三绕组变压器低压侧相间后备保护分析及改进
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摘要：变压器相间后备保护对低压侧相间短路故障灵敏度不足和动作时限过长，是外部故障造成变压器损坏的主要原因，分析了反应变压器低压侧相间短路的保护方案，提出了改进措施，这在变压器微机保护中应用简单易行，对保证系统和变压器的安全稳定运行有积极的作用。
关键词：变压器；后备保护；灵敏性；测量阻抗
??
变压器是电网中十分重要的元件之一，它的安全运行直接关系到电网的安全稳定运行和供电的可靠性。近年来，国内曾多次出现过三绕组变压器因低压侧(d接线)外部相间短路造成变压器直接损坏的事故，甚至引发系统事故或大面积停电事故［1，2，3］。究其原因，一是变压器相间后备保护动作时限过长或由于低压侧断路器拒动；二是变压器高压侧后备保护对低压侧相间故障灵敏度不足。因此，在重视大型变压器主保护的同时亦应重视其后备保护，认真研究它的合理配置与整定计算，确保大型变压器自身的安全和系统的稳定运行。?
1变压器相间后备保护存在的问题
变压器高压侧相间后备保护主要作为变压器内部故障的后备保护及中、低压侧母线故障的后备保护。《继电保护和安全自动装置技术规范》第2.3.5.2条规定在过电流保护不满足灵敏度要求时，可用复合电压启动的过电流保护；第2.3.5.3条规定可用一个负序电流继电器和一个单相低电压启动的过电流继电器组成后备保护；第2.3.5.4条规定对于升压变压器和系统联合变压器，当采用前述两款的保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。这三种保护由于种种原因起不到低压侧相间短路后备保护的作用。?
1.1复合电压启动的过电流保护存在的问题
一般220?kV及以上的降压变压器和联络变压器的高压侧配置了复合电压起动的过电流保护，其电流定值大于变压器的额定电流，低电压定值不大于0.7?Ue。由于降压变或联络变的低压侧漏抗相对较大，这样就产生以下问题［４］：
(1)在低压侧母线或出口附近三相故障时，高、中压侧残压较高，造成高压侧复合电压启动的过电流保护电压元件灵敏度不够。
(2)由于变压器电抗较大，低压侧故障时，高压侧过流元件灵敏度不够。
(3)高压侧相间保护的电流元件在低压侧故障切除后有可能不返回造成误动。
(4)中、低压侧过流保护与线路保护的后备段配合，动作时限较长。
1.2负序电流加单相式低电压启动的过电流保护存在的问题
负序电流保护用于反应不对称故障，单相式低电压启动的过电流保护用于反应对称故障，如前所述由于变压器低压侧漏抗相对较大，在低压侧母线或出口附近三相故障时，高、中压侧残压较高，电压元件灵敏度不够；负序电流元件整定计算复杂；动作时限较长。?
1.3相间阻抗保护存在的问题
当变压器高、中压侧配置阻抗保护作相间短路后备时，其阻抗继电器大多采用带偏移特性的0°接线阻抗继电器作为测量元件。若变压器是Y，Y接线，两侧电压和电流没有相位转换，阻抗继电器能正确测量各种相间短路时的短路阻抗；若是Y，d接线，两侧有相位转换，则阻抗继电器不能正确测量短路阻抗［4，5］，造成保护对d侧两相短路无灵敏度可言。
上述三种变压器相间后备保护均不能灵敏快速地反应变压器低压侧(d接线)两相短路，巨大的短路电流长时间通过变压器绕组，严重地影响变压器的使用寿命，甚至直接造成变压器损坏。因此，有必要增设专用于反应变压器低压侧母线及出线近处两相短路故障的快速后备保护，以确保变压器的安全稳定运行。
3变压器低压侧相间短路的保护方案及改进
(1)应用同名相全电压全电流的阻抗继电器反应Y,d-11接线变压器d侧相间短路故障［6］。设d侧bc两相短路，故障点处：
Ｙ侧C相电流、电压为：?
