變壓器差動保護歸算思路分析與對策

潘志軍,范 芹,丁潔晶

(1.杭州市南排工程建設(shè)管理處,浙江杭州 310020;2.浙江江能建設(shè)有限公司,浙江杭州 310020;3.浙江華電科技有限公司,浙江杭州 310004)

0 引 言

差動保護因具有選擇性好、靈敏度高等一系列優(yōu)點成為發(fā)電機、電動機、變壓器、母線及短線路等元件的主保護.這幾種差動保護原理是基本相同的,但主變差動保護還要考慮變壓器接線組別、各側(cè)電壓等級、CT變比等因素的影響所產(chǎn)生的不平衡電流.同其它差動保護相比,主變差動保護實現(xiàn)起來要更復(fù)雜一些.工程上為確保主保護的靈敏性把這些產(chǎn)生不平衡電流的影響因數(shù)盡量消除力爭正常運行中差動保護中檢測到的差流等于零.下面通過變壓器差動的構(gòu)成原理、不平衡電流的產(chǎn)生機理的分析,對比不同保護產(chǎn)品歸算不平衡電流的思路和簡要介紹南瑞RCS9671/9679差動保護的歸算思路,為工程實際運行中出現(xiàn)的不正常現(xiàn)象處理方法提供借鑒思路.

1 變壓器差動保護工作原理簡述

變壓器縱差保護原理單相接線圖,見圖1.電流差動保護是建立在基爾霍夫電流定律基礎(chǔ)之上,變壓器差動保護就是將保護變壓器各側(cè)的電流互感器的二次電流后接入保護單元算得二次電流差值作為差動保護的啟動判據(jù)[1].由于變壓器各側(cè)的電流大小和相位不同,在實現(xiàn)差動保護時在考慮上述因素后并進行補償才能保證變壓器正常運行和外部短路時保護單元檢測到的差動電流等與零(理想狀態(tài)),在被保護范圍內(nèi)出現(xiàn)故障電流并達到動作定值時立刻啟動保護元件并出口跳閘,保護變壓器進一步遭受損壞.

圖1 差動保護單相接線原理圖

2 影響主變差動保護靈敏性的因素

2.1 變壓器變比和保護CT變比選擇配合的影響

因為變壓器變比不同,主變高低壓側(cè)一次電流不相同.比如：假設(shè)變壓器變比為110 kV/10kV,不考慮變壓器本身勵磁損耗的理想情況下,流進高壓側(cè)電流為1 A,則流出低壓側(cè)為11A.如果變壓器低壓側(cè)保護CT的變比是高壓側(cè)CT變比的11倍,就可以恰好抵消變壓器變比的影響,使流入保護裝置(CT二次側(cè))的電流大小相同.但工程實際情況是,CT變比是根據(jù)變壓器容量來選擇,況且CT變比都是標(biāo)準(zhǔn)的,同樣變壓器變比也是標(biāo)準(zhǔn)化的,這三者的關(guān)系根本無法保證上述的理想比例.假設(shè)變壓器容量為10 MVA,110 kV側(cè)CT變比為100/5,低壓側(cè)CT變比如果為1100/5即可保證一致.但實際上低壓側(cè)CT變比只能選1000/5或1200/5,這自然造成了主變高低壓側(cè)CT二次電流不同,也就是流入保護裝置的電流大小不相同[2].

2.2 變壓器接線組別的影響

變壓器的接線組別Y/Y或Δ/Δ,在差動保護時不需要進行相位補償,而電力系統(tǒng)其它的電力變壓器多為Y/Δ-11接線組別,低壓側(cè)電流將超前高壓側(cè)電流30°,這需要在差動保護中先考慮由此帶來的相位差進行補償并考慮電流數(shù)值上的補償[3].另外如果Y側(cè)為中性點接地運行方式,當(dāng)高壓側(cè)線路發(fā)生單相接地故障時,主變Y側(cè)繞組將流過零序故障電流,該電流將流過主變高壓側(cè)CT,相應(yīng)地會傳變到CT二次,而主變Δ側(cè)繞組中感應(yīng)出的零序電流僅能在其繞組內(nèi)部流過,而無法流經(jīng)低壓側(cè)開關(guān)CT.

