葉 震

（國電漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川 431614）

0 引言

啟動(dòng)備用變壓器簡稱“啟備變”在機(jī)組啟動(dòng)的過程中，可以用來為廠用輔助設(shè)備和全廠公用系統(tǒng)提供啟動(dòng)電源，也可以在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)為廠用輔助設(shè)備和全廠公用系統(tǒng)提供備用電源。因此，如果啟備變能保持正常狀態(tài)運(yùn)行，也是對發(fā)電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障之一。為了防止啟備變出現(xiàn)異?；蚬收蠣顟B(tài)時(shí)對發(fā)電廠的其它設(shè)備產(chǎn)生影響，應(yīng)該為啟備變配置相應(yīng)的保護(hù)裝置。

由于啟備變在任何類型的電廠里都必須使用，在工程實(shí)際中，關(guān)于啟備變以何種方式運(yùn)行和運(yùn)行故障分析的研究受到了廣大工程技術(shù)人員的重視。文獻(xiàn)[1-3]針對啟備變在實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的情況，提出了許多應(yīng)注意的事項(xiàng)。

從本質(zhì)上來說啟備變是眾多變壓器中的一種，對普通變壓器保護(hù)的研究進(jìn)展也會(huì)更加優(yōu)化啟備變的保護(hù)。最近幾年，關(guān)于變壓器各種類型保護(hù)的研究也獲得了不少成果,其中研究的熱點(diǎn)是作為變壓器電氣量主保護(hù)的縱差保護(hù)，尤其是在縱差保護(hù)中暫時(shí)還沒有得到完美解決方案的勵(lì)磁涌流鑒別的問題。文獻(xiàn)[4-5]提取了變壓器勵(lì)磁涌流新的判據(jù)或者采用新的算法對縱差保護(hù)進(jìn)行分析，以提高其動(dòng)作的正確性。

1 啟備變的縱差保護(hù)

變壓器的縱差保護(hù)通常用來反映絕緣套管及引出線上各種類型的相間短路故障?？v差保護(hù)是基于基爾霍夫電流定律的，它需要將變壓器各側(cè)的電流信號(hào)送入差動(dòng)繼電器。根據(jù)基爾霍夫電流定律可知，當(dāng)變壓器保護(hù)范圍內(nèi)無故障時(shí)，流過該繼電器的電流之和理論上為0。如果在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障，流過該繼電器的電流之和不為0。通常情況下可以通過設(shè)置一個(gè)比較小的門檻值的方法，讓縱差保護(hù)能準(zhǔn)確分辨變壓器保護(hù)范圍的區(qū)內(nèi)、外故障。

變壓器縱差保護(hù)的原理接線圖如圖1所示，假設(shè)被保護(hù)變壓器T為雙繞組降壓變壓器，高壓側(cè)母線為母線M，低壓側(cè)母線為母線N，設(shè)變壓器變比為nT，變壓器高低壓側(cè)一次側(cè)電流分別為與之相對應(yīng)的電流互感器二次電流稱為和。變壓器T的縱差保護(hù)需要取得流過變壓器高低壓側(cè)的二次電流，如果是三繞組變壓器，需要取得變壓器各側(cè)的電流，互感器同名端的接法應(yīng)按照減極性法則連接，將電流互感器一、二次側(cè)的同名端都接在靠近母線側(cè)。并選擇合適的互感器的變比，使得正常運(yùn)行時(shí)變壓器高低壓側(cè)電流互感器二次側(cè)電流幅值相等，這樣就能保證流入變壓器縱差保護(hù)差動(dòng)繼電器的電流為變壓器各側(cè)二次電流的相量和，那么在出現(xiàn)短路時(shí)，就可以保證差動(dòng)繼電器準(zhǔn)確的做出選擇。

圖1 變壓器縱差保護(hù)原理接線圖Fig.1 Wiring diagram of transformer longitudinal differential protection

變壓器縱差保護(hù)在變壓器正常運(yùn)行或處于不正常工作狀態(tài)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生不平衡電流，引起不平衡電流的主要原因有[6]：變壓器高低壓側(cè)繞組接線形式不同引起的不平衡電流、變壓器計(jì)算變比與現(xiàn)場安裝的電流互感器變比不一致引起的不平衡電流、變壓器分接頭調(diào)整引起的不平衡電流、電流互感器傳變誤差引起的不平衡電流、變壓器勵(lì)磁電流引起的不平衡電流。

