曲文韜,吳春軍,劉 昊,趙桂鑫
(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司,山東 濟(jì)南 250118)
在空載變壓器合閘的瞬間,會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)電流,在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)返回至正常范圍。這個(gè)電流不是短路電流,但會(huì)使變壓器在啟動(dòng)的瞬間被保護(hù)斷開(kāi),從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)變壓器充電,這個(gè)電流就是勵(lì)磁涌流[1-2]。在換流站交流系統(tǒng)調(diào)試和直流系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中,會(huì)多次對(duì)換流變壓器充電,而由于合閘角的偶然性,每次換流變壓器充電勵(lì)磁涌流的大小都是不同的[3-4]?,F(xiàn)階段,開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)在調(diào)試過(guò)程中處于投入狀態(tài),而且開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作定值較小,調(diào)試過(guò)程中經(jīng)常達(dá)到開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作定值,從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)換流變壓器兩側(cè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)。在±660 kV拉合爾換流站交流系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中,對(duì)極Ⅰ換流變壓器進(jìn)行5次空載充電試驗(yàn),出現(xiàn)了1次因開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作而導(dǎo)致的跳閘情況,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看及二次系統(tǒng)檢查分析,極Ⅰ換流變壓器無(wú)一次設(shè)備接地及相間短路等故障,是因?yàn)閯?lì)磁涌流過(guò)大導(dǎo)致的跳閘?!?60 kV 默蒂亞里站在對(duì)換流變壓器空載充電試驗(yàn)時(shí),同樣出現(xiàn)了因換流變壓器勵(lì)磁涌流過(guò)大而導(dǎo)致跳開(kāi)換流變壓器兩側(cè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)的情況。在直流站系統(tǒng)調(diào)試和直流端對(duì)端調(diào)試過(guò)程中,不帶線路空載加壓試驗(yàn)(Open Line Test,OLT)、帶線路OLT、手動(dòng)閉鎖試驗(yàn)、X、Y、Z閉鎖(直流閉鎖的3種類型)等大量的試驗(yàn)項(xiàng)目[5-7],都存在換流變壓器斷電和再充電的情況。若換流變壓器頻繁因勵(lì)磁涌流動(dòng)作而跳開(kāi)開(kāi)關(guān),會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)中斷,嚴(yán)重影響調(diào)試的進(jìn)度,并對(duì)其他調(diào)試項(xiàng)目的調(diào)試目標(biāo)形成干擾。
通過(guò)分析勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生原因及現(xiàn)場(chǎng)因勵(lì)磁涌流而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作的情況[8-10],研究諧波比較法和波形識(shí)別法歸納出判斷勵(lì)磁涌流的方法,幫助試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過(guò)程中快速識(shí)別勵(lì)磁涌流,排除勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器充電時(shí)保護(hù)動(dòng)作判斷的干擾。針對(duì)變壓器充電過(guò)程中的開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)頻繁動(dòng)作的情況,提出一種降低變壓器勵(lì)磁涌流對(duì)調(diào)試影響的新思路,幫助試驗(yàn)人員有效、科學(xué)地開(kāi)展系統(tǒng)調(diào)試。
