短路阻抗法范文-盘古文库

短路阻抗法范文（精选6篇）

短路阻抗法第1篇

关键词：变压器,绕组变形,短路阻抗,试验,水电站

0 引言

主变压器是水电站中主要的电气设备, 其可靠运行关系到水电站的安全稳定运行。有关变压器的历年统计资料均表明, 绕组是发生故障较多的部件之一, 约25%的变压器故障由绕组变形引起[1,2,3]。变压器绕组变形会直接或间接导致变压器运行事故。

绕组变形是变压器绕组在机械力或电动力作用下发生的轴向或径向尺寸变化, 通常表现为绕组局部扭曲、鼓包或移位等特征[4]。变压器在运输、安装过程中受到冲撞或在运行中遭受短路电流冲击后, 都可能使绕组发生变形。这些变形有可能使得绕组的绝缘被破坏或使其机械强度下降, 在遭受过电压或再次遭受短路电流冲击时将破坏、影响系统的安全运行。因此及时有效的检测变压器有无绕组变形、位移问题十分重要。目前, 诊断变压器绕组变形的方法主要有低压脉冲法、频率响应法和低电压短路阻抗法三种。频率响应法是从低压脉冲法发展而来, 灵敏度高、仪器操作简单;但该法没有明确的判据, 测量结果不直观、无法定量判断;属于高频弱电测试方法, 在现场测试中易受到各种干扰因素的影响。低电压短路阻抗法测试的是变压器的集中参数, 试验的灵敏度较频率响应法低;但其判据明确, 对变压器绕组变形的诊断十分有效。

本文介绍低电压短路阻抗法的基本原理及实现方法, 并通过一个实际案例, 介绍其在变压器绕组变形诊断中的应用。

1 低电压短路阻抗法的原理

变压器短路阻抗ZK是当负载阻抗为零时变压器内部的等效阻抗。短路阻抗的无功分量即通常所称的漏电抗或短路电抗XK。若忽略铁心的临近效应和绕组的直流电阻, 则短路阻抗ZK约等于漏抗XK。电抗是频率ω和电感LK的乘积, 漏电感LK能更“纯”的反映绕组位移、变形。变压器绕组的漏电感LK是两个绕组相对距离 (同心圆的两个绕组的半径R之差) 的增函数, 且漏电感LK与这两个绕组的高度H的算术平均值近似成反比。即漏电感LK是绕组相对位置的函数, LK=f (R、H) [5]。短路阻抗ZK、短路电抗XK都是LK的函数, 对一台变压器而言, 当绕组变形、几何尺寸发生变化时, 会引起LK的变化, ZK、XK发生相应的改变。

如果运输、安装中变压器受到冲撞或运行中的变压器受到短路电流的冲击, 为了检查其绕组是否变形, 可将变压器受冲击后的短路阻抗值与变压器出厂值进行比较, 根据其变化程度判断变压器是否发生绕组变形、位移及其故障程度。

在进行短路阻抗测试时, 无论是在额定电流下还是在低电压小电流下, 变压器铁芯中磁通都不大, 即距磁通饱和相差很远。在漏磁通回路中, 油、纸、铜等非铁磁性材料是磁路的主要部分, 99.9%以上磁压降落在线性的非磁性材料上, LK在电流从0到短路电流的范围内都可认为是线性的[5,6]。因此, 所得的短路电抗与施加的电压、电流值无关, 可用较低的电流、电压测量漏抗而不会影响其复验性和互比性 (包括与额定电流下的测试结果相比) 。变压器电抗值XK在频率一定时由绕组几何尺寸决定;ZK、XK不涉及与电压、电流相关的非线性因素, 是低电压短路阻抗法判断变压器绕组有无变形的物理基础[6]。

2 案例情况

锦屏一级水电站一台新主变压器型号为DSP-234000/500, 额定容量234 000 k VA, 额定电压和分接范围为550/3- (22.5%) /20k V, 联接组标号为I, i0。在安装过程中发现冲击超标, 冲击记录仪显示某时刻X方向为0.7g, Y方向为2.0g, Z方向为3.3g。由于垂直方向冲击超过了厂家建议的3.0g的注意值, 因此对主变压器进行了内检及试验确认变压器的可靠性。

由生产厂家技术人员对主变压器进行了详细的内检。内检前检查氮气压力无变化, 排除了下节油箱焊线开裂、变形造成渗漏的可能。内检项目如下。

(1) 检查引线夹持、引线及绝缘支架是否松动, 若松动重新紧固。引线对各部位的绝缘距离符合要求。检查引线绝缘包扎良好, 无损伤。

(2) 检查铜排与低压线圈出线的螺栓连接部位及铜排与铜排之间的螺栓连接是否松动, 若松动重新紧固。

(3) 检查所有可视的引线、绕组至开关的分接线、开关触头及连接部位是否松动, 若松动重新用力拒扳手紧固。

(4) 检查压块、绕组压板的紧固程度, 若松动重新紧固;检查上部相间楔板无松动。

(5) 检查铁心接地片的连接及绝缘状况, 铁心只允许一点接地。

(6) 检查上、下夹件、上横梁、拉板等处的紧固件, 螺栓若松动重新紧固。

(7) 检查相间隔板和围屏是否松动, 若松动重新紧固;检查绕组各部垫块有无位移和松动情况, 若松动重新紧固。

(8) 检查铁心上下夹件、绕组压板的紧固程度, 铁心与上下夹件、压板、垫脚均保持良好绝缘。

(9) 检查所有接地线外部绝缘是否存在破损;检查接地线的紧固程度, 若松动重新紧固。

(10) 检查器身定位牢固不松动。

内检中, 未发现任何异常。随后对主变压器进行了低电压短路阻抗试验, 进一步判断变压器状况。

3 试验及分析

低电压短路阻抗法与负载试验的接线在原理上是相同的, 只是所加的激励不同。常规的负载试验要求通入额定电流IN (有的制造厂也只通入50%IN, 或者20%IN) , 而低电压短路阻抗法加标称380 V或220 V, 50 Hz的电压, 不需调电压、电流。试验接线如图1所示。

在试验接线前, 估算试验电流和视在功率, 现场电源的额定容量和额定电流满足试验要求。用单芯95 mm2铝芯线将主变压器低压侧短接。电压、电流测试线引向高压侧时分开引入。试验时, 在额定频率下, 将近似正弦波的电压加在被试绕组的高压侧。采用单相法测试, 在同一瞬时测取电流、电压、功率和电源频率。在油温19℃, 对每个分接档位进行了多次测试。

该主变压器出厂短路阻抗试验值如表1所示。现场低电压短路阻抗试验值如表2所示。

试验电源的频率偏差最大为0.06 Hz, 满足不大于±0.5 Hz的要求。在分接1所测值的复验性为0.10%, 在分接2所测值的复验性为0.03%, 在分接3所测值的复验性为0.06%, 均满足导则规定的复验性在±0.2%以内的要求。与出厂试验值相比, 阻抗差分接1时最大为0.289 8%;分接2时最大为0.477 0%;分接3时最大为0.605 4%。

