基于220 kV電網(wǎng)仿真變壓器保護(hù)的應(yīng)用

李惜玉，邱園園，李江鋒

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006）

基于220 kV電網(wǎng)仿真變壓器保護(hù)的應(yīng)用

李惜玉，邱園園，李江鋒

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006）

變壓器在電力系統(tǒng)的輸配電中扮演著不可或缺的角色，一旦變壓器出故障，不僅影響到本條線路的正常運(yùn)行，而且可能波及其他相鄰用戶的運(yùn)行，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)崩潰。因此，對(duì)變壓器進(jìn)行有效的保護(hù)顯得非常重要。該文基于220 kV變電站“電網(wǎng)仿真系統(tǒng)”模擬了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中變壓器的故障，對(duì)其保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和觀察，研究變壓器各種保護(hù)在發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)作情況，進(jìn)一步分析各種保護(hù)之間的相互配合和變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的工作原理。

變電站仿真分析；變壓器引出線故障；縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

隨著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力與我們的生活越來越息息相關(guān)。而電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，它的穩(wěn)定運(yùn)行影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，研究電力變壓器的保護(hù)，是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要工作。電力變壓器故障主要分為油箱內(nèi)故障與油箱外故障。油箱內(nèi)的故障包括繞組的相間短路、接地短路，匝間短路等。而油箱外部故障，主要是套管和引出線上發(fā)生相間短路和接地短路。變壓器油箱內(nèi)部故障相應(yīng)的保護(hù)應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護(hù)；油箱外部故障相應(yīng)的保護(hù)可裝設(shè)縱差保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、零序過電壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)和過磁保護(hù)等［1］。

1 基于UNIX的變電站仿真系統(tǒng)介紹

220 kV變電站仿真系統(tǒng)是一個(gè)電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，它的操作界面（如圖1所示）模擬了實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中的操作界面，通過系統(tǒng)可以清晰地看到變電站概況、運(yùn)行工況、控制室、就地操作屏、繼電保護(hù)屏、站用電共6個(gè)方面的情景模擬。變電站采用雙母線雙分段的方式，有八回出線，220 kV母線有兩臺(tái)母聯(lián)斷路器和3臺(tái)主變；而35 kV采用單母線六分段的方式，包含3臺(tái)分段斷路器，二十四回出線，兩臺(tái)站用變，另設(shè)有3組電容器作為無(wú)功補(bǔ)償。

2 電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的功能

變電站仿真系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)包括正?；静僮髂K、故障及異常事故處理模塊和保護(hù)及自動(dòng)裝置模塊3部分［2］。正?；静僮髂K的操作內(nèi)容包括母線、線路、變壓器投切與停運(yùn)，電容器、電抗器投切與停運(yùn)，五防操作和變壓器分接頭和補(bǔ)償設(shè)備調(diào)壓。五防操作在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中為一重要保護(hù)措施，防止工作人員錯(cuò)誤操作。故障及異常事故處理模塊是最具仿真功能的模塊，含有母線、線路，變壓器瞬時(shí)故障，母線、線路變壓器永久故障，開關(guān)拒動(dòng)、誤動(dòng)故障，保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)故障，還有電容器、電抗器故障。保護(hù)及自動(dòng)裝置模塊包括微機(jī)保護(hù)，常規(guī)保護(hù)和自動(dòng)裝置。以上為電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的全部功能。

圖1 新建220 kV變電站電氣主接線圖

電網(wǎng)仿真系統(tǒng)包含了220 kV線路、35 kV線路以及各種配套設(shè)備，包含了高達(dá)600多種故障及保護(hù)拒動(dòng)，可讓我們實(shí)際體驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)生一種或多種故障時(shí)，系統(tǒng)各元件和參數(shù)的變化［2］。通過《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)》可以了解實(shí)際生產(chǎn)中系統(tǒng)故障保護(hù)動(dòng)作的理論。軟件采用分屏切換，其中包括故障類型的設(shè)定、工況的復(fù)位、系統(tǒng)運(yùn)行/凍結(jié)、變電站運(yùn)行狀態(tài)。變電站運(yùn)行狀態(tài)又可以通過控制屏查看所有保護(hù)元件的實(shí)時(shí)狀態(tài)，如某處電壓功率、故障發(fā)生時(shí)間，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，隔離開關(guān)變化狀況等。

