黃昌軍，陳海龍，張 軒，王靜濤，李 棟，徐立明，肖志剛

(1. 江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

斷路器觸頭斷開、導(dǎo)線拉斷、變壓器套管或線路絕緣子故障，接頭松動(dòng)等故障都可能造成核電廠輔助變壓器缺相故障，在帶載工況下，可以由零序電流、負(fù)序電流、各次諧波分量等判據(jù)實(shí)現(xiàn)缺相故障判別[1-6]，核電廠的輔助變壓器作為備用電源，長期處于空載熱備用工況。輔助變壓器缺相斷線工況下，當(dāng)帶載運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致廠用電系統(tǒng)的異常，不僅對(duì)核電廠是一個(gè)重大的損失，也給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了極大的威脅。世界核電運(yùn)營者協(xié)會(huì)(WANO)在2015年的經(jīng)驗(yàn)反饋中著重提到了幾起核電廠的缺相故障，以及由此導(dǎo)致的嚴(yán)重后果[7]。

核電廠輔助變壓器一般采用三相三繞組分裂變壓器Yn0yn-yn-12+d或Yn0-d-d-11接線方式，空載運(yùn)行的輔助變壓器在高壓側(cè)或電源線路發(fā)生缺相故障時(shí)，其各側(cè)電壓相量和電壓序分量沒有明顯變化，且空載變壓器的勵(lì)磁電流的大小為1%～5%額定電流，并具有顯著的諧波含量，很難利用現(xiàn)有的常規(guī)電磁式電氣保護(hù)方案進(jìn)行檢測(cè)。

文獻(xiàn)[8-9]提出利用光學(xué)互感器檢測(cè)勵(lì)磁電流判斷變壓器缺相斷線，但是需在變壓器高壓側(cè)套管上安裝三組高壓光學(xué)互感器，增加了大筆工程費(fèi)用，而且光學(xué)互感器對(duì)于空載時(shí)的小電流檢測(cè)也同樣存在測(cè)量精度問題[10-13]。

針對(duì)上述需求與問題，本文提出了外加電源注入的核電廠輔助變壓器缺相保護(hù)方案，研究分析了輔助變壓器缺相斷線故障的特征，提出了具體的保護(hù)方案，并利用RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 變壓器線路系統(tǒng)缺相斷線電氣量分析

1.1 缺相斷線時(shí)電壓特征

在變壓器高壓側(cè)發(fā)生缺相斷線故障時(shí)，高壓側(cè)電壓取決于變壓器的繞組聯(lián)接組別及接地方式，核電廠輔助變壓器一般采用三相三繞組分裂變壓器Yn0yn-yn-12+d或Yn0-d-d-11接線方式。假設(shè)變壓器高壓側(cè)A相發(fā)生缺相故障，高壓側(cè)B、C兩相電壓在低壓側(cè)感應(yīng)出Ub、Uc，Ub、Uc在△繞組中產(chǎn)生Ua′，使a相繞組在低壓側(cè)產(chǎn)生勵(lì)磁電流和磁通。該勵(lì)磁電流和磁通在高壓側(cè)同樣產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使高壓側(cè)的三相電壓與缺相前一樣，在變壓器高壓側(cè)A相繞組上，重新建立UA′，使得變壓器高壓側(cè)電壓仍然三相對(duì)稱[14-15]，變壓器高壓側(cè)A相發(fā)生缺相時(shí)，A相電壓重建及三相電壓如圖1所示。

利用RTDS進(jìn)行仿真，A相發(fā)生缺相斷線故障時(shí)，三相電壓的波形如圖2所示，缺相故障前后，三相電壓正常，無任何變化，與上面的分析一致。

圖1 A相缺相斷線時(shí)變壓器三相電壓分析圖Fig.1 The analysis of three-phase voltage when open phase of phase A of the transformer

