姜子庠

(上海交通大學(xué)，上海 200030)

1 變壓器保護(hù)裝置性能測試

變壓器保護(hù)裝置主要被用作電力變壓器的主保護(hù)及后備保護(hù)，其主要功能是保障電力變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，變壓器保護(hù)裝置的性能對于保障電力變壓器的安全運(yùn)行至關(guān)重要。研究變壓器保護(hù)裝置的性能測試方法，可為保障變壓器保護(hù)裝置在實(shí)際電網(wǎng)中的運(yùn)行良好奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)外的變壓器保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)主要包括變壓器主保護(hù)和變壓器后備保護(hù)[1]?？v聯(lián)差動保護(hù)是變壓器主保護(hù)的核心保護(hù)，主要針對變壓器中可能發(fā)生的內(nèi)部故障，當(dāng)CT監(jiān)測到供電系統(tǒng)中的電流發(fā)生差流越限時，變壓器保護(hù)裝置會發(fā)出告警信號。變壓器后備保護(hù)分為變壓器高壓側(cè)后備保護(hù)和變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)。其中變壓器高壓側(cè)后備保護(hù)主要分為過流保護(hù)、充電保護(hù)、過負(fù)荷告警、零序過流保護(hù)、CT斷線告警等。變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)主要有零序過流保護(hù)等，當(dāng)母線PT斷線時，變壓器保護(hù)裝置發(fā)出告警信號。

變壓器保護(hù)裝置是電力變壓器不可或缺的保護(hù)。但是根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電力系統(tǒng)中變壓器保護(hù)裝置差動保護(hù)多次發(fā)生誤動。大型變壓器保護(hù)的正確動作率通常處于較低的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于線路保護(hù)的正確動作率。變壓器保護(hù)拒動可能引起變壓器的損壞，檢修難度大、時間長，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。變壓器保護(hù)誤動和拒動的主要原因是制造廠家的設(shè)備功能與現(xiàn)場需求不匹配，需要制造廠家對其自身裝置的性能根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，開發(fā)符合現(xiàn)場需求的設(shè)備功能，探索和驗(yàn)證保護(hù)裝置在智能電網(wǎng)中的運(yùn)行情況。

目前國內(nèi)常見的變壓器保護(hù)裝置性能測試方法是使用繼電保護(hù)測試儀，通過設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，模擬各種常見的、可能發(fā)生的異常工況，如瞬時、永久性的單相接地、相間短路或轉(zhuǎn)換性故障，進(jìn)行整組試驗(yàn)或定值校驗(yàn)等。此測試方法接線簡易直觀，但無法模擬實(shí)際電網(wǎng)中的實(shí)時特性。

2 變壓器保護(hù)原理

變壓器通常裝設(shè)差動保護(hù)作為主保護(hù)，變壓器如果發(fā)生內(nèi)部相間短路故障、高壓側(cè)單相接地短路或匝間短路故障，都將通過CT、PT等元件被變壓器差動保護(hù)監(jiān)測并記錄故障過程。差動保護(hù)是監(jiān)測變壓器保護(hù)兩端的CT電流矢量之差，當(dāng)兩端CT電流矢量之差大于保護(hù)內(nèi)設(shè)定的差動保護(hù)動作值時，則啟動差動保護(hù)的動作元件[2]?？v聯(lián)差動保護(hù)單相原理接線圖見圖1。

圖1 縱聯(lián)差動保護(hù)單相原理接線圖

對變壓器的保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)的主要方式包括比率差動保護(hù)和差動速斷保護(hù)。當(dāng)變壓器內(nèi)部、變壓器引出線或變壓器套管發(fā)生嚴(yán)重故障時，差動速斷保護(hù)能快速切除嚴(yán)重故障。其動作判據(jù)為

Id>Isdset

(1)

Isdset是差動速斷保護(hù)整定值，Id是差動電流，Isdset應(yīng)躲開空載合閘時可能產(chǎn)生的最大勵磁涌流和躲過變壓器區(qū)外故障時穿越電流造成的最大不平衡電流。當(dāng)任一相差動電流大于差動速斷整定值并且要落在比率差動的動作區(qū)時，瞬時動作。

