基于负序电流原理的变压器低后备保护的改进

向为，李娥英，钟忠，罗伟成

(1.国网湖南省电力公司株洲供电分公司，湖南株洲410082；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

基于负序电流原理的变压器低后备保护的改进

向为1，李娥英2，钟忠1，罗伟成1

(1.国网湖南省电力公司株洲供电分公司，湖南株洲410082；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

变压器后备过流保护主要以变压器的额定电流来设置，在作为出线末端两相金属性短路的远后备时，存在灵敏度不足问题。本文基于系统不对称故障序分量特征分析，提出了变压器的负序过流保护，提高了变压器过流保护反应于出线不对称故障的灵敏度。

继电保护；负序电流；变压器后备保护

根据经济性、可靠性以及故障的严重性质等方面的综合考虑，目前110 kV及以下电力系继电保护采取远后备方式，但在实际运行情况中，主变电流后备保护作为低压侧出线保护的远后备时，灵敏性较难保证。究其原因主要是主变电流后备保护主要作为防御外部相间短路引起的变压器过电流和变压器内部相间短路的后备保护，是依据主变本身电气特性而设置，限时速断作为低压侧母线短路的主保护，针对的是近区短路时流经主变的动热稳电流，复压过流则是针对主变过负载能力，兼顾出线的相间短路。文献 〔1〕统计，在部分区域 “按照躲额定电流整定的变压器10 kV侧相过电流保护对本侧出线远后备灵敏度远小于规定值 (1.15～1.25)的份额接近90%”。如果10 kV线路上发生故障(即使短路电流并不很大)，本线路断路器拒动，而主变该侧过电流保护对该故障点灵敏系数不够，将使故障线路全线长期通过较大的故障电流而不能切除，如果人工不及时隔离故障，则导致故障进一步向主变方向发展，或者自然消除，并且负序电流对附近保护配置不全的小发电机造成损伤。

1 主变低后备过流保护分析

假定无穷大系统，正序阻抗等于负序阻抗，图1所示出线末端两相短路故障，针对不同容量变压器对低压侧过流保护范围进行分析。

图1 10 kV线路故障等值系统

选取110 kV常见型式主变计算，文献 〔2〕对短路阻抗的规定: “2 501～6 300 kVA容量大于7.0%，6 301～25 000 kVA容量大于8.0%，25 001～40 000 kVA容量大于10.0%，40 001～63 000 kVA容量大于11.0%”，结合某公司具体主变相关参数见表1。

表1 变压器容量及短路阻抗表

式 (1)所示出线末端两相短路故障电流

式中 Zs为系统正序阻抗，ZT为变压器正序阻抗，ZL为线路正序阻抗。

假设远后备灵敏系数 krel为 1(最大保护范围)，计算主变低侧过流后备对两相金属性短路的保护范围I(2)≥krelIZ.1.op见表2。

表2 变压器过流定值保护阻抗范围表

10 kV架空线路线径电抗按照0.4 Ω/kM计算，保护范围按照灵敏系数1.2校验，对于20 MVA主变保护范围7～8 km，可根据线路情况配置主变负序电流保护；对于31.5 MVA主变保护范围4～5 km，对于50 MVA、60 MVA主变保护范围小于3 km。考虑到系统阻抗、主变并列运行方式以及后备保护灵敏系数，主变低压侧过流保护范围会进一步缩小。即针对大容量主变 (50 MV及以上)，低压侧过流后备保护不能很好起到远后备作用，由于系统正常时不产生负序电流，而两相故障时可分解出负序电流，故以负序电流作为出线故障的远后备可较大程度提高灵敏性。

2 系统不对称故障分析

如110 kV两圈降压变压器电网，对可在主变低压侧产生负序电流的电网故障及异常进行分析:

2.1 10 kV系统两相金属性短路

如图2中发生BC相金属性短路，边界条件如下:

图2 BC相金属性短路

将式 (2)转化为序分量表示

其复合序网如图3所示:

图3 BC相金属性短路复合序网

求出故障点序电流、故障电流、序电压 (正序阻抗等于负序阻抗)

