模擬短路試驗(yàn)核對(duì)變電所保護(hù)極性的方法探討

李衛(wèi)民

0 引言

在牽引供電系統(tǒng)中，饋線(xiàn)側(cè)T、F 電壓端子相別、極性錯(cuò)誤會(huì)造成距離保護(hù)拒動(dòng)或影響故測(cè)準(zhǔn)確性，母線(xiàn)a、b 相別錯(cuò)誤造成低壓側(cè)斷路器拒動(dòng)、高壓側(cè)斷路器越級(jí)跳閘擴(kuò)大停電范圍，或高壓側(cè)A、B、C 電流相別錯(cuò)誤造成主變差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。本文提出一種新型的試驗(yàn)方法，應(yīng)用于交接試驗(yàn)中校驗(yàn)極性，簡(jiǎn)單、實(shí)用、方便快捷。

1 案例分析

1.1 電壓極性錯(cuò)誤使距離保護(hù)拒動(dòng)

1.1.1 距離保護(hù)邏輯判據(jù)

距離保護(hù)是饋線(xiàn)保護(hù)的主保護(hù)[1]。變電所饋線(xiàn)保護(hù)裝置的既有距離保護(hù)均不設(shè)置正反向，因此電壓端子的極性必須完全正確，保證阻抗角測(cè)量正確，使故障點(diǎn)落在保護(hù)動(dòng)作范圍內(nèi)，距離保護(hù)才能正確動(dòng)作。距離保護(hù)動(dòng)作特性如圖1 所示。

圖1 距離保護(hù)動(dòng)作特性示意圖

1.1.2 案例

2022 年9 月侯北變電所直供線(xiàn)路發(fā)生跳閘，跳閘數(shù)據(jù)：電流速斷動(dòng)作，故障距離4.79 km，線(xiàn)路阻抗角235.6，電阻-1.81 Ω，電抗-2.78 Ω，饋線(xiàn)電壓12.84 kV，饋線(xiàn)電流4 082.51 A。

查閱保護(hù)定值發(fā)現(xiàn)，距離保護(hù)的壓板和配置均為投入狀態(tài)。由于故障時(shí)刻電阻、電抗值均為負(fù)值，如圖1（b）“×”處，故障點(diǎn)落在平行四邊形之外，導(dǎo)致距離保護(hù)未啟動(dòng)。經(jīng)校線(xiàn)最終確認(rèn)，該直供線(xiàn)路對(duì)應(yīng)的變電所27.5 kV 母線(xiàn)電壓互感器一次設(shè)備本體接線(xiàn)盒中，極性端與非極性端反接。若采用傳統(tǒng)的在室內(nèi)端子排用繼保儀升流校驗(yàn)的方法，無(wú)法核查此類(lèi)故障。

1.2 主變二次a、b 相別錯(cuò)誤引發(fā)越級(jí)跳閘

1.2.1 低壓過(guò)流保護(hù)邏輯判據(jù)

高壓側(cè)：低壓過(guò)流保護(hù)邏輯判據(jù)如圖2 所示。

圖2 低壓過(guò)流保護(hù)邏輯判據(jù)（高壓側(cè)）

圖中：IA、IB、IC為高壓側(cè)三相電流；50HAC、50HBC、50HCC 分別為高壓側(cè)過(guò)流A、B、C 三相過(guò)流定值；Uα、Uβ、Uαβ分別為低壓側(cè)α 相電壓、β 相電壓、αβ 相間電壓；27LV 為低壓側(cè)低壓定值。可以看出，高壓側(cè)三相電流任一相超過(guò)電流定值，α、β 相任一相電壓低于電壓閉鎖定值，將跳開(kāi)主變高低壓側(cè)三臺(tái)斷路器。

低壓側(cè)：低壓過(guò)流保護(hù)邏輯判據(jù)如圖3 所示。

圖3 低壓過(guò)流保護(hù)邏輯判據(jù)（低壓側(cè)）

圖中：Iα、Iβ為主變低壓側(cè)α 相、β 相電流；Uα、Uβ為主變低壓側(cè)α 相、β 相電壓；50LAC、50LBC、27LV 分別為α 相過(guò)流定值、β 相過(guò)流定值、低壓側(cè)低壓定值。當(dāng)α、β 某相發(fā)生故障電流大于定值，對(duì)應(yīng)相的電壓低于低壓閉鎖定值時(shí)，將跳開(kāi)對(duì)應(yīng)相斷路器。