3 消除影響的對策

主變差動保護要考慮的一個基本原則是保證正常情況和區(qū)外故障時,用以比較的主變高低壓側(cè)電流幅值相等,相位相反或相同(由差流計算采取的是矢量加和矢量減決定,不過一般是讓其相位相反),從而在理論上保證差流為0[4].不管是電磁式差動繼電器保護或集成電路保護及現(xiàn)在的微機保護,都要考慮上述兩個因素的影響(以下的分析以工程中最常見的Y/Δ-11為例進行).

3.1 消除變壓器變比和保護CT變比選擇配合引起的影響

一般工程設(shè)計中,各側(cè)CT變比的選擇近似關(guān)系式如下：

式中,k—變壓器變比;

k1—變壓器高壓側(cè)CT接線系數(shù),星型接線等于1,三角形接線等于;

k2—變壓器低壓側(cè)CT接線系數(shù);

n1—變壓器高壓側(cè)CT變比;

n2—變壓器低壓側(cè)CT變比.

由于CT變比是分檔的,在按上述原側(cè)確定變比和工程實際選擇的CT變比有可能不一致,故不一定能完全消除主變變比和CT變比的匹配所造成的幅值上誤差.

傳統(tǒng)的電磁式差動繼電器構(gòu)成的差動保護在按上述選定變比仍不能完全配合時,采用中間變流器進行補償,這種補償方法由于平衡繞組不能平滑的調(diào)節(jié),選用的匝數(shù)和計算的匝數(shù)不可能完全一致,故仍有一部分不平衡電流流入繼電器,但不平衡電流已大為減少.

微機保護同傳統(tǒng)保護相比,保護原理并沒有太大的變化,主要是實現(xiàn)的方法和計算的精度有了很大提高,只需要進行簡單的計算平衡系數(shù)實現(xiàn)補償[5].一般輸入量(如Δ側(cè))或相位歸算后的中間量乘以相應(yīng)的某個比例系數(shù)即可.當(dāng)然這個系數(shù)對Y側(cè),還要考慮到內(nèi)部矢量相減,同時造成的幅值增大了 3倍.目前國內(nèi)絕大部分廠商(如南自廠等)的微機差動保護,是以一側(cè)為基準(zhǔn)(一般為高壓Y側(cè)),把另一側(cè)的電流值通過一個比例系數(shù)換算到基準(zhǔn)側(cè).采取這種方法,裝置定值和動作報告都是采用有名值(即多少安),比如差動速斷定值是15A等等.而有些公司(如南瑞、四方等等)的差動保護變比等因素造成的幅值歸算采取的是Ie額定電流標(biāo)幺值的概念,相應(yīng)的定值整定和動作報告也都是采用Ie標(biāo)幺值.如南瑞RSC-9000系列裝置對于變壓器的Y接線側(cè)平衡系數(shù)：K1=(U1×CT11)/SN,對于變壓器的 Δ接線側(cè)：K2=(3×U2×CT21)/SN,其中K1、K2 為內(nèi)部補償系數(shù),U1 、U2為各側(cè)額定電壓,CT11、CT21為各側(cè)CT額定變比,SN為變壓器的額定容量.裝置內(nèi)部把算得的平衡系數(shù)通過軟件進行自動調(diào)整實現(xiàn)補償.

3.2 變壓器接線組別引起的相位補償方法

電磁式保護(比如工程中常見的BCH-2差動繼電器),對于接線組別帶來的影響(即相位誤差)通過外部CT接線方式來解決.主變?yōu)閅/Δ接線,高壓側(cè)CT二次采用Δ接線,低壓側(cè)CT二次采用Y接線,用改變保護CT的二次接線方式的方法完成相角的歸算同時消除零序電流分量的影響.電流由主變高壓側(cè)傳變到低壓側(cè)時,相位前移30°,低壓側(cè)CT接成Y/Y,角度沒有偏移.高壓側(cè)CT接成Y/Δ,CT二次側(cè)比一次側(cè)(也即主變高壓側(cè))相位也前移了30°.這樣就保證了高低壓側(cè)CT的二次電流同相位.高壓側(cè)CT接成Y/Δ后,電流幅值增大了 3倍(實際上是線電流),在選擇CT變比時,已考慮到這個因素,盡量讓流入差動繼電器的主變高低壓側(cè)電流相等進行電流數(shù)值補償.

