110 kV变压器可靠运行方式的选择及对系统继保的影响

杨元领，于　群，杨亚丽，袁钦鹏，刘　源，马　懿

(1.山东科技大学 电气与自动化工程学院, 山东 青岛 266590； 2.滨州供电公司，山东 滨州 256602)



·电网设备·

110 kV变压器可靠运行方式的选择及对系统继保的影响

杨元领1，于群1，杨亚丽1，袁钦鹏2，刘源2，马懿2

(1.山东科技大学 电气与自动化工程学院, 山东 青岛 266590； 2.滨州供电公司，山东 滨州 256602)

为选择变压器发生故障时的合理运行方式，减小对变压器的损害，利用matlab软件搭建变压器运行仿真模型，通过改变断路器的开闭状态，对预想存在的运行方式进行仿真，以选择变压器的可靠运行方式。通过在不同地点设置两相短路故障，主变高压侧采用并列运行方式，低压侧分别采用并列运行和分列运行的运行方式，对变压器进线电流Ⅱ段保护和过流保护作为远后备保护进行仿真，分别研究变压器低压侧在并列运行和分列运行方式下对系统继保的影响，给出选择变压器可靠运行方式应遵循的原则。

110 kV变压器；运行方式；安全可靠；matlab建模仿真

Qingdao 266590,China; 2.Binzhou Power Supply Company,Binzhou 256602,China)

电能从发电厂发出后经过多种电压等级的变电站和输电线路输送给用户[1]。变压器作为发电厂和变电站中的主要电力设备，在输配电环节具有不可替代的作用。110 kV变压器有多种运行方式，在变压器故障情况下，不合理的运行方式会使继保装置误动作或拒动作，对变压器造成巨大损害，而且对整个电力系统的安全运行和供电可靠性也会造成较大影响。因此选择变压器的可靠运行方式，确保变压器安全稳定运行，具有重大意义[2]。本文利用matlab软件仿真研究变压器各种运行方式对系统继保的影响，以选择变压器的可靠运行方式，确保变压器安全稳定运行。

1　变压器运行方式

一般情况下，110 kV变电站中均装设多台主变压器，110 kV电源侧采用单母线分段或双母线的接线方式[3]。为保证重要用户可靠灵活供电，在低压负荷侧采用单母线分段供电方式。山东某地区110 kV降压变电站中2台主变压器运行方式如图1所示，其高压侧为110 kV，低压侧为10 kV，电源侧和负荷侧的接线方式均采用单母线分段接线的方式。

表1 主变压器参数

表2　系统参数

图1　山东某地区2台110 kV降压主变压器运行示意图

Fig.1Schematic diagram of two 110 kV reduction voltage main transformer in a Shandong area

按变压器以下5种运行方式进行理论分析与仿真研究。

方式1：主变压器110 kV侧并列运行，10 kV侧并列运行。101DL、103DL、201DL、202DL、301DL、302DL、303DL开关均闭合运行，低压侧Ⅰ、Ⅱ段母线上的负荷由1号和2号主变压器同时供电，变压器110 kV侧两路进线为一用一备。

方式2：主变压器110 kV侧并列运行，10 kV侧分列运行。101DL、103DL、201DL、202DL、301DL、302DL开关均闭合运行，303DL处于备用状态，低压侧Ⅰ、Ⅱ段母线上的负荷分别由1号和2号主变压器供电，利用303DL的备自投功能，提高低压侧母线段供电可靠性。

方式3：主变压器110 kV侧分列运行，10 kV侧并列运行。101DL、102DL、201DL、202DL、301DL、302DL、303DL开关均闭合运行，103DL保持备用状态，低压侧Ⅰ、Ⅱ段母线上的负荷由1号和2号主变压器同时供电。

方式4：主变压器110 kV侧分列运行，10 kV侧分列运行。101DL、102DL、201DL、202DL、301DL、302DL开关均闭合运行，1号和2号变压器分别对低压侧 Ⅰ、Ⅱ段母线负荷供电。在这种运行方式下，必须将两条进行同时投入使用，相当于线路变压器组运行方式。

方式5：1号主变压器运行，2号主变压器处于备用状态。101DL、201DL、301DL、303DL开关均闭合运行，1号主变压器投入运行，2号主变压器处于备用状态。

2　110 kV变电站仿真建模

变电站中2台主变压器的参数如表1所示，110 kV进线来自上级220 kV变电站，2条进线为一用一备，其系统参数如表2所示。本文中提到的阻抗值均以100MVA为基准容量下的标幺值。

