基于零序电流分布的自耦变压器电流保护分析

2011-07-18张连杰

通信电源技术 2011年6期

关键词：中压中性点零序

张连杰

（广东电网公司珠海供电局，广东珠海519000）

0 引言

在变电站，广泛应用三相独立、自耦降压式变压器。由于自耦变压器高、中压侧中性点必须直接接地，且有共同的接地中性点，零序电流可在高、中压侧系统之间流动。因此，自耦变压器零序保护有许多不同于普通变压器保护的特点，下面就这些特殊性进行探讨。

1 零序电流分布

当高压侧发生单相接地时，自耦变压器中零序电流的分布如图1所示，图中，IG0、IZ0、Id0分别为自耦变压器高压侧、中压侧、低压侧的零序电流，Igg0为公共绕组的零序电流，IZX为中性点的零序电流。

经分析可得［1］：

式中，IZX为流经中性点的零序电流；IG0为自耦变压器高压侧零序电流；kGZ为自耦变压器高、中压变比；XZ0为自耦变压器中压侧的零序电抗；XD0为自耦变压器低压侧的零序电抗；XN0为中压侧的系统零序电抗。

根据公式（2），当自耦变压器高压侧发生单相接地短路时，中性点零序电流的大小和方向，都将随着中压侧系统零序阻抗而变化。如果XSN0＋XZ0＞（kGZ－1）XD0，则中性点电流IZX与图中所标的方向相同；如果XSN0＋XZ0＜（kGZ－1）XD0，则中性点电流IZX与图中所标的方向相反，中性点电流的相位将改变180°。特别是，如果XSN0＋XZ0＝（kGZ－1）XD0，则不管高压侧零序电流有多大，流经中性点的零序电流都为零。

图1 自耦变压器三相零序电流分布

2 零序电流保护

根据上述分析，自耦变压器高压侧发生接地故障时，流经中性点的零序电流与中压侧系统阻抗有很大关系，不能明确地反映故障的方向和严重程度。

而根据公式（1），流经自耦变压器中压侧的零序电流的大小，尽管随中压侧系统零序阻抗的变化而变化，但其方向不变。

因此，自耦变压器零序电流保护，一般在高压侧、中压侧分别装设，并分别接入高、中压侧CT的零序回路。为了保证动作的选择性，零序电流保护一般需要具有方向性。

在实际运行中，往往存在自耦变压器“高压侧或中压侧断开运行”的情况。此时，如果自耦变压器内部发生单相接地，接在中压侧或高压侧线端CT二次回路的零序过电流保护，可能满足不了灵敏度的要求。因此，在自耦变压器中性点处CT二次侧，一般还配置零序过电流保护。

但是，根据公式（2），当自耦变压器高、中压侧同时投入运行时，中性点回路的零序过电流保护必须退出，否则，有可能不正确动作。也就是说，自耦变压器中性点回路装设的零序过电流保护，只在高压侧或中压侧断开、内部发生单相接地故障、未断开侧零序过电流保护的灵敏度不够时，才投入使用。

高压侧和中压侧的零序过电流保护通常设两段，第一段动作电流与本侧母线出线的零序过电流保护的第Ⅰ或Ⅱ段配合，动作电流由公式（3）计算［2］。

式中，IOP.0.Ⅰ为Ⅰ段零序过电流保护动作电流；Krel为可靠系数，取1.2；Kbr.Ⅰ为零序电流分支系数，其值等于出线零序过电流保护Ⅰ段保护区末端发生接地短路时，流过本保护的零序电流与流过线路的零序电流之比；IOP.0.Ⅰ/Ⅱ为线路零序过电流保护 Ⅰ 段或 Ⅱ 段动作电流。

第二段动作电流与本侧母线出线的零序过电流保护的后备段配合，动作电流由公式（4）计算。

式中，IOP.0.Ⅱ为Ⅱ段零序过电流保护动作电流；Krel为可靠系数，取1.2；Kbr.Ⅱ为零序电流分支系数，出线零序过电流保护后备段保护区末端发生接地短路时，流过本保护的零序电流与流过线路的零序电流之比；IOP.0.Ⅱ为线路零序过电流保护后备段的动作电流。

3 零序差动保护

对于由三台单相自耦变压器组成的超高压自耦变压器组，内部发生接地故障的概率远大于相间故障，普遍采用的变压器纵差保护对内部单相接地短路的灵敏度很低甚至拒动［3］。自耦变压器一般增设零序差动保护，其原理接线如图2所示。

图2 零序差动保护原理接线图

变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，可能出现数值很大的励磁涌流。对于三相变压器合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流，即三相励磁涌流不对称，且星形接线绕组中性点直接接地，因此，零序涌流一定存在。

按照图2所示零差保护的原理接线图，零差保护的电流取自自耦变压器高压侧、中压侧和公共绕组的CT，其保护范围只包含有电路连接的自耦变压器的串联绕组和公共绕组，不包含无电路连接的由铁芯磁路耦合的低压绕组。因此，不管变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，零序涌流有多大，波形多畸变，一次零序涌流各侧之和一定为0，总是穿越性电流。这样，从构成原理上来看，零差保护不受励磁涌流的影响，不必经励磁涌流判据的闭锁，也不必经过励磁判据的闭锁。

尽管如此，由于CT特性不一致和磁饱和等因素的影响，一次零序涌流经各侧CT传变后，二次零序涌流各侧之和却不为0，因此，零差保护必须考虑零序涌流的“间接影响”。例如，为避免由于CT暂态特性差异和磁饱和造成的区外三相短路故障时的“错误的差动回路零序电流”对零差保护的影响，RCS－978保护装置采用正序电流制动的闭锁判据和CT饱和判据，来保证零差保护在变压器区外故障时不误动。

自耦变压器的匝间短路有两种情况，一种是伴随有接地故障的匝间短路，由反应接地故障的保护动作；另一种是不伴随接地的纯匝间短路。此时，虽然短路回路中的电流很大，反应到绕组线端的电流变化却很小，构成零序差动保护所用的绕组各侧电流间没有电磁感应关系，零序差动保护不能反应绕组中不接地的匝间短路故障，而且根据图2，零序差动保护不能保护变压器低压绕组故障，这是零序差动保护的两个缺点。