配电站经济运行方式下备用变压器自动投切原理及影响分析

ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

电力自动化设备

Ｖｏｌ．30Ｎｏ.4Apr.２０10

配电站经济运行方式下备用变压器

自动投切原理及影响分析

吴绪成1，盛戈皞1，王

闻1，徐

剑2，曾

奕1，江秀臣1

（1．上海交通大学电气工程系，上海200240；

2．上海市电力公司沪西供电分公司，上海200051）

摘要：对配电变压器低压侧互联以降低配电网损耗的经济运行方式进行了研究。分析了配电站采用经济运行方式时负荷切换的原理，提出了基于损耗最小原理的负荷切换点选取原则并给出了低压侧备用电源自动投切装置的工作原理和动作逻辑。重点对三相变压器的空载合闸及有载合闸暂态过程进行数学建模，并采用Matlab仿真计算与实际分析相结合的方法，分析了三相配电变压器在切换过程中产生的空载合闸励磁涌流以及有载合闸冲击电流。结合配电变压器电流速断保护和反时限过流保护的整定原则，分析了励磁涌流和冲击电流对变压器继电保护动作特性及参数整定的影响，验证了变压器低压侧互联的经济运行方式下的供电可靠性。

关键词：配电变压器；经济运行；冲击电流；仿真分析；继电保护中图分类号：TM４２１；ＴＭ７６文献标识码：Ａ文章编号：１００６－６０４７（2０10）04－０066－０5

0引言

ΔP1=2（P0+KQ0）+2（PkN+KQkN）［S／（2SN）］2（2）

同负荷下采用低压侧互联，1台变压器运行，1

台备用的经济运行方式时，变压器的损耗为

（3）ΔP2=（P0+KQ0）+（PkN+KQkN）（S／SN）2

由式（2）和（3）可知，当负荷视在功率SQ=

常见配电站一般装有2~3台变压器，在配电变压器低负荷运行状态时通过低压侧母线互联的方式，用1台变压器带全部负荷，而其他变压器停运，可以有效减少配电变压器损耗［１］。为了保证该运行方式下的供电可靠性，需采用适用于该方式的备用电源自动投切（以下简称备自投）装置，在运行变压器发生故障时，首先将该变压器切除，同时自动投入未运行的备用变压器。

本文主要讨论10kV配电站的经济运行方式以及配电变压器的自动投切原理和方法，重点分析在备用变压器投入运行时产生的空载合闸励磁涌流和有载合闸冲击电流对继电保护的影响，从而在配电站节能降损的运行方式下同时保证系统的可靠性。

SN

2P0+KQ0时，2种运行方式的综合损耗相当；PkN+KQkN

当Ｓ>SQ时，2台变压器同时运行的方式损耗更小；当Ｓ姨的方式综合损耗更小。

根据不同的负荷率确定不同的运行方式，从而实现配电站变压器的经济运行。1.2配电站经济运行方式

以典型的2台变压器的配电站接线为例，经济运行方式的正常运行状态如图1所示。假设进线1和变压器T1运行而进线2和T2备用，各元件状态为：

进线1

进线2

1

1.1

经济运行及备自投的原理和实现

Ⅰ

配电站变压器经济运行原理

单台变压器的综合功率损耗可表示为

（1）ΔP=（P0+KQ0）+（PkN+KQkN）（S／SN）2

其中，P0为空载损耗；PkN为额定负载下的负载损耗；Q0为空载励磁功率；QkN为额定负载下的负载漏磁功率；S为负荷视在功率；SN为变压器额定容量；K为变压器的无功经济当量，平均取0.1。

