工作。

2016－04－08 改回日期:2016－07－21