变压器参数不对称对后备阻抗保护的影响研究

陈小龙

(广东电网公司 湛江供电局，广东 湛江524001)

0 引言

随着国民经济的发展，人们对电能的要求也越来越高，大型电力变压器作为电力系统中的关键设备之一，必须保证其对电网运行的可靠性，因此当主变发生需要较长时间修复的故障时，必须将与主变型号一致、各方面参数相同的变压器及时投入来替换存在故障的主变，以免对整个电网造成巨大损失［1，2］。500 kV 变电站主变一般为三相三绕组自耦变压器，当某相发生故障时，由于单相替换较三相替换能够节省工程施工时间和工程费用，所以一般只对故障相进行替换，备用变与主变可能来自不同的生产厂家，短路阻抗电压百分比存在着差异，导致变压器三相短路电压百分比参数不对称。变压器后备阻抗保护与变压器绕组的阻抗有关，由此有必要对变压器三相短路电压百分比不对称情况下后备阻抗保护的动作特性进行研究分析。

目前，国内外对主变替换引起的三相参数不平衡问题所进行的研究并不多。文献［3］对主变单相替换后因三相容量不平衡问题进行了分析，从三相不平衡潮流、电压和电流不平衡度等方面研究了主变单相替换的可行性和适应性;文献［4 ～6］通过PSCAD 及RTDS 对换流变的分接头开关调整、谐波电流等方面进行仿真，来研究深圳Y/Y 型换流变替换肇庆站环流变的可行性。以上都没有涉及到主变单相替换后对变压器继电保护的影响，本文结合某站主变单相替换工程，从理论分析和基于PSCAD/EMTDC 仿真来研究500 kV 主变单相替换后对因三相短路电压百分比不一致对变压器后备阻抗保护的影响，为进一步研究主变单相替换的可行性提供参考依据。

1 理论分析

变压器并列运行应满足以下条件［7］:(a)相位关系相同，即连接组别要相同;(b)电压变比要相同，差值不得超过±0.5%;(c)短路阻抗相同，尽量控制在允许偏差范围±10%以内; (d)两条变压器的容量比不宜超过3∶1。满足这4 个条件就能保证参与并列运行的各变压器之间不产生过大的环流。

某500 kV 变电站主变A 相发生故障，现考虑用另外一台变压器进行单相替换，通过对替换前后的两台变压器技术参数比较，发现两者的容量及电压比均相同，三相变压器采用相同的YN，ao，d11 接线方式。由于替换后的变压器与替换前的变压器并非完全同一型号，短路电压百分比有一定的偏差，如表1 所示。

表1 主变额定档位下短路电压百分比Tab．1 Short-circuit voltage percentage of main transformer under rated tap position (%)

由表1 可以看出，替换后主变三相短路电压百分比参数不对称，其中高中压侧的三相短路电压百分比不对称度最大，其偏差值达到了7.4%，根据电力变压器并列运行的条件可知其可并列运行而不产生较大环流。三相变压器短路电压百分比的不对称直接影响到三相绕组等值电抗的不对称，通过比较可以发现，替换后的变压器较替换前的变压器高中压侧的等值电抗和高低压侧的等值电抗已经变大，而中低压侧的等值电抗却变小了一点。当变压器中压侧出线端发生故障时，高压侧故障相阻抗继电器的测量阻抗即为变压器高中压侧的等值阻抗，替换后A 相高中压侧的等值阻抗已经发生变化，因此，替换后发生故障时阻抗继电器的测量阻抗也相应发生了变化，测量阻抗的变化对阻抗继电器动作特性有可能产生影响。

阻抗保护作为变压器的接地及相间短路的后备保护，一般配置了反应接地短路故障的接地阻抗保护和反应相间短路故障的相间阻抗保护［8，9］。根据主变保护配置说明，500 kV 主变后备阻抗保护一般采用有5%偏移特性的阻抗圆，正方向阻抗动作值可按对侧母线有足够灵敏度并与对侧出线相配合进行计算［10］。接地阻抗保护零序补偿系数值装置固定设为0，阻抗元件的灵敏角为75°，阻抗元件的动作特性如图1 所示。

图1 阻抗保护元件动作特性Fig．1 Action characteristic of impedance protection element

2 模型的建立

根据表1 可知，替换后变压器三相短路电压百分比高中绕组间的不对称性最大，所以本次研究主要通过模拟变压器中压侧出线端的各种故障类型来分析三相参数不对称对高压侧阻抗继电器的动作特性的影响。在PSCAD/EMTDC 中建立本次的仿真模型，如图2 所示，系统采用电源—变压器—负荷模型，变压器采用YN，ao，d11 接线方式，通过FAULTS 模块来模拟变压器中压侧各种类型的故障，负荷采用软件中提供的Fixed Load模块，对变压器漏抗参数的设置可反映出三相短路电压百分比的不对称性。在变压器正常运行的过程中，变压器中压侧所带负荷为额定容量的75%，负荷功率因数为0.95，变压器低压侧一般不带负荷或者带少量的负荷。

