高抗抽能绕组保护配置改进方法

陈 聪，陶悦玥，罗 潇，汪 洋，谭 丹

(武汉电力职业技术学院，湖北 武汉 430079)

高抗抽能绕组保护配置改进方法

陈 聪，陶悦玥，罗 潇，汪 洋，谭 丹

(武汉电力职业技术学院，湖北 武汉 430079)

以西南某开关站内抽能高抗的故障为背景，根据已有材料及数据详细分析了该抽能高抗的故障原因，结合现有保护配置情况，提出了针对高抗抽能绕组的保护配置改进方案。该方案建议在现有的电抗器保护基础上增加带长延时和短延时的零序过流保护，以及增加带负序方向闭锁元件的抽能侧过流保护。计算分析及实际工程均验证了该改进的保护配置方案优于常规的电抗器保护方案。

抽能；高抗；保护配置方案；故障；改进

0 引言

近年来，随着我国清洁能源战略的大力实施，充分利用西南部丰富水电资源，建设大型水利电站已成为国家发展西部电力事业的主导方向。担负输送西部地区巨大电力输送任务的500 kV变电站和线路大建设在偏远山区，附近无可用外引站用电源。抽能高压电抗器这一新产品有效好解决了偏远开关站的站用电源问题。使用抽能电抗器供应开关站站用电源在我国并不广泛，但在西部地区应用较多[1-2]。

抽能高抗的保护配置比较特殊，装置中反映短路和接地故障的主保护有主电抗器差动保护、主电抗器零序差动保护、主电抗器匝间保护。主电抗器后备保护有主电抗器过电流保护、主电抗器零序过流保护、主电抗器过负荷保护。抽能绕组保护包括抽能复合电压闭锁的过流保护，以及非电量保护[3]。

本文以西南某开关站内抽能高抗事故分析为例，探讨抽能高抗保护配置改进方法。

1 基本情况介绍

1.1 一次系统接线

1）开关站内抽能电抗器接线方式为YnD-1，抽能电抗器电压比为550/3kV/6 kV，主电抗器容量和抽能绕组的容量比例很大，有数百倍，与常规变压器不同；主电抗器高压侧TA变比300/1，抽能绕组出线侧TA变比100/1；

2）抽能绕组上有两组TA，正常工作电流大约27.8 A，抽能绕组出线侧安装有断路器，下端带的负载为一个6 kV/0.4 kV，DYn接线的箱式变压器，箱变高压侧没有断路器，低压侧有断路器。

图1 抽能绕组一次TA接线示意图Fig.1 Schematic diagram of primary TA of shunt reactor

1.2 保护配置情况

现场抽能电抗器接线方式为YnD-1，抽能电抗器电压比为550/3kV/6 kV，主电抗器容量和抽能绕组的容量比例很大，有数百倍，与常规变压器不同；主电抗器高压侧TA变比为300/1，抽能绕组出线侧TA变比为100/1，且抽能绕组上有两组TA，是可以引出来的，抽能绕组正常工作电流大约27.8 A，抽能绕组出线侧安装有断路器，下端带的负载为一个6 kV/0.4 kV，DYn接线的箱式变压器，箱变高压侧没有断路器，低压侧有断路器。

现有的抽能高抗保护装置，型号分别为电量保护CSC-330AN，非电量保护CSC336C。针对抽能绕组故障配置有抽能绕组复压过流保护，该保护设置两段两时限，采用抽能绕组Y形接线的三相电流来实现。保护Ⅰ段定值为16 A，0.3 s，动作于跳低压侧断路器；Ⅱ段定值为0.73 A，0.9 s，动作于高抗全停。

2 事故分析

2.1 事故经过

在对该500 kV开关站的某一回500 kV线路及两侧的高抗进行冲击试验时，该线路主电抗器B相的非电量（重瓦斯）保护动作于跳闸，且保护装置记录的波形反映出A相抽能绕组反接。

2.2 波形分析

由于事故现场抽能侧A相绕组接反，开关站内的抽能高抗出现故障，高抗内部烧毁，过电流保护未动作，而重瓦斯保护动作。对现场的故障数据进行分析，形成如表1所示数据。

表1 故障数据分析Tab.1 Fault data analysis

1）充电时刻的抽能绕组电流采样值和有效值的波形分别如图2和图3所示。

图2 断路器充电时刻抽能绕组电流采样值Fig.2 The current sampling value of shunt reactor when circuit breaker charging

图3 断路器充电时刻抽能绕组电流有效值Fig.3 The current effective value of shunt reactor when circuit breaker charging

