變壓器參數(shù)不對(duì)稱對(duì)后備阻抗保護(hù)的影響研究

陳小龍

(廣東電網(wǎng)公司 湛江供電局，廣東 湛江524001)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電能的要求也越來越高，大型電力變壓器作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，必須保證其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，因此當(dāng)主變發(fā)生需要較長(zhǎng)時(shí)間修復(fù)的故障時(shí)，必須將與主變型號(hào)一致、各方面參數(shù)相同的變壓器及時(shí)投入來替換存在故障的主變，以免對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成巨大損失［1，2］。500 kV 變電站主變一般為三相三繞組自耦變壓器，當(dāng)某相發(fā)生故障時(shí)，由于單相替換較三相替換能夠節(jié)省工程施工時(shí)間和工程費(fèi)用，所以一般只對(duì)故障相進(jìn)行替換，備用變與主變可能來自不同的生產(chǎn)廠家，短路阻抗電壓百分比存在著差異，導(dǎo)致變壓器三相短路電壓百分比參數(shù)不對(duì)稱。變壓器后備阻抗保護(hù)與變壓器繞組的阻抗有關(guān)，由此有必要對(duì)變壓器三相短路電壓百分比不對(duì)稱情況下后備阻抗保護(hù)的動(dòng)作特性進(jìn)行研究分析。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)主變替換引起的三相參數(shù)不平衡問題所進(jìn)行的研究并不多。文獻(xiàn)［3］對(duì)主變單相替換后因三相容量不平衡問題進(jìn)行了分析，從三相不平衡潮流、電壓和電流不平衡度等方面研究了主變單相替換的可行性和適應(yīng)性;文獻(xiàn)［4 ～6］通過PSCAD 及RTDS 對(duì)換流變的分接頭開關(guān)調(diào)整、諧波電流等方面進(jìn)行仿真，來研究深圳Y/Y 型換流變替換肇慶站環(huán)流變的可行性。以上都沒有涉及到主變單相替換后對(duì)變壓器繼電保護(hù)的影響，本文結(jié)合某站主變單相替換工程，從理論分析和基于PSCAD/EMTDC 仿真來研究500 kV 主變單相替換后對(duì)因三相短路電壓百分比不一致對(duì)變壓器后備阻抗保護(hù)的影響，為進(jìn)一步研究主變單相替換的可行性提供參考依據(jù)。

1 理論分析

變壓器并列運(yùn)行應(yīng)滿足以下條件［7］:(a)相位關(guān)系相同，即連接組別要相同;(b)電壓變比要相同，差值不得超過±0.5%;(c)短路阻抗相同，盡量控制在允許偏差范圍±10%以內(nèi); (d)兩條變壓器的容量比不宜超過3∶1。滿足這4 個(gè)條件就能保證參與并列運(yùn)行的各變壓器之間不產(chǎn)生過大的環(huán)流。

某500 kV 變電站主變A 相發(fā)生故障，現(xiàn)考慮用另外一臺(tái)變壓器進(jìn)行單相替換，通過對(duì)替換前后的兩臺(tái)變壓器技術(shù)參數(shù)比較，發(fā)現(xiàn)兩者的容量及電壓比均相同，三相變壓器采用相同的YN，ao，d11 接線方式。由于替換后的變壓器與替換前的變壓器并非完全同一型號(hào)，短路電壓百分比有一定的偏差，如表1 所示。

表1 主變額定檔位下短路電壓百分比Tab．1 Short-circuit voltage percentage of main transformer under rated tap position (%)

