现场︱某110KV主变事故过程仿真分析

三峡电力职业学院、河南省电力公司洛阳供电公司的研究人员李莉、任幼逢、徐金雄、王磊，在2016年第6期《电气技术》杂志上撰文，针对某110KV变电站主变差动保护跳闸事故，结合事故相关检测数据，通过MATLAB中的SIMULINK模块进行仿真，模拟三相三绕组变压器事故经过，还原事故真相，并证明主变跳闸的合理性。

2013年10月15日，某地区供电局110kV变电站2#主变跳闸，经分析事故经过如下：

1）事故发生前，如图1中k3所示位置，变压器内部B相绕组中低压侧之间绝缘已经降低。

2）2013年10月15日10:10:06该站一条35kV线路A相发生接地故障，如图1中k1所示，由于35kV中性点不接地，接地故障发生后发零序接地告警。该站2#主变中后备保护在事故前零压接地告警启动也证实了这一点。

3）35kV侧A相接地后，由于变压器内部B相绕组中低压侧之间绝缘约1MΩ，10kV避雷器对地阻抗大于25MΩ，避雷器承受大部分电压，超过避雷器额定电压17kV，导致C相避雷器击穿接地，在图1中k2所示位置发生接地。

4）C相避雷器接地后， B相绕组中低压侧之间承受全部电压导致击穿，如图1中k3所示，从而形成了如下回路：大地——中压侧A相——中压侧中性点——中压侧B相——低压侧B相——低压侧C相——大地。从而导致主变差动保护动作，同时上述35KV线路过流I段动作并重合成功。

图1 中低压侧各故障点示意图

1 事故经过还原

1.1中压侧A相接地提升低压侧电压

由于配置问题，该事故没有录波，先针对上述的第3）点进行仿真，分析在各种情况下，低压侧各相避雷器两端电压情况。

本文采用MATLAB中的SIMULINK模块进行仿真，模拟三相三绕组变压器。接线方式为Yn/Y/△11，为了方便计算，各侧电压分别为110kV、35kV、10kV，在中压侧A相接地，k1处接地电阻取1Ω。

#2主变10kV侧避雷器型号：YH5WZ-17,额定电压17kV，查阅国标GB11032—2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》，其直流1mA参考电压不小于25.0kV，也就是击穿前其对地阻抗不小于25MΩ，所以取k2点对地电压25MΩ。

1）k3处绝缘电阻对低压侧对地电压的影响

在k1处发生短路的前提下，将B相变压器绕组分成三等分，在图1中k3所示位置短接B相绕组中低压侧，把中低压侧绕组分为三等份，以0表示图1中B相下端，1表示图1中B相上端，在（2/3、2/3）处短接中低压绕组，分别仿真0.1 ～1000MΩ时，低压侧各出线对地电压，结果如表1所示，当绝缘电阻在故障后实测值1MΩ左右时，C相的电压迅速升高至30kV左右。

表1 k3处不同绝缘电阻时低压侧对地低压仿真结果

2）k3处短路位置对低压侧对地电压的影响

取约等于测量值的1 MΩ电阻，仿真各种短路位置时低压侧对地电压如下表2所示。

表2 短路位置时低压侧对地电压（kV）

图2 短路位置为（1、1）时的低压侧对地电压波形

图3 短路位置为（2/3、2/3）时的低压侧对地电压波形

1.2变压器内部击穿后各侧电流、电压

低压侧C相避雷器击穿后，k3处绝缘电阻两端电压如图4、图5所示从3.18kV上升到33.78kV，从而导致变压器内部击穿，形成了短路回路。

图4 低压侧避雷器击穿前k3处绝缘电阻两端电压

图5 低压侧避雷器击穿后k3处绝缘电阻两端电压

计算变压器内部击穿后的故障电流，取35kV侧负荷等于损失负荷12MVA，功率因数取0.8，根据中压侧短路电流2000A估算短路回路阻抗17Ω，分别令各短路点短路阻抗，Rk1= Rk2=1Ω，Rk3=15Ω，对事故进行仿真。

1）变压器三侧对地电压如图6所示，高压侧三相基本不变，中压侧A相和低压侧C相接地后对地电压下降，中压侧B相部分绕组与低压侧B相发生了短路，因而中压侧B相电压相位有变化。

图6 故障后变压器三侧对地电压

2）变压器三侧电流如图7所示，高压侧A相电流最大，而变压器处于不接地系统中无法流通零序，所以高压侧无零序电流，B、C两相电流与A相基本反相，符合110kV线路对侧变电站录波情况。中压侧A相发生接地短路，电流最大，B、C相为负荷电流。低压侧电流不是变压器绕组电流，而是出线电流，所以其C相电流大小基本等于中压侧A相电流，且相位相反。

图7 故障后变压器三侧电流

3）计算变压器三侧差动电流，由于故障点发生在低压侧电流互感器内侧，图7中所示低压侧C相电流不计入差流。折算到35kV侧的差流如图8中上图所示，由于变压器内部表现为B相故障，因而B相电流最大；但是变电站安装的保护装置采用折算到10kV侧进行计算，10kV侧采用三角形接线，折算后的差流如图8下图所示，A相差动电流最大，达到6000A，超过保护动作定值。

图8 故障后的差动电流

4）如果击穿的避雷器位于电压侧电流互感器外侧，则将低压侧C相短路电流计入差流后，由于变压器内部B相中低压侧击穿，差流仍然存在，如图9所示，A相差动电流最大，接近4200A，变压器差动保护同样会动作。因此，即使低压侧对地击穿点在电流互感器外侧，变压器保护同样可以正确动作。

图9 计入低压侧电流的差动电流

2 结论

由于变压器内部B相短路阻抗1 MΩ远小于避雷器电阻25MΩ，中压侧A相接地后35kV侧A相电压以及部分的B相电压叠加低压侧，从而抬高了低压侧的对地电压，由于涉及到的电压向量比较复杂，文中采用仿真结果更直观说明事故情况。

仿真结果可知，由于变压器内部B相中低压侧绕组之间绝缘降低，在中压侧A相发生接地后，低压侧各相对地低压升高，其中C相最为严重。

当中低压侧绕组之间绝缘电阻小于10MΩ时，低压侧C相电压很可能超过避雷器额定电压17kV；而当绝缘电阻为1 MΩ时，无论绝缘降低所在位置在绕组的哪一部分，都会导致C相避雷器两端电压抬升至额定值24kV以上。

C相避雷器击穿后，变压器B相中低压绕组之间电压从3.18kV上升到33.78kV，从而击穿绝缘，导致短路。仿真表明无论避雷器在低压侧电流互感器内侧还是外侧，主变差动保护都能正确动作。

仿真结果跟事故中各保护装置记录及动作情况基本能保持一致，表明仿真能切实还原事故经过。