變壓器充電試驗(yàn)流程如圖1 所示。500 kV 1 號(hào)站用變壓器充電時(shí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開(kāi)關(guān)電流波形,如圖2所示。
圖1 變壓器充電試驗(yàn)流程
圖2 500 kV 1號(hào)站用變充電時(shí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開(kāi)關(guān)電流波形
站用變壓器B 相進(jìn)線開(kāi)關(guān)電流波形符合勵(lì)磁涌流的典型特征,一次真實(shí)有效值最大為360 A,其一次電流達(dá)到了開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作的設(shè)定值320 A,持續(xù)時(shí)間達(dá)到50 ms,開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作(站內(nèi)開(kāi)關(guān)保護(hù)為施耐德生產(chǎn)的保護(hù)裝置,過(guò)流保護(hù)為后期通過(guò)修改程序配置添加,保護(hù)中和失靈保護(hù)共用出口和信號(hào),故錄中采樣開(kāi)關(guān)量為失靈動(dòng)作),跳開(kāi)交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)。
考慮到變壓器充電過(guò)程中,一次設(shè)備發(fā)生接地或短路的時(shí)候,接地電流或短路電流會(huì)很大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)320 A。在后續(xù)直流站系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中調(diào)高開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)的定值至動(dòng)作值520 A,動(dòng)作時(shí)間為50 ms。
極Ⅰ換流變壓器充電時(shí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開(kāi)關(guān)電流波形,如圖2所示。前3個(gè)量為換流變壓器三相電壓,之后為換流變壓器進(jìn)線開(kāi)關(guān)三相電流。由圖2 可以看出,換流變壓器進(jìn)線開(kāi)關(guān)電流A 相波形畸變、間斷、上下半軸不對(duì)稱,且為在正半軸的“饅頭波”,認(rèn)為其為勵(lì)磁涌流。其一次真實(shí)有效值最高達(dá)到1 460 A,達(dá)到了開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作的設(shè)定值520 A,持續(xù)時(shí)間達(dá)到50 ms,開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作,跳開(kāi)交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)。
變壓器可以看作一個(gè)強(qiáng)感性負(fù)載,即看作一個(gè)非線性電感,當(dāng)合閘時(shí),變壓器上的電壓在變壓器內(nèi)部也產(chǎn)生一個(gè)磁通[11-13]。當(dāng)變壓器有剩磁時(shí),合閘后所產(chǎn)生的磁通如果和剩磁極性相同,則變壓器內(nèi)部的總磁通就會(huì)隨著電壓的升高而增加,從而勵(lì)磁涌流也會(huì)隨之增加;如果合閘后所產(chǎn)生的磁通和剩磁極性相反,則變壓器內(nèi)部的總磁通就會(huì)隨著電壓的升高而減小,從而削弱了勵(lì)磁涌流。在充電試驗(yàn)前,為了降低充電時(shí)勵(lì)磁涌流的影響,通常會(huì)給變壓器消磁。
常規(guī)試驗(yàn)時(shí),為了確保新投運(yùn)的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)對(duì)與之相連的系統(tǒng)產(chǎn)生影響,會(huì)利用已投運(yùn)設(shè)備的已通過(guò)校驗(yàn)的開(kāi)關(guān)保護(hù)作為其后備保護(hù),具體方式為通過(guò)降低其定值和延時(shí)的方式,增加保護(hù)動(dòng)作的靈敏性,更好地保護(hù)與之相連的交流系統(tǒng)設(shè)備。因此,在500 kV 站用變壓器空載充電及直流站系統(tǒng)OLT 試驗(yàn)期間,使用交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)的過(guò)流保護(hù)作為變壓器充電時(shí)的后備保護(hù)。根據(jù)常規(guī)調(diào)試方案,變壓器需要空載充電5 次,而每次由于合閘角的偶然性,勵(lì)磁涌流的大小均不同。這就說(shuō)明每一次合閘都具有不確定性,都可能因勵(lì)磁涌流過(guò)大而保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)。
