外部短路含非周期分量的變壓器差流仿真計算

張兵海,張衛(wèi)明,郭少飛,王心蕊,李鐵成

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

變壓器差動保護主要是指差動速斷保護,在區(qū)外短路故障時的誤動案例偶有發(fā)生[1],尤其是接于發(fā)電機機端的負荷變壓器低壓側發(fā)生三相短路時,變壓器差動速斷保護誤動作的發(fā)生概率更高。本文針對這種情況,使用PSCAD 仿真軟件,對不同接線形式、不同結構的變壓器差動保護的差動電流(簡稱“差流”),和外部故障時的最大差流進行仿真計算,分析短路電流中的非周期分量對差動保護的影響,以期在設計、運維時引起重視,防止可能的保護誤動。

1 外部故障時差動保護差流產(chǎn)生的原因

差動保護的差流由組成差動保護的二次電流進行差計算產(chǎn)生,當傳變電流的電流互感器(包括連接于一次設備上的電流互感器和保護裝置內(nèi)部的變流器)存在誤差或傳變不同步時,差流就會出現(xiàn),當被保護設備的外部發(fā)生短路時,差流就會進一步放大,進而可能導致保護誤動。

交流系統(tǒng)短路電流計算公式為

由式(2)的故障電流計算可以看出,電流分為2個部分,前半部分I mcosωt即為故障電流的周期分量,I me-t/τcosθ0為故障電流的非周期分量,在360°的正弦交變周期內(nèi),θ0不可能正好為0°或180°,即使某一相為0°或180°,另兩相肯定不為0°或180,短路電流中非周期分量的存在是大概率事件,因為非周期分量是衰減的,所以短路計算時阻抗元件中的R分量不應該被簡單忽略。

對于非周期分量故障電流的計算,手工計算非周期分量衰減、瞬時值等計算工作量較大,使用軟件計算則相對容易。

本文以變壓器差動保護為例,使用PSCAD 軟件對外部最嚴重短路故障時的變壓器差動保護差流進行仿真計算。

2 PSCAD建模仿真

2.1 變壓器差動保護差流計算的系統(tǒng)模型

負荷變壓器外部故障電流仿真模型見圖1,主設備為并網(wǎng)于220 k V 電壓等級電網(wǎng)的600 MW機組,故障設置位置為三繞組負荷變壓器的低壓側,圖1中另外構建了異步電機啟動模型和2個故障位置,用于仿真雙次故障時TA 剩磁及電機啟動電流對變壓器差動差流的影響。

圖1 外部故障短路電流仿真模型

模型中使用的設備參數(shù)如下:系統(tǒng),Ssys=1 000 MVA,UB=230 k V,X1max=0.07;主變壓器,SMTe=810 MVA,Ue=20/236 k V,Ud=0.138,ynD11;發(fā)電機,PGe=600 MW,cosφe=0.9,Ue=20 k V,X″d=0.21,X′d=0.33,Xd=2.496,Xp=0.15,Ta=0.03,T″d=0.046,T′d=8.728;負荷變壓器,SAT=63/35-35 MVA,Ue=20/6.3-6.3 k V,Ud=0.268(高/低分裂1-2),Dyn1yn1,高壓側TA 變比nCTh=2 500/1 A,低壓側TA 變比nCTl=4 000/1 A;異步電機SM=10 MVA,Ue=6.3 k V。

故障設置為:第1次t0=10.0 s,故障形式為三相短路,4.0 s后第1次故障終止;0.01 s啟動異步電機;再過0.2 s后開始第2次三相短路故障。

2.2 變壓器差動保護的差流計算模型

TA 模型見圖2。圖中IATa、IATb、IATc為負荷變壓器高壓側一次電流,IATa_s、IATb_s、IATc_s為經(jīng)TA 傳變的高壓側二次電流,I6kVa、I6kVb、I6kVc為負

圖2 負荷變壓器兩側電流互感器模型

荷變壓器低壓側一次電流,I6kVa_s、I6kVb_s、I6kVc_s為經(jīng)TA 傳變的低壓側二次電流。電流互感器模型使用改進型J A 模型[34],剩磁設置0.2 T。

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搭建的變壓器差動保護星側二次轉角模型見圖3。負荷變壓器接線組別為Dyn1yn1接線,保護采用低壓側即星側轉角。保護以角側即高壓側電流為基準電流,則高壓側二次電流的平衡系數(shù)為1.0,低壓側二次電流的平衡系數(shù)為0.504。I6kVa_ts、I6kVb_ts、I6kVc_ts為轉角后的電流乘以本側平衡系數(shù)折算到基準側的電流。

圖3 負荷變壓器低壓側電流二次轉角模型

負荷變壓器高壓側即角側電流折算模型見圖4,角側為基準側,平衡系數(shù)為1。IATa_ts、IATb_ts、IATc_ts為經(jīng)平衡系數(shù)折算后的高壓側電流。

圖4 負荷變壓器高壓側電流轉換模型

搭建的負荷變差動保護差流計算模型見圖5。模型中設置了模擬量和有效值2種輸出通道,模型計算未考慮傅里葉濾波,高壓側二次額定電流為0.727 5 A,有效值輸出通道已折算為額定二次電流的倍數(shù)。IATa_diff、IATb_diff、IATc_diff為計算后差流瞬時值。IATa_diff_rms、IATb_diff_rms、IATc_diff_rms為計算后差流有效值,并已折算為基準側額定電流的倍數(shù)。