由表1 可以看出，替換后主變?nèi)喽搪冯妷喊俜直葏?shù)不對(duì)稱，其中高中壓側(cè)的三相短路電壓百分比不對(duì)稱度最大，其偏差值達(dá)到了7.4%，根據(jù)電力變壓器并列運(yùn)行的條件可知其可并列運(yùn)行而不產(chǎn)生較大環(huán)流。三相變壓器短路電壓百分比的不對(duì)稱直接影響到三相繞組等值電抗的不對(duì)稱，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，替換后的變壓器較替換前的變壓器高中壓側(cè)的等值電抗和高低壓側(cè)的等值電抗已經(jīng)變大，而中低壓側(cè)的等值電抗卻變小了一點(diǎn)。當(dāng)變壓器中壓側(cè)出線端發(fā)生故障時(shí)，高壓側(cè)故障相阻抗繼電器的測(cè)量阻抗即為變壓器高中壓側(cè)的等值阻抗，替換后A 相高中壓側(cè)的等值阻抗已經(jīng)發(fā)生變化，因此，替換后發(fā)生故障時(shí)阻抗繼電器的測(cè)量阻抗也相應(yīng)發(fā)生了變化，測(cè)量阻抗的變化對(duì)阻抗繼電器動(dòng)作特性有可能產(chǎn)生影響。

阻抗保護(hù)作為變壓器的接地及相間短路的后備保護(hù)，一般配置了反應(yīng)接地短路故障的接地阻抗保護(hù)和反應(yīng)相間短路故障的相間阻抗保護(hù)［8，9］。根據(jù)主變保護(hù)配置說明，500 kV 主變后備阻抗保護(hù)一般采用有5%偏移特性的阻抗圓，正方向阻抗動(dòng)作值可按對(duì)側(cè)母線有足夠靈敏度并與對(duì)側(cè)出線相配合進(jìn)行計(jì)算［10］。接地阻抗保護(hù)零序補(bǔ)償系數(shù)值裝置固定設(shè)為0，阻抗元件的靈敏角為75°，阻抗元件的動(dòng)作特性如圖1 所示。

圖1 阻抗保護(hù)元件動(dòng)作特性Fig．1 Action characteristic of impedance protection element

2 模型的建立

根據(jù)表1 可知，替換后變壓器三相短路電壓百分比高中繞組間的不對(duì)稱性最大，所以本次研究主要通過模擬變壓器中壓側(cè)出線端的各種故障類型來分析三相參數(shù)不對(duì)稱對(duì)高壓側(cè)阻抗繼電器的動(dòng)作特性的影響。在PSCAD/EMTDC 中建立本次的仿真模型，如圖2 所示，系統(tǒng)采用電源—變壓器—負(fù)荷模型，變壓器采用YN，ao，d11 接線方式，通過FAULTS 模塊來模擬變壓器中壓側(cè)各種類型的故障，負(fù)荷采用軟件中提供的Fixed Load模塊，對(duì)變壓器漏抗參數(shù)的設(shè)置可反映出三相短路電壓百分比的不對(duì)稱性。在變壓器正常運(yùn)行的過程中，變壓器中壓側(cè)所帶負(fù)荷為額定容量的75%，負(fù)荷功率因數(shù)為0.95，變壓器低壓側(cè)一般不帶負(fù)荷或者帶少量的負(fù)荷。

圖2 系統(tǒng)仿真模型Fig．2 Model of system simulation

阻抗繼電器采用0°接線方法，通過測(cè)量高壓側(cè)三相的電壓和電流，然后對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得到阻抗保護(hù)的動(dòng)作特性，接入阻抗繼電器高壓側(cè)三相的電壓和電流處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig．3 Flow chart of data processing

(1)將測(cè)量的高壓側(cè)三相電壓、電流數(shù)據(jù)通過On-Line Frequency Scanner (FFT)模塊，進(jìn)行傅里葉分析，提取三相基波電壓和電流的幅值、相位。

(2)將三相基波電流的幅值、相位通過Sequence Filter 模塊，通過對(duì)稱分量分析，獲取電流的正、負(fù)、零序分量的幅值和相位。

(3)將三相基波電壓和電流的幅值、相位以及零序電流的幅值和相位送入Line to Ground Impedance 模塊計(jì)算出接地阻抗的R 值和X 值，并且將三相基波電壓和電流的幅值、相位送入Line to Line Impedance 模塊計(jì)算出相間阻抗的R 值和X 值。