1.2.2 案例

2022 年11 月洪洞西變電所27.5 kV 母線(xiàn)接引的所用變壓器故障，引線(xiàn)單相接地，主變高壓側(cè)過(guò)流保護(hù)越級(jí)跳閘，全所停電。跳閘數(shù)據(jù)如下（二次值）：IA= 2.63 A，IB= 2.63 A，IC= 0 A，Iα= 7.36 A，Iβ= 0.01 A，Uα= 105.30 V，Uβ= 14.54 V。故障電流存在的α 相，其電壓高達(dá)105 V，低壓閉鎖導(dǎo)致低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)未啟動(dòng)，越級(jí)至主變高壓側(cè)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，全所停電，擴(kuò)大了停電范圍。

上述問(wèn)題非偶然，有些甚至是自開(kāi)通運(yùn)行就已存在，且這些故障影響較大，常規(guī)的試驗(yàn)方法難以發(fā)現(xiàn)，需要一種簡(jiǎn)單又行之有效的方法找出此類(lèi)問(wèn)題原因。

1.3 a、b（M、T）相別錯(cuò)誤引發(fā)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)

2022 年翼城變電所全所二次電纜更新改造后，主變投運(yùn)前需進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)，在室內(nèi)端子排側(cè)用繼保儀升流校驗(yàn)，均顯示無(wú)異常。但是在室外高壓場(chǎng)地采用短路試驗(yàn)的方法檢驗(yàn)回路時(shí)，裝置顯示差動(dòng)電流較大，具體數(shù)據(jù)：差動(dòng)電流IDA= 0.26 A，IDB= 0.27 A，IDC= 0.52 A；制動(dòng)電流IRA= 0.22 A，IRB= 0.23A，IRC= 0。

很明顯，高低壓側(cè)處于不平衡狀態(tài)，二次回路接線(xiàn)存在問(wèn)題。若盲目投運(yùn)主變，會(huì)出現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、全所停電的風(fēng)險(xiǎn)。

2 模擬短路試驗(yàn)方法

2022 年侯月線(xiàn)沁水、翼城變電所二次電纜更新改造，通過(guò)與相關(guān)廠(chǎng)家交流溝通，采用一種新型的試驗(yàn)方法，對(duì)二次回路進(jìn)行校驗(yàn)。

2.1 翼城變電所基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

翼城變電所主變?yōu)樗箍铺刈儔浩鳎邏簜?cè)為A、B、C 三相，低壓側(cè)分為T(mén)、M 兩座，M 座引出T、F 線(xiàn)，M 座流互引出電流為IMT、IMF，在室外端子箱通過(guò)接線(xiàn)方式作矢量差，即，引出Iβ，T 座同理。主變差動(dòng)保護(hù)裝置為天津凱發(fā)KF6530電鐵變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置。

2.2 差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)檢驗(yàn)保護(hù)動(dòng)作情況

2.2.1 試驗(yàn)原理

SCOTT 接線(xiàn)變壓器差動(dòng)保護(hù)接線(xiàn)如圖4 所示。

圖4 SCOTT 接線(xiàn)變壓器差動(dòng)保護(hù)接線(xiàn)

變壓器兩側(cè)電流平衡關(guān)系（CT 二次側(cè)、高壓側(cè)星接，高壓側(cè)CT 變比必須一致）為

差動(dòng)電流方程：

制動(dòng)電流方程：

2.2.2 第1 次試驗(yàn)

試驗(yàn)接線(xiàn)如圖5 所示。在A(yíng)、B、C 三相處施加380 V 交流電。

圖5 試驗(yàn)接線(xiàn)

