發(fā)變組主變高壓側(cè)非全相運(yùn)行電氣特征及其對(duì)保護(hù)的影響

曹雪蘭，李本瑜，沈燕華,陳海龍,盧金龍，劉艷東

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011）

0 引言

主變高壓側(cè)非全相是指輸電線(xiàn)或變壓器切除一相或兩相的工作狀態(tài)，例如：線(xiàn)路單相接地短路后，故障相斷路器跳閘；導(dǎo)線(xiàn)一相或兩相斷線(xiàn)；斷路器在合閘過(guò)程中三相觸頭不同時(shí)接通等。我們知道，電力系統(tǒng)三相阻抗等對(duì)稱(chēng)性的破壞，將導(dǎo)致三相電流和三相電壓對(duì)稱(chēng)性的破壞，因而會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流；當(dāng)變壓器的中性點(diǎn)接地時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)零序電流[1]。當(dāng)負(fù)序電流流過(guò)發(fā)電機(jī)時(shí)，三相負(fù)序電流在發(fā)電機(jī)定子轉(zhuǎn)子氣隙間產(chǎn)生反向同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子則正向同步速旋轉(zhuǎn)，所以轉(zhuǎn)子相對(duì)于負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)有兩倍同步速，在轉(zhuǎn)子表層感生倍頻電流，后者在轉(zhuǎn)子端部護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體之間、槽楔與槽壁之間的接觸面上、槽楔連接區(qū)、阻尼環(huán)和阻尼條等分流較大的部位形成局部高溫，灼傷轉(zhuǎn)子，如果轉(zhuǎn)子本體與護(hù)環(huán)的溫差過(guò)大，還可能導(dǎo)致護(hù)環(huán)松脫，造成機(jī)組嚴(yán)重破壞[2]。主變高壓側(cè)非全相運(yùn)行，也會(huì)對(duì)機(jī)組繼電保護(hù)產(chǎn)生影響[3-4]。

1 Y0/△-11 變壓器兩側(cè)電壓、電流向量關(guān)系

電壓、電流對(duì)稱(chēng)分量經(jīng)變壓器后，不但數(shù)值大小要發(fā)生變化，而且它們的相位也要發(fā)生變化。變壓器兩側(cè)電壓、電流的大小由變壓器變比決定，而相位關(guān)系則與變壓器的聯(lián)接組別有關(guān)。發(fā)電廠升壓變壓器一般采用Y0/△-11的聯(lián)接組別，其接線(xiàn)圖如圖1所示。

圖1 Y0/△-11變壓器接線(xiàn)圖Fig.1 Connection diagram of Y0/△-11 transformer

假設(shè)變壓器變比為n，根據(jù)變壓器傳變關(guān)系及序分量法[5]有如下關(guān)系：

對(duì)于Y0/△-11 變壓器，在Y 側(cè)加入正序電壓或正序電流時(shí)，△側(cè)電壓或電流的相位超前Y 側(cè)正序電壓或電流30°；在Y 側(cè)加入負(fù)序電壓或負(fù)序電流時(shí)，△側(cè)電壓或電流的相位滯后Y 側(cè)負(fù)序電壓或電流30°；在Y0側(cè)加入零序電壓或電流時(shí)，△環(huán)內(nèi)會(huì)有零序，但是在△側(cè)引出線(xiàn)上無(wú)零序電壓或零序電流。

2 高壓側(cè)非全相運(yùn)行時(shí)變壓器各側(cè)電流電壓特征

下面以高壓側(cè)C 相非全相進(jìn)行分析，其他相類(lèi)似。Y0/△-11 接線(xiàn)變壓器Y0側(cè)C 相斷線(xiàn)電流分布圖如圖2所示。

圖2 Y0/△-11 接線(xiàn)變壓器Y0 側(cè)C 相斷線(xiàn)電流分布圖Fig.2 Current distribution diagram on Y0 side of Y0/△-11 transformer with phase C broken

2.1 高壓側(cè)電壓、電流特征

Y0/△-11 接線(xiàn)的變壓器高壓側(cè)母線(xiàn)有其他電源，如果一相斷線(xiàn)不接地，斷線(xiàn)相電流接近于0，兩健全相電流相等；高壓側(cè)電壓變化不大（故障相電壓略高于健全相電壓），PT 開(kāi)口三角電壓接近于0。

高壓側(cè)出現(xiàn)非全相運(yùn)行時(shí)，如圖2中C 相斷線(xiàn)，在此情況下，、認(rèn)為仍然為負(fù)荷電流，而=0，利用序分量分析法得到高壓側(cè)A 相的各序電流為