(2)应用负序分量距离继电器反应Y,d-11接线变压器d侧相间短路故障［5］。负序分量距离继电器反应补偿电压的序分量，其动作特性只与故障类型有关而与故障相别无关，与变压器的接线组别也无关。补偿电压的各序分量为：?
式中：Zset为整定阻抗，(正负序阻抗相等），
为保护安装处的正负序电压、电流。
负序距离继电器的动作条件为：?
负序距离继电器有以下优点［3］：
(a)一个判据对各种相别的两相短路故障都能正确测量；
(b)不反应负荷阻抗，可以按灵敏度要求整定；
(c)在系统全相运行振荡时不会误动；
(d)便于实现电压断线闭锁。
(3)应用变压器高、中压侧三相电流分布的特点反应d侧两相短路［7］。众所周知，Y，Y，d-11接线变压器d侧两相短路时，由于不存在零序分量，高、中压侧的电流分布有以下特点：故障落后相故障分量电流最大，是其余两相故障分量电流的两倍，且相位相反；其余两相故障分量电流大小相等且相位相同。在其它侧两相短路时，高、中压侧的电流分布均不具备以上特点。
根据这一特点可以设计一逻辑模块，如图1，作为变压器d侧两相短路的判据元件，与负序电流元件和时间元件构成后备保护。I2定值按躲线路有可能出现的最大不平衡负序电流整定；动作时限与出线后备段保护配合。
(4)在变压器低压侧增设一套限时电流速断保护［６］，其电流元件按该侧母线相间故障有1.3的灵敏度整定，动作时限比出线第一段大一个△t(△t取0.3?s)，起到母线故障主保护的作用。
上述四种方案均能灵敏地反应变压器低压侧相间短路故障，对微机保护来讲都能较容易地实现。但它们仍各有特点，第(1)、(2)两种方案相对复杂一些，且当动作时限较短时需增设相应的附加措施，确保在电压互感器二次断线和系统振荡条件下不误动。第(3)种方案特点鲜明，易于实现，但动作过长，需提高速动性。第(4)种方案简单易行，整定计算方便，但当低压侧断路器拒动时不能确保变压器和系统的安全运行，整定原则也需调整，以确保不会出现非选择性动作。
综上所述，在变压器微机保护中额外增设最简单易行的第(3)、(4)两种保护方案，专用于反应变压器低压侧相邻元件两相短路，不需要额外的硬件支持，程序简短。只需将第(3)种保护方案I?２的整定原则改为与出线第二段保护配合，即I?２的定值大于出线第二段保护动作电流的50%(需考虑分支系数的影响)，并确保在变压器低压侧母线上发生相同短路时有1.3的灵敏度。因两相不接地短路时负序电流是三相短路电流的50%；动作时限比出线第二段保护的动作时限大一个△t，保护动作于跳变压器三侧断路器，必要时可以缩短出线第二段保护的动作时限(取0.3??s?)，以保证全系统及变压器的安全稳定运行为最终目标。第(4)种保护方案的整定原则改为与出线第一段保护配合，并确保在变压器低压侧母线上发生相间短路时有1.3的灵敏度。
按上述方案改进后，当在出线第一段保护范围内发生相间短路时，由出线第一段保护动作切除故障，第(4)种方案不会无选择动作；当在出线第一段保护范围外发生相间短路时，由出线第二段保护动作切除故障，第(3)种方案不会无选择动作；当在低压侧母线上发生相间短路时，由(4)种方案快速动作切除故障；当变压器低压侧断路器拒动时，由第(3)种方案动作于跳变压器三侧断路器，以确保变压器本身的安全。因此，增加上述两种保护方案后不会带来其它不良后果。?
