一種勵磁變與離相封閉母線反相解決方案

熊良根，鄭 嶸，陳曉明（.華東電力設(shè)計院有限公司，上海0006；.博耳能源江蘇有限公司，江蘇無錫4000；.特變電工南京智能電氣有限公司，江蘇南京）

·運(yùn)行分析·

一種勵磁變與離相封閉母線反相解決方案

熊良根1，鄭 嶸2，陳曉明3
（1.華東電力設(shè)計院有限公司，上海200063；2.博耳能源江蘇有限公司，江蘇無錫214000；3.特變電工南京智能電氣有限公司，江蘇南京211112）

勵磁變壓器是勵磁系統(tǒng)中的一個重要元件，為了減少接地故障、避免相間短路以及消除鋼構(gòu)發(fā)熱，發(fā)電機(jī)主回路以及廠用分支回路采用離相封閉母線進(jìn)行連接。然而在某電廠建設(shè)施工中發(fā)生一起離相封閉母線相序與勵磁變壓器高壓側(cè)相序反相事故。文中對此所引起的勵磁變高、低壓側(cè)的電流相位以及對勵磁變差動保護(hù)、勵磁調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)等方面的影響進(jìn)行分析，提出了2種解決方案?？紤]勵磁系統(tǒng)以及保護(hù)定值整定方便，優(yōu)先采用方案2，并進(jìn)行相關(guān)仿真研究。仿真結(jié)果表明該方案完全滿足勵磁變差動保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)以及勵磁調(diào)節(jié)器的要求，從而避免重新采購安裝封閉母線或更換勵磁變。

勵磁變壓器；反相序；離相封母

0 引言

勵磁變壓器通過整流器向同步發(fā)電機(jī)供給直流電源，一般選用YD－11接線，一方面勵磁變的一次側(cè)接成星型連接時，一次繞組的相電壓僅為線電壓的降低了繞組的耐壓水平，二次繞組三角形連接，可以為三次諧波提供回路，用以抵消三次諧波磁通，改善電壓波形［1－3］。對于大多數(shù)靜止勵磁系統(tǒng)，則出于勵磁變壓器與發(fā)電機(jī)封閉母線連接上的方便以及防止相間短路的考慮［4－6］。

然而，某電廠在對發(fā)電機(jī)廠用分支回路離相封閉母線與勵磁變高壓側(cè)的接口進(jìn)行安裝時發(fā)現(xiàn)，勵磁變高壓側(cè)廠家所標(biāo)的A相、C相與發(fā)電機(jī)廠用分支離相封閉相序搞反。該電廠采用的勵磁變壓器為3個樹脂澆注干式變壓器通過銅排連接成YD－11接線，由于發(fā)電機(jī)機(jī)端封閉母線已經(jīng)全部安裝到位，如果為了將封閉母線的相位糾正而與勵磁變高壓側(cè)同相位，那么需要重新更換部分離箱封閉母線，并且增設(shè)材料以及施工費(fèi)用，則必將影響工程的建設(shè)進(jìn)度。

本文將對這一相序反相情況給勵磁變壓器差動保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)以及勵磁調(diào)節(jié)器等影響進(jìn)行仿真分析，從改變勵磁變的繞組接線上提出2種解決方案，并針對第二種方案在PSCAD／EMTDC上進(jìn)行了仿真，仿真分析表明，其對勵磁變差動、轉(zhuǎn)子接地、以及勵磁調(diào)節(jié)器勵磁電壓等方面均沒有影響，完全滿足工程實(shí)際需要，并推薦方案2供現(xiàn)場選擇參考。

1 現(xiàn)場問題描述

根據(jù)規(guī)程《高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL 5352—2006）中5.1.2條［7］，配電裝置各回路相序排列宜一致，一般按面對出線，從左到右，從遠(yuǎn)到近、從上到下的順序，相序?yàn)锳，B，C，安裝布置如圖1所示。

