發(fā)-變組阻抗保護(hù)研究

張小易，范立新

（1.江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司，江蘇南京210036；2.江蘇省方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102）

發(fā)-變組相間短路故障后備保護(hù)常用的有[1]：電壓制動(dòng)過流保護(hù)、復(fù)合電壓過流保護(hù)、帶記憶功能的低電壓過流保護(hù)模塊等，當(dāng)采用上述模塊而保護(hù)靈敏度不滿足要求時(shí)，自然會(huì)想到使用阻抗保護(hù)作為發(fā)-變組相間短路的后備保護(hù)。因?yàn)樽杩贡Ｗo(hù)的特點(diǎn)是物理概念清晰，保護(hù)動(dòng)作邊界準(zhǔn)確，受設(shè)備負(fù)荷水平影響較小，又有大量運(yùn)用于高壓線路保護(hù)中的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但是阻抗保護(hù)不是一種完備的發(fā)-變組相間短路后備保護(hù)方案。首先介紹發(fā)-變組阻抗保護(hù)的一般原理，然后結(jié)合主變壓器（簡稱主變）高、低壓側(cè)外部故障及繞組內(nèi)部故障時(shí)阻抗繼電器的動(dòng)作特性來說明阻抗保護(hù)作為發(fā)-變組相間短路故障后備保護(hù)，其保護(hù)功能不完善，不推薦使用其作為發(fā)-變組相間短路故障后備保護(hù)。

1 發(fā)-變組低阻抗保護(hù)原理

發(fā)-變組阻抗保護(hù)一般裝設(shè)在發(fā)電機(jī)機(jī)端，利用發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、電流按照一定的阻抗原理計(jì)算出測量阻抗，大多數(shù)阻抗繼電器測量原理采用線電壓、線電流0度接線方式。即：

發(fā)-變組阻抗保護(hù)阻抗圖形通常為一個(gè)偏移特性圓（或橢圓），正方向指向變壓器，特性角典型值為85o，如圖1所示。當(dāng)機(jī)端測量阻抗進(jìn)入阻抗圓，并且無閉鎖信號則經(jīng)一定的延時(shí)動(dòng)作于跳閘。

圖1 發(fā)-變組低阻抗保護(hù)特性圓

發(fā)-變組低阻抗保護(hù)的保護(hù)范圍一般延伸至相鄰線路距離I段范圍末端 （但不宜超出距離I段范圍），并對相鄰高壓母線相間短路具有必要的靈敏度，兼做高壓母線相間短路后備保護(hù)。

2 主變外部故障時(shí)發(fā)-變組阻抗保護(hù)動(dòng)作特性

2.1 發(fā)-變組接線

發(fā)-變組接線示意圖如圖2所示，主變?yōu)閅n，d-11點(diǎn)接線方式，阻抗保護(hù)安裝在發(fā)電機(jī)機(jī)端，阻抗保護(hù)對于相間短路采用的測量方法為采用線電壓、線電流0度接線方式。

圖2 發(fā)-變組接線

2.2 高壓側(cè)（T側(cè)）BC相發(fā)生短路時(shí)且不考慮變壓器轉(zhuǎn)角時(shí)測量阻抗分析

當(dāng)高壓側(cè)BC相發(fā)生短路時(shí)，若不考慮變壓器轉(zhuǎn)角，并且距離采用線電壓、線電流0度接線方式。低阻抗保護(hù)機(jī)端測量阻抗分析如下。

主變高壓側(cè)發(fā)生相間短路時(shí)復(fù)合序網(wǎng)如圖3所示，根據(jù)對稱分量法，故障點(diǎn)各序分量如下：

圖3 高壓側(cè)BC相間短路復(fù)合序網(wǎng)

考慮到Y(jié)n，d-11點(diǎn)接線方式，保護(hù)安裝處的各序分量如下：

保護(hù)安裝處電壓電流計(jì)算如下：

式中：zΣ為故障端口阻抗，zΣ=zΣ1=zΣ2=Xd''+XT；XT為變壓器短路阻抗，XT=XT1≈XT2；Xd''為發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗。

由式（1）可以看出，此時(shí)測量阻抗的模值將顯著增加，而相角也會(huì)明顯偏向橫軸，所以此時(shí)阻抗元件很可能拒動(dòng)。

2.3 高壓側(cè)（T側(cè)）BC相發(fā)生短路時(shí)考慮變壓器轉(zhuǎn)角時(shí)測量阻抗分析

當(dāng)高壓側(cè)BC相發(fā)生短路時(shí)，若阻抗保護(hù)通過參數(shù)設(shè)置考慮變壓器Yn，d-11轉(zhuǎn)角。阻抗保護(hù)機(jī)端測量阻抗如下：

該情況下，阻抗元件可以正確反映高壓側(cè)相間故障。

2.4 低壓側(cè)BC相發(fā)生短路時(shí)且不考慮變壓器轉(zhuǎn)角

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)BC相發(fā)生短路時(shí)，若不考慮變壓器轉(zhuǎn)角，并且距離采用線電壓、線電流0度接線方式。阻抗保護(hù)機(jī)端測量阻抗如下：