在D1 處加掛接地封線(xiàn)，若電流達(dá)到定值，差動(dòng)保護(hù)應(yīng)動(dòng)作，可以成倍縮小保護(hù)定值或觀(guān)察保護(hù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否符合邏輯。驗(yàn)證差動(dòng)保護(hù)時(shí)，未修改保護(hù)定值，由于所加電壓較小，所以電流未達(dá)到差動(dòng)保護(hù)定值，通過(guò)觀(guān)察各相的數(shù)值與角度，判定接線(xiàn)是否正確。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

一次側(cè)保護(hù)值：主變高壓側(cè)IA= 20.9 A，IB=20.65 A，IC= 20 A；主變低壓側(cè)I1= 0，I2= 0。

二次側(cè)保護(hù)值：IA= 0.26∠0A，IB= 0.26∠120A，IC= 0.26∠240A，I1= 0，I2= 0。

差動(dòng)電流：IDA= 0.26 A，IDB= 0.27 A，IDC= 0.26 A。

制動(dòng)電流：IRA= 0.11 A，IRB= 0.12 A，IRC= 0.12 A。

由于主變低壓側(cè)流互被短路，所以低壓側(cè)流互測(cè)得電流數(shù)值為0。差動(dòng)電流、制動(dòng)電流數(shù)值也與計(jì)算值相等，表明主變高壓側(cè)至主變低壓側(cè)流互之前的一、二次接線(xiàn)沒(méi)有問(wèn)題。

2.2.3 第2 次試驗(yàn)

試驗(yàn)接線(xiàn)如圖6 所示。在A(yíng)、B、C 三相處施加380 V 交流電。在D2 處加掛接地封線(xiàn)，差動(dòng)保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，觀(guān)察保護(hù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否符合邏輯。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

圖6 試驗(yàn)接線(xiàn)

一次側(cè)保護(hù)值：主變高壓側(cè)IA= 20.9 A，IB=20.65 A，IC= 20 A；主變低壓側(cè)I1= 44 A（T 座），I2= 43.9 A（M 座）。

二次側(cè)保護(hù)值：IA= 0.26∠0A，IB= 0.26∠120A，IC= 0.26∠240A，I1= 0.17∠330A（T座），I2= 0.17∠60A（M 座）。

差動(dòng)電流：IDA= 0.26 A，IDB= 0.27 A，IDC= 0.52 A。

制動(dòng)電流：IRA= 0.22 A，IRB= 0.23 A，IRC= 0。

裝置顯示的各相差動(dòng)電流和制動(dòng)電流明顯不符合平衡關(guān)系。短路試驗(yàn)時(shí)，制動(dòng)電流不可能為0，因主變低壓側(cè)在流互外側(cè)被短封，所以主變高低壓側(cè)一定平衡，差動(dòng)電流應(yīng)為0。

二次側(cè)保護(hù)值如圖7 所示。

圖7 二次側(cè)保護(hù)值相量

按照上述差動(dòng)電流矩陣計(jì)算式，有

而裝置顯示IDC= 0.52 A = 2IC，判斷I2反向，I2應(yīng)為240，如圖8 所示。

圖8 更改后二次側(cè)保護(hù)值相量

調(diào)整I2電流端子極性后，即倒接端子排I2與N，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

二次側(cè)保護(hù)值：IA= 0.26∠0A，IB= 0.25∠120A，IC= 0.25∠240A，I1= 0.18∠330A，I2=0.17∠240A（M 座）。

差動(dòng)電流：IDA=IDB=IDC= 0.01 A。

制動(dòng)電流：IRA=IRB=IRC= 0.26 A。

此時(shí)差動(dòng)電流接近0，制動(dòng)電流等于主變高壓側(cè)電流，符合平衡關(guān)系。

至此，主變差動(dòng)保護(hù)回路校驗(yàn)正確。

2.3 低壓過(guò)流保護(hù)試驗(yàn)

2.3.1 第1 次試驗(yàn)

同樣在D3 處做短封（圖9），驗(yàn)證Ut＜Um（被短路相電壓被拉低），電流互感器測(cè)得的數(shù)值符合，即可證明互感器相別、極性正確。

圖9 試驗(yàn)接線(xiàn)

