0.4kV厂用变压器低压侧单相接地保护配置

第 2 9卷 第 6期 2 0 0 9年 6月 电 力自 动化设 备 El e c t r i c Po we r Au t o ma t i o n Eq u i p me n t V0 1 29 No 6 J u n 2 0 0 9 大型抽水蓄能电站 1 0 0 4 k V厂用变压器 低压侧单相接地保护配置 黄锐 ( 华 东勘 测设计 研 究 院 ， 浙 江 杭 州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ：针 对 大型抽 水 蓄能 电站 l 0 0 4 k V厂 用 变压 器远 离配 电装 置 的 特 点 ， 提 出 了利 用 变压 器 高压侧 过 流 保 护兼做 低 压侧 单相接 地 故 障 时的保 护 根 据 抽 水蓄 能 电站厂 用 电接 线和 D Y n 1 1变压 器 的特 点 ， 建 立 一 个单 电源 电力 系统模 型 假 定 变压 器低 压 侧 a相发 生接 地 故 障 ， 利 用 对称 分 量 法求得 高 压侧 各 相 的 短路 电 流表达式 根据 实际工程 中应 用的变压器容量以及 变压器与配电装置的距 离， 对 变压器高压侧过流保护的 灵敏度进行计算 灵敏度 系数大于 1 5 ， 满足规范 D L T 5 1 7 7 2 0 0 3的要 求 最后根据计算结果 ， 对距 离配电 装置 4 k m 以 内的 2 0 0 0 k V A及 以 下 变压 器低压 侧 单相 接 地 故障 的保护 配 置作 出 了建议 。 关键 词 ：变压 器 ；过 流保 护 ；单相接 地故 障 ；对称 分量 法 ；保护 灵敏 度 中图分 类号 ：T M 6 2 2 ： T M 7 7 2 文献 标识码 ：A 文章 编号 ：1 0 0 6 6 0 4 7 ( 2 0 0 9 ) 0 6 0 1 3 9 0 4 0 引言 目前 国内设计的大型抽水蓄能电站均采用地 下厂 房的形 式 ， 电站 的上 水库 、 下 水库 、 中控楼 、 开 关 站等场所均远离地下厂房( 距离大于 I k m) ， 但这些 场 所 的负荷 均 由地 下厂 房 1 0 k V厂用 电系 统经 布置 在相关场所的低压厂用变压器( 1 0 0 4 k V) 供电 ， 这 些厂用变压器的低压侧单相接地保护若采用常规的 接于低压侧中性线电流互感器上的继电器构成 ， 动作 于 1 0 k v断路器跳闸的方式 将使用较长 的控制 电 缆 降低 了保护的可靠性 。因此 ， 有必要考虑其他可 替代的保护来作为低压侧单相接地保护。 规范 水力发电厂继电保护设计导则 中有如 下描述 ： “ 如 Y， Y 0接线变压器低压侧没有装设单独 的零序 电流保护 其过 电流保 护通常采用两相三继 电器接线 其灵敏度按低压侧单相接地来校验” 从 中可以发现 零序电流保护 可以由过电流保护来代 替 ， 前提条件是保护灵敏度应满足单相接地保护灵 敏度 的要求 。 随着变 压器技 术 的发展 近 年来 D v n 1 1 接 线 变 压器由于其零序阻抗变异较小( 可认为近似等于正序 阻抗) 、 承受不平衡负荷能力较大等优点 ， 在 电力系 统 得到推 广应 用 ， 逐 步取 代 了 Y Y 0接线 变压 器 l2 - 引 能 很方 便 按 照规 范要 求 对 D， y n l l 接 线 变 压器 高 压 侧过流保护进行低压侧单相短路 时的灵敏度计算 从而验证保护的灵敏度是否符合规范的要求 1 厂用 电系统典型接线 国内大型抽水蓄能电站典型厂用电接线见图 1 收稿 日期 ： 2 0 0 80 42 2； 修 回 日期 ： 2 0 0 81 2 1 0 其中 高压厂用变压器接在主变压器的低压侧。由于 主变压器高压侧额定电压通常为 2 2 0 k V或 5 0 0 k V， 低压侧额定电压通 常为 1 5 7 5 k V或 1 8 k V， 为选取 合适 的厂用 变压器 高压侧 断路器 在高压 厂用 变压器 和主变压器低压侧之间设有限流电抗器 ， 以限制高压 厂用变压器故障时电力系统提供 的短路电流I 4 _ 。 