由式（1）可知，2台同型号配电变压器同时运行时，假设2台变压器负荷率相同，则2台变压器总损耗为

收稿日期：２009－０7－12；修回日期：２009－09－28

QF1

10kV

QF3

QF7

QF2

Ⅱ

10kVQF4

T1QF5

Ⅰ

T2QF6

Ⅱ

0.4kV

出线1

QF8

出线2

0.4kV

图1配电站经济运行方式图Fig.1Economicoperationmodeofdistributionsubstation

第4期

吴绪成，等：配电站经济运行方式下备用变压器自动投切原理及影响分析

QF1、QF2、QF3、QF5、QF8闭合；QF4、QF6、QF7断开；进线1和变压器T1处于运行状态带所有负荷，进线2和变压器T2处于备用状态。

配电站高压侧大都配有母联备自投，当工作进线电源故障失电时，母联备自投自动投入QF7，由备用进线电源供所有负荷。但是，在一台变压器工作，低压侧母线互联的经济运行方式下，当工作变压器发生故障或缺陷时，现有的母联备自投无法实现自动投入另一台主变的功能。一旦运行主变发生故障,只能临时手动操作，才能够将另一台备用变压器投入。这势必造成用户停电，而且还要延误时间，不利于安全生产。为了保证该运行方式下的用电可靠性，需采用适用于该方式的变压器自动投切装置，实现低压侧电源的自动切换动作，在运行变压器发生故障后，迅速将该变压器切除，同时自动投入未运行的备用变压器，以保证供电可靠性。

1.3备用变压器自动切换装置工作原理

传统的备自投装置主要用于双电源供电的变电站［2］，当工作电源因故障被断开以后，能迅速自动将备用电源或备用设备投入工作，使用户不会停电，该装置应用较为广泛。但传统的备自投装置电源处于热备用状态，与10kV配电站采用单变压器运行方式时备用电源的工作状态不同。

低压侧电源自动切换装置主要在配电站系统一台主变运行，另一台主变和线路备用的经济运行方式下，低压母线失压时实现电源自动切换功能。如图1所示，假设进线1和变压器Ｔ1运行而进线2和变压器Ｔ2备用，自动切换装置的工作原理和基本动作逻辑如下：当运行变压器故障或两侧开关跳闸造成低压I段母线失压时，若检测10kVⅡ段有压，自动切换装置将跳开Ｔ1低压侧开关ＱＦ5，将进线1、Ｔ1隔离，然后依次合变压器高压侧ＱＦ4和低压侧开关ＱＦ6，由进线2和Ｔ2带所有负荷。基于上述动作逻辑和原理，下面对自动切换装置的运行条件、启动判据、动作过程及闭锁和退出条件进行说明。

a.正常运行条件：QF1、QF2、QF3、QF5、QF8闭合，QF4、QF6、QF7断开；T1运行，T2备用，进线2有压；自动切换装置投入开关处于投入位置。

b.启动条件：0.4kVⅠ段母线失压且QF5处已经没有电流，而10kVⅡ段母线电压正常。

c.切换动作过程：经延时跳开QF5，确认后合上QF4，再确认后延时合上QF6。

d.闭锁和退出条件：自动切换装置一次动作完毕；QF4、QF6均处于合位置（切换动作已完成）；T2主变保护动作信号；自动切换装置投入开关处于退出位置。以上条件任一项成立，装置自动闭锁，保证动作的选择性。1.4参数整定

设定母线无压为相间电压低于25V［3］，线路有压为线路TV二次电压大于25V。同时当进线电流小于最小负荷值时，判断进线无流。

切换装置开始动作切断主运行回路开关QF5的

动作时间，其延时考虑一定的裕度需躲过高压侧母联备自投的动作时间；备用变压器T2低压侧开关QF6的动作时间，其延时考虑一定裕度需大于高压侧开关QF4投入时励磁涌流稳定所需要的时间。

在双变压器正常运行模式与单变压器的经济运行模式相互切换时，以及运行变压器发生故障通过自动切换装置投入备用变压器时，均会产生较大的冲击电流。当合上备用变压器高压侧开关时，将会产生变压器励磁涌流［4-5］；合上备用线路低压侧开关时，将会产生有载合闸电流。合闸操作产生的冲击电流对变压器的直接影响不大，但可能引起安装在变压器一次侧的过电流保护继电器误动作。

