基于RTDS的上海地区110 kV变压器保护仿真建模研究

宋杰，徐洁，周德生，郑浩，范嘉玮（.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海　00437；.上海电科园技术转移有限公司，上海　00090）

基于RTDS的上海地区110 kV变压器保护仿真建模研究

宋杰1，徐洁1，周德生1，郑浩2，范嘉玮2
（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437；2.上海电科园技术转移有限公司，上海200090）

针对上海地区110 kV电压等级变压器采用的Yy10特殊结构，阐述了基于Yy10变压器模型的变压器保护方案基本原理，推导了基于该原理的Yy10双绕组变压器的动作方程，提出了基于Yy10变压器的保护方案，对比了Yy10与Yd11不同连接组别的区别，建立了基于RTDS的变压器保护动模试验模型。仿真试验结果表明该Yy10变压器可以可靠地应用在上海电网中，并保证其安全稳定运行。

变压器保护；RTDS；Yy10；励磁涌流

近几年来，随着国民经济和电力工业的发展，中国电网建设的成就也越来越受到世界瞩目。作为电力系统中的重要一环，变压器能否安全运行，对电网的能否安全可靠运行具有重大的意义。尤其是随着特高压电网的建设与发展，电力变压器一旦发生事故，检修较为困难且耗时较长，会给电网运行带来较大的经济损失。因此，保障变压器的安全稳定运行具有重大的意义。

上海地区110 kV变压器采用的是Yy10接法，而现有的论文研究普遍以Yd联结组别的变压器作为研究变压器保护的对象。文献［1-4］以Yd联结组别的变压器作为动模试验研究的对象，分别提出了基于新型半周期波形正弦特征、小波理论和多分辨分析及不同傅里叶算法之间相似度等不同理论的励磁涌流判别方法。文献［5-6］基于Yd11联结组别变压器的物理结构，进行了相关暂态数学模型的推导，并在此基础上建立了仿真试验模型。文献［7-9］对变压器的励磁涌流波形特征作出了原理性分析，提出了改进的励磁涌流判别方法，建立了基于Yd11联结组别变压器结构的仿真试验模型。

目前，国内外极少有文献提及对Yy10联结组别变压器的数学模型研究，更几乎未有对Yy10联结组别变压器的仿真建模研究。为了更好地对上海地区的110 kV变压器的安全可靠运行提供理论与技术保证，有必要对相应的Yy10变压器进行仿真建模分析，为上海电网的安全稳定运行提供坚实可靠的理论保证和试验模型验证。本文阐述了基于Yy10变压器模型的变压器保护方案基本原理，推导了基于该原理的Yy10双绕组变压器的动作方程，提出了基于Yy10变压器的保护方案，对比了Yy10与Yd11不同连接组别的区别，建立了基于RTDS的变压器保护动模试验模型。仿真试验结果表明该方案能够可靠、迅速的切除变压器内部故障。

1　基本数学模型

根据图1所示的双绕组单相变压器示意图，进行了相应的暂态数学模型推导［5，10］，公式如下：式中：u1、u2为一、二次变压器绕组的电压；r1、r2为一、二次变压器绕组的电阻；i1、i2为一、二次变压器绕组的电流；L1、L2为一、二次变压器绕组的漏感；N1、N2为一、二次变压器绕组的漏感；Ψm为一、二次变压器绕组的互感磁通。

图1　双绕组单相变压器Fig.1　Two-winding single-phase transformer

设变压器的变比为nT=N1/N2，将式（1）中的消去，可得：

根据式（2）可知，当变压器处于正常运行状态或发生外部故障、励磁涌流等情况时，由于变压器的结构未发生改变，漏阻抗参数等也不变，则式（2）两端等式成立。而当变压器发生内部故障时，由于变压器模型的内部结构参数发生了变化，式（2）两端产生了差值，等式不再成立［5-6］。因此，可通过判别式（5）是否成立，来作出保护动作与否的判据。

下面推导了双绕组的动作方程，并根据其动作方程提出相应的保护判据。

2　动作方程

根据图2所示的Yy10接线的三相变压器原理图，可推得：

式中：uA、uB、uC为高压侧变压器绕组各相的电压；ua、ub、uc为低压侧变压器绕组各相的电压；rA、rB、rC为高压侧变压器绕组各相的电阻；ra、rb、rc为低压侧变压器绕组各相的电阻；iA、iB、iC为高压侧变压器绕组各相的电流；ia、ib、ic为低压侧变压器绕组各相的电流；LA、LB、LC为高压侧变压器绕组各相的漏感；La、Lb、Lc为低压侧变压器绕组各相的漏感；Ψm为一、二次变压器绕组的互感磁通。