換流變壓器空投時(shí),三相勵(lì)磁涌流中往往有一相含有大量的2 次諧波??刹捎貌顒?dòng)電流中的2 次諧波含量來(lái)識(shí)別勵(lì)磁涌流[14-16]。判別方程如式(1)—式(2)所示。
式中:Iop.1為差動(dòng)電流中的基波;Iop.2為差動(dòng)電流中的2次諧波;Iop.3為差動(dòng)電流中的3次諧波;K1、K2分別為第2次、第3次諧波制動(dòng)系數(shù),可以取不同值,也可以取相同值,工程應(yīng)用一般取相同值,固定為0.15~0.20。
在保護(hù)裝置的外置故障錄波裝置中,會(huì)接入相應(yīng)的模擬量。對(duì)于模擬量也會(huì)有相應(yīng)基波含量以及多次諧波含量顯示。通過(guò)比較基波含量以及2 次諧波和3次諧波含量可有效判別勵(lì)磁涌流[17]。
現(xiàn)行的變壓器保護(hù)內(nèi)部也采用了此方法來(lái)判斷勵(lì)磁涌流。當(dāng)保護(hù)裝置判斷某相電流為勵(lì)磁涌流時(shí),部分裝置采用閉鎖裝置的三相差動(dòng)保護(hù)、部分裝置采用閉鎖該相的差動(dòng)保護(hù)。筆者認(rèn)為,只閉鎖該相差動(dòng)保護(hù),而開(kāi)放其余相的差動(dòng)保護(hù),可以有效保護(hù)其余相的接地和相間等故障,方法更嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)。
2.3.1 波形的不對(duì)稱度比較
根據(jù)變壓器的不同工況自動(dòng)選擇差動(dòng)電流或相電流計(jì)算波形的不對(duì)稱度[6-7],計(jì)算出勵(lì)磁涌流的波形不對(duì)稱度更加真實(shí)。判別方程為:
式中:Ssum+為差動(dòng)電流采樣點(diǎn)的不對(duì)稱度值;Ssum-為對(duì)應(yīng)差動(dòng)電流采樣點(diǎn)的對(duì)稱度值;K為某一固定系數(shù),工程上取0.15~0.2;Ii為基波到N∕2 次諧波,N為選擇的N次諧波。如果某相差動(dòng)電流滿足式(3)—式(5),閉鎖該相差動(dòng)保護(hù)。變壓器空載充電勵(lì)磁涌流典型波形,如圖3所示。
圖3 極Ⅰ換流變壓器充電時(shí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開(kāi)關(guān)電流波形
2.3.2 波形的畸變比較
故障時(shí),差動(dòng)電流基本上是工頻正弦波[18]。而勵(lì)磁涌流時(shí),有大量的諧波分量存在。波形發(fā)生畸變,利用算法識(shí)別出這種畸變,即可識(shí)別出勵(lì)磁涌流。故障時(shí),電流會(huì)滿足式(6)和式(7)的要求。
式中:S為差動(dòng)電流的全周積分值;SQ為差動(dòng)電流瞬時(shí)值與差動(dòng)電流半周前瞬時(shí)值之和的全周積分值;Ka、Kb、Kc為常數(shù);Id為差電流的全周積分值;Ie為變壓器運(yùn)行額定電流。
當(dāng)三相中的某一相不滿足以上方程時(shí),被判別為勵(lì)磁涌流,閉鎖該相比率差動(dòng)元件。
綜合諧波比較法和波形識(shí)別法,可以得出直觀、快速的勵(lì)磁涌流的判別方法,即在觀察故障錄波時(shí),一是可以對(duì)比2 次諧波、3 次諧波與基波分量的比值,比值是否在0.15及以上;二是可以觀察波形的特點(diǎn),判斷波形是否存在衰減、畸變、間斷、不對(duì)稱,波形是否為在正半軸的“饅頭波”。
圖4 變壓器空載充電勵(lì)磁涌流典型波形
基于對(duì)勵(lì)磁涌流的快速識(shí)別和判斷,提出一種降低勵(lì)磁涌流對(duì)調(diào)試影響的新思路,如圖5所示。
圖5 改進(jìn)后的調(diào)試流程
在變壓器首次充電時(shí),根據(jù)故障電流及勵(lì)磁涌流大小的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)值,可以通過(guò)適當(dāng)提高過(guò)流保護(hù)動(dòng)作定值的方式,減少勵(lì)磁涌流引起的動(dòng)作次數(shù),同時(shí)又能有效保護(hù)變壓器。在變壓器首次充電后,可判斷一次引線及變壓器有無(wú)接地及短路故障。而且在驗(yàn)收過(guò)程中,已經(jīng)對(duì)變壓器進(jìn)行過(guò)通流試驗(yàn),變壓器保護(hù)二次回路得到驗(yàn)證,變壓器保護(hù)可以起到對(duì)設(shè)備保護(hù)的作用,改進(jìn)后的調(diào)試流程如圖5 所示。變壓器保護(hù)有諧波制動(dòng)等,可以有效降低勵(lì)磁涌流引起的保護(hù)跳閘。因此,在變壓器首次充電之后的充電過(guò)程中,可以退出開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)。在直流系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中,站內(nèi)空載加壓試驗(yàn)、模擬各種故障閉鎖試驗(yàn)等均會(huì)反復(fù)的對(duì)換流變壓器充電,開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)的退出能使試驗(yàn)更能順利進(jìn)行。