对于图1－1系统，假设故障点在线末，Z∑1＝ZS＋ZT＋ZL，则出线保护安装处 (10 kV母线处)负序电压为

2.2 10 kV系统两相金属性接地短路

如图2，假设K点发生两相金属性短路的情况下，且K点金属性接地，对于不接地系统，由于只有故障点一个接地点，零序阻抗Z∑0无限大，不存在零序电流，则其边界条件如下。

其序电流、故障电流与不接地短路一致，如式(4)和式 (5)，但是序电压发生变化。

即不接地系统发生两相接地短路，系统产生零序电压，非故障相电压升高，并且由于不存在零序回路，系统各处零序电压相同，故障点和10 kV母线负序、正序电压与不接地短路相同，如式 (6)和式 (7)。

2.3 10 kV系统不同回路之间两相金属性短路

假设10 kV出线1S的B相与出线2S的C相发生金属性短路，只有1S的B相与2S的C相有故障电流，系统故障电压、序电压与同一出线两相短路一致，主变低压侧故障电流、序电流与同一出线两相短路一致，出线故障相电流一致，但出线间隔保护装置获取序电流不一致。

若B相为基础计算1S的负序分量:

若C相为基础计算2S的序分量:

故障出线间隔保护装置可计算出正序、负序、零序电流，且幅值相等，与式 (4)比较，出线保护在不同回路之间两相短路的情况下的序电流幅值只有同一回路两相短路的

2.4 单相断线

控制模块采用单片机STC89C52控制。STC89C52与DDS信号产生模块进行串口通信，通过软件的编程，实现对输出波形的控制。外围电路采用独立按键的方式，可以选择波形种类的输出以及调节频率、电压幅度的大小。该电路通过P4.0、P4.1、P4.2、P4.3 接口与信号发生部分的 CS、SDATA、SCLK、FYSYNC 接口相接；通过 P3.0～P3.7和P1.7接口与按键电路连接；通过P0.0，P0.1，P0.2接口与显示电路连接。最后通过软件的编程，来对各部分电路进行控制。

假设系统发生单相断线，如图4〔3〕。

图4 A相断线

其边界条件如下:

可得出A相断线的复合序网如图5，其中N′为系统侧中性点，N″为负荷侧中性点。

图5 A相断线复合序网

2.4.1 系统在10 kV出线发生单相断线故障

由于10 kV系统为不接地系统，A相断线时系统无零序电流，B，C相电流大小相等、方向相反，可知正序电流与负序电流大小相等、方向相反，并且对于正序、负序分量，由于电源、阻抗、负荷完全对称，三相电力系统的系统侧接地中性点与负荷侧不接地中性点 (或电气虚拟中性点)电位相等，图4可简化如图6。

图6 10 kV系统A相断线复合序网简化图

A相负序电流为

针对出线断线，由于 EA、ZS、ZT、ZL、ZLoad均已在断线前确定，从式 (14)可得出，母线负序电压与出线断线位置无关。

2.4.2 系统在110 kV出线发生单相断线故障

N′为系统侧中性点，10 kV母线负序电压为

综合以上分析:1)电网在正常运行时，主变低压侧负序电流仅由不平衡负荷引起，数值远小于额定电流，不接地系统两相故障时 (三相故障多由两相故障发展而成)，负序电流明显增大，故相比较与故障电流保护，负序电流保护故障量变化显著，灵敏性提高；2)单相断线故障对负序电流影响较大，特别是额定电流运行情况下主变高压侧发生断线故障，假设负荷电流不发生幅值及相位变化，负序电流幅值可达0.3倍的额度电流，降低负序电流保护灵敏性。

3 主变负序电流保护装置研制

负序电流保护所需电流、电压、控制回路与低后备过流方向保护一致，可通过在现有主变低后备保护程序中增加专用负序电流模块实现，保护装置检测故障负序电流大小及方向，如故障负序电流大于定值，且方向指向10 kV出线，保护动作，相对于文献 〔4－5〕负序阻抗保护，原理更为简单。

TV断线闭锁保护，由于负序电流保护在电流方向判断中采用TV电压，TV断线过程中均可能导致保护误动，故TV断线退出负序电流保护。

电流断线影响，TA二次断线，保护装置采样电流不会发生变化；一次断线，将电网正常运行时看做经对称负荷电阻三相短路，单相断线时看做经负荷电阻两相短路，保护装置TA采样值将变小。即负序电流保护在相电流变大情况下启动，如相电流不变或变小，则负序电流保护不启动。

