席亚克 刘桂莲 刘永欣 牛 强 陶永健

（许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

变压器在系统中占据着重要的地位[1]，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响[2]，其故障诊断技术的研究一直是国内外学者关注的热点[3]。

在超高压电力系统中，自耦变压器以其体积小、效率高、用材省等优点得到了广泛应用[4]。对于自耦变压器内部绕组的相间、匝间、接地短路故障，通常由瓦斯保护和压力释放保护担任，同时也由差动保护担任；而对于自耦变压器引线上的相间短路和中性点接地侧（简称Yn侧）引线的接地短路，则仅由差动保护来担任，差动保护仍是当前广为应用的变压器主保护[5]。本文针对自耦变压器Yn侧区内引线经过渡电阻接地短路故障[6]，对差动保护的灵敏系数展开短路计算验证，考察自耦变压器在各种不同运行方式下发生经过渡电阻接地短路故障时，差动保护能否满足动作灵敏系数的工程应用要求。

1 差动保护原理简介

自耦变压器差动保护原理判据已有详细介绍[7]，此处仅给出保护软件动作量判别式，即

式中，P为各侧平衡系数，P=Ib/I。Ib为基准电 流，一般取高压侧二次实际额定电流；I是各侧二次电流。下标s、h、m和l分别表示系统、自耦变压器高压Y侧、中压Y侧和低压Δ侧。

2 经过渡电阻接地短路故障时自耦变压器差动保护的灵敏系数

《继电保护和安全自动装置技术规程》[8]（以下简称《规程》）和《大型发电机变压器继电保护整定导则》[9]（简称《导则》）没有明确规定变压器或自耦变压器接地故障灵敏度的要求。《规程》对线路保护有明确的规定，要求对于220kV、330kV、500kV线路保护，应保证在过渡电阻不大于100Ω、150 Ω、300 Ω的接地故障时能可靠动作跳闸。大型枢纽变电站的重要性不亚于线路保护，为了确保变压器设备安全和电网系统的稳定运行，本文借用线路保护的要求来验算自耦变压器差动保护在相应过渡电阻下能否满足动作灵敏系数的要求。

自耦变压器Yn 侧在发生经过渡电阻单相接地短路时的计算，可采用以最大容量为短路计算的基准容量，标定出高、中压侧系统电抗和各侧电抗及系统联络电抗，根据短路前的运行方式和短路点位置，求出经过渡电阻接地短路点的各序总电抗和接地故障各序分量及相电流的标幺值[10]，再结合保护整定值（按最大容量下的基准电流标幺整定）分析验算差动保护接地短路的动作灵敏系数。

自耦变压器的高、中压侧接入高压侧系统电源和中压侧系统电源，低压侧接有无电源站用负荷，高、中压侧中性点直接接地运行方式，其高、中压侧配有断路器可实现并网或不并网运行，自耦变压器系统接地短路示意图如图1所示。高压侧保护区内引线d点发生经过渡电阻Rg接地短路的复合序网络如图2所示。中压侧保护区内引线k点发生经过渡电阻Rg接地短路的复合序网络如图3所示。定义各侧（包括公共绕组）故障序分量电流和故障相电流方向为流入短路故障点，即各电源侧都向故障点提供故障电流；低压侧无电源不提供故障电流，其正、负序电抗视为开路（如图中开关是断开的）不参与短路计算；低压侧三角绕组具有零序环路，视为零序回路直接接地（如图中开关是闭合的）。图中Xsh、Xsm是高、中压侧系统联系电抗，Xth、Xtm、Xtl分别是自耦变压器高、中、低压侧电抗，右下标1、2 和0 表示为正序、负序和零序。

1）计算自耦变压器三侧电抗

根据自耦变压器高压与中压间电抗值Xh-m、高压与低压间电抗Xh-l、中压与低压间电抗Xm-l，可计算出自耦变压器高、中、低三侧的电抗Xth、Xtm和Xtl

图1 自耦变压器接地短路示意图

图2 d 点经过渡电阻短路序网络分析图

图3 k 点经过渡电阻短路序网络分析图

令自耦变压器各侧序电抗相等，则自耦变压器零序电抗等于正、负序电抗。

2）计算不同运行方式下不同短路点的总电抗

根据自耦变压器运行方式类型和短路点的不同位置，自耦变接地短路计算可分为3 类：①高、中压侧同时并网的高压侧或中压侧接地短路；②高压侧未并网中压侧并网的高压侧或中压侧接地短路；③中压侧未并网高压侧并网。限于篇幅，下面仅以高、中压侧同时并网的高压侧d点经过渡电阻Rg接地短路为例给出计算步骤，其他不同运行方式下不同短路点的总电抗计算步骤类同。

