500 kV主變壓器高壓側(cè)斷路器失靈聯(lián)跳主變壓器三側(cè)斷路器優(yōu)化

于興林，李慧敏

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕尾供電局，廣東 汕尾 516600)

失靈保護(hù)一般應(yīng)用在220 kV及以上電壓等級(jí)的電網(wǎng)中，作為元件的近后備，是電網(wǎng)快速切除故障的最后一道防線。220 kV及以上電壓等級(jí)的輸電線路一般輸送功率大、距離遠(yuǎn)，為提高線路的輸送能力和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，往往采用分相斷路器和快速保護(hù)[1]。斷路器存在操作失靈的可能，利用故障設(shè)備的保護(hù)動(dòng)作信息與拒動(dòng)斷路器的電流信息構(gòu)成對(duì)斷路器失靈的判據(jù)，能夠以較短的時(shí)限切除同一廠站內(nèi)其他有關(guān)斷路器，將停電范圍限制在最小，從而保證整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免造成發(fā)電機(jī)、變壓器等故障元件的嚴(yán)重?zé)龘p和電網(wǎng)崩潰瓦解的事故[2-4]。

失靈保護(hù)的可靠性不僅會(huì)影響供電可靠性，還對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著一定的影響。南方電網(wǎng)距離長(zhǎng)、容量大、交直流并列運(yùn)行，穩(wěn)定問題更加突出。2013—2016年，南方電網(wǎng)26個(gè)廠站極限切除時(shí)間小于0.35 s。文獻(xiàn)[5]揭示了傳統(tǒng)失靈保護(hù)沒有雙重化配置，壓板容易誤投退，其他支路失靈后主變壓器(以下簡(jiǎn)稱“主變”)支路再失靈不能隔離故障的缺陷。文獻(xiàn)[6]分析了智能變電站啟動(dòng)失靈虛端子典型設(shè)計(jì)存在的問題，但未指出主變失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)存在的問題。文獻(xiàn)[7-9]表明當(dāng)發(fā)生斷路器失靈和死區(qū)故障時(shí)，將故障切除時(shí)間控制在0.20 s以內(nèi)，可有效降低直流連續(xù)多次換相失敗的概率；利用站域信息可縮短大部分失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；但文獻(xiàn)未考慮500 kV主變高、中壓側(cè)斷路器同時(shí)失靈的情況。

2008年1月20日，安順電廠在跳閘過程中發(fā)生2臺(tái)斷路器同時(shí)失靈的現(xiàn)象[10]，該現(xiàn)象雖罕見，但對(duì)系統(tǒng)的影響很大，尤其是在主變高、中壓側(cè)斷路器同時(shí)失靈時(shí)，經(jīng)長(zhǎng)延時(shí)才能隔離故障。近年來失靈保護(hù)已日趨完善，考慮了不同斷路器先后失靈再次啟動(dòng)失靈的問題，失靈保護(hù)雙重化配置，以及完善了失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)回路。但對(duì)于500 kV變電站，主變高、中壓側(cè)斷路器失靈是通過非電量保護(hù)裝置聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)，而非電量保護(hù)裝置仍為單套配置，且其保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)不啟動(dòng)失靈。若主變高壓側(cè)斷路器失靈的同時(shí)中壓側(cè)斷路器也失靈，或非電量裝置退出(異常)，不能快速隔離故障以及啟動(dòng)中壓側(cè)斷路器失靈保護(hù)(或啟動(dòng)高壓側(cè)斷路器失靈)。此時(shí)220 kV系統(tǒng)通過主變繼續(xù)向故障點(diǎn)提供能量，仍對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅；故障電流長(zhǎng)時(shí)間通過主變將會(huì)燒毀主變，而500 kV主變一般為地區(qū)電網(wǎng)的樞紐，其燒毀將會(huì)損失大量負(fù)荷，延長(zhǎng)負(fù)荷的送電時(shí)間。

