优化变压器纵差保护：不平衡电流问题介绍

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：变压器纵差保护最明显的特点是产生不平衡电流的因素很多。因此,在变压器的差动保护中始终存在不平衡电流。因此,在带负荷调压的变压器纵差保护中,应在整定计算时加以考虑,即用提高保护动作电流的方法来躲过这种不平衡电流的影响。因此由正常励磁电流引起的不平衡电流影响不大,可以忽略不计。因此,励磁涌流将在差动回路中引起很大的不平衡电流,可能导致保护的误动作。

变压器纵差保护最明显的特点是产生不平衡电流的因素很多。现对不平衡电流产生的原因及减小或消除其影响的措施分别讨论如下。

1.变压器接线组别的影响及其补偿措施

三相变压器的接线组别决定了变压器两侧的电流相位关系,以常用的Y,d11接线的电力变压器为例,高、低压侧电流之间就存在着30°的相位差。这时,即使变压器两侧电流互感器二次电流的大小相等,也会在差动回路中产生不平衡电流。为了消除这种不平衡电流的影响,就必须消除变压器两侧电流的相位差。

(1)电磁式保护的补偿方法。通常都是将两侧电流互感器按“相位补偿法”进行连接,即将变压器星形接线侧电流互感器的二次绕组接成三角形,而将变压器三角形接线侧电流互感器的二次绕组接成星形,以便将电流互感器二次电流的相位校正过来。采用了这样的相位补偿法后,Y,d11接线变压器差动保护的接线方式及其有关电流的相量图,如图10-6所示。

图10-6中,、和分别表示变压器星形接线侧的三个线电流,和它们对应的电流互感器二次侧电流为和。由于电流互感器的二次绕组为三角形接线,所以流入差动臂的电流为

它们分别超前于和相角为30°,如图10-6(b)所示。在变压器的三角形接线侧,其三相电流分别为和,相位分别超前和30°(变压器接线组别为Y,d11)。该侧电流互感器为星形连接,所以其输出电流和与、和同相位,流入差动臂的这三个电流和分别与变压器星形接线侧加入差动臂的电流、和同相,这就使Y,d11变压器两侧电流的相位差得到了校正,从而有效地消除了因两侧电流相位不同而引起的不平衡电流。若仅从相位补偿角度出发,也可以将变压器三角形侧电流互感器二次绕组连接成三角形。但是采取这种相位补偿措施,若变压器星形侧采用中性点接地工作方式,当差动回路外部发生单相接地短路故障时,变压器星形侧差动回路中将有零序电流,而变压器三角形侧差动回路中无零序分量,使不平衡电流加大。因此,对于常规变压器纵联差保护是不允许采用在变压器三角形侧进行相位补偿的接线方式。

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图10-6　Y,d11接线变压器纵联差动保护接线及相量图

(a)接线图;(b)相量图

采用了相位补偿接线后,在电流互感器绕组接成三角形的一侧,流入差动臂中的电流要比电流互感器的二次电流大倍。为了使正常工作及外部故障时差动回路中两差动臂的电流大小相等,可通过适当选择电流互感器变比解决,考虑到电流互感器二次额定电流为5A,则

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而变压器三角形侧电流互感器的变比为

式中 INY——变压器星形侧的额定电流;

INd——变压器三角形侧的额定电流。

根据式(10-7)和式(10-8)的计算结果,选定一个接近并稍大于计算值的标准变比。

(2)微机保护的补偿方法。由于微机保护软件计算的灵活性,允许变压器各侧的电流互感器二次侧都按星形接线,也可以采用Y-△接线的补偿方式。如果两侧都采用星形接线,在进行差动电流计算时由软件对变压器星形侧电流进行相位补偿及电流数值补偿。

