变压器死区故障的继电保护方案设计

欧阳琦，吕璐，胡喆，王明慧

（1.国网江西省电力有限公司吉安县供电分公司，江西 吉安 343000；2.吉安职业技术学院，江西 吉安 343000）

0 引言

在变电站中，变压器的主保护采用差动保护，即保护变压器双侧（双绕组变压器）或三侧（三绕组变压器）电流互感器（TA）所形成的闭合区域，当此区域内发生故障时，启动变压器差动保护出口将变压器各侧断路器断开。当故障发生在变压器某侧断路器与电流互感器之间时（即变压器死区故障），由于差动保护范围内无法检测到差动电流，首先是该侧断路器母差保护或后备保护动作将该侧断路器断开，此时故障还没有被切除，电源侧仍然会向故障处输送故障电流，故障最终依靠变压器的后备保护隔离，故障切除时间过长，主变长时间承受短路电流的冲击，可能造成变压器损坏[1]。对于变压器死区范围内的故障，文献[1]提出变压器110 kV侧的一种死区保护改进方案，但没有对变压器其他电压等级侧（尤其是35 kV及以下）的死区故障进行分析研究。文献[2]利用母差保护中母联死区故障保护原理提出利用“封电流互感器”的方式将变压器死区故障快速隔离，并提出几种方案结合起来使用，但此文献是基于110 kV母线带有母差保护，能在死区故障发生时瞬时启动母差保护，而如果死区故障发生在35 kV及以下断路器侧，故障切除的时间依然较长。文献[3]在断路器各侧装设一组电流互感器，同时当某侧电压低于正常运行电压时闭锁相应侧保护，不同时限断开相关断路器隔离死区故障，但是此方案需要检测断路器两侧的电压是否恢复正常，对于单电源供电的断路器此法并不适用。文中增加一个差流装置，通过电流互感器与相应断路器的配合快速识别故障区域，并在识别不同区域后启动相应区域的保护，实现了快速切除故障的同时又不扩大停电范围。

1 变压器死区故障的分析

以如图1所示的某220 kV变电站一次接线图为例分析。220 kV系统为电源侧，110 kV和35 kV系统为负荷侧，保护装置型号为许继WBH-801A，该系统中变压器主保护为差动保护，由TA1、TA2、TA3构成的闭合区域组成差动回路。当110 kV侧K1区域发生故障时，由于故障点处于电流互感器TA2与断路器2QF之间（即变压器死区故障），不在主变差动回路内，本应由变压器差动保护跳开三侧开关，但却是110 kV母线差动保护先动作，跳开母线I上所有断路器。此时故障依旧存在，220 kV电源侧向故障点继续输送短路电流，最终故障由变压器中压侧零序过流保护（针对接地故障）或相间过流保护（针对相间故障）经过4.5 s延时动作跳开主变三侧开关。由此看出，变压器死区故障至少需要4.5 s以上的时间才能够将故障隔离，故障切除时间过长，严重影响变压器的安全稳定运行[4]。

图1 220 kV变电站接线图及死区故障位置

当变压器死区故障发生的那一侧是在110 kV及以上电压等级时，由于此时母线都配有母差保护，所以首先是该侧的母差保护动作瞬时切除变压器该侧断路器以及该母线上连着的其他断路器，然后由变压器后备保护切除电源侧断路器，与上述的说明类似。当变压器死区故障发生的那一侧是110 kV以下电压等级时，首先由该侧的后备保护切除该侧断路器，一般动作时间为0.3 s～1.1 s，然后由变压器电源侧后备保护切除故障，故障切除时间更长[5-6]。

2 变压器死区故障的方案设计

要想实现变压器死区故障的快速切除，就必须在最短时间内识别故障是发生在死区范围内，然后直接启动保护出口跳开变压器三侧开关。因此，最关键的问题是找到一种快速判别故障发生在死区范围内的方法。文中按照这种思路提出以下两种设计方案。

2.1 方案1

将变压器某侧断路器的电流互感器与该侧母线上连着的全部电流互感器组成一个差流回路，当差流回路保护范围内发生故障时，差流装置检测到差流，立即出口跳开变压器该侧断路器，同时向变压器差动保护和该侧母差保护或后备保护发送闭锁信号。然后由新型保护装置通过变压器该侧电流互感器是否有电流来选择解除或继续闭锁相关的保护，就能将故障快速切除并且不扩大停电范围。

以35 kV侧死区故障保护为例分析，如图2所示，将变压器35 kV侧电流互感器以及35 kV母线各出线电流互感器的电流信号送到差流装置中，当K3区域故障时，差流装置检测到差动电流大于启动值，立即出口跳开3QF断路器，同时向主变差动保护该侧线后备保护发送闭锁信号；ITA3＞Iset再由新型保护装置检测到ITA3＞Iset，此时解除主变差动保护闭锁信号，变压器三侧断路器跳开将故障隔离开来。当K5、K6或K7区域发生故障时，瞬时跳开3QF后，不满足ITA3＞Iset，此时解除该侧线路侧保护闭锁信号，如果L1和L2的对端为受电端，那么故障就已经被切除了；如果L1或L2的对端也存在电源，那么由35 kV的线路保护切除对端的断路器，就能把故障切除。其中，Iset为躲过最大负荷电流的整定值。

图2 变压器死区故障保护方案1示意图

此方案不仅能实现变压器死区K3故障的快速切除，且针对K5、K6、K7处的故障也能通过差流装置判定保护出口瞬时断开3QF开关，使得本应是变压器35 kV侧后备保护延时切除故障变为瞬时切除故障，提高了系统的安全稳定性。

