一起35 kV变压器单相高压绕组短路故障分析

严国平，汤大海，陈永明，孙东杰，马海薇，陈　燕，曹　斌

（1.国网江苏省电力公司，江苏南京210024；2.国网镇江供电公司，江苏镇江212001）

一起35 kV变压器单相高压绕组短路故障分析

严国平1，汤大海2，陈永明2，孙东杰2，马海薇2，陈燕2，曹斌2

（1.国网江苏省电力公司，江苏南京210024；2.国网镇江供电公司，江苏镇江212001）

针对电网某35 kV变电所变压器发生的一起A相高压绕组短路故障造成35 kV变压器差动保护动作跳闸的现象，以变电所设备参数和保护装置的故障录波为参考，进行了短路电流理论分析，推导出短路电流计算公式并进行短路电流反演计算。理论分析和短路电流计算结果与故障录波图提供的信息相一致，从而证实了35 kV变压器差动保护的动作行为是正确的。

35 kV不接地系统；35 kV变压器；单相高压绕组短路；差动保护；动作行为

2013年3月12日，电网某35 kV变电所发生了一起35 kV变压器A相高压绕组引线与中性点套管桩头之间的短路故障。故障时B相与C相电流大小相等，相位一致，而A相电流大小为B相或C相电流的2倍，相位与B相或C相电流反相；该故障造成了该变压器差动速断和比率差动保护动作，跳开变压器高、低压断路器切除故障；上级35 kV电源线路断路器保护动作跳闸，重合成功。变压器绕组引线之间发生相间或单相接地故障比较常见［1-5］，但变压器某相绕组引线与中性点套管桩头之间发生短路故障却不常见。

1　事故经过及继电保护动作情况

1.1事故发生经过及继电保护动作情况

2013年3月12日21：04，电网某35 kV变电所1号变压器发生故障，1号变压器差动保护动作，跳开变压器高、低压断路器切除故障；1号变压器故障跳闸，致使10 kVⅠ段母线失去电源，10 kV备自投动作，合上10 kV分段100断路器，10 kV I段母线由2号变压器转供。

1.2事故时系统运行方式

故障前系统一次接线如图1所示。故障前，A变电所35 kV汤侯336断路器、35 kV其侯366断路器运行，35 kV内桥310断路器热备用，35 kV备自投启用；1号变压器10 kV侧101断路器带10 kVⅠ段母线；2号变压器10 kV侧102断路器带10 kVⅡ段母线。10 kV分段110断路器热备用，2台主变分列运行，10 kV备自投启用。35 kV系统为不接地系统。变压器容量为10 MV·A，型号为SFZ9-10000/35，接线组别为YNd11，变压比为35 kV/10 kV，2002年5月28日投运。

图1　故障前系统一次接线图

1.3故障时天气情况

气象报告表示2013年3月12日天气为中雨转阴，温度为6～15℃。当晚21：00左右，该地区突降大雨，并伴有7级大风，阵风8～9级，气象条件恶劣。

2　故障检查情况

故障发生后，相关人员迅速到达现场，组织开展故障查找和分析工作，对1号变压器本体进行油色谱采样分析、变压器诊断性试验和检测，变压器各项试验数据合格；对1号变压器差动保护范围内的相关一次设备、汤侯线336断路器套管电流互感器（TA）、1号变压器差动保护进行各项试验，各项试验数据正常。对1号变压器外观进行检查，发现1号变压器35 kV侧中性点套管瓷件最上层伞裙表面局部有严重的放电灼伤痕迹，与变压器35 kV侧A相套管的引线形成了放电通道，如图2所示（图中红线为异物形成的放电通道）。所以故障点位置为1号变压器35 kV侧中性点套管桩头与35 kV侧A相套管的引线由于异物形成了短路（放电）。

图2　1号变压器中性点套管放电痕迹照片

3　短路电流和保护动作行为分析

3.1故障录波情况

故障发生后，继电保护专业人员调阅了1号主变保护装置和动作记录，保护装置动作报文信息如下：

2013-03-12T21：04：22：827，A变1号变压器A相差动速断保护动作（动作值IDA=19.16 A，差动速断保护整定值19 A，比率差动保护整定值1.43 A，TA变比为600/5）；

2013-03-12T21：04：22：829，A变电所1号变压器A相比率差动动作；

2013-03-12T21：04：23：336，A变电所汤侯线336断路器分闸；

2013-03-12T21：04：23：358，A变电所1号变压器低压侧101断路器分闸；

2013-03-12T21：04：23：553，A变电所1号电容器105断路器分闸；

2013-03-12T21：04：28：033，A变电所10 kV备自投动作；

2013-03-12T21：04：28：109，A变电所10 kV母联110断路器合闸；10 kV I段母线由2号变压器转供电。

调阅了1号变压器35 kV侧后备保护录波波形如图3所示。

图3 1号变压器35 kV侧后备保护录波波形图

图3中，从上到下分别为1号变压器35 kV侧后备保护A相电压UA、B相电压UB、C相电压UC、A相电流IA、B相电流IB、C相电流IC、3倍零序电压3U0及3倍零序电流3I0。