图2 系统仿真模型Fig．2 Model of system simulation

阻抗继电器采用0°接线方法，通过测量高压侧三相的电压和电流，然后对测量的数据进行处理，即可得到阻抗保护的动作特性，接入阻抗继电器高压侧三相的电压和电流处理流程如图3所示。

图3 数据处理流程Fig．3 Flow chart of data processing

(1)将测量的高压侧三相电压、电流数据通过On-Line Frequency Scanner (FFT)模块，进行傅里叶分析，提取三相基波电压和电流的幅值、相位。

(2)将三相基波电流的幅值、相位通过Sequence Filter 模块，通过对称分量分析，获取电流的正、负、零序分量的幅值和相位。

(3)将三相基波电压和电流的幅值、相位以及零序电流的幅值和相位送入Line to Ground Impedance 模块计算出接地阻抗的R 值和X 值，并且将三相基波电压和电流的幅值、相位送入Line to Line Impedance 模块计算出相间阻抗的R 值和X 值。

(4)将R 值和X 值输入圆特性阻抗元件Mho Circle 模块，该模块可以根据整定阻抗值设置特征圆的坐标原点和半径，根据输入的R 值和X 值将可判断测量阻抗是否在动作圆内，如果在阻抗圆内结果输出为1，否则结果输出为0。同时将R值和X 值送入XY Plots 模块，该模块可以绘出阻抗动作圆及测量阻抗的轨迹。

3 仿真与分析

3.1 正常运行方式

在正常运行方式下，替换前后变压器高压侧A 相接地阻抗元件及AB 相间阻抗元件的测量阻抗如图4 所示，图中阻抗以Ω 为单位。其他相接地阻抗元件和相间阻抗元件的测量阻抗类似。

图4 正常运行时，接地与相间阻抗元件的测量阻抗Fig．4 Measurement impedance of grounding and interphase impedance element under normal condition

从图4 中可以看出，变压器接地阻抗元件与相间阻抗元件的测量阻抗在替换前后基本一致，两条阻抗轨迹线基本重合并且没有进入动作阻抗圆的范围内，因此替换后并不会引起阻抗保护的误动作。

3.2 变压器故障分析

(1)发生接地短路故障时

教师提出问题：血红蛋白的结构有什么特点，具有哪些特性？并组织学生阅读教材中血红蛋白结构的相关文字。教师继续设问：了解了血红蛋白的结构，应该选择什么样的实验材料提取血红蛋白？为什么？选好材料以后，如何从中分离出血红蛋白呢？首先应该了解血液中除血红蛋白外还含有哪些成分？教师利用一系列问题，引导学生分析血液的成分，寻求获得血红蛋白的思路。最后，学生阅读教材并思考：若整个实验按照上述思路完成，实验分为几个环节？从而过渡到“样品处理”环节。

变压器中压侧出线端发生A 相接地短路故障时，变压器高压侧反应A 相接地短路故障的接地阻抗元件的测量阻抗如图5 所示，图中阻抗以Ω为单位。

图5 接地故障时，接地阻抗元件的测量阻抗Fig．5 Measurement impedance of grounding impedance element under grounding fault

从图5 中可以看出，替换前后接地阻抗元件的测量阻抗轨迹线不重合，替换后的测量阻抗轨迹线在替换前的上面，即替换后的测量阻抗比替换前的测量阻抗相应要大些，从表1 中可以看出，这是因为替换后的A 相高中压侧阻抗较替换前增大了，当变压器中压侧发生A 相接地短路故障时，高压侧A相接地阻抗元件测量阻抗的稳态值就是等效到高压侧的高中绕组等值阻抗。替换后测量阻抗的增大降低了阻抗保护的灵敏性，但不至于使阻抗保护产生误动作。

(2)发生相间短路故障时

变压器中压侧出线端发生AB 相间短路故障时，变压器高压侧反应AB 相间短路故障的相间阻抗元件的测量阻抗如图6 所示，图中阻抗以Ω为单位。

图6 相间故障时，相间阻抗元件的测量阻抗Fig．6 Measurement impedance of interphase impedance element under phase to phase fault

从图6 中可知，替换前后相间阻抗元件的测量阻抗轨迹线很靠近但不相重合，替换后的轨迹线在替换前的上面，即替换后的测量阻抗比替换前的测量阻抗要稍微大一点，但两者之间的差值比图5 中的要小，即三相短路电压百分比不对称对相间阻抗元件的影响要小于接地阻抗元件。这是因为当发生AB 相间短路故障时，高压侧AB 相间阻抗元件测量阻抗的稳态值，等于A 相等效到高压侧的高中绕组等值阻抗与B 相等效到高压侧的高中绕组等值阻抗之和的一半，由于替换前后只有A 相高中压侧的短路电压百分比发生了变化，所以相间阻抗元件替换前后的变化近似为接地短路故障时相应相接地阻抗元件替换前后变化的一半。