4 主变负序电流保护整定方法

根据文献 〔5〕规定: “在实际工程中负序电流定值可以粗略选取Iop.2＝(0.5－0.6)IN。如灵敏度不能满足要求时，可根据灵敏度再进行详细的配合计算，降低负序电流保护的整定值，以提高负序电流保护的灵敏度。负序电流继电器的整定应考虑:1)躲过变压器最大负荷电流时，伴随系统频率变化，负序滤过器输出的不平衡电流。根据电力系统允许的频率偏差，这一不平衡电流一般不会超过变压器额定电流的20%；2)当相间后备保护按远后备原则配置时，应躲过被保护变压器所连接的线路发生一相断线时，流过保护安装处的负序电流，并与线路零序过电流保护的后备段在灵敏度上相配合，防止负序过电流保护非选择性动作。”

本保护装置可躲过电流断线以及变压器及以上系统故障影响，且10 kV为不接地系统，不产生零序电流，负序电流保护按以下原则进行整定:

1)动作值按躲过变压器最大负荷电流时伴随系统变化的负序不平衡电流，根据文献 〔5〕不会超过变压器额定电流的20%，可靠系数kel为1.5。

负序过电流保护的灵敏系数校验

式中 Ik.2.min为在最小方式下，后备保护区末端不对称相间短路时，流经保护处的负序电流。要求Ksen≥2.0(近后备)或Ksen≥1.2(远后备)。

与按主变额定容量整定相比较比较，负序电流保护的灵敏度提高3倍以上。

2)动作时间整定，负序电流保护做为后备或辅助保护，针对的是10 kV线路远端不对称短路，故障电流较小，对电网设备损伤相对较小，动作时间按主变低压侧复压过流保护二、三时限配合整定，并与所有馈线过流保护的最长延时配合，负序电流保护第一时限跳闸低压侧分段断路器，第二时限跳主变低压侧，不跳主变各侧。如10 kV线路配置负序电流保护，则与10 kV线路负序电流保护配合。

5 结语

主变负序电流保护采取与现有主变后备保护共用硬件的形式，能灵敏反应10 kV出线两相短路，通过降低电流动作值，提高主变后备保护作为出线短路远后备的灵敏性，并且考虑电压断线及电流断线的影响，降低了保护的误动可能性。

〔1〕魏莉，彭建宁.变压器、配网线路后备保护配置、整定方面的改进措施 〔J〕.继电器，2007，35(17):83-85.

〔2〕电力变压器第5部分:承受路的能力:GB1094.5—2008〔S〕.北京:中国标准出版社，2008.

〔3〕国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材〔M〕.北京:中国电力出版社，2009:141-148.

〔4〕贺元康，赵鑫，樊江涛.变压器相间短路后备保护中负序阻抗继电器应用探讨 〔J〕.电力系统自动化，2011，35(15): 84-87.

〔5〕周旭，包玉胜，尤旦峰，等.变压器相间后备保护的改进〔J〕.电力系统自动化，2002，26(7):59-61.

〔6〕国家电力调度通信中心.大型发电机变压器继电保护整定计算导则:DL/T 684—1999〔S〕.北京:中国电力出版社，2000.

Development of transformer buckup protection based on negative sequence current

XIANG Wei1，LI Eying2，ZHONG Zhong1，LUO Weicheng1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Zhuzhou Power Supply Company，ZhuZhou 410082，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007)

The transformer over－current backup protection is configured mainly according to transformer’s rated current，but as far backup protection for two-phase short-circuit at line end，it’s sensitivity can’t meet the requirements of setting code usually. Based on analyzing the sequence component characteristics of power system unbalanced faults，this paper presents transformer’s negative sequence current protection to improve the sensitivity to the line’s unbalanced faults.

protective relaying；negative sequence current；transformer backup protection

TM774

B

1008－0198(2016)06－0072－04

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.020

向为(1978)，男，湖南桃源人，工程师，从事电力系统继电保护专业工作。

李娥英(1978)，女，湖南郴州人，高级工程师，从事电力系统测量计量工作。

钟忠(1978)，女，湖南株洲人，工程师，从事电力系统继电保护工作。

罗伟成(1965)，男，湖南株洲人，工程师，从事电力系统分析工作。

2016－04－08 改回日期:2016－07－21