1 失靈保護(hù)原理

故障時(shí)，保護(hù)發(fā)令跳閘，但相應(yīng)斷路器拒動(dòng)，即為斷路器失靈。斷路器失靈時(shí)，利用保護(hù)動(dòng)作信息和相應(yīng)斷路器的電流信息，經(jīng)一定延時(shí)動(dòng)作于失靈斷路器的相鄰斷路器，可隔離故障，實(shí)現(xiàn)這一功能的保護(hù)即為失靈保護(hù)。失靈保護(hù)動(dòng)作有3個(gè)必要條件[11]：①保護(hù)發(fā)出跳閘命令；②在跳閘命令持續(xù)時(shí)間內(nèi)仍有故障電流；③經(jīng)過一定的延時(shí)。

由于220 kV失靈保護(hù)動(dòng)作將切除整條220 kV母線，220 kV失靈誤動(dòng)將會(huì)擴(kuò)大停電范圍，故在220 kV失靈保護(hù)出口串有復(fù)合電壓閉鎖接點(diǎn)。而500 kV失靈保護(hù)動(dòng)作將切除所掛同一條母線的其他斷路器或相鄰斷路器，不會(huì)影響其他輸電線路或主變運(yùn)行；同時(shí)為了提高500 kV失靈保護(hù)動(dòng)作的可靠性，采用保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)雙開入，不設(shè)置復(fù)合電壓閉鎖接點(diǎn)。

現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定，失靈跳相鄰斷路器的時(shí)間整定：500 kV為0.20 s、220 kV為0.40 s。文獻(xiàn)[12]從斷路器自身的開斷時(shí)間、電流元件返回時(shí)間和時(shí)間裕度來考慮失靈保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。文獻(xiàn)[13-14]基于電流互感器(current transformer，CT)拖尾電流截?cái)嗨惴s短了失靈保護(hù)延時(shí)。文獻(xiàn)[15-18]分別統(tǒng)計(jì)了220 kV和500 kV系統(tǒng)斷路器失靈各階段的時(shí)間，進(jìn)而從整體上對(duì)失靈保護(hù)動(dòng)作延時(shí)進(jìn)行優(yōu)化；500 kV延時(shí)優(yōu)化方案取0.16 s，失靈后故障持續(xù)時(shí)間可以控制在0.36 s以內(nèi)，220 kV延時(shí)可優(yōu)化至0.20 s。

2 其他支路失靈啟動(dòng)主變支路失靈保護(hù)

近年來，發(fā)生過在系統(tǒng)中2臺(tái)斷路器同時(shí)失靈的情況，有必要完善失靈保護(hù)啟動(dòng)主變失靈保護(hù)的功能。這主要指當(dāng)其他支路斷路器失靈，在失靈保護(hù)跳主變支路時(shí)，如果在失靈保護(hù)裝置里沒有相應(yīng)的啟動(dòng)主變失靈的邏輯，將導(dǎo)致主變斷路器失靈不能啟動(dòng)，而由線路保護(hù)三段或主變不經(jīng)方向的長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)來隔離故障。各廠家最新的母線失靈功能邏輯均能再次啟動(dòng)主變間隔失靈保護(hù)，實(shí)現(xiàn)失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)斷路器，但失靈保護(hù)啟動(dòng)失靈將會(huì)導(dǎo)致故障時(shí)間持續(xù)0.80 s。

3 主變支路失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)回路

目前主變間隔失靈，失靈保護(hù)在跳相鄰斷路器的同時(shí)，通過1對(duì)接點(diǎn)開入給非電量保護(hù)裝置，由非電量保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)斷路器，具體過程如圖1所示，圖中TJR為繼電器。

圖1 失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of failure protection tripping on three sides of the main transformer

在主變高壓側(cè)斷路器失靈時(shí)，500 kV斷路器保護(hù)裝置失靈保護(hù)動(dòng)作，通過1對(duì)接點(diǎn)開入給非電量裝置，實(shí)現(xiàn)聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)。而非電量保護(hù)跳高、中壓側(cè)斷路器是通過相應(yīng)斷路器操作箱的不啟動(dòng)重合閘不啟動(dòng)失靈繼電器(即TJF繼電器)來完成，這樣會(huì)導(dǎo)致：中壓側(cè)斷路器同時(shí)失靈時(shí)，不能啟動(dòng)失靈保護(hù)；不能解除母線電壓閉鎖[19]。