為驗(yàn)證主變高、低壓側(cè)低壓過(guò)流保護(hù)，進(jìn)行主變后備保護(hù)裝置試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)：IA= 0.26 A，IB=0.25 A，IC= 0，It= 0.17 A，Ut= 0.11 V，Im= 0，Um= 0.35 V。

為驗(yàn)證饋線(xiàn)低壓過(guò)流保護(hù)裝置，進(jìn)行饋線(xiàn)保護(hù)裝置試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)：U= 0.11 V，I= 0.18 A（低壓過(guò)流保護(hù)無(wú)方向性，數(shù)據(jù)無(wú)符號(hào)）。

至此，T 座低壓過(guò)流保護(hù)相關(guān)的高、低壓側(cè)電壓、電流一一對(duì)應(yīng)。

2.3.2 第2 次試驗(yàn)

在D4 處做短封（圖10），驗(yàn)證另一條饋線(xiàn)和M 座的保護(hù)接線(xiàn)。

圖10 試驗(yàn)接線(xiàn)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)：IA= 0，IB= 0.25 A，IC= 0.26 A，It= 0，Ut= 0.35 V，Im= 0.17 A，Um= 0.11 V。

至此，M 座低壓過(guò)流保護(hù)相關(guān)的高、低壓側(cè)電壓、電流一一對(duì)應(yīng)。

2.4 饋線(xiàn)距離保護(hù)試驗(yàn)

因天窗作業(yè)，不能在饋線(xiàn)外側(cè)掛接地線(xiàn)，只能在所內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試出的阻抗角等無(wú)參考意義，因此僅對(duì)電壓電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及T、F 電流的極性進(jìn)行檢驗(yàn)。

按圖9 所示方法，在饋線(xiàn)流互外側(cè)D3 處做短封，距離保護(hù)應(yīng)動(dòng)作。同時(shí)，驗(yàn)證電壓與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，校驗(yàn)It、If的極性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)：U= 0.11 V，I= 0.18 A，φ= 348，R= 0.60 Ω，X= -0.13 Ω。

D4 處試驗(yàn)同理。

3 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）做好所有安全措施。

（2）受牽引變電所場(chǎng)地、電纜長(zhǎng)度等因素的限制，在高壓場(chǎng)地主變側(cè)找到主變通風(fēng)電源（此處注意試驗(yàn)過(guò)程中有可能頂跳上級(jí)交流電源），測(cè)量確認(rèn)線(xiàn)電壓為380 V。使用長(zhǎng)大電纜接引，將接地線(xiàn)桿分別掛在主變高壓側(cè)A、B、C 進(jìn)線(xiàn)處。

（3）為完全模擬變電所正常運(yùn)行狀態(tài)，使用核相儀，確保加入的三相交流電與高壓側(cè)進(jìn)線(xiàn)三相電相序一致。為減少試驗(yàn)中的變量因素，在高壓側(cè)進(jìn)線(xiàn)電壓互感器室外端子箱處進(jìn)行核相。

4 結(jié)論

（1）本文所述短路試驗(yàn)方法對(duì)各種接線(xiàn)方式的主變壓器均適合。

（2）高鐵變電所因流互變比較大，二次電流較小，會(huì)存在測(cè)試數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象。

（3）若采用傳統(tǒng)的在一次側(cè)升流的試驗(yàn)方法，只能校對(duì)電流在數(shù)值上的錯(cuò)誤，無(wú)法模擬真實(shí)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，無(wú)法發(fā)現(xiàn)各相角度間的關(guān)系。若采用繼電保護(hù)儀在二次側(cè)加流的試驗(yàn)方法，也無(wú)法模擬電壓、電流在互感器、變壓器高低壓側(cè)的變換關(guān)系，存在試驗(yàn)盲區(qū)，無(wú)法全面排查問(wèn)題。當(dāng)進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，在進(jìn)線(xiàn)側(cè)加入互差120的三相電，同步記錄各主變保護(hù)裝置、饋線(xiàn)保護(hù)裝置上顯示的各相電流、電壓采集數(shù)值，便可核對(duì)各模擬量正確與否。