根據(jù)式（3）可以做出高壓側(cè)電流各相序相量圖，如圖3所示。

圖3 C 相斷線(xiàn)高壓側(cè)各相序相量圖Fig.3 Phasor diagram for high voltage side each phase with phase C broken

2.2 高壓側(cè)非全相運(yùn)行時(shí)主變低壓側(cè)電流特征

利用前面分析的高壓側(cè)電流各相序分量，根據(jù)式（1）、式（2）可得到低壓側(cè)電流各序分量，再合成即可得到低壓側(cè)的電流，零序只在?內(nèi)環(huán)流，出線(xiàn)電流中沒(méi)有零序電流分量，因此可以不考慮零序電流。

低壓側(cè)正、負(fù)序電流為

各序分量求出來(lái)以后，根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量的合成公式可求出低壓側(cè)的各相電流為

2.3 高壓側(cè)非全相運(yùn)行時(shí)主變低壓側(cè)電壓特征

由三相同步發(fā)電機(jī)規(guī)定的正方向，可得電樞繞組任一相的電動(dòng)勢(shì)方程為

由式（5）作出同步發(fā)電機(jī)向量圖和等效電路如圖4所示。

圖4 同步發(fā)電機(jī)向量圖和等效電路Fig.4 Synchronous generator vector diagram and equivalent circuit

假設(shè)在變壓器高壓側(cè)C 相斷線(xiàn)非全相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流等參數(shù)不變，即發(fā)電機(jī)的磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不變，由式（5）可知，機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)電流和發(fā)電機(jī)同步電抗以及功角有關(guān)。

根據(jù)式（5）可計(jì)算得到發(fā)電機(jī)機(jī)端各相電壓為

圖5 C 相非全相運(yùn)行時(shí)機(jī)端電壓向量圖Fig.5 Vector diagram of generator terminal voltage with C phase open

根據(jù)式（6），要計(jì)算出非全相運(yùn)行時(shí)，機(jī)端電壓向量，需要發(fā)電機(jī)電勢(shì)、電流以及阻抗等參數(shù)，圖5僅畫(huà)出了發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的變化趨勢(shì)，由圖5可知，高壓側(cè)C 相非全相運(yùn)行時(shí)，機(jī)端A 相電壓不變，B 相電壓小于正常時(shí)的電壓，C 相電壓大于正常時(shí)的電壓，即C 相非全相時(shí)機(jī)端電壓大小關(guān)系為Uc＞Ua＞Ub，超前角度小于120°，而超前角度大于120°。

2.4 故障錄波數(shù)據(jù)分析

利用某電廠機(jī)組C 相非全相運(yùn)行時(shí)，對(duì)機(jī)組故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行離線(xiàn)分析，各側(cè)的電壓、電流的特征如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 高壓側(cè)電壓、電流大小Fig.6 Size of high side voltage and current

從圖6中可以看出，非全相電流接近于0，兩健全相電流相等；高壓側(cè)電壓變化不大（B 相電壓偏低），零序電壓接近于0。三相電壓不對(duì)稱(chēng)，出現(xiàn)比較大的負(fù)序電壓。

從圖7中可以看出，機(jī)端A 相電壓基本不變，B 相電壓小于正常時(shí)的電壓，C 相電壓大于正常時(shí)的電壓，三相電壓不對(duì)稱(chēng)，出現(xiàn)比較大的負(fù)序電壓；A 相電流大小不變，B、C 相電流大小變?yōu)樨?fù)荷電流的倍。

圖7 機(jī)端電壓、電流大小Fig.7 Size of generator voltage and current

從圖7、圖8中可以看出，隨著功率的增大，機(jī)端電流逐漸增大，A 相電流大于0.8 A，發(fā)電機(jī)額定電流為0.64 A，大于1.2 倍額定電流。機(jī)端存在較大的負(fù)序電壓，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)復(fù)壓記憶過(guò)流會(huì)啟動(dòng)。三相電流的不對(duì)稱(chēng)，出現(xiàn)較大的負(fù)序電流，該負(fù)序電流會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)造成一定的損傷。

