變壓器死區(qū)故障的繼電保護方案設(shè)計

歐陽琦，呂璐，胡喆，王明慧

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司吉安縣供電分公司，江西 吉安 343000；2.吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 吉安 343000）

0 引言

在變電站中，變壓器的主保護采用差動保護，即保護變壓器雙側(cè)（雙繞組變壓器）或三側(cè)（三繞組變壓器）電流互感器（TA）所形成的閉合區(qū)域，當(dāng)此區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時，啟動變壓器差動保護出口將變壓器各側(cè)斷路器斷開。當(dāng)故障發(fā)生在變壓器某側(cè)斷路器與電流互感器之間時（即變壓器死區(qū)故障），由于差動保護范圍內(nèi)無法檢測到差動電流，首先是該側(cè)斷路器母差保護或后備保護動作將該側(cè)斷路器斷開，此時故障還沒有被切除，電源側(cè)仍然會向故障處輸送故障電流，故障最終依靠變壓器的后備保護隔離，故障切除時間過長，主變長時間承受短路電流的沖擊，可能造成變壓器損壞[1]。對于變壓器死區(qū)范圍內(nèi)的故障，文獻[1]提出變壓器110 kV側(cè)的一種死區(qū)保護改進方案，但沒有對變壓器其他電壓等級側(cè)（尤其是35 kV及以下）的死區(qū)故障進行分析研究。文獻[2]利用母差保護中母聯(lián)死區(qū)故障保護原理提出利用“封電流互感器”的方式將變壓器死區(qū)故障快速隔離，并提出幾種方案結(jié)合起來使用，但此文獻是基于110 kV母線帶有母差保護，能在死區(qū)故障發(fā)生時瞬時啟動母差保護，而如果死區(qū)故障發(fā)生在35 kV及以下斷路器側(cè)，故障切除的時間依然較長。文獻[3]在斷路器各側(cè)裝設(shè)一組電流互感器，同時當(dāng)某側(cè)電壓低于正常運行電壓時閉鎖相應(yīng)側(cè)保護，不同時限斷開相關(guān)斷路器隔離死區(qū)故障，但是此方案需要檢測斷路器兩側(cè)的電壓是否恢復(fù)正常，對于單電源供電的斷路器此法并不適用。文中增加一個差流裝置，通過電流互感器與相應(yīng)斷路器的配合快速識別故障區(qū)域，并在識別不同區(qū)域后啟動相應(yīng)區(qū)域的保護，實現(xiàn)了快速切除故障的同時又不擴大停電范圍。

1 變壓器死區(qū)故障的分析

以如圖1所示的某220 kV變電站一次接線圖為例分析。220 kV系統(tǒng)為電源側(cè)，110 kV和35 kV系統(tǒng)為負荷側(cè)，保護裝置型號為許繼WBH-801A，該系統(tǒng)中變壓器主保護為差動保護，由TA1、TA2、TA3構(gòu)成的閉合區(qū)域組成差動回路。當(dāng)110 kV側(cè)K1區(qū)域發(fā)生故障時，由于故障點處于電流互感器TA2與斷路器2QF之間（即變壓器死區(qū)故障），不在主變差動回路內(nèi)，本應(yīng)由變壓器差動保護跳開三側(cè)開關(guān)，但卻是110 kV母線差動保護先動作，跳開母線I上所有斷路器。此時故障依舊存在，220 kV電源側(cè)向故障點繼續(xù)輸送短路電流，最終故障由變壓器中壓側(cè)零序過流保護（針對接地故障）或相間過流保護（針對相間故障）經(jīng)過4.5 s延時動作跳開主變?nèi)齻?cè)開關(guān)。由此看出，變壓器死區(qū)故障至少需要4.5 s以上的時間才能夠?qū)⒐收细綦x，故障切除時間過長，嚴重影響變壓器的安全穩(wěn)定運行[4]。

圖1 220 kV變電站接線圖及死區(qū)故障位置

當(dāng)變壓器死區(qū)故障發(fā)生的那一側(cè)是在110 kV及以上電壓等級時，由于此時母線都配有母差保護，所以首先是該側(cè)的母差保護動作瞬時切除變壓器該側(cè)斷路器以及該母線上連著的其他斷路器，然后由變壓器后備保護切除電源側(cè)斷路器，與上述的說明類似。當(dāng)變壓器死區(qū)故障發(fā)生的那一側(cè)是110 kV以下電壓等級時，首先由該側(cè)的后備保護切除該側(cè)斷路器，一般動作時間為0.3 s～1.1 s，然后由變壓器電源側(cè)后備保護切除故障，故障切除時間更長[5-6]。

