潘志軍,范 芹,丁潔晶
(1.杭州市南排工程建設(shè)管理處,浙江杭州 310020;2.浙江江能建設(shè)有限公司,浙江杭州 310020;3.浙江華電科技有限公司,浙江杭州 310004)
差動(dòng)保護(hù)因具有選擇性好、靈敏度高等一系列優(yōu)點(diǎn)成為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、母線及短線路等元件的主保護(hù).這幾種差動(dòng)保護(hù)原理是基本相同的,但主變差動(dòng)保護(hù)還要考慮變壓器接線組別、各側(cè)電壓等級(jí)、CT變比等因素的影響所產(chǎn)生的不平衡電流.同其它差動(dòng)保護(hù)相比,主變差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)要更復(fù)雜一些.工程上為確保主保護(hù)的靈敏性把這些產(chǎn)生不平衡電流的影響因數(shù)盡量消除力爭(zhēng)正常運(yùn)行中差動(dòng)保護(hù)中檢測(cè)到的差流等于零.下面通過(guò)變壓器差動(dòng)的構(gòu)成原理、不平衡電流的產(chǎn)生機(jī)理的分析,對(duì)比不同保護(hù)產(chǎn)品歸算不平衡電流的思路和簡(jiǎn)要介紹南瑞RCS9671/9679差動(dòng)保護(hù)的歸算思路,為工程實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的不正?,F(xiàn)象處理方法提供借鑒思路.
變壓器縱差保護(hù)原理單相接線圖,見圖1.電流差動(dòng)保護(hù)是建立在基爾霍夫電流定律基礎(chǔ)之上,變壓器差動(dòng)保護(hù)就是將保護(hù)變壓器各側(cè)的電流互感器的二次電流后接入保護(hù)單元算得二次電流差值作為差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)[1].由于變壓器各側(cè)的電流大小和相位不同,在實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)時(shí)在考慮上述因素后并進(jìn)行補(bǔ)償才能保證變壓器正常運(yùn)行和外部短路時(shí)保護(hù)單元檢測(cè)到的差動(dòng)電流等與零(理想狀態(tài)),在被保護(hù)范圍內(nèi)出現(xiàn)故障電流并達(dá)到動(dòng)作定值時(shí)立刻啟動(dòng)保護(hù)元件并出口跳閘,保護(hù)變壓器進(jìn)一步遭受損壞.
圖1 差動(dòng)保護(hù)單相接線原理圖
因?yàn)樽儔浩髯儽炔煌?主變高低壓側(cè)一次電流不相同.比如:假設(shè)變壓器變比為110 kV/10kV,不考慮變壓器本身勵(lì)磁損耗的理想情況下,流進(jìn)高壓側(cè)電流為1 A,則流出低壓側(cè)為11A.如果變壓器低壓側(cè)保護(hù)CT的變比是高壓側(cè)CT變比的11倍,就可以恰好抵消變壓器變比的影響,使流入保護(hù)裝置(CT二次側(cè))的電流大小相同.但工程實(shí)際情況是,CT變比是根據(jù)變壓器容量來(lái)選擇,況且CT變比都是標(biāo)準(zhǔn)的,同樣變壓器變比也是標(biāo)準(zhǔn)化的,這三者的關(guān)系根本無(wú)法保證上述的理想比例.假設(shè)變壓器容量為10 MVA,110 kV側(cè)CT變比為100/5,低壓側(cè)CT變比如果為1100/5即可保證一致.但實(shí)際上低壓側(cè)CT變比只能選1000/5或1200/5,這自然造成了主變高低壓側(cè)CT二次電流不同,也就是流入保護(hù)裝置的電流大小不相同[2].