變壓器縱差保護(hù)在整定時(shí)，應(yīng)躲開可能存在的最大不平衡電流，否則可能會(huì)造成變壓器縱差保護(hù)的誤動(dòng)。由于不平衡電流的幅值會(huì)隨著區(qū)外故障時(shí)穿越區(qū)內(nèi)的短路電流的幅值增加而增大，所以，給變壓器的縱差保護(hù)設(shè)置一個(gè)能夠變動(dòng)的整定值，該整定值能夠識(shí)別不同的短路電流，即能夠隨著區(qū)外故障時(shí)不同情況下的電流的變化而變化，可以提高區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)的靈敏度。

另外，還應(yīng)該重視的是變壓器空載合閘或故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)的勵(lì)磁涌流引起的不平衡電流。而當(dāng)發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)，不平衡電流達(dá)到了額定電流的4～8倍。如果通過保護(hù)整定值來躲開的話會(huì)使變壓器縱差保護(hù)的靈敏度降低，甚至沒有任何保護(hù)范圍。所以，在實(shí)際中一般會(huì)通過檢測二次諧波含量或間斷角鑒別的方式識(shí)別勵(lì)磁涌流，當(dāng)變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流而非區(qū)內(nèi)故障時(shí)，閉鎖縱差保護(hù)，防止保護(hù)誤動(dòng)。圖2是制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作

圖2 制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)Fig.2 Differential protection braking characteristics

制動(dòng)特性的變壓器縱差保護(hù)的動(dòng)作特性可以描述如下

式中：Iset為變壓器縱差保護(hù)的整定值；Iset.min為縱差保護(hù)的最小動(dòng)作電流；Ires為制動(dòng)電流；Ires.g為拐點(diǎn)g所對應(yīng)的制動(dòng)電流；K為制動(dòng)特性折線的斜率。其中，設(shè)置縱差保護(hù)的最小動(dòng)作電流是為了避免擾動(dòng)存在或者數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的電流信號(hào)不準(zhǔn)確時(shí)，造成保護(hù)誤動(dòng)。整定計(jì)算方法如下。

最小動(dòng)作電流

式中IN為變壓器的額定電流。

拐點(diǎn)電流

制動(dòng)折線的斜率

2 啟備變縱差保護(hù)仿真模型

漢川電廠Ⅰ、Ⅱ期共建有四臺(tái)330 MW火力發(fā)電機(jī)組，四臺(tái)機(jī)組均采用單元接線，接入華中電網(wǎng)的電壓等級(jí)為220 kV。在該廠Ⅲ期擴(kuò)建工程中，建設(shè)2×1 000 MW發(fā)電機(jī)組，接線方式為發(fā)-變-線，接入華中500 kV電網(wǎng)。漢川電廠03號(hào)啟備變高壓側(cè)連接于Ⅱ期220 kV母線，低壓側(cè)分別連接在Ⅲ期5號(hào)、6號(hào)機(jī)組6 kV工作段母線上，其作用是當(dāng)Ⅲ期發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過程中，若廠用6 kV工作段母線全停，則通過03號(hào)啟備變將220 kV升壓站母線電能送至Ⅲ期發(fā)電機(jī)組提供啟動(dòng)電源。

03號(hào)啟備變最常見的運(yùn)行方式是高壓側(cè)開關(guān)合閘，低壓側(cè)與5號(hào)、6號(hào)機(jī)組6 kV廠用電母線之間的開關(guān)均為分閘。由此可見，03號(hào)啟備變在一般情況下空載運(yùn)行。工程現(xiàn)場，03號(hào)啟備變配置雙套R(shí)CS-985T變壓器保護(hù)裝置及單套R(shí)CS-974AG2非電量保護(hù)裝置。

根據(jù)03號(hào)啟備變的最常見的運(yùn)行方式和實(shí)際整定參數(shù)，利用MATLABsimulink仿真軟件搭建縱差動(dòng)保護(hù)的仿真模型，如圖3所示：其中220 kVSystem為220 kV母線外部電力系統(tǒng)，3號(hào)、4號(hào)分別為漢川電廠Ⅱ期3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)組，T3、T4分別為3號(hào)、4號(hào)主變，H32、H31分別為3號(hào)、4號(hào)主變高壓側(cè)開關(guān)，H34為03號(hào)啟備變高壓側(cè)開關(guān)，03號(hào)qbb為03號(hào)啟備變，65C0、66C0分別為漢川電廠Ⅲ期5號(hào)、6號(hào)機(jī)組6 kV工作段電源進(jìn)線開關(guān)。