圖5 負荷變差動保護差流計算模型

將圖3、4、5模型中電流改為一次電流,則可以仿真計算一次電流的差流,可用來分析TA 傳變對差流的影響。

2.3 差流分析

一次電流和二次電流的差流計算結果見圖6。從圖6中可看出,一次差流始終較小,而二次差流在幾個周波后的短時間窗明顯較高,已大于7.0Ie,如果差動速斷保護按照整定計算導則整定為6.0Ie,保護已動作。

圖6 一次差流、二次差流仿真結果

故障側的一次短路電流經(jīng)數(shù)值折算,與經(jīng)實際TA 傳變的2種二次電流的波形對比如圖7所示。從圖中可以分析出二次電流差流產(chǎn)生的原因。圖7 中的電流均為6 k V 側電流,I6kVa_p_s、I6kVb_p_s、I6kVc_p_s為一次電流直接除以TA 變比得到的波形,I6kVa_s、I6kVb_s、I6kVc_s為經(jīng)TA 傳變后的二次電流波形,可以看出,前幾個周波2種電流是沒有角差的,但之后出現(xiàn)角差,經(jīng)TA 傳變的電流衰減較快。分析認為,因TA 傳變導致的兩側非周期分量衰減不同步是產(chǎn)生差流的主要原因。

圖7 直接經(jīng)變比折算的二次電流與經(jīng)TA傳變的二次電流波形對比

改變模型中的參數(shù),對各種可能的參數(shù)進行仿真計算。仿真結果說明,除TA 的鐵心參數(shù)外,二次繞組阻抗和外回路阻抗是影響二次回路衰減時間常數(shù)的關鍵因素,按4 mm2二次電纜長度200 m 考慮,當TA 二次繞組直阻大于6Ω 時,由外部故障一、二次短流中非周期分量衰減不同步導致的差流有可能超定值,致使差動速斷保護誤動的可能性較大。

將模型系統(tǒng)的發(fā)電機模型更換為系統(tǒng)電源模型,即改為按阻抗角80°整定的電源模型后,差流略有下降,但下降不明顯,說明增加一次系統(tǒng)的R分量,即降低一次時間常數(shù)對降低因非周期分量衰減問題導致的差流效果不明顯。

當變壓器短路阻抗較大,即當2/X T小于差動速斷定值,外部短路電流不足以引起差速動作時,則該側外短電流非周期分量衰減問題可不預考慮。

仿真過程并未設置TA 飽和,如果再考慮TA暫態(tài)飽和,則差流進一步放大,保護更易誤動作。

仿真模型中搭建了異步電機,設置在第1次故障恢復后立即啟動,仿真結果說明電機的啟動電流對負荷變壓器差動差流影響很小,再次故障時因非周期分量較小,引起差流也較小。

將變壓器改為180 MVA、ynyn0d11、230/121/38.5 k V 的三繞組變壓器,仿真計算高、中壓側差動保護差流的變化過程,TA 變比按1 200/1、1 600/1設置,高中短路阻抗按15%考慮,計算結果為差流不高于6.0Ie。主要原因是小變比TA二次繞組直阻一般偏低,當設置較高的繞組直阻時,仍出現(xiàn)大于6.0Ie差流的情況。

3 對策分析與建議

通過對變壓器差動保護在外部短路故障時不同繞組側二次電流回路中電流特性的分析,認為當非周期分量衰減特性不一致時,將產(chǎn)生差流,進而導致保護誤動。通過對非周期分量的傳變和衰減特性的分析研究,認為可以采取以下對策。

1)應配置區(qū)外故障的速動保護,使區(qū)外故障得到快速切除。根據(jù)仿真計算的結果,差流最高值一般初始于4個周波之后,此時如區(qū)外故障已切除,則不存在變差誤動的機會。

2)應盡量選擇TA 繞組直阻不高于6Ω 的設備,TA 到保護裝置的距離不宜超過400 m,盡量控制TA 二次系統(tǒng)阻抗(主要為電阻分量,繞組與二次回路、保護裝置阻抗之和)小于8Ω。

3)TA 二次繞組的阻抗是影響短路電流非周期分量衰減的主要因素。一般情況下,TA 變比越大,繞組直阻越大,因此在選擇TA 變比時,建議以滿足要求為宜,不宜選擇過高的TA 變比。

4)TA 二次負載的阻抗(二次回路和保護裝置阻抗之和)在滿足極限電動勢要求情況下[5],仍應采取措施降低其中的R分量。對于R分量較小的情況,如二次電纜較短(含智能站的TA 就地光電轉換)的情況,相關問題可不予考慮。

5)TA 二次系統(tǒng)阻抗較高時,經(jīng)過計算差流可能超差動速斷保護門檻時,宜對保護門檻進行適度調整,使其避過可能的最大差流,以防止保護誤動。

6)即使對于超大容量的變壓器,也不應將差動速斷保護門檻設置到6.0Ie以下。因為變壓器容量越大,TA 變比越大,繞組直阻越大,發(fā)生相關誤動問題的概率越高。

4 結論

電力系統(tǒng)中一次設備的R分量隨著電壓等級的提高而明顯降低,而二次電流回路中的R分量則隨著電流互感器二次1 A 的普及而明顯提高,當組成差動保護的各側一次、二次系統(tǒng)中的R/L特性明顯不一致時,外部短路中不可避免的非周期分量所致的較大差流將導致差動保護誤動,分析認為,此問題應在差動保護的二次電流額定值、二次電纜和電流互感器繞組阻抗、保護定值等多個方面優(yōu)化選取,防患于未然。