外加电源注入式核电厂辅助变缺相保护研究

黄昌军，陈海龙，张 轩，王静涛，李 栋，徐立明，肖志刚

(1. 江苏核电有限公司，江苏 连云港 222000；
2.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

断路器触头断开、导线拉断、变压器套管或线路绝缘子故障，接头松动等故障都可能造成核电厂辅助变压器缺相故障，在带载工况下，可以由零序电流、负序电流、各次谐波分量等判据实现缺相故障判别[1-6]，核电厂的辅助变压器作为备用电源，长期处于空载热备用工况。辅助变压器缺相断线工况下，当带载运行时会导致厂用电系统的异常，不仅对核电厂是一个重大的损失，也给电力系统的安全运行带来了极大的威胁。世界核电运营者协会(WANO)在2015年的经验反馈中着重提到了几起核电厂的缺相故障，以及由此导致的严重后果[7]。

核电厂辅助变压器一般采用三相三绕组分裂变压器Yn0yn-yn-12+d或Yn0-d-d-11接线方式，空载运行的辅助变压器在高压侧或电源线路发生缺相故障时，其各侧电压相量和电压序分量没有明显变化，且空载变压器的励磁电流的大小为1%～5%额定电流，并具有显著的谐波含量，很难利用现有的常规电磁式电气保护方案进行检测。

文献[8-9]提出利用光学互感器检测励磁电流判断变压器缺相断线，但是需在变压器高压侧套管上安装三组高压光学互感器，增加了大笔工程费用，而且光学互感器对于空载时的小电流检测也同样存在测量精度问题[10-13]。

针对上述需求与问题，本文提出了外加电源注入的核电厂辅助变压器缺相保护方案，研究分析了辅助变压器缺相断线故障的特征，提出了具体的保护方案，并利用RTDS实时数字仿真系统进行了验证。

1.1 缺相断线时电压特征

在变压器高压侧发生缺相断线故障时，高压侧电压取决于变压器的绕组联接组别及接地方式，核电厂辅助变压器一般采用三相三绕组分裂变压器Yn0yn-yn-12+d或Yn0-d-d-11接线方式。假设变压器高压侧A相发生缺相故障，高压侧B、C两相电压在低压侧感应出Ub、Uc，Ub、Uc在△绕组中产生Ua′，使a相绕组在低压侧产生励磁电流和磁通。该励磁电流和磁通在高压侧同样产生感应电势，使高压侧的三相电压与缺相前一样，在变压器高压侧A相绕组上，重新建立UA′，使得变压器高压侧电压仍然三相对称[14-15]，变压器高压侧A相发生缺相时，A相电压重建及三相电压如图1所示。

利用RTDS进行仿真，A相发生缺相断线故障时，三相电压的波形如图2所示，缺相故障前后，三相电压正常，无任何变化，与上面的分析一致。

图1 A相缺相断线时变压器三相电压分析图Fig.1 The analysis of three-phase voltage when open phase of phase A of the transformer

现有常规电磁式电气保护一般通过母线电压互感器采集母线电压，在线路发生缺相断线时，母线上由于变压器低压侧△绕组的电压重建，高压侧母线TV采集到的电压三相正常且平衡，而在变压器高压侧绕组到高压母线发生缺相断线时，高压母线TV采集的是系统电压，三相正常且平衡。因此无论是线路还是变压器高压侧发生缺相断线故障时，高压母线TV采集到的三相电压正常且平衡，电压相量和电压序分量无任何变化。因此常规采用电压量作为判据的保护不能检测变压器线路缺相断线故障。

图2 A相缺相断线时三相电压波形仿真图Fig.2 The simulation of three-phase voltage waveform when open phase of phase A of the transformer