2

2.1

变压器合闸模型的建立

变压器空载合闸模型

三相变压器空载合闸以及有载合闸的暂态过程均可用变压器的单相等效电路进行分析。

变压器的磁路结构形式、接线方式（Y结、D结）、中性点接地与否等多种因素对励磁涌流的大小和波形有着较大的影响。

国标GB5002－95《供配电系统设计规范》第六章低压配电中6.0.7条明确阐述“在TN及TT系统接地型式的低压电网中，宜采用Dyn11接线组别的三相变压器作为配电变压器”。文中以Dyn11接线组别的三相变压器作为配电变压器进行建模。

图２为Dyn11接线的三相变压器接线图。

eaebec

iaibic

abc

图2Dyn11接线的三相变压器接线图

Fig.2Dyn11connectionofthree-phasetransformer

图3为Dyn11接线的三相变压器空载合闸的第i相的单相等效电路图（i=a，b，c），为简化分析，在研究变压器空载合闸暂态过程时，忽略铁心的损耗，认为励磁支路为纯电感支路［6-7］。图中，系统侧为正弦电压源，合闸侧电阻为Ri，电感为Li，流过的电流为ii，感应磁链为ψi；励磁支路流过的励磁电流为imi，感应磁链为ψmi；负载侧电阻为R2i，电感为L2i，感应磁链为ψ2i。

Liii

ui

imi

Lmi

Ri

R2i

L2i

图3三相变压器空载合闸的单相等效电路图

Fig.3Single-phaseequivalentcircuitofthree-phase

transformerswitching-onwithoutload

根据基尔霍夫定律结合单相等效电路图可列出方程：

电力自动化设备

dψi+Ri+dψmi=u（4）iiidtdt

（5）ii=imi

对于Dyn11接线的三相变压器，D侧空载合闸，与空载的Y方绕组无关；空载二次侧接地，有uN=0；且有D侧三相绕组电压之和为0，即有

（6）ua+ub+uc=0

Ra00uaia

ub=0Rb0·ib+

00Rcucic

diadt

La+Lma00dib

（7）0Lb+Lmb0

dt00Lc+Lmc

dicdt2.3合闸初相角与初始剩磁的确定2.3.1合闸初相角的确定

第30卷

󰀁󰀂󰀁󰀂󰀁󰀂󰀁󰀂00000000000000000000000000000000

三相电源可表述为

Umsin（ωt+α）

（8）=Umsin（ωt+α-120°）

Umsin（ωt+α+120°）

其中，Um为电源线电压峰值，取1.1倍额定电压；α为A相空载合闸的初相角。2.2变压器有载合闸模型

图4为Dyn11接线的三相变压器有载合闸的第i相的单相等效电路图［8-10］（i=a，b，c），其基本参数设

置与空载合闸模型一致，其中负荷侧阻抗等效为R2i+jωL2i，感应磁链为ψ2i。

Liii

ui

imi

Lmi

Ri

R2i

L2ii2i

󰀁󰀂󰀁uaubuc

󰀂设电源电压为正弦电压［11］，即

（13）us=Umsin（ωt+α）

空载合闸的铁心磁通为

（14）Φ=-Φmcos（ωt+α）+Φmcosα+Φsy

其中，Φm=Um／ω为对应电压Um的磁通幅值；Φsy为合闸初始条件下的铁心剩磁。

合闸瞬间t=0，可得：

（15）Φ=－Φmcosα+Φmcosα+Φsy=Φsy

当α=0°、t=0空载合闸时，经过半个周期后，铁心中的总磁通达到2Φm+Φsy，如图5所示。此时变压器的铁心严重饱和，要维持如此大的磁链就必须相应增加激磁电流，而电流和磁链的关系并非线性关系，这时变压器的励磁涌流达到最大值。