3结论
在变压器微机保护中额外增加上述两种快速后备保护，专用于反应三绕组变压器低压侧(d接线)两相短路故障，简单易行，不需要额外的硬件支持，程序简短，不会增加保护的复杂性，也不会带来其它的不良后果。此方案是可行的，有利于保护系统和变压器本身的安全稳定运行，适用于中、低压侧解列(或单独)运行的三绕组变压器。 安全文化网 www.anquan.com.cn
关键词：变压器；后备保护；灵敏性；测量阻抗
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变压器是电网中十分重要的元件之一，它的安全运行直接关系到电网的安全稳定运行和供电的可靠性。近年来，国内曾多次出现过三绕组变压器因低压侧(d接线)外部相间短路造成变压器直接损坏的事故，甚至引发系统事故或大面积停电事故［1，2，3］。究其原因，一是变压器相间后备保护动作时限过长或由于低压侧断路器拒动；二是变压器高压侧后备保护对低压侧相间故障灵敏度不足。因此，在重视大型变压器主保护的同时亦应重视其后备保护，认真研究它的合理配置与整定计算，确保大型变压器自身的安全和系统的稳定运行。?
1变压器相间后备保护存在的问题
变压器高压侧相间后备保护主要作为变压器内部故障的后备保护及中、低压侧母线故障的后备保护。《继电保护和安全自动装置技术规范》第2.3.5.2条规定在过电流保护不满足灵敏度要求时，可用复合电压启动的过电流保护；第2.3.5.3条规定可用一个负序电流继电器和一个单相低电压启动的过电流继电器组成后备保护；第2.3.5.4条规定对于升压变压器和系统联合变压器，当采用前述两款的保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。这三种保护由于种种原因起不到低压侧相间短路后备保护的作用。?
1.1复合电压启动的过电流保护存在的问题
一般220?kV及以上的降压变压器和联络变压器的高压侧配置了复合电压起动的过电流保护，其电流定值大于变压器的额定电流，低电压定值不大于0.7?Ue。由于降压变或联络变的低压侧漏抗相对较大，这样就产生以下问题［４］：
(1)在低压侧母线或出口附近三相故障时，高、中压侧残压较高，造成高压侧复合电压启动的过电流保护电压元件灵敏度不够。
(2)由于变压器电抗较大，低压侧故障时，高压侧过流元件灵敏度不够。
(3)高压侧相间保护的电流元件在低压侧故障切除后有可能不返回造成误动。
(4)中、低压侧过流保护与线路保护的后备段配合，动作时限较长。
1.2负序电流加单相式低电压启动的过电流保护存在的问题
负序电流保护用于反应不对称故障，单相式低电压启动的过电流保护用于反应对称故障，如前所述由于变压器低压侧漏抗相对较大，在低压侧母线或出口附近三相故障时，高、中压侧残压较高，电压元件灵敏度不够；负序电流元件整定计算复杂；动作时限较长。?
1.3相间阻抗保护存在的问题
当变压器高、中压侧配置阻抗保护作相间短路后备时，其阻抗继电器大多采用带偏移特性的0°接线阻抗继电器作为测量元件。若变压器是Y，Y接线，两侧电压和电流没有相位转换，阻抗继电器能正确测量各种相间短路时的短路阻抗；若是Y，d接线，两侧有相位转换，则阻抗继电器不能正确测量短路阻抗［4，5］，造成保护对d侧两相短路无灵敏度可言。
上述三种变压器相间后备保护均不能灵敏快速地反应变压器低压侧(d接线)两相短路，巨大的短路电流长时间通过变压器绕组，严重地影响变压器的使用寿命，甚至直接造成变压器损坏。因此，有必要增设专用于反应变压器低压侧母线及出线近处两相短路故障的快速后备保护，以确保变压器的安全稳定运行。
3变压器低压侧相间短路的保护方案及改进
(1)应用同名相全电压全电流的阻抗继电器反应Y,d-11接线变压器d侧相间短路故障［6］。设d侧bc两相短路，故障点处：
Ｙ侧C相电流、电压为：? (2)应用负序分量距离继电器反应Y,d-11接线变压器d侧相间短路故障［5］。负序分量距离继电器反应补偿电压的序分量，其动作特性只与故障类型有关而与故障相别无关，与变压器的接线组别也无关。补偿电压的各序分量为：?