1.2 缺相断线时电流特征

对于空载运行的变压器，变压器高压侧TA流过的电流为空载励磁电流，空载励磁电流一般为1%～5%额定电流，常规保护在此范围内无法正确检测电流。

线路发生缺相断线时，由于线路对地电容的存在，将在变压器高压侧TA和线路TA安装处流过对地电容电流，电流的大小取决于缺相断线故障位置。

因此常规保护既不能区分是励磁电流还是缺相断线时的对地电容电流，也无法正确检测小电流。空载运行的变压器线路缺相断线时的电流也远小于常规电流类保护定值，常规电流类保护不能反应变压器线路缺相断线故障。

2.1 基本原理

外加电源注入式变压器缺相保护，是外加注入电源装置将非工频信号(小信号)通过注入TA耦合到变压器中性点，将非工频信号(小信号)注入到变压器的零序回路中，在变压器中性点安装高精度测量电流互感器，保护装置检测注入的电压、电流信号，通过计算零序阻抗，根据阻抗特征变化，采用综合判据实现变压器缺相故障检测，检测系统如图3所示。

图3 缺相断线检测系统图Fig.3 Open-phase detection system of the transformer

图3中，在T1变压器中性点对地回路通过注入TA注入信号源，注入信号从T1变压器中性点，经过T1变压器、线路及大电源接地系统，最后经大地回到变压器中性点，构成完整零序回路，注入信号的等效电路图如图4。

图4 注入电源信号零序回路等效图Fig.4 Equivalent diagram of the zero sequence circuit of the injection power signal

变压器线路正常运行时，检测系统检测到的零序阻抗为T1变压器回路零序阻抗、线路及大电源接地系统回路零序阻抗，注入的电流在三个完整的零序路径中流动，流经原变压器次级绕组并流出绕组。这种零序模式下，阻抗相对较低，一般总的计算阻抗Z∑数值在数百或数千欧姆[16]；
若变压器线路发生缺相断线故障时，断线故障所在支路的零序回路被破坏，注入电流通过系统正常相、缺相的变压器励磁阻抗及接地返回，零序阻抗变大，注入的电流在完整的零序路径及缺相的零序励磁阻抗中流动，流经原变压器次级绕组并流出绕组。这种零序模式下，零序阻抗相对较大(数兆欧姆)，零序阻抗的特征变化较明显。

如图3，检测系统接入变压器中性点高精度测量TA，测量该回路的注入电流信号，接入注入回路电压，计算回路零序阻抗Z∑，根据零序阻抗的变化特征，采用综合判据实现变压器缺相故障检测。

如图4，检测系统利用注入电压Un及测量电流In检测整个回路的零序阻抗Z∑，如式(1)。

(1)

变压器高压侧发生缺相断线故障时，注入电流In降低，变压器支路零序阻抗上升为数兆欧姆，Z∑阻抗测量值将变为数兆欧姆。

利用注入信号检测零序回路的零序阻抗值，可以灵敏的检测缺相断线故障。

2.2 变压器线路缺相断线检测方案

如图3所示，注入式变压器缺相故障检测装置一般包含注入电源装置、注入耦合电流互感器、中性点测量TA、保护装置等。由于采用非工频注入信号，整个检测装置的特性是对于工频50 Hz电流阻抗较大，而对注入信号频率的阻抗较小。变压器缺相断线保护方案主要判据如下。

阻抗判据：

Z0>Z0set

(2)

测量注入的电压、电流计算零序阻抗，如式(1)。当测量阻抗大于定值时，阻抗判据满足。

开放判据：

(3)

测量中性点零序电流，采用傅里叶变换计算其基波、三次谐波、五次谐波的大小及变化量。当零序电流基波有效值变化量大于定值或零序电流三次谐波有效值变化量大于定值或零序电流五次谐波有效值变化量大于定值时，开放判据满足。

辅助判据：

|U20|

(4)

辅助判据主要保证注入回路的完整性，当注入回路电压、电流回路异常或断线时，式(4)满足，闭锁保护。

非故障检测判据：为了保证选择性，该判据包括用于检测高压侧和低压侧的几种类型的非缺相故障的功能。主要包括负载侧故障、不接地系统电源侧故障、接地系统电源侧故障、相间不接地故障等。这些故障通常由变压器电压、电流保护方案构成。