4 失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)優(yōu)化方案

傳統(tǒng)的失靈保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案僅考慮了通過與中壓側(cè)斷路器所掛同一母線的其他支路斷路器失靈，來啟動(dòng)中壓側(cè)斷路器失靈保護(hù)，以及在高、中壓側(cè)斷路器失靈時(shí)通過主變非電量保護(hù)來聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)；而未考慮主變高、中壓側(cè)斷路器同時(shí)失靈的情況。另外，傳統(tǒng)的通過非電量保護(hù)來實(shí)現(xiàn)聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)的方案可靠性較低，在非電量保護(hù)檢修的情況下，會(huì)失去聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)的功能，并且沒有考慮在聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)時(shí)其他側(cè)斷路器失靈的可能性。

當(dāng)前主變保護(hù)220 kV側(cè)操作箱的南瑞配置有TJQ繼電器(啟動(dòng)失靈啟動(dòng)重合閘繼電器)、TJR繼電器(啟動(dòng)失靈不啟動(dòng)重合閘繼電器)和TJF繼電器；長(zhǎng)園深瑞的配置有TJR繼電器和TJF繼電器。各種電量保護(hù)接入TJR繼電器，非電量保護(hù)和斷路器的三相不一致保護(hù)接入TJF繼電器。故在操作箱引入主變高壓側(cè)斷路器失靈保護(hù)有一定的難度，需要更換現(xiàn)有操作箱。本文提出2種方案。

方案1，在主變保護(hù)裝置增加邏輯：引入高壓側(cè)失靈動(dòng)作開入，在保護(hù)收到該開入且高壓側(cè)有流時(shí)，高壓側(cè)電壓滿足復(fù)壓開放，延時(shí)0.05 s跳三側(cè)斷路器；同時(shí)啟動(dòng)中壓側(cè)失靈保護(hù)，并解除失靈保護(hù)的電壓閉鎖。此時(shí)將在故障發(fā)生后0.60 s隔離故障。

方案2，高壓側(cè)斷路器失靈啟動(dòng)220 kV失靈保護(hù)：在現(xiàn)有的500 kV斷路器保護(hù)引出一對(duì)跳閘接點(diǎn)去啟動(dòng)主變中壓側(cè)斷路器失靈保護(hù)，引出另一對(duì)接點(diǎn)去解除220 kV失靈保護(hù)的復(fù)合電壓閉鎖；動(dòng)作延時(shí)為失靈跟跳高壓側(cè)斷路器加上0.10 s的延時(shí)；此時(shí)將在故障發(fā)生后0.65 s隔離故障。

這2種方案適用于不同場(chǎng)合：對(duì)于新建變電站或主變保護(hù)改造，可以采用方案1，該方案回路簡(jiǎn)單，只需將接入非電量保護(hù)裝置的聯(lián)跳回路改接到失靈動(dòng)作開入即可；對(duì)于已建成的變電站，可以采用方案2，該方案不需要改變主變保護(hù)的裝置和回路，但需要另外增加2條去失靈保護(hù)的電纜回路。

5 仿真分析

利用MATLAB/Simulink[20]軟件搭建如圖2所示的仿真系統(tǒng)，由于500 kV主變低壓側(cè)不帶站外負(fù)荷，圖2中省略了低壓側(cè)。圖2中：系統(tǒng)G的短路容量SG=18 000 MVA，X/R=7，其中X和R分別表示電抗和電阻；系統(tǒng)W的短路容量SW=1 524.16 MVA，X/R=7；M側(cè)額定電壓為500 kV，F(xiàn)側(cè)額定電壓為220 kV；系統(tǒng)負(fù)荷P=330 MW，Q=30 Mvar。

變壓器T為由3個(gè)單相自耦變壓器構(gòu)成的三相變壓器，參數(shù)為：容量ST=750 MVA，頻率f=50 Hz，高壓側(cè)額定電壓為525 kV，中壓側(cè)額定電壓為242 kV，低壓側(cè)額定電壓為34.5 kV；三側(cè)支路電阻(標(biāo)幺值)均為0.005；空載勵(lì)磁電流為0.06倍高壓側(cè)額定電流；空載損耗為0.104 MW；短路電抗(均為標(biāo)幺值)XHL=0.087、XHT=0.166、XLT=0.067。