(4)將R 值和X 值輸入圓特性阻抗元件Mho Circle 模塊，該模塊可以根據(jù)整定阻抗值設(shè)置特征圓的坐標(biāo)原點(diǎn)和半徑，根據(jù)輸入的R 值和X 值將可判斷測(cè)量阻抗是否在動(dòng)作圓內(nèi)，如果在阻抗圓內(nèi)結(jié)果輸出為1，否則結(jié)果輸出為0。同時(shí)將R值和X 值送入XY Plots 模塊，該模塊可以繪出阻抗動(dòng)作圓及測(cè)量阻抗的軌跡。

3 仿真與分析

3.1 正常運(yùn)行方式

在正常運(yùn)行方式下，替換前后變壓器高壓側(cè)A 相接地阻抗元件及AB 相間阻抗元件的測(cè)量阻抗如圖4 所示，圖中阻抗以Ω 為單位。其他相接地阻抗元件和相間阻抗元件的測(cè)量阻抗類似。

圖4 正常運(yùn)行時(shí)，接地與相間阻抗元件的測(cè)量阻抗Fig．4 Measurement impedance of grounding and interphase impedance element under normal condition

從圖4 中可以看出，變壓器接地阻抗元件與相間阻抗元件的測(cè)量阻抗在替換前后基本一致，兩條阻抗軌跡線基本重合并且沒有進(jìn)入動(dòng)作阻抗圓的范圍內(nèi)，因此替換后并不會(huì)引起阻抗保護(hù)的誤動(dòng)作。

3.2 變壓器故障分析

(1)發(fā)生接地短路故障時(shí)

教師提出問題：血紅蛋白的結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)，具有哪些特性？并組織學(xué)生閱讀教材中血紅蛋白結(jié)構(gòu)的相關(guān)文字。教師繼續(xù)設(shè)問：了解了血紅蛋白的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該選擇什么樣的實(shí)驗(yàn)材料提取血紅蛋白？為什么？選好材料以后，如何從中分離出血紅蛋白呢？首先應(yīng)該了解血液中除血紅蛋白外還含有哪些成分？教師利用一系列問題，引導(dǎo)學(xué)生分析血液的成分，尋求獲得血紅蛋白的思路。最后，學(xué)生閱讀教材并思考：若整個(gè)實(shí)驗(yàn)按照上述思路完成，實(shí)驗(yàn)分為幾個(gè)環(huán)節(jié)？從而過渡到“樣品處理”環(huán)節(jié)。

變壓器中壓側(cè)出線端發(fā)生A 相接地短路故障時(shí)，變壓器高壓側(cè)反應(yīng)A 相接地短路故障的接地阻抗元件的測(cè)量阻抗如圖5 所示，圖中阻抗以Ω為單位。

圖5 接地故障時(shí)，接地阻抗元件的測(cè)量阻抗Fig．5 Measurement impedance of grounding impedance element under grounding fault

從圖5 中可以看出，替換前后接地阻抗元件的測(cè)量阻抗軌跡線不重合，替換后的測(cè)量阻抗軌跡線在替換前的上面，即替換后的測(cè)量阻抗比替換前的測(cè)量阻抗相應(yīng)要大些，從表1 中可以看出，這是因?yàn)樘鎿Q后的A 相高中壓側(cè)阻抗較替換前增大了，當(dāng)變壓器中壓側(cè)發(fā)生A 相接地短路故障時(shí)，高壓側(cè)A相接地阻抗元件測(cè)量阻抗的穩(wěn)態(tài)值就是等效到高壓側(cè)的高中繞組等值阻抗。替換后測(cè)量阻抗的增大降低了阻抗保護(hù)的靈敏性，但不至于使阻抗保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

(2)發(fā)生相間短路故障時(shí)

