启备变纵差保护仿真分析

叶 震

（国电汉川发电有限公司，湖北 汉川 431614）

0 引言

启动备用变压器简称“启备变”在机组启动的过程中，可以用来为厂用辅助设备和全厂公用系统提供启动电源，也可以在发电机组正常运行时为厂用辅助设备和全厂公用系统提供备用电源。因此，如果启备变能保持正常状态运行，也是对发电厂安全稳定运行的保障之一。为了防止启备变出现异常或故障状态时对发电厂的其它设备产生影响，应该为启备变配置相应的保护装置。

由于启备变在任何类型的电厂里都必须使用，在工程实际中，关于启备变以何种方式运行和运行故障分析的研究受到了广大工程技术人员的重视。文献[1-3]针对启备变在实际运行中可能遇到的情况，提出了许多应注意的事项。

从本质上来说启备变是众多变压器中的一种，对普通变压器保护的研究进展也会更加优化启备变的保护。最近几年，关于变压器各种类型保护的研究也获得了不少成果,其中研究的热点是作为变压器电气量主保护的纵差保护，尤其是在纵差保护中暂时还没有得到完美解决方案的励磁涌流鉴别的问题。文献[4-5]提取了变压器励磁涌流新的判据或者采用新的算法对纵差保护进行分析，以提高其动作的正确性。

1 启备变的纵差保护

变压器的纵差保护通常用来反映绝缘套管及引出线上各种类型的相间短路故障。纵差保护是基于基尔霍夫电流定律的，它需要将变压器各侧的电流信号送入差动继电器。根据基尔霍夫电流定律可知，当变压器保护范围内无故障时，流过该继电器的电流之和理论上为0。如果在保护范围内发生短路故障，流过该继电器的电流之和不为0。通常情况下可以通过设置一个比较小的门槛值的方法，让纵差保护能准确分辨变压器保护范围的区内、外故障。

变压器纵差保护的原理接线图如图1所示，假设被保护变压器T为双绕组降压变压器，高压侧母线为母线M，低压侧母线为母线N，设变压器变比为nT，变压器高低压侧一次侧电流分别为与之相对应的电流互感器二次电流称为和。变压器T的纵差保护需要取得流过变压器高低压侧的二次电流，如果是三绕组变压器，需要取得变压器各侧的电流，互感器同名端的接法应按照减极性法则连接，将电流互感器一、二次侧的同名端都接在靠近母线侧。并选择合适的互感器的变比，使得正常运行时变压器高低压侧电流互感器二次侧电流幅值相等，这样就能保证流入变压器纵差保护差动继电器的电流为变压器各侧二次电流的相量和，那么在出现短路时，就可以保证差动继电器准确的做出选择。

图1 变压器纵差保护原理接线图Fig.1 Wiring diagram of transformer longitudinal differential protection

变压器纵差保护在变压器正常运行或处于不正常工作状态时可能会产生不平衡电流，引起不平衡电流的主要原因有[6]：变压器高低压侧绕组接线形式不同引起的不平衡电流、变压器计算变比与现场安装的电流互感器变比不一致引起的不平衡电流、变压器分接头调整引起的不平衡电流、电流互感器传变误差引起的不平衡电流、变压器励磁电流引起的不平衡电流。

变压器纵差保护在整定时，应躲开可能存在的最大不平衡电流，否则可能会造成变压器纵差保护的误动。由于不平衡电流的幅值会随着区外故障时穿越区内的短路电流的幅值增加而增大，所以，给变压器的纵差保护设置一个能够变动的整定值，该整定值能够识别不同的短路电流，即能够随着区外故障时不同情况下的电流的变化而变化，可以提高区内故障时保护的灵敏度。

另外，还应该重视的是变压器空载合闸或故障切除后电压恢复时的励磁涌流引起的不平衡电流。而当发生励磁涌流时，不平衡电流达到了额定电流的4～8倍。如果通过保护整定值来躲开的话会使变压器纵差保护的灵敏度降低，甚至没有任何保护范围。所以，在实际中一般会通过检测二次谐波含量或间断角鉴别的方式识别励磁涌流，当变压器出现励磁涌流而非区内故障时，闭锁纵差保护，防止保护误动。图2是制动特性的差动保护的动作

图2 制动特性的差动保护Fig.2 Differential protection braking characteristics

制动特性的变压器纵差保护的动作特性可以描述如下

式中：Iset为变压器纵差保护的整定值；Iset.min为纵差保护的最小动作电流；Ires为制动电流；Ires.g为拐点g所对应的制动电流；K为制动特性折线的斜率。其中，设置纵差保护的最小动作电流是为了避免扰动存在或者数据采集系统获得的电流信号不准确时，造成保护误动。整定计算方法如下。

最小动作电流

式中IN为变压器的额定电流。

拐点电流

制动折线的斜率

2 启备变纵差保护仿真模型

汉川电厂Ⅰ、Ⅱ期共建有四台330 MW火力发电机组，四台机组均采用单元接线，接入华中电网的电压等级为220 kV。在该厂Ⅲ期扩建工程中，建设2×1 000 MW发电机组，接线方式为发-变-线，接入华中500 kV电网。汉川电厂03号启备变高压侧连接于Ⅱ期220 kV母线，低压侧分别连接在Ⅲ期5号、6号机组6 kV工作段母线上，其作用是当Ⅲ期发电机组启动过程中，若厂用6 kV工作段母线全停，则通过03号启备变将220 kV升压站母线电能送至Ⅲ期发电机组提供启动电源。