u，ΦΦmΦsy

O-Φm

u2Φm+Φsy

Φ

t

图5合闸初相角α=0°时变压器空载

投入时磁通和电压的关系

Fig.5Relationshipbetweenfluxandvoltageof

transformerswitching-onwithoutload

whenswitchingangleis0°

图4三相变压器有载合闸的单相等效电路图

Fig.4Single-phaseequivalentcircuitofthree-phase

transformerswitching-onwithload

根据基尔霍夫定律结合单相等效电路图可列出方程：

dψi+Ri+dψmi=u

iii

dtdtii+i2i=imi

dψmi+dψ2i+Ri=0

2i2i

dtdt对三相电路则有

0

00000000000000000000000000000

000000000000000

000000000000000

000000000000000000000000000000

000000000000000

（9）（10）（11）

󰀁Raua-ubia

Rbub-ucib

Rcuc-ua=ic+

R2a0i2a

R2b0i2b

R2c0i2c

La+LmaLma

Lb+LmbLmb

Lc+LmcLmc

×LmaL2a+Lma

LmbL2b+Lmb

LmcL2c+Lmc

diadibdicdi2adi2bdi2cＴ（12）dtdtdtdtdtdt0

00000000000000

即有，当合闸初相角为α=0°时，变压器的A相励磁涌流将达到最大值。2.3.2初始剩磁的确定

假设变压器所处场合的温度不会突变超过铁心的居里点，且变压器所处场合的电磁噪声相对很小，不足以影响磁场的变化。在实际情况中，以上2个假设均能够被保证［12］，磁通量Φr将不随时间的变化而变化，表达式如下：

（16）Φrin＝Φrout

其中，下标in表示切入，out表示切出。亦即铁心的剩磁在变压器切出电网后在无大扰动的情况下将保持不变，是相对于时间变量的定值函数。

考虑到我国变压器的实际性能［13］，照顾到大量的中、高压变压器，剩磁的数字宜定在（0.5~0.7）Bm的范围内取值。仿真时铁心各相剩磁按Bra=-Brb=-Brc处理，原始剩磁Br取为0.7Bm。

3

3.1

数字仿真分析

󰀂空载合闸仿真结果及分析

基于以上模型对空载合闸励磁涌流进行仿真。以上海电力公司的10kV配电站常用的S11系列10kV级变压器为例，其基本参数如下：额定容量

·1000kVA，频率50Hz，额定电压10／0.4kV，额定电流57.7／1443A，接线方式Dyn11，负载损耗10014W，

第4期

吴绪成，等：配电站经济运行方式下备用变压器自动投切原理及影响分析

300200100020-50-12050iC／Ａ-75-200

0

0.2

0.4t／s

0.6

0.8

空载损耗1155W，空载电流0.0032p.u.，短路阻抗0.0435p.u.。

当合闸初相角α=0°，初始三相剩磁为ΦAO=0.7，ΦBO=-0.7，ΦCO=-0.7时，在t=0.04s时，也就是三相电源经过2个周期，A相电源电压再次过零点时，三相断路器合闸。空载合闸三相电流波形见图6。

30020010000-100-2001000-100-200iA／ＡiB／ＡiA／Ａ图7有载合闸变压器高压侧

三相电流波形

iB／ＡiC／ＡFig.7High-voltagesidecurrentwaveformsofthree-phase

transformerswitching-onwithload

300

0

0.1

0.2

t／s

0.3

0.4

0.5

iA／ＡiB／ＡiC／Ａ50-20030050-2002000-200-400

图6空载合闸三相电流波形

Fig.6Currentwaveformsofthree-phasetransformerswitching-onwithoutload

从图6可见，A、B、C三相均产生了衰减的励磁涌流，且A相励磁涌流最大幅值可达300A，B相励磁涌流最大幅值可达200A，C相励磁涌流最大幅值可达150A，且时间轴另一侧有少许励磁涌流，其最大幅值为50A。

对于变压器电流速断保护［14］，需按躲过变压器空载投入时的励磁涌流计算，由实际经验，一般取保护的一次动作电流的3~5倍，即Iact=（3~5）ITN。

仿真中变压器的高压侧的额定电流为57.7A，此时A相的励磁涌流峰值接近300A，需按额定电流的6倍整定，方可保证励磁涌流不会产生误动。

对于变压器的过流保护［15］，以常见的反时限过流保护为例。反时限过流保护的整定，其启动电流必须整定得大于该线路上可能出现的的最大负荷电流IL.max。其动作时限应该按照阶梯型的原则进行整定。