500 kV線路EM的參數(shù)：阻抗Z1=(0.8+j6.29) Ω/km，Z0=(3.02+j21.24) Ω/km；線路全長(zhǎng)100 km。

圖2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Simulation system structure

5.1 線路單相接地，且主變高、中壓側(cè)開關(guān)同時(shí)失靈

500 kV線路EM靠E側(cè)單相接地故障，如圖3所示，其中Rg為高阻。

圖3 線路末端接地故障示意圖Fig.3 Schematic diagram of line end ground fault

5.1.1 經(jīng)高阻接地

當(dāng)Rg=300 Ω時(shí)，仿真持續(xù)時(shí)間為0.70 s，主變高、中壓側(cè)的的電壓(標(biāo)幺值，以下同)、電流波形如圖4所示。

由圖4可知：

在0.10 s時(shí)，500 kV線路EM靠E側(cè)發(fā)生A相高阻接地故障，過渡電阻300 Ω。根據(jù)當(dāng)前500 kV失靈保護(hù)規(guī)范，變壓器高壓側(cè)斷路器失靈，0.15 s時(shí)500 kV斷路器失靈跟跳A相，將線路A相與500 kV系統(tǒng)隔離；0.35 s時(shí)500 kV斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，將線路B、C相與500 kV系統(tǒng)隔離，并通過主變的非電量保護(hù)裝置聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)。若此時(shí)中壓側(cè)斷路器失靈，則需經(jīng)0.40 s的220 kV失靈保護(hù)動(dòng)作延時(shí)[21]將故障從220 kV系統(tǒng)中隔離開。但在實(shí)際工程中，非電量保護(hù)裝置聯(lián)跳不會(huì)啟動(dòng)220 kV斷路器失靈，此時(shí)中壓側(cè)斷路器失靈由其他保護(hù)經(jīng)過長(zhǎng)延時(shí)來隔離故障。

圖4 系統(tǒng)高阻接地故障時(shí)電壓和電流波形Fig.4 Voltage and current waveforms in case of system high resistance ground fault

在0.10～0.15 s時(shí)，由于故障相A相沒有從系統(tǒng)中隔離，故障點(diǎn)在線路末端且經(jīng)高阻接地，主變高壓側(cè)A相電壓降落不明顯，500 kV系統(tǒng)仍能通過主變向220 kV側(cè)輸送電能，主變中壓側(cè)仍有負(fù)荷電流流過，但負(fù)荷電流減小。同時(shí)，主變中壓側(cè)斷路器所掛母線的A、C相電壓壓降不大，不滿足相電壓閉鎖開放條件(220 kV母線二次電壓57.7 V，相電壓閉鎖開放定值為40 V)，但存在負(fù)序和零序電壓(零序電壓開放定值為4 V、負(fù)序電壓開放定值為6 V)，此時(shí)將有負(fù)序或零序電壓開放閉鎖條件。

在0.15～0.35 s時(shí)，500 kV斷路器失靈跟跳A相，將故障相A相與500 kV系統(tǒng)隔離，主變中壓側(cè)A相電流增大，遠(yuǎn)大于負(fù)荷電流(大于2 000 A)，超過220 kV失靈啟動(dòng)電流定值；但相對(duì)于故障時(shí)刻已經(jīng)延時(shí)0.15 s.

在0.35～0.70 s時(shí)，500 kV斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，將線路B、C相與500 kV系統(tǒng)隔離，并通過主變的非電量保護(hù)裝置聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)，但此時(shí)由于主變中壓側(cè)斷路器失靈，未能將故障點(diǎn)從系統(tǒng)中隔離；主變中壓側(cè)三相均有故障電流流過。由于廣東電網(wǎng)500 kV主變高壓側(cè)后備保護(hù)的方向均指向主變，此時(shí)的故障相對(duì)主變高壓側(cè)后備保護(hù)為反向故障，僅有零序反時(shí)限保護(hù)或不經(jīng)方向的零序長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)能夠切除該故障。此時(shí)高壓側(cè)零序電流最大為2 000 A，零序反時(shí)限動(dòng)作時(shí)間為3.62 s。