3 縱差動(dòng)保護(hù)原理

縱差動(dòng)保護(hù)是利用變壓器各端流入和流出電流的相量差來判斷變壓器內(nèi)部或外部引出線是否正常運(yùn)行的一種保護(hù)。雙繞組變壓器縱差動(dòng)保護(hù)電路圖如圖2所示，其中，I1為變壓器高壓側(cè)流過的電流，I2為變壓器低壓側(cè)流過的電流，I′1為變壓器高壓側(cè)電流互感器感應(yīng)電流，I′2為變壓器高壓側(cè)電流互感器感應(yīng)電流，NT是變壓器的變比，NTA1是變壓器高壓側(cè)電流互感器的變比，NTA2是變壓器低壓側(cè)電流互感器的變比。

∵I2∶I1=NT，I1∶I′1=NTA1，I2∶I′2=NTA2，

∴I1/I′1∶I2/I′2=NTA1/NTA2。

I′2∶I′1=NTA1/NTA2×I2/I1，

I′1∶I′2=NTA1/NTA2×NT。

若使NTA2/NTA1=NT，即有I′1∶I′2=1，即此時(shí)流入差動(dòng)保護(hù)的電流為0。

圖2 雙繞組變壓器縱差動(dòng)保護(hù)電路圖

由此可知，通過恰當(dāng)?shù)剡x擇兩側(cè)電流互感器的電流比，可以讓保護(hù)回路中I′1與I′2相等，在實(shí)際運(yùn)行中，繼電器通過判斷I′1與I′2是否相等，可以判斷線路是否發(fā)生故障。如果變壓器為三繞組變壓器時(shí)，三繞組變壓器縱差動(dòng)保護(hù)電路圖如圖3所示，也可以用類似方法證明，這里不再累述。

圖3 三繞組變壓器縱差動(dòng)保護(hù)電路圖

為了削弱高次諧波的影響，使電壓接近正弦波，在電力系統(tǒng)中的變壓器通常采用Yd11的聯(lián)結(jié)方式。在傳統(tǒng)縱差動(dòng)保護(hù)回路里，為防止有差電流流入保護(hù)回路，從而引起誤動(dòng)作，將變壓器星形側(cè)的3個(gè)互感器結(jié)成三角形，而將變壓器三角形側(cè)的3個(gè)電流互感器聯(lián)結(jié)成星形，從而使一二次側(cè)電流相位一樣，再通過改變 NT=NTA1/NTA2/sqrt（3），從而讓差動(dòng)回路在正常運(yùn)行及外部故障情況下，差動(dòng)回路的電流為0。而在現(xiàn)代的微機(jī)變壓器縱差動(dòng)保護(hù)中，可采取二次全星形聯(lián)結(jié)（如圖4所示）。微機(jī)保護(hù)裝置把二次側(cè)收集到的星形側(cè)的電流兩兩相減，再與三角形側(cè)的線電流相平衡。這種方式使得二次接線更簡(jiǎn)單，便于判斷故障相和TA斷線［3］。微機(jī)保護(hù)技術(shù)有效集合了通信、保護(hù)、監(jiān)控以及測(cè)量等功能，在電力運(yùn)行過程中，可以有效保護(hù)變壓器的運(yùn)行情況，促使電力系統(tǒng)的自動(dòng)化控制得到實(shí)現(xiàn)［4］。

在變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)中，需要防止運(yùn)行中的不平衡電流造成縱差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。而產(chǎn)生不平衡電流主要有以下5種原因［5］:

1）由變壓器勵(lì)磁電流而產(chǎn)生的不平行電流；

2）由電流互感器實(shí)際電流比與計(jì)算變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流；

3）由變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流；

4）有兩側(cè)電流互感器的型號(hào)不同而產(chǎn)生的不平衡電流；

5）由于變壓器外部短路而產(chǎn)生的不平衡電流。

目前可以通過采用數(shù)字濾波的方法來濾除非周期分量及其他諧波和采用比率自動(dòng)的縱差動(dòng)保護(hù)這兩種方法來減少不平衡電流。

圖4 微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)線圖

4 實(shí)驗(yàn)仿真過程及分析

4.1 1號(hào)主變220 kV側(cè)引出線相間短路故障仿真

本次設(shè)置的故障是一號(hào)主變220 kV側(cè)引出線相間短路，而實(shí)際中故障發(fā)生時(shí)往往不是只發(fā)生一個(gè)故障，通常會(huì)伴隨有其他故障發(fā)生，如斷路器拒動(dòng)，或是變壓器油箱內(nèi)部故障等等，所以本次實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了1號(hào)主變220 kV速斷保護(hù)拒動(dòng)。

1）故障現(xiàn)象:該變電站的1號(hào)主變跳閘，正副一母復(fù)合電壓動(dòng)作，正副二母復(fù)合電壓動(dòng)作；35 kV一/六母線失壓、低電壓動(dòng)作、一/六分段自切動(dòng)作、彈簧未儲(chǔ)能；35 kV二/三母線失壓、低電壓動(dòng)作、二/三分段自切動(dòng)作、SF6氣壓異常、彈簧未儲(chǔ)能；35 kV四/五母線失壓、低電壓動(dòng)作；1號(hào)電容器過流、零流、低壓及過壓保護(hù)動(dòng)作、彈簧未儲(chǔ)能。

2）故障分析:當(dāng)該故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)的電流會(huì)大于在此處裝設(shè)的1號(hào)主變220 kV電流速斷保護(hù)的整定值，即IK>IIset，此時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷故障線路，但由于此時(shí)變壓器的電流速斷保護(hù)拒動(dòng)，那么此時(shí)作為變壓器的主要保護(hù)縱差動(dòng)保護(hù)就會(huì)動(dòng)作，讓1號(hào)主變壓器退出運(yùn)行，所以保證變壓器不會(huì)損壞。然后35kV一/六、二/三、四/五母線失壓，1號(hào)電容器低壓保護(hù)動(dòng)作。35 kV一/六、二/三分段自切動(dòng)作，由2號(hào)和3號(hào)主變壓器為其供電，以保證其他線路負(fù)荷安全運(yùn)行。

4.2 3號(hào)主變220kV側(cè)引出線單相接地故障仿真

本次設(shè)置了3號(hào)主變220 kV側(cè)引出線單相接地故障、3號(hào)主變220 kV零序Ⅱ段保護(hù)拒動(dòng)和3號(hào)主變220 kV速斷保護(hù)拒動(dòng)，同時(shí)退出220 kV零序Ⅰ段的跳閘壓板。

1）故障現(xiàn)象:該變電站的3號(hào)主變跳閘，正副一母復(fù)合電壓動(dòng)作，正副二母復(fù)合電壓動(dòng)作；35 kV一/六母線失壓、低電壓動(dòng)作、自切動(dòng)作、彈簧未儲(chǔ)能；35 kV二/三母線失壓；35 kV四/五母線失壓、低電壓動(dòng)作、自切動(dòng)作；3號(hào)電容器過流、零流、低壓及過壓保護(hù)動(dòng)作、彈簧未儲(chǔ)能。

