变压器保护用电流互感器饱和仿真与选型

谌争鸣 王冠南 谌鸿

摘要：本文对一起因220kV线路重合于永久性故障而引起主变差流速断保护动作的原因进行了分析。故障录波图显示的重合闸时的故障电流波形发生了畸变，它是由于用于变压器差动保护的电流互感器TA饱和所致，从而使得变压器保护产生差流且达到差流速断保护定值而误动。为了合理选择用于变压器差动保护电流互感器TA参数，搭建了RTDS仿真模型，进行仿真计算。首先对所用的电流互感器TA进行仿真计算，所得出的仿真波形与故障录波器所录波形基本吻合，表明仿真计算是可行的；然后，对电流互感器TA采用不同参数进行仿真计算，从而提出了TA参数选择的要求。

关键词：变压器；TA饱和；仿真；选型

中图分类号：TM771文献标志码：A

0 引言

变压器在电力系统中起着重要的作用，差动保护作为其主保护，保证了变压器的安全可靠运行。为了避免变压器励磁涌流影响，差动保护配置了励磁涌流闭锁元件，这样在变压器内部发生严重故障时，由于电流互感器饱和，出现二次谐波电流和发生波形畸变，差动保护被闭锁而不能可靠动作。为此，配置了主变差流速断保护，作为差动保护的一个辅助保护，当变压器内部发生严重故障时能快速动作切除故障。为确保主变差流速断保护可靠动作，对其误动进行分析，并提出防范措施，显得非常必要。

1 变压器保护动作原因分析

1.1故障与保护动作情况

220kV XS线211断路器、MS线212断路器经内桥231断路器环网向#1、#2主变送电；#1主变带110kVI段及10kVI段负荷，#2主变带110kVII段及10kVII段负荷，10kV分段931断路器处热备用，#1、#2主变220kV及110kV侧均处并列运行状态，如图1所示。

距某220kV变电站1.6km处，由于施工场地塔吊臂触碰220kV XS线A相导线， 导致XS线A相发生永久性金属接地故障，双套线路保护A相跳闸出口，跳开211断路器A相；而后重合闸动作，重合于永久性故障上，双套线路保护三相跳闸出口，跳开211断路器三相；同时，#1主变双套差流速断保护动作，跳211、231断路器三相，导致#1主变停运。

图1 主接线图

1.2保护动作原因分析

变压器A、B套保护高压侧电流为211、231电流互感器电流合成。

220kV XS线初次故障时，211电流互感器#1变压器保护用绕组电流波形未发生畸变，变压器保护未动作。图2（a）、3（a）分别为变压器A、B套保护故障录波图。

（a） 初次故障

（b）重合于故障

图2 XS线故障时变压器A套保护故障录波图

（a） 初次故障

（b）重合于故障

图3 XS线故障时变压器B套保护故障录波图

220kV XS线重合于故障时，211电流互感器#1变压器保护用绕组电流波形发生畸变，差流峰值达43.6A，变压器A、B套保护感受的差流分别为12.114A、13.81A，已超过了变压器差流速断定值11.75A，从而导致重合于故障时#1主变差流速断动作，跳开211、231、101和901断路器三相。图2（b）、3（b）分别为变压器A、B套保护故障录波图。由于差流中二次谐波分量已达35%，超过涌流闭锁定值18%，所以比例差动保护未动作。

1.3 TA饱和分析

在短路引起的暂态过程中，短路电流中的非周期分量中含有大量的直流分量，直流分量不会转变到二次，但会改变铁芯的工况，使铁芯高度饱和，进而使二次短路电流波形发生偏移而产生畸变。若系统有重合闸，第一次短路开断后在铁芯中产生的衰减剩磁，将在重合故障时对铁芯中的磁通带来进一步影响，严重时剩磁极性与重合时短路电流暂态分量引起的磁通极性一致时，铁芯磁通饱和程度加重，二次电流波形畸变也随之加大。剩磁一旦产生，在正常的工况下不易消除。#1主变保护高压侧211电流互感器采用准确级为5P15、变比为800/5的绕组，饱和电压实测值为147.14V；231电流互感器采用准确级为5P30、变比为800/5的绕组，饱和电压实测值为156.06V。它们均为P类电流互感器，对剩磁无限制。211电流互感器准确限制系数较低，受故障非周期分量和剩磁影响而发生暂态饱和，导致211电流互感器二次侧电流波形发生畸变。下面将就211电流互感器受故障非周期分量和剩磁影响情况，进行仿真计算。