如变压器Y侧二次三相电流采样值为,用软件实现相位补偿时,则下式可求得用作差动计算的三相电流和

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经软件计算后的就与低压侧的电流、和同相位了,相位关系见图10-6(b)。与Y-△接线补偿方法不同的是,微机保护软件在进行相位补偿的同时也进行了数值补偿。值得一提的是采用在变压器Y侧进行补偿的方式,当变压器Y侧发生单相接地短路故障时,由于差动回路不反应零序分量电流,差动保护的灵敏度将受影响。为了解决这一问题,微机型差动保护当在d侧进行相位补偿时,可以通过在Y侧进行零序电流补偿,以消除Y侧零序电流的影响。

2.电流互感器实际变比与计算变比不同时产生的不平衡电流

由于电流互感器在制上的标准化,这就产生了电流互感器的计算变比与所选择的实际变比不完全相符的问题,以致在差动回路中产生不平衡电流。现以一台Y,d11接线、容量为31.5MVA、变比为115/10.5的变压器为例,计算数据如表10-1。

表10-1　变压器两侧电流互感器实际变比与计算变比不同所产生的不平衡电流

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为了减小不平衡电流对纵差保护的影响,微机保护中采用了平衡系数进行补偿。微机保护中平衡系数的计算不同厂家的装置计算方法不同。当以一侧电流IⅠ2为基准时,另一侧的平衡系数便为

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这样一来,外部故障与正常运行时,差动回路的计算电流便为

由此补偿了计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流。

3.两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流

由于变压器两侧的额定电压不同,所以,其两侧电流互感器的型号也可能会不相同,因而它们的饱和特性和励磁电流(归算到同一侧)都是不相同的。即便型号相同,由于电流互感器的误差,也会产生不平衡电流。因此,在变压器的差动保护中始终存在不平衡电流。在外部短路时,这种不平衡电流可能会很大。为了解决这个问题,一方面,应按10%误差的要求选择两侧的电流互感器,以保证在外部短路的情况下,其二次电流的误差不超过10%。另一方面,在确定差动保护的动作电流时,考虑两侧电流互感器型号差异可能产生的不平衡电流并提高纵差保护的动作电流,以躲开不平衡电流的影响。

4.变压器调压分接头位置改变而产生的不平衡电流

电力系统中常用调整变压器调压分接头位置的方法来调整系统的电压。调整分接头位置实际上就是改变变压器的变比,其结果必然将破坏两侧电流互感器二次电流的平衡关系,产生了新的不平衡电流。因此,在带负荷调压的变压器纵差保护中,应在整定计算时加以考虑,即用提高保护动作电流的方法来躲过这种不平衡电流的影响。

5.变压器励磁涌流的影响及防止措施

由于变压器的励磁电流只流经它的电源侧,故造成变压器两侧电流不平衡,从而在差动回路内产生不平衡电流。在正常运行时,此电流很小,一般不超过变压器额定电流的3%～5%。外部故障时,由于电压降低,励磁电流也相应减小,其影响就更小。因此由正常励磁电流引起的不平衡电流影响不大,可以忽略不计。但是,当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时,可能出现很大的励磁涌流,其值可达变压器额定电流的6～8倍。因此,励磁涌流将在差动回路中引起很大的不平衡电流,可能导致保护的误动作。

