基于220 kV电网仿真变压器保护的应用

李惜玉，邱园园，李江锋

（广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006）

基于220 kV电网仿真变压器保护的应用

李惜玉，邱园园，李江锋

（广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006）

变压器在电力系统的输配电中扮演着不可或缺的角色，一旦变压器出故障，不仅影响到本条线路的正常运行，而且可能波及其他相邻用户的运行，甚至会导致整个电网崩溃。因此，对变压器进行有效的保护显得非常重要。该文基于220 kV变电站“电网仿真系统”模拟了电力系统继电保护中变压器的故障，对其保护动作情况进行预测和观察，研究变压器各种保护在发生故障时出现的动作情况，进一步分析各种保护之间的相互配合和变压器纵联差动保护的工作原理。

变电站仿真分析；变压器引出线故障；纵联差动保护

随着时代的进步和社会经济的发展，电力与我们的生活越来越息息相关。而电力变压器是电力系统中重要的设备之一，它的稳定运行影响着电力系统的稳定。因此，研究电力变压器的保护，是保证电力系统稳定的重要工作。电力变压器故障主要分为油箱内故障与油箱外故障。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路，匝间短路等。而油箱外部故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。变压器油箱内部故障相应的保护应装设瓦斯保护；油箱外部故障相应的保护可装设纵差保护、电流速断保护、过电流保护、零序过电压保护、过负荷保护和过磁保护等［1］。

1 基于UNIX的变电站仿真系统介绍

220 kV变电站仿真系统是一个电网仿真系统，它的操作界面（如图1所示）模拟了实际现场中的操作界面，通过系统可以清晰地看到变电站概况、运行工况、控制室、就地操作屏、继电保护屏、站用电共6个方面的情景模拟。变电站采用双母线双分段的方式，有八回出线，220 kV母线有两台母联断路器和3台主变；而35 kV采用单母线六分段的方式，包含3台分段断路器，二十四回出线，两台站用变，另设有3组电容器作为无功补偿。

2 电网仿真系统的功能

变电站仿真系统的功能结构包括正常基本操作模块、故障及异常事故处理模块和保护及自动装置模块3部分［2］。正常基本操作模块的操作内容包括母线、线路、变压器投切与停运，电容器、电抗器投切与停运，五防操作和变压器分接头和补偿设备调压。五防操作在电力系统继电保护中为一重要保护措施，防止工作人员错误操作。故障及异常事故处理模块是最具仿真功能的模块，含有母线、线路，变压器瞬时故障，母线、线路变压器永久故障，开关拒动、误动故障，保护拒动、误动故障，还有电容器、电抗器故障。保护及自动装置模块包括微机保护，常规保护和自动装置。以上为电网仿真系统的全部功能。

图1 新建220 kV变电站电气主接线图

电网仿真系统包含了220 kV线路、35 kV线路以及各种配套设备，包含了高达600多种故障及保护拒动，可让我们实际体验系统发生一种或多种故障时，系统各元件和参数的变化［2］。通过《电力系统继电保护》可以了解实际生产中系统故障保护动作的理论。软件采用分屏切换，其中包括故障类型的设定、工况的复位、系统运行/冻结、变电站运行状态。变电站运行状态又可以通过控制屏查看所有保护元件的实时状态，如某处电压功率、故障发生时间，保护动作时间，隔离开关变化状况等。

3 纵差动保护原理

纵差动保护是利用变压器各端流入和流出电流的相量差来判断变压器内部或外部引出线是否正常运行的一种保护。双绕组变压器纵差动保护电路图如图2所示，其中，I1为变压器高压侧流过的电流，I2为变压器低压侧流过的电流，I′1为变压器高压侧电流互感器感应电流，I′2为变压器高压侧电流互感器感应电流，NT是变压器的变比，NTA1是变压器高压侧电流互感器的变比，NTA2是变压器低压侧电流互感器的变比。