由图3的故障录波波形可以看出，故障时，B相和C相电流同相且大小相等，而A相电流与B相和C相电流反相且大小与B相和C相电流之和相等。由保护动作信息和故障录波可知，差动保护的差动速断整定值19 A，而差动差流电流值为19.16 A，超过定值，故差动速断保护动作（2 ms后比率差动保护动作），启动336和101断路器跳闸，切除故障。故障持续了约5个周波100 ms。

3.2短路故障定性分析

1号变压器35 kV侧A相绕组短路，出现了B相和C相电流同相且大小相等，而A相电流与B相和C相电流反相且大小与B相和C相电流之和相等的情况。1号变压器35 kV侧A相短路时供电的电路示意图如图4所示。

图4　1号变压器35 kV侧A相短路时电路示意图

由于变压器35 kV侧A相绕组短路 （假设为金属性短路），则B相绕组、C相绕组分别承受线电压UBA和UCA，该电压传变到变压器二次绕组对应ab绕组与cb绕组的等效电势为Eab=EAB/n和Ecb=ECA/n，n为变压器变比，即变压器高压侧与低压侧线电压之比。Eab与Ecb的合成等值电势为：

该电势加在变压器二次ac绕组上。变压器二次ac绕组与变压器一次AN绕组组成一个单相变压器，如图5所示。

图5　1号变压器35 kV侧A相短路时电压分布图

变压器二次ac绕组电压传变到AN绕组的等效电源电势为：

单相变压器高压A相绕组短路电流为：

式（3）中：Z为综合阻抗折算到单相变压器高压绕组侧的阻抗。该电流由单相变压器高压绕组传变到低压绕组侧的电流为Iac仅是变比的变化，即：

因为35 kV变压器二次绕组接成三角形，同时变压器低压侧没有电源，该短路电流没有流出变压器三角形二次绕组，所以Iac在变压器三角形二次绕组形成环流，该环流电流大小相等相位一致，即有Iac=Icb=Iba，如图6所示。由35 kV变压器低压绕组侧的电流Icb，Iba传变到高压绕组侧IB，IC仅是变比的变化，则有IB= IC。短路电流IB，IC为：

因为综合阻抗Z的角度约为80～90°，故短路电流IB，IC滞后UA约80～90°；而1号变压器35 kV侧A相引线的电流为IA=-（IB+IC）=-2IB，即A相电流大小为B相、C相电流的2倍，相位与B相、C相电流反相，超前UA约80～90°电流分布如图6所示。

图6　1号变压器35 kV侧A相短路时电流分布图

由式（3）、式（5）可知，变压器35 kV侧A相绕组的电流与B相绕组或C相绕组的电流大小相等相位相同。因为从变压器绕组磁链平衡角度来看，有：

式（6）中：iNA，iB，iC分别为INA，IB，IC的瞬时值；iac，iba，icb分别为Iac，Icb，Iba的瞬时值；W1，W2为高压一相绕组的匝数和低压一相绕组的匝数。

因为Iac=Icb=Iba，因此根据式（6）也有INA=IB=IC，即变压器35 kV侧A相绕组的电流与B相绕组或C相绕组的电流大小相等相位相同。

由于变压器35 kV侧TA的极性是以母线指向变压器为正方向，所以图3的录波图中A相电流、B相电流、C相电流与上述分析的IA，IB，IC电流相位相反，录波图中（即实际的电流）的B相电流与C相电流超前UA约80～90°，而A相电流滞后约80～90°。

3.3短路故障电流推导与计算

3.3.1短路故障电流计算公式推导

短路电流计算等值电路［5］图如图7所示。

图7短路电流计算等值电路图

图7中，Z'S，Z'B分别为电网某35 kV变电所侧母线的B相与C相电源阻抗、35 kV侧的B相与C相的变压器阻抗ZB，折算到变压器10 kV绕组侧的等值阻抗（其中变压器阻抗ZB和单相变压器Zab阻抗相等）。

图7中ab臂电源和bc臂电源的等值阻抗Zcb= Zab=Z'B+Z'S，ac臂的等值阻抗Zac=Z'B。由图7得到变压器低压三角侧环流电流为：

该环流电流折算到变压器35 kV侧的电流为：

3.3.2短路故障电流计算

A变电所35 kV母线短路容量为155 MV·A，10 MV·A的变压器短路电压为7.5%，取基准容量为100 MV·A，基准电压为平均电压37 kV，则有35 kV的基准电流 Ii=1560 A，电源内阻抗 ZS的标幺值 ZS*= 0.645 2 p.u.，35 kV变压器阻抗ZB的标幺值ZB*=0.75 p.u.。所以根据式（9）计算A相短路电流的大小为（采用标幺值计算）：

