基于零序電流分布的自耦變壓器電流保護分析

張連杰

（廣東電網公司珠海供電局，廣東 珠海519000）

0 引 言

在變電站，廣泛應用三相獨立、自耦降壓式變壓器。由于自耦變壓器高、中壓側中性點必須直接接地，且有共同的接地中性點，零序電流可在高、中壓側系統之間流動。因此，自耦變壓器零序保護有許多不同于普通變壓器保護的特點，下面就這些特殊性進行探討。

1 零序電流分布

當高壓側發生單相接地時，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、中壓側、低壓側的零序電流，Igg0為公共繞組的零序電流，IZX為中性點的零序電流。

經分析可得［1］：

式中，IZX為流經中性點的零序電流；IG0為自耦變壓器高壓側零序電流；kGZ為自耦變壓器高、中壓變比；XZ0為自耦變壓器中壓側的零序電抗；XD0為自耦變壓器低壓側的零序電抗；XN0為中壓側的系統零序電抗。

根據公式（2），當自耦變壓器高壓側發生單相接地短路時，中性點零序電流的大小和方向，都將隨著中壓側系統零序阻抗而變化。如果XSN0＋XZ0＞（kGZ－1）XD0，則中性點電流IZX與圖中所標的方向相同；如果XSN0＋XZ0＜（kGZ－1）XD0，則中性點電流IZX與圖中所標的方向相反，中性點電流的相位將改變180°。特別是，如果XSN0＋XZ0＝（kGZ－1）XD0，則不管高壓側零序電流有多大，流經中性點的零序電流都為零。

圖1 自耦變壓器三相零序電流分布

2 零序電流保護

根據上述分析，自耦變壓器高壓側發生接地故障時，流經中性點的零序電流與中壓側系統阻抗有很大關系，不能明確地反映故障的方向和嚴重程度。

而根據公式（1），流經自耦變壓器中壓側的零序電流的大小，盡管隨中壓側系統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，一般在高壓側、中壓側分別裝設，并分別接入高、中壓側CT的零序回路。為了保證動作的選擇性，零序電流保護一般需要具有方向性。

在實際運行中，往往存在自耦變壓器“高壓側或中壓側斷開運行”的情況。此時，如果自耦變壓器內部發生單相接地，接在中壓側或高壓側線端CT二次回路的零序過電流保護，可能滿足不了靈敏度的要求。因此，在自耦變壓器中性點處CT二次側，一般還配置零序過電流保護。

但是，根據公式（2），當自耦變壓器高、中壓側同時投入運行時，中性點回路的零序過電流保護必須退出，否則，有可能不正確動作。也就是說，自耦變壓器中性點回路裝設的零序過電流保護，只在高壓側或中壓側斷開、內部發生單相接地故障、未斷開側零序過電流保護的靈敏度不夠時，才投入使用。

高壓側和中壓側的零序過電流保護通常設兩段，第一段動作電流與本側母線出線的零序過電流保護的第Ⅰ或Ⅱ段配合，動作電流由公式（3）計算［2］。

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

第二段動作電流與本側母線出線的零序過電流保護的后備段配合，動作電流由公式（4）計算。

式中，IOP.0.Ⅱ為Ⅱ段零序過電流保護動作電流；Krel為可靠系數，取1.2；Kbr.Ⅱ為零序電流分支系數，出線零序過電流保護后備段保護區末端發生接地短路時，流過本保護的零序電流與流過線路的零序電流之比；IOP.0.Ⅱ為線路零序過電流保護后備段的動作電流。

3 零序差動保護

對于由三臺單相自耦變壓器組成的超高壓自耦變壓器組，內部發生接地故障的概率遠大于相間故障，普遍采用的變壓器縱差保護對內部單相接地短路的靈敏度很低甚至拒動［3］。自耦變壓器一般增設零序差動保護，其原理接線如圖2所示。

圖2 零序差動保護原理接線圖

變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時，可能出現數值很大的勵磁涌流。對于三相變壓器合閘，至少有兩相要出現程度不同的勵磁涌流，即三相勵磁涌流不對稱，且星形接線繞組中性點直接接地，因此，零序涌流一定存在。

按照圖2所示零差保護的原理接線圖，零差保護的電流取自自耦變壓器高壓側、中壓側和公共繞組的CT，其保護范圍只包含有電路連接的自耦變壓器的串聯繞組和公共繞組，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時，零序涌流有多大，波形多畸變，一次零序涌流各側之和一定為0，總是穿越性電流。這樣，從構成原理上來看，零差保護不受勵磁涌流的影響，不必經勵磁涌流判據的閉鎖，也不必經過勵磁判據的閉鎖。

盡管如此，由于CT特性不一致和磁飽和等因素的影響，一次零序涌流經各側CT傳變后，二次零序涌流各側之和卻不為0，因此，零差保護必須考慮零序涌流的“間接影響”。例如，為避免由于CT暫態特性差異和磁飽和造成的區外三相短路故障時的“錯誤的差動回路零序電流”對零差保護的影響，RCS－978保護裝置采用正序電流制動的閉鎖判據和CT飽和判據，來保證零差保護在變壓器區外故障時不誤動。

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，由反應接地故障的保護動作；另一種是不伴隨接地的純匝間短路。此時，雖然短路回路中的電流很大，反應到繞組線端的電流變化卻很小，構成零序差動保護所用的繞組各側電流間沒有電磁感應關系，零序差動保護不能反應繞組中不接地的匝間短路故障，而且根據圖2，零序差動保護不能保護變壓器低壓繞組故障，這是零序差動保護的兩個缺點。

4 結束語

單相接地故障是分相式自耦變壓器的常見故障形式。零序差動保護能夠靈敏反應自耦變壓器高、中壓側的接地故障，在自耦變壓器繼電保護配置中有著不可替代的作用，是對常規變壓器縱差保護的重要補充，應該加強對零序差動保護的設計選型和運行監護，使之能夠正常發揮作用。

［1］ 賀家禮，編著.繼電保護原理［M］.天津：天津大學出版社，1995.

［2］ 宋繼成，編著.220～500 kV變電所二次接線設計［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］ 王維儉，編著.發電機變壓器繼電保護應用［M］.北京：中國電力出版社，1998.