圖1 安裝布置圖Fig.1 The installation drawing

從圖1可知當(dāng)面對勵磁變時，其設(shè)計的布置圖滿足從左到右A，B，C原則。但是，實(shí)際到貨勵磁變壓器高壓側(cè)在面對變壓器時從右到左為A，B，C，這樣導(dǎo)致離相封母與勵磁變高壓側(cè)A，C相序反相，而實(shí)際施工過程中一般先敷設(shè)安裝好封閉母線，最后再與勵磁變高壓側(cè)端子進(jìn)行連接，現(xiàn)場工程建設(shè)緊張，從新拆除再安裝封閉母線方案基本不可行。因此首先對現(xiàn)場該相序反相引起的其他相關(guān)影響，如勵磁變差動、轉(zhuǎn)子接地、勵磁電壓等進(jìn)行分析。再在分析的基礎(chǔ)上提出其他解決方案。

2 勵磁變高壓側(cè)相序反相影響分析

2.1正常情況YD－11勵磁變相位分析

正常情況下YD－11變壓器相位如圖2所示。

圖2 正常下Y－D11變壓器相位Fig.2 The phase of Y－D11 transformer in normal

從圖2可以看出，當(dāng)勵磁變壓器采用YD－11接線時，正常情況下，二次相電流在相位上滯后一次相30°，其中高、低壓都是正相序［8－10］。

2.2 A，C反相時勵磁變相位分析

由于系統(tǒng)電源是A，B，C正序，勵磁變高壓側(cè)繞組A，C反相，因此C相繞組流系統(tǒng)A相電流，A相繞組流入系統(tǒng)C相電流，高壓側(cè)A，C相繞組與低壓側(cè)A，C相之間分別耦合。如圖3所示。

圖3中，高、低壓側(cè)C相繞組綠色標(biāo)注部分，以及高、低側(cè)A相繞組紅色標(biāo)注部分。這樣導(dǎo)致低壓側(cè)繞組c實(shí)際流過電流相位與系統(tǒng)A相一致，而低壓繞組a則實(shí)際流過的電流相位與系統(tǒng)C相相同。高壓側(cè)B相繞組實(shí)際流入B相為系統(tǒng)電流，故此低壓側(cè)b相繞組相位與系統(tǒng)B相一樣，低壓側(cè)a，b，c繞組所流過的三相電流相位在圖3（b）中可以看出滿足負(fù)序關(guān)系，由于低壓側(cè)為△型接線，即流出勵磁變的電流滿足下列關(guān)系：

式（1）中：k為比例系數(shù)。

圖3 A，C反相時變壓器相位分析Fig.3 Transformer phase analysis for A and C in opposite

2.3 A，C反相時造成影響分析

在PSCAD／EMTDC上建立勵磁變壓器仿真模型，如圖4所示。圖4中勵磁變參數(shù)如下：勵磁變額定容量為6.6 MV·A，勵磁變一次變比20 kV／1.02 kV，接線方式為YD－11，高壓側(cè)TA變比300／1，低壓側(cè)TA變比5000／1，勵磁變低壓側(cè)經(jīng)三相可控硅整流橋整流后向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電源，勵磁繞組采用三峽左岸電廠ALSTOM機(jī)組4段π型等效電路［9］。本文通過仿真分析其對差動保護(hù)、勵磁電壓、轉(zhuǎn)子接地等影響。

圖4 仿真模型Fig.4 The simulation model

（1）對勵磁變壓器差動保護(hù)造成影響。勵磁變壓器的電氣特征與一般變壓器有較大差別，其所接負(fù)載為三相整流橋，導(dǎo)致變壓器兩側(cè)電流含有豐富的諧波電流。盡管在規(guī)程《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》（GB／T 14285—2006）4.2.23中描述“自并勵發(fā)電機(jī)的勵磁變壓器宜采用電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)［11－14］；過電流保護(hù)作為后備保護(hù)”，與勵磁變電流速斷保護(hù)相比，勵磁變差動保護(hù)在內(nèi)部故障檢測的靈敏度以及保護(hù)動作的快速性方面有明顯優(yōu)勢，文獻(xiàn)［14］建議現(xiàn)場有條件宜裝設(shè)勵磁變差動保護(hù)，從文獻(xiàn)［1］分析中可知，在勵磁變低壓側(cè)發(fā)生故障時，機(jī)組差動保護(hù)不能保證可靠動作，因此也需要裝設(shè)勵磁變專用保護(hù)。然而在當(dāng)前的微機(jī)型變壓器差動保護(hù)中，大都采用相位校正和幅值校正，同時還扣除進(jìn)入差動回路的零序電流分量來實(shí)現(xiàn)［8－10］。無論是以d側(cè)電流為相位基準(zhǔn)，使得Y側(cè)電流進(jìn)行移相還是以Y側(cè)電流相位為基準(zhǔn)，用d側(cè)電流進(jìn)行移相。由于高壓側(cè)A，C反相，盡管高壓側(cè)電流是正序，但是導(dǎo)致低壓側(cè)進(jìn)入TA電流為負(fù)序，因此正常情況下也將會使得有較大差流存在，差動保護(hù)此時將失效。