微機保護是比較容易消除的,早期有些微機差動保護裝置,可能是運算速度不夠的緣故,相角歸算還是采用外部CT接線來消除(如DSA早期某型號產(chǎn)品).現(xiàn)在的微機差動保護裝置,CT都是采取Y/Y接線,相角歸算由內(nèi)部完成,通過電流矢量相減消除相角誤差.主變差動為分相差動,對于Y/Δ-11接線,同低壓側(cè)Ial相比較運算的并不是高壓側(cè)IAh,參與差流計算的Y側(cè)3相電流量分別是：IAh*=IAh-IBh、IBh*=IBh-ICh、ICh*=ICh-IAh(都為矢量減).這樣得到的線電流IAh*,角度左移(后退)30°,同低壓側(cè)Ia2同相位[6],見圖2.

圖2 相量變換示意圖

4 南瑞RCS9671/9679差動保護實例

下面以南瑞RCS9671/9679差動保護為例,從工程角度出發(fā)簡析差動歸算思路.

4.1 南瑞RCS9671/9679差動保護Ie的概念

Ie是指根據(jù)變壓器的實際容量求到的額定電流的標(biāo)幺值.工程上常說的CT二次額定電流是5A,這只是一個產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),而Ie是根據(jù)主變?nèi)萘康玫降?它所對應(yīng)的電流有名值的具體數(shù)值,對主變的每一側(cè)都是不同的.

以下列參數(shù)為例：某臺主變,容量 31.5/31.5 MVA;變比110±4×2.5%/11 kV;接線組別Y/Δ-11;CT變比200/5,2000/5;CT為Y/Y.

額定電流計算公式Ie=S/(3U)/CTn

高壓側(cè)Ie=31 500 kVA/(1.732×110 kV)/200/5=165.337A/40=4.133A

低壓側(cè)Ie=31 500 kVA/(1.732×11 kV)/2 000/5=1 653.37A/400=4.133A

當(dāng)高壓側(cè)CT二次流出電流為4.133 A時,表明本側(cè)流出的功率為變壓器的額定功率,這就是Ie的物理含義,對低壓側(cè)物理意義是相同的.差動保護在每一側(cè)采集到的電流除以該側(cè)的Ie電流值,得到各側(cè)電流相對于本側(cè)額定電流的比例值(標(biāo)幺值).采用各側(cè)的Ie標(biāo)幺值直接參與差流計算,而不是采用電流有名值,相應(yīng)的定值及報告都是顯示的是多少Ie.比如說高壓側(cè)二次電流為4.133 A,程序會把這個值除以高壓側(cè)(4.133 A),得到標(biāo)幺值1Ie;低壓側(cè)電流為 -4.133 A,得到標(biāo)幺值-1Ie.程序計算差流時會把這兩側(cè)Ie相加求得到差流Id=0Ie.

求Ie具體值的公式里包含了變壓器容量、電壓變比、每側(cè)CT變比這幾個參數(shù).基于能量守衡的原理(忽略主變本身損耗),計算時容量都采用同一個最大容量.得到的每側(cè)額定值作為本側(cè)的基準(zhǔn),實際電流除以該基準(zhǔn),就得到可以直接用以統(tǒng)一運算的標(biāo)幺值.整個計算的過程,消除了由主變電壓變比和CT變比因素所造成的影響.差動電流分別以各側(cè)額定為基準(zhǔn),各側(cè)實際電流都往本側(cè)歸算;Ie在差動歸算中,Ie是一個標(biāo)幺值,是一個可以統(tǒng)一計算的中間度量單位(轉(zhuǎn)換單位).

4.2 南瑞RCS9671/9679差動保護的歸算分析

在本文一開頭就提到了主變電壓變比、CT變比還有接線組別的影響.采用Ie的概念和計算方法后,可以消除掉電壓變比和CT變比對幅值的影響.對接線組別(相位)的影響,以RCS9671/9679程序里是這樣做的.若系統(tǒng)設(shè)置菜單里,接線組別設(shè)置為Δ/Δ(CT都是Y/Y接線,也即由裝置內(nèi)部完成歸算),程序?qū)﹄娏鞑蓸訑?shù)據(jù)不做相角上的任何歸算處理,根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)整定內(nèi)容,計算出各側(cè)Ie具體值,實際采樣值同本側(cè)Ie相除,得出本側(cè)以Ie標(biāo)幺值所表示的電流值參與差流計算.當(dāng)接線組別設(shè)置為Y/Δ-11,程序?qū)側(cè)電流采樣數(shù)據(jù)首先進行相角調(diào)整,即參與差流計算的IAh*=IAh-IBh、IBh*=IBh-ICh、ICh*=ICh-IAh(都為矢量減),這樣一減,得到的矢量電流相位前移了30°,完成相位的歸算.但幅值同時也增大了 3倍(線電流和相電流的關(guān)系,這很好理解).程序里對矢量相減得到的值會同時固定除以 3,以保證只調(diào)整相位,不改變大小.對Y/Δ-1,處理過程一樣,只是矢量相減的相別發(fā)生一下變化：IAh*=IAh-ICh,IBh*=IBh-IAh,ICh*=ICh-IBh,也要固定的對幅值除以 3.