低压厂用 变压器 0 4 k V 0 4 k V 0 4 k V 0 4 k V 图 1厂 用电系统典型接线 F i g 1 T y p i c a l c o n n e c t i o n s o f s t a t i o n p o w e r s y s t e m 2 低 压侧 单相接地故 障 时 ， 低 压变压 器高压 侧故 障电流 由图 1 可见， 当低压厂用变压器低压侧单相接地 故障时 ， 短路 电流主要由发 电电动机和电力 系统提 供 ， 2个电源点均处于厂用变压器的高压侧 可以把 整个系统看作一个简单的单侧电源的电力系统 特 电 力自 动化 设 备 第 2 9 卷 别是 由于限流电抗器的存在 高压厂用变压器高压 侧的最大短路电流不再取决于发电电动机和电力系 统提供的短路电流， 而是取决于限流电抗器 的容量 ( 限流电抗器后最大短路电流) ， 因此 对于电源侧还 可进一步简化 ， 把 电源侧看作是一个与高压厂用变 压 器 相 连 的具 有 恒 定 的最 大 短 路 电 流 的无 穷 大 系 统 此时得到的接线如图 2所示 图 2 简化后的厂用电接线 F i g 2 S i mp l i fie d c o n ne c t i o n s o f s t a t i o n p o wer s y s t e m 对图 2所示网络的低压厂用变压器低压侧单相 接地故障， 利用对称分量分析法 6 l ， 可得出各序等效 网络图( 采用标么值) ， 见图 3 。 高压厂用 低压厂用 系统阻抗 变压器阻抗 电缆阻抗 变压器阻抗 低压厂用变压器阻抗 - 十 ( c )零序网络 图 图 3等效网络图 F i g 3 E q u i v a l e n t n e t w o r k 由于高压 厂用变 压器 与 1 0 k V配 电装 置均 布置 在地下厂房内 两者相距较近 而低压厂用变压器分 散布置在各生产场所 与 1 0 k V配 电装置距离最远 可达 3 k m 因此图 3中 电缆阻抗是指 1 0 k V配电装 置至低压厂用变压器高压侧的电缆阻抗 1 O k V配 电 装置与高压厂用变压器间的电缆阻可以忽略。 各序等值阻抗如下 ： 正序等值阻抗 X l = X s I + X T g l + Xu + X v d ( 1 ) 负序等值阻抗 X 2 = X s 2 * + X T s 2 + Xn + 他 ( 2 ) 零序等值阻抗 X =X ( 3 ) 假设低压厂用变压器低压侧 a相单相接地 ， 则 = 丽 E a * Y Y o * 2 J l 1 + 2 + ) l + +J ：3 】 l b * = 0 ( 4) ( 5 ) ( 6 ) ， a = ， a t ( 7 ) 式 ( 7 ) 中 为短路电流计算时低压变压器低压 侧 的基 准 电流 由于低 压 厂 用变 压 器 高压 侧 为 三角 形 接线 高 压侧正序电流总是超前于低压侧正序电流 3 0 o 高压 侧负序电流总是滞后于低压侧负序电流 3 0 。 零序电 流在三角形绕组中形成环流无法流出7 ， 因此 高压 侧各相绕组外电流为 I A = + ： 尘 ： 一I a l( e J 3 0 i e - j 3 0 ) = ( 8 ) ： + ： 旦 ： A l a l( e J r r0 + e j ) = 0 ( 9 ) J c ： 。 +I c 2 ： ： ( e j 1 5 & + e J 2 1O O ( 1 0 ) 其中， K为低压变压器变比； 为一常数， 0 f = e j 1 2 0 。 由此可得出流过低压变压器高压侧 的故障电 流为 厶= ， c 。 j = V E a , ( 1 1 ) 对 于 电站而 言 可 以把 系统 、 变 压器 和电缆 的正 序阻抗与其负序阻抗视作相同 且低压变压器的零 序 阻抗 也 可与正序 阻抗 视作相 同 则有 系统等值 阻抗 Xs l = Xs 2 ( 1 2 ) 高压 厂用变 压器等 值阻抗 XT g I * = ( 1 3 ) 低压厂用变压器等值阻抗 l = 他 1 ( 1 4 ) 电缆等值阻抗 X ： x l = 鲁 ， J ( 1 5 ) uj 2 式 ( 1 5 ) 中， 5 i 为短路 电流计算设定的基准容量 ； ，为短路电流计算设定的电缆所在电压等级 的基 准电压 ； 为 电缆每千米阻抗值 ， 单位 f k m， 该值 与电缆截面相关 ； L为电缆长度 ， 单位 k m。 将式( 1 ) ( 3 ) 及( 1 2 ) ( 1 5 ) 代入式 ( 1 1 ) ， 得到： ， A ： ， c ： ， a ， i ： 、 3 E (2 x + 2 磊 + 3 ) 第6 期 黄 锐 ： 型 董 堂 皇 苎 ：! 