變壓器中壓側(cè)出線端發(fā)生AB 相間短路故障時(shí)，變壓器高壓側(cè)反應(yīng)AB 相間短路故障的相間阻抗元件的測(cè)量阻抗如圖6 所示，圖中阻抗以Ω為單位。

圖6 相間故障時(shí)，相間阻抗元件的測(cè)量阻抗Fig．6 Measurement impedance of interphase impedance element under phase to phase fault

從圖6 中可知，替換前后相間阻抗元件的測(cè)量阻抗軌跡線很靠近但不相重合，替換后的軌跡線在替換前的上面，即替換后的測(cè)量阻抗比替換前的測(cè)量阻抗要稍微大一點(diǎn)，但兩者之間的差值比圖5 中的要小，即三相短路電壓百分比不對(duì)稱對(duì)相間阻抗元件的影響要小于接地阻抗元件。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生AB 相間短路故障時(shí)，高壓側(cè)AB 相間阻抗元件測(cè)量阻抗的穩(wěn)態(tài)值，等于A 相等效到高壓側(cè)的高中繞組等值阻抗與B 相等效到高壓側(cè)的高中繞組等值阻抗之和的一半，由于替換前后只有A 相高中壓側(cè)的短路電壓百分比發(fā)生了變化，所以相間阻抗元件替換前后的變化近似為接地短路故障時(shí)相應(yīng)相接地阻抗元件替換前后變化的一半。

(3)發(fā)生三相短路故障時(shí)

變壓器中壓側(cè)出線端發(fā)生ABC 三相短路故障時(shí)，替換前后變壓器高壓側(cè)A 相接地及AB 相間阻抗元件的測(cè)量阻抗如圖7 所示，其他相的接地阻抗和相間的測(cè)量阻抗類似，圖中阻抗以Ω 為單位。

圖7 三相故障時(shí)，接地及相間阻抗元件的測(cè)量阻抗Fig．7 Measurement impedance of grounding and interphase impedance element under three phase fault

根據(jù)圖7 可知，替換前后接地阻抗元件比相間阻抗元件的測(cè)量阻抗變化要大，替換后阻抗元件測(cè)量阻抗的增大降低了阻抗保護(hù)的靈敏性，但接地阻抗元件和相間阻抗元件的測(cè)量阻抗都進(jìn)入了動(dòng)作特性圓內(nèi)，能夠使阻抗保護(hù)正確動(dòng)作。

4 結(jié)論

(1)兩臺(tái)500 kV 主變的電壓和變比、容量及三相連接組別均一致，但兩者的短路電壓百分比最大偏差為7.4%，根據(jù)電力變壓器并列運(yùn)行條件認(rèn)為當(dāng)主變某相發(fā)生故障時(shí)用另外一臺(tái)變壓器進(jìn)行單相替換具有一定的可行性。

(2)雖然單相替換后三相短路電壓百分比參數(shù)出現(xiàn)了一定程度的不對(duì)稱，但通過仿真以及分析可以發(fā)現(xiàn)，變壓器三相短路電壓百分比一定程度的不對(duì)稱并不會(huì)影響后備阻抗保護(hù)的正確動(dòng)作。

(3)單相替換后短路電壓百分比參數(shù)的增大，故障時(shí)將會(huì)使反應(yīng)故障的阻抗元件測(cè)量阻抗變大，降低阻抗元件的靈敏性。

(4)單相替換后短路電路電壓百分比的變化，對(duì)替換相接地阻抗元件的影響要比替換相相間阻抗元件的要大，替換相相間阻抗元件測(cè)量阻抗的變化近似為替換相接地阻抗元件測(cè)量阻抗元件變化的一半。

本文主要研究了變壓器單相替換后對(duì)后備阻抗保護(hù)的影響，參數(shù)不對(duì)稱對(duì)于變壓器其他保護(hù)的影響有待于進(jìn)一步研究。

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