當(dāng)高壓側(cè)A，C兩相接反后，勵磁變兩側(cè)電流及按照YD－11整定計算的勵磁變差流如圖5所示。圖5中，Iah2，Ibh2，Ich2為勵磁變高壓側(cè)二次電流采樣值；Iad2，Ibd2，Icd2為勵磁變低壓側(cè)二次電流采樣值，Iacd，Ibcd，Iccd為Y側(cè)向d側(cè)做轉(zhuǎn)角后計算的勵磁變差流。在A，C兩相接反情況下，出現(xiàn)較大差流，將導(dǎo)致勵磁變差動保護(hù)誤動的可能。

圖5 A，C接反時勵磁變兩側(cè)電流及差流Fig.5 The two?side current and differential current of A and C reversed

（2）對勵磁調(diào)節(jié)器造成影響。正常情況下勵磁電壓如圖6所示，其中Ea為勵磁電壓瞬時值，Ea1為有效值。

而當(dāng)A，C兩相接反后，勵磁電壓波形見圖7。此時參考電壓為負(fù)序，同步脈沖與實(shí)際要求的正序不一致，導(dǎo)致最終輸出波形混亂，國內(nèi)一些勵磁調(diào)節(jié)器將會閉鎖輸出脈沖［15］。

（3）對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地影響。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的計算的前提是基于勵磁電壓在一個切換周期內(nèi)基本不變［3，16，17］，而根據(jù)前文中勵磁電壓波形的分析，A，C兩相接反后，勵磁電壓變化較大，在轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地后，其接地電阻及接地位置與實(shí)際將會出現(xiàn)偏差。圖8與圖9分別為乒乓式轉(zhuǎn)子接地在正常接線情況下，A，C兩相接反情況下，在轉(zhuǎn)子繞組40%位置，經(jīng)10 kΩ接地時所測的數(shù)據(jù)。圖中Rg1為一點(diǎn)接地電阻測量值，“A”為一點(diǎn)接地位置測量值。

圖6 正常情況下勵磁電壓波形Fig.6 The excitation voltage waveform in normal

圖7 A，C兩相接反情況下勵磁電壓波形Fig.7 The excitation voltage waveform of A and C reversed

圖8 正常接線情況下乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地Fig.8 The ping?pong rotor one point earth in normal

圖9 A，C接反情況下轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地Fig.9 The rotor one point earth of A and C reversed

從圖8和圖9可見，乒乓式原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)對于接地電阻和接地位置的判斷將完全失真，乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)失效。

對于雙端注入式原理，2種情況下的仿真波形見圖10和圖11。

圖10 正常接線情況下注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地Fig.10 The injection type rotor one point earth in normal

圖12 方案1Fig.12 The first scheme

圖11 A，C接反情況下注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地Fig.11 The injection type rotor one point earth of A and C reversed

從圖10、圖11可以看出雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，在勵磁變高壓側(cè)A，C兩相接反后，所測的接地電阻及接地位置與實(shí)際值較為接近，影響不太大，同時對于0～50 kΩ均做了測試，結(jié)果與上述分析相同，由于篇幅有限，不再附圖。

3 解決方案

綜上分析結(jié)果，相序反相對勵磁調(diào)節(jié)器和發(fā)電機(jī)乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)存在影響，由于勵磁變壓器為3個獨(dú)立的分相變壓器，提出2種設(shè)想方法。