比率差動保護(hù)動作方程如下：

(2)

比率制動特性如圖2所示[5]。

圖2 比率制動特性圖

3 半仿真供電系統(tǒng)模型

在電力系統(tǒng)中，變壓器是一種利用電磁互感效應(yīng)，變換電壓、電流和阻抗的器件，造價(jià)較昂貴，檢修耗時長，因此需要變壓器保護(hù)裝置對變壓器進(jìn)行保護(hù)，變壓器保護(hù)裝置的穩(wěn)定性和可靠性對變壓器的壽命起很大的作用。使用實(shí)時數(shù)字仿真器(RTDS)搭建實(shí)際電網(wǎng)仿真模型，元件包含無窮大電源、變壓器、斷路器、電壓互感器、電流互感器、負(fù)荷等，模擬真實(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。然后通過RTDS的模擬量輸出卡，經(jīng)功率放大器，輸出變壓器低壓側(cè)電壓二次值、變壓器高壓側(cè)電流、變壓器低壓一側(cè)電流和低壓二側(cè)電流至變壓器保護(hù)裝置；變壓器保護(hù)裝置根據(jù)電壓、電流，計(jì)算控制策略，通過信號繼電器和數(shù)字量輸入卡，控制斷路器分合狀態(tài)?；赗TDS的變壓器保護(hù)裝置動模試驗(yàn)的系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

二次漸伐可以有效的利用資源，取得木材，更重要的是為了更新下一代森林創(chuàng)造良好的條件，特別是在干旱的氣候條件和瘠薄的土壤條件的影響下，對油松主伐后更新有很大難度的跡地更具現(xiàn)實(shí)意義。

圖3 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)

一次系統(tǒng)圖中，電網(wǎng)的電廠使用發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，通過輸電線路將高電壓等級(110 kV)傳送至用戶側(cè)附近的變電站，通過變電站將電壓等級降低至低電壓等級(10.5 kV)，通過輸電線路輸送至大用戶負(fù)載端。RTDS的一次系統(tǒng)中，主要有電源、變壓器、線路、負(fù)荷、斷路器等元件。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在RTDS平臺下元件庫選擇相應(yīng)的模擬元件。RTDS中搭建系統(tǒng)模型是由RTDS元件庫內(nèi)電力系統(tǒng)元件搭建形成的，保存后會生成后綴名為.dft的文件。在RTDS中搭建某變電站的控制系統(tǒng)和一次系統(tǒng)模型。一次系統(tǒng)模型中包含無窮大電源、變壓器、負(fù)荷、斷路器模型?？刂葡到y(tǒng)模型中包含故障控制模塊、斷路器控制模塊、差流模塊、勵磁涌流模塊。

由于發(fā)電機(jī)構(gòu)成較為復(fù)雜，使用交流電源模塊代替發(fā)電機(jī)模塊，并將電源中性點(diǎn)經(jīng)無窮大電阻接地，以構(gòu)成無窮大電源。電源模型如圖4所示。然后雙擊電源元件，進(jìn)入配置參數(shù)界面，設(shè)置電源名稱為srcG2，將電源阻抗類型設(shè)置為R-R//L(即電阻和電感并聯(lián)后與電阻串聯(lián))類型，將電源電壓等級設(shè)置為110 kV，50 Hz，配置完畢后，點(diǎn)擊更新按鈕。

圖4 dft中的電源模型

變壓器常會由于外部原因發(fā)生故障，單相接地是電力系統(tǒng)中最為常見的故障之一，引發(fā)原因多為小動物危害、絕緣子單相擊穿等，多發(fā)生于潮濕的天氣。因此，模擬仿真需模擬變壓器高壓側(cè)及低壓側(cè)的單相故障及相間故障，以測試變壓器保護(hù)裝置邏輯功能的速動性和精確性。在元件庫中添加故障點(diǎn)元件，如圖5所示。將故障類型設(shè)置為線—相模式，并通過三位的二進(jìn)制控制字FLT4分別控制A相接地、B相接地和C相接地的打開或關(guān)閉，例如二進(jìn)制控制字FLT4為7時，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后即111，此時發(fā)生ABC三相接地故障，將故障類型設(shè)置為線—線模式時，同理。

