調壓不當導致主變壓器后備保護動作分析

羅來龍， 王超， 陳禹志， 徐攀峰， 文芳， 覃文繼， 孫曉佳

(1.國網西藏電力有限公司， 西藏 拉薩850000；2.國網西藏電力有限公司電力科學研究院， 西藏 拉薩850000)

0 引言

主變并列運行具有提高電力系統供電可靠性、方便系統擴容等優點， 在電網運行實際中得到了廣泛應用[1-7]。 但兩臺主變并聯運行須嚴格滿足接線組別相同、 變比相同(允許誤差0.5%)、 短路電壓相等 (允許誤差10%) 等條件， 否則將在并列運行的兩臺主變之間產生環流， 影響主變供電容量， 造成主變過載， 威脅系統的安全穩定運行。

調節變壓器分接頭檔位、 投退無功補償設備、優化系統運行方式等是電網企業調節系統電壓水平的有效舉措， 在系統電壓隨負荷情況等波動時， 調度機構通過合理的調壓措施選擇可及時將各站點電壓水平穩定在正常運行范圍內[8-15]。 但若調壓措施執行不當， 未能匹配系統實時運行方式， 可能造成功率異常傳輸， 影響系統運行經濟性及繼電保護動作。 文章基于一起事故案例， 詳細分析通過調節變壓器分接頭檔位改善系統電壓水平時， 主變并列運行條件破壞導致主變高后備保護動作的機理， 并通過仿真對分析結果進行了驗證。

1 案例分析

1.1 事故前系統運行方式

案例中變電站主接線如圖1 所示。 該變電站包含型號同為SSZ11-10000/110 的兩臺主變壓器，容量為10 000/10 000/10 000 kVA， 電壓組合為110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5 kV。 事故發生前， 該站110 kV 041 和042 線路運行， 012 斷路器運行； 35 kV 544 線路運行， 541―543 線路間隔冷備用， 512 斷路器運行； 10 kV 142 線路運行，141、 143―148 線路間隔停運， 171、 173、 174 間隔低壓電抗器在運行狀態， 172 間隔電抗器未投運， 4011 站用變間隔運行， 112 斷路器運行。 此外， 1 號主變高壓側分接頭檔位為10 檔， 2 號主變分接頭檔位為8 檔； 兩臺主變110 kV 和35 kV 中性點均未接地。

圖1 案例相關的變電站主接線

1.2 事故過程簡述

2020 年某日12:55， 該變電站110 kV 母線電壓躍升至120.23 kV， 超出電壓正常運行允許范圍； 同時該變電站10 kV 母線電壓偏低， 為10.1 kV。 為將10 kV 母線電壓控制到正常運行范圍以內， 當值調度員選擇調高變壓器檔位， 以期在提高該變電站10 kV 母線電壓后投入該站2 號低壓電抗器。 12:58， 將1 號主變檔位從10 檔調節至16 檔； 13:01， 1 號主變高后備復壓過流Ⅲ段動作跳開1 號主變三側。 現場檢查主變本體未發生故障， 巡線結果顯示中低壓側線路未發生故障。

1.3 事故原因分析

該站主變保護為主后分體式保護裝置， 差動保護裝置型號為IPAC-5741， 高、 中、 低壓側后備保護裝置型號均為IPAC-5742。 事故發生時， 站內故障錄波器損壞， 未抓取到故障時刻波形； 主變高后備保護裝置錄波功能異常， 未錄到動作波形， 僅錄到啟動波形， 如圖2 所示； 主變中、 低后備保護均未錄到波形。 圖2 顯示， 故障時主變高壓側電流三相對稱， 三相電壓正常， 呈過載特征。 由于事故分析依據有限， 只能基于SCADA、 WAMS 和保護動作報文等定性推演事故過程， 但電磁暫態仿真結果驗證了推演的合理性。

圖2 跳閘前主變高后備保護啟動錄波

事故發生前， 544 和142 線路負荷輕， 主變所帶負荷主要為171、 173、 174 三臺低壓電抗器的感性無功負荷， 每臺低壓電抗器的容量為4.2 Mvar。查閱SCADA 系統獲知， 1 號主變調檔之前兩臺主變的無功功率分布就不均衡， 1 號主變無功功率消耗高于2 號主變， 如圖3 所示。

圖3 SCADA 系統所示主變高、 中壓側無功

調檔前1 號主變檔位高于2 號主變， 1 號主變中壓側電壓高于2 號主變， 在兩臺主變中壓側、 兩段母線的閉合回路中形成電流， 感應到高壓側之后， 將在兩臺主變及高、 中壓側母線之間產生環流， 如圖4 所示。 圖4 中，I1和I2分別為高、 中壓側的環流， I3為總環流。 環流不流向負荷， 僅在兩臺主變之間的并聯回路中流通， 因此主要表現為無功電流。 由于1 號主變檔位高， 環流由1 號主變流向2 號主變， 該電流與1 號主變負荷電流方向相同， 與2 號主變負荷電流方向相反， 由此造成1 號主變無功高于2 號主變。 需要說明的是， 單純從圖4 來看， I3回路中沒有電源點， 按照基爾霍夫電壓定律， I3應該為零； 但實際上， I3回路是由兩個大電網系統的一部分并聯構成的， 兩臺主變受系統電源電壓支撐， 成為I3回路中的電源點， 這是環流產生的基礎。 同樣的原理， 主變高壓側和主變低壓側之間也將產生環流， 即在主變三側中均有環流， 高壓側環流是中、 低壓側環流之和。

