基于220kV變電站仿真系統(tǒng)的變壓器保護(hù)應(yīng)用

變壓器故障的主要保護(hù)形式為縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，其保護(hù)可以無延時(shí)地切除變壓器內(nèi)部繞組和引出線的相間和接地故障，甚至匝間短路，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。一般來講，并列運(yùn)行的變壓器，容量為6300kVA以上時(shí);單獨(dú)運(yùn)行的變壓器，容量為10000kVA以上時(shí);發(fā)電廠廠用工作變壓器和工業(yè)企業(yè)中的重要變壓器，容量為6300kVA以上時(shí)，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。

電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)

第一，使用方便、實(shí)時(shí)仿真。該軟件運(yùn)行方便，不受其他條件的影響。其優(yōu)點(diǎn)是：投資比較少、使用靈活性較強(qiáng)、容易維護(hù)和更新。

第二，界面直觀、操作容易。該仿真軟件操作界面包含變電站概況、運(yùn)行工況、控制室、就地操作屏、繼電保護(hù)屏、站用電/直流系統(tǒng)六大部分。界面切換不同仿真環(huán)境，操作控制接近實(shí)際現(xiàn)場。

第三，組合靈活、內(nèi)容全面。電網(wǎng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，功能從簡單到復(fù)雜，模擬各種類型工況并且可以組合不同的工況，逐步進(jìn)入復(fù)雜的現(xiàn)場仿真環(huán)境。

電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的功能

變電站仿真系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)包括三部分：正?；静僮髂K（變壓器分接頭、補(bǔ)償設(shè)備調(diào)壓;“五防”操作;電容器、電抗器停復(fù)役;母線、線路、變壓器停復(fù)役）、故障及異常事故處理模塊（電容器、電抗器故障;保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)故障;開關(guān)拒動(dòng)、誤動(dòng)故障;母線、線路變壓器永久故障;母線、線路、變壓器瞬時(shí)故障）和保護(hù)及自動(dòng)裝置模塊（自動(dòng)裝置;常規(guī)保護(hù);微機(jī)保護(hù)）。

電網(wǎng)仿真系統(tǒng)采用開放式的實(shí)時(shí)UNIX操作系統(tǒng)作為仿真軟件運(yùn)行環(huán)境，包括35kV、220kV、主變壓器等各種一次設(shè)備。內(nèi)置了400多種不同工況下的故障類型，可以仿真一種或者同時(shí)仿真多種故障。該仿真系統(tǒng)結(jié)合了電力專業(yè)開設(shè)的“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程，加深學(xué)生對電力系統(tǒng)故障分析、繼電保護(hù)原理及實(shí)現(xiàn)、繼電保護(hù)裝置運(yùn)行和維護(hù)的理解。同時(shí)，為學(xué)生提供一個(gè)自己動(dòng)手設(shè)置故障的仿真平臺(tái)，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)和自主解除疑問的積極性，提高了學(xué)生的故障分析能力。通過三維動(dòng)畫、三維影像、聲音與文本以及圖形結(jié)合，刺激學(xué)生的聽覺以及視覺神經(jīng)，明顯提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深印象，這樣便能夠取得更好的培訓(xùn)效果。軟件采用分屏切換，其中包括故障類型的設(shè)定、工況的復(fù)位、系統(tǒng)運(yùn)行/凍結(jié)、變電站運(yùn)行狀態(tài)，變電站運(yùn)行狀態(tài)又可以通過控制屏查看所有保護(hù)元件的實(shí)時(shí)狀態(tài)，如設(shè)備的開斷、警報(bào)鈴聲、光字牌顯示、警報(bào)記錄表顯示，能夠觀察運(yùn)行變化的每一步。該軟件模擬新建220kV變電站進(jìn)行各種繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)。

新建220kV變電站220kV母線的接線采用雙母線雙分段接線方式，一共有8回出線（2201-2208）;在220kV母線上有2臺(tái)分段斷路器，2臺(tái)母聯(lián)斷路器。3臺(tái)主變（T1-T3），變比為220kV/35kV，單臺(tái)容量為100MVA。35KV母線的接線采用單母線6分段接線方式，共24回出線（301-324）;3組電容器;2臺(tái)站用變，變比為35kV/380V。根據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)定，裝設(shè)在主變壓器上的保護(hù)有：差動(dòng)保護(hù)（BCH-1），220kV零序電流保護(hù)Ⅰ、Ⅱ段，220kV零序電壓保護(hù)，220kV電流速斷保護(hù)，220kV過電流保護(hù)，35kV過電流保護(hù)，35kV零序電流保護(hù)，35kV過負(fù)荷保護(hù)，以及反映非電氣量的瓦斯保護(hù)、溫度保護(hù)。以下主要針對變壓器的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行仿真。