励磁涌流,就是变压器空载合闸时的暂态励磁电流。由于在稳态工作时,变压器铁芯中的磁通滞后于外加电压90°,如图10-7(a)所示。所以,如果空载合闸正好在电压瞬时值u=0的瞬间接通电路,则铁芯中就具有一个相应的磁通-Φmax,而铁芯中的磁通又是不能突变的,所以在合闸时必将出现一个+Φmax的磁通分量。该磁通将按指数规律自由衰减,故称之为非周期性磁通分量。如果这个非周期性磁通分量的衰减过程比较慢,那么在最严重的情况下,经过半个周期后,它与稳态磁通相叠加的结果,将使铁芯中的总磁通达到2Φmax的数值,如果铁芯中还有方向相同的剩余磁通Φres,则总磁通将为2Φmax+Φres,如图10-7(b)所示。此时由于铁芯处于高度饱和状态,励磁电流将剧烈增加,从而形成了励磁涌流,如图10-7(c)所示。该图中与Φmax对应的为变压器额定励磁电流的最大值IμN,与2Φmax+Φres对应的则为励磁涌流的最大值Iμ.max。随着铁芯中非周期分量磁通的不断衰减,励磁电流也逐渐衰减至稳态值,如图10-7(d)所示。以上分析是在电压瞬时值u=0时合闸的情况。当然,如果变压器在电压瞬时值为最大的瞬间合闸时,因对应的稳态磁通等于零,故不会出现励磁涌流,合闸后变压器将立即进入稳态工作。但是,对于三相式电力变压器,因三相电压相位差为120°,空载合闸时出现励磁涌流是无法避免的。根据以上分析可以看出,励磁涌流的大小与合闸瞬间电压的相位、变压器容量的大小、铁芯中剩磁的大小和方向以及铁芯的特性等因素有关。而励磁涌流的衰减速度则随铁芯的饱和程度及导磁性能的不同而变化。

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图10-7　变压器励磁涌流的产生及变化曲线

(a)稳态情况下,磁通与电压的关系;(b)在u=0瞬间空载合闸时,磁通与电压关系;(c)变压器铁芯的磁化曲线;(d)励磁涌流的波形

由图10-7(d)可见,变压器的励磁涌流具有以下几个明显特点。

(1)含有很大成分的非周期分量,使曲线偏向时间轴的一侧。

(2)含有大量的高次谐波,其中二次谐波所占比重最大。

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图10-8　励磁涌流波形的间断角

(3)具有很大的间断角,(一般大于60°),如图10-8所示,图中α称为间断角。

为了消除励磁涌流对变压器纵差保护的影响,通常采取的措施如下所述。

(1)二次谐波电流制动。利用流过差动元件差电流中的二次谐波电流作为制动量,区分出关是内部故障的短路电流还是励磁涌流,实现励磁涌流闭锁。具有二次谐波制的差动保护中,通过二次谐波制动比来衡量二次谐波制动能力。二次谐波制动比K2φ是指:在通入差动元件的电流(差流)中,含有二次谐波分量电流和基波分量电流的比值。

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式中 Id2φ——差动电流中的二次谐波分量电流;

K2φ——二次谐波制动系数;

Id1φ——差动电流中的基波分量电流。

当差流回路中的二次谐波制动比大于整定的二次谐波制动比时,判断为励磁涌流,闭锁差动保护,反之开放保护。二次谐波制动比一般取0.15,二次谐波制动比的整定值越大,该差动保护躲励磁涌流的能力越弱,越容易误动;反之,二次谐波制动比的整定值越小,差动保护躲励磁涌流的能力越强。

(2)判别电流间断角识别励磁涌流。在微机保护中,间断角通常指在差流的半周期内,差动量小于制动量所对应的角度。在正常运行及外部故障时,制动电流很大,差流很小,间断角为360°,保护不动作;当内部故障时,制动电流很小,差流很大,波形连续,间断角很小,保护可靠动作。而在励磁涌流作用下,差动很大,制动电流很小,但励磁涌流波形是不连续的,使得间断角比较大(一般大于60°),在检测波形间断角判据中,通常间断角的定值可取θj.set=65°。即θj＞65°判为励磁涌流,闭锁差动保护。否则判为内部故障时的短路电流。

(3)波形对称识别。在微机变压器纵差保护中,采用波形对称算法,将励磁涌流同变压器故障电流区分开来,首先滤去差流中的直流分量,使电流波形不偏移于时间轴的一侧,然后比较每个周其内差电流的前后半波的量值。

设Ii表示滤去直流分量后某点的差流,若其前后半波上的电流值的比值满足

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则认为波形是对称的,开放差动保护;否则认为是励磁涌流,闭锁差动保护。其中K为不对称系数,通常取1/2。

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