二 里 竺 鎏 里 墨 兰 兰 耋 3高压侧 过电流保护动作 整定电流 根据规范 高压侧过流保护的整定公式为 ， d = K K ， r ( 1 7 ) 其 中。 为可靠系数 ， 取1 2 ； 为 电流互感器 接 线 系 数 星 形 接线 取 1 0 ， 三角 形 接 线 取 1 7 3 2 ， 一 般电流互感器均采用星形接线； 为电动机 自启动系 数 为需要 自启动的全部电动机在 自启动时所引起 的 过 电流倍数 ， 可近似由电动机 自启动计算电流倍数 曲线求 出 ； ， 为低 压 厂用变珏 器高 压 侧额定 电流 。 4高压侧过流保护 的灵敏度校验 根据规范的要求 灵敏度系数为 K = i 1 5 ( 1 8 ) 其 中， ， 为变压器低压侧单相接地短路故障时 流过高压侧过 电流保护装置的电流 ； 为高压侧过 电流保护装置的动作电流。 根据国内抽水蓄能电站的工程经验 ， 远离 l 0 k V 配电装置低压厂用 变压器 的容量 均不超过 8 0 0 k V A。 为验 证 保 护 的灵 敏 度 ， 本 文 根据 式 ( 1 6 ) ( 1 8 ) 对 抽 水 蓄能电站常用的变压器容量进行计算 ， 下面介绍 各 相关 参数 的选择 a 取基 准容量 S i =1 0 0 MV A。 b 系统最大短路容量 按高压厂用变压器高压 侧额定 电压为 l 5 7 5 k v 该 电压等级 的真空断路器 的额定开断电流一般为 2 5 k A或 3 1 5 k A 为计算短 路 电流 较小 情 况 下保 护 的灵 敏 度 按 限流 电抗器 后 最大短路电流为 2 5 k A计算 系统最大短路容量 J s 和系统 阻抗 分别 为 S s = 、 U s s = 1 5 7 5 x 2 5 = 6 8 2( MV A ) Xs 1 = Xs 2 = S S s =1 0 0 6 8 2 = 0 1 4 6 6 c 高 压 厂用 变 压 器 容量 一 般 有 4 2 0 0 k V A和 6 3 0 0 k V A 2种 为计算短路 电流较小情况下的灵敏 度 ， 高压 厂用 变压器容 量采用 4 2 0 0 k V A。 U k 为 7 高压 厂用 变压器 阻抗 为 ： ： ： x7 ：1 6 6 67 o 斗 d 根据电缆 的载流量E 8 ， 8 0 0 k V A及 以下容量 的低压 厂用 变压 器高 压侧 至配 电装置 的 电缆均 采 用 2 5 m m ， 电缆 阻抗 为 0 7 4 9 Q k m B根据规范 干式电力变压器技术参数和要求 9 6 3 0 k V A及 以上 容量 低压 厂用 变 压器 的 为 6 ， 6 3 0 k V A以下 容量 低压 厂用 变压器 的 为 4 f 电动 机 自启 动 系数 K ， 在 实 际 工程 通 常 在 无 自启动电动机时取 1 3 ， 有 自启动电动机时取 3 1o 计算结果如表 1 所示 除表 1中变 压器外 ， 抽水 蓄能 电站在地 下厂 房 内 还可能配置有 l 0 0 0 k V A及以上容量的低压厂用变 压器 ， 此类变压器靠近 1 0 k V配电装置 可 忽略 变 压 表 1 8 0 0 k V A及 以下 容 量低 压厂 用变 压 器 低 压 侧 单相接地高压侧过流保护 灵敏度 系数 T a b 1 S e n s i t i v i t y c o e ffic i e n t s o f o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n a t HV s i d e f o r s i n g l e p h a s e g r o u n d i n g f a u l t a t L V s i d e o f s t a t i o n p o we r t r a n s f o r me r wi t h c a p a c i t y o f 8 0 0 k V A a n d b e l o w S kV A Lk m， A l K =1 3 Ks =3 0 =1 3 K =3 0 注 ： S为 低 压 变 压 器 容量 ； Z 为 电 缆长 度 。 器与 1 0 k v配电装置的电缆阻抗 表 2为此类变压器 低压侧单相接地时 高压侧过流保护的灵敏度系数 ， 其 中变压器 的 为 6。