基于SCADA的自耦變壓器公共繞組過負荷保護

竇姿麟，姜百超

(1.國家電網公司東北分部，遼寧 沈陽 110180；2.中國能源建設集團遼寧電力勘測設計院有限公司，遼寧 沈陽 110179)

基于SCADA的自耦變壓器公共繞組過負荷保護

竇姿麟1，姜百超2

(1.國家電網公司東北分部，遼寧 沈陽 110180；2.中國能源建設集團遼寧電力勘測設計院有限公司，遼寧 沈陽 110179)

提出了一種基于SCADA的算式，用于自耦變壓器公共繞組過負荷的在線實時計算，并實現報警功能，為公共繞組不具備電流互感器的自耦變壓器過負荷保護提供了工程解決方案。

自耦變壓器；公共繞組；過負荷保護

目前國內500 kV變電站的主變壓器廣泛采用的是自耦變壓器，其中以單相自耦變壓器居多，三相一體的自耦變壓器應用數量相對較少。根據規程[1]要求，自耦變壓器應裝設過負荷保護，過負荷保護應能反映公共繞組及各側過負荷的情況。然而工程中發現，很多國外進口的三相一體式自耦變壓器沒有將公共繞組套管分相引出，而是在主變壓器內部將公共繞組三相并聯后以零序套管的形式引出。已運行的主變壓器保護裝置采用相量合成的方式實現公共繞組過負荷保護功能，而2008年國家電網公司推行《變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范》后，標準化主變壓器保護裝置已不具備通過各側電流值間接計算公共繞組過負荷電流的功能。對于未將公共繞組套管分相引出的自耦變壓器保護更換工程，如何實現變壓器公共繞組過負荷保護功能成為亟待解決的現實問題。本文因此提出一種基于SCADA實現變壓器公共繞組過負荷保護功能的技術方法。

1 自耦變壓器公共繞組負荷分析

自耦變壓器與普通變壓器的主要區別在于普通變壓器的一、二次繞組中只有磁的耦合，而在自耦變壓器中，高、中壓繞組間尚存在著直接的電氣聯系。三繞組自耦變壓器原理接線圖如圖1所示。

圖1 三繞組自耦變壓器原理接線圖

圖1中，U1、U2、U3分別為高、中、低壓側相電壓，I1、I2、I3分別為高、中、低壓側相電流。

自耦變壓器的電磁變換容量(本身容量)與額定容量(通過容量)之比，稱為自耦變壓器的效益系數Kx，即

(1)

式中:K12為自耦變壓器高、中壓側電壓比。

由于不同電壓側的負荷有不同的組合方式，自耦變壓器也會出現各種不同的運行方式，常見的運行方式如下。

方式1:潮流方向為高壓側至中壓側，或由中壓側至高壓側。

方式2:潮流方向為高壓側至低壓側，或由低壓側至高壓側。

方式3:潮流方向為中壓側至低壓側，或由低壓側至中壓側。

方式4:潮流方向為高壓側至中、低壓側，或由中、低壓側至高壓側。

方式5:潮流方向為高、低壓側至中壓側，或由中壓側至高、低壓側。

方式1下，對于降壓自耦變壓器來說，傳輸容量最大，可達變壓器的額定容量；對于升壓自耦變壓器來說，因其低壓繞組布置在高、中壓繞組之間，當低壓繞組停止運行時，由于高、中壓繞組之間漏磁增加而引起大量附加損耗，此時，高、中壓繞組的互通容量要小于額定容量，對于大容量自耦變壓器，其最大傳輸容量可能要限制到額定容量的70%～80%。

方式2、3下，自耦變壓器最大傳輸功率均不得超過自耦變壓器低壓繞組的容量，通過自耦變壓器低壓繞組的容量不能超過其電磁容量，即自耦變壓器額定容量的Kx倍，因為自耦變壓器低壓繞組一般是按等于或小于電磁容量設計的。

方式4下，高壓側同時向中、低壓側送有功和滯后無功，即使高壓側達到額定功率，公共繞組也不會過負荷；中、低壓側同時向高壓側送有功和滯后無功，即使中壓側達到額定功率，公共繞組也不會過負荷[2]。在該運行方式下自耦變壓器各電壓側通過的容量為

(2)

式中：s2、s3分別為功率由高壓側傳輸至中、低壓側或由中、低壓側傳輸至高壓側的容量百分數(以自耦變壓器的額定容量SN為基礎)。

方式5下，自耦變壓器的公共繞組往往先滿載(公共繞組容量等于電磁變換容量)，使高、低壓側容量不能充分利用，本文重點討論該運行方式下自耦變壓器的公共繞組過負荷保護的實現方案，在該運行方式下自耦變壓器各電壓側通過的容量為[3-6]

(3)

式中:s1、s3分別為功率由高、低壓側傳輸至中壓側或由中壓側傳輸至高、低壓側的容量百分數(以自耦變壓器的額定容量SN為基礎)。

對式(3)進行變換，得到公共繞組容量Scom的表達式[5]：

(4)

式中:S1、S3分別為功率由高、低壓側傳輸至中壓側或由中壓側傳輸至高、低壓側的實際功率值。

對式(4)進行三角函數和差化積運算，得到以有功功率P和無功功率Q為變量的函數式

(5)