图2　Yy10变压器连接示意图Fig.2　The diagram of Yy10 transformer

由于系统阻抗三相参数对称相等，不妨令高压侧rA=rB=rC=r1，LA=LB=LC=L1；低压侧ra=rb=rc=r2，La=Lb= Lc=L2。将式（3）（4）合并，使得式中的消去，并归算到高压侧，可以得到：

鉴于变压器厂家一般只提供短路电抗的参数xk，而并不提供各侧绕组的漏感参数L1、L2，根据双绕组变压器的关系式，将代入式（5），可以得到：

当变压器处于正常运行状态或发生变压器外部故障时，三相差动电流值很小，几乎为零；而当变压器内部故障和励磁涌流时，差动电流增大。在变压器处于正常运行状态或发生变压器外部故障、励磁涌流等情况时，由于变压器的结构未发生改变，漏阻抗参数等也不变，则式（6）中的3个等式两端成立；而当变压器发生内部故障时，由于变压器模型的内部结构参数发生了变化，式（6）两端产生了差值，等式不再成立，且故障越严重，等式两边的差别就会越大［5-6］。因此，可通过判别式（6）是否成立，来作出Yy10变压器保护动作与否的判据。

3　接线方式对比

考虑到现有的文献主要是以Yd11联结组别变压器为研究对象，论文将其与上海地区110 kV所采用的Yy10联结组别变压器的主要优缺点作出对比分析：

变压器Yd11接线的主要优点是：对于Yd11连接的三相变压器，由于二次绕组采用的三角形连接闭合回路提供了三次谐波电流的通路，铁芯中的三次谐波磁通和绕组中的三次谐波电动势都被大幅度削弱，从而对变压器的运行影响较小。

对于Yy10联结组别的变压器而言，由于二次侧相电动势中有三次谐波，因此将危及线圈绝缘，从而限制了其在大容量变压器中的应用。尽管如此，但Yy10联结组别变压器仍有无法取代的优势：Y形和三角形相比，承受相同线电压时Y形每相线圈所承受的电压较小，所以在制造上Yy10联结组别变压器所需使用到的绝缘材料比Yd11联结组别变压器要少；而在相同的绝缘水平下，Yy10接法可比Yd11接法可获得较高的电压（:由于每相流过的电流较大（Yy结构中线电流即为相电流），选用的导线截面较粗，所以线圈的机械强度较好，较能耐受短路时的机械应力，具有较好的动稳定性；此外，由于选用的导线较粗，可以使得匝间产生较高的电容，耐受住较高的冲击电压，具有较好的热稳定性，从而可以大大提高系统的安全可靠性，减少了短路故障时变压器受损的可能性。

综上所述，Yy10相较于Yd11结构而言，在变压器容量不大的情况下，经济性、安全可靠性上都有很大的优势。

4　动模试验模型

为了更好的对Yy10变压器保护运行特性进行分析与研究，建立了基于RTDS的动模试验系统仿真模型，其中变压器采用三单相变压器组Yy10。动模试验系统接线如图3所示。模型中，高压侧接等效电源，低压侧两条支路均接负载；低压侧试验变压器为三单相变压器组Yy10，高压侧直接接地，低压侧经5.6 Ω小电阻接地，两侧的电流互感器二次均接成星形，并按照试验标准要求在低压侧并联电压互感器。高压侧与低压侧电流互感器变比分别为400/1 （110 kV）、2 500/1（10.5kV）。

图3　动模试验系统示意图Fig.3　The system diagram of dynamic simulation

单相变压器参数分别为：额定容量40 MV·A；电压变比为110 kV/10.5 kV；高压侧电流互感器变比为400/1，低压侧电流互感器变比为2 500/1；空载损耗0.001 pu，漏抗为0.155 pu，空载电流1%。实验中，数据记录仪采样率为2.5 kHz。

变压器高压侧区内发生A相接地瞬时故障波形如图4所示。变压器高压侧B相空投故障变压器的并发涌流波形如图5所示。图中，HVA、HVB、HVC分别为高压侧A、B、C相电压；LVA、LVB、LVC分别为低压侧A、B、C相电压；IH6A、IH6B、IH6C分别为高压侧A、B、C相电流；IH1A、IH1B、IH1C分别为低压1侧A、B、C相电流；ICT2A、ICT2B、ICT2C分别低压2侧A、B、C相电流；FLTWD1为第一次故障时的故障信号，FLTWD2为第二次故障时的故障信号；T11为高压侧差动保护及后备保护装置动作信号；T12为低压侧差动保护及后备保护装置动作信号。