線路故障點(diǎn)處的零序電流為1 000 A時(shí)，考慮2臺(tái)主變的零序分流情況，主變高壓側(cè)零序電流為500 A，此時(shí)零序反時(shí)限的動(dòng)作時(shí)間為13.63 s；當(dāng)考慮3臺(tái)及以上主變零序分流時(shí)，零序反時(shí)限的動(dòng)作時(shí)間最短為5.74 s，最長(zhǎng)可能不會(huì)動(dòng)作。

500 kV主變中壓側(cè)后備保護(hù)的方向指向主變，此時(shí)故障相對(duì)于中壓側(cè)后備保護(hù)為正向故障。由于在線路末端發(fā)生故障，故障點(diǎn)在阻抗保護(hù)Ⅱ段的范圍內(nèi)，此時(shí)也僅有零序保護(hù)能實(shí)現(xiàn)該處保護(hù)，零序保護(hù)的時(shí)間為4 s。

比較500 kV高、中壓測(cè)后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，可知高壓側(cè)后備零序反時(shí)限保護(hù)在3.62 s動(dòng)作，同時(shí)啟動(dòng)220 kV失靈保護(hù)，再經(jīng)220 kV失靈保護(hù)的延時(shí)0.40 s，最終故障將在4.02 s時(shí)被隔離。而220 kV線路的距離保護(hù)范圍不能覆蓋故障點(diǎn)，零序保護(hù)三段或Ⅳ段范圍可能覆蓋故障點(diǎn)，僅考慮由220 kV線路動(dòng)作來隔離故障，也需要4 s以上，甚至由于各支路的分流而導(dǎo)致線路保護(hù)不能動(dòng)作。同時(shí)在該段時(shí)間內(nèi)，由于自耦變壓器阻抗較大，且經(jīng)過高阻接地，導(dǎo)致220 kV側(cè)母線電壓的不平衡度很小，零序電壓和負(fù)序電壓均可能達(dá)不到開放定值，也不滿足低壓開放定值，需要引入解除復(fù)合電壓閉鎖接點(diǎn)。

綜合主變后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和線路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，故障點(diǎn)最快在3.62 s時(shí)從系統(tǒng)中隔離；該時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主變短路電流的耐受時(shí)間，會(huì)燒毀主變，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致220 kV或500 kV系統(tǒng)失穩(wěn)。

采用本文提出的失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)優(yōu)化方案，在故障發(fā)生后0.60～0.65 s將故障點(diǎn)從系統(tǒng)中隔離。

5.1.2 金屬性短路

當(dāng)Rg=0時(shí)，仿真持續(xù)時(shí)間0.70 s，故障時(shí)的電壓、電流波形如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)單相金屬性故障時(shí)電壓、電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms in case of single-phase metallic fault in the system

由圖5可知：

在0.10～0.15 s時(shí)，由于故障相A相沒有從系統(tǒng)中隔離，故障電流由220 kV系統(tǒng)通過主變供向故障點(diǎn)；高壓側(cè)A相電壓是故障點(diǎn)至高壓側(cè)之間的電壓降。同時(shí)B、C相有零序電流流過，主變高壓側(cè)零序電流為3 000 A；三相電壓嚴(yán)重不平衡，滿足復(fù)合電壓的開放條件。中壓側(cè)有故障電流流過，其值達(dá)到220 kV失靈保護(hù)啟動(dòng)的電流定值。

在0.10～0.35 s時(shí)，500 kV斷路器失靈跟跳A相，將故障相A相與500 kV系統(tǒng)隔離；高壓側(cè)A相電流為220 kV系統(tǒng)W流向故障點(diǎn)的短路電流，主變高壓側(cè)零序電流為5 000 A，中壓側(cè)A相電流增大。

在0.35～0.70 s時(shí)，500 kV斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，將線路B、C相與500 kV系統(tǒng)隔離，并通過主變的非電量保護(hù)裝置聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)；但此時(shí)主變中壓側(cè)斷路器失靈，未能將故障點(diǎn)從系統(tǒng)中隔離。主變高壓側(cè)零序電流為2 500 A，高、中壓兩側(cè)A相電壓明顯降低，存在很大的零序電壓和負(fù)序電壓，滿足220 kV失靈保護(hù)的復(fù)合電壓閉鎖開放條件，無需引入解除復(fù)合電壓閉鎖接點(diǎn)。