注入式变压器缺相保护逻辑如图5所示。

图5 变压器缺相断线检测逻辑图Fig.5 The logic of transformer open-phase detection

当保护装置检测到注入零序阻抗满足阻抗判据及中性点零序电流满足开放判据，在注入回路正常条件下，且未发生故障时，保护经延时t1告警或跳闸。为躲过启动备用变压器及系统的各种故障暂态干扰，延时定值可设定为15.0 s。

2.3 系统故障对检测系统的影响

检测系统通过注入信号检测零序回路阻抗，系统或变压器相间故障、变压器匝间故障不影响检测回路零序阻抗，此类故障不影响外加电源注入式变压器线路缺相断线检测判断；
系统或变压器发生接地故障时会改变零序回路，接地故障时回路零序阻抗变小，而变压器线路缺相断线时该支路零序回路增大，接地故障时检测系统测量的信号量有别于变压器线路缺相断线时的信号量，接地故障不会影响外加电源注入式变压器线路缺相断线检测判断。

利用RTDS实时数字仿真系统，建立系统模型，仿真系统模型如图6，在系统各位置模拟系统各类故障，得到系统故障波形。利用Delphi应用程序开发工具，编制离线数字分析软件，计算线路系统、变压器等支路零序阻抗，验证在线路变压器系统各个位置发生缺相断线时，外加电源注入式变压器线路缺相断线检测系统是否可靠动作；
在线路变压器系统各个位置发生相间、接地等故障时，外加电源注入式变压器线路缺相断线检测系统是否可靠不动作。

图6 RTDS实时数字仿真系统模型图Fig.6 The model of RTDS real time digital simulation system

正常运行时，两组变压器高压TA采到的A相基波电流为变压器励磁电流，一次电流大小为1%额定电流，离线应用程序计算的回路零序阻抗Z∑，T2变压器支路零序阻抗计算值Zt，线路系统支路零序阻抗计算值Zs，录波图如图7，外加电源注入信号计算的阻抗值如图8。

图7 正常运行时RTDS仿真录波图Fig.7 Wave charts of RTDS simulation for normal running state

图8 正常运行时阻抗图Fig.8 Zero sequence impedance diagram for normal running state

T1变压器高压侧发生A相发生缺相断线时，T1变压器高压侧A相基波电流为0，母线电压三相平衡，故障录波图如图9，外加电源注入信号计算的阻抗值如图10。

T1变压器高压侧发生A相发生缺相断线时，变压器中性点零序电流有效值基波、三次谐波、五次谐波的大小及变化量如图11所示。

图9 T1变压器A相缺相断线时RTDS仿真录波图Fig.9 Wave chart of RTDS simulation when open phase of phase A of the T1 transformer

图10 T1变压器A相缺相断线时阻抗图Fig.10 Zero sequence impedance diagramwhen open phase of phase A of the T1 transformer

图11 缺相前后中性点谐波电流变化Fig.11 Change of neutral harmonic current before and after an open-phase event

通过Delphi离线数字软件分析RTDS实时数字仿真系统故障录波，变压器高压侧发生缺相断线故障时，零序阻抗上升为数兆欧姆，中性点零序电流基波、三次谐波、五次谐波变化量明显，仿真结果基本符合理论分析。

本文研究分析了变压器线路缺相断线故障时的电压、电流特征，介绍了外加电源注入式变压器缺相保护系统，提出了适用高压侧直接接地的核电厂辅助变压器缺相断线保护方案，理论分析及仿真系统验证外加电源注入核电厂辅助变压器缺相保护系统能够灵敏、准确、可靠检测变压器的缺相断线状态，解决空载工况下辅助变压器高压侧缺相故障难以检测的问题，提升了核电厂辅助变压器系统的运行可靠性。