變壓器的接線組別Y/Y或Δ/Δ,在差動(dòng)保護(hù)時(shí)不需要進(jìn)行相位補(bǔ)償,而電力系統(tǒng)其它的電力變壓器多為Y/Δ-11接線組別,低壓側(cè)電流將超前高壓側(cè)電流30°,這需要在差動(dòng)保護(hù)中先考慮由此帶來(lái)的相位差進(jìn)行補(bǔ)償并考慮電流數(shù)值上的補(bǔ)償[3].另外如果Y側(cè)為中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式,當(dāng)高壓側(cè)線路發(fā)生單相接地故障時(shí),主變Y側(cè)繞組將流過(guò)零序故障電流,該電流將流過(guò)主變高壓側(cè)CT,相應(yīng)地會(huì)傳變到CT二次,而主變?chǔ)?cè)繞組中感應(yīng)出的零序電流僅能在其繞組內(nèi)部流過(guò),而無(wú)法流經(jīng)低壓側(cè)開關(guān)CT.
主變差動(dòng)保護(hù)要考慮的一個(gè)基本原則是保證正常情況和區(qū)外故障時(shí),用以比較的主變高低壓側(cè)電流幅值相等,相位相反或相同(由差流計(jì)算采取的是矢量加和矢量減決定,不過(guò)一般是讓其相位相反),從而在理論上保證差流為0[4].不管是電磁式差動(dòng)繼電器保護(hù)或集成電路保護(hù)及現(xiàn)在的微機(jī)保護(hù),都要考慮上述兩個(gè)因素的影響(以下的分析以工程中最常見的Y/Δ-11為例進(jìn)行).
一般工程設(shè)計(jì)中,各側(cè)CT變比的選擇近似關(guān)系式如下:
式中,k—變壓器變比;
k1—變壓器高壓側(cè)CT接線系數(shù),星型接線等于1,三角形接線等于;
k2—變壓器低壓側(cè)CT接線系數(shù);
n1—變壓器高壓側(cè)CT變比;
n2—變壓器低壓側(cè)CT變比.
由于CT變比是分檔的,在按上述原側(cè)確定變比和工程實(shí)際選擇的CT變比有可能不一致,故不一定能完全消除主變變比和CT變比的匹配所造成的幅值上誤差.
傳統(tǒng)的電磁式差動(dòng)繼電器構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)在按上述選定變比仍不能完全配合時(shí),采用中間變流器進(jìn)行補(bǔ)償,這種補(bǔ)償方法由于平衡繞組不能平滑的調(diào)節(jié),選用的匝數(shù)和計(jì)算的匝數(shù)不可能完全一致,故仍有一部分不平衡電流流入繼電器,但不平衡電流已大為減少.
微機(jī)保護(hù)同傳統(tǒng)保護(hù)相比,保護(hù)原理并沒(méi)有太大的變化,主要是實(shí)現(xiàn)的方法和計(jì)算的精度有了很大提高,只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算平衡系數(shù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償[5].一般輸入量(如Δ側(cè))或相位歸算后的中間量乘以相應(yīng)的某個(gè)比例系數(shù)即可.當(dāng)然這個(gè)系數(shù)對(duì)Y側(cè),還要考慮到內(nèi)部矢量相減,同時(shí)造成的幅值增大了 3倍.目前國(guó)內(nèi)絕大部分廠商(如南自廠等)的微機(jī)差動(dòng)保護(hù),是以一側(cè)為基準(zhǔn)(一般為高壓Y側(cè)),把另一側(cè)的電流值通過(guò)一個(gè)比例系數(shù)換算到基準(zhǔn)側(cè).采取這種方法,裝置定值和動(dòng)作報(bào)告都是采用有名值(即多少安),比如差動(dòng)速斷定值是15A等等.而有些公司(如南瑞、四方等等)的差動(dòng)保護(hù)變比等因素造成的幅值歸算采取的是Ie額定電流標(biāo)幺值的概念,相應(yīng)的定值整定和動(dòng)作報(bào)告也都是采用Ie標(biāo)幺值.如南瑞RSC-9000系列裝置對(duì)于變壓器的Y接線側(cè)平衡系數(shù):K1=(U1×CT11)/SN,對(duì)于變壓器的 Δ接線側(cè):K2=(3×U2×CT21)/SN,其中K1、K2 為內(nèi)部補(bǔ)償系數(shù),U1 、U2為各側(cè)額定電壓,CT11、CT21為各側(cè)CT額定變比,SN為變壓器的額定容量.裝置內(nèi)部把算得的平衡系數(shù)通過(guò)軟件進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償.
