谐波发生源对差动保护的误动影响

(一) 原因分析

以相控整流电路为代表的电力电子装置,以及其他引起正弦波畸变的非线性负载元件,通称为谐波发生源或等效谐波电流源,这些大功率谐波源工作时向电源系统注入整数倍基波频率的谐波电流,将在系统阻抗上形成电压降,会引起公共连接点的电压波形严重畸变,给连接在公共连接点上其他电力设备的正常运行带来不良影响与危害,甚至可能与连接在系统中的电容产生谐振,流过异常的电流,在极端的情况下,往往导致器件全部烧坏,故被称之为对电气环境的污染或电力公害。可以认为流过三相桥式整流电路的畸变交流电流波形不是正弦波,而是由与交流电源同频率的正弦波分量 (基波)和其他K=6m±1 (m=1,2,…)次谐波合成的波形,换句话说,流过整流装置的电流必然含有谐波分量,其对电力系统的危害之一是出现检验错误及信号干扰,致使自动装置和继电保护功能降低或不正确动作。

例如,某水电站装机6×1000k W,两台主变压器SL74000/35,38.5±5%/6.3kV,Y,d11,低压侧为单母线分段带联络开关。运行中#2主变压器经常发生差动保护动作,经现场技术人员检查,属于差动保护误动作,重新投入运行后,一切正常。后来为了争取时间发电,当#2主变差动保护动作后,运行人员只作初步检查后,便将#2主变重新投入运行。原来6.3kVⅡ段母线上有直配线路,向近区硅铁厂中频熔炼炉直接供电,运行人员发现只要中频熔炼炉投入运行,#2主变压器差动保护就有误动的可能。后因故中频炉停止使用,这一现象才得以消除。

根据现场资料,对上述现象分析如下:

(1)两互感器误差之差超过10%。

该水电站受地理位置限制,升压站距中控室距离较远,即主变压器高压侧电流互感器二次引线较长,若二次引线截面选择时没有考虑到距离远这个因素,将会因截面小、引线长、阻抗大而使高压侧电流互感器的二次负载阻抗超过了其允许的二次负载阻抗,在一次侧出现冲击电流时,将会出现很大的负误差。而主变压器低压侧电流互感器装在高压开关柜内,距中控室较近,误差相对较小。在冲击电流作用下,两电流互感器误差之差极易超过10%,引起主变压器差动保护误动,这可能是引起#2主变压器差动保护误动的原因之一。

(2)不平衡电流超过整定值。

并联在Ⅱ段母线上的中频熔炼炉是一种把50Hz工频交流电变换成中频交流电的设备,它是通过整流变压器和三相桥式全控整流电路将三相交流电整流为大小可调的直流电,经电抗滤波后供给单相并联逆变器,由逆变器将直流逆变为中频交流电供给熔炼炉。由于三相桥式全控整流装置交流输入侧每相电流波形为矩形波 (忽略换相过程),含有谐波电流,成为谐波发生源。在Y,d11连接的整流变压器电源侧,电流波形改善为阶梯波形,仍含有谐波电流,将在6.3kV电源系统阻抗上形成电压降,使6.3kVⅡ段母线电压叠加非正弦分量,引起母线电压畸变。若计及整流电路换相过程,则母线电压出现缺口,同时由于6.3kV电源系统的杂散电容和吸收电路的影响,在每次换相结束时还会引起电压波形的瞬态扰动,所以中频熔炼炉就是并联在6.3kV母线上的大谐波源。并联在6.3kV母线上的#2 主变压器直接受到该谐波源的危害,主要影响是增加了主变压器的铜损和铁损,有效值相等的谐波,频率越高,集肤效应越严重,损耗越大。谐波电压有可能使主变压器的漏抗与主变压器二次侧所接的电容器发生串联谐振,即电容器n 次谐波容抗与负载电阻并联后与变压器n 次谐波漏抗发生n 次谐波谐振,不太大的谐波电压就会产生很大的谐振电流和谐振电压,使主变压器的铜损和铁损更大。综合结果是使变压器温度上升,影响其绝缘能力,并造成容量裕度减小,即负载能力降低。同时由于整流装置功率因数较低,减少了3台发电机的有功功率输出,#2主变压器处在轻载时电压升高,励磁电流增大。共同引起铁芯磁通严重饱和,励磁电流中的谐波电流就会大大增加,且励磁电流将较磁通波更加超前。需要指出的是:增大含有谐波的励磁电流只经过主变压器原边,使原边电流互感器输出电流增大,且角误差也增大,等效于改变了主变压器的实际电流比,主变压器原、副边两差动臂上的电流差更加增大,即流入差动继电器中的最大不平衡电流极有可能超过差动保护动作整定值,这可能是引起差动保护误动的原因之二。