以遼陽500 kV變電站2號主變壓器為例，分析公共繞組的過負荷保護。遼陽500 kV變電站2號主變壓器為2004年日本TMT公司原裝進口的三相一體式自耦變壓器，其主要參數：主變壓器型號為OSFPS-750000/500；主變壓器容量為750/750/240 MVA；主變壓器額定電壓為525/230/66 kV。主變壓器低壓側配置有1組60 Mvar低壓并聯電抗器和2組60 Mvar低壓并聯電容器。

《變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范》中已經明確主變壓器高、中、低壓側以及公共繞組均應配置過負荷保護功能，設置一段1時限，定值固定為本側額定電流的1.1倍，延時10 s，動作于信號。

然而由于該主變壓器沒有將公共繞組套管分相引出，而是在主變壓器內部將公共繞組三相并聯后以零序套管的形式引出，無法由保護裝置實現公共繞組過負荷保護功能。最簡單的解決辦法是由主變壓器高壓側或中壓側過負荷保護代替公共繞組過負荷保護，該方案能夠實現的前提條件是在公共繞組過負荷之前，高、中壓側過負荷保護能夠先發出報警信號，然而事實并非如此，下面予以說明。

計算條件為主變壓器高壓側滿載運行，主變壓器低壓側按照投入最大無功容量考慮，即2組60 Mvar低壓并聯電容器運行，1組60 Mvar并聯電抗器停運方式。主變壓器高、中壓側功率因數取0.95。

變壓器公共繞組的額定容量為420 MVA，將變壓器參數代入式(5)，計算出公共繞組實際負荷為470 MVA，過負荷倍數已達到1.12，高于公共繞組過負荷保護整定值，而此時主變壓器高壓側處于額定容量下運行，中壓側實際負荷為759 MVA，僅過負荷1.01倍，高、中壓側均不會發出過負荷報警信號。因此，高、中壓側過負荷保護功能不能夠替代公共繞組的過負荷保護功能，必須尋找其他解決方案。

2 基于SCADA的簡化算式

SCADA(數據采集與監視控制系統)已經普遍應用于各電壓等級變電站，其完備的數據采集功能和用戶自定義功能為數據的二次加工提供了現實基礎。SCADA一般會提供合成公式編輯器，可實現簡單加、減、乘、除以及平方、開方運算，通過植入函數算式，并建立與實時數據變量的映射關系，即可通過運算實現虛擬變量值。

根據前文所述，式(5)已經是可以利用SCADA合成公式編輯器進行計算的簡單代數運算式，但考慮到主變壓器過負荷整定值一般采用電流值，而不直接使用容量值，因此需要對式(5)進一步參數變換，忽略勵磁電動勢和損耗，根據能量守恒定律

P1+P2+P3=0

(6)

Q1+Q2+Q3=0

(7)

根據有功功率和無功功率的定義

P=UIcosφ

(8)

Q=UIsinφ

(9)

將式(1)、(6)、(7)、(8)、(9)代入式(5)，得到公共繞組電流Icom、主變高壓側電流I1、主變中壓側電流I2的函數關系式

(10)

利用合成公式編輯器將式(10)植入SCADA，通過訪問實時數據庫中的I1、I2和功率因數角，即可方便快捷地計算出公共繞組電流Icom，設定門檻電流值后，當公共繞組電流Icom大于門檻電流值時，SCADA發告警信號，從而實現自耦變壓器公共繞組過負荷保護告警的功能。

3 結束語

通過對自耦變壓器的分析，三繞組自耦變壓器公共繞組負荷電流計算公式如式(10)所示，該算式已經成功應用在遼陽500 kV變電站2號主變保護改造工程中，由南京南瑞繼保電氣有限公司按照本算式對SCADA進行了二次開發，實現了主變壓器公共繞組過負荷的在線實時計算，數據越線時即發報警信號，為公共繞組不具備電流互感器的自耦變壓器過負荷保護提供了工程解決方案。

[1] 繼電保護和安全自動裝置技術規程：GB/T 14285—2006 [S].

[2] Technical code for relaying protection and security automatic equipment: GB/T 14285—2006[S].

[3] 侯有韜，張麗麗. 500 kV變電站自耦變壓器公共繞組運行工況分析 [J].電力自動化設備，2007,26(11)：43-45.

[4] HOU You-tao,ZHANG Li-li.Analysis of autotransformer common winding operational conditions in 500 kV substations[J].Electric Power Automation Equipment, 2006,26(11):43-45.

[5] 電力工業部電力規劃設計總院.電力系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.

[6] Electric power planning & engineering institute.Electric power system design manual[M].Beijing:China Electric Power Press,1998.

Overload Protection of Autotransformer Common Winding Based on SCADA

DOU Zilin1,JIANG Baichao2

(1.Northeast Branch of State Grid Corporation of China,Shenyang,Liaoning 110180,China； 2.China Energy Engineering Group Liaoning Electric Power Survey & Design Institute Co.,Ltd.,Shenyang,Liaoning 110179,China)

This paper is based on the research of a SCADA equation, which is used for on-line real time calculation and alarm of autotransformer common winding overload. A solution is provided for autotransformer without common winding current transformer.

autotransformer;autotransformer common winding; overload protection

TM411+.3

A

1004-7913(2017)09-0004-03

竇姿麟(1990)，女，碩士，主要研究方向為電網調度。

2017-05-15)

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摘自《量和單位的使用原則及方法》