在此仿真過程中，故障對(duì)主變高壓側(cè)后備保護(hù)為反向故障，僅有零序反時(shí)限保護(hù)能夠切除該故障，零序反時(shí)限保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為3.23 s。500 kV主變中壓側(cè)后備保護(hù)的方向指向主變，此時(shí)故障為正向故障；由于在線路末端發(fā)生故障，故障點(diǎn)不在阻抗保護(hù)的范圍內(nèi)，此時(shí)也僅有零序保護(hù)能實(shí)現(xiàn)該處的保護(hù)，保護(hù)時(shí)間為4 s。

比較500 kV高、中壓側(cè)后備的動(dòng)作時(shí)間，可知高壓側(cè)后備零序反時(shí)限保護(hù)在3.23 s動(dòng)作；同時(shí)啟動(dòng)220 kV失靈保護(hù)，再經(jīng)220 kV失靈保護(hù)的延時(shí)0.40 s，最終故障在3.63 s時(shí)被隔離。而220 kV線路的距離保護(hù)范圍不能覆蓋故障點(diǎn)，零序保護(hù)三段或Ⅳ段范圍可能覆蓋故障點(diǎn)，僅考慮由220 kV線路動(dòng)作來隔離故障，也要4 s以上，甚至由于各支路的分流而導(dǎo)致線路保護(hù)不能動(dòng)作。

綜合主變后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和線路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，故障點(diǎn)最快在3.63 s時(shí)從系統(tǒng)中隔離；該時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主變短路電流的耐受時(shí)間，會(huì)燒毀主變，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致220 kV或500 kV系統(tǒng)失穩(wěn)。

采用本文的失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)優(yōu)化方案，在故障發(fā)生后0.60～0.65 s將故障點(diǎn)從系統(tǒng)中隔離。

5.2 線路三相短路，且主變高、中壓側(cè)開關(guān)同時(shí)失靈

5.2.1 線路首端三相短路

500 kV線路EM靠M側(cè)三相短路、弧光電阻Rg=15 Ω時(shí)，系統(tǒng)如圖6所示；仿真時(shí)間0.70 s，故障時(shí)的電壓、電流波形如圖7所示。

圖6 線路首端經(jīng)三相短路系統(tǒng)Fig.6 Schematic diagram of line head end via three-phase short circuit system

圖7 近主變側(cè)系統(tǒng)三相金屬性故障時(shí)電壓、電流波形Fig.7 Voltage and current waveforms in case of three-phase metallic fault of the system near the main transformer side

由圖7可知：

在0.10～0.30 s時(shí)，500 kV系統(tǒng)在線路EM靠M端發(fā)生三相短路故障，弧光電阻為15 Ω，主變高壓側(cè)斷路器失靈；在此過程中高壓側(cè)三相流過對(duì)稱的故障電流，零序電流為零。220 kV母線的相電壓仍大于0.65，無零序電壓及負(fù)序電壓，故220 kV失靈保護(hù)的復(fù)合電壓閉鎖仍不能開放，需要引入解除復(fù)合電壓閉鎖接點(diǎn)。

在0.30～0.70 s時(shí)，500 kV斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，將故障點(diǎn)從500 kV系統(tǒng)隔離，并通過主變的非電量保護(hù)裝置聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)；但此時(shí)主變中壓側(cè)斷路器失靈，沒能將故障點(diǎn)從系統(tǒng)中隔離。主變高、中壓側(cè)三相均流過對(duì)稱的故障電流，高、中壓側(cè)均無零序電流。此時(shí)的故障相對(duì)主變高壓側(cè)后備保護(hù)為反向故障，以為沒有零序電流，主變高壓側(cè)后備不能動(dòng)作。