圖8 機(jī)端電壓及功率大小Fig.8 Size of generator voltage and power

從錄波數(shù)據(jù)離線(xiàn)分析結(jié)果看，與上述理論分析結(jié)果一致。

3 發(fā)變組非全相運(yùn)行對(duì)繼電保護(hù)的影響

3.1 對(duì)主變差動(dòng)保護(hù)的影響

發(fā)變組主變高壓側(cè)非全相運(yùn)行狀態(tài)屬于縱向故障，對(duì)主變差動(dòng)保護(hù)而言屬于穿越性故障，主變差動(dòng)保護(hù)不反應(yīng)機(jī)組非全相運(yùn)行狀態(tài)，非全相運(yùn)行期間差動(dòng)保護(hù)可靠不動(dòng)作。根據(jù)式（4）及主變差動(dòng)電流計(jì)算公式，可以計(jì)算出主變差動(dòng)保護(hù)各相差動(dòng)電流為

從式（7）計(jì)算結(jié)果可以看出，主變差動(dòng)各相差動(dòng)電流為0，主變差動(dòng)保護(hù)在高壓側(cè)非全相運(yùn)行時(shí)可靠不動(dòng)作。

3.2 對(duì)發(fā)電機(jī)復(fù)壓（記憶）過(guò)流保護(hù)的影響

從圖7中可以看出，隨著功率的增加，機(jī)端電流逐漸增大，A 相電流達(dá)到1.2 倍額定電流以上。機(jī)端存在較大的負(fù)序電壓，發(fā)電機(jī)復(fù)壓（記憶）過(guò)流保護(hù)會(huì)啟動(dòng)，要求其動(dòng)作時(shí)間必須大于開(kāi)關(guān)重合閘最大時(shí)間。

3.3 對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)序過(guò)流保護(hù)的影響

對(duì)于線(xiàn)路單相接地短路后，故障相斷路器跳閘引起的機(jī)組非全相運(yùn)行時(shí)間比較短，線(xiàn)路重合閘后，發(fā)變組恢復(fù)正常運(yùn)行，非全相運(yùn)行期間產(chǎn)生的負(fù)序電流對(duì)發(fā)電機(jī)的影響比較??；對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)一相或兩相斷線(xiàn)時(shí)，發(fā)變組非全相運(yùn)行時(shí)只有發(fā)電機(jī)負(fù)序過(guò)流保護(hù)反應(yīng)這種非全相運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)負(fù)序電流滿(mǎn)足負(fù)序過(guò)流保護(hù)動(dòng)作條件時(shí)，保護(hù)動(dòng)作將機(jī)組跳開(kāi)防止發(fā)電機(jī)組受到更大的損傷。

4 結(jié)論

Y0/△-11 電廠升壓變壓器高壓側(cè)C 相非全相運(yùn)行時(shí)，在高壓側(cè)有其他電源情況下，可得出以下結(jié)論：

（1）高壓側(cè)電壓變化不大（B 相電壓偏低），零序電壓接近于0。三相電壓不對(duì)稱(chēng)，出現(xiàn)比較大的負(fù)序電壓；高壓側(cè)非全相相電流基本為零，正常相為負(fù)荷電流。

（2）發(fā)電機(jī)機(jī)端A 相電流不變，為負(fù)荷電流，B、C 相電流為負(fù)荷電流的倍；機(jī)端電流的相位關(guān)系：超前150°，超前60°，超前150°，三相電流不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致出現(xiàn)較大的負(fù)序電流；機(jī)端A 相電壓不變，B 相電壓小于正常時(shí)的電壓，C 相電壓大于正常時(shí)的電壓，機(jī)端電壓大小關(guān)系為Uc＞Ua＞Ub，超前角度小于120°，超前角度大于120°，三相電壓不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致出現(xiàn)負(fù)序電壓值可能大于復(fù)合電壓相負(fù)序電壓定值。

（3）主變差動(dòng)保護(hù)不反應(yīng)機(jī)組非全相運(yùn)行狀態(tài)，非全相運(yùn)行期間差動(dòng)保護(hù)可靠不動(dòng)作；隨著有功功率的增加，電流有增大趨勢(shì)，發(fā)電機(jī)復(fù)壓（記憶）過(guò)流保護(hù)可能啟動(dòng)，要求其動(dòng)作時(shí)間必須要大于開(kāi)關(guān)重合閘最大時(shí)間。

（4）非全相運(yùn)行期間，負(fù)序電流會(huì)給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶來(lái)危害,發(fā)電機(jī)具有一定的承受負(fù)序電流的能力，只要三相負(fù)序電流不超過(guò)規(guī)定的限值，轉(zhuǎn)子就不會(huì)遭到損傷。發(fā)電機(jī)負(fù)序過(guò)流保護(hù)能夠正確反應(yīng)機(jī)組非全相運(yùn)行狀態(tài)。

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