圖4 環流流向圖

進一步分析圖3， 在調檔之后， 1 號主變高、中壓側無功功率突增， 2 號主變高、 中壓側無功功率突減， 兩臺主變低壓側無功功率未發生突變。 原因在于僅對1 號主變調檔， 導致兩臺主變檔位差和電壓比差進一步拉大， 高、 中壓側環流隨之增加。調檔后2 號主變高壓側無功功率方向仍為正方向，中壓側無功功率方向為反方向， 說明環流小于高壓側負荷電流， 大于中壓側負荷電流， 這和35 kV 側負荷輕、 10 kV 側負荷重情況吻合。

主變高后備保護配置了三段過流保護， Ⅰ段和Ⅱ段帶復壓閉鎖， Ⅲ段不帶復壓閉鎖， Ⅲ段動作值均為1.73 A， 即1.378 倍額定電流； 中后備保護配置了四段過流保護， Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ段均經復壓閉鎖，Ⅳ段不帶復壓閉鎖， Ⅳ段動作值為1.65 A， 即1.32 倍額定電流； 低壓側配置了四段過流保護，前三段經復壓閉鎖， Ⅳ不經復壓閉鎖， Ⅳ動作值為3.0A， 即1.31 倍額定電流。 由于沒有錄波文件支撐， 進一步調取數據精度相對更高的WAMS 故障數據， 如圖5 所示。 圖5 顯示， 隨著分接頭調節，兩臺主變無功分配逐步突變， 當分接頭調至最后一檔時， 1 號主變無功消耗突然上升至略高于14 Mvar， 大于主變容量的1.4 倍， 導致1 號主變高后備保護Ⅲ段動作。 需要說明的是， 按標幺值來算， 低后備過流Ⅳ段定值低于高后備過流Ⅲ段， 但低后備過流Ⅳ段未動作， 原因在于高壓側無功為低壓側無功負荷、 主變無功損耗、 高中壓側環流無功、 高低壓側環流無功之和， 調節檔位后高中壓側環流突增， 該電流不流經主變低壓側， 因而主變低后備保護未動作。 同時， 主變中壓側負荷輕， 加上故障時流過的環流仍未達到動作值， 因而未動作。此外， 由于三相電壓正常， 帶復壓閉鎖的過流保護功能都不會動作。

圖5 WAMS 系統主變無功

綜上所述， 1 號主變高后備保護動作是由于調壓措施執行不當， 嚴重破壞主變并聯運行條件， 導致并聯主變高中、 高低壓側產生環流， 造成兩臺主變負荷分配不均及變比小主變無功損耗增大， 導致1 號主變高后備保護動作， 保護動作行為正確。

2 仿真驗證

基于PSCAD 仿真平臺構建了圖6 所示的仿真模型。 圖中包含兩臺并列運行的110 kV 有載調壓主變壓器， 調壓1 對應1 號主變， 調壓2 對應2 號主變， 繞組1 號為高壓側， 繞組2 號為中壓側， 繞組3 號為低壓側。 每臺主變高中、 高低、 中低額定短路阻抗分別為10.24%、 17.91%和6.29%， 與案例實際一致。 分接頭共9 檔， 每一檔調壓比為2.5%， 為實際主變一檔調壓比的兩倍。

圖6 仿真模型

事故案例1 號主變檔位調節了6 檔， 但調檔之前兩臺主變檔位就不一致， 本次仿真初始狀態兩臺主變檔位相同， 因此相應地需要調四檔。 基于該模型的仿真結果如圖7 所示。 P1、 Q1和P2、 Q2分別為1 號主變高壓側和低壓側有功和無功功率， P3、Q3分別為2 號主變高壓側有功和無功功率， P4、Q4分別為2 號主變低壓側有功和無功功率， P5、Q5分別為1 號主變中壓側流向2 號主變中壓側有功和無功功率。 圖7 表明， 調檔前， 兩臺主變的有功和無功功率完全相同， 兩臺主變中壓側之間未產生電流； 隨著1 號主變檔位的逐步升高， 在其他條件不變的情況下， 兩臺主變輸出的無功和有功功率產生差異， 且差異逐漸增大， 1 號主變輸出高于2號主變； 對比發現， 高中壓側和高低壓側均產生了環流， 但中壓側環流高于低壓側。

在圖7 的基礎上， 將2 號主變檔位降至1 檔，仿真結果如圖8 所示。 圖8 中， 2 號主變高壓側無功功率為反方向， 1 號主變中壓側流向2 號主變的無功功率較大， 兩臺主變低壓側無功功率均為正方向。 該圖說明， 造成Q3反向的主要原因是Q5增大。 2 號主變高壓側無功功率反向更加可靠地證實了兩臺主變之間存在環流。

圖7 和圖8 仿真結果表明， 兩臺主變并列運行， 僅調節其中一臺主變檔位的做法將使兩臺主變之間產生環流， 且環流隨著檔位差增大而增大， 可能造成變比小的主變過載， 甚至過流保護動作。 此外， 在仿真所用主變各側阻抗參數條件下，高中壓側環流大于高低壓側環流， 與案例實際一致。

圖7 1 號主變調檔、 2 號主變5 檔時的仿真波形

圖8 1 號主變9 檔、 2 號主變1 檔時的仿真波形

3 結語

文章基于事故案例分析和電磁暫態仿真， 說明兩臺主變不滿足并列條件運行時將產生環流， 特別是當變比相差較大時， 除了造成并聯運行主變負荷分配不均， 還將給主變帶來額外的無功損耗， 并可能導致變比小的主變后備保護誤動， 須引起足夠警醒。 電網運行企業應加強人員培訓， 合理安排各變電站主變運行檔位， 調檔時需兩臺主變輪流逐級調檔， 確保主變始終滿足并列運行條件。