針對(duì)站內(nèi)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的跳閘現(xiàn)象,在對(duì)極Ⅱ換流變壓器調(diào)試時(shí)采用新的思路:第1次變壓器充電時(shí)抬高開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)定值至520 A、持續(xù)時(shí)間50 ms,后面幾次變壓器充電退出開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)。極Ⅱ換流變壓器第3 次充電時(shí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開(kāi)關(guān)電流波形,如圖4所示。A相勵(lì)磁涌流真有效值達(dá)到650 A,若按照之前過(guò)流保護(hù)設(shè)定值520 A,持續(xù)時(shí)間50 ms的設(shè)定,此時(shí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)會(huì)動(dòng)作,跳開(kāi)進(jìn)線開(kāi)關(guān)。退出之后,換流變壓器保護(hù)啟動(dòng)未動(dòng)作。由圖中所標(biāo)水平紅線可以看出,A 相勵(lì)磁涌流逐漸衰減。在4 866 ms 后,勵(lì)磁涌流衰減至10%以下,有效避免了一次因勵(lì)磁涌流引起的跳閘,提高了調(diào)試的效率。
圖6 極Ⅱ換流變壓器充電時(shí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開(kāi)關(guān)電流波形
默蒂亞里站交流調(diào)試及直流站系統(tǒng)調(diào)試在拉合爾站之后,默蒂亞里站交流調(diào)試及站系統(tǒng)調(diào)試時(shí)采用了新提出的思路。按照原調(diào)試方案當(dāng)勵(lì)磁涌流大于320 A 時(shí)就會(huì)發(fā)生開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)的情況。交流系統(tǒng)調(diào)試時(shí)500 kV變壓器充電的勵(lì)磁涌流統(tǒng)計(jì)如表1 所示,由表1 可知,在交流系統(tǒng)調(diào)試期間,有效避免了一次500 kV 變壓器因勵(lì)磁涌流過(guò)大而導(dǎo)致的跳閘。直流站系統(tǒng)調(diào)試時(shí)±660 kV 換流變壓器充電時(shí)的勵(lì)磁涌流統(tǒng)計(jì)如表2 所示,可知在直流站系統(tǒng)調(diào)試期間,有效避免了兩次±660 kV 換流變壓器勵(lì)磁涌流過(guò)大導(dǎo)致的跳閘。由此可知,改進(jìn)后的調(diào)試方案在能夠有效保護(hù)電力系統(tǒng)及一次設(shè)備的前提下,提高調(diào)試效率,保障調(diào)試的順利進(jìn)行。
表1 交流系統(tǒng)調(diào)試時(shí)500 kV變壓器充電時(shí)的勵(lì)磁涌流
表2 直流站系統(tǒng)調(diào)試時(shí)±660 kV換流變壓器充電時(shí)的勵(lì)磁涌流
通過(guò)勵(lì)磁涌流研究,確定兩種快速識(shí)別勵(lì)磁涌流的方法。并針對(duì)現(xiàn)行調(diào)試試驗(yàn)時(shí),變壓器勵(lì)磁涌流導(dǎo)致開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)頻繁動(dòng)作,提出了一種新的調(diào)試思路,即第1 次變壓器充電時(shí),適當(dāng)提高過(guò)流保護(hù)的定值;第2~5 次變壓器充電,可退出開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)。直流站系統(tǒng)調(diào)試和端對(duì)端調(diào)試過(guò)程中,退出開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了此方法可行性和有效性。
下一步,將對(duì)變壓器第1 次充電時(shí)設(shè)定的既能保護(hù)設(shè)備又能充分降低勵(lì)磁涌流而使開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作影響的定值展開(kāi)研究。