（1）將低壓側(cè)A，C兩相引出線互換至C，A，使得進(jìn)入三相可控硅整流橋相序與勵磁變高壓側(cè)一致，此時勵磁變接線為YD－1，如圖12所示。

（2）將低壓側(cè)A，C兩相引出線互換至C，A的同時，調(diào)整低壓側(cè)繞組接線方式，此時勵磁變接線方式仍然保持YD－11，如圖13所示。

通常勵磁變壓器采用Yd接線，在Yd接線中一般絕大部分采用Yd11方式，此時二次電壓在相位上滯后一次相電壓30°，這是通常勵磁調(diào)節(jié)器選擇晶閘管觸發(fā)回路的同步變壓器接線所考慮的一個因素，此外保護(hù)定值整定計算中一般在保護(hù)裝置選擇為Yd11方式，裝置軟件移相也采用Yd11。因此在不影響保護(hù)定值以及勵磁調(diào)節(jié)器同步變壓器接線的前提下，優(yōu)選用方案2為修改方案。

圖13 方案2Fig.13 The second scheme

首先對方案2進(jìn)行仿真驗(yàn)證，修改接線后仿真如圖14、圖15所示。其中圖14為勵磁變兩側(cè)電流二次值及差流波形，圖15為三相整流橋輸出的勵磁電壓波形。圖16為乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)波形。

從圖14—16中可知，改接后的接線完全滿足勵磁變差動保護(hù)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)以及勵磁調(diào)節(jié)器的要求。

圖14 方案2的勵磁變兩側(cè)電流及差流Fig.14 The two?side current and differential current of the second scheme

圖15 方案2的勵磁電壓波形Fig.15 The excitation voltage waveform of the second scheme

圖16 方案2的乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地波形Fig.16 The ping?pong rotor one point earth of the second scheme

4 結(jié)語

勵磁變壓器是勵磁系統(tǒng)中最重要的元件。本文分析了一起發(fā)電機(jī)分支離相封閉母線與勵磁變壓器高壓側(cè)相位反相情況。從其對勵磁變差動保護(hù)、勵磁調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)等造成的影響進(jìn)行分析，在不采用拆除、重新安裝離箱封閉母線情況下并提出了2種解決方案，基于考慮勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)同步變壓器接線以及勵磁變保護(hù)整定方便2個因素的基礎(chǔ)上，優(yōu)先采用方案2，仿真結(jié)果和理論證實(shí)方案2的可行性，最后現(xiàn)場通過并對勵磁變回路充流、TA極性校驗(yàn)等試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，完全滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

［1］徐紹麟.工程實(shí)用勵磁變壓器保護(hù)方案探討［J］.繼電器，2003，31（1）：34－39.

XU Shaolin.Discussion on a practicable relay protection scheme for the excitation transformer［J］.Relay，2003，31（1）：34－39.

［2］水利電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊（電氣一次部分）［M］.北京：中國電力出版社，1989：357－370.

Northwest Electric Power Design Institute of Water Resources Ministry.Electrical engineering electrical design manual（elec?trical primary part）［M］.Beijing：China Electric Power Press，1989：357－370.

［3］徐福安.勵磁變壓器選用原則的探討［J］.大電機(jī)技術(shù)，2009（2）：50－51.

XU Fuan.Discussing of the way for choosing the excitation transformer［J］.Large Motor Technology，2009（2）：50－51.

［4］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2009：274－298.

LI Jicheng.Modern synchronous generator excitation system de?sign and application［M］.Beijing：China Electric Power Press，2009：274－298.

［5］DL／T 843—2010大型汽輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件［S］. DL／T 843—2010 Specification for excitation system for large turbine generators［S］.

［6］DL／T 5222—2005導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］. DL／T 5222—2005 Design technical rule for selecting conductor and electrical equipment［S］.

［7］DL／T 5352—2006高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］. DL／T 5352—2006 Technical code for designing high voltage electrical switchgear［S］.

［8］國家電力調(diào)度通信中心.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材（下冊）［M］.北京：中國電力出版社，2009：389－433.

National Electric Power Dispatching and Communication Center. Powergridcompaniesrelayprotectiontrainingmaterials（volumeⅡ）［M］.Beijing：China Electric Power Press，2009：389－433.

［9］湯大海，徐金玲，邱 娟，等.YND5接線220 kV變壓器縱聯(lián)差動保護(hù)相位補(bǔ)償［J］.江蘇電機(jī)工程，2015，34（4）：40－43.