IEC 60076-5:2000和GB 1094.5-2003都规定了额定电流下漏抗变化的限值, IEC建议试验值较原始值超过3%为异常, 国标认为根据线圈结构的不同取2%~4%。文献[5]中对阻抗电压大于4%的同心圆绕组的各参数变化注意值有以下规定:纵向比较时, 容量100 MVA以上或电压220 k V及以上的电力变压器绕组参数的相对变化不应大于士1.6%。现场试验与出厂试验时试验设备及环境不同, 使得现场试验值与出厂值存在一定的偏差。与出厂值比较最大偏差为0.605 4%, 在标准建议的注意值以内。因此, 可判断该主变压器无绕组变形。

4 结语

(1) 主变压器在发生冲击记录超过注意值3.0 g后, 对其进行了详细内检及低电压短路阻抗试验, 根据内检和试验结果可确认该变压器无绕组变形。

(2) 在变压器运输及安装过程中, 应加强防护, 防止对设备造成冲击。

(3) 绕组变形诊断方法各有优点, 低电压短路阻抗法与频率响应法相结合诊断变压器绕组变形可提高判断准确性。在实际应用中, 还可结合绕组的直流电阻测试、等值电容测试、空载损耗试验、局部放电等, 灵活应用, 从而更有效、准确的对变压器绕组状况进行分析和诊断。

(4) 试验后, 纵向比较、横向比较是最主要的分析方法。因此从设备出厂、安装到运行期内, 建立并健全准确的变压器稳定状态参数的档案资料是非常必要的。同时, 变压器正常运行时, 定期检测短路阻抗, 可更好的掌握变压器绕组状态。

参考文献

[1]李杰.中小型电力变压器故障模式与可靠性运行[J].变压器, 1997, 34 (4) :9-12.

[2]王梦云, 凌愍.大型电力变压器短路事故统计与分析[J].变压器, 1997, 34 (10) :12-17.

[3]Vandermaar A J, Wang M, Srivastava KD.Review of condition assessment of power transformers in service[J].IEEE Electrical Insulation Magazine, 2002, 18 (6) :12-25.

[4]DL/T911-2004.电力变压器绕组变形的频率响应分析法[S].

[5]DL/T1093-2008.电力变压器绕组变形的电抗法检测判断导则[S].

短路阻抗法第2篇

关键词：变压器,低电压短路阻抗法,绕组变形,变电站

1 低电压短路阻抗法在变压器故障中诊断原理

Zk为变压器短路阻抗, 这一参数是变压器负载阻抗值为零时的内部等效阻抗。Xk0为短路阻抗的无功分量, 也就是常被称作是漏电阻抗以及短路阻抗的参数值表示形式。

系统设备正常运行过程中如果将中心的临近效应与绕组的电阻忽略, 那么变压器短路阻抗Zk值与短路阻抗Xk 0值基本相等, 这一过程中产生的电抗值可以通过频率W与电感Lk两个数值的乘积显示出来, 其中漏电感Lk可以更加直接、纯粹的反映出变电器绕组发生的变形程度以及位移偏差。变压器绕组的漏电感Lk是两个绕组相对距离 (同心圆的两个绕组的半径R之差) 的增函数, 若这两个绕组的高度值用H表示, 那么漏电感Lk的数值与H的算术平均成反比。也就是说Lk与绕组直接是相对位置函数值关系, Lk=f (R×H) 。从中可以看出Lk受到短路阻抗Zk以及短路电抗Xk的影响, 那么若变压器正常运行时发生绕组变形, 自身的几何尺寸发生位移变化, 那么就会直接引起Lk变化, 间接影响到Zk以及Xk的改变。

若对运行中运输或安装过程中的变压器存在绕组变形等疑问, 想要确定是否存在短路电流冲击或者冲撞等行为, 在检查过程中需要比较变压器出厂值与受到冲撞之后的短路阻抗值做比对, 可以通过数值变化推断出变压器在安装或运行过程中是否产生绕组变形或位移故障。

对变压器进行短路阻抗检测过程中, 额定电流与低压小电流条件下的变压器铁芯磁通率都非常小, 也就是不能达到磁通饱和状态。磁路的主要组成部分也是构建磁通回路的主要成分, 其中包括油、纸以及铜, 这些非铁性材料是非常重要的结构组成, 因为回路中99.9%以上的磁压都是以线性形式降落在这些非铁性材料上的, 那么Lk的线性界定范围可以看作是电流值从零至短路电流。由此可见, 短路电抗值与检测过程中的电压和电流并没有直接关系, 漏抗的检测可以使用较低的电流或较低的电压, 并不会对复验性产生影响。变压器电抗值Xk在频率一定时由绕组几何尺寸决定;Zk, 是低电压短路阻抗法判断变压器绕组有无变形的物理基础。

2 变电站变压器检测分析实验

该文实验选用一级变电站的变压器, 该变压器型号为SFSZ10-150000/220。变电站安装变压器过程中发生冲击超标现象, 负责记录的一起上现实X方向为0.7 g, Y方向为2.0 g, Z方向为3.3 g。这与出厂值3.0 g垂直方向进行对比的话, 需要对变电站主变压器进行内部检验并进一步确定变压器运行的可靠性。

主变压器内检项目列表:

(1) 需要对引线夹持、绝缘支架和引线进行检查, 进一步确认上述结构是否存在松动并加以紧固。检查绝缘部位与引线之间的安全距离, 检查绝缘引线是否存在隐患, 保证其无损伤。

(2) 需要对铜排以及低压线圈之间的出现的螺栓进行检查, 同时注意铜排之间螺栓是否存在松动现象。

(3) 需要对可视范围内的引线、绕组以及开关进行检查, 进一步确认分界线与开关触头是否存在松动现象, 并加以紧固。

(4) 需要对绕组压板以及压块之间的紧固程度做检查, 一旦出现松动要加以紧固, 同时要确保上部相间楔板之间不存在松动。

(5) 需要对地面与铁芯连接处进行检查, 确保绝缘性良好, 接地部分铁芯面积不能过大。

(6) 需要对上夹件、横梁、下夹件、拉板处加以紧固, 防止螺栓松动。

(7) 需要对隔板、围屏处做检查, 防止松动。针对各个绕组进行检查, 防止垫块之间产生位移, 若有松动痕迹加以紧固。

(8) 需要对铁芯与上夹件、横梁、下夹件、拉板处紧固程度做检查, 并保持连接处的绝缘性良好, 衔接处松动需紧固。

(9) 需要对所有接地线的绝缘性能做检查, 并保证接地线的牢固程度, 托幼松动痕迹要加以紧固。

3 结论分析

第一, 主变压器发生冲击之后, 若冲击记录显示的数值超过了出厂值3.0 g那么需要对其进行内检, 将故障排除之后做低电压短路阻抗实验, 由内检结果以及实验数据可以诊断主变压器中绕组变形现象。

