基于改进的220 kV旁代变压器开关运行保护

Improved 220 kV Bypass Transformer Switch Operation Protection

摘要: 针对变压器220 kV侧旁代保护方案普遍采用外部电流互感器进行二次电流切换，进行旁代操作时需要停用变压器保护，过程中如发生短路故障，将没办法实现保护快速切除短路故障。因此，采用不停用变压器保护的改进220 kV侧旁代方案，对实现变压器差动保护和后备保护电流计算、各侧开关的跳闸方案等进行分析。提出采用技术成熟的内桥接线变压器保护装置来实现旁代方案，在MATLAB/Simulink仿真平台搭建仿真模型，仿真结果实现了220 kV旁代运行操作过程中变压器差动保护和后备保护的全覆盖，确保旁代运行操作过程中发生短路故障时能够快速切除故障，保证了电网安全可靠运行。

Abstract: For the 220 kV side bypass protection scheme of transformers, external current transformers are commonly used for secondary current switching. During the bypass operation, the transformer protection needs to be disabled. If a short circuit fault occurs during the process, it will not be possible to quickly remove the short circuit fault. Therefore, an improved 220 kV side protection scheme without stopping the transformer protection is adopted to analyze the implementation of transformer differential protection and backup protection current calculation, as well as the tripping scheme of switches on each side. A mature internal bridge transformer protection device is proposed to implement the bypass scheme. The simulation model is built on the MATLAB/Simulink simulation platform. The simulation results achieve full coverage of differential protection and backup protection of the transformer during the operation of the 220 kV bypass operation. This ensures that short circuit faults can be quickly removed during the operation of the bypass, ensuring the safe and reliable operation of the power grid.

1. 引言

目前在双母线带旁路接线的220 kV变电站的变压器主保护有差动保护和瓦斯保护，差动保护由变压器高低压侧的电流差组成，可以保护变压器内部故障和引出线出口故障，瓦斯保护是一种主要保护变压器内部故障的一种非电量保护，220 kV旁路开关2 TA变压器差动保护回路二次电流回路通过切换外部电流回路的方式接入 [1] [2] [3] [4] [5] 。通过切换变压器差动保护回路和跳闸回路实现旁路开关代替变压器220 kV侧旁代，再进行这两开关的合解环操作，最后再重新启用变压器差动保护 [6] [7] [8] [9] 。在操作过程中变压器差动保护由于停用无法快速切除变压器内部故障或其引出线上发生的故障，如果由延时的临近设备的近后备保护或运后备保护切除故障，这将会影响电网安全稳定运行，并且违反了电力安全运行规则：不允许无保护的任何电气设备运行 [10] [11] [12] 。为此，本文提出了一种220 kV变电站双母线接线的旁路开关代替变压器开关运行，操作过程中不停用变压器保护的继电保护技术方案，方案简单实用。

2. 220 kV变压器保护旁代方案

图1为220 kV变电站双母线带旁路接线的一次主接线图。

变压器差动保护回路通过1 TA和2 TA二次电流回路在外部切换电流回路方式接入(图2)。

变压器差动保护回路正常运行时只接入变压器1 TA二次电流回路，变压器差动保护回路断开2 TA二次电流回路。当变压器220 kV侧旁代运行时需要将变压器差动保护回路先停用(原因为在实际操作过程中发生TA二次电流的短接错误，即短接在变压器保护侧，造成变压器差动保护误动，主管部门要求进行操作时停用差动保护)，退出变压器保护跳变压器220 kV侧开关的跳闸回路，同时再将变压器差动保护的220 kV侧1 TA二次电流回路短接，然后再将旁路开关2 TA二次电流回路接入至变压器差动保护回路，实现由跳220 kV旁路开关替换原来跳变压器220 kV侧开关，再进行合解环操作这两开关，最后重新启用变压器差动保护。

Figure 1. Primary main wiring diagram with double busbar and bypass connection

图1. 双母线带旁路接线的一次主接线图

Figure 2. Expansion diagram of the current 220 kV transformer protection bypass scheme

图2. 现运行的220 kV变压器保护旁代方案展开图

3. 改进220 kV变压器保护旁代方案

3.1. 变压器各侧TA二次电流接入变压器保护方案

3.1.1. 变压器差动保护二次电流回路配置方案

根据变压器的高压侧、中压侧、低压侧二次电流接入I_a、I_b、I_c、I_N电流回路，220 kV变压器保护旁代方案即变压器保护的二次电流回路比原来多配置1组电流回路给间隔TA使用，使变压器差动保护由原来的“3组电流回路”进一步形成“4组电流回路”变压器差动保护。