圖6 仿真系統(tǒng)模型圖

圖5 故障模擬實(shí)現(xiàn)圖示

本試驗(yàn)的仿真模型圖如圖6所示。加設(shè)無窮大電源，電源通過三相導(dǎo)線接至高壓側(cè)斷路器上觸頭故障設(shè)置點(diǎn)，繼續(xù)接至高壓側(cè)斷路器，途經(jīng)高壓側(cè)斷路器下觸頭故障設(shè)置點(diǎn)，接至變壓器高壓側(cè)，變壓器低壓側(cè)出線接至兩條低壓側(cè)線路，低壓側(cè)線路上都加設(shè)了故障設(shè)置點(diǎn)，最后接至負(fù)載負(fù)荷側(cè)。F4點(diǎn)是高壓側(cè)斷路器上觸頭故障點(diǎn)，F(xiàn)3點(diǎn)是高壓側(cè)斷路器下觸頭故障點(diǎn)，F(xiàn)1是低壓側(cè)斷路器上觸頭故障點(diǎn)，F(xiàn)5是低壓側(cè)斷路器下觸頭故障點(diǎn)。F3和F5為變壓器保護(hù)區(qū)外故障點(diǎn)，F(xiàn)3和F1為變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)。通過模擬不同區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障點(diǎn)處發(fā)生的不同類型的故障，才能夠準(zhǔn)確判斷電壓器保護(hù)裝置的邏輯功能是否符合電網(wǎng)要求。

模擬的電力系統(tǒng)中，選用的變壓器連接組別是YN/Y-10型。變壓器高壓側(cè)電壓是110 kV，變壓器低壓側(cè)電壓是10.5 kV。該臺變壓器總?cè)萘渴?20 MVA，使用三個單相變壓器，每個單相變壓器的容量是40 MVA。

為模擬電力系統(tǒng)中發(fā)生勵磁涌流時的電流和電壓情況，需設(shè)計(jì)并搭建模擬勵磁涌流過程的模塊。首先添加信號處理器和與門，使A相電壓剛經(jīng)過零點(diǎn)并上升時，合上高壓側(cè)開關(guān)BRKCLOSE，發(fā)出一個上跳沿的信號(由0變1)。仿真系統(tǒng)頻率是50 Hz。通過合閘角乘以系數(shù)的方式，來控制A相電壓的相角，合閘角乘以系數(shù)即上升沿延時的時間。當(dāng)開關(guān)prgclose和BRK6sel置1，勵磁涌流模塊啟用。勵磁涌流模塊啟用后，RS觸發(fā)器的S端接收到上跳沿，Q輸出1，BRK6WS輸出7，仿真系統(tǒng)內(nèi)有勵磁涌流產(chǎn)生；拉開高壓側(cè)開關(guān)BRKOPEN后，RS觸發(fā)器的R端接收到上跳沿，Q輸出0，BRK6WS輸出0，仿真系統(tǒng)內(nèi)無勵磁涌流產(chǎn)生。勵磁涌流模塊模型見圖7。

圖8 故障控制模塊模型

為模擬真實(shí)電網(wǎng)中發(fā)生的故障，在RTDS軟件中須加設(shè)故障點(diǎn)。當(dāng)FLT故障被觸發(fā)，并且A相電壓剛經(jīng)過零點(diǎn)并上升時，RS觸發(fā)器的S端接收到上跳沿，RS觸發(fā)器的Q端點(diǎn)輸出1，iptwd點(diǎn)輸出1。通過設(shè)置FaultAng控制故障的角度，乘數(shù)系數(shù)同勵磁模塊中設(shè)置為0.000 055 5。FLTWD1輸出1，生成故障；按RESET按鈕后，RS觸發(fā)器的R端接收到上跳沿，Q輸出0，F(xiàn)LTWD1輸出0，故障還原。為設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展性故障，在控制模塊中加入fltype1和fltype2來實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)仿真。fltdur1是第一次故障的持續(xù)時間，fltdelay2是第二次故障與第一次故障的間隔時間，均設(shè)置相應(yīng)開關(guān)，控制第一次故障和第二次故障的發(fā)生時間和持續(xù)時間。故障控制模塊模型見圖8。