搭建的变压器运行仿真模型如图2所示。通过改变断路器的开闭状态，可以依次仿真变压器的5种运行方式。

图2变压器运行仿真模型

Fig.2Transformer operation simulation model

3　变压器在不同运行方式下对低压侧母线处故障的仿真研究

变压器在运行方式1下低压侧母线处发生三相短路故障，其等效电路如图3所示，其他4种运行方式的故障等效电路图依此类推。

图3　在方式1下低压侧母线处三相短路故障等效阻抗图

方式1下10 kV母线处三相短路电流为

在图2的仿真模型中，将001DL、101DL、103DL、201DL、202DL、301DL、302DL、303DL设置为闭合状态，将三相短路故障模块设置在10 kV母线处，就可以得到方式1下10 kV母线处的故障电流。与方式1的设置类似，通过改变断路器的开闭状态，可以得到在另外4种运行方式下10 kV母线处的故障电流。将matlab仿真值与理论计算的三相短路电流值进行对比，其结果如表3所示。 5种运行方式下流过10 kV母线处的最大三相短路电流波形如图4所示。

表3　5种运行方式下10 kV母线处最大三相短路电流 仿真值与计算值对比表

图4　5种方式下10 kV母线处三相短路电流波形

Fig.410 kV bus maximum three-phase short-circuit current waveform with 5 mode

从表3可以看出，由于充分考虑了系统内各设备元件的电阻、电感、电容等参数，因此利用matlab模型能得到的仿真值与手工计算值误差在3%之内，进而能准确反映10 kV母线处最大三相短路电流值。

从图4可以看出，主变10 kV母线处发生三相短路故障时，在方式3下流过的故障电流值最大，方式1下流过的故障电流较大，方式2、4、5下流过的故障电流相同。

在运行方式1下，由于并列运行，其供电可靠性高，能保证负荷不间断供电；在方式2下，故障短路电流小，低压侧备自投装置能提高供电可靠性；在方式3下，短路电流过大，对电力设备的冲击最大，对各保护装置的性能要求较高；在方式4下，必须同时将2条主变高压侧的进线投入使用，但使主变缺失了备用进线；在方式5下，变压器损耗虽然降低，但不能可靠供电，存在过负荷运行的风险[4]。

在变压器这5种式运行下，只有在运行方式1与方式2下，变压器的供电可靠性较高，所以可作为变压器主要的运行方式。

4　变压器运行方式1与方式2对系统继保的影响

4.1对10 kV侧线路远后备保护的影响

变压器后备保护一方面是主保护的后备保护，另一方面又可作为线路出线的远后备保护。本变电站为110 kV降压变电站，采用过电流保护作为变压器后备保护的其中一种，按躲过变压器最大负荷电流整定[5]。考虑10 kV侧电动机自起动的影响，保护装置的动作电流可按下式整定:

式中：Krel为可靠系数，取1.2～1.3；Kre为返回系数，取0.85；Kss为自起动系数，对6～10 kV系统，一般取1.5～2.5。

以图1变电站为例，按照10 kV出线架空线供电距离为1 km计算(10 kV线路阻抗值设为0.451 Ω/km)，研究方式1与方式2下负荷侧出线末端发生两相短路故障时，线路远后备保护的动作情况。

10 kV架空线末端发生两相短路故障时，由于并联分流的原因，在方式2下，通过保护处的短路电流为架空线路上短路电流的一半。2种运行方式下变压器过流保护作为负荷侧出线远后备保护整定定值及灵敏度如表4所示。

表4 变压器低压侧出线远后备保护定值及灵敏度校验结果

Table 4　Low voltage side of Transformer Outlet remote backup protection setting and sensitivity check results

设置10 kV线路末端发生两相短路故障，用matlab搭建的保护模型在2种不同方式下分别运行，查看通过变压器低压侧过流保护的短路电流有效值与保护装置的动作情况。在仿真模型中：“1”代表断路器的闭合状态，“0”代表断路器断开状态；Iact3为变压器低压侧过流保护整定值，Ia为10 kV线路末端发生两相短路故障时通过变压器低压侧过流保护的电流有效值，设定变压器低压侧过流保护的整定延时为0.5 s；故障时间设置为0.2～1.0 s。方式1下10 kV线路末端发生两相短路故障时，流过变压器低压侧过流保护的电流有效值及保护动作情况如图5所示。

图5　方式1下10 kV线路末端两相短路电流值及 301DL动作情况

Fig.5Mode 110 kV line terminal two-phase short circuit current value and 301DL action