2 變壓器死區(qū)故障的方案設(shè)計

要想實現(xiàn)變壓器死區(qū)故障的快速切除，就必須在最短時間內(nèi)識別故障是發(fā)生在死區(qū)范圍內(nèi)，然后直接啟動保護出口跳開變壓器三側(cè)開關(guān)。因此，最關(guān)鍵的問題是找到一種快速判別故障發(fā)生在死區(qū)范圍內(nèi)的方法。文中按照這種思路提出以下兩種設(shè)計方案。

2.1 方案1

將變壓器某側(cè)斷路器的電流互感器與該側(cè)母線上連著的全部電流互感器組成一個差流回路，當(dāng)差流回路保護范圍內(nèi)發(fā)生故障時，差流裝置檢測到差流，立即出口跳開變壓器該側(cè)斷路器，同時向變壓器差動保護和該側(cè)母差保護或后備保護發(fā)送閉鎖信號。然后由新型保護裝置通過變壓器該側(cè)電流互感器是否有電流來選擇解除或繼續(xù)閉鎖相關(guān)的保護，就能將故障快速切除并且不擴大停電范圍。

以35 kV側(cè)死區(qū)故障保護為例分析，如圖2所示，將變壓器35 kV側(cè)電流互感器以及35 kV母線各出線電流互感器的電流信號送到差流裝置中，當(dāng)K3區(qū)域故障時，差流裝置檢測到差動電流大于啟動值，立即出口跳開3QF斷路器，同時向主變差動保護該側(cè)線后備保護發(fā)送閉鎖信號；ITA3＞Iset再由新型保護裝置檢測到ITA3＞Iset，此時解除主變差動保護閉鎖信號，變壓器三側(cè)斷路器跳開將故障隔離開來。當(dāng)K5、K6或K7區(qū)域發(fā)生故障時，瞬時跳開3QF后，不滿足ITA3＞Iset，此時解除該側(cè)線路側(cè)保護閉鎖信號，如果L1和L2的對端為受電端，那么故障就已經(jīng)被切除了；如果L1或L2的對端也存在電源，那么由35 kV的線路保護切除對端的斷路器，就能把故障切除。其中，Iset為躲過最大負荷電流的整定值。

圖2 變壓器死區(qū)故障保護方案1示意圖

此方案不僅能實現(xiàn)變壓器死區(qū)K3故障的快速切除，且針對K5、K6、K7處的故障也能通過差流裝置判定保護出口瞬時斷開3QF開關(guān)，使得本應(yīng)是變壓器35 kV側(cè)后備保護延時切除故障變?yōu)樗矔r切除故障，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

2.2 方案2

在斷路器的另一側(cè)增設(shè)一組電流互感器，將變壓器該側(cè)斷路器兩側(cè)電流互感器的電流信號送到差流裝置中，當(dāng)差流回路內(nèi)發(fā)生故障時，差動電流大于動作值立即啟動出口跳開變壓器該側(cè)斷路器，同時向變壓器差動保護和該側(cè)母差保護或后備保護發(fā)送閉鎖信號，然后比較兩側(cè)電流互感器的電流值來解除相應(yīng)的保護，實現(xiàn)對故障的快速切除。

以變壓器110 kV側(cè)死區(qū)故障為例，如圖3所示，在斷路器2QF的另一側(cè)增設(shè)一組電流互感器TA4，當(dāng)圖中K1或K2區(qū)域發(fā)生故障時，差流裝置能檢測到差動電流，此時立即跳開2QF斷路器，同時向變壓器差動保護和110 kV母線差動保護發(fā)送閉鎖信號，若此時滿足式ITA2＞Iset則可以判定是K1區(qū)域發(fā)生故障，新型保護裝置向主變差動保護發(fā)送解除閉鎖信號，故障切除；若不滿足ITA2＞Iset則可以判定是K2區(qū)域發(fā)生故障，新型保護裝置向母線差動保護發(fā)送解除閉鎖信號，故障切除。其中，Iset為躲過最大負荷電流的整定值。

圖3 變壓器死區(qū)故障保護方案2示意圖

3 變壓器死區(qū)故障保護兩種方案的分析

3.1 兩種方案的保護時限

根據(jù)文獻的研究數(shù)據(jù)，新型保護裝置動作時間按20 ms考慮，斷路器開斷時間按60 ms考慮，主變差動保護和該側(cè)線路保護閉鎖信號接受時間按5 ms考慮（該過程與斷路器開斷過程同時進行），新型保護裝置根據(jù)判據(jù)判斷故障區(qū)域按30 ms考慮，解除相關(guān)保護閉鎖按5 ms考慮，主變差動保護動作按20 ms考慮，母線差動保護動作按20 ms考慮。