3.1.2. 变压器TA二次电流接入变压器保护方案

变压器按母线侧为正极性，各侧电流互感器二次绕组接成Y形，相电流TAa、TAb、TAc接入I_A、I_B、I_C、I_N的电流回路(图3)。

1) 1 QF开关间隔TA二次电流接入方案

变压器高压侧的1 QF开关间隔二次电流1 TAa、1 TAb、1 TAc接成Y形，串联压板1 LPa、1 LPb、1 LPc、1 LPn，再接入I_A1、I_B1、I_C1、I_N1电流回路。

退出变压器220 kV侧电流回路保护，需将压板1 LPa、1 LPb、1 LPc、1 LPn断开并短接接地。

Figure 3. Expanded diagram of improved 220 kV transformer protection bypass scheme

图3. 改进的220 kV变压器保护旁代方案展开图

2) 旁路开关间隔TA二次电流的接入方案

变压器二次电流接成Y形，串接压板QPa、QPb、QPc、QPn和压板2 LPa、2 LPb、2 LPc、2 LPn，然后接入I_A2、I_B2、I_C2、I_N2电流回路。

1号变压器和2号变压器保护电流回路切换可以通过切换压板QPa、QPb、QPc、QPn实现。断开压板QPa、QPb、QPc、QPn并短接接地。

退出变压器220 kV旁路保护的电流回路；断开压板2 LPa、2 LPb、2 LPc、2 LPn并短接接地。

3) 110 kV侧TA二次电流的接入方案

变压器110 kV侧3 TAa、3 TAb、3 TAc二次绕组接成Y形，然后接入I_A3、I_B3、I_C3、I_N3电流回路。

4) 变压器低压侧TA二次电流的接入方案

变压器35 kV侧4 TAa、4 TAb、4 TAc二次绕组接成Y形，然后接入I_A4、I_B4、I_C4、I_N4电流回路。

3.2. 变压器差动保护差流计算

按原来的电流回路计算变压器差动保护各侧电流，采用旁路间隔时，需要增加一组电流回路计算电流差流，计算公式为：

$\{\begin{array}{l}{I}_{\text{da}}=I_{\text{dA1}}+k_1{I}_{\text{dA2}}+k_2{I}_{\text{dA3}}+k_3{I}_{\text{dA4}}\\ I_{\text{db}}=I_{\text{dB1}}+k_1{I}_{\text{dB2}}+k_2{I}_{\text{dB3}}+k_3{I}_{\text{dB4}}\\ I_{\text{dc}}=I_{\text{dC1}}+k_1{I}_{\text{dC2}}+k_2{I}_{\text{dC3}}+k_3{I}_{\text{dC4}}\end{array}$ (1)

式(1)中I_dA、I_dB、I_dC为变压器电流互感器的二次电流，k₁是旁路间隔电流的系数，k₂是110 kV侧电流的系数，k₃是35 kV侧电流的系数。电流互感器的二次电流移相后接入变压器差动保护的220 kV侧，旁路间隔侧，110 kV侧，35 kV侧的a、b、c相电流。若1 TA与2 TA的变比一样，则k₁为1。

I_h1、I_h2、I_m、I_L分别为旁路间隔折算后的二次电流、中、低压侧折算后的二次电流；U_e1、U_e2、U_e3分别为变压器高、中、低压侧额定电压；n₁、n₂、n₃、n₄、分别为1 TA、2 TA、3 TA、4 TA的变比；若变压器各侧的TA二次绕组接成Y型，则有：

$\{\begin{array}{l}{I}_{h1}=\frac{\sqrt{3}{S}_e}{\sqrt{3}{U}_{e1}{n}_1}=\frac{S_e}{U_{e1}{n}_1}\\ I_{h2}=\frac{\sqrt{3}{S}_e}{\sqrt{3}{U}_{e1}{n}_2}=\frac{S_e}{U_{e1}{n}_2}\\ I_m=\frac{S_e}{U_{e2}{n}_3}\\ I_L=\frac{\sqrt{3}{S}_e}{\sqrt{3}{U}_{e3}{n}_4}=\frac{S_e}{U_{e3}{n}_4}\end{array}$ (2)

若变压器35 kV侧或10 kV侧TA二次绕组接成Δ，则式(2)中其他电流不变，I_L为：

$I_L=\frac{S_e}{\sqrt{3}{U}_{e3}{n}_4}$ (3)

则k₁、k₂、k₃的计算为：

$\{\begin{array}{l}{k}_1=I_{h1}/I_{h2}\\ k_2=I_{h1}/I_m\\ k_3=I_{h1}/I_L\end{array}$ (4)

3.3. 变压器220 kV后备保护电流计算原理方案

变压器的1 TA二次电流和2 TA二次电流组成了后备保护电流的计算，各相电流I_A1、I_B1、I_C1、3I₀₁与各相电流I_A2、I_B2、I_C2、3I₀₂进行“求和”计算，得到变压器后备保护相电流和3倍零序电流，计算式为：