根据录波的数据可以看出，保护启动后，抽能绕组出现了过电流的情况，其最大电流达到了1.19 A，小于Ⅰ段过流定值，因此Ⅰ段过流保护无法动作；在部分时间内大于Ⅱ段过流定值，但在启动100 ms之后低于定值造成保护返回，因此抽能绕组在断路器充电时无法满足过流的动作条件。

2）断路器合闸后抽能绕组电流采样值和有效值的波形分别如图4和图5所示。

由后期的录波可以看到，整个的过程中其抽能绕组的电流并未达到动作条件。

2.3 故障电流计算分析

A相抽能线圈极性反接时，△接线绕组回环内的三相感应电压之和为Uloop，并产生循环电流Iloop，电气连接图如图6所示。

图4 断路器合闸后抽能绕组电流采样值Fig.4 The current sampling value of shunt reactor after circuit breaker is closed

图5 断路器合闸后抽能绕组电流有效值Fig.5 The current effective value of shunt reactor after circuit breaker is closed

图6 电气连接图Fig.6 Electrical connection diagram

Xk为并联绕组和抽能线圈间的短路阻抗，实测值约为6.65 Ω，则

大电流造成B相引线产生热击穿，使得B相故障进一步扩大，B相发生短路时，则A、C相间的电流计算如下：

上述计算的电流是零序分量，在△接的环里流不出来，并且由于抽能电抗器高低压侧容量差别很大，因此低压侧故障时抽能绕组出线侧TA感受不到故障电流的存在，高压侧的过电流保护可能拒动。

目前国内针对匝间短路故障配置的保护通常有零序功率方向保护和负序功率方向保护等。对于本次故障，一次侧为容量很大的电源，相对而言二次侧容量很小，其故障可能不足以影响一次侧电压，方向元件判断失效，匝间保护拒动；高压侧虽然安装有差动保护，然而低压侧故障时，高压侧的首端和尾端电流相量和依旧为零，这种情况下差动保护也不会动作，实际上这个差动保护仅能反映原边的接地或者相间故障。

以上分析表明，常规的电抗器保护用于抽能电抗器时存在拒动的情况，这是绝对不允许的，因此应该对常规的电抗器保护做相应的改进。

2.4 总结

由于保护配置考虑不周，使得出现了故障发生后没有保护动作于切除故障的情况，继而使得B相绕组过热导致绝缘被破坏，最终导致重瓦斯保护动作切除故障，造成严重的后果。

3 改进的保护配置

由于抽能电抗器与常规并联电抗器存在较大差异，常规的电抗器保护将不再适用于抽能电抗器[4-6]。通过本次事故分析，针对开关站内抽能电抗器的特点，对抽能电抗器的保护提出以下几种配置建议。

3.1 增加以及完善抽能绕组保护配置

增加抽能匝间保护的程序部分，保护原理为：利用现场的抽能绕组接成三角角形接线时，当匝间故障时，会在角形绕组内部形成零序电流，保护通过引入角内TA的三相绕组电流合成出自产的零序电流，该电流设置门槛值。为防止高压系统侧因接地故障造成抽能绕组角内侧出现零序电流造成误动，特采用零序电流的长短延时两种逻辑配合使用，逻辑为：

1）短延时的零序电流保护

利用高压侧的自产零序电压与高压侧的自产零序电流，判断当零序功率方向为区外时，即：高压系统侧故障，此时闭锁抽能绕组的零序过流保护，当判断为区内故障时，则开放抽能绕组的零序过流保护，当抽能绕组的零序过流元件满足定值时，经整定的短延时时间跳开高抗各侧开关。

2）长延时的零序电流保护

为防止因TV断线等问题使得零序方向元件失效，而此时抽能绕组匝间故障时失去保护，特增设抽能绕组零序过流长延时，该保护定值与短延时相同，但时间可整定与系统侧进行配合，躲开系统侧接地保护的影响。

3.2 增加抽能绕组的过电流保护

保护采用抽能绕组TA的三相电流，该电流定值可以整定，保护可投退，过电流保护设置为两段，每段一个时限。

3.3 完善抽能绕组的角外侧过电流保护

保护通过抽能绕组TA的三相电流向角外侧折算，折算方式按照定值中的抽能绕组接线组别自动进行（定值中增加抽能绕组的接线钟点数），该过流元件的定值按照角外侧电流整定，保护可投退，过流设置为两段，每段一个时限。