由式（10）计算得IA=3×1560/（0.645 2+1.5×0.75）= 2664 A。

由保护动作信息得到差动保护A相差动速断的动作电流为19.16 A，TA变比为600/5。1号变压器差动保护装置型号为DSA-321，变压器差动保护采用高压侧移相。由于IA=-2IB，因此TA的二次电流有Ia2= -2Ib2，所以流入A相差动继电器回路的差电流值IDA为IDA=（Ia2-Ib2）/=Ia2/2，而IA=Ia2/n，所以折算到变压器35 kV侧A相一次的实际短路电流为IA= 2IDA×n/=2×19.16×120/=2655 A，该短路电流与式（10）的短路电流2644 A接近，所以计算结果与根据保护动作信息得到的短路电流是相符的。

3.4变压器差动保护动作行为分析

变压器差动保护的差动速断整定值为19 A，而差流电流值为19.16 A，超过了整定值，故变压器差动速断保护能够启动并动作跳闸。

（1）在Imax≤Iset/k+1.5时，变压器比率差动保护的动作方程为：

（2）在Imax≥Iset/k+1.5时，变压器比率差动保护的动作方程为：

式（11，12）中：Id为差动保护动作电流；Imax为最大侧电流（即变压器各侧二次电流中最大的电流值）；Iset为起始电流；k为比率制动系数（取值为0.5）。

变压器比率差动保护的Imax为19.16 A，起始电流Iset整定值为1.43 A，计算Iset/k+1.5=4.36，得到Imax大于4.36 A，所以取式（12）进行计算，得到差动保护动作电流Id为8.83 A，而差动保护的实际差动电流为19.16 A大于动作电流Id，即变压器比率差动保护的灵敏系数为19.16/8.83=2.17，且大于1，所以变压器比率差动保护能够启动并动作跳闸。

4　结束语

根据录波图提供的数据、短路电流理论分析和反演分析计算结果可以得出下列结论：

（1）变压器35 kV侧A相绕组短路，B相与C相电流大小相等相位一致，而A相电流大小等于B相与C相电流之和，即A相电流等于B相或C相电流的2倍，相位与B相或C相电流反相。

（2）1号变压器35 kV侧B相电流或C相电流超前A相电压约80～90°；A相电流滞后A相电压约80～90°。

（3）变压器35 kV侧最大短路电流（即故障相）理论计算公式为IA=3EA/（ZS+1.5ZB）；理论计算的短路电流与根据保护动作信息得到短路电流是相符的。

（4）变压器35 kV侧A相绕组的电流与B相绕组的电流或C相绕组的电流大小相等相位相同。

（5）变压器差动保护的差动速断和比率差动保护的动作行为是正确的。

［1］DL/T 584—2007 3～110 kV电网继电保护运行整定规程［S］.

［2］江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术［M］.北京：中国电力出版社，2006：174-197.

［3］国家电力调度通信中心.国家电网继电保护培训教材［M］.北京：中国电力出版社，2009：152-158.

［4］戴网虎，汤大海，曹 斌，等.一起35 kV系统非金属性三相短路保护动作行为分析［J］.江苏电机工程，2010，30（6）：9-12.

［5］袁宇波，李 澄，葛永高，等.复杂故障情况下的变压器差动保护动作特性分析［J］.江苏电机工程，2006，26（5）：9-11.

严国平（1965），男，江苏常州人，高级工程师，从事电网技术管理工作；

汤大海（1963），男，江苏镇江人，研究员级高级工程师，从事电网继电保护运行管理工作；

陈永明（197），男，江苏海安人，高级工程师，从事电网继电保护运行管理工作；

孙东杰（1985），男，江苏镇江人，工程师，从事电网继电保护运行管理工作；

马海薇（1981），女，江苏镇江人，工程师，从事电网调度运行管理工作；

陈燕（1981），女，江苏镇江人，工程师，从事电网调度运行管理工作；

曹斌（1977），男，江苏海安人，高级工程师，从事电网继电保护运行管理工作。

Analysis of Single-phase Short Circuit Fault in 35 kV Transformer High Voltage Winding

YAN Guoping1，TANG Dahai2，CHEN Yongming2，SUN Dongjie2，MA Haiwei2，CHEN Yan2，CAO Bin2
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China；2.State Grid Zhenjiang Power Supply Company，Zhenjiang 212001，Chinaa）

The fault at the phase A of a 35 kV transformer high voltage winding activated its differential protection.This paper theoretically analyses the short circuit current by using the substation equipment parameters and fault recording data. Also，the short circuit current is calculated by using the derived short circuit current computing formula.It turns out that the theoretical and computational results of the short circuit current are consistent with each other，which confirms the 35 kV transformer differential protection's correct action.

35 kV neutral-unearthed system；35 kV transformer；single-phase high voltage winding short circuit；differential protection，actions

TM77

B

1009-0665（2016）04-0080-40

2016-05-09；修回日期：2016-06-20