∵I2∶I1=NT，I1∶I′1=NTA1，I2∶I′2=NTA2，

∴I1/I′1∶I2/I′2=NTA1/NTA2。

I′2∶I′1=NTA1/NTA2×I2/I1，

I′1∶I′2=NTA1/NTA2×NT。

若使NTA2/NTA1=NT，即有I′1∶I′2=1，即此时流入差动保护的电流为0。

图2 双绕组变压器纵差动保护电路图

由此可知，通过恰当地选择两侧电流互感器的电流比，可以让保护回路中I′1与I′2相等，在实际运行中，继电器通过判断I′1与I′2是否相等，可以判断线路是否发生故障。如果变压器为三绕组变压器时，三绕组变压器纵差动保护电路图如图3所示，也可以用类似方法证明，这里不再累述。

图3 三绕组变压器纵差动保护电路图

为了削弱高次谐波的影响，使电压接近正弦波，在电力系统中的变压器通常采用Yd11的联结方式。在传统纵差动保护回路里，为防止有差电流流入保护回路，从而引起误动作，将变压器星形侧的3个互感器结成三角形，而将变压器三角形侧的3个电流互感器联结成星形，从而使一二次侧电流相位一样，再通过改变 NT=NTA1/NTA2/sqrt（3），从而让差动回路在正常运行及外部故障情况下，差动回路的电流为0。而在现代的微机变压器纵差动保护中，可采取二次全星形联结（如图4所示）。微机保护装置把二次侧收集到的星形侧的电流两两相减，再与三角形侧的线电流相平衡。这种方式使得二次接线更简单，便于判断故障相和TA断线［3］。微机保护技术有效集合了通信、保护、监控以及测量等功能，在电力运行过程中，可以有效保护变压器的运行情况，促使电力系统的自动化控制得到实现［4］。

在变压器的纵差动保护中，需要防止运行中的不平衡电流造成纵差动保护动作。而产生不平衡电流主要有以下5种原因［5］:

1）由变压器励磁电流而产生的不平行电流；

2）由电流互感器实际电流比与计算变比不同而产生的不平衡电流；

3）由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流；

4）有两侧电流互感器的型号不同而产生的不平衡电流；

5）由于变压器外部短路而产生的不平衡电流。

目前可以通过采用数字滤波的方法来滤除非周期分量及其他谐波和采用比率自动的纵差动保护这两种方法来减少不平衡电流。

图4 微机保护装置内线图

4 实验仿真过程及分析

4.1 1号主变220 kV侧引出线相间短路故障仿真

本次设置的故障是一号主变220 kV侧引出线相间短路，而实际中故障发生时往往不是只发生一个故障，通常会伴随有其他故障发生，如断路器拒动，或是变压器油箱内部故障等等，所以本次实验还设置了1号主变220 kV速断保护拒动。

1）故障现象:该变电站的1号主变跳闸，正副一母复合电压动作，正副二母复合电压动作；35 kV一/六母线失压、低电压动作、一/六分段自切动作、弹簧未储能；35 kV二/三母线失压、低电压动作、二/三分段自切动作、SF6气压异常、弹簧未储能；35 kV四/五母线失压、低电压动作；1号电容器过流、零流、低压及过压保护动作、弹簧未储能。

2）故障分析:当该故障发生时，故障点的电流会大于在此处装设的1号主变220 kV电流速断保护的整定值，即IK>IIset，此时保护装置动作，切断故障线路，但由于此时变压器的电流速断保护拒动，那么此时作为变压器的主要保护纵差动保护就会动作，让1号主变压器退出运行，所以保证变压器不会损坏。然后35kV一/六、二/三、四/五母线失压，1号电容器低压保护动作。35 kV一/六、二/三分段自切动作，由2号和3号主变压器为其供电，以保证其他线路负荷安全运行。

4.2 3号主变220kV侧引出线单相接地故障仿真

本次设置了3号主变220 kV侧引出线单相接地故障、3号主变220 kV零序Ⅱ段保护拒动和3号主变220 kV速断保护拒动，同时退出220 kV零序Ⅰ段的跳闸压板。