从图5可以看出：在方式1下，10 kV线路末端发生两相短路故障时，变压器低压侧过流保护不动作，不能满足作为出线远后备保护的要求。

在方式2下，10 kV线路末端发生两相短路故障时，流过变压器低压侧过流保护的短路电流有效值及保护动作情况如图6所示。

图6　方式2下10 kV线路末端两相短路电流值及 301DL动作情况

从图6可以看出，在方式2下，10 kV线路末端发生两相短路故障时，变压器低压侧过流保护经延时后可靠动作。

4.2对变压器进线电流Ⅱ段保护的仿真研究

变压器在不同方式下运行，对上级线路的电流保护性能也有一定的影响。将进线101DL的电流保护分为三段设置：第Ⅰ段保护动作电流需大于线路末端出现的最大电流，瞬时动作，无时间延迟；第Ⅱ段按躲过变压器低压侧母线故障整定，与变压器主保护配合，动作延时0.5 s；第Ⅲ段动作电流大于线路上出现的最大负荷电流，动作延时1.5 s[6]。对电流Ⅱ段保护的要求是能够保护线路的全部长度，在较短时间内切除全线路任何一处的相间故障。变压器在方式1与方式2的运行方式下，理论计算进线电流Ⅱ段保护定值与校验灵敏度如表5所示。

表5　变压器进线101DL电流Ⅱ段保护定值与灵敏度

用matlab搭建的保护模型在2种不同方式下分别运行，进线末端发生两相相短路时通过101DL的短路电流有效值与保护的动作情况分别如图7、8所示。Iact2为101DL电流Ⅱ段保护定值，Ia为变压器进线末端发生两相短路时通过101DL的短路电流有效值，短路故障时间设置为0.2～1.0 s。

图7　方式1下电源进线末端两相短路故障电流值及 101DL动作情况

Fig.7Mode 1 Power supply incoming line terminal two-phase short circuit fault current valueand 101DL action

图8　方式2下电源进线末端两相短路故障电流值 及101DL动作情况

Fig.8Mode 2 Power supply incoming line terminal two-phase short circuit fault current value and 101DL action

从图7、8可以看出，在方式1下，电源进线末端发生两相短路时101DL电流Ⅱ段不能动作，在经过1.5 s后电流Ⅲ段保护启动，101DL动作将故障切除。变压器并列运行会使变压器进线的电流Ⅱ段保护不能可靠动作，灵敏度降低，不能保护线路的全长，故障持续时间长。在方式2下电源进线末端发生两相短路时101DL电流Ⅱ段能够可靠动作，延时0.5 s切除短路故障电流，保护性能较高。

总之，变压器的运行方式影响系统的继保性能，在并列运行方式下，变压器进线电流Ⅱ段保护和低压侧出线的远后备保护的灵敏度不能达到继保规程的要求，在部分故障情况下不能可靠动作。

5　结　语

方式1与方式2各有优缺点，具体选择哪种运行方式，应该按照本地区实际情况，根据侧重点的不同进行选择。在选择变压器的运行方式时，应遵循以下原则：

1) 要确保变压器负荷侧出线断路器能够正常断开线路最大短路电流，若断路器不能正常断开线路最大短路电流，则变压器需分列运行，以限制短路电流。

2) 若负荷侧没有安装自投装置，在短路电流不超标的情况下，为保证负荷不间断供电，应采用变压器并列运行的方式。

3) 对一般变电站来说，要保证变电站运行的安全性，分列运行方式能提高保护装置性能。若单台变压器能满足单段母线负荷供电容量，建议采用负荷侧分列运行方式。

4) 若要改变变压器的运行方式，变压器各侧的保护定值也要重新整定计算。

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(责任编辑侯世春)

Selection of reliable operation mode of 110 kV transformer andinfluence on relay protection

YANG Yuanling1， YU Qun1， YANG Yali1， YUAN Qinpeng2， LIU Yuan2， MA Yi2

(1.College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Tecnology,

In order to select the reasonable operation mode which can greatly reduce the damage to the transformer when failures occur, this paper established the transformer operation simulation model through matlab, simulated the possible operation modes by changing the opening and closing state of the circuit breaker, so as to select the reliable operation modes of the transformer. By setting two phase short circuit fault in different locations, main transformer high voltage side uses the parallel operation mode, low voltage side separately using he parallel operation mode and the splitting operation mode, to simulate transformer line current II period of protection and over-current protection as far distance protection, and to research on the influence of the low voltage side of transformer under the two kinds of operation modes of system operation on system relay protection, so as to give the principle of selecting reliable operation mode for transformers.

110 kV transformer; operation mode; safe and reliable; matlab modeling and simulation

2015-11-25;

2016-01-10。

杨元领(1989—),男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护。

TM406

A

2095-6843(2016)03-0234-05