在故障全過程中，500 kV主變中壓側(cè)后備保護(hù)的方向指向主變，此時(shí)故障相對(duì)于中壓側(cè)后備保護(hù)為正向故障，由于故障發(fā)生在線路首端，故障點(diǎn)在主變中壓側(cè)后備阻抗保護(hù)的范圍內(nèi)，經(jīng)1.2 s動(dòng)作，中壓側(cè)無零序電流，因此零序過流保護(hù)也不能動(dòng)作。而220 kV線路的距離保護(hù)范圍不能覆蓋故障點(diǎn)，零序保護(hù)三段或Ⅳ段范圍可能覆蓋故障點(diǎn)，但系統(tǒng)中無零序電流；因此該種情況下220 kV線路不會(huì)動(dòng)作，僅有主變中壓側(cè)后備阻抗保護(hù)經(jīng)1.2 s動(dòng)作去啟動(dòng)220 kV失靈保護(hù)，再經(jīng)過220 kV失靈保護(hù)的延時(shí)0.40 s，最終故障在1.6 s時(shí)被隔離。

采用本文的失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)優(yōu)化方案，在故障發(fā)生后0.60～0.65 s將故障點(diǎn)從系統(tǒng)中隔離。

5.2.2 線路末端三相短路

500 kV線路EM靠E側(cè)三相故障、弧光電阻Rg=15 Ω時(shí)，系統(tǒng)如圖8所示；仿真持續(xù)時(shí)間0.70 s，故障時(shí)的電壓、電流波形如圖9所示。

圖8 線路末端經(jīng)三相短路系統(tǒng)Fig.8 Schematic diagram of line end via three-phase short circuit system

與500 kV線路EM靠M側(cè)三相故障，弧光電阻Rg=15 Ω時(shí)相比較，二者的區(qū)別是：遠(yuǎn)主變端的故障電流比近主變端的電流稍小，220 kV母線電壓在遠(yuǎn)主變端故障時(shí)比近主變端稍高。此時(shí)故障點(diǎn)不在變壓器中壓側(cè)后備阻抗保護(hù)的動(dòng)作范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致沒有保護(hù)隔離故障。

在0.10～0.30 s時(shí)，雖然中壓側(cè)故障電流很大，但220 kV母線電壓的相電壓仍大于0.65，無零序電壓及負(fù)序電壓，故220 kV失靈保護(hù)的復(fù)合電壓閉鎖仍不能開放，需要引入解除復(fù)合電壓閉鎖接點(diǎn)。

采用本文的失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)優(yōu)化方案，在故障發(fā)生后0.60～0.65 s將故障點(diǎn)從系統(tǒng)中隔離。

圖9 遠(yuǎn)離主變側(cè)系統(tǒng)三相金屬性故障時(shí)電壓、電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms in case of three-phase metallic fault of the system far away from the main transformer side

6 結(jié)束語

在現(xiàn)有主變高壓側(cè)斷路器失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)的接線方式下，通過MATLAB/Simulink搭建仿真模型，在主變高、中壓側(cè)斷路器同時(shí)失靈情況下，模擬典型500 kV主變高壓側(cè)反向短路故障。發(fā)生單相經(jīng)高阻接地故障，當(dāng)故障點(diǎn)還未從500 kV系統(tǒng)中隔離時(shí)，故障電流不能達(dá)到失靈啟動(dòng)電流定值；在故障點(diǎn)從500 kV系統(tǒng)中隔離后，故障電流能夠達(dá)到失靈啟動(dòng)電流定值，但電壓不滿足220 kV失靈保護(hù)復(fù)合電壓閉鎖開放定值；在遠(yuǎn)離主變高壓側(cè)發(fā)生三相短路時(shí)，220 kV側(cè)母線電壓存在不能滿足220 kV失靈保護(hù)復(fù)合電壓閉鎖開放定值的情況。綜合分析了主變兩側(cè)電壓、電流的變化，以及可能的保護(hù)動(dòng)作情況，得出結(jié)論：對(duì)不同類型故障，故障點(diǎn)被隔離的時(shí)間也不同，最快在1.60 s隔離，但存在沒有保護(hù)能隔離故障的情況，這將嚴(yán)重影響500 kV變壓器的安全。針對(duì)500 kV主變高、中壓側(cè)開關(guān)同時(shí)失靈且沒有保護(hù)能夠快速隔離故障的情況，提出2種解決方案，可以將故障隔離時(shí)間縮短至0.60～0.65 s，減輕短路電流對(duì)主變的沖擊，同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。