歐陽(yáng)琦，呂璐，胡喆，王明慧

（1.國(guó)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(hù)采用差動(dòng)保護(hù)，即保護(hù)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(shí)，啟動(dòng)變壓器差動(dòng)保護(hù)出口將變壓器各側(cè)斷路器斷開(kāi)。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(shí)（即變壓器死區(qū)故障），由于差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)無(wú)法檢測(cè)到差動(dòng)電流，首先是該側(cè)斷路器母差保護(hù)或后備保護(hù)動(dòng)作將該側(cè)斷路器斷開(kāi)，此時(shí)故障還沒(méi)有被切除，電源側(cè)仍然會(huì)向故障處輸送故障電流，故障最終依靠變壓器的后備保護(hù)隔離，故障切除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，主變長(zhǎng)時(shí)間承受短路電流的沖擊，可能造成變壓器損壞[1]。對(duì)于變壓器死區(qū)范圍內(nèi)的故障，文獻(xiàn)[1]提出變壓器110 kV側(cè)的一種死區(qū)保護(hù)改進(jìn)方案，但沒(méi)有對(duì)變壓器其他電壓等級(jí)側(cè)（尤其是35 kV及以下）的死區(qū)故障進(jìn)行分析研究。文獻(xiàn)[2]利用母差保護(hù)中母聯(lián)死區(qū)故障保護(hù)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(lái)使用，但此文獻(xiàn)是基于110 kV母線帶有母差保護(hù)，能在死區(qū)故障發(fā)生時(shí)瞬時(shí)啟動(dòng)母差保護(hù)，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(shí)間依然較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[3]在斷路器各側(cè)裝設(shè)一組電流互感器，同時(shí)當(dāng)某側(cè)電壓低于正常運(yùn)行電壓時(shí)閉鎖相應(yīng)側(cè)保護(hù)，不同時(shí)限斷開(kāi)相關(guān)斷路器隔離死區(qū)故障，但是此方案需要檢測(cè)斷路器兩側(cè)的電壓是否恢復(fù)正常，對(duì)于單電源供電的斷路器此法并不適用。文中增加一個(gè)差流裝置，通過(guò)電流互感器與相應(yīng)斷路器的配合快速識(shí)別故障區(qū)域，并在識(shí)別不同區(qū)域后啟動(dòng)相應(yīng)區(qū)域的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了快速切除故障的同時(shí)又不擴(kuò)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(fù)荷側(cè)，保護(hù)裝置型號(hào)為許繼WBH-801A，該系統(tǒng)中變壓器主保護(hù)為差動(dòng)保護(hù)，由TA1、TA2、TA3構(gòu)成的閉合區(qū)域組成差動(dòng)回路。當(dāng)110 kV側(cè)K1區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，由于故障點(diǎn)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(dòng)回路內(nèi)，本應(yīng)由變壓器差動(dòng)保護(hù)跳開(kāi)三側(cè)開(kāi)關(guān)，但卻是110 kV母線差動(dòng)保護(hù)先動(dòng)作，跳開(kāi)母線I上所有斷路器。此時(shí)故障依舊存在，220 kV電源側(cè)向故障點(diǎn)繼續(xù)輸送短路電流，最終故障由變壓器中壓側(cè)零序過(guò)流保護(hù)（針對(duì)接地故障）或相間過(guò)流保護(hù)（針對(duì)相間故障）經(jīng)過(guò)4.5 s延時(shí)動(dòng)作跳開(kāi)主變?nèi)齻?cè)開(kāi)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(shí)間才能夠?qū)⒐收细綦x，故障切除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)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(jí)時(shí)，由于此時(shí)母線都配有母差保護(hù)，所以首先是該側(cè)的母差保護(hù)動(dòng)作瞬時(shí)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(hù)切除電源側(cè)斷路器，與上述的說(shuō)明類(lèi)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(jí)時(shí)，首先由該側(cè)的后備保護(hù)切除該側(cè)斷路器，一般動(dòng)作時(shí)間為0.3 s～1.1 s，然后由變壓器電源側(cè)后備保護(hù)切除故障，故障切除時(shí)間更長(zhǎng)[5-6]。