由于 2 0 0 0 k v A以上变压 器 应 用较少 表 中未 列 出 表 2 1 0 0 0 k V A及 以上容量低压厂用变压 器低压侧 单 相 接 地 高 压侧 过 流 保 护 灵 敏 度 系 数 T a b 2 S e n s i t i v i t y c o e ffic i e n t s o f o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n a t HV s i d e f o r s i n g l e p h a s e g r o u n d i n g f a u l t a t L V s i d e o f s t a t i o n p o we r t r a n s f o r me r w i t h c a p a c i t y o f 1 0 0 0 k V A a n d a b o v e skv A三k m ， I K K =1 3 K =3 0 Ks =1 3 Ks =30 5 结论 从表 1 和表 2中可以看出， 抽水蓄能电站低压厂 用变压器低压侧单相接地故 障时 高压侧过流保护 的灵敏度与变压器容量及变压器与 l 0 k V配电装置 间的电缆长度有关 ， 变压器容量越小 ， 灵敏度越高 电缆越短 ， 灵敏度越高。对于 2 0 0 0k V A及以下容量 的低 压厂用 变压 器 ， 在 变压 器距 1 0 k V配 电装置 1 k m以内， 高压侧过流保护的灵敏度均满足要求 对 电 力 自动 化 设 备 第2 9 卷 于 8 0 0 k V- A及 以下 容 量变 压器 在 变 压 器 距 1 0 k V 配电装置 4 k m以内， 高压侧过流保护的灵敏度均满 足要求。由此可见 ： a 容量在 8 0 0 k V A及 以下 且与 1 0 k V配电装置 距离 不超过 4 k m低 压 厂用变 压器 可取 消厂 用 变压 器低压侧 中性线零序 T A及零序过流保护 由高压侧 过流保护兼做低压侧单相接地保护 b 容量 在 8 0 0 k V A 以上 、 2 0 0 0 k V A及 以下 且 与 1 0 k V配 电装 置 距 离 不超 过 1 k m 的低 压 厂 用 变压器 可取消厂用变压器低压侧中性线零序 T A及 零序过流保护 由高压侧过流保护兼做低压侧单相 接地 保护 。 C 容量在 2 0 0 0 k V A以上 的低压厂用变压器 本 文未作灵敏度计 算 由于此类变压 器距离 1 0 k V配 电装置较近 为保证保护的可靠性和灵敏性 建议保 留变压器低 压侧 中性线零 序 T A及零序 过流保 护 参 考文献 1 中华人民共和国国家经济贸易委员会水 力发 电厂继 电保 护没 计导则 s 1 北京 ： 中国电力出版社， 2 0 0 3 2 中华人民共和国国家经济贸易委员会水力发 电厂厂用 电设计 规程 s 北京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 2 3 中华人 民共和国国家经济贸易委员会2 2 0 k V 5 0 0 k V变电所所 用 电设计技术规程 S 北京 ： 中国电力出版社 2 0 0 2 4 中华人 民共 和国国家发展与改革委员会抽水蓄 能电站设计 导 则 f S 北京 ： 中国电力 出版社 2 0 0 5 5 梁见诚， 杨梅蓄能机组变频启动过程的谐 波限制 J 水电站机 电技术 ， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 1 4 LI ANG J i a n c h e n g， YANG Me i Ha r mo n i c l i n fi t o f S F C s t a r t i n g p r o c e s s o f p u m p e d s t o r a g e p o w e r s t a t i o n J Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l T e c h n i q u e o f Hy d r o p o we r S t a t i o n， 2 0 0 4( 6) ： 卜4 6 周荣光电力系统故障分析 f M 北京 ： 清华 大学 出版社 1 9 8 7 7 崔家佩， 孟 庆炎 ， 陈永芳， 等电力系统继电保护与安全 自动装置 