仿真中变压器A相的励磁涌流峰值接近300A，但随后励磁涌流以较快的速度衰减。对反时限过流保护的整定只需保证动作时限大于衰减速度即可。3.2有载合闸的冲击电流仿真结果及分析

在投入备用变压器时，需先合上变压器高压侧开关，确认后，再合上变压器低压侧开关。仿真中，变压器空载合闸部分的基本参数不变。假定在备用变压器低压侧开关合上时，仍带有一定的负荷。负荷大小为变压器容量的10%，功率因数为0.85，仿真中用一个Y型三相并联RLC负荷模型等效。

通过对3.1节中对空载合闸仿真的分析，选择在0.3s时合上变压器低压侧开关。在避免励磁涌流的影响下，对合闸冲击电流进行仿真分析。

当合闸初相角α=0°，初始三相剩磁为ΦAO=0.7，ΦBO=-0.7，ΦCO=-0.7时，在t=0.04s时，高压侧三相断路器合闸，在t=0.3s时，低压侧三相断路器合闸，所得的有载合闸的高压侧三相电流波形如图7所示，有载合闸的低压侧三相电流波形如图8所示。

00.2

0.4t／s

0.60.8

图8有载合闸变压器低压侧

三相电流波形

Fig.8Low-voltagesidecurrentwaveformsofthree-phase

transformerswitching-onwithload

从图7可见，在0.3s时合上变压器低压侧开关，当变压器低压侧所带的10%的负荷假定为稳定负荷时，有载合闸产生的冲击电流使衰减中的励磁涌流在0.3s时发生了轻度的畸变，但其产生的叠加效应对波形的衰减趋势基本没有影响。

故有载合闸时的冲击电流对继电保护所产生的影响基本可以不需要考虑。

3.3变压器自投对继电保护的影响及整定原则

以上海电力公司的10kV临苏配电站为例，其配电变压器电流速断保护的整定值为720A，反时限过流保护的启动电流为120A，反时限动作特性为：电流为启动电流的2倍时，动作时限为1.0s；电流为启动电流的3倍时，动作时限为0.63s；电流为启动电流的5倍时，动作时限为0.43s。

从图6可见，励磁涌流的最大峰值接近300A，远低于速断保护的整定值，因此不会对电流速断保护造成不利影响。

从图7可见，A相励磁涌流经过0.3s后就衰减至初始时的2／5。虽然主变反时限过流保护的启动电流整定值为120A，但是其延时都较长，励磁涌流衰减较快，故励磁涌流不会对反时限过流保护产生不利影响。

通过对上述仿真结果进行分析研究，考察了励磁涌流及冲击电流对电流速断保护和反时限过流保护的影响，得出以下结论。a.三相变压器空载合闸的励磁涌流最大值出现

电力自动化设备

在合闸初相角α=0°时，此时励磁涌流对变压器的继电保护设备产生影响的可能性最大。而一般在分析励磁涌流对差动保护的影响时，考虑的是两相涌流的差值，当α=30°时，此差值达到最大。

b.在变压器的切出-切入过程中，待投入变压器的初始剩磁是一个恒定值。而改变剩磁，会对励磁涌流的波形和幅值产生很大的影响。剩磁越大，产生的励磁涌流最大幅值也越大。

c.励磁涌流的最大幅值会影响到电流速断保护。在对电流速断保护的整定计算中，需保证整定值大于励磁涌流的峰值，防止保护误动。

d.励磁涌流的最大幅值和衰减速度都会影响到反时限过流保护。在对反时限过流保护的整定中，应该同时考虑启动电流和反时限延时特性，保证延时较长，防止保护误动。

e.在一个只占变压器容量10%的稳定负荷模型下，有载合闸产生的冲击电流与空载合闸产生的励磁涌流相比，对继电保护装置的影响可以基本忽略。

9-13.