5 工程中保護調(diào)試注意事項

除了變壓器接線組別和變比配合因素對變壓器差動保護帶來的影響外,還有造成差動電流不完全平衡的其它因素.上述對差動保護的歸算調(diào)整主要是消除變壓器接線組別和變比配合因素對差動保護的誤差,這兩方面因素在工程中可以看作“明顯的”客觀因素.另外還有幾個因素還可能造成變壓器在正常運行狀態(tài)下差動電流的不平衡.

5.1 保護CT選用型號的影響

雖然工程設(shè)計中對差動保護CT的選用原則：主變各側(cè)CT同型號且性能完全相同的保護用CT.但因為變比和容量都有差別,使得CT的勵磁特性曲線也不盡相同,尤其是當(dāng)區(qū)外故障穿越性電流增大,可能導(dǎo)致CT飽和,CT飽和特性不一致,造成不平衡電流增大.因此在工程中嚴格按要求選擇保護CT,調(diào)試中還要測試兩側(cè)保護CT的勵磁特性曲線是否相同,還要注意所用的CT二次繞組的兩側(cè)負載相近且盡量小,以減小由此帶來的不平衡電流造成對保護的影響.

5.2 電力系統(tǒng)中有載調(diào)壓變壓器在運行中改變分接頭產(chǎn)生的不平衡電流

在改變變壓器分接頭調(diào)整電壓時,實際上改變了變壓器的變比.而工程中按上述提到的對變比的歸算方法是按照額定變比或?qū)嶋H最有可能運行的變比來計算的,但當(dāng)運行中變壓器分接頭位置改變后,自然會產(chǎn)生不平衡電流[7].在消除由此產(chǎn)生的不平衡電流的最好辦法是保護裝置能實時采樣變壓器運行的擋位,根據(jù)實際運行的擋位進入保護計算單元.如GE公司某些型號主變差動保護裝置對有載調(diào)壓產(chǎn)生的不平衡電流做法是在定值中輸入用戶設(shè)定主變的檔位及每一檔位對電壓的影響,同時采集開入檔位接點位置,從而可以做到隨著主變檔位的調(diào)節(jié)自動改變內(nèi)部計算參數(shù)消除誤差.

5.3 變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的不平衡電流對差動保護的影響

在變壓器空載合閘時由于鐵芯飽和產(chǎn)生暫態(tài)勵磁電流稱為勵磁涌流,此電流最大可達額定電流的4～8倍,由此產(chǎn)生的不平衡電流在理論上利用勵磁涌流的特征采取三種方法即使用速飽和中間變流器、二次諧波制動和間斷角鑒別法來消除.傳統(tǒng)的繼電器保護大多采用速飽和中間變流器的方法,而目前國內(nèi)微機保護裝置大多采用二次諧波制動的方法來消除影響.

5.4 理論計算的誤差影響

目前微機保護的程序?qū)ψ儔浩髯儽日`差計算消除是在變壓器及CT各項參數(shù)基礎(chǔ)上的,如果這些標(biāo)稱參數(shù)同實際有所差別,也將會產(chǎn)生不平衡電流,一般在現(xiàn)場碰到這方面的問題較少,除非是一些項目選用的是一些小廠家生產(chǎn)的質(zhì)量較差的設(shè)備參數(shù)誤差較大.

6 結(jié) 語

電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大,不論是電源容量、電源數(shù)量、線路數(shù)量、電壓等級都在快速增長,這是電力系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢,因而對影響系統(tǒng)供電可靠性和電能質(zhì)量的設(shè)備要求越來越高,作為保護變壓器正常運行的保護裝置的靈敏性是極為重要的.通過對變壓器不同時期的保護產(chǎn)品歸算思路研究與解決對策總結(jié)為工程人員快速處理問題提供參考,在最短的時間內(nèi)設(shè)備恢復(fù)運行意義重大.

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