圖7 勵磁涌流模塊模型

4 半實(shí)物供電系統(tǒng)模型

變壓器保護(hù)裝置仿真測試是一種閉環(huán)測試。其中變壓器接線方式為YY接線。高壓側(cè)為110 kV，低壓側(cè)為10.5 kV，其中分為低壓I側(cè)和低壓II側(cè)。高壓側(cè)的監(jiān)測電流為IBRK6，低壓I側(cè)的監(jiān)測電流為IBRK1，低壓II側(cè)的監(jiān)測電流為IBRK2。高壓側(cè)處為無窮大電源，低壓側(cè)處為用戶負(fù)載。模型的電氣主接線圖如圖9所示。設(shè)計(jì)半實(shí)物供電系統(tǒng)模型，將變壓器保護(hù)裝置接入實(shí)時數(shù)字仿真器搭建的模擬電網(wǎng)，開展邏輯功能測試和研究。數(shù)據(jù)的傳輸主要通過兩種信號構(gòu)成，第一種是變壓器保護(hù)裝置接收的實(shí)時數(shù)字仿真器發(fā)出的實(shí)時模擬量信號(電壓、電流)，第二種變壓器保護(hù)裝置判定當(dāng)前模擬電網(wǎng)存在的故障或可能問題進(jìn)而發(fā)出的開關(guān)量信號(跳閘信號)。

圖9 模擬電氣主接線圖

變壓器保護(hù)裝置接收的實(shí)時數(shù)字仿真器發(fā)出的實(shí)時模擬量信號包括電壓和電流，電壓是變壓器低壓側(cè)出口處的三相交流電壓，電流分別是高壓側(cè)、低壓I側(cè)、低壓II側(cè)的斷路器處的三相交流電流。在設(shè)計(jì)中需要注意CT、PT的變比值以及模型中模擬量輸出卡的參數(shù)設(shè)置。

RTDS的模擬量輸出卡最多可輸出12路電壓或電流值，實(shí)際使用9路電流和3路電壓。

數(shù)字信號傳輸主要包括RTDS與變壓器保護(hù)裝置之間的“三遙”信息。變壓器保護(hù)裝置有單相跳閘和三相跳閘功能，選用單相跳閘功能，遙控信號包括高壓側(cè)斷路器A相分閘、高壓側(cè)斷路器B相分閘、高壓側(cè)斷路器C相分閘、低壓I側(cè)斷路器A相分閘、低壓I側(cè)斷路器B相分閘、低壓I側(cè)斷路器C相分閘、低壓II側(cè)斷路器A相分閘、低壓II側(cè)斷路器B相分閘、、低壓II側(cè)斷路器C相分閘，共計(jì)9個遙控信號。仿真模型中使用RS觸發(fā)器，當(dāng)接收到高壓側(cè)斷路器A相分閘信號時，高壓側(cè)斷路器三相跳閘。

RTDS的數(shù)字量輸入卡中最多可接收64路數(shù)字量信號。實(shí)際使用9路數(shù)字信號。

5 結(jié)語

本文從測試變壓器保護(hù)裝置性能指標(biāo)能否滿足實(shí)際要求的角度出發(fā)，在RTDS平臺上搭建了模擬電網(wǎng)模型，并對變壓器空投、區(qū)內(nèi)外金屬性故障、發(fā)展性故障、調(diào)整變壓器分接頭、永久性故障、電流互感器斷線、電流互感器飽和、電壓互感器斷線、系統(tǒng)頻率偏移等多種運(yùn)行工況進(jìn)行仿真模擬。利用RTDS提供與外部設(shè)備進(jìn)行交換數(shù)據(jù)的多種輸入、輸出模塊建立變壓器保護(hù)裝置的測試接口，實(shí)現(xiàn)了對變壓器保護(hù)裝置的閉環(huán)測試。本文所述的變壓器保護(hù)裝置閉環(huán)檢測內(nèi)容基本涵蓋了現(xiàn)場可能發(fā)生的異常工況，真實(shí)反映了變壓器保護(hù)裝置在異常工況中的動作情況。