TANGDahai，XUJinling，QIUJuan，etal.Phase compensation in differential protection of 220 kV transformer with YNd5 wiring［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2015，34（4）：40－43.

［10］陳從武，朱月凱，湯大海.一種YNd系列變壓器差動保護(hù)電流相位補(bǔ)償方案［J］.江蘇電機(jī)工程，2015，34（4）：34－37.

CHEN Congwu，ZHU Yuekai，TANG Dahai.A differential protection current phase compensation scheme for YNd series transformer［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2015，34（4）：34－37.

［11］GB／T 14285—2006繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程［S］. GB／T 14285—2006 Technical code for relaying protection andsecurity automatic equipment［S］.

［12］DL／T 684—2012大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則［S］. DL／T 684—2012Guideofcalculatingsettingofrelay protection for large generator and transformer［S］.

［13］高春如.大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計算與運(yùn)行技術(shù)［M］. 2版.北京：中國電力出版社，2010：244－245.

GAO Chunru.The relay protection setting calculation and oper?ation technology for large generator transformer set［M］.2nd ed.Beijing：China Electric Power Press，2010：244－245.

［14］陳 俊，張琦雪，吳 龍，等.一起勵磁變壓器差動保護(hù)誤動原因分析及啟示［J］.江蘇電機(jī)工程，2010，29（2）：18－20.

CHEN Jun，ZHANG Qixue，Wu Long，et al.Analysis on mal?operation of excitation transformer differential protection［J］. Jiangsu Electrical Engineering，2010，29（2）：18－20.

［15］牟 偉，樓季獻(xiàn)，張建彪，等.國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)在進(jìn)口燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的應(yīng)用J］.江蘇電機(jī)工程，2015，34（4）：59－62.

MU Wei，LOU Jixian，ZHANG Jianbiao，et al.Application of domestic excitation system in imported gas generator［J］.Jian?gsu Electrical Engineering，2015，34（4）59－62.

［16］陳曉明，熊良根，周榮斌，等.電阻分壓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)改進(jìn)算法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（22）：90－95.

CHEN Xiaoming，XIONG Lianggen，ZHOU Rongbin，et al. Improved algorithm for rotor earth fault protection in resistor divider mode［J］.Automation of Electric Power Systems，2013，37（22）：90－95.

［17］陳 俊，王 光，嚴(yán) 偉，等.關(guān)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)幾個問題的探討［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（1）：90－92.

CHEN Jun，WANG Guang，YAN Wei，et al.Study on issues of generator rotor earth fault protection［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32（1）：90－92.

A Solution for Resversed Phase?sequence of Excitation Transformen and Enclosure Type Isolated?phase Bus

XIONG Lianggen1，ZHENG Rong2，CHEN Xiaoming3
（1.East China Electric Power Design Institute Co.Ltd.，Shanghai 200063，china；2.Boer Energy Jiangsu Co.Ltd.，Wuxi 214000，china；3.TBEA Nanjing Intelligent Co.Ltd.，Nanjing 211112，china）

Excitation transformer as an important component is connerted to the enclosure type isolated?phase bus in the main circuit and branch circuit of generator，in order to reduce the ground fault，phases fault and eliminate steel structure fever. However，the reversed phase?sequence of an excitation transformer and the isolated?phase bus was found in the construction of a power plant，this paper analyses the influences of excitation change current phase，excitation transformer differential protection，excitation regulator，generator rotor earth protection caused by this situation，and proposes two solutions.Considering the convenient of excitation system and relay setting calculation，the second scheme become the first choice.The simulation results meet the requirements of the excitation transformer differential protection，rotor earth protection and the excitation regulator，avoiding re?purchase and install the isolated?phase bus or replace the excitation transformer.

excitation transformer；reversed phase?sequence；endosure type isolated?phase bus

TM77

：B

：2096－3203（2017）02－0121－06

熊良根

熊良根（1984—），男，江西高安人，工程師，從事發(fā)電廠、變電站、新能源電氣設(shè)計和研究工作；

鄭 嶸（1985—），男，江蘇無錫人，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、光伏新能源技術(shù)管理；

陳曉明（1981—），男，江蘇南通人，高級工程師，從事電氣主設(shè)備繼電保護(hù)及研究工作。

（編輯 徐林菊）

2016－10－30；

2016－12－08