继电保护系统在变压器发生110kV侧故障时的动作死区及解决方案

继电保护系统在变压器发生 110kV 侧故障时的动作死区及解决方案

王剑斌 1 ，柯清璇 2 ，张丰 1 ，郭碧媛 1

1. 国网福州供电公司，福建省 福州350009；

2. 东北电力大学电气工程学院，吉林省 吉林132000

摘要：本文针对两台220kV三圈变并列运行方式，讨论变压器110kV侧发生单相经过渡电阻接地故障，在考虑断路器拒动的情况下，经数学建模分析，得出继电保护系统无法隔离故障点的结论。针对这个运行隐患提出三种解决方案，以优化继电保护配置，消除动作死区。

关键词：中性点接地；经过渡电阻接地；断路器拒动；主变复压过流保护；失灵保护

The dead zone of relay system in 110kV side fault of transformer and its solutions

WANG Jian-bin¹，KE Qing-xuan²，ZHANG Feng¹，GUO Bi-yuan¹

（1.State Grid Fuzhou Power Supply Company，Fuzhou 350009；2.Northeast Electric Power University-The electrical engineering，Jilin 132000）

Abstract:In view of the parallel operation mode of two 220 kV three-turn transformer, the single-phase grounding fault through transition resistance occurred in the 110kV voltage side of transformer, In the case of circuit breaker failure, it is concluded that the relay protection system can not isolate the fault point by mathematical modeling analysis. In order to optimize the configuration of relay protection and eliminate the dead zone, three solutions are put forward.

0 引言

电力系统中变压器中性点接地方式直接决定了系统零序阻抗的分布，对系统短路电流及继电保护定值配合影响重大^[1]。文献[2]对变压器中性点接地方式的安排做了明确的要求。目前，电网中部分双母线接线的220kV变电站配置有三台及以上变压器，在安排变压器中性点运行方式时，按照文献[2]的要求，存在将两台主变长期并列于同一段母线运行，且只保留一台主变中性点接地的运行方式。此时，若中性点接地运行的变压器110kV侧发生电流互感器至主变本体间的单相经过渡电阻接地故障，在110kV断路器拒动情况下，可能出现没有后备保护能隔离故障的情况。本文根据实际运行中的某220kV变电站的电气结构建立数学模型，分析主变保护的动作跳闸情况，指出这种运行方式下存在的隐患，并提出合理的解决方案。

1 考虑单相经过渡电阻接地与断路器拒动复合故障下的保护动作行为

1.1 主接线及设备参数

图1 主接线图

某变电站主接线图及系统运行参数如图1所示，220kV系统为最大运行方式。#1主变110kV中性点接地运行，#2主变110kV中性点不接地运行，两台主变110kV侧并接于一段母线上运行。

1.2 考虑单相经过渡电阻接地与断路器拒动复合故障下的保护动作行为

在图1所示主接线图中，当F点发生单相经过渡电阻接地故障，首先由#1主变差动保护动作跳三侧断路器，220kV及10kV侧断路器正确跳开，110kV侧断路器发生拒动无法跳开。此时，#2主变通过中压侧断路器向故障点提供故障电流。由于110kV中性点不接地运行，#2主变高、中压侧未流过零序故障电流，所以后备保护中零序保护无法动作。同时，根据文献[3]，110kV系统仍为接地系统，#2主变间隙保护同样无法满足动作条件。主变后备保护中复压过流保护能否动作取决于过渡电阻R的大小，以下通过短路计算分析，讨论复压过流保护能够动作。

假设110kV母线上线路均为终端馈线，对侧无电源。忽略负荷电流，根据文献[4]，三相五柱式变压器零序参数与正序参数近视相等，所以故障模型如图2所示，图中的电气参数已归算到基准容量1000MVA。

图2 短路故障模型

图2中F点发生单相经电阻接地的故障，根据文献[5]，复合序网图如图3所示。

图3 故障复合序网图

故障点正、负、零序电流（标幺值）为：

流经#2主变高、中压侧的故障电流（标幺值）为：

根据文献[2]，变压器各侧的过电流保护按躲额定负荷整定，实际运行中通常取额定电流的1.3倍。以中后备复压过流为例，当故障电流正好为整定边界时，得：

则 ，一次值为

此时，中压侧负序电压（二次）为：

满足 ，即复压元件能够启动。

根据以上计算结果，当接地过渡电阻值为33.27Ω时，中性点不接地运行的中后备复压过流元件处于动作边界。当系统运行方式变小，或过渡电阻变大时，保护元件都将无法动作。高后备复压过流元件整定原则与中后备一致，所以动作行为基本相同。

2 解决方案

通过1.2节分析，在目前常见运行方式下，对于图1中F点发生经过渡电阻的接地短路故障，变电站运行的继电保护系统很可能无法切除故障，对系统安全稳定运行极其不利，在此提出以下三种解决方案。

1. 在变电站设计规划阶段，应考虑按照远期主变的规模，将110kV主接线设计为双母单分段或双母双分段的方式，以满足每台主变110kV中性点均可以接地运行且无保护死区的需求；

2. 正常运行时，考虑将同一母线上的两台主变中性点均接地运行，以保证1.2中所述故障方式下，中后备零序保护能可靠动作，确保无保护死区；

3. 在该运行方式下，投入110kV母线保护中主变间隔的失灵保护。根据文献[2]和文献[6]，110kV系统通常考虑远后备的保护方式，即不投入断路器失灵保护，但实际110kV母差保护均配置失灵保护的功能。在该故障下，由短路模型可知，故障主变的中压侧断路器流过较大的负序故障电流，所以失灵保护中的负序电流判据可保证在该故障时有较高的灵敏度，当发生1.2节中所述故障，断路器拒动后起动失灵，由失灵保护跳开母线上所有断路器，隔离故障点。

3 结论

本文针对两台220kV三圈变110kV侧接在同一条母线上运行时，变压器110kV侧发生电流互感器至主变本体间的单相经过渡电阻接地故障且断路器拒动的情况，通过数学模型计算分析可知，当过渡电阻值超过33.27Ω时，按目前的整定方案将没有保护可以隔离故障点。针对这种隐患，提出三种解决方案，为现场运行方式及保护配置提供借鉴和参考。

参考文献

[1] 220kV变电站主变压器中性点接地方式分析[J].覃松涛,黄超.南方电网技术.2014.8

[2] 220kV～750kV电网继电保护装置运行整定规程DLT 559-2007.

[3] 变压器接地故障后备保护方案研究[J]. 杨旭,王增平,曹喜玲.  电气应用. 2009(05)

[4] 电机学[M]. 中国电力出版社.林荣文.2011

[5] 电力系统分析[M].华中科技大学出版社.何仰赞2007

[6] 电力系统继电保护原理[M]. 中国电力出版社 , 贺家李, 2010