2 變壓器死區(qū)故障的方案設(shè)計(jì)

要想實(shí)現(xiàn)變壓器死區(qū)故障的快速切除，就必須在最短時(shí)間內(nèi)識(shí)別故障是發(fā)生在死區(qū)范圍內(nèi)，然后直接啟動(dòng)保護(hù)出口跳開(kāi)變壓器三側(cè)開(kāi)關(guān)。因此，最關(guān)鍵的問(wèn)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(jì)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(gè)差流回路，當(dāng)差流回路保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，差流裝置檢測(cè)到差流，立即出口跳開(kāi)變壓器該側(cè)斷路器，同時(shí)向變壓器差動(dòng)保護(hù)和該側(cè)母差保護(hù)或后備保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)。然后由新型保護(hù)裝置通過(guò)變壓器該側(cè)電流互感器是否有電流來(lái)選擇解除或繼續(xù)閉鎖相關(guān)的保護(hù)，就能將故障快速切除并且不擴(kuò)大停電范圍。

以35 kV側(cè)死區(qū)故障保護(hù)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(hào)送到差流裝置中，當(dāng)K3區(qū)域故障時(shí)，差流裝置檢測(cè)到差動(dòng)電流大于啟動(dòng)值，立即出口跳開(kāi)3QF斷路器，同時(shí)向主變差動(dòng)保護(hù)該側(cè)線后備保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)；ITA3＞Iset再由新型保護(hù)裝置檢測(cè)到ITA3＞Iset，此時(shí)解除主變差動(dòng)保護(hù)閉鎖信號(hào)，變壓器三側(cè)斷路器跳開(kāi)將故障隔離開(kāi)來(lái)。當(dāng)K5、K6或K7區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，瞬時(shí)跳開(kāi)3QF后，不滿足ITA3＞Iset，此時(shí)解除該側(cè)線路側(cè)保護(hù)閉鎖信號(hào)，如果L1和L2的對(duì)端為受電端，那么故障就已經(jīng)被切除了；如果L1或L2的對(duì)端也存在電源，那么由35 kV的線路保護(hù)切除對(duì)端的斷路器，就能把故障切除。其中，Iset為躲過(guò)最大負(fù)荷電流的整定值。

圖2 變壓器死區(qū)故障保護(hù)方案1示意圖

此方案不僅能實(shí)現(xiàn)變壓器死區(qū)K3故障的快速切除，且針對(duì)K5、K6、K7處的故障也能通過(guò)差流裝置判定保護(hù)出口瞬時(shí)斷開(kāi)3QF開(kāi)關(guān)，使得本應(yīng)是變壓器35 kV側(cè)后備保護(hù)延時(shí)切除故障變?yōu)樗矔r(shí)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(hào)送到差流裝置中，當(dāng)差流回路內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，差動(dòng)電流大于動(dòng)作值立即啟動(dòng)出口跳開(kāi)變壓器該側(cè)斷路器，同時(shí)向變壓器差動(dòng)保護(hù)和該側(cè)母差保護(hù)或后備保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)，然后比較兩側(cè)電流互感器的電流值來(lái)解除相應(yīng)的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，差流裝置能檢測(cè)到差動(dòng)電流，此時(shí)立即跳開(kāi)2QF斷路器，同時(shí)向變壓器差動(dòng)保護(hù)和110 kV母線差動(dòng)保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)，若此時(shí)滿足式ITA2＞Iset則可以判定是K1區(qū)域發(fā)生故障，新型保護(hù)裝置向主變差動(dòng)保護(hù)發(fā)送解除閉鎖信號(hào)，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(hù)裝置向母線差動(dòng)保護(hù)發(fā)送解除閉鎖信號(hào)，故障切除。其中，Iset為躲過(guò)最大負(fù)荷電流的整定值。