電力變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)作為變壓器主要的保護(hù)，是反映被保護(hù)電力變壓器各端電流流入和流出的向量差，考慮到變壓器正常運(yùn)行情況下，用于建立磁場的勵(lì)磁電流很小，不會(huì)超過額定電流的2%-5%，因此在差動(dòng)回路引起的不平衡電力很小，可忽略不計(jì)，變壓器接近理想變壓器。

根據(jù)基爾霍夫電流定律，在不平衡電流忽略不計(jì)的理想情況下，流進(jìn)差動(dòng)繼電器的電流為零：

式中，為流入輸電線路j側(cè)的電流向量。

當(dāng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，電流流向如圖1所示。根據(jù)前面基爾霍夫原理，圖1中輸電線路MN，流入差動(dòng)保護(hù)電流為：

式中，、分別是兩端的電流互感器變比，、分別為兩側(cè)互感器二次側(cè)電流。

根據(jù)上述差動(dòng)原理，對常見的雙繞組和三繞組變壓器來講，其基本原理接線如圖2所示。規(guī)定各側(cè)電流方向均以流入變壓器為正。

由于流過變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)電流不同，為了使得正常運(yùn)行時(shí)流入差動(dòng)保護(hù)的電流為零，不讓其誤動(dòng)，所以在通常情況下必須選擇適當(dāng)?shù)碾娏骰ジ衅髯儽龋鐖D2中的雙繞組變壓器接線形式，應(yīng)使：

或

式中，是高壓側(cè)電流互感器的變比;是低壓側(cè)電流互感器的變比;nT為變壓器高壓和低壓的比值。從上面的公式可以看到，要實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)，必須計(jì)算電流互感器的變比，而且盡量接近變壓器的高低和壓側(cè)的比值nT。

為了削弱高次諧波的影響，使得電壓接近正弦波，在電力系統(tǒng)中，高壓線路里的大容量變壓器一般采用Yd11的接法。在正常運(yùn)行時(shí)，三角形側(cè)的電流相位超前星形側(cè)電流相位30°，所以必須對其進(jìn)行校正。微機(jī)變壓器保護(hù)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)中，其兩側(cè)的電流互感器均接成星形，如圖3所示。通過輸入進(jìn)微機(jī)保護(hù)裝置中，正常運(yùn)行情況下出現(xiàn)的相位差由軟件進(jìn)行校正，這樣使得接線比較簡單清晰，便于知道故障相。

值得注意的是，在這種微機(jī)變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)中，電流互感器的變比并不需要完全符合上面所提到的要與變壓器高低壓變比nT相等，因?yàn)槠淇梢圆捎镁哂袠?biāo)準(zhǔn)化電流比的電流互感器，它將電流互感器二次側(cè)電流差改為數(shù)字差（由軟件實(shí)現(xiàn)），即由此帶來的二次不平衡電流用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法較之傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)采用的補(bǔ)償方法更為準(zhǔn)確，不平衡電流更小。

實(shí)際上，變壓器運(yùn)行不能忽略不平衡電流的影響，因?yàn)樗漠a(chǎn)生原因不只一種，為了避免差動(dòng)繼電器動(dòng)作，必須考慮其所有可能會(huì)產(chǎn)生不平衡電流的影響。實(shí)際運(yùn)行的變壓器中不平衡電流產(chǎn)生的原因有：變壓器空載合閘或者變壓器外部故障切除后變壓器電壓瞬間恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁電流，可達(dá)到額定電流的6～8倍，并且含有大量的非周期分量和高次諧波;電流互感器實(shí)際變流變比產(chǎn)生的不平衡電流;由于調(diào)整變壓器負(fù)荷分接頭之后沒有及時(shí)調(diào)整新的變比而產(chǎn)生的不平衡電流;兩側(cè)電流互感器型號(hào)不同產(chǎn)生的不平衡電流;外部故障時(shí)產(chǎn)生的不平衡電流。

目前，關(guān)于變壓器差動(dòng)保護(hù)的研究一直停留在如何躲過變壓器空投勵(lì)磁涌流、外部故障TA飽和和不平衡電流方面。為了消除上述的不平衡電流，使得保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作，在微機(jī)縱差保護(hù)中，主要方法有2種：用數(shù)字濾波方法對非周期分量進(jìn)行消除、采用具有制動(dòng)特性的比率差動(dòng)保護(hù)。采用上述2中方法，對減小不平衡電流的影響有顯著的作用。