第30卷

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4结论

本文主要介绍了配电站经济运行方式下备用变压器自动投切的原理和逻辑，并在此项目背景下，通过对三相变压器进行数学建模，利用Matlab对三相变压器的空载合闸和有载合闸进行仿真，分析了空载合闸产生的励磁涌流和有载合闸产生的冲击电流对变压器继电保护装置的影响。研究表明，励磁涌流和冲击电流在现有的整定值下不会对变压器的速断保护和反时限过流保护产生不利影响。

本文所介绍的配电站经济运行方式下的备用变压器自动切换装置以SEL-351-51继电器为主体，利用逻辑编程实现了所需的功能，并已在上海电力公司试运行成功。参考文献：

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LIBing，JIANGWeisun.Chaosoptimizationalgorithmanditsapplication［J］.ControlTheory&Applications，1997，14（4）：

（责任编辑：柏英武）

作者简介：

刘丽军（1982-），女，福建莆田人，讲师，硕士，主要研究方向为电力系统分析、人工智能技术在电力系统中的应用（Ｅ-ｍａｉｌ：Lemon8857@163.com）；

李捷（1981-），男，福建漳州人，工程师，硕士，主要研究方向为电力系统分析；

蔡金锭（1954-），男，福建晋江人，教授，博士研究生导师，主要研究方向为人工智能技术在电力系统中的应用。

Reactivepoweroptimizationbasedoninduction-enhancedparticle

swarmoptimizationandchaossearch

LIULijun1，LIJie2，CAIJinding1

（1.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation，FuzhouUniversity，Fuzhou350108，China；

2.FuzhouElectricPowerBureau，Fuzhou350001，China）

Abstract：Analgorithmbasedoninduction-enhancedparticleswarmoptimizationandchaossearchisproposedforreactivepoweroptimizationtosolvetheproblemsoftraditionalPSO（ParticleSwarmOptimization），suchaslocaloptimumandslowconvergence，andimprovetheabilityofglobaloptimization.Duringtheearlysearch，theinductionisintroducedtotheupdateofparticlepositiontodecreasetherandomicityofPSOandimprovethesearchefficiency，whileduringthelatesearch，thestrangeattractorcharacterofchaosisappliedtoeffectivelyavoidtheprematureofPSOandfindtheglobaloptimalsolution.Calculationsforapowerdistributionsystemshowthat，theoptimalloss-loweringrateis14.04%，andtheminimumvoltageisincreasedfrom0.8950p.u.to0.9956p.u.，validatingthefeasibilityandeffectivenessoftheproposedalgorithm.

Keywords：powersystem；particleswarmoptimization；chaos；strangeattractor；reactivepoweroptimization∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥（上接第70页continuedfrompage70）

Automaticswitchovertheoryofstand-bytransformeranditsinfluenceon

economicoperationmodeofdistributionsubstation

WUXucheng1，SHENGGehao1，WANGWen1，XUJian2，ZENGYi1，JIANGXiuchen１

（1.DepartmentofElectricalEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China；

2.HuxiPowerSupplyCompanyofSMEPC，Shanghai200051，China）

Abstract：Theeconomicoperationmodeofdistributiontransformersinterconnectedatlowvoltagesidetoreducedistributionnetworklossisresearched.Theloadswitchoverprincipleofdistributionsubstationundereconomicoperationmodeisanalyzed，therulesofloadswitchoverpointselectionbasedontheminimallosstheoryareproposed，andtheworkingprincipleandactionlogicoftheautomaticswitchoverequipmentatlow-voltagesideispresented.Thetransientprocessofthree-phasetransformerswitching-onwithandwithoutloadismathematicallymodeled.WithMatlabsimulativecalculationandpracticalanalysis，theinrushexcitationcurrentoftheswitching-onwithoutloadandtheimpactcurrentofswitching-onwithloadareanalyzed.Combinedwiththesettingprinciplesofinstantaneousovercurrentprotectionandinversetimeovercurrentprotection，theinfluenceofinrushcurrentandimpactcurrentontheoperatingcharacteristicsandparametersettingoftransformerprotectionsarestudied.Thereliabilityofpowersupplyundereconomicoperationmodeofdistributiontransformersinterconnectedatlowvoltagesideisverified.

Keywords：distributiontransformer；economicoperation；impactcurrent；simulativeanalysis；relayprotection