現(xiàn)有常規(guī)電磁式電氣保護(hù)一般通過母線電壓互感器采集母線電壓，在線路發(fā)生缺相斷線時(shí)，母線上由于變壓器低壓側(cè)△繞組的電壓重建，高壓側(cè)母線TV采集到的電壓三相正常且平衡，而在變壓器高壓側(cè)繞組到高壓母線發(fā)生缺相斷線時(shí)，高壓母線TV采集的是系統(tǒng)電壓，三相正常且平衡。因此無論是線路還是變壓器高壓側(cè)發(fā)生缺相斷線故障時(shí)，高壓母線TV采集到的三相電壓正常且平衡，電壓相量和電壓序分量無任何變化。因此常規(guī)采用電壓量作為判據(jù)的保護(hù)不能檢測(cè)變壓器線路缺相斷線故障。

圖2 A相缺相斷線時(shí)三相電壓波形仿真圖Fig.2 The simulation of three-phase voltage waveform when open phase of phase A of the transformer

1.2 缺相斷線時(shí)電流特征

對(duì)于空載運(yùn)行的變壓器，變壓器高壓側(cè)TA流過的電流為空載勵(lì)磁電流，空載勵(lì)磁電流一般為1%～5%額定電流，常規(guī)保護(hù)在此范圍內(nèi)無法正確檢測(cè)電流。

線路發(fā)生缺相斷線時(shí)，由于線路對(duì)地電容的存在，將在變壓器高壓側(cè)TA和線路TA安裝處流過對(duì)地電容電流，電流的大小取決于缺相斷線故障位置。

因此常規(guī)保護(hù)既不能區(qū)分是勵(lì)磁電流還是缺相斷線時(shí)的對(duì)地電容電流，也無法正確檢測(cè)小電流。空載運(yùn)行的變壓器線路缺相斷線時(shí)的電流也遠(yuǎn)小于常規(guī)電流類保護(hù)定值，常規(guī)電流類保護(hù)不能反應(yīng)變壓器線路缺相斷線故障。

2 外加電源注入式變壓器缺相保護(hù)系統(tǒng)

2.1 基本原理

外加電源注入式變壓器缺相保護(hù)，是外加注入電源裝置將非工頻信號(hào)(小信號(hào))通過注入TA耦合到變壓器中性點(diǎn)，將非工頻信號(hào)(小信號(hào))注入到變壓器的零序回路中，在變壓器中性點(diǎn)安裝高精度測(cè)量電流互感器，保護(hù)裝置檢測(cè)注入的電壓、電流信號(hào)，通過計(jì)算零序阻抗，根據(jù)阻抗特征變化，采用綜合判據(jù)實(shí)現(xiàn)變壓器缺相故障檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 缺相斷線檢測(cè)系統(tǒng)圖Fig.3 Open-phase detection system of the transformer

圖3中，在T1變壓器中性點(diǎn)對(duì)地回路通過注入TA注入信號(hào)源，注入信號(hào)從T1變壓器中性點(diǎn)，經(jīng)過T1變壓器、線路及大電源接地系統(tǒng)，最后經(jīng)大地回到變壓器中性點(diǎn)，構(gòu)成完整零序回路，注入信號(hào)的等效電路圖如圖4。

圖4 注入電源信號(hào)零序回路等效圖Fig.4 Equivalent diagram of the zero sequence circuit of the injection power signal

變壓器線路正常運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的零序阻抗為T1變壓器回路零序阻抗、線路及大電源接地系統(tǒng)回路零序阻抗，注入的電流在三個(gè)完整的零序路徑中流動(dòng)，流經(jīng)原變壓器次級(jí)繞組并流出繞組。這種零序模式下，阻抗相對(duì)較低，一般總的計(jì)算阻抗Z∑數(shù)值在數(shù)百或數(shù)千歐姆[16]；若變壓器線路發(fā)生缺相斷線故障時(shí)，斷線故障所在支路的零序回路被破壞，注入電流通過系統(tǒng)正常相、缺相的變壓器勵(lì)磁阻抗及接地返回，零序阻抗變大，注入的電流在完整的零序路徑及缺相的零序勵(lì)磁阻抗中流動(dòng)，流經(jīng)原變壓器次級(jí)繞組并流出繞組。這種零序模式下，零序阻抗相對(duì)較大(數(shù)兆歐姆)，零序阻抗的特征變化較明顯。