2）故障分析:當(dāng)發(fā)生3號(hào)主變220 kV側(cè)引出線單相接地短路故障時(shí)，變壓器會(huì)產(chǎn)生較大的零序電流，而在變壓器正常運(yùn)行時(shí)，零序電流幾乎為零，短路時(shí)變壓器產(chǎn)生的零序電流會(huì)大于變壓器零流Ⅰ段保護(hù)的整定值，即3I0>IIset，那么零流Ⅰ段保護(hù)將動(dòng)作，讓變壓器退出運(yùn)行，但是由于零流Ⅰ段的跳閘壓板被退出，使其跳閘回路與繼電器信號(hào)回路斷開。所以即使繼電器發(fā)出信號(hào)，跳閘回路也不會(huì)動(dòng)作，那么需要零流Ⅱ段保護(hù)去切除故障，但電力系統(tǒng)故障往往不是單一的，3號(hào)主變220 kV零序Ⅱ段保護(hù)拒動(dòng)和3號(hào)主變220 kV速斷保護(hù)拒動(dòng)，此時(shí)流入變壓器的主保護(hù)縱差動(dòng)保護(hù)的電流將不再是零，流入的短路電流會(huì)大于縱差動(dòng)保護(hù)的電流整定值，即IK>IIset，那么縱差動(dòng)保護(hù)會(huì)動(dòng)作，快速靈敏和及時(shí)地讓3號(hào)主變壓器退出運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，掌握變壓器常見故障產(chǎn)生的原因和診斷方法以及出現(xiàn)故障時(shí)的處理方法，可以有效地提高變壓器的健康水平，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行［6］。通過上述仿真，可知變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的目的就是在變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)延時(shí)跳開變壓器各側(cè)斷路器，切除變壓器內(nèi)部繞組和引出線的相間和接地故障，保護(hù)變壓器本體、各側(cè)引線和套管，并且在變壓器的某些保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，作為變壓器主保護(hù)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)仍能準(zhǔn)確動(dòng)作，有效地保護(hù)了電力系統(tǒng)的重要電氣設(shè)備——變壓器，同時(shí)保證了電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠［7］。所以對(duì)于變壓器而言，縱差動(dòng)保護(hù)是其最重要的主保護(hù)，同時(shí)亦是最可靠、最靈敏的保護(hù)。

［1］賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

［2］陳璟華，陳少華，夏銳，等.變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)及其教學(xué)應(yīng)用［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（12），120-121.

［3］陳少華，陳衛(wèi)，何瑞文，等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京:機(jī)械工程出版社，2009.

［4］何添儒.變壓器保護(hù)在電力運(yùn)行中的應(yīng)用［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2014（16）:142-143.

［5］譚勝盛，變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的分析與討論［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2006，8（9）:79-80，85.

［6］劉風(fēng)清.電力系統(tǒng)變壓器故障原因分析及處理方法研究［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（2）:135.

［7］馮敏.變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的討論［J］.中國(guó)科技縱橫，2012（6）:120-121.

Application of Simulation Transformer Protection Based on 220 kV Power Network

LI Xiyu，QIU Yuanyuan，LI Jiangfeng
（School of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The transformer plays an indispensable role in the transmission and distribution of power system.Once the transformer is out of order，it not only affects the normal operation of this circuit，but also may spread to affect other users even leading to the power grid collapsing.Therefore，the protection of transformer is very important.Based on the 220 kV substation grid simulation system to simulate the relay protection of the fault acting at the transformer in electric power system，and make predictions and observations of the protection operation situation，and study all kinds of transformer protection movement situation in fault，and to further analyze the interaction between the various protection and transformer longitudinal differential protection works.

simulation and analysis of the substation；fault of the outgoing line for transformer；longitudinal differential protection

TM743

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.010

2015-07-02；修改日期：2015-07-23

2015年廣東省廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金（yj201511845033）；廣東省電力工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心項(xiàng)目（400140087）；2015廣東工業(yè)大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（2012Z010）。

李惜玉（1971-），女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事電力工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。