03号启备变最常见的运行方式是高压侧开关合闸，低压侧与5号、6号机组6 kV厂用电母线之间的开关均为分闸。由此可见，03号启备变在一般情况下空载运行。工程现场，03号启备变配置双套RCS-985T变压器保护装置及单套RCS-974AG2非电量保护装置。

根据03号启备变的最常见的运行方式和实际整定参数，利用MATLABsimulink仿真软件搭建纵差动保护的仿真模型，如图3所示：其中220 kVSystem为220 kV母线外部电力系统，3号、4号分别为汉川电厂Ⅱ期3号、4号发电机组，T3、T4分别为3号、4号主变，H32、H31分别为3号、4号主变高压侧开关，H34为03号启备变高压侧开关，03号qbb为03号启备变，65C0、66C0分别为汉川电厂Ⅲ期5号、6号机组6 kV工作段电源进线开关。

图3 03号启备变差动保护的仿真模型Fig.3 Simulation model of No.03 startup/standby transformer differential protection

图3 中封装的cddl模块用于获取变压器各绕组各相电流的相量和，作为变压器纵差保护的差动电流。封装的zddl模块用于获取变压器纵差保护的制动电流，这里的制动电流采用比率制动，即取变压器各绕组电流幅值之和的1/2。封装的lcdl模块和pd模块分别用于获取变压器的励磁电流和判断变压器是否发生励磁涌流，其中励磁涌流的判据采用的是励磁电流中二次谐波电流幅值和基波分量电流幅值的比值，若大于15%则判断为励磁涌流。启备变纵差保护是否启动利用S函数编程实现，若任意一相差动电流大于制动电流，纵差保护启动，否则不启动。而当启备变仅发生励磁涌流时，闭锁纵差动保护，防止保护误动。

3 结果分析

3.1 区内故障

在03号启备变高压侧引出线设置三相短路故障，高压侧电压、高低压侧绕组的短路电流如图4～6所示，启备变长期运行在空载状态，故低压侧短路电流几乎为0。

图4 启备变高压侧引出线短路故障时高压侧电压Fig.4 Voltage of high voltage winding when fault at high voltage winding

图5 启备变高压侧引出线短路故障时高压侧电流Fig.5 Current of high voltage winding when fault at high voltage winding

图6 启备变高压侧引出线短路故障时低压侧电流Fig.6 Current of low voltage winding when fault at high voltage winding

在变压器保护范围内加入故障模块，模拟区内短路故障，故障发生时间为0.1 s，仿真结果如图7所示。

图7 制动特性比率纵差保护动作情况（区内故障）Fig.7 Braking characteristic ratio longitudinal differential protection（fault inside protection zone）

图7 中纵坐标从上到下分别表示整套保护是否启动，A相差动保护是否启动，B相差动保护是否启动，C相差动保护是否启动。启动则输出“1”，不启动输出“0”。ABC分相差动保护和差动保护整体的动作情况，ABC三相中只要有一相判断为区内故障（S函数输出变为1），整套差动保护就会动作（输出由0变为1）。

以区内故障时A相为例详细分析，如图8所示：纵坐标从上到下依次是保护是否动作（动作为1，不动作为0）、A相差流幅值、A相制动电流幅值、A相二次谐波电流和基波电流幅值比。当启备变保护区内发生三相短路时，A相差动电流幅值为4×104A，制动电流为2×104A，经过S函数程序判断为区内短路故障，所以在A相二次谐波电流和基波电流幅值比在一个工频周期后稳定输出，判断为非励磁涌流状态，则开放保护，A相S函数输出1，即保护动作。

图8 差动保护区内故障（A相）Fig.8 Braking characteristic ratio longitudinal differential protection（fault inside protection zone,take phase A for example）

3.2 区外故障

设置变压器高压侧220 kV母线发生三相短路故障，对于03号启备变来说是区外故障，故障设置在0.1 s发生。仿真结果如图9所示，图中纵坐标从上到下依次为保护是否动作（动作为1，不动作为0）、A相差流幅值、A相制动电流幅值、A相二次谐波电流和基波电流幅值比。此时A相差流很小，同时制动电流也很低，未达到差动保护的启动值，S函数判断为区外故障，装置不动作，S函数输出保持0。

3.3 不正常运行状态（励磁涌流）

设置变压器铁芯饱和，饱和特性为[0,0;0.0024,1.2;1.0,1.52],ABC三相初始剩磁分别为[0.7，-0.6，-0.4]，同时该仿真模型中取消三相故障模块。设置启备变高压侧开关初始状态是分闸，在0.1 s时高压侧开关合闸。模拟变压器励磁涌流，仿真结果如图10所示。

图9 差动保护区外故障（A相）Fig.9 Braking characteristic ratio longitudinal differential protection（fault out of protection zone,phase A）

图10 差动保护励磁涌流（A相）Fig.10 Magnetizing inrush(phase A）

该仿真结果是只有励磁涌流而无故障的情况。在这种情况下，虽然差动电流已经超过了差动保护的启动电流，但二次谐波电流和基波电流幅值比超过了励磁涌流闭锁的整定值15%。所以利用该信号闭锁了整套差动保护，S函数持续输出0，保护不会误动作。

4 结语

本文利用MATLAB/simulink仿真软件，选取了RCS-985T中的比率差动保护，以汉川电厂03号启备变及相关设备的原始参数和整定值为依据，搭建了03号启备变纵差保护的仿真模型。仿真结果表明，该模型能够实现利用二次谐波判断启备变是否发生励磁涌流，若发生励磁涌流情况，则闭锁保护防止保护误动，同时可以实现分相比率差动保护的功能。

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