整定计算 M 北京： 水利电力出版社 ， 1 9 9 0 8 中国航空工业规划设计 研究院工业与 民用配 电设计手册 M 2版北京 ： 水利电力 出版社 1 9 9 4 9 中华人 民共 和国国家技 术监督局干式 电力变压器技术参数和 要求 S 北京 ： 中国标准出版社 1 9 9 7 1 O 林双喜 ， 徐文兴配电变压器低压侧单相接地短路故障的过电流 保护 J 江苏 电器 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： l 9 2 2 L I N S h u a n g x i ， XU W e n x i n g P r o t e c t i o n o f o v e r e l e c t ric e mT e n t o f s i n g l e -p h a s e g r o u n d c o n n e c t i o n i n l o w p r e s s u r e s i d e o f t r a n s f o r m e r i n p o w e r d i s t r i b u t i o n J J i a n g s u E l e c t ri c a l A p p a r a t u s ， 2 0 0 6( 4) ： 1 9 2 2 ( 责任编辑 ：李玲 ) 作 者 简 介 ： 黄 锐 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 湖北武穴人 ， 工程 师， 主要从事水 电 厂 电气二 次设 计 工 作 ( E- ma i l ： h u a n g _r e e i d i c o rn) 。 LV- s i d e s i ng l e- p ha s e g r o u nd i n g p r o t e c t i o n c o n fig u r a t i o n f o r 1 00 4 kV s t a t i o n t r a ns f o r me r o f l a r g e pu mp e d s t o r a g e po we r pl a nt HUANG Ru i ( Hy d r o Ch i n a Hu a d o n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， Ha n g z h o u 3 1 0 01 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： As t h e 1 0 0 4 k V s t a t i o n t r a n s f o r me r o f l a r g e p u mp e d s t o r a g e po we r p l a n t i s f a r f r o m i t s s wi t c h g e a r ， i t i s s ug g e s t e d t o u s e i t s o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n a t h i g h v o l t a g e s i d e a t t h e s a me t i me a s i t s s i n g l e p h a s e g r o u n di ng p r o t e c t i o n a t l o w v o l t a g e s i d e A s i n g l e s o u r c e e l e c t r i c a l po we r s y s t e m mo d e l i s p r e s e n t e d b a s e d o n t h e f e a t u r e s o f t h e s t a t i o n p o we r c o n n e c t i o n s a n d D， Yn l 1 t r a n s f o r me r T h e s h o fl c i r c u i t c u r r e n t e x p r e s s i o n s o f t h r e e p ha s e s a t HV s i d e f o r t h e