式中：zΣ'為故障端口阻抗，zΣ'=zΣ1'=zΣ2'=Xd''+XT；XT1'，XT2'為保護(hù)安裝處到低壓側(cè)故障點(diǎn)的正、負(fù)序等效阻抗，XT1'≈XT2'。

該情況下阻抗元件可以準(zhǔn)確測量故障距離。

2.5 低壓側(cè)BC相發(fā)生短路時(shí)且考慮變壓器轉(zhuǎn)角

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)BC相發(fā)生短路時(shí)，若考慮變壓器轉(zhuǎn)角，阻抗保護(hù)機(jī)端測量阻抗如下：

該情況下，阻抗元件不能正確反映故障距離，此時(shí)測量阻抗的模值將顯著增加，而相角也會(huì)明顯偏向橫軸，所以此時(shí)阻抗元件很有可能拒動(dòng)。

通過上述分析可知，當(dāng)主變發(fā)生外部故障時(shí)，不論阻抗保護(hù)元件算法中有沒有考慮變壓器接線轉(zhuǎn)角，都無法兼顧變壓器高、低壓兩側(cè)的相間故障。

3 變壓器內(nèi)部故障

變壓器發(fā)生繞組內(nèi)部相間故障時(shí)，被短接的是繞組的部分電動(dòng)勢而不是整個(gè)繞組的電動(dòng)勢，這種情況和線路發(fā)生短路故障時(shí)全部電動(dòng)勢被短接不同。變壓器繞組內(nèi)部相間故障時(shí)測量阻抗的計(jì)算分析比較復(fù)雜，當(dāng)故障位置接近變壓器出線端時(shí)，測量阻抗很小，當(dāng)故障位置靠近中性點(diǎn)時(shí)，測量阻抗趨向無窮大，因?yàn)樽杩箿y量至不僅和變壓器內(nèi)部短路的類型、短路點(diǎn)位置有關(guān)，還和兩側(cè)的系統(tǒng)電源容量和結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。以清華大學(xué)動(dòng)模試驗(yàn)的一個(gè)例子加以說明[2]。

如圖4所示動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)接線圖和數(shù)據(jù)，變壓器T1的兩側(cè)各自安裝了一組偏移阻抗繼電器，在T1的Y型繞組50%處發(fā)生兩相同點(diǎn)接地故障。

圖4 動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)接線

通過表1可以看出，阻抗繼電器的測量結(jié)果并不是50%Y型繞組短路阻抗，而是明顯大于該值，并且測量阻抗和兩側(cè)系統(tǒng)電源有很大的關(guān)系，阻抗保護(hù)不能可靠動(dòng)作。

表1 繼電器的測量值

文獻(xiàn)[3]進(jìn)一步的動(dòng)模試驗(yàn)也表明當(dāng)變壓器繞組內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，裝在變壓器引出端的阻抗繼電器視在阻抗不小于變壓器的兩繞組間的短路阻抗，且在某些內(nèi)部短路條件下，視在阻抗可大于負(fù)荷阻抗，所以說阻抗繼電器不能用來構(gòu)成發(fā)-變組短路的后備保護(hù)。其根本原因是變壓器（或發(fā)電機(jī)）繞組短路時(shí)，雖然被短路繞組部分電流很大，但變壓器（或發(fā)電機(jī)）引出端的三相電流可能不大，三相電壓可能不低。

4 結(jié)束語

阻抗保護(hù)安裝在發(fā)-電機(jī)機(jī)端作為發(fā)-變組相間故障后備保護(hù)時(shí)，當(dāng)變壓器高、低壓側(cè)端子發(fā)生故障，由于高低壓側(cè)繞組間轉(zhuǎn)角的存在，阻抗保護(hù)不能正確測量阻抗值。當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，阻抗保護(hù)的測量值與短路點(diǎn)在繞組中的位置及兩側(cè)系統(tǒng)電源的影響有關(guān)，其測量阻抗通常大于變壓器的短路阻抗，從而使阻抗保護(hù)不能可靠動(dòng)作，而此時(shí)變壓器短路繞組部分已流過了很大電流，對設(shè)備的安全可能會(huì)產(chǎn)生了很大的危害。阻抗保護(hù)應(yīng)在電壓互感器二次側(cè)斷線和系統(tǒng)振蕩條件下不誤動(dòng)，必要時(shí)增設(shè)相應(yīng)的附加技術(shù)措施，實(shí)際運(yùn)行中多次出現(xiàn)因電壓互感器（TV）二次側(cè)斷線造成阻抗保護(hù)誤動(dòng)的問題。綜合分析，發(fā)-變組阻抗保護(hù)作為發(fā)-變組相間故障的后備保護(hù)時(shí)其保護(hù)原理不完善，所以不推薦使用阻抗保護(hù)作為發(fā)變組相間故障的后備保護(hù)。

[1]高春如.大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3]王維儉，桂 林，唐起超.主設(shè)備后備阻抗保護(hù)反映繞組短路的靈敏度分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2003，23（9）：1-4.