圖3 03號(hào)啟備變差動(dòng)保護(hù)的仿真模型Fig.3 Simulation model of No.03 startup/standby transformer differential protection

圖3 中封裝的cddl模塊用于獲取變壓器各繞組各相電流的相量和，作為變壓器縱差保護(hù)的差動(dòng)電流。封裝的zddl模塊用于獲取變壓器縱差保護(hù)的制動(dòng)電流，這里的制動(dòng)電流采用比率制動(dòng)，即取變壓器各繞組電流幅值之和的1/2。封裝的lcdl模塊和pd模塊分別用于獲取變壓器的勵(lì)磁電流和判斷變壓器是否發(fā)生勵(lì)磁涌流，其中勵(lì)磁涌流的判據(jù)采用的是勵(lì)磁電流中二次諧波電流幅值和基波分量電流幅值的比值，若大于15%則判斷為勵(lì)磁涌流。啟備變縱差保護(hù)是否啟動(dòng)利用S函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)，若任意一相差動(dòng)電流大于制動(dòng)電流，縱差保護(hù)啟動(dòng)，否則不啟動(dòng)。而當(dāng)啟備變僅發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)，閉鎖縱差動(dòng)保護(hù)，防止保護(hù)誤動(dòng)。

3 結(jié)果分析

3.1 區(qū)內(nèi)故障

在03號(hào)啟備變高壓側(cè)引出線設(shè)置三相短路故障，高壓側(cè)電壓、高低壓側(cè)繞組的短路電流如圖4～6所示，啟備變長期運(yùn)行在空載狀態(tài)，故低壓側(cè)短路電流幾乎為0。

圖4 啟備變高壓側(cè)引出線短路故障時(shí)高壓側(cè)電壓Fig.4 Voltage of high voltage winding when fault at high voltage winding

圖5 啟備變高壓側(cè)引出線短路故障時(shí)高壓側(cè)電流Fig.5 Current of high voltage winding when fault at high voltage winding

圖6 啟備變高壓側(cè)引出線短路故障時(shí)低壓側(cè)電流Fig.6 Current of low voltage winding when fault at high voltage winding

在變壓器保護(hù)范圍內(nèi)加入故障模塊，模擬區(qū)內(nèi)短路故障，故障發(fā)生時(shí)間為0.1 s，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 制動(dòng)特性比率縱差保護(hù)動(dòng)作情況（區(qū)內(nèi)故障）Fig.7 Braking characteristic ratio longitudinal differential protection（fault inside protection zone）

圖7 中縱坐標(biāo)從上到下分別表示整套保護(hù)是否啟動(dòng)，A相差動(dòng)保護(hù)是否啟動(dòng)，B相差動(dòng)保護(hù)是否啟動(dòng)，C相差動(dòng)保護(hù)是否啟動(dòng)。啟動(dòng)則輸出“1”，不啟動(dòng)輸出“0”。ABC分相差動(dòng)保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)整體的動(dòng)作情況，ABC三相中只要有一相判斷為區(qū)內(nèi)故障（S函數(shù)輸出變?yōu)?），整套差動(dòng)保護(hù)就會(huì)動(dòng)作（輸出由0變?yōu)?）。

以區(qū)內(nèi)故障時(shí)A相為例詳細(xì)分析，如圖8所示：縱坐標(biāo)從上到下依次是保護(hù)是否動(dòng)作（動(dòng)作為1，不動(dòng)作為0）、A相差流幅值、A相制動(dòng)電流幅值、A相二次諧波電流和基波電流幅值比。當(dāng)啟備變保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生三相短路時(shí)，A相差動(dòng)電流幅值為4×104A，制動(dòng)電流為2×104A，經(jīng)過S函數(shù)程序判斷為區(qū)內(nèi)短路故障，所以在A相二次諧波電流和基波電流幅值比在一個(gè)工頻周期后穩(wěn)定輸出，判斷為非勵(lì)磁涌流狀態(tài)，則開放保護(hù)，A相S函數(shù)輸出1，即保護(hù)動(dòng)作。

圖8 差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)故障（A相）Fig.8 Braking characteristic ratio longitudinal differential protection（fault inside protection zone,take phase A for example）