如圖3，檢測(cè)系統(tǒng)接入變壓器中性點(diǎn)高精度測(cè)量TA，測(cè)量該回路的注入電流信號(hào)，接入注入回路電壓，計(jì)算回路零序阻抗Z∑，根據(jù)零序阻抗的變化特征，采用綜合判據(jù)實(shí)現(xiàn)變壓器缺相故障檢測(cè)。

如圖4，檢測(cè)系統(tǒng)利用注入電壓Un及測(cè)量電流In檢測(cè)整個(gè)回路的零序阻抗Z∑，如式(1)。

(1)

變壓器高壓側(cè)發(fā)生缺相斷線故障時(shí)，注入電流In降低，變壓器支路零序阻抗上升為數(shù)兆歐姆，Z∑阻抗測(cè)量值將變?yōu)閿?shù)兆歐姆。

利用注入信號(hào)檢測(cè)零序回路的零序阻抗值，可以靈敏的檢測(cè)缺相斷線故障。

2.2 變壓器線路缺相斷線檢測(cè)方案

如圖3所示，注入式變壓器缺相故障檢測(cè)裝置一般包含注入電源裝置、注入耦合電流互感器、中性點(diǎn)測(cè)量TA、保護(hù)裝置等。由于采用非工頻注入信號(hào)，整個(gè)檢測(cè)裝置的特性是對(duì)于工頻50 Hz電流阻抗較大，而對(duì)注入信號(hào)頻率的阻抗較小。變壓器缺相斷線保護(hù)方案主要判據(jù)如下。

阻抗判據(jù)：

Z0>Z0set

(2)

測(cè)量注入的電壓、電流計(jì)算零序阻抗，如式(1)。當(dāng)測(cè)量阻抗大于定值時(shí)，阻抗判據(jù)滿足。

開放判據(jù)：

(3)

測(cè)量中性點(diǎn)零序電流，采用傅里葉變換計(jì)算其基波、三次諧波、五次諧波的大小及變化量。當(dāng)零序電流基波有效值變化量大于定值或零序電流三次諧波有效值變化量大于定值或零序電流五次諧波有效值變化量大于定值時(shí)，開放判據(jù)滿足。

輔助判據(jù)：

|U20|

(4)

輔助判據(jù)主要保證注入回路的完整性，當(dāng)注入回路電壓、電流回路異?；驍嗑€時(shí)，式(4)滿足，閉鎖保護(hù)。

非故障檢測(cè)判據(jù)：為了保證選擇性，該判據(jù)包括用于檢測(cè)高壓側(cè)和低壓側(cè)的幾種類型的非缺相故障的功能。主要包括負(fù)載側(cè)故障、不接地系統(tǒng)電源側(cè)故障、接地系統(tǒng)電源側(cè)故障、相間不接地故障等。這些故障通常由變壓器電壓、電流保護(hù)方案構(gòu)成。

注入式變壓器缺相保護(hù)邏輯如圖5所示。

圖5 變壓器缺相斷線檢測(cè)邏輯圖Fig.5 The logic of transformer open-phase detection

當(dāng)保護(hù)裝置檢測(cè)到注入零序阻抗?jié)M足阻抗判據(jù)及中性點(diǎn)零序電流滿足開放判據(jù)，在注入回路正常條件下，且未發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)經(jīng)延時(shí)t1告警或跳閘。為躲過啟動(dòng)備用變壓器及系統(tǒng)的各種故障暫態(tài)干擾，延時(shí)定值可設(shè)定為15.0 s。

2.3 系統(tǒng)故障對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響

檢測(cè)系統(tǒng)通過注入信號(hào)檢測(cè)零序回路阻抗，系統(tǒng)或變壓器相間故障、變壓器匝間故障不影響檢測(cè)回路零序阻抗，此類故障不影響外加電源注入式變壓器線路缺相斷線檢測(cè)判斷；系統(tǒng)或變壓器發(fā)生接地故障時(shí)會(huì)改變零序回路，接地故障時(shí)回路零序阻抗變小，而變壓器線路缺相斷線時(shí)該支路零序回路增大，接地故障時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的信號(hào)量有別于變壓器線路缺相斷線時(shí)的信號(hào)量，接地故障不會(huì)影響外加電源注入式變壓器線路缺相斷線檢測(cè)判斷。