實(shí)驗(yàn)仿真過程

主變相間短路故障類型設(shè)置及分析

故障類型：一號(hào)主變相間短路、一號(hào)主變重瓦斯拒動(dòng)。結(jié)果輸出如表1所示。原因分析：由于一號(hào)主變發(fā)生相間短路，此短路屬于油箱內(nèi)部故障，應(yīng)由內(nèi)部裝設(shè)的瓦斯保護(hù)切除故障，但是故障發(fā)生的時(shí)候往往不是單一發(fā)生的，還可能伴隨其他的故障一同發(fā)生，就如此次仿真設(shè)定那樣，瓦斯保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)的情況。那么此時(shí)的內(nèi)部相間短路故障根本無法切除，所以由作為油箱外部故障的主保護(hù)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)來切除。仿真與分析結(jié)果一致。

表1 結(jié)果顯示

故障類型 一號(hào)主變相間短路、一號(hào)主變重瓦斯拒動(dòng)

光

字

牌 一號(hào)主變 主變跳閘

一號(hào)電容 過流零流低壓及瓦斯過壓保護(hù)動(dòng)作

二/三分段自切動(dòng)作

一/六分段自切動(dòng)作

繼電保護(hù)屏 一號(hào)主變保護(hù)第一屏 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作

一號(hào)電容第一屏 一號(hào)電容低電壓動(dòng)作信號(hào)

一/六分段自切屏 35kV一/六分段合閘

二/三分段自切屏 35kV二/三分段合閘

35KV一母相間短路故障類型設(shè)置及分析

故障類型：一號(hào)主變35kV速斷保護(hù)拒動(dòng)、35kV一母相間短路。結(jié)果輸出如表2所示。原因分析：從仿真系統(tǒng)結(jié)果來看，動(dòng)作的元件有一號(hào)主變、一號(hào)電容器、一/六分段和二/三分段的分段斷路器。由于設(shè)置故障有35kV一母相間短路，母線對應(yīng)的母線差動(dòng)保護(hù)應(yīng)動(dòng)作，故障相對于變壓器來說是外部故障，變壓器的差動(dòng)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，只需35kV的速斷保護(hù)動(dòng)作即可，變壓器保持運(yùn)行狀態(tài)。但是變壓器的35kV速斷保護(hù)拒動(dòng)，此時(shí)變壓器受到短路電流的沖擊，為了保護(hù)變壓器的安全，作為變壓器的主保護(hù)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，把變壓器切除，讓變壓器退出運(yùn)行。主變退出運(yùn)行之后，35kV一/六分段和二/三分段失壓，一號(hào)電容器低壓保護(hù)動(dòng)作。仿真與分析結(jié)果一致。

表2 結(jié)果顯示

故障類型 一號(hào)主變35kV速斷保護(hù)拒動(dòng)、35kV一母相間短路

光字牌 一號(hào)主變 主變跳閘、主變壓力異常

一號(hào)電容器 過流、零流、低壓及瓦斯過壓保護(hù)動(dòng)作

35kV一/六母線 一/六段自切動(dòng)作

35kV二/三母線 二/三分段自切動(dòng)作

一號(hào)主變 11XJ主變重瓦斯

一號(hào)電容器 1號(hào)電容器低電壓動(dòng)作信號(hào)

繼電

保護(hù)屏 一/六分段自切屏 35kV一/六分段合閘、跳閘

二/三分段自切屏 35kV二/三分段合閘

從仿真結(jié)果來看，故障設(shè)置后，由于流入差動(dòng)回路的電流增大，大于整定值，差動(dòng)繼電器動(dòng)作，使得變壓器動(dòng)作，并且能在很短時(shí)間內(nèi)跳閘退出運(yùn)行，保護(hù)了變壓器的安全不受損壞，具有很高的可靠性和靈敏性。通過電網(wǎng)仿真軟件模擬變壓器縱差保護(hù)如何動(dòng)作，什么情況下動(dòng)作以及動(dòng)作之后其他一次設(shè)備有什么變化，學(xué)生可以容易理解所學(xué)的知識(shí)，加深對“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”這門課程的認(rèn)識(shí)程度。電網(wǎng)仿真系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于教學(xué)，也可以讓學(xué)生自己動(dòng)手解決心中的疑問，同時(shí)可以作為科研人員的研究平臺(tái)甚至可以作為變電人員上崗培訓(xùn)的平臺(tái)。（作者李惜玉系廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師;歐豐華系廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科生?；痦?xiàng)目：本文系2013年廣東省廣東工業(yè)大學(xué)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：1184513164），2014年廣東省廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目，廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（粵財(cái)教[2012]361號(hào)），2012廣東工業(yè)大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012Z010）廣東省電氣工程及其自動(dòng)化特色專業(yè)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：402102299）的研究成果）