$\{\begin{array}{l}{I}_{\text{da}\text{.hb}}=I_{\text{A1}}+k_4{I}_{\text{A2}}\\ I_{\text{db}\text{.hb}}=I_{\text{B1}}+k_4{I}_{\text{B2}}\\ I_{\text{dc}\text{.hb}}=I_{\text{C1}}+k_4{I}_{\text{C2}}\\ 3I_{\text{0d}\text{.hb}}=3I_{\text{01}}+k_{4}3I_{\text{02}}\end{array}$ (5)

3I₀₁、3I₀₂计算式为：

$\{\begin{array}{l}3I_{01}=I_{\text{A1}}+I_{\text{B1}}+I_{\text{C1}}\\ 3I_{02}=I_{\text{A2}}+I_{\text{B2}}+I_{\text{C2}}\\ k_4=n_2/n_1\end{array}$ (6)

k₄为旁路间隔后备保护电流平衡系数，n₁、n₂分别为2 TA的变比、1 TA的变比，若n₁与n₂的变比一样，则k₄为1。

3.4. 变压器保护跳闸出口回路

2路直流电源回路分别用于跳开关1 QF和跳开关2 QF。

1) 变压器1 QF跳闸出口回路

当接入LP1时为投入变压器1 QF跳闸出口回路，当打开LP1时为退出变压器1 QF跳闸出口回路。

2) 220 kV旁路开关2 QF跳闸出口回路

当接入LP2时为投入旁路开关2 QF，当打开LP2时为退出旁路开关2 QF跳闸出口回路。

4. 改进旁代方案的工程运用

改进旁代方案的工程运用采用内桥接线的220 kV变压器保护来实施220 kV变压器保护220 kV侧的旁代方案。内桥接线的220 kV变压器保护220 kV侧为2个接入支路，分别为接入变压器220 kV侧开关TA电流和内桥开关TA电流。用旁路开关代替内桥开关，变压器旁路间隔TA差动保护要增加1组电流回。

同时，由1 TA二次电流和2 TA二次电流进行“求和”计算可以得到内桥接线的220 kV侧后备保护参与后备保护电流计算的电流。

另外，内桥接线变压器保护220 kV侧分别接入变压器220 kV侧开关和220 kV旁路开关的跳闸回路。

所以内桥接线的220 kV变压器保护能够满足上述第2节要求。当220 kV旁路开关用作其他用途时，可将旁路开关TA二次电流断开短接接地退出变压器保护，跳闸压板断开退出运行；当220 kV旁路开关代替变压器220 kV侧开关时，可将旁路开关TA二次电流接入变压器保护，同时跳闸压板接入并运行。这样可以做到在220 kV变压器保护旁代操作时，变压器保护始终为投入运行状态，变压器220 kV侧发生短路故障时能够快速切除，保证了220 kV电网的安全可靠运行。