3.2 區(qū)外故障

設(shè)置變壓器高壓側(cè)220 kV母線發(fā)生三相短路故障，對于03號(hào)啟備變來說是區(qū)外故障，故障設(shè)置在0.1 s發(fā)生。仿真結(jié)果如圖9所示，圖中縱坐標(biāo)從上到下依次為保護(hù)是否動(dòng)作（動(dòng)作為1，不動(dòng)作為0）、A相差流幅值、A相制動(dòng)電流幅值、A相二次諧波電流和基波電流幅值比。此時(shí)A相差流很小，同時(shí)制動(dòng)電流也很低，未達(dá)到差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)值，S函數(shù)判斷為區(qū)外故障，裝置不動(dòng)作，S函數(shù)輸出保持0。

3.3 不正常運(yùn)行狀態(tài)（勵(lì)磁涌流）

設(shè)置變壓器鐵芯飽和，飽和特性為[0,0;0.0024,1.2;1.0,1.52],ABC三相初始剩磁分別為[0.7，-0.6，-0.4]，同時(shí)該仿真模型中取消三相故障模塊。設(shè)置啟備變高壓側(cè)開關(guān)初始狀態(tài)是分閘，在0.1 s時(shí)高壓側(cè)開關(guān)合閘。模擬變壓器勵(lì)磁涌流，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 差動(dòng)保護(hù)區(qū)外故障（A相）Fig.9 Braking characteristic ratio longitudinal differential protection（fault out of protection zone,phase A）

圖10 差動(dòng)保護(hù)勵(lì)磁涌流（A相）Fig.10 Magnetizing inrush(phase A）

該仿真結(jié)果是只有勵(lì)磁涌流而無故障的情況。在這種情況下，雖然差動(dòng)電流已經(jīng)超過了差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流，但二次諧波電流和基波電流幅值比超過了勵(lì)磁涌流閉鎖的整定值15%。所以利用該信號(hào)閉鎖了整套差動(dòng)保護(hù)，S函數(shù)持續(xù)輸出0，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。

4 結(jié)語

本文利用MATLAB/simulink仿真軟件，選取了RCS-985T中的比率差動(dòng)保護(hù)，以漢川電廠03號(hào)啟備變及相關(guān)設(shè)備的原始參數(shù)和整定值為依據(jù)，搭建了03號(hào)啟備變縱差保護(hù)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)利用二次諧波判斷啟備變是否發(fā)生勵(lì)磁涌流，若發(fā)生勵(lì)磁涌流情況，則閉鎖保護(hù)防止保護(hù)誤動(dòng)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)分相比率差動(dòng)保護(hù)的功能。

[1] 劉苗,李烜.600 MW發(fā)電廠啟備變跳閘事故分析[J].華北電力技術(shù)，2009，12（10）：37-39.LIU Miao,LI Xuan.Analysis on transformer tripping incident in 600 MW power plant[J].North China Electric Power,2009,12(10)：37-39.

[2] 孟慶忠.達(dá)拉特電廠啟備變熱備用改冷備用的研究與應(yīng)用[D]北京：華北電力大學(xué)，2014.MENG Qingzhong.The technology research on changing start-up standby transformer from hot-standby to cold-standby and its engineering application[D].Beijing：North China Electrical Power University,2014.

[3] 呂于新.啟備變高壓側(cè)220 k V開關(guān)跳躍原因分析及處理[J].華中電力，2011,24(6)：23-25.LV Yuxin.Analysis and processing of 220 k V switch bouncing in startup/standby transformer[J].Central China Electric Power，2011,24(6)：23-25.

[4] 王曉凱，文博，杜鎮(zhèn)安,等.發(fā)電廠發(fā)變組保護(hù)整定計(jì)算問題分析及解決方案[J].湖北電力，2016,40（2）：61-64.WANG Xiaokai,WEN Bo,DU Zhen,an,et al.Analysis and solutions of generator-transformer protection setting calculation problems of power plant[J].Hubei Electric Power，2016,40（2）：61-64.

[5] 李敏，謝齊家.大型變壓器低頻加熱中鐵心飽和問題研究[J].湖北電力,2016,40（7）：1-5.LI Min，XIE Qijia.Study on iron core saturation of large transformers in low frequency heating[J].Hubei Electric Power,2016,40（7）：1-5.

[6] 張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2009.ZHANG Baohui,YIN Xianggen.Power system protective relaying[M].Beijing：China Electric Power Press,2009.

[7] RCS-985T型發(fā)電廠變壓器保護(hù)裝置技術(shù)和使用說明書.Transformer protection device technology and instruction manual for RCS-985T.