煤礦35 kV變電站差動(dòng)保護(hù)及其預(yù)防誤動(dòng)研究

郝嘉偉

(西山煤電 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

變壓器是煤礦35 kV變電站最主要的設(shè)備，其作用是將35 kV電壓降為6 kV和10 kV供給煤礦生產(chǎn)生活使用，起到了能量分配的作用。變壓器的主保護(hù)是差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)容易誤動(dòng)，尤其是在勵(lì)磁涌流作用下，差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)會(huì)造成大范圍生產(chǎn)生活停電，嚴(yán)重威脅著煤礦生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率。各個(gè)廠家差動(dòng)保護(hù)裝置功能和原理略有不同，因此要想有效降低差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作次數(shù)，必須對(duì)差動(dòng)保護(hù)原理和裝置非常熟悉，并制定相應(yīng)的預(yù)防措施。因此本文對(duì)煤礦35 kV變電站差動(dòng)保護(hù)原理、作用及其防誤動(dòng)措施進(jìn)行研究，對(duì)提高煤礦供電系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

1 差動(dòng)保護(hù)原理

差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍包括繞組及其引出線，主要是針對(duì)變壓器內(nèi)部主板、裝置等故障進(jìn)行的保護(hù)。變壓器差動(dòng)保護(hù)基于基爾霍夫電流定律“流入某一節(jié)點(diǎn)的電流相量之和為零”，視變壓器為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即變壓器正常工作時(shí)，流入變壓器的電流與流出變壓器的電流相等，此時(shí)差動(dòng)電流為零;若變壓器內(nèi)部出現(xiàn)相間短路或匝間短路等故障，差動(dòng)電流不為零，當(dāng)差動(dòng)電流大于某一整定值時(shí)，觸發(fā)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，隨后被保護(hù)變壓器跳閘。

三相變壓器通常采用Y/Δ-11接線方式，即流入變壓器的電流和流出變壓器的電流存在30°相位差，差動(dòng)電流不便計(jì)算，因此電流互感器在采集變壓器電流時(shí)采用不同的接線方式，高壓側(cè)采用三角形接線方式，低壓側(cè)采用星形接線方式，以此抵消輸入輸出電流的相位差。差動(dòng)保護(hù)電流互感器接線方式如圖1所示，IA1、IB1、IC1分別為變壓器高壓側(cè)電流，IA2、IB2、IC2分別為變壓器低壓側(cè)電流，三組保護(hù)裝置分別檢測(cè)A相差流、B相差流和C相差流。采用相位補(bǔ)償方式接線后，變壓器高壓側(cè)電流幅值較實(shí)際增大了1.732倍，所以在選擇電流互感器時(shí)應(yīng)當(dāng)將接線方式考慮在內(nèi)，以免選擇的電流互感器容量不足，造成電流互感器燒毀。

圖1 Y/Δ-11接線變壓器差動(dòng)保護(hù)電流互感器接線示意圖

2 差動(dòng)保護(hù)裝置功能

THT-203型變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置的功能有：三相式比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)功能、差動(dòng)速斷保護(hù)、電流相位補(bǔ)償功能和調(diào)整平衡電流功能。

(1) 比率制動(dòng)原理。在變壓器三相不平衡時(shí)，可能引起差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)，因此采用比率制動(dòng)來(lái)減小不平衡電流的影響。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選擇制動(dòng)量的大小，如果制動(dòng)量過(guò)大，雖然外部不平衡電流能準(zhǔn)確觸發(fā)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，但是當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)的動(dòng)作靈敏性受到制約。因此差動(dòng)量和制動(dòng)量的選取會(huì)不同程度地影響差動(dòng)保護(hù)的靈敏性和速動(dòng)性，具體的選擇應(yīng)視實(shí)際工程需求而定。THT-203型差動(dòng)保護(hù)裝置的比率制動(dòng)選擇兩段折線式。

(2) 差動(dòng)速斷保護(hù)。它是三相比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)的后備保護(hù)，在差動(dòng)電流大于差動(dòng)速斷電流時(shí)不經(jīng)其他制動(dòng)判斷，直接輸出跳閘結(jié)果。

(3) 電流相位補(bǔ)償功能。如上一節(jié)所述，由于變壓器接線方式導(dǎo)致高壓側(cè)電流和低壓側(cè)電流具有相位差，傳統(tǒng)的解決方案是在接電流互感器時(shí)考慮改變接線方式，缺點(diǎn)是會(huì)提高電流互感器的容量。軟件電流相位補(bǔ)償功能可以支持由星形接線轉(zhuǎn)換為三角形接線或由三角形接線轉(zhuǎn)換為星形接線方式，兩種調(diào)整方式基準(zhǔn)不同。THT-203型差動(dòng)保護(hù)裝置在軟件內(nèi)集成了星形接線向三角形接線轉(zhuǎn)換調(diào)整功能，這種方式簡(jiǎn)單易行，是目前主流廠商所接受的方式。

(4) 平衡電流調(diào)整功能。變壓器的變比和電流互感器的變比是確定的，因此差動(dòng)元件的輸入電流初始并不為零，通過(guò)THT-203型差動(dòng)保護(hù)裝置中平衡系數(shù)KL的設(shè)置，能夠在調(diào)試時(shí)滿足差動(dòng)電流為零。