(3)发生三相短路故障时

变压器中压侧出线端发生ABC 三相短路故障时，替换前后变压器高压侧A 相接地及AB 相间阻抗元件的测量阻抗如图7 所示，其他相的接地阻抗和相间的测量阻抗类似，图中阻抗以Ω 为单位。

图7 三相故障时，接地及相间阻抗元件的测量阻抗Fig．7 Measurement impedance of grounding and interphase impedance element under three phase fault

根据图7 可知，替换前后接地阻抗元件比相间阻抗元件的测量阻抗变化要大，替换后阻抗元件测量阻抗的增大降低了阻抗保护的灵敏性，但接地阻抗元件和相间阻抗元件的测量阻抗都进入了动作特性圆内，能够使阻抗保护正确动作。

4 结论

(1)两台500 kV 主变的电压和变比、容量及三相连接组别均一致，但两者的短路电压百分比最大偏差为7.4%，根据电力变压器并列运行条件认为当主变某相发生故障时用另外一台变压器进行单相替换具有一定的可行性。

(2)虽然单相替换后三相短路电压百分比参数出现了一定程度的不对称，但通过仿真以及分析可以发现，变压器三相短路电压百分比一定程度的不对称并不会影响后备阻抗保护的正确动作。

(3)单相替换后短路电压百分比参数的增大，故障时将会使反应故障的阻抗元件测量阻抗变大，降低阻抗元件的灵敏性。

(4)单相替换后短路电路电压百分比的变化，对替换相接地阻抗元件的影响要比替换相相间阻抗元件的要大，替换相相间阻抗元件测量阻抗的变化近似为替换相接地阻抗元件测量阻抗元件变化的一半。

本文主要研究了变压器单相替换后对后备阻抗保护的影响，参数不对称对于变压器其他保护的影响有待于进一步研究。

［1］檀英辉，招淑珍，刘志军，等．500 kV 主变压器内部短路损坏事故分析［J］．电力科学与工程，2009，25(1):43-44．Tan Yinghui，Zhao Shuzhen，Liu Zhijun，et al．Analysis on 500 kV transformer internal short-circuit fault ［J］．Electric Power Science and Engineering，2009，25 (1):43-44．

［2］李元龙．变压器故障综合诊断及工程应用研究［J］．电力科学与工程，2009，25 (12):66-68．Li Yuanlong．Engineering application research on power transformer fault analysis and diagnosis ［J］．Electric Power Science and Engineering，2009，25 (12):66-68．

［3］赵学强，陆志浩，傅晨钊，等．华东电网500 kV 主变备用适用性的初步研究［J］．华东电力，2007，35 (4):46-49．Zhao Xueqiang，Lu Zhihao，Fu Chenzhao，et al．Applicability of standby transformer for 500 kV main transformers of east China power grid ［J］．East China Electric Power，2007，35 (4):46-49．

［4］刘红太，欧开建，林睿，等．深圳站换流变压器替换到肇庆站运行的稳态分析［J］．中国电力，2008，41(12):19-22．Liu Hongtai，Ou Kaijian，Lin Rui，et al．Steady state analysis of using Shenzhen station's converter transformer to substite Zhaoqing station's ［J］．Electric Power，2008，41 (12):19-22．

［5］刘红太，林睿，欧开健，等．深圳站换流变替换肇庆站换流变运行的可行性分析［J］．变压器，2009，46(5):42-46．Liu Hongtai，Lin Rui，Ou Kaijian，et al．Feasibility analysis to replace converter transformer in zhaoqing substation with one in shenzhen substation ［J］．Transformer，2009，46 (5):42-46．

［6］张鹏，刘红太，林睿，等．不同换流站Y/Y 型换流变压器置换分析与实践［J］．南方电网技术，2009，3 (2):65-67．Zhang Peng，Liu Hongtai，Lin Rui，et al．Analysis and practice of replacement of Y/Y type converter transformers at different converter stations ［J］．Southern Power System Technology，2009，3 (2):65-67．

［7］谢毓城．电力变压器手册［M］．北京:机械工业出版社，2003．

［8］江苏电力公司．电力系统继电保护原理与实用技术［M］．北京:中国电力出版社，2006．

［9］陈曾田．电力变压器保护［M］．北京:中国电力出版社，1989．

［10］王维俭，孟庆和，宋继成，等．大型发电机变压器继电保护整定计算导则(变压器保护的整定计算部分)［M］．北京:中国电力出版社，2000．