式中：Zset为整定阻抗，(正负序阻抗相等），
为保护安装处的正负序电压、电流。
负序距离继电器的动作条件为：?
负序距离继电器有以下优点［3］：
(a)一个判据对各种相别的两相短路故障都能正确测量；
(b)不反应负荷阻抗，可以按灵敏度要求整定；
(c)在系统全相运行振荡时不会误动；
(d)便于实现电压断线闭锁。
(3)应用变压器高、中压侧三相电流分布的特点反应d侧两相短路［7］。众所周知，Y，Y，d-11接线变压器d侧两相短路时，由于不存在零序分量，高、中压侧的电流分布有以下特点：故障落后相故障分量电流最大，是其余两相故障分量电流的两倍，且相位相反；其余两相故障分量电流大小相等且相位相同。在其它侧两相短路时，高、中压侧的电流分布均不具备以上特点。
根据这一特点可以设计一逻辑模块，如图1，作为变压器d侧两相短路的判据元件，与负序电流元件和时间元件构成后备保护。I2定值按躲线路有可能出现的最大不平衡负序电流整定；动作时限与出线后备段保护配合。
(4)在变压器低压侧增设一套限时电流速断保护［６］，其电流元件按该侧母线相间故障有1.3的灵敏度整定，动作时限比出线第一段大一个△t(△t取0.3?s)，起到母线故障主保护的作用。
上述四种方案均能灵敏地反应变压器低压侧相间短路故障，对微机保护来讲都能较容易地实现。但它们仍各有特点，第(1)、(2)两种方案相对复杂一些，且当动作时限较短时需增设相应的附加措施，确保在电压互感器二次断线和系统振荡条件下不误动。第(3)种方案特点鲜明，易于实现，但动作过长，需提高速动性。第(4)种方案简单易行，整定计算方便，但当低压侧断路器拒动时不能确保变压器和系统的安全运行，整定原则也需调整，以确保不会出现非选择性动作。
综上所述，在变压器微机保护中额外增设最简单易行的第(3)、(4)两种保护方案，专用于反应变压器低压侧相邻元件两相短路，不需要额外的硬件支持，程序简短。只需将第(3)种保护方案I?２的整定原则改为与出线第二段保护配合，即I?２的定值大于出线第二段保护动作电流的50%(需考虑分支系数的影响)，并确保在变压器低压侧母线上发生相同短路时有1.3的灵敏度。因两相不接地短路时负序电流是三相短路电流的50%；动作时限比出线第二段保护的动作时限大一个△t，保护动作于跳变压器三侧断路器，必要时可以缩短出线第二段保护的动作时限(取0.3??s?)，以保证全系统及变压器的安全稳定运行为最终目标。第(4)种保护方案的整定原则改为与出线第一段保护配合，并确保在变压器低压侧母线上发生相间短路时有1.3的灵敏度。
按上述方案改进后，当在出线第一段保护范围内发生相间短路时，由出线第一段保护动作切除故障，第(4)种方案不会无选择动作；当在出线第一段保护范围外发生相间短路时，由出线第二段保护动作切除故障，第(3)种方案不会无选择动作；当在低压侧母线上发生相间短路时，由(4)种方案快速动作切除故障；当变压器低压侧断路器拒动时，由第(3)种方案动作于跳变压器三侧断路器，以确保变压器本身的安全。因此，增加上述两种保护方案后不会带来其它不良后果。?
3结论
在变压器微机保护中额外增加上述两种快速后备保护，专用于反应三绕组变压器低压侧(d接线)两相短路故障，简单易行，不需要额外的硬件支持，程序简短，不会增加保护的复杂性，也不会带来其它的不良后果。此方案是可行的，有利于保护系统和变压器本身的安全稳定运行，适用于中、低压侧解列(或单独)运行的三绕组变压器。 安全文化网 www.anquan.com.cn
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