3 差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作原因分析

3.1 電流不平衡

正常工作的35 kV變壓器流入電流和流出電流是平衡的，當(dāng)流入電流和流出電流不平衡時(shí)，會(huì)引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。常見(jiàn)的電流不平衡因素有三種，分別是勵(lì)磁涌流、傳變誤差和檔位變化。故障出現(xiàn)在變壓器外部時(shí)，變壓器的高、低壓側(cè)電流互感器會(huì)由于勵(lì)磁電流產(chǎn)生誤差，當(dāng)電流互感器的型號(hào)或參數(shù)不同時(shí)更為明顯。傳變誤差指的是由勵(lì)磁回路參數(shù)計(jì)算引起的誤差。檔位變化指的是對(duì)變壓器進(jìn)行有載調(diào)壓時(shí)，電流互感器始終不變，因此差動(dòng)電流不為零。

3.2 接線錯(cuò)誤

電流不平衡是電路特征引起的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，除此以外，保護(hù)接線有誤也會(huì)引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。接線錯(cuò)誤最常出現(xiàn)的兩種情況是，接錯(cuò)主變極性和接錯(cuò)電流互感器極性。三相電路中任意某相極性接反將會(huì)導(dǎo)致其他兩相出現(xiàn)電流差，觸發(fā)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

4 差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)預(yù)防措施

(1) 嚴(yán)格制定差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)方案。變壓器的突然投入和切除將會(huì)在高壓側(cè)產(chǎn)生沖擊電流，沖擊電流將會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍擴(kuò)大，使得差動(dòng)保護(hù)在此情況下啟動(dòng)，導(dǎo)致變壓器主開(kāi)關(guān)跳閘，誤切除正常運(yùn)行的變壓器。為了防止變壓器投切引起的差動(dòng)誤動(dòng)作，一般都會(huì)制定相應(yīng)的制動(dòng)方案。二次諧波制動(dòng)是一種常用的制動(dòng)方案，具體的方案有分相制動(dòng)、諧波比最大相制動(dòng)、三取二制動(dòng)和平均二次諧波制動(dòng)。不同方案的二次諧波制動(dòng)特點(diǎn)不同，適用場(chǎng)合也不同，所有的二次諧波制動(dòng)方案均可能出現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格分析，進(jìn)行空載沖擊試驗(yàn)時(shí)應(yīng)反復(fù)檢驗(yàn)方案和定值的合理性。分相二次諧波制動(dòng)原理如圖2所示，某相二次諧波制動(dòng)與該相差流為邏輯“與”的關(guān)系，只要A、B、C任意一相二次諧波制動(dòng)為“真”，則不會(huì)觸發(fā)差動(dòng)保護(hù)出口。

圖2 分相二次諧波制動(dòng)邏輯出口方案

(2) 加強(qiáng)變壓器驗(yàn)收管理。差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作管理措施應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持以預(yù)防為主，治理為輔。變壓器安裝驗(yàn)收時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查和實(shí)驗(yàn)報(bào)告確保電流互感器極性和繞組，電流互感器二次回路絕緣和接地情況良好，無(wú)多回路接地。一次升流試驗(yàn)時(shí)，檢查電流互感器變比和接線，對(duì)保護(hù)裝置功能進(jìn)行逐一試驗(yàn)，檢查各動(dòng)作邏輯是否正確。

(3) 加強(qiáng)差動(dòng)保護(hù)定值管理。差動(dòng)保護(hù)定值的準(zhǔn)確性決定了動(dòng)作的正確性，如果差動(dòng)保護(hù)裝置投運(yùn)后長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行定值檢查，則系統(tǒng)容易在定值變化下產(chǎn)生誤動(dòng)作。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，煤礦變電站保護(hù)裝置定值檢查不少于每年一次，發(fā)現(xiàn)定值與實(shí)際不符時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整。

(4) 嚴(yán)格且規(guī)范執(zhí)行變壓器負(fù)荷測(cè)試。變壓器投入瞬間的高壓側(cè)勵(lì)磁涌流高達(dá)6倍～8倍額定電流，觸發(fā)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。差動(dòng)保護(hù)投入前，需要對(duì)電流的穩(wěn)定性和差值進(jìn)行測(cè)試，負(fù)荷測(cè)試的檢查項(xiàng)目有：測(cè)量差動(dòng)電流、測(cè)量變壓器流動(dòng)電流、繪制差動(dòng)保護(hù)向量圖以及數(shù)據(jù)分析等。變壓器的相序應(yīng)為相差120°正序，檢查電流幅值和電流互感器產(chǎn)生的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)差動(dòng)保護(hù)裝置的電流平衡系數(shù)，使差動(dòng)電流降低。負(fù)荷測(cè)試的結(jié)果應(yīng)是穩(wěn)定持續(xù)的，以此來(lái)確定接線的正確性。完成負(fù)荷測(cè)試后才能投入差動(dòng)保護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

變壓器是煤礦35 kV變電站最重要的設(shè)備，承擔(dān)著電力變換和分配的重要職責(zé)，為了確保變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行，其主保護(hù)即差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作必須正確。本文研究了變壓器差動(dòng)保護(hù)原理及THT-203型差動(dòng)保護(hù)裝置功能，總結(jié)了差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原因，提出了差動(dòng)保護(hù)預(yù)防管理的措施，對(duì)煤礦35 kV變電站安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。