第二, 运输变压器过程中要注意运输方式, 避免发生碰撞, 加强运输过程中的防护, 有效防止冲击现象发生。

第三, 绕组变形诊断方法各有优点, 低电压短路阻抗法与频率响应法相结合诊断变压器绕组变形可提高判断准确性。以上方式较适合于实验过程, 在实际运行过程中出现绕组形变的话, 可以结合绕组的直流电阻测试、等值电容测试、空载损耗试验、局部放电等, 将这种方式灵活应用到检测过程中, 能够对变压器的绕组形变诊断更加准确。

第四, 实验得出数据通过纵向与横向相互对比分析之后得出的数据较为准确, 这种分析方法具有时效性。所以就要求在使用变压器过程中要从出厂值开始记录, 记录过程中要涵盖安装、运行等过程中的数据信息, 并以此建立变压器稳定状态参数的档案资料。最重要的是在变压器正常运行过程中需要定期检测短路阻抗, 以此才能够在稳定性运行中掌握变压器绕组状态, 在变压器存在隐患时给与及时的判断与维护。

参考文献

[1]李杰.中小型电力变压器故障模式与可靠性运行[J].变压器, 2011, 34 (4) :9-12.

[2]王梦云.大型电力变压器短路事故统计与分析[J].变压器, 2012, 34 (10) :12-17.

短路阻抗法第3篇

电力变压器容量在100 kVA或用电设备装接容量为100 kW及以上的用户,实行2部制电价[1]。在2部制电价中,有一部分电价是由变压器容量确定的,用户入网需缴纳以变压器容量为基础的基本电费。因此,某些用电大户为了减少容量费的缴纳,将变压器的铭牌容量改小[2]。为杜绝该情况的发生,电力部门有必要对变压器的真实容量进行核实

目前,测定变压器容量的方法较多,如采用变压器的负载损耗和空载损耗与国标值比对,通过变压器温升试验等[3],这些方法对于测定变压器额定容量均具有局限性。如文献[4]仅给出了不同电压等级和容量的变压器负载损耗和空载损耗的推荐值,实际生产投运的变压器损耗不应大于该推荐值,但小于推荐值在理论上是允许的。因此,仅采用空负载损耗判定变压器容量是不可取的。变压器升温试验较为复杂,受现场试验条件制约,开展起来难度较大。而变压器短路阻抗和容量之间存在一定对应关系,且短路阻抗测试较为简便,是目前判定变压器容量的优选方法[5,6,7]。

本文对现有变压器容量测试方法的优缺点进行了分析[8,9,10,11,12],计算了短路阻抗与变压器容量间的对应关系,给出了在低压小电流下测试变压器短路阻抗的方案。在此基础上,实测了2台110 kV变压器的短路阻抗和负载损耗,分析了负载损耗测试误差的来源,为变压器容量测试提供了实践经验。

1短路阻抗测试原理

变压器短路阻抗测试原理如图1所示,即将变压器二次侧短路,一次侧施加额定电流,测量此时一次侧电压,便可获得短路阻抗值。若被测变压器短路阻抗测试在额定电流条件下进行,则试验电源容量为:

式中:Sk为负载试验电源容量;Uk%短路阻抗百分数;SN为变压器额定容量。

可见,在额定电流条件下进行短路阻抗现场测试所需电源容量过大,难度较大。在测试误差要求范围内,可采取在小电流下测试一次侧电压的方案计算短路阻抗。

考虑到短路试验时变压器处于线性区域,变压器一次侧施加电压越大,一次侧电流越大,且呈线性关系[1]。因此有:

图1中,U1为短路电流为额定值时的一次侧电压;I1为短路电流为额定值时的一次侧电流;R1为一次侧绕组电组;X1为一次侧漏抗;R2为二次侧绕组;X2为二次侧漏抗;U2为二次侧绕组电阻和漏抗上的压降;I2为二次侧电流;Rm为励磁电阻;Xm为励磁电抗。这样,一次侧额定电流为:

则额定容量为:

由变压器短路阻抗Uk%定义可知:

将式(5)带入式(4),得到短路阻抗为

式中:SN、UN均为已知量,通过测量一次侧电压U'1和电流I'1即可得到短路阻抗值。

进行变压器负载损耗测量时,也可先测量短路电流为I'1时的负载损耗P',再换算至额定电流时的损耗Pkt,即有[7]:

再换算至温度为75℃时的负载损耗Pk75,即有

式中:K为温度换算系数。

2变压器容量判定

变压器的容量是由绕组线径、铁心尺寸等多种因素决定的,为一区间值。油浸式变压器的过负荷能力非常强,厂家生产时一般会留有一定裕度,所以变压器的容量实际上是一个范围,而不是一个确定值。按照用户要求,给定变压器电压等级和容量后,厂家根据相关标准设计铁心结构,经过一系列性能指标测试合格即可出厂。对于其容量并不严格的情况,验证其准确值。对于某已知容量的变压器,其实际容量在铭牌额定容量的某个范围内都被认为是合格的。现有的变压器容量测试均采用比较法,即将变压器的相关性能参数测试结果与国家标准比较,试验结果与国标的偏差值要求在文献[4]和文献[13]规定的误差范围之内。

变压器分接头处于额定档位时,变压器的铭牌容量与短路阻抗存在一个确定的对应关系,如式(6)所示。目前,变压器铭牌容量与实际容量不符的情况有以下3种可能:(1)制造厂仅将铭牌容量更改小;(2)制造厂将铭牌容量与短路阻抗的铭牌值同时改小;(3)制造厂将变压器解体后,把短路阻抗实际值增大,将铭牌容量与短路阻抗的铭牌值同时改小。

针对以上情况,采取以下3种措施对容量进行判断:

(1)依据图1中短路阻抗测试原理得到的短路阻抗值必定较铭牌值小,则可断定铭牌容量较真实容量小。

(2)此时按照铭牌容量测量得到的短路阻抗值与铭牌值相符,容易引起变压器额定容量的误判。因此,应要求用户提供变压器出厂时的空、负载损耗及短路阻抗测试值,并与实测值及国标值进行比对,判定铭牌容量的真实性。