4.1单相接地故障

在变压器高压侧区内设置了A相接地瞬时故障。故障后，高压侧A相的电流迅速增大，A相的电压降为0，而BC两相的电压则升高。由于Yy10结构的原因，高压侧A相对应的是低压侧的c相。所以受到变压器高压侧区内单相接地故障的影响，高压侧A相电压的大幅下降，影响了低压侧的c相电压的下降，而低压侧的a、b相电压则略微升高。从而导致了低压侧c相电流的下降，而低压侧的a、b相电流则升高。考虑到上海规范要求10.5 kV侧中性点经5.6 Ω小电阻接地，故障电流固定为1 000 A，而10.5 kV侧电流互感器的变比为2 500/1。单相接地时将差动定值修改为0.4 A，其他故障差动定值1 A（动作时间按照DLT 770-2012要求，110 kV及以下变压器差动保护两倍动作电流动作时间不大于40 ms）。继电保护动作，顺利切除高压侧A相故障，高压故障相A相电流幅值逐渐降低。故障切除后，变压器高压侧电压恢复正常，低压侧电压变为接近0，高压侧、低压1侧及低压2侧电流均变为0。通过建立的动模试验系统进行仿真验证，可得知继电保护装置判断正确，在变压器区内发生单相接地短路故障时，差动保护按照修正后的定值能够正确动作，可顺利地将变压器从系统中切除，动作时间在40 ms以内，从而保障了系统的安全可靠性。

图5　变压器高压侧B相空投故障变压器的并发涌流波形Fig.5　The concurrent surge waveform of B phase of the transformer switching with no-load

4.2励磁涌流

在变压器空载状态下，投入高压侧B相接地故障，由仿真结果可以看出，空投变压器高压侧B相时，由于铁芯饱和，出现了并发涌流，且该涌流具有很大峰值。高压侧B相的电流由0迅速增大，A相的电流也由0略有升高。由于Yy10结构的原因，高压侧B相对应的是低压侧的a相。所以高压侧B相电压的大幅下降，影响了低压侧的a相电压的大幅下降；A、C两相的电压升高，而低压侧的b、c相电压则略微升高。通过建立的动模试验系统进行仿真验证，可得知继电保护装置判断正确，在变压器空载状态下投入故障时，差动保护按照相应的整定值正确动作，顺利地将变压器从系统中切除，动作时间在40 ms以内，从而保障了系统的安全可靠性。

5　结语

1）论文阐述了基于Yy10变压器模型的变压器保护方案基本原理，推导了基于该原理的单相变压器暂态数学模型，并在此基础上推导了Yy10双绕组变压器的动作方程。

2）根据上海电网110 kV变压器的实际联结组别选型情况，对比了Yd11与Yy10不同连接组别的区别，分别分析了上海市区电网中110 kV变压器采用Yd11与Yy10联结组别结构优缺点。

3）根据上海电网110 kV变压器的相关运行参数，建立了基于RTDS的变压器保护动模试验模型。仿真动模试验运行结果表明，提出的相关保护方案能快速可靠切除系统中发生的故障，从而提高了系统运行的安全性和可靠性。

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（编辑黄晶）

Study on the 110kV Transformer Protection Simulation Modeling in Shanghai Area Based on RTDS

SONG Jie1，XU Jie1，ZHOU Desheng1，ZHENG Hao2，FAN Jiawei2
（1.State Grid Shanghai Electric Power Research Institute，Shanghai 200437，China；2.Shanghai EPSP Technology Transfer Co.，Ltd.，Shanghai 200090，China）

Aiming at the special Yy10 structure of the 110 kV transformer in Shanghai，the paper describes the basic principle of the transformer protection scheme based on the transformer Yy10.The operation equation model of two-winding transformer is derived from the principle and the transformer protection scheme of the Yy10 is proposed.The differences between Yy10 and Yd11 transformers are compared and the transformer protection dynamic simulation test model based on RTDS is established.The simulation results show that the Yy10 transformer can be reliably applied to the Shanghai Grid so as to ensure its safe and stability.

transformer protection；RTDS；Yy10；inrush current

1674-3814（2016）06-0108-06

TM64；TM743

B

2015-10-15。

宋杰（1984—），男，工程师，研究方向为电力系统继电保护、智能变电站工程应用技术等；

徐洁（1989—），女，工学硕士，研究方向为电力系统继电保护、智能变电站工程应用技术等；

周德生（1984—），男，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护、智能变电站工程应用技术等。

国家科技支撑计划课题资助项目（2013BAA01 B04）

Project Supported by National Science and Technology Support Program（2013BAA01B04）.