2 TA饱和仿真计算及选型

2.1仿真模型参数

采用RTDS进行TA饱和仿真。与220kV变电站所连系统视为无穷大系统；线路、变压器采用实际参数；中、低压侧负荷为故障时的实际负荷；电流互感器特性采用试验所得的伏安曲线。

2.2仿真结果

（1）211电流互感器采用5P15、800/5绕组的数字仿真验证。设置重合时故障角为0°，故障电流非周期分量为最大值，剩磁系数为0.4。当220kV XS线重合于永久性故障时的仿真波形如图4。仿真波形与实际波形基本吻合，验证了仿真模型的准确性。

图4 XS线重合于故障时，211 TA二次仿真波形（5P15、800/5绕组）

（2）211电流互感器采用5P20、1600/5绕组的数字仿真验证。设置重合时故障角为0°，故障电流非周期分量为最大值，剩磁系数为0.4。设置重合时故障角为0°，故障电流非周期分量为最大值，剩磁系数为0.4。当220kV XS线重合于永久性故障时的仿真波形如图5。从图5可看出，211 TA 5P20、1600/5绕组比5P15、800/5绕组二次电流畸变程度要轻，说明TA额定电流大和准确限制系数大，抗饱和能力要强。

图5 XS线重合于故障时，211 TA二次仿真波形（5P20、1600/5绕组）

（3）211和231电流互感器均采用5P30、1600/5绕组的数字仿真。图6为 220kV母线单相永久性故障，初次故障时，211 TA与231 TA合成电流仿真波形。说明初次故障时，211和231电流互感器合成电流无畸变。图7为 220kV母线单相永久性故障，重合于故障时（故障角为0°，故障电流非周期分量为最大值，剩磁系数分别为0.4、0.2），211 TA与231 TA合成电流仿真波形。说明重合于故障时，211 TA与231 TA合成电流产生严重的畸变。经数字仿真，变压器保护若采用211 TA与231 TA 5P30、1600/5绕组，在重合于永久性故障时，其合成电流仍将发生严重畸变。

图6 初次故障时，211 TA与231 TA合成电流仿真波形

图7 重合于故障时，211 TA与231 TA合成电流仿真波形

（4）现有的211和231电流互感器无论采用5P15、800/5绕组和5P20、1600/5绕组，还是采用5P30、1600/5绕组均不能满足要求，因此，应更换现有的211和231电流互感器。

2.3 TA选型

根据江西电网中期参数，计算出该220kV变电站220kVXS线出口故障短路电流为21.57kA。依据《DL/T 866-2004电流互感器及电压互感器选择及计算导则》和仿真结果，考虑非周期分量和剩磁影响，211和231电流互感器更换时，其准确限制系数选择为短路电流稳态值与电流互感器额定值之比的3-4倍为宜，即暂态系数为3-4。因此，#1主变保护高压侧211和231电流互感器可选用具有5P30、变比不小于2500/5的电流互感器；根据211和231电流互感器二次回路阻抗实测值（分别为1.741Ω、0.8967Ω），211电流互感器额定容量应不小于50VA；231电流互感器额定容量应不小于25VA。

3 结语

211电流互感器准确限制系数较低，受故障非周期分量和剩磁影响而发生暂态饱和，导致电流互感器二次侧电流波形发生畸变，造成#1主变差流速断保护在重合于永久性故障时发生误动。通过数字仿真，验证了211电流互感器和231电流互感器均采用准确级为5P30、1600/5绕组，在重合于永久性故障时，其合成电流仍将发生严重畸变，应更换现有的211 和231电流互感器。对于内桥接线和线变接线的变压器保护用电流互感器，考虑到线路重合于永久性故障受剩磁影响而暂态饱和，其暂态系数选择3-4为宜。

参考文献

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