電磁式保護(hù)(比如工程中常見的BCH-2差動(dòng)繼電器),對(duì)于接線組別帶來(lái)的影響(即相位誤差)通過(guò)外部CT接線方式來(lái)解決.主變?yōu)閅/Δ接線,高壓側(cè)CT二次采用Δ接線,低壓側(cè)CT二次采用Y接線,用改變保護(hù)CT的二次接線方式的方法完成相角的歸算同時(shí)消除零序電流分量的影響.電流由主變高壓側(cè)傳變到低壓側(cè)時(shí),相位前移30°,低壓側(cè)CT接成Y/Y,角度沒(méi)有偏移.高壓側(cè)CT接成Y/Δ,CT二次側(cè)比一次側(cè)(也即主變高壓側(cè))相位也前移了30°.這樣就保證了高低壓側(cè)CT的二次電流同相位.高壓側(cè)CT接成Y/Δ后,電流幅值增大了 3倍(實(shí)際上是線電流),在選擇CT變比時(shí),已考慮到這個(gè)因素,盡量讓流入差動(dòng)繼電器的主變高低壓側(cè)電流相等進(jìn)行電流數(shù)值補(bǔ)償.
微機(jī)保護(hù)是比較容易消除的,早期有些微機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置,可能是運(yùn)算速度不夠的緣故,相角歸算還是采用外部CT接線來(lái)消除(如DSA早期某型號(hào)產(chǎn)品).現(xiàn)在的微機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置,CT都是采取Y/Y接線,相角歸算由內(nèi)部完成,通過(guò)電流矢量相減消除相角誤差.主變差動(dòng)為分相差動(dòng),對(duì)于Y/Δ-11接線,同低壓側(cè)Ial相比較運(yùn)算的并不是高壓側(cè)IAh,參與差流計(jì)算的Y側(cè)3相電流量分別是:IAh*=IAh-IBh、IBh*=IBh-ICh、ICh*=ICh-IAh(都為矢量減).這樣得到的線電流IAh*,角度左移(后退)30°,同低壓側(cè)Ia2同相位[6],見圖2.
圖2 相量變換示意圖
下面以南瑞RCS9671/9679差動(dòng)保護(hù)為例,從工程角度出發(fā)簡(jiǎn)析差動(dòng)歸算思路.
Ie是指根據(jù)變壓器的實(shí)際容量求到的額定電流的標(biāo)幺值.工程上常說(shuō)的CT二次額定電流是5A,這只是一個(gè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),而Ie是根據(jù)主變?nèi)萘康玫降?它所對(duì)應(yīng)的電流有名值的具體數(shù)值,對(duì)主變的每一側(cè)都是不同的.
以下列參數(shù)為例:某臺(tái)主變,容量 31.5/31.5 MVA;變比110±4×2.5%/11 kV;接線組別Y/Δ-11;CT變比200/5,2000/5;CT為Y/Y.