圖3 變壓器死區(qū)故障保護(hù)方案2示意圖

3 變壓器死區(qū)故障保護(hù)兩種方案的分析

3.1 兩種方案的保護(hù)時(shí)限

根據(jù)文獻(xiàn)的研究數(shù)據(jù)，新型保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間按20 ms考慮，斷路器開(kāi)斷時(shí)間按60 ms考慮，主變差動(dòng)保護(hù)和該側(cè)線路保護(hù)閉鎖信號(hào)接受時(shí)間按5 ms考慮（該過(guò)程與斷路器開(kāi)斷過(guò)程同時(shí)進(jìn)行），新型保護(hù)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(hù)閉鎖按5 ms考慮，主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作按20 ms考慮，母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)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(shí)間=新型保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間+斷路器開(kāi)斷時(shí)間（主變差動(dòng)保護(hù)和該側(cè)線路保護(hù)閉鎖信號(hào)接受時(shí)間）+判斷故障區(qū)域時(shí)間+解除主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間+主變?nèi)齻?cè)斷路器開(kāi)斷時(shí)間=175 ms

當(dāng)35 kV系統(tǒng)對(duì)端沒(méi)有電源時(shí)，方案1 K5、K6或K7區(qū)域故障切除時(shí)間=新型保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間+斷路器開(kāi)斷時(shí)間（主變差動(dòng)保護(hù)和該側(cè)線路保護(hù)閉鎖信號(hào)接受時(shí)間）=80 ms

當(dāng)35 kV系統(tǒng)對(duì)端有電源時(shí)，由于故障范圍不屬于瞬時(shí)動(dòng)作段，所以故障切除時(shí)間按對(duì)端保護(hù)延時(shí)計(jì)算。

對(duì)于方案2中K2區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，本來(lái)是直接啟動(dòng)110 kV母差保護(hù)的，但是方案2的邏輯是先跳開(kāi)2QF，再進(jìn)行故障區(qū)域判別后，才啟動(dòng)110 kV母差保護(hù)。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(shí)間、故障區(qū)域判別時(shí)間以及解除母差保護(hù)閉鎖時(shí)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(shí)在100 ms以?xún)?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(shí)，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(hù)切除故障快得多。

3.2 兩種方案情況下斷路器拒動(dòng)

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

以方案2中2QF斷路器拒動(dòng)為例分析，K2區(qū)域故障切除時(shí)間=新型保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間+斷路器開(kāi)斷時(shí)間（主變差動(dòng)保護(hù)和該側(cè)線路保護(hù)閉鎖信號(hào)接受時(shí)間）+判斷故障區(qū)域時(shí)間+解除主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間+主變?nèi)齻?cè)斷路器開(kāi)斷時(shí)間+解除母差保護(hù)動(dòng)作時(shí)間+母線上相關(guān)斷路器開(kāi)斷時(shí)間=240 ms。

所以，當(dāng)2QF拒動(dòng)時(shí)，采用方案2故障能夠在240 ms被切除。對(duì)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(dòng)時(shí)，母差保護(hù)動(dòng)作時(shí)間按20 ms考慮，斷路器開(kāi)斷時(shí)間按60 ms考慮，判斷為失靈并啟動(dòng)失靈保護(hù)按100 ms考慮，故障切除時(shí)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(hù)的作用。

3.3 兩種方案的比較

兩種方案的實(shí)現(xiàn)原理是一樣的，只是在不同的情況下各有優(yōu)勢(shì)，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(guò)改變判斷邏輯及相應(yīng)的保護(hù)配合實(shí)現(xiàn)了死區(qū)故障的快速切除，且方案1針對(duì)部分區(qū)域還能夠讓原本后備保護(hù)動(dòng)作變?yōu)樗矔r(shí)動(dòng)作。但是方案1亦有局限性，對(duì)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(hù)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(dòng)回路不固定，也會(huì)給保護(hù)的配合帶來(lái)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(hù)裝置動(dòng)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(chǎng)地也更多，提高了可靠性，犧牲了經(jīng)濟(jì)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(yǔ)

文中針對(duì)變電站變壓器死區(qū)故障進(jìn)行分析，通過(guò)改變判斷邏輯及相應(yīng)的保護(hù)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(shí)間更快，同時(shí)不擴(kuò)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(shí)際應(yīng)用中兩種方案結(jié)合起來(lái)使用，可有效提高主變及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。