(3)谐波影响。

该水电站主变差动保护采用了BCH—2 型差动继电器,其执行元件为电磁型继电器,由于电磁型继电器的动作是由其电流有效值的平方决定的,对频率的不同并不敏感,一般在谐波含量小于10%时,对电磁型继电器影响不大,但含有谐波的不平衡电流在接近差动保护动作整定值处,谐波电流产生的额外转矩也有可能使执行元件误动,这可能是引起差动保护误动的原因之三。

根据以上分析可归纳如下:该水电站主变压器高压侧因电流互感器二次负载阻抗过大而使差动臂上电流减少过多,误差增大,主变压器低压侧 (原边)因谐波影响较大,主要使低压侧差动臂上电流相对增大,因此两臂电流差明显增大,再加上谐波对继电器本身动作特性的影响,当主变压器外部发生短路,甚至遇有冲击负荷或遇有很大的谐振电流,两臂误差被进一步放大。主变压器差动保护极易发生误动作。

(二) 处理方法

(1)检查变压器高低压两侧有无大型谐波源。

尽管存在各种谐波发生源,但最主要的谐波源还是应用日益广泛的电力电子装置,尤其是大容量的整流装置。所以若变压器高压侧或低压侧电网中接有功率较大的电力电子装置,应看其有无配置谐波抑制和无功补偿装置,如专用变压器、交流电抗器、交流滤波器、静止无功补偿器、静止无功发生器等。若接于同一电网的大型整流装置未采取消除谐波的措施,很有可能成为变压器差动保护误动的非故障原因。应根据我国制定的公用电网谐波管理标准,协助有关部门处理。

(2)检查变压器差动保护专用电流互感器10%误差。

因为电流互感器的准确级与其二次负载容量有关,二次回路中负载阻抗为所串联的继电器电流线圈阻抗、连接导线阻抗及接头接触电阻之和,近似等于电流互感器二次实测阻抗值Za、(Zb、Zc)。而二次负载容量与二次负载阻抗、差动保护电流互感器接线方式、短路故障类型有关。具体试验、计算、分析步骤如下:

1)计算电流倍数。差动保护电流倍数为

式中 Ik·max——最大穿越故障短路电流;

Krel——考虑非周期分量影响的可靠系数,采用BCH-2型差动继电器带有速饱和变流器,Krel=1.3;

I1N——电流互感器一次侧额定电流。2)查出满足10%误差允许的二次负载阻抗Zen。根据制造厂提供的主变压器高低压两侧电流互感器的10%误差曲线,由高压侧电流倍数m1在高压侧电流互感器的10%误差曲线上查出允许阻抗值Z1en,由低压侧电流倍数m2在低压侧电流互感器的10%误差曲线上查出允许阻抗值Z2en。

3)实测电流互感器二次负载阻抗。实际测量时,为便于计算变压器外部短路时电流互感器二次负载阻抗,应将差动线圈短接,只测出电缆导线阻抗Zw1、接头接触电阻Rxc、差动继电器平衡绕组整定匝数的阻抗Zk之和Z。测试时可分别在变压器高、低压侧电流互感器输出处对二次三相回路两两通电,测量出Z1ab、Z1bc、Z1ca和Z2ab、Z2bc、Z2ca,换算出高、低压侧电流互感器二次负载实测阻抗值Z1a、Z1b、Z1c和Z2a、Z2b、Z2c,即