方案1 K3區(qū)域故障與方案2 K1區(qū)域故障切除時間=新型保護裝置動作時間+斷路器開斷時間（主變差動保護和該側(cè)線路保護閉鎖信號接受時間）+判斷故障區(qū)域時間+解除主變差動保護動作時間+主變?nèi)齻?cè)斷路器開斷時間=175 ms

當(dāng)35 kV系統(tǒng)對端沒有電源時，方案1 K5、K6或K7區(qū)域故障切除時間=新型保護裝置動作時間+斷路器開斷時間（主變差動保護和該側(cè)線路保護閉鎖信號接受時間）=80 ms

當(dāng)35 kV系統(tǒng)對端有電源時，由于故障范圍不屬于瞬時動作段，所以故障切除時間按對端保護延時計算。

對于方案2中K2區(qū)域發(fā)生故障時，本來是直接啟動110 kV母差保護的，但是方案2的邏輯是先跳開2QF，再進行故障區(qū)域判別后，才啟動110 kV母差保護。相較于正常情況下K2區(qū)域故障，方案2多了2QF斷路器跳閘時間、故障區(qū)域判別時間以及解除母差保護閉鎖時間。故方案2情況下K2區(qū)域發(fā)生故障比正常情況要晚95 ms切除，延時在100 ms以內(nèi)，屬于可以接受的范圍。

由上述分析可知，當(dāng)變壓器死區(qū)故障時，采用方案1和方案2均能夠保證故障在200 ms內(nèi)被切除，比靠后備保護切除故障快得多。

3.2 兩種方案情況下斷路器拒動

兩方案中，當(dāng)差流裝置保護范圍內(nèi)故障時應(yīng)立即跳開變壓器該側(cè)斷路器，如果此時該斷路器拒動，近變壓器側(cè)電流互感器電流值依然大于動作值，解除主變差動保護的閉鎖，從而使主變?nèi)齻?cè)跳閘，但此時故障依然存在，靠線路側(cè)的保護才把故障切除。

以方案2中2QF斷路器拒動為例分析，K2區(qū)域故障切除時間=新型保護裝置動作時間+斷路器開斷時間（主變差動保護和該側(cè)線路保護閉鎖信號接受時間）+判斷故障區(qū)域時間+解除主變差動保護動作時間+主變?nèi)齻?cè)斷路器開斷時間+解除母差保護動作時間+母線上相關(guān)斷路器開斷時間=240 ms。

所以，當(dāng)2QF拒動時，采用方案2故障能夠在240 ms被切除。對比不采用此文中的方案，當(dāng)K2區(qū)域發(fā)生故障而2QF斷路器拒動時，母差保護動作時間按20 ms考慮，斷路器開斷時間按60 ms考慮，判斷為失靈并啟動失靈保護按100 ms考慮，故障切除時間為240 ms。因此文中研究的兩種方案亦可以起到變壓器該側(cè)斷路器失靈保護的作用。

3.3 兩種方案的比較

兩種方案的實現(xiàn)原理是一樣的，只是在不同的情況下各有優(yōu)勢，兩方案的邏輯框圖如圖4所示。方案1在原有一次設(shè)備基礎(chǔ)上通過改變判斷邏輯及相應(yīng)的保護配合實現(xiàn)了死區(qū)故障的快速切除，且方案1針對部分區(qū)域還能夠讓原本后備保護動作變?yōu)樗矔r動作。但是方案1亦有局限性，對于單母線分段接線和雙母線接線方式，由于分段斷路器和母聯(lián)斷路器的存在，保護的配合較為復(fù)雜。特別是在元件非固定連接的雙母線接線方式中，差動回路不固定，也會給保護的配合帶來影響。所以，方案1適合用在該側(cè)斷路器為單母線接線情況。

圖4 新型保護裝置動作邏輯

雖然方案2的使用不受斷路器該側(cè)接線情況的影響，但方案2增加了一組電流互感器，變電站建設(shè)投資增大，所需要的場地也更多，提高了可靠性，犧牲了經(jīng)濟性。故方案2適合用在斷路器該側(cè)為雙母線接線或單母線分段接線等復(fù)雜情況。

4 結(jié)語

文中針對變電站變壓器死區(qū)故障進行分析，通過改變判斷邏輯及相應(yīng)的保護配合，提出了兩種快速切除死區(qū)故障的方案。這兩種方案較于之前的研究切除故障時間更快，同時不擴大停電范圍，其中方案1改造成本低，但適用面窄；方案2改造成本高，但適用面寬。實際應(yīng)用中兩種方案結(jié)合起來使用，可有效提高主變及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。