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变压器纵联差动保护原理与应用

时间:2023-06-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:纵联差动保护基础1.变压器纵联差动保护的基本原理纵联差动保护是通过比较被保护变压器两侧电流的大小和相位在故障前、后的变化而实现保护的。对双绕组变压器和三绕组变压器实现纵联差动保护的原理接线如图515所示。由此可知,要实现变压器的纵联差动保护,需要适当选择两侧电流互感器的变比,使两个变比的比值尽可能等于变压器的变比 nT 。因此,要提高变压器纵联差动保护的灵敏度,关键问题是减小或者消除不平衡电流的影响。

变压器纵联差动保护原理与应用

纵联差动保护是一种选择性好、灵敏度高的保护方式,其作为线路保护时,需要装设同被保护线路一样长的导引线,所以只能用在短线路上;而作为变压器保护时不存在导引线长度的问题。因此,对于容量较大的变压器,纵联差动保护是必不可少的主保护之一,它用来反映变压器绕组、引出线以及油箱外套管上的各种短路故障,且与瓦斯保护配合作为变压器的主保护,使保护的性能更加全面和完善。

纵联差动保护基础

1.变压器纵联差动保护的基本原理

纵联差动保护是通过比较被保护变压器两侧电流的大小和相位在故障前、后的变化而实现保护的。为了实现这种比较,需在变压器两侧各装设一组电流互感器TA1、TA2,其二次侧按环流法连接(通常变压器两端的电流互感器一次侧的正极性端子均置于靠近母线的一侧,将它们二次侧的同极性端子连接组成差动臂)构成纵联差动保护。其保护范围为两侧电流互感器TA1、TA2 之间的全部区城,包括变压器的高、低压绕组,出线套管及引出线等。对双绕组变压器和三绕组变压器实现纵联差动保护的原理接线如图5−1−5所示。规定各侧电流的正方向均以流入变压器为正。

图5−1−5 变压器纵联差动保护的原理接线

(a)双绕组变压器;(b)三绕组变压器

变压器的纵联差动保护(微课)

变压器的纵联差动保护与输电线路的纵联差动保护相似,工作原理相同,但由于变压器具有电压比和接线组别等特殊情况,为了保证变压器纵联差动保护的正常运行,必须选择好变压器两侧的电流互感器的电流比和接线方式,保证变压器在正常运行和外部短路时两侧的二次电流大小相等、方向相反,流入保护的差动电流为零。如图5−1−5(a)所示,应使

式中 nTA1——高压侧电流互感器的变比;

nTA2——低压侧电流互感器的变比;

nT ——变压器的变比(即高、低压侧额定电压之比)。

由此可知,要实现变压器的纵联差动保护,就要适当选择两侧电流互感器的变比,使两个变比的比值尽可能等于变压器的变比 nT 。由此可知,要实现变压器的纵联差动保护,需要适当选择两侧电流互感器的变比,使两个变比的比值尽可能等于变压器的变比 nT 。当差动继电器中流入的电流大小相等时,差动继电器不动作;当出现故障,流入差动继电器的电流大小不相等时,差动继电器动作于跳开各侧断路器。

2.变压器纵联差动保护的接线方式

电力系统的变压器通常采用Y,d11 的接线方式,如图5−1−6(a)所示。其中 IAH1、I BH1和 ICH1为变压器星形侧的一次电流,I AL1、I BL1和 ICL1为三角形侧的一次电流,在对称运行状态下,后者超前30°,如图5−1−6(b)所示。

图5−1−6 Y,d11 接线变压器的纵联差动保护 (图中电流方向对应于正常工作情况)

(a)变压器及其纵联差动保护的接线;(b)电流互感器原边电流相量图; (c)纵联差动保护回路的电流相量图

在实现变压器纵联差动保护时,如果两侧的电流互感器均采用星形接线,则会有差电流流入保护回路。传统的变压器纵联差动保护为了消除这种差电流的影响,通常将变压器星形侧的3 个电流互感器接成三角形,而将变压器三角形侧的3 个电流互感器接成星形,采用这种接线方式即可把二次电流的关系校正过来,即变压器星形侧的二次输出电流分别为刚好与变压器三角形侧的二次电流同相位,如图5−1−6(c)所示。这样差动回路两侧的电流相位相同。

当电流互感器采用上述接线方式以后,互感器被接成三角形侧的差动保护中,在三相对称的情况下,电流增大了 倍。此时为保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中没有电流,就必须将该侧电流互感器的变比增大 倍,使之与另一侧的电流相等,故选择变比的条件是

3.不平衡电流产生的原因及消除措施

在正常运行及保护范围外部短路故障时流入差动回路的电流称为不平衡电流 I unb。差动回路中不平衡电流值越大,差动保护的动作电流就越大,差动保护的灵敏度越低。因此,要提高变压器纵联差动保护的灵敏度,关键问题是减小或者消除不平衡电流的影响。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。

纵联差动保护的克星

1)由变压器励磁电流产生的不平衡电流

变压器的励磁电流 iE 是在差动范围内未被接入差动回路的一个特殊支路,因此通过电流互感器反映到差动回路中未参与平衡。在正常运行情况下,此电流很小,一般不超过额定电流的2%~10%。在外部故障时,由于电压降低,励磁电流减小,它的影响就更小了。但是,在变压器空载合闸,或者变压器外部故障被切除后变压器端电压突然恢复时,则可能产生很大的暂态励磁电流,这种电流称为励磁涌流。因为在稳态工作情况下,铁芯中的磁通应滞后外加电压90°,如图5−1−7(a)所示。如果空载合闸,正好在电压瞬时值u = 0 时投入,则铁芯中应该具有磁通−Φ m。但是由于铁芯中的磁通不能突变,因此,将出现一个非周期分量的磁通,其幅值为+Φ m。在经过半个周期以后,如果不计非周期分量磁通的衰减,铁芯中两个磁通极性相同,铁芯中的磁通就达到2Φm 。如果铁芯中还有剩余磁通Φ r ,则总磁通将为2Φ mr ,如图5−1−7(b)所示。此时变压器的铁芯严重饱和,励磁电流 iE 将剧烈增大,这就是变压器的励磁涌流,其数值最大可达额定电流的6~8 倍,同时包含大量的非周期分量和高次谐波分量,如图5−1−7(c)和(d)所示。励磁