額定電流計(jì)算公式Ie=S/(3U)/CTn
高壓側(cè)Ie=31 500 kVA/(1.732×110 kV)/200/5=165.337A/40=4.133A
低壓側(cè)Ie=31 500 kVA/(1.732×11 kV)/2 000/5=1 653.37A/400=4.133A
當(dāng)高壓側(cè)CT二次流出電流為4.133 A時(shí),表明本側(cè)流出的功率為變壓器的額定功率,這就是Ie的物理含義,對(duì)低壓側(cè)物理意義是相同的.差動(dòng)保護(hù)在每一側(cè)采集到的電流除以該側(cè)的Ie電流值,得到各側(cè)電流相對(duì)于本側(cè)額定電流的比例值(標(biāo)幺值).采用各側(cè)的Ie標(biāo)幺值直接參與差流計(jì)算,而不是采用電流有名值,相應(yīng)的定值及報(bào)告都是顯示的是多少Ie.比如說(shuō)高壓側(cè)二次電流為4.133 A,程序會(huì)把這個(gè)值除以高壓側(cè)(4.133 A),得到標(biāo)幺值1Ie;低壓側(cè)電流為 -4.133 A,得到標(biāo)幺值-1Ie.程序計(jì)算差流時(shí)會(huì)把這兩側(cè)Ie相加求得到差流Id=0Ie.
求Ie具體值的公式里包含了變壓器容量、電壓變比、每側(cè)CT變比這幾個(gè)參數(shù).基于能量守衡的原理(忽略主變本身?yè)p耗),計(jì)算時(shí)容量都采用同一個(gè)最大容量.得到的每側(cè)額定值作為本側(cè)的基準(zhǔn),實(shí)際電流除以該基準(zhǔn),就得到可以直接用以統(tǒng)一運(yùn)算的標(biāo)幺值.整個(gè)計(jì)算的過(guò)程,消除了由主變電壓變比和CT變比因素所造成的影響.差動(dòng)電流分別以各側(cè)額定為基準(zhǔn),各側(cè)實(shí)際電流都往本側(cè)歸算;Ie在差動(dòng)歸算中,Ie是一個(gè)標(biāo)幺值,是一個(gè)可以統(tǒng)一計(jì)算的中間度量單位(轉(zhuǎn)換單位).
在本文一開頭就提到了主變電壓變比、CT變比還有接線組別的影響.采用Ie的概念和計(jì)算方法后,可以消除掉電壓變比和CT變比對(duì)幅值的影響.對(duì)接線組別(相位)的影響,以RCS9671/9679程序里是這樣做的.若系統(tǒng)設(shè)置菜單里,接線組別設(shè)置為Δ/Δ(CT都是Y/Y接線,也即由裝置內(nèi)部完成歸算),程序?qū)﹄娏鞑蓸訑?shù)據(jù)不做相角上的任何歸算處理,根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)整定內(nèi)容,計(jì)算出各側(cè)Ie具體值,實(shí)際采樣值同本側(cè)Ie相除,得出本側(cè)以Ie標(biāo)幺值所表示的電流值參與差流計(jì)算.當(dāng)接線組別設(shè)置為Y/Δ-11,程序?qū)側(cè)電流采樣數(shù)據(jù)首先進(jìn)行相角調(diào)整,即參與差流計(jì)算的IAh*=IAh-IBh、IBh*=IBh-ICh、ICh*=ICh-IAh(都為矢量減),這樣一減,得到的矢量電流相位前移了30°,完成相位的歸算.但幅值同時(shí)也增大了 3倍(線電流和相電流的關(guān)系,這很好理解).程序里對(duì)矢量相減得到的值會(huì)同時(shí)固定除以 3,以保證只調(diào)整相位,不改變大小.對(duì)Y/Δ-1,處理過(guò)程一樣,只是矢量相減的相別發(fā)生一下變化:IAh*=IAh-ICh,IBh*=IBh-IAh,ICh*=ICh-IBh,也要固定的對(duì)幅值除以 3.
除了變壓器接線組別和變比配合因素對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)帶來(lái)的影響外,還有造成差動(dòng)電流不完全平衡的其它因素.上述對(duì)差動(dòng)保護(hù)的歸算調(diào)整主要是消除變壓器接線組別和變比配合因素對(duì)差動(dòng)保護(hù)的誤差,這兩方面因素在工程中可以看作“明顯的”客觀因素.另外還有幾個(gè)因素還可能造成變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)下差動(dòng)電流的不平衡.