5. 改进旁代方案的运行操作

5.1. 旁路开关代替1号变压器开关运行的操作

5.1.1. 运行方式

变压器各侧的断路器1 QF、2 QF、3 QF、4 QF均处于运行状态，旁路母线带电运行，220 kV旁路隔离开关断开状态(图3)。

变压器保护跳闸为：压板1 LP投入实现变压器220 kV侧开关1 QF的跳闸；压板2 LP打开实现变压器220 kV旁路开关2 QF的退出。

5.1.2. 操作过程

1) 将旁路开关由运行改为热备用；

2) 投入压板QPa、QPb、QPc、QPn和压板2 LPa、2 LPb、2 LPc、2 LPn，可以实现1号变压器保护电流回路旁路间隔TA二次回路接入；

3) 将变压器保护跳旁路开关2 QF的跳闸压板2 LP投入；

4) 将备用的旁路隔离开关改为运行；

5) 将旁路开关由热备用改为运行(合环)；

6) 拉开1号变压器220 kV开关(解环)；

7) 将1号变压器220 kV开关1 QF由热备用转为冷备用；

8) 将变压器1 QF开关间隔压板1 LPa、1 LPb、1 LPc、1 LPn断开并在TA侧短接接地；

9) 退出1 LP压板实现1号变压器220 kV开关1 QF跳闸。

5.2. 1号变压器1 QF开关恢复正常运行的操作

5.2.1. 运行方式

变压器开关2 QF、3 QF、4 QF运行，220 kV旁路母线带电，旁路隔离开关运行，开关1 QF冷备用(图3)。

变压器保护跳闸为：接入2 LP压板实现2 QF跳闸；断开1 LP压板实现1 QF跳闸。

断开压板1 LPa、1 LPb、1 LPc、1 LPn，在TA侧短接接地，即退出1号变压器保护电流回路。

接入压板QPa、QPb、QPc、QPn和压板2 LPa、2 LPb、2 LPc、2 LPn，可实现旁路间隔保护电流回路接入变压器。

5.2.2 操作过程

1) 将变压器220 kV侧电流压板1 LPa、1 LPb、1 LPc、1 LPn由短接接地并断开退出，接入变压器220 kV侧的电流回路；

2) 将变压器保护跳变压器220 kV侧开关1 QF的跳闸压板1 LP投入；

3) 将1号变压器220 kV开关1 QF由冷备用转为运行(合环)；

4) 将220 kV旁路开关2 QF由运行转为热备用(解环)；

5) 将运行的旁路隔离开关改为备用；

6) 断开压板QPa、QPb、QPc、QPn和压板2 LPa、2 LPb、2 LPc、2 LPn，并在2 TA侧短接接地，1号变压器保护电流回路将退出运行；

7) 将变压器保护跳220 kV旁路开关1 QF的跳闸压板2 LP退出运行；

8) 将220 kV旁路开关由热备用转为运行。

5.3. 仿真运行效果分析

在上述两个切除变压器发生的短路故障操作过程中，均没有停用变压器差动保护和后备保护，从而保证了220 kV电网的安全可靠运行，在MATLAB/simulink搭建改进旁代方案的模型仿真如图4所示，电源电压采用35 kV，变压器的电压变比是35/110/220 kV，系统仿真采用离散算法，仿真时间为0.5 s。

Figure 4. Model simulation for improving bypass schemes

图4. 改进旁代方案的模型仿真

变压器发生短路故障时间为0.2 s~0.4 s，仿真波形分析如下。

(a) (b) (c) (d)

Figure 5. (a) Current waveform of 220 kV high-voltage side phase A without fault; (b) Current waveform of phase A on the low voltage side of 35 kV without any faults; (c) Differential current amplitude without fault; (d) Trip signal without failure

图5. (a) 未发生故障的220 kV高压侧A相电流波形；(b) 未发生故障的35 kV低压侧A相电流波形；(c) 未发生故障的差动电流幅值；(d) 未发生故障的跳闸信号

图5(a)~(d)分别是变压器未发生故障时的220 kV高压侧A相二次电流波形，未发生故障的35 kV低压侧A相二次电流波形，未发生故障的差动电流幅值，未发生故障的跳闸信号，由这个4幅波形图可知变压器正常运行时高低压侧的电压和电流幅值不一样，通过配置互感器变比实现二次电流都为10 A (保护一般采用1 A或5 A)，差动幅值为20 A，跳闸信号为1。

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

Figure 6. (a) 220 kV high-voltage side A-phase current waveform with short-circuit fault; (b) Current waveform of phase A on the low voltage side of 35 kV with short-circuit fault; (c) Differential current amplitude in case of short-circuit fault; (d) Braking current amplitude in case of short circuit fault; (e) Differential and braking current amplitude difference in case of short-circuit fault; (f) Trip signal for short circuit fault

图6. (a) 发生短路故障的220 kV高压侧A相电流波形；(b) 发生短路故障的35 kV低压侧A相电流波形；(c) 发生短路故障的差动电流幅值；(d) 发生短路故障的制动电流幅值；(e) 发生短路故障的差动与制动电流幅值差；(f) 发生短路故障的跳闸信号

图6(a)~(f)分别是变压器发生短路故障时的220 kV高压侧A相二次电流波形，发生短路故障的35 kV低压侧A相二次电流波形，发生短路故障的差动电流幅值，发生短路故障的制动电流幅值，发生短路故障的差动与制动电流幅值差，发生短路故障的跳闸信号，由这个6幅波形图可知变压器在0.2 s~0.4 s发生短路时高低压侧的二次电流都会增大，差动电流幅值超过2500 A，制动电流幅值不到1500 A，差动电流与制动电流幅值差超过1000 A大于门槛值200 A，变压器两侧断路器的差动保护信号在0.2 s~0.4 s由1变为0实现跳闸。

6. 结语

本文采用不停用变压器保护的改进220 kV侧旁代方案，对实现变压器差动保护和后备保护电流计算、各侧开关的跳闸方案等进行分析。提出采用技术成熟的内桥接线变压器保护装置来实现旁代方案，在MATLAB/simulink仿真平台搭建仿真模型，仿真结果实现了220 kV旁代运行操作过程中变压器差动保护和后备保护的全覆盖，确保旁代运行操作过程中发生短路故障时能够快速切除故障，保证了电网安全可靠运行。

NOTES

^*通讯作者。