(3)若在铭牌容量下测试得到的短路阻抗值与短路阻抗铭牌值相符,则认可此时的铭牌容量即为额定容量,认为该变压器的容量裕度较大,过负荷能力较强。

3变压器短路阻抗实测

本文采用JYW6100型变压器空负载特性测试仪对型号为SZ11-25000/110、铭牌电压为(110±8×1.25%)/6.3 kV、联接组别为Ynd11、短路阻抗为10.49%的电力变压器及型号为SZ11-12500/110、铭牌电压为(1 10±8×1.25%)/6.3 kV、联接组别为Ynd11、短路阻抗为10.5%的电力变压器负载特性进行了测试。该测试仪额定输出电压450V,最大输出电流50 A。图2为变压器短路阻抗测试回路原理图。图3为变压器空负载特性测试仪显示面板。测试时,应将变压器退出运行,高低压侧接线断开,并充分放电。短路阻抗测试结果如表1所示,负载损耗测试结果如表2所示表1、表2还给出了国标规定的参考值作为对比。

文献[13]规定:有2个独立绕组的变压器在主分接头位置,当短路阻抗≥10%时,短路阻抗实测值与铭牌值之偏差不应超过±7.5%。由表1可知,2台变压器短路阻抗实测值与铭牌值之偏差均未超过±7.5%,可以认为2台变压器的铭牌容量即为其真实额定容量。

注:互差=(实测值-铭牌值/铭牌值)

注:参照文献[13],负载损耗实测值与铭牌值之偏差不超过15%

由表2可知,校正至75℃时的负载损耗较铭牌负载损耗偏大,这是由于温度校正采用式(8)计算存在一定误差。

负载损耗包括电阻损耗和附加损耗[14]:

油浸式变压器的参考温度为75℃,电阻损耗由温度t℃校正到75℃时有:

对于铜绕组:

漏磁场在导体中产生感应电动势,从而产生涡流,附加损耗主要是涡流损耗。在漏磁场一定时,感应电动势一定,导体中的涡流在直流电阻大时反而小,即温度高时附加损耗小。附加损耗PF75由t℃校正到75℃时为:

式中:∑I2R为t℃下的电阻损耗

t同1台变压器的附加损耗和直流电阻损耗的比例在不同温度下是不一样的,这是由于2个分量校正到75℃时的计算方法不同。直流电阻损耗校正到75℃时要用t℃下的直流电阻损耗乘以温度系数K,而附加损耗校正到75℃时要用t℃下的直流电阻损耗除以温度系数K。

现假设75℃时的附加损耗和直流电阻损耗的比例是α,即75℃时的附加损耗等于α∑I2R75,则此时的直流电阻损耗为:

在t℃下进行试验时,负载损耗为:

如按照式(8)计算75℃时的负载损耗,将式(15)代入式(8)可得:

而实际变压器75℃时的负载损耗为:

按照式(8)计算75℃时的负载损耗误差为:

由于电阻温度系数在10～40℃范围内K>1、且α>0,于是有ε>0,即按式(8)校正到75℃时的负载损耗比实际损耗偏大。当附加损耗和直流电阻损耗之比α为0.05～0.3时,采用式(8)计算负载损耗的误差结果如图4所示。可见,用式(8)校正到75℃时的负载损耗误差是相当大的。

以SZ11-25000/110型变压器测试结果为例。4.525 A,IN=131.2 A,P'=116.3 W,K=310/(235+11)=1.26;Pkt=(IN/I'1;)2P'=(131.2/4.525)2×1 16.3=97.77 kW、Pk75=KPkt=1.26×97.77=123.2 kW,这与仪器校准后的损耗相同。可见,现有的负载损耗测试仪采用温度校准式(8)进行校正,误差较大。要准确计算75℃时的负载损耗,只需获得变压器在t℃下的负载损耗Pkt后,测量出变压器绕组的直流电阻Rt,带入式(13)计算即可。

4短路阻抗测试影响因素

4.1环境温度

国家标准要求变压器的短路试验应在环境温度为75℃进行,而现场往往不具备这个温度条件。这就需要在试验温度下将所测结果校正到75℃,再计算变压器容量值。

4.2分接开关

变压器处于不同的分接位置,对应着不同的直流电阻值和短路阻抗值。变压器档位越高,其短路阻抗值越小。变压器容量测试并不要求其分接开关处于额定位置,但容量测试仪的输入参数应保证与实际档位一致。

4.3短路连接线

变压器容量测试是在短路条件下完成的。当低压侧额定电流较大时,短路连线实际上是低压绕组的延伸。若连接线截面过小,短路连接线中的损耗就会很大。短路连线截面的大小和连接的牢靠程度,直接影响测量结果。短路连接线的电流密度宜按照3～5 A/mm2选择。

5结论

本文分析了变压器容量测试方法的优缺点,计算了短路阻抗与变压器容量间的对应关系,给出了变压器短路阻抗和负载损耗的测试方案。在此基础上,实测了2台110 kV变压器的短路阻抗和负载损耗,分析了短路阻抗和负载损耗测试误差的来源及避免措施,得出以下结论:

(1)单纯采用损耗法判定变压器容量不妥,采用以短路阻抗为主,负载损耗为辅的2元素法判定变压器额定容量更为合理。

(2)若制造厂将变压器返厂解体后,调节绕组结构,把短路阻抗实际值增大,而将铭牌容量与短路阻抗的铭牌值同时改小,则应认同该变压器的铭牌容量。

短路阻抗法第4篇

工程上测量变压器短路阻抗通常有2种方法。一是采用变压器短路阻抗测试仪。在系统停运和变压器二次侧短路情况下, 使用阻抗测试仪对变压器进行小电流测试。再将测试结果折算到额定电流, 计算变压器短路阻抗。事实上, 变压器短路阻抗测试仪的输出功率很小, 常用的功率范围是输出电压0~10 V, 输出电流0~10 A。这种用小电流下测得的短路阻抗来代替额定电流下短路阻抗的方式, 存在较大的试验误差。按照国标规定测定变压器短路阻抗时, 短路电流要大于额定电流的50%, 才认为结果是可靠的。二是变压器短路阻抗标准测试方法。将变压器二次侧短路, 在变压器一次侧从0 V开始加压, 加到高压侧电流为额定电流时, 高压侧所加相电压与额定相电压之比的百分数即为变压器的短路阻抗。采用此方法测定变压器短路阻抗, 需要配备调压器, 变压器容量越大, 所需的调压器容量也越大。大容量的调压器体积大, 成本高, 现场客户很少会专门配备一台大容量调压器, 用于测定变压器短路阻抗。这种测定变压器短路阻抗的方法, 一般会在变压器制造厂出厂试验时采用。本文通过对SFC系统的深入研究, 推导出一种新的变压器短路阻抗计算方法。该算法简明清晰, 易于理解。使用该方法可在SFC系统不停运的情况下, 在额定电流或接近额定电流的工况下测量变压器短路阻抗, 减少了短路阻抗的测试工作量, 提高了短路阻抗的测量精度。

1 算法推导

该算法的核心思想是利用晶闸管换相时间与变压器漏感之间关系来计算变压器漏感, 再由变压器漏感计算变压器短路阻抗。更重要的是, 计算式中各电气量要方便现场测量, 方法易于实施。换相重叠角计算式[5]:

式 (1) 中:α为晶闸管触发角, rad;γ为晶闸管换相重叠角, rad;Id为直流电流, A;Ul为交流侧线电压, V;Xγ为变压器短路阻抗有名值, Ω。

输出直流电压平均值计算式[5]:

式 (2) 中:Ud为直流电压平均值, V;Ul为交流侧线电压, V;α为晶闸管触发角, rad;γ为晶闸管换相重叠角, rad。

晶闸管换相重叠角γ与换相时间Tγ关系式:

式 (2) 、式 (3) 整理后可得:

式 (4) 中:α为可控硅触发角, rad;γ为可控硅换相重叠角, rad;Ud为直流电压平均值, V;Tγ为可控硅换相时间, s;Ul为交流侧线电压, V;f1为交流侧电压频率, Hz。

式 (1) 、式 (2) 进行和差化积后两式相除整理后可得:

SFC运行时, 换相重叠角γ一般小于20°, 那么r/210°, 即r/20.175 rad。此时, 可近似认为 (γ用弧度制表示) :

由式 (3) 、式 (5) 、式 (6) , 整理可得,

式 (7) 中:Lγ为变压器漏感, H;Ud为直流电压平均值, V;Id为直流电流, A;Tγ为可控硅换相时间, s;α为可控硅触发角, rad;γ为可控硅换相重叠角, rad。

由式 (7) 得到变压器漏感, 在忽略变压器直流等值电阻后, 计算变压器短路阻抗。变压器直流等值电阻一般比电抗小很多, 工程上计算变压器短路阻抗, 忽略直流等值电阻是允许的。变压器短路阻抗百分数uk的计算式如下:

式 (8) 中:uk为变压器短路阻抗百分数, %;fN为50 Hz;Lγ为变压器漏感, H;UN为变压器额定线电压, V;SN为变压器额定容量, VA。

现场测得直流电压Ud和晶闸管换相时间Tγ, 由式 (4) 、式 (7) 、式 (8) 三式联立, 即可以得到变压器的短路阻抗值。

2 实验验证

本文在江苏某抽水蓄能电站SFC系统上进行变压器短路阻抗算法验证。该抽水蓄能电站有2台50MW可逆式发电机组, 静止变频器采用法国Converteam公司研制的SFC系统, 其系统结构如图1所示。

图1中, Tr1为输入变压器连接到工频10.5 k V母线, 变压器变比10.5 k V/1.4 k V, 容量4 MVA, 短路阻抗9%;NB为6脉动整流桥, Ld为平波电抗器, MB为6脉动逆变桥, Tr2为输出变压器, 变压器变比10.5k V/1.4 k V, 容量4 MVA, 短路阻抗9%。SFC系统额定直流电流=1 990 A, Ud1, Ud2分别为整流桥侧和逆变桥侧直流电压。

现场测量时, 通过电阻分压方法测得整流桥侧直流电压平均值和逆变桥侧直流电压平均值, 通过示波器查看交流侧电压互感器二次侧波形, 测得晶闸管换相时间。整流桥、逆变桥侧交流电压波形如图2、图3所示, 图2、图3中电压的跌落是晶闸管换相导致的, 电压跌落的时间, 即为晶闸管换相时间。

2.1 整流桥侧变压器短路阻抗计算

已知:Id=1 990 A, Ul=UN=1 400 V, SN=4 000k VA, f1=fN=50 Hz, 变压器变比10.5 k V/1.4 k V, 变压器容量4 000 k VA, 变压器标称短路阻抗9%。

测量获得的数据:Ud1=1 315 V, Tr=0.36 ms。由式 (4) 、式 (7) 、式 (8) 计算:

输入变压器实际短路阻抗为9%, 通过本方法计算结果为8.23%。且计算结果满足工程需要。

2.2 逆变桥侧变压器短路阻抗计算

已知:Id=1 990 A, f1=45 Hz, Ul=1 260 V, UN=1 400V, SN=4 000 k VA, fN=50 Hz, 变压器变比为10.5 k V1.4 k V, 变压器容量为4 000 k VA, 变压器标称短路阻抗9%。

测量获得的数据:Ud2=1 290 V, Tr=0.52 ms。由式 (4) 、式 (7) 、式 (8) 计算:

输出变压器实际短路阻抗为9%, 通过本方法计算结果为9.67%。且计算结果满足工程需要。

3 结束语

本文通过对SFC系统的研究, 提出一种新的变压器短路阻抗计算方法。该方法利用直流电压和晶闸管换相时间, 计算变压器短路阻抗。该方法很好地解决了现有变压器短路阻抗测试方法存在的实施成本高、步骤复杂、精度不高等问题。在江苏某抽水蓄能电站SFC系统上通过实验验证该方法的正确性。试验结果表明, 该方法不仅适用于整流桥侧工频工况下变压器短路阻抗的计算, 还适用于逆变桥侧变频工况下变压器短路阻抗的计算。使用该方法计算变压器短路阻抗, 不需要静止变频器系统停运, 不需要解开变压器接线电缆, 只需在静止变频器运行时, 测得直流电压及晶闸管换相时间, 就能得到准确的变压器短路阻抗值。本文提出的变压器短路阻抗计算方法, 不仅适用于SFC系统, 还适用于直流输电及励磁系统换流变压器短路阻抗的计算, 该方法实际上是晶闸管三相全控整流或逆变系统变压器短路阻抗计算的普适方法。

参考文献

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短路阻抗法第5篇

配置于变压器高(低)压侧的阻抗保护作为变压器低(高)压侧母线和相邻线路的相间短路的后备保护时,其动作范围稳定、动作时限短、易于和线路保护配合[1],应用价值广泛。应用于此的阻抗继电器有偏移圆特性阻抗继电器[2],但其受变压器Y,d接线影响较大,不能正确反映故障点到保护安装处的真实阻抗。本文提出负序阻抗继电器,其测量阻抗不受变压器Y,d接线影响,能可靠避开负荷阻抗,在电压互感器和电流互感器二次侧断线时不误动。

1 偏移圆特性阻抗继电器

用图1所示系统分析应用于变压器后备保护的偏移特性阻抗保护。图中,Zt为变压器阻抗(折算到高压侧);ZL为线路NK的等效阻抗。为简化分析,只考虑单侧电源,不计负荷电流,降压变压器为Y,d11接线,阻抗元件安装于变压器高压侧(M侧),采用0°接线方式,电压、电流和阻抗均折算到变压器高压侧。

装设于变压器高压侧的偏移圆特性阻抗元件与低压侧相邻线路NK相配合,作为变压器低压侧母线和相邻线路NK的后备保护。假设NK线路保护范围的末端K处发生BC相间短路,用对称分量法取A相为特殊相,设变压器低压侧正、负序电流和电压分量为 $\dot{Ι}_{l 1}, \dot{Ι}_{l 2}, \dot{U}_{l 1}, \dot{U}_{l 2}$ 。序分量间的关系为:

${\begin{cases} \dot{Ι}_{l 1} + \dot{Ι}_{l 2} = 0 \\ \dot{U}_{l 1} - \dot{U}_{l 2} = 0 \end{cases} (1)$

将d侧的电压、电流序分量折算到Y侧,推导出保护安装处各相的电压、电流,计算出保护安装处相间的测量阻抗为:

$\begin{array}{l} Ζ_{A B} = \infty (2) \\ Ζ_{B C} = Ζ_{t} + Ζ_{L} - j \frac{1}{\sqrt{3}} \frac{\dot{U}_{l 1}}{\dot{Ι}_{l 1}} (3) \\ Ζ_{C A} = Ζ_{t} + Ζ_{L} + j \frac{1}{\sqrt{3}} \frac{\dot{U}_{l 1}}{\dot{Ι}_{l 1}} (4) \end{array}$

式中: $\dot{U}_{l 1} / \dot{Ι}_{l 1} = Ζ_{1 Σ}$ 为故障点综合正序阻抗。

根据式(2)～式(4),绘出高压侧阻抗继电器的测量阻抗示意图如图2所示。图中,Zset为整定阻抗,取为1.3(ZL+Zt)。

由图2可知,变压器d侧线路发生相间短路时,装设于Y侧的偏移特性阻抗继电器没有一个能正确测量出故障点到保护安装处的真实阻抗。

2 负序阻抗继电器

负序阻抗继电器反应于不同相别的两相短路,以负序电压和负序电流为动作量[3],不受Y,d转角和负荷影响,正常负荷状态下不会误动。

2.1 负序阻抗继电器整定方法

负序阻抗继电器以正序分量作为制动判据,负序分量作为动作判据,整定判据如下所示:

$\begin{array}{l} Ζ_{s e t} = Κ_{r e l} (Ζ_{t} + Ζ_{l}) (5) \\ a = | \dot{U}_{2} - Ζ_{s e t} \dot{Ι}_{2} | - | \dot{U}_{1} - Ζ_{s e t} \dot{Ι}_{1} | (6) \end{array}$

式中:Krel为可靠系数;a为负序阻抗判据计算值,a>0表示负序阻抗继电器动作,a<0表示负序阻抗继电器不动作; $\dot{U}_{1}$ 和 $\dot{U}_{2}$ 分别为高压母线的正序、负序电压; $\overset{\cdot}{Ι}_{1}$ 和 $\overset{\cdot}{Ι}_{2}$ 分别为变压器高压引线的正序、负序电流;Zl为线路阻抗,考虑到Zt和Zl有偏差将影响负序阻抗继电器的实际效果,两者的值通过实验正确测量。

2.2 电压互感器或电流互感器断线闭锁时负序阻抗继电器情况

负序阻抗继电器以负序分量为动作量,为防止电压互感器、电流互感器断线时不正确动作,可增设负序电压 $\dot{U}_{2}$ 和负序电流 $\dot{Ι}_{2}$ 启动元件[4],两者构成与门启动逻辑。

电压互感器断线时,出现 $\dot{U}_{2}$ 但 $\dot{Ι}_{2} = 0$ ;电流互感器断线时,出现 $\dot{Ι}_{2}$ 但 $\dot{U}_{2} = 0$ 。因而,在电压互感器、电流互感器断线时,负序阻抗继电器不启动。

2.3 仿真验证

在MATLAB/Simulink中建立了电源变压器输电线路负荷模型对负序阻抗继电器的性能仿真分析,降压变压器为Y,d11接线,仿真模型如图3所示。图中,变压器和线路AB,BC的参数见附录A。

负序阻抗继电器装设在变压器高压侧,高压侧采集的ABC三相电压、电流测量值分别通过图4所示的数据处理过程计算出负序阻抗判据计算值a,实现式(5)和式(6)判据。

在图3中1,2,3,4处分别设置相间短路故障。Zset与线路AB的距离Ⅰ段相配合,整定到线路AB的末端,Krel取0.8,Zset取1 241.13 Ω。仿真结果如表1所示。

由以上仿真结果可知,负序阻抗继电器对于保护范围内不同类型的相间短路故障都能够准确动作,不受变压器Y,d转角的影响,可以准确地区分出区内故障和区外故障。

3 实践应用探讨

以某330 kV变电站为例探讨负序阻抗继电器的工程应用,变电站接线如图5所示。图中,330 kV为高压侧,220 kV为中压侧,10 kV为低压侧。主变压器(简称主变)参数见附录B。

图5中,10 kV侧出线配置了三段式过流保护(非阻抗保护),主变330 kV侧配置的负序阻抗继电器不作为10 kV线路的后备保护,仅作为1号主变10 kV侧母线相间短路的后备保护。

1号主变10 kV侧母线发生相间短路时,变压器和系统等值阻抗如图6所示。图中,Xg,Xz,Xd分别为1号主变高、中、低压侧阻抗;Xs1和Xs2分别为高、中压侧系统阻抗。阻抗均折算至高压侧;i1和i2为低压侧母线发生相间短路时1号主变高、低压侧绕组流过的短路电流。

高压侧配置的负序阻抗继电器的动作判据为:

$| \dot{U}_{4} - Ζ_{s e t} \dot{Ι}_{4} | > | \dot{U}_{3} - Ζ_{s e t} \dot{Ι}_{3} | (7)$

式中: $\dot{U}_{4}$ 和 $\dot{Ι}_{4}$ 分别为高压侧负序电压和电流; $\dot{U}_{3}$ 和 $\dot{Ι}_{3}$ 分别为低压侧负序电压和电流。

式(7)中,Zset的整定过程如下所示:

$Ζ_{s e t} = Κ_{r e l} (Ζ_{g} + Ζ_{d} + Κ_{b, \min} Ζ_{d}) (8)$

式中:Krel=0.8;Kb,min为受220 kV侧助增电流影响,330 kV侧配置的负序阻抗保护的最小分支系数。

$Κ_{b} = \frac{i_{2}}{i_{1}} = \frac{X_{s 1} + X_{g} + X_{s 2} + X_{z}}{X_{s 2} + X_{z}} = 1 + \frac{X_{s 1} + X_{g}}{X_{s 2} + X_{z}} (9)$

由式(9)可知,若Kb取最小值,Xs1应该取最小值,Xs2应取最大值,因此

$\begin{array}{l} Κ_{b, \min} = 1 + \frac{5.522 Ω + 24.79 Ω}{17.211 Ω + 0.661 Ω} = 2.696 \\ Ζ_{s e t} = 0.8 (24.79 Ω + 225.816 Ω + \\ 2.696 225.816 Ω) = 687.524 7 Ω \end{array}$