2.2 方案2

在断路器的另一侧增设一组电流互感器，将变压器该侧断路器两侧电流互感器的电流信号送到差流装置中，当差流回路内发生故障时，差动电流大于动作值立即启动出口跳开变压器该侧断路器，同时向变压器差动保护和该侧母差保护或后备保护发送闭锁信号，然后比较两侧电流互感器的电流值来解除相应的保护，实现对故障的快速切除。

以变压器110 kV侧死区故障为例，如图3所示，在断路器2QF的另一侧增设一组电流互感器TA4，当图中K1或K2区域发生故障时，差流装置能检测到差动电流，此时立即跳开2QF断路器，同时向变压器差动保护和110 kV母线差动保护发送闭锁信号，若此时满足式ITA2＞Iset则可以判定是K1区域发生故障，新型保护装置向主变差动保护发送解除闭锁信号，故障切除；若不满足ITA2＞Iset则可以判定是K2区域发生故障，新型保护装置向母线差动保护发送解除闭锁信号，故障切除。其中，Iset为躲过最大负荷电流的整定值。

图3 变压器死区故障保护方案2示意图

3 变压器死区故障保护两种方案的分析

3.1 两种方案的保护时限

根据文献的研究数据，新型保护装置动作时间按20 ms考虑，断路器开断时间按60 ms考虑，主变差动保护和该侧线路保护闭锁信号接受时间按5 ms考虑（该过程与断路器开断过程同时进行），新型保护装置根据判据判断故障区域按30 ms考虑，解除相关保护闭锁按5 ms考虑，主变差动保护动作按20 ms考虑，母线差动保护动作按20 ms考虑。

方案1 K3区域故障与方案2 K1区域故障切除时间=新型保护装置动作时间+断路器开断时间（主变差动保护和该侧线路保护闭锁信号接受时间）+判断故障区域时间+解除主变差动保护动作时间+主变三侧断路器开断时间=175 ms

当35 kV系统对端没有电源时，方案1 K5、K6或K7区域故障切除时间=新型保护装置动作时间+断路器开断时间（主变差动保护和该侧线路保护闭锁信号接受时间）=80 ms

当35 kV系统对端有电源时，由于故障范围不属于瞬时动作段，所以故障切除时间按对端保护延时计算。

对于方案2中K2区域发生故障时，本来是直接启动110 kV母差保护的，但是方案2的逻辑是先跳开2QF，再进行故障区域判别后，才启动110 kV母差保护。相较于正常情况下K2区域故障，方案2多了2QF断路器跳闸时间、故障区域判别时间以及解除母差保护闭锁时间。故方案2情况下K2区域发生故障比正常情况要晚95 ms切除，延时在100 ms以内，属于可以接受的范围。

由上述分析可知，当变压器死区故障时，采用方案1和方案2均能够保证故障在200 ms内被切除，比靠后备保护切除故障快得多。

3.2 两种方案情况下断路器拒动

两方案中，当差流装置保护范围内故障时应立即跳开变压器该侧断路器，如果此时该断路器拒动，近变压器侧电流互感器电流值依然大于动作值，解除主变差动保护的闭锁，从而使主变三侧跳闸，但此时故障依然存在，靠线路侧的保护才把故障切除。

以方案2中2QF断路器拒动为例分析，K2区域故障切除时间=新型保护装置动作时间+断路器开断时间（主变差动保护和该侧线路保护闭锁信号接受时间）+判断故障区域时间+解除主变差动保护动作时间+主变三侧断路器开断时间+解除母差保护动作时间+母线上相关断路器开断时间=240 ms。

所以，当2QF拒动时，采用方案2故障能够在240 ms被切除。对比不采用此文中的方案，当K2区域发生故障而2QF断路器拒动时，母差保护动作时间按20 ms考虑，断路器开断时间按60 ms考虑，判断为失灵并启动失灵保护按100 ms考虑，故障切除时间为240 ms。因此文中研究的两种方案亦可以起到变压器该侧断路器失灵保护的作用。

3.3 两种方案的比较

两种方案的实现原理是一样的，只是在不同的情况下各有优势，两方案的逻辑框图如图4所示。方案1在原有一次设备基础上通过改变判断逻辑及相应的保护配合实现了死区故障的快速切除，且方案1针对部分区域还能够让原本后备保护动作变为瞬时动作。但是方案1亦有局限性，对于单母线分段接线和双母线接线方式，由于分段断路器和母联断路器的存在，保护的配合较为复杂。特别是在元件非固定连接的双母线接线方式中，差动回路不固定，也会给保护的配合带来影响。所以，方案1适合用在该侧断路器为单母线接线情况。

图4 新型保护装置动作逻辑

虽然方案2的使用不受断路器该侧接线情况的影响，但方案2增加了一组电流互感器，变电站建设投资增大，所需要的场地也更多，提高了可靠性，牺牲了经济性。故方案2适合用在断路器该侧为双母线接线或单母线分段接线等复杂情况。

4 结语

文中针对变电站变压器死区故障进行分析，通过改变判断逻辑及相应的保护配合，提出了两种快速切除死区故障的方案。这两种方案较于之前的研究切除故障时间更快，同时不扩大停电范围，其中方案1改造成本低，但适用面窄；方案2改造成本高，但适用面宽。实际应用中两种方案结合起来使用，可有效提高主变及电网的安全稳定性。