3 變壓器線路缺相斷線檢測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

利用RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，建立系統(tǒng)模型，仿真系統(tǒng)模型如圖6，在系統(tǒng)各位置模擬系統(tǒng)各類故障，得到系統(tǒng)故障波形。利用Delphi應(yīng)用程序開發(fā)工具，編制離線數(shù)字分析軟件，計(jì)算線路系統(tǒng)、變壓器等支路零序阻抗，驗(yàn)證在線路變壓器系統(tǒng)各個(gè)位置發(fā)生缺相斷線時(shí)，外加電源注入式變壓器線路缺相斷線檢測(cè)系統(tǒng)是否可靠動(dòng)作；在線路變壓器系統(tǒng)各個(gè)位置發(fā)生相間、接地等故障時(shí)，外加電源注入式變壓器線路缺相斷線檢測(cè)系統(tǒng)是否可靠不動(dòng)作。

圖6 RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)模型圖Fig.6 The model of RTDS real time digital simulation system

正常運(yùn)行時(shí)，兩組變壓器高壓TA采到的A相基波電流為變壓器勵(lì)磁電流，一次電流大小為1%額定電流，離線應(yīng)用程序計(jì)算的回路零序阻抗Z∑，T2變壓器支路零序阻抗計(jì)算值Zt，線路系統(tǒng)支路零序阻抗計(jì)算值Zs，錄波圖如圖7，外加電源注入信號(hào)計(jì)算的阻抗值如圖8。

圖7 正常運(yùn)行時(shí)RTDS仿真錄波圖Fig.7 Wave charts of RTDS simulation for normal running state

圖8 正常運(yùn)行時(shí)阻抗圖Fig.8 Zero sequence impedance diagram for normal running state

T1變壓器高壓側(cè)發(fā)生A相發(fā)生缺相斷線時(shí)，T1變壓器高壓側(cè)A相基波電流為0，母線電壓三相平衡，故障錄波圖如圖9，外加電源注入信號(hào)計(jì)算的阻抗值如圖10。

T1變壓器高壓側(cè)發(fā)生A相發(fā)生缺相斷線時(shí)，變壓器中性點(diǎn)零序電流有效值基波、三次諧波、五次諧波的大小及變化量如圖11所示。

圖9 T1變壓器A相缺相斷線時(shí)RTDS仿真錄波圖Fig.9 Wave chart of RTDS simulation when open phase of phase A of the T1 transformer

圖10 T1變壓器A相缺相斷線時(shí)阻抗圖Fig.10 Zero sequence impedance diagramwhen open phase of phase A of the T1 transformer

圖11 缺相前后中性點(diǎn)諧波電流變化Fig.11 Change of neutral harmonic current before and after an open-phase event

通過Delphi離線數(shù)字軟件分析RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)故障錄波，變壓器高壓側(cè)發(fā)生缺相斷線故障時(shí)，零序阻抗上升為數(shù)兆歐姆，中性點(diǎn)零序電流基波、三次諧波、五次諧波變化量明顯，仿真結(jié)果基本符合理論分析。

4 結(jié)束語

本文研究分析了變壓器線路缺相斷線故障時(shí)的電壓、電流特征，介紹了外加電源注入式變壓器缺相保護(hù)系統(tǒng)，提出了適用高壓側(cè)直接接地的核電廠輔助變壓器缺相斷線保護(hù)方案，理論分析及仿真系統(tǒng)驗(yàn)證外加電源注入核電廠輔助變壓器缺相保護(hù)系統(tǒng)能夠靈敏、準(zhǔn)確、可靠檢測(cè)變壓器的缺相斷線狀態(tài)，解決空載工況下輔助變壓器高壓側(cè)缺相故障難以檢測(cè)的問題，提升了核電廠輔助變壓器系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。