1）故障现象:该变电站的3号主变跳闸，正副一母复合电压动作，正副二母复合电压动作；35 kV一/六母线失压、低电压动作、自切动作、弹簧未储能；35 kV二/三母线失压；35 kV四/五母线失压、低电压动作、自切动作；3号电容器过流、零流、低压及过压保护动作、弹簧未储能。

2）故障分析:当发生3号主变220 kV侧引出线单相接地短路故障时，变压器会产生较大的零序电流，而在变压器正常运行时，零序电流几乎为零，短路时变压器产生的零序电流会大于变压器零流Ⅰ段保护的整定值，即3I0>IIset，那么零流Ⅰ段保护将动作，让变压器退出运行，但是由于零流Ⅰ段的跳闸压板被退出，使其跳闸回路与继电器信号回路断开。所以即使继电器发出信号，跳闸回路也不会动作，那么需要零流Ⅱ段保护去切除故障，但电力系统故障往往不是单一的，3号主变220 kV零序Ⅱ段保护拒动和3号主变220 kV速断保护拒动，此时流入变压器的主保护纵差动保护的电流将不再是零，流入的短路电流会大于纵差动保护的电流整定值，即IK>IIset，那么纵差动保护会动作，快速灵敏和及时地让3号主变压器退出运行。

5 结束语

变压器是电力系统的重要设备，掌握变压器常见故障产生的原因和诊断方法以及出现故障时的处理方法，可以有效地提高变压器的健康水平，确保电力系统安全稳定运行［6］。通过上述仿真，可知变压器纵联差动保护的目的就是在变压器内部出现故障时，无延时跳开变压器各侧断路器，切除变压器内部绕组和引出线的相间和接地故障，保护变压器本体、各侧引线和套管，并且在变压器的某些保护拒动时，作为变压器主保护的纵联差动保护仍能准确动作，有效地保护了电力系统的重要电气设备——变压器，同时保证了电网运行的安全可靠［7］。所以对于变压器而言，纵差动保护是其最重要的主保护，同时亦是最可靠、最灵敏的保护。

［1］贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［2］陈璟华，陈少华，夏锐，等.变电站培训仿真系统及其教学应用［J］.广东工业大学学报，2003（12），120-121.

［3］陈少华，陈卫，何瑞文，等.电力系统继电保护［M］.北京:机械工程出版社，2009.

［4］何添儒.变压器保护在电力运行中的应用［J］.中国高新技术企业，2014（16）:142-143.

［5］谭胜盛，变压器纵联差动保护的分析与讨论［J］.制造业自动化，2006，8（9）:79-80，85.

［6］刘风清.电力系统变压器故障原因分析及处理方法研究［J］.中国新技术新产品，2013（2）:135.

［7］冯敏.变压器纵联差动保护的讨论［J］.中国科技纵横，2012（6）:120-121.

Application of Simulation Transformer Protection Based on 220 kV Power Network

LI Xiyu，QIU Yuanyuan，LI Jiangfeng
（School of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The transformer plays an indispensable role in the transmission and distribution of power system.Once the transformer is out of order，it not only affects the normal operation of this circuit，but also may spread to affect other users even leading to the power grid collapsing.Therefore，the protection of transformer is very important.Based on the 220 kV substation grid simulation system to simulate the relay protection of the fault acting at the transformer in electric power system，and make predictions and observations of the protection operation situation，and study all kinds of transformer protection movement situation in fault，and to further analyze the interaction between the various protection and transformer longitudinal differential protection works.

simulation and analysis of the substation；fault of the outgoing line for transformer；longitudinal differential protection

TM743

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.010

2015-07-02；修改日期：2015-07-23

2015年广东省广东工业大学大学生创新基金（yj201511845033）；广东省电力工程实验教学示范中心项目（400140087）；2015广东工业大学本科实验教学改革与研究项目（2012Z010）。

李惜玉（1971-），女，高级实验师，主要从事电力工程实验教学。