灵敏度校验[5]:负序阻抗保护应能在1号主变10 kV侧母线处发生相间短路时,有足够的灵敏度。

根据DL/T 6841999《大型发电机变压器整定计算导则》要求,灵敏度应能满足:

$Κ_{s e n} = \frac{Ζ_{s e t}}{Ζ_{g} + Ζ_{d}} > 1.3 (10)$

代入数据得:

$Κ_{s e n} = \frac{687.524 7 Ω}{24.79 Ω + 225.816 Ω} = 2.743 4 > 1.3$

可见,灵敏度满足要求。

4 结语

本文指出了应用于变压器后备保护的偏移特性阻抗继电器存在的问题[6,7],提出了应用于变压器相间短路后备保护的负序阻抗保护,验证了其不受变压器Y,d变换的影响,且能可靠地闭锁电压互感器、电流互感器断线,可以很好地避开负荷阻抗,并且通过实践工程应用,证明其是既灵敏又安全的变压器相间短路后备保护。

然而,负序阻抗继电器虽然对于相间短路有很高的灵敏度,但对于三相短路和接地短路无能为力,在实际工程应用中,还需要继续研究高灵敏度的变压器三相短路和接地短路后备保护,与负序阻抗保护共同构成完备的变压器后备保护。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：偏移特性阻抗继电器应用于变压器相间短路后备保护时,其灵敏性和可靠性往往不能满足要求。文中提出负序阻抗继电器,其测量阻抗不受变压器Y,d接线的影响,能避开负荷阻抗,且在电压互感器和电流互感器断线时能有效地闭锁。应用Simulink建立仿真模型验证负序阻抗继电器的性能,仿真结果表明:负序阻抗继电器在各种情况下的相间短路时均能够正确动作。通过工程实例应用,证明其是灵敏可靠的相间短路后备保护。

关键词：负序阻抗继电器,变压器后备保护,偏移特性阻抗继电器

参考文献

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短路阻抗法第6篇

沪宁城际铁路、京沪高速铁路及其他目前国内设计的高速铁路220 k V供电的牵引变电所均由2回独立可靠的220 k V电源供电,接成线路变压器组;牵引变电所内220 k V牵引变压器均采用了2台单相牵引变压器接成V/X接线[1,2],一台V/X接线的牵引变压器运行,另一台V/X接线的牵引变压器固定备用,共设置4台单相牵引变压器。220 k V线路故障时,由备自投装置完成牵引变压器供电的自动切换。2回220 k V供电线路均配置2套完整的线路保护[3,4,5,6,7,8,9](沪宁城际的线路两侧保护为光纤分相电流差动保护和相间距离、接地距离、零序电流等保护,京沪高铁只在220 k V线路的电源侧配置了2套相间距离、接地距离、零序电流等保护)。V/X接线牵引变压器使得220 k V系统的供电负载不均衡,除正常运行时产生负序电流对线路距离保护产生影响[1,10,11,12,13,14,15]外,其低压侧短路时,对电源侧变电所的220 k V线路距离保护的测量阻抗和动作特性也有所影响。不同于电网中常规变压器相应的短路情况,对V/X接线牵引变压器进行220 k V线路距离保护整定计算非常困难,且无资料参考。分析表明对其进行保护定值整定时,不能按常规变压器进行整定处理,否则将产生整定错误。由于牵引变压器的V/X接线是由2个极性相反的V/V接线构成的,所以先对V/V接线变压器低压侧短路进行短路电流分析和220 k V线路距离保护进行测量阻抗分析,在此基础上进一步分析V/X接线变压器低压侧短路时220 k V线路距离保护的测量阻抗,为铁路牵引供电的220 k V线路保护整定计算提供理论依据。

1 V/V接线牵引变压器低压侧短路电流分析

首先分析V/V接线牵引变压器的短路电流及其对线路距离保护的测量阻抗的影响。图1是采用220 k V电源供电的V/V接线铁路牵引供电系统,其中220 k V铁路牵引变电所通过220 k V三相交流线路供电,由2台单相牵引变压器接成V/V接线构成1台完整的铁路牵引变压器运行。牵引变压器低压侧b相接地并接铁轨,a相接上行铁路电气化机车负载,c相接下行铁路电气化机车负载。

图2是铁路牵引供电系统的等值电路图,图中所有的参数均折算至铁路牵引变压器高压侧。其中,Zxt为系统等值正序阻抗;ZL为220 k V线路正序阻抗;Z为单相变压器的正序阻抗(已折算至高压侧);EA、EB、EC为电源电势;图中A′、B′、C′与a、b、c之间对应牵引变压器的等值电路[8,16]。

1.1 V/V接线牵引变压器低压侧两相短路

假设电源系统对称,系统等值阻抗和线路阻抗对称,根据图2有EA=αEB=α2EC,其中α=e j120°。以ab两相短路为例,则220 k V线路电流为:IA=-IB,IC=0,即220 k V线路没有零序电流。根据回路电压,列出方程如下:

因为电源的中性点电位为0,则供电变电所220k V母线上电压分别为:

同理,可推导出牵引变压器低压侧bc、ca两相短路时的220 k V线路电流和供电变电所220 k V母线电压如式(7)(10)所示,其中式(7)、(9)对应bc两相短路,式(8)、(10)对应ca两相短路。

1.2 V/V接线牵引变压器低压侧三相短路

同样假设电源系统对称,根据回路电压,结合图2可列出方程如下:

由式(13)可知,牵引变压器低压侧三相短路时,220 k V线路没有零序电流。解式(11)(13),可得:

因为电源的中性点电位为0,所以供电变电所220 k V母线电压分别为:

2 V/V接线牵引变压器短路时220 k V线路距离保护测量阻抗分析

2.1 V/V接线牵引变压器两相短路时测量阻抗分析

以ab两相短路为例,根据上述短路电流分析结果,推导出220 k V线路相间距离保护的AB相测量阻抗为:

同理可得BC相和CA相测量阻抗为:

按同样的分析方法可推导出220 k V线路接地距离保护的测量阻抗为:

其中,K=(Z0-Z1)/(3Z1),为220 k V线路零序补偿系数,Z1为220 k V线路正序阻抗,Z0为220 k V线路零序阻抗;I0为220 k V线路短路或牵引变压器低压侧短路时流过为牵引变压器供电的220 k V线路的零序电流(牵引变压器低压侧短路时220 k V供电线路的零序电流为0)。

同理,可推出bc两相短路、ca两相短路时,220 k V线路相间距离保护、接地距离保护的测量阻抗如式(26)(37)所示,其中,式(26)(31)对应bc两相短路,式(32)(37)对应ca两相短路。

2.2 V/V接线牵引变压器三相短路时测量阻抗分析

根据上述三相短路电流分析结果推导出220 k V线路相间距离保护AB相的测量阻抗为:

同理可得BC相、CA相的测量阻抗为:

用同样的分析方法可推导出220 k V线路接地距离保护的A相测量阻抗为:

同理可得到B相、C相的测量阻抗为:

2.3 220 k V线路距离保护的测量阻抗分析

由2.1节可以看出,在铁路牵引变压器低压侧发生ab两相或bc两相短路时,220 k V线路相间距离保护故障相之间阻抗元件的测量阻抗总是ZL+Z/2,且为最小值,其他2个相间阻抗元件的测量阻抗均大于该值;在铁路牵引变压器低压侧发生ca两相短路时,220 k V线路相间距离保护故障相之间阻抗元件的测量阻抗为ZL+Z,且为最小值,其他2个相间阻抗元件的测量阻抗均大于该值。在铁路牵引变压器低压侧发生两相短路时,由于系统阻抗Zxt一般远小于2ZL+Z,所以,此时220 k V线路接地距离保护的测量阻抗值约为相间距离保护阻抗元件的最小测量阻抗值的2/姨3,并有30°的角度偏移。

由于Zxt+ZL一般远小于Z,所以忽略Zxt+ZL,由式(38)、式(39)可得三相短路时AB相间和BC相间最小测量阻抗为:

所以,在铁路牵引变压器低压侧发生三相短路时,相间阻抗元件测量阻抗Z3AB、Z3BC均略大于ZL+Z/3,且小于ZL+Z。

由于Zxt+ZL一般远小于Z,所以忽略Zxt+ZL,由式(41)、式(43)可得三相短路时,A相和C相最小测量阻抗为:

所以,在铁路牵引变压器低压侧发生三相短路时,接地阻抗元件测量阻抗Z3A、Z3C均大于ZL+Z/3,接地阻抗元件测量阻抗Z3B=ZL+Z/3。

3 V/X接线牵引变压器短路时线路距离保护测量阻抗分析

3.1 V/X接线牵引变压器绕组分析

铁路牵引变电站变压器一般为2台,其中1台供电,1台备用。每台变压器各由2台接成V/X接线的单相变压器组成[2](见图3),其中一台单相变压器的T和F接南京方向的上行和下行列车,另一台单相变压器的T′和F′接上海方向的上行和下行列车。每台单相变压器有1个一次绕组和2个二次绕组,一次绕组和2个二次绕组结构对称,出线T和F、出线T′和F′均为反极性,2个二次绕组的另一条出线连接在一起接地并接到铁轨,因此2个二次绕组参数对称。

3.2 V/X接线牵引变压器短路类型

V/X接线牵引变压器短路类型主要有:

a.1台单相变压器的1个二次绕组或引线对地短路,如一个引线遭雷击,这是最常见的短路;

b.2台单相变压器各有1个二次绕组或引线同时对地短路,这种短路不常见;

c.1台单相变压器的2个二次绕组或引线对地同时短路(简称单相变短路),如跨越铁路的电力线、通信线等断线落在牵引线路和地上;

d.2台单相变压器的2个二次绕组或引线均对地短路(简称全部短路),这种情况主要发生在变压器检修结束忘记拆除接地线时;

e.1台单相变压器的2个二次绕组或引线之间短路(简称单相变引线间短路),如跨越铁路的电力线、通信线等断线落在牵引线路上但未落在地上;

f.2台单相变压器的2个二次绕组或引线之间均短路,这种短路不常见。

3.3 V/X接线牵引变压器短路分析

对于V/X接线牵引变压器短路类型a和b,等值电路如图2所示,分析结论同V/V接线牵引变压器。对于短路类型c,由于每台单相变压器的2个二次绕组参数对称,此时V/V接线牵引变压器的短路和220 k V线路距离保护测量阻抗的分析结论也适用于V/X接线牵引变压器,但牵引变压器的等值参数Z变为Z′,而Z′=Z1+Z2∥Z3(Z1、Z2、Z3分别为单相变压器一次绕组、2个二次绕组折算到高压侧的等值阻抗,其中Z2=Z3)。对于短路类型e,由于每台单相变压器的2个二次绕组参数对称,牵引变压器的等值参数Z变为Z″,Z″=Z1+(Z2+Z3)0.52(2个二次绕组串联,电压为55 k V,即单相变压器一、二次变比标幺值为0.5),可见Z″=Z′,则V/X接线牵引变压器短路类型c和e的分析结果相同。同理可得V/X接线牵引变压器短路类型d和f的结果相同。

综上,V/V接线牵引变压器的短路和220 k V线路距离保护测量阻抗的分析结论同样适用于V/X接线牵引变压器,但此时Z变为Z′或Z″。

4 仿真试验

在MATLAB中搭建仿真模型,利用2个单相变压器元件模拟V/X接线牵引变压器,通过改变变压器低压侧出线的连接方式设置各种类型的短路故障。仿真模型中根据测量点的短路电流和电压经傅里叶变换元件变换后得到的测量电流、电压的幅值和相位,计算出测量阻抗。

为验证上述推导和结论,需进行ab两相、ca两相短路和abc三相短路试验(bc两相短路与ab两相短路的推导相同,故未进行验证)。为了验证V/X牵引变压器的2个二次绕组或引线对地同时短路时存在Z变为Z′现象,三相短路试验考虑该短路情况。试验参数如下:Zxt=0.44+j5.97Ω,ZL=0.33+j2.13Ω;Z1=j18.15Ω,Z2=Z3=j102.85Ω,Z=j121Ω,Z′=Z″=j69.575Ω。仿真试验和理论推导结果比较如下。

1台单相变压器(接系统AB相)的1个二次绕组对地短路,理论表达式见式(20)(25),结果比较见表1。

2台单相变压器各有1个二次绕组或引线同时对地短路,理论表达式见式(32)(37),结果比较见表2。

2台单相变压器2个二次绕组均对地短路,理论表达式见式(38)(43),其中Z变为Z′,结果比较见表3。

由表13可见,理论推导结果和仿真结果是一致的。

5 220 k V线路距离保护整定注意事项

V/X铁路牵引变压器的低压侧单相变短路时,220 k V线路相间距离保护最小测量阻抗为ZL+Z′/2;而牵引变压器低压侧全部短路时,220 k V线路相间距离保护最小测量阻抗均大于ZL+Z′/3,所以为可靠起见,相间距离Ⅰ段或Ⅱ段若按躲过铁路牵引变压器低压侧短路故障整定,建议按式(48)整定,同时相间距离Ⅱ段应保证全线有大于1.5的灵敏度[3,4,5]。

其中,Zzd为整定阻抗;KK、KKb为可靠系数,一般取0.7~0.8。

同样在铁路牵引变低压侧发生三相短路时,总有一相接地阻抗元件测量阻抗等于ZL+Z′/3,所以接地距离Ⅰ段或Ⅱ段若按躲过铁路牵引变压器低压侧短路故障整定时,也建议按式(48)整定,同时接地距离Ⅱ段应保证全线有大于1.5的灵敏度[3,4,5]。

6 结语

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