发-变组阻抗保护研究

张小易，范立新

（1.江苏省电力试验研究院有限公司，江苏南京210036；2.江苏省方天电力技术有限公司，江苏南京211102）

发-变组相间短路故障后备保护常用的有[1]：电压制动过流保护、复合电压过流保护、带记忆功能的低电压过流保护模块等，当采用上述模块而保护灵敏度不满足要求时，自然会想到使用阻抗保护作为发-变组相间短路的后备保护。因为阻抗保护的特点是物理概念清晰，保护动作边界准确，受设备负荷水平影响较小，又有大量运用于高压线路保护中的运行经验，但是阻抗保护不是一种完备的发-变组相间短路后备保护方案。首先介绍发-变组阻抗保护的一般原理，然后结合主变压器（简称主变）高、低压侧外部故障及绕组内部故障时阻抗继电器的动作特性来说明阻抗保护作为发-变组相间短路故障后备保护，其保护功能不完善，不推荐使用其作为发-变组相间短路故障后备保护。

1 发-变组低阻抗保护原理

发-变组阻抗保护一般装设在发电机机端，利用发电机机端电压、电流按照一定的阻抗原理计算出测量阻抗，大多数阻抗继电器测量原理采用线电压、线电流0度接线方式。即：

发-变组阻抗保护阻抗图形通常为一个偏移特性圆（或椭圆），正方向指向变压器，特性角典型值为85o，如图1所示。当机端测量阻抗进入阻抗圆，并且无闭锁信号则经一定的延时动作于跳闸。

图1 发-变组低阻抗保护特性圆

发-变组低阻抗保护的保护范围一般延伸至相邻线路距离I段范围末端 （但不宜超出距离I段范围），并对相邻高压母线相间短路具有必要的灵敏度，兼做高压母线相间短路后备保护。

2 主变外部故障时发-变组阻抗保护动作特性

2.1 发-变组接线

发-变组接线示意图如图2所示，主变为Yn，d-11点接线方式，阻抗保护安装在发电机机端，阻抗保护对于相间短路采用的测量方法为采用线电压、线电流0度接线方式。

图2 发-变组接线

2.2 高压侧（T侧）BC相发生短路时且不考虑变压器转角时测量阻抗分析

当高压侧BC相发生短路时，若不考虑变压器转角，并且距离采用线电压、线电流0度接线方式。低阻抗保护机端测量阻抗分析如下。

主变高压侧发生相间短路时复合序网如图3所示，根据对称分量法，故障点各序分量如下：

图3 高压侧BC相间短路复合序网

考虑到Yn，d-11点接线方式，保护安装处的各序分量如下：

保护安装处电压电流计算如下：

式中：zΣ为故障端口阻抗，zΣ=zΣ1=zΣ2=Xd''+XT；XT为变压器短路阻抗，XT=XT1≈XT2；Xd''为发电机次暂态电抗。

由式（1）可以看出，此时测量阻抗的模值将显著增加，而相角也会明显偏向横轴，所以此时阻抗元件很可能拒动。

2.3 高压侧（T侧）BC相发生短路时考虑变压器转角时测量阻抗分析

当高压侧BC相发生短路时，若阻抗保护通过参数设置考虑变压器Yn，d-11转角。阻抗保护机端测量阻抗如下：

该情况下，阻抗元件可以正确反映高压侧相间故障。

2.4 低压侧BC相发生短路时且不考虑变压器转角

当低压侧BC相发生短路时，若不考虑变压器转角，并且距离采用线电压、线电流0度接线方式。阻抗保护机端测量阻抗如下：

式中：zΣ'为故障端口阻抗，zΣ'=zΣ1'=zΣ2'=Xd''+XT；XT1'，XT2'为保护安装处到低压侧故障点的正、负序等效阻抗，XT1'≈XT2'。

该情况下阻抗元件可以准确测量故障距离。

2.5 低压侧BC相发生短路时且考虑变压器转角

当低压侧BC相发生短路时，若考虑变压器转角，阻抗保护机端测量阻抗如下：

该情况下，阻抗元件不能正确反映故障距离，此时测量阻抗的模值将显著增加，而相角也会明显偏向横轴，所以此时阻抗元件很有可能拒动。

通过上述分析可知，当主变发生外部故障时，不论阻抗保护元件算法中有没有考虑变压器接线转角，都无法兼顾变压器高、低压两侧的相间故障。

3 变压器内部故障

变压器发生绕组内部相间故障时，被短接的是绕组的部分电动势而不是整个绕组的电动势，这种情况和线路发生短路故障时全部电动势被短接不同。变压器绕组内部相间故障时测量阻抗的计算分析比较复杂，当故障位置接近变压器出线端时，测量阻抗很小，当故障位置靠近中性点时，测量阻抗趋向无穷大，因为阻抗测量至不仅和变压器内部短路的类型、短路点位置有关，还和两侧的系统电源容量和结构有很大的关系。以清华大学动模试验的一个例子加以说明[2]。

如图4所示动模试验系统接线图和数据，变压器T1的两侧各自安装了一组偏移阻抗继电器，在T1的Y型绕组50%处发生两相同点接地故障。

图4 动模试验系统接线

通过表1可以看出，阻抗继电器的测量结果并不是50%Y型绕组短路阻抗，而是明显大于该值，并且测量阻抗和两侧系统电源有很大的关系，阻抗保护不能可靠动作。

表1 继电器的测量值

文献[3]进一步的动模试验也表明当变压器绕组内部发生短路时，装在变压器引出端的阻抗继电器视在阻抗不小于变压器的两绕组间的短路阻抗，且在某些内部短路条件下，视在阻抗可大于负荷阻抗，所以说阻抗继电器不能用来构成发-变组短路的后备保护。其根本原因是变压器（或发电机）绕组短路时，虽然被短路绕组部分电流很大，但变压器（或发电机）引出端的三相电流可能不大，三相电压可能不低。

4 结束语

阻抗保护安装在发-电机机端作为发-变组相间故障后备保护时，当变压器高、低压侧端子发生故障，由于高低压侧绕组间转角的存在，阻抗保护不能正确测量阻抗值。当变压器发生内部故障时，阻抗保护的测量值与短路点在绕组中的位置及两侧系统电源的影响有关，其测量阻抗通常大于变压器的短路阻抗，从而使阻抗保护不能可靠动作，而此时变压器短路绕组部分已流过了很大电流，对设备的安全可能会产生了很大的危害。阻抗保护应在电压互感器二次侧断线和系统振荡条件下不误动，必要时增设相应的附加技术措施，实际运行中多次出现因电压互感器（TV）二次侧断线造成阻抗保护误动的问题。综合分析，发-变组阻抗保护作为发-变组相间故障的后备保护时其保护原理不完善，所以不推荐使用阻抗保护作为发变组相间故障的后备保护。

[1]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2002.

[3]王维俭，桂 林，唐起超.主设备后备阻抗保护反映绕组短路的灵敏度分析[J].电力自动化设备，2003，23（9）：1-4.