高压侧电流互感器二次负载实测三相阻抗值为

低压侧电流互感器二次负载实测三相阻抗值为

由于接头接触电阻Rxc很难准确测定,而且也是可变的,一般近似地取为0.1Ω。所以正常情况下Z1a≈Z1b≈Z1c≈Z1;Z2a≈Z2b≈Z2c≈Z2。

若发现某一相阻抗值明显大于另外两相,说明该相电缆导线接头接触电阻偏大,应进行查找和处理。

令

则高、低压侧三相阻抗可表示为

式中 ZⅠk、ZⅡk——接在变压器高、低压侧差动臂上的差动继电器整定的平衡绕组阻抗。

即高压侧二次负载实测阻抗值包括

而低压侧二次负载实测阻抗值包括

4)计算电流互感器二次负载阻抗。电流互感器二次负载阻抗=电流互感器两端电压/电流互感器绕组内流过电流

根据电流互感器接线方式,按最严重的短路类型,将实测阻抗值换算成电流互感器二次负载阻抗计算值 (等效值)Z′。

假设电流互感器二次负载实测三相阻抗值相等,即

高压侧差动臂为

低压侧差动臂为

如图1-130 所示,由于变压器外部短路时,流过差动继电器差动绕组的差动电流在其阻抗Zkd上产生的电压降相对于二次电流在差动臂阻抗上产生的电压降较小,在换算时将其忽略不计,或者直接忽略变压器外部短路时的差动电流。

图1-130　双绕组变压器差动保护接线等值电路

电流互感器二次绕组为三角形接线 (三相短路)。

差动臂上电流为

电流互感器两端电压 (A 相)为

电流互感器二次负载阻抗计算值为

A 相

同理

电流互感器二次绕组为全星形接线(三相短路)。

由于中性线内无电流,所以电流互感器两端电压 (A 相)为

电流互感器二次负载阻抗计算值为

A 相

同理

5)判断电流互感器误差是否超过10%。当Z′1≤Z1en,Z′2≤Z2en时,表示差动保护采用的六个电流互感器二次负载阻抗不超过允许的二次负载阻抗,即在出现最大穿越故障短路电流时,六个电流互感器误差最大值不超过10%。当上述不等式中任意一个不满足时,表示对应的三相电流互感器10%误差不能满足要求。当电流互感器不满足10%误差要求时,可采取的措施如下:

(a)增大二次电缆截面,降低二次负载阻抗。由于Zk、Z1中感抗远比其电阻小,连接导线阻抗Zw1≈Rw1,增大二次电缆截面,就是减小实测差动回路阻抗Z,以便满足Z′≤Zen。取Z′=Zen,可求出二次电缆的最小截面A。

对三角形接线的电流互感器有

对全星形接线的电流互感器有

同理得

式中 γ——二次电缆芯线的电导率,铜线γ=53m/ (Ω·mm2);

L1、L2——对应于从互感器到继电器的单向长度,m;

A1、A2——对应的二次电缆芯线截面,mm2。

降低二次负载阻抗,就降低了互感器二次两端电压,使二次绕组电势及一次绕组电势降低,使互感器磁通降低,于是铁芯饱和程度减轻,使励磁电流减小,从而使误差减小。

(b)串联备用电流互感器,增大二次允许负载阻抗。将两个型号和变比都相同的电流互感器串联使用,则对应10%误差允许的负载阻抗为

即串联使用使允许负载阻抗增大1倍。换言之,若二次负载阻抗Z′不变,二次负载两端的电压为=,将由两个串联使用的电流互感器共同负担。每个互感器的二次侧电压=/2,比只用一个电流互感器时降低了1倍。一、二次绕组电势也随之减小,则每个电流互感器的励磁电流减小,从而减小了误差。