3.4 完善抽能绕组负序方向元件闭锁匝间保护的逻辑

保护通过抽能绕组TA的三相电流向角外侧折算，折算方式按照定值中的抽能绕组接线组别自动进行（定值中增加抽能绕组的接线钟点数），通过抽能绕组的抽能电压以及折算后的电流构成的负序方向元件作为主电抗器的匝间保护的闭锁元件。逻辑为：

1）当抽能绕组三相电流都正常，无过流时，匝间保护不闭锁，判出匝间故障后可灵敏动作；

2）当抽能绕组电流大于“抽能过流闭锁匝间定值”时进行负序方向判别，若抽能负序方向为区内，则保护经短延时出口；若负序方向在区外，则闭锁匝间保护；

3）当抽能TA断线或抽能TV断线或抽能电压压板退出时，闭锁匝间保护。

4 结语

目前高抗抽能绕组为单相式设备，其接线形式为中性点不接地星形或三角形2种，其可能发生的故障主要有匝间短路、内部单相接地及相间短路3种。对于6 kV的抽能绕组，匝数很少，发生匝间短路故障后，无论是星形接线还是角形接线，其电流、电压的变化量都很小，因此很难设计其保护逻辑。但为了安全，建议增加如下：（1）增加带长延时和短延时的零序过流保护，零序过流保护的定值整定按要求保护的匝间故障的环流和最大负荷下的不平衡电流取最大值。（2）增加带负序方向闭锁元件的抽能侧过流保护。

（References）

[1] 范荣全.带有抽能绕组的500 kV并联电抗器在开关站的应用[J].电网技术,2001,25(11):77-79.FAN Rongquan.Application of 500 kV shunt reactors with auxiliary winding system in switching station[J].Power System Technology,2001,25(11):77-79.

[2] 李世雄.500 kV抽能并联电抗器在湖北鱼峡开关站的应用[J].湖北电力,2009,33(S1):87-90.LI Shixiong.Application of 500 kV shunt reactors with auxiliary winding system in switching station ofHubeiYuxia[J].HubeiElectric Power,2009,33(S1):87-90.

[3] 尹刚，彭勇.500 kV抽能并联电抗器的匝间短路保护[J].电网技术，2012,11:227-231.YING Gang,PENG Yong.Turn-to-turn faults protection of 500 kV energy extraction shunt reactor[J].Power System Technology,2012,11:227-231.

[4] 谭黎军，龚筱琦，苏钟焕，等.500 kV抽能并联电抗器空、负载特性研究[J].变压器,2015,52(10):33-37.TAN Lijun,GONG Xiaoqi,SU Zhonghuan,et al.No-load and load characteristics research of 500 kV shunt reactor with transformer function[J].Transformer,2015,52(10):33-37.

[5] 张进德，曾鹏，邓皓元，等.500 kV抽能并联电抗器-6 kV所用变系统运行分析[J].湖北电力,2010,34(5):36-38.ZHANG Jinde,ZENG Peng,DENG Haoyuan,et al.Operation analysis of500 kV energy extraction shunt reactor-6 kV auxiliary transformer system[J].Hubei Electric Power,2010,34(5):36-38.

[6] 李慧奇，崔翔，李琳，等.带抽能线圈并联铁心电抗器的分析[J].电工技术学报,2004,19(12):15-19.LI Huiqi,CUI Xiang,LI Lin,et al.Analysis of high-voltage shunt reactor with auxiliary winding system[J].TransactionsofChinaElectrotechnical Society,2004,19(12):15-19.

Improved Protection for High-Voltage Shunt Reactor with Auxiliary Winding System

CHEN Cong,TAO Yueyue,LUO Xiao,WANG Yang,TAN Dan
(Wuhan Electric Power Technical College,Wuhan Hubei 430079,China)

Taking the high-voltage shunt reactor of a switching station in Southwest China as an example,the fault reasons of the high-voltage shunt reactor with auxiliary winding are analyzed in this paper,and combined with the existing protection configuration,the improved scheme is put forward.The scheme proposes to increase the zero sequence overcurrent protection with long delay and short delay,and to increase the overcurrent protection on the shunt reactor side with negative sequence direction blocking elements on the basis of existing reactor protection.The computational analysis and the actual engineering verify that the improved protection scheme is superior to the conventional reactor protection scheme.

shunt reactor;auxiliary winding;protection scheme;fault;improve

TM771

B

1006-3986(2017)05-0008-04

10.19308/j.hep.2017.05.003

2017-04-10

陈 聪(1989),女,湖北钟祥人,助理讲师,硕士。