雖然工程設(shè)計(jì)中對(duì)差動(dòng)保護(hù)CT的選用原則:主變各側(cè)CT同型號(hào)且性能完全相同的保護(hù)用CT.但因?yàn)樽儽群腿萘慷加胁顒e,使得CT的勵(lì)磁特性曲線也不盡相同,尤其是當(dāng)區(qū)外故障穿越性電流增大,可能導(dǎo)致CT飽和,CT飽和特性不一致,造成不平衡電流增大.因此在工程中嚴(yán)格按要求選擇保護(hù)CT,調(diào)試中還要測(cè)試兩側(cè)保護(hù)CT的勵(lì)磁特性曲線是否相同,還要注意所用的CT二次繞組的兩側(cè)負(fù)載相近且盡量小,以減小由此帶來(lái)的不平衡電流造成對(duì)保護(hù)的影響.
在改變變壓器分接頭調(diào)整電壓時(shí),實(shí)際上改變了變壓器的變比.而工程中按上述提到的對(duì)變比的歸算方法是按照額定變比或?qū)嶋H最有可能運(yùn)行的變比來(lái)計(jì)算的,但當(dāng)運(yùn)行中變壓器分接頭位置改變后,自然會(huì)產(chǎn)生不平衡電流[7].在消除由此產(chǎn)生的不平衡電流的最好辦法是保護(hù)裝置能實(shí)時(shí)采樣變壓器運(yùn)行的擋位,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的擋位進(jìn)入保護(hù)計(jì)算單元.如GE公司某些型號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)裝置對(duì)有載調(diào)壓產(chǎn)生的不平衡電流做法是在定值中輸入用戶設(shè)定主變的檔位及每一檔位對(duì)電壓的影響,同時(shí)采集開入檔位接點(diǎn)位置,從而可以做到隨著主變檔位的調(diào)節(jié)自動(dòng)改變內(nèi)部計(jì)算參數(shù)消除誤差.
在變壓器空載合閘時(shí)由于鐵芯飽和產(chǎn)生暫態(tài)勵(lì)磁電流稱為勵(lì)磁涌流,此電流最大可達(dá)額定電流的4~8倍,由此產(chǎn)生的不平衡電流在理論上利用勵(lì)磁涌流的特征采取三種方法即使用速飽和中間變流器、二次諧波制動(dòng)和間斷角鑒別法來(lái)消除.傳統(tǒng)的繼電器保護(hù)大多采用速飽和中間變流器的方法,而目前國(guó)內(nèi)微機(jī)保護(hù)裝置大多采用二次諧波制動(dòng)的方法來(lái)消除影響.
目前微機(jī)保護(hù)的程序?qū)ψ儔浩髯儽日`差計(jì)算消除是在變壓器及CT各項(xiàng)參數(shù)基礎(chǔ)上的,如果這些標(biāo)稱參數(shù)同實(shí)際有所差別,也將會(huì)產(chǎn)生不平衡電流,一般在現(xiàn)場(chǎng)碰到這方面的問(wèn)題較少,除非是一些項(xiàng)目選用的是一些小廠家生產(chǎn)的質(zhì)量較差的設(shè)備參數(shù)誤差較大.
電力系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大,不論是電源容量、電源數(shù)量、線路數(shù)量、電壓等級(jí)都在快速增長(zhǎng),這是電力系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢(shì),因而對(duì)影響系統(tǒng)供電可靠性和電能質(zhì)量的設(shè)備要求越來(lái)越高,作為保護(hù)變壓器正常運(yùn)行的保護(hù)裝置的靈敏性是極為重要的.通過(guò)對(duì)變壓器不同時(shí)期的保護(hù)產(chǎn)品歸算思路研究與解決對(duì)策總結(jié)為工程人員快速處理問(wèn)題提供參考,在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)備恢復(fù)運(yùn)行意義重大.
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