(c)改用变比较大的电流互感器,降低一次电流倍数。选用变比较大的电流互感器,即提高了电流互感器的一次额定电流,在允许同样一次电流倍数的情况下,则允许在其一次绕组中通过的实际电流就较大。换言之,在电流互感器一次绕组中通过同样的实际电流,则一次电流倍数就降低,满足10%误差允许的负载阻抗就增大。即在二次负载阻抗不变的情况下,提高电流互感器变比,降低一次电流倍数,电流互感器的误差就减小。

(d)改用一次电流倍数允许值较大的电流互感器。若差动保护选用的电流互感器不是D 级,则应选用D 级。因为电流互感器误差与平均磁路长度成正比,与铁芯截面成反比,与铁芯磁导率成反比,但三者又互相影响。所以,合理设计结构、采用高磁导率材料才可以减小误差,在这些方面采取措施制造的电流互感器,满足10%误差所允许的一次电流倍数就大。D 级电流互感器就具有良好性能,它是专门用于纵联差动保护的特殊电流互感器。换言之,这种电流互感器一次侧通过较大的短路电流时铁芯也不易于饱和,一次侧通过相同的电流时,其误差较小。

由上述,电力变压器差动保护误动的原因是多种多样的。为避免误动所采取的处理方法也各不相同。然而检验其定值和接线是否正确是重要环节,现场检验的内容和方法如下:

(1)检验定值的正确性。

1)防止励磁涌流引起误动。当变压器空载投入时或者在变压器外部短路切除后又投入恢复电压过程中,将产生很大的励磁涌流,该励磁涌流经变压器供电侧电流互感器的二次侧,流入差动回路中。为了防止励磁涌流引起差动保护误动,BCH或DCD 型差动保护的动作电流要求按1.3～1.5倍额定电流整定,以躲过周期性涌流值。对LCD 型差动继电器,则利用二次谐波制动方式来避开涌流,并加上比率制动来躲过外部故障电流的短路电流,其制动比通常是15%～25%。

如果差动保护在变压器空载投入或外部短路切除后再投入时产生误动作,应检验其动作电流和制动比是否符合上述要求。

2)补偿不平衡电流。由于变压器各侧额定电流不同,各侧电流互感器计算变比与选用的标准变比也不同,由此产生不平衡电流。为补偿不平衡电流,对于LCD 型差动继电器可借助自耦变流器来变换保护臂中的电流,使之平衡。对于BCH 或DCD 型差动继电器,则利用中间速饱和变流器的平衡线圈进行磁势补偿,在额定情况下,各侧磁势的安匝数应相等。误差应小于5%,否则定值有错。

如果差动保护在运行中发生误动,应按上述要求检验其各臂电流和各侧磁势值是否正确。

在遇到区外故障主变差动保护误动情况时,除了用上述方法检查差动保护定值之外,对BCH 或DCD 型差动继电器,还应使用高内阻毫伏表或真空管毫伏表测量差动继电器执行元件线圈上的不平衡电压,要求在额定负荷情况下不平衡电压应小于150m V;对LCD 型差动继电器可用毫安表测量差动回路的差流,应小于100　mA。

(2)检验接线的正确性。在差动保护接线中,电流互感器的极性和接线组别正确是关键。所以为了检查差动保护接线的正确性,要重点检查差动保护各侧电流互感器的极性和接线组别是否正确。检查可采用负荷电流法测绘差动保护继电器各侧电流的相量图 (习惯称为六角图),并根据相量图进行分析判断其正确性。

当变压器负荷电流足够大,差动保护二次电流在0.8A 以上时,可采用D3—φ 相位表或MD—φ钳形相位表在变压器保护屏差动电流端子排处分别测出相对于同一电压下各侧A、B、C 相电流的相位角。接线时要注意电流、电压的极性与相位表极性对应,如图1-131。然后以该电压作基准,画出各侧电流的相量图。如果接线正确,画出的各侧电流相量I.A、I.B、I.C三相应对称,相角互差120°,正相序。对于两绕组变压器,高低压侧对应相的电流相量其相位应相反,允许误差±7°,例如高压侧电流I.A与低压侧电流I.a的相位差应为180°±7°之内。

图1-131　测量相电流的相位角接线图