高、中压侧同时并网（正常）运行时，高压侧保护区内引线d处接地短路，高、中压侧系统提供接地故障各序分量电流和相电流。由图2可列出短路点的各序总电抗

高压侧系统三序分支系数为

3）计算短路点故障电流及自耦变压器各侧系统故障相电流

采用标幺值计算，令A 相为短路故障相，短路点电源电势标幺值为E∑=j。

（1）计算短路点过渡电阻标幺值220kV、330kV、 500kV 不同电压等级的过渡电阻R′j分别按100Ω、 150 Ω、300 Ω取值，过渡电阻标幺值为

式中，Zj、Sj、Uj分别为基准阻抗、基准容量和基准电压（取平均额定电压）。

（2）由序总电抗计算出d点经过渡电阻Rg短路的各序故障分量电流

再由高压侧系统的分支系数，可计算出高压侧系统正（负）序分量电流（Idsh.1=Idsh.2=Csh.1IdA.1）和高压侧系统零序分量电流（Idsh.0=Csh.0IdA.0），进而可计算出高压侧系统流入保护装置的各相故障电流

（3）计算自耦变高压侧绕组各序故障分量电流

由序网络分析图可写出中压侧系统流入保护装置的的正、负序故障分量电流

由以上各式可计算出中压侧系统流入保护装置的各相故障电流

由于自耦变压器低压侧三角绕组无电源只接有站用负荷，不提供故障电流，其正、负序电抗回路视为开路；而低压侧三角绕组环路中流过很大的故障零序电流，三角外无故障电流，所以自耦变压器差动保护的低压侧也没有故障电流。

4）验算自耦变压器差动保护接地动作灵敏系数

计算出自耦变压器高、中压侧系统流入保护的故障电流和低压侧故障电流（等于零）后，自耦变压器差动保护实际动作量判据变为

若高压侧相电流最大，制动量为

若中压侧相电流最大，制动量为

当Ires≤Ires.0时，保护在无制动区动作，其动作灵敏系数按Ksen=Iop/Iop.0计算；当Ires>Ires.0时，保护 在制动区动作，保护动作值为Io′p=Iop.0+S(Ires-Ires.0)， 其灵敏系数按Ksen=Iop/Io′p计算。 可靠动作；若 1.2 ≤Ksen<1.5，则判不满足要求，但

若Ksen≥ 1.5，则判满足《规程》要求，保护能能动作；若Ksen<1.2，则判保护不能动作。

3 实验

自耦变压器差动保护整定值是以自耦变压器最大容量下的最大（额定）电流为基准电流的标幺值来整定的，各项整定（标幺）值如下：最小动作电流值Iop.0= 0.5，最小制动电流值Ires.0= 0.8；比率制动系数S= 0.5；基准电流IN.h为高压侧一次额定电流，nh为高压侧CT 变比，SN.max为自耦变压器最大额定容量，Uj.h为高压侧一 次平均额定电压；高压侧平衡系数Ph=Ij/Ih= 1；中压侧平衡系数Pm=Ij/Im。

3.1 算例1

某联络变电站的自耦变压器接线方式为Yn/a0/d11，容量 240/240/72MVA，额定电压为330 ± 8 × 1 .25%/121/35kV，高、中压侧接系统，低压侧为站用负荷，短路电抗：Xh-m=0.1029，

Xh-l=0.2457，Xm-l=0.128；Xsh.1=Xsh.2=0.12，Xsh.0=0.144；Xsm.1=Xsm.2=0.168，Xsm.0=0.2338，以上各电抗均是在基准容量Sj=240MVA 下的标幺值。高压侧CT 变比为600，中压侧CT 变比为1200，中性点接地线CT变比为600，低压侧CT 变比为5000。

对不同运行方式下高压侧d点经过渡电阻150Ω接地短路和中压侧k点经过渡电阻50Ω接地短路，各侧故障电流以及保护动作灵敏系数计算结果见表1。

3.2 算例2

某 500kV 变电站的自耦变压器接线方式为Yn/a0/d11，容量 750/750/53.5MVA，电压比高、中压侧接系统电源，低压 侧为站用负荷无电源。Xh-m=0.12，Xh-l=0.55，Xm-l= 0.40、Xsh.1=Xsh.2=0.036、Xsh.0=0.0648、Xsm.1=Xsm.2=0.2433，Xsm.0=0.3893 ， 以上各电抗均是在基准容量Sj=750MVA 下的标幺值，自耦变压器运行抽头为500/220/35kV。高压侧CT 变比为2000，中压侧CT变比为4000，中性点接地线CT 变比为1500，低压侧CT 变比为4000。

对不同运行方式下高压侧d点经接地电阻300Ω和中压侧k点经过渡电阻150Ω接地短路，各侧故障电流以及保护动作灵敏系数计算结果见表2。

表1 算例1 经过渡电阻接地短路自耦变压器差动保护灵敏系数（有名值）

表2 算例2 经过渡电阻接地短路自耦变压器差动保护灵敏系数（标幺值）

4 结论

由表1和表2可得出以下结论：

1）机组、系统型式不同时，将有不同的参数和过渡电阻，因此经过渡电阻接地短路时，自耦变压器差动保护灵敏系数不同，保护动作行为也不同。

2）即使对于同一台自耦变压器，不同的运行方式或不同短路点也会直接影响差动保护的动作灵敏系数，甚至会使保护有完全不同的动作行为，见表2。中压侧经过渡电阻接地时，差动保护不能动作反应，而高压侧短路时能动作反应。

3）自耦变压器容量越大，系统电压越高，过渡电阻就越大，经过渡电阻接地短路时，接地故障零序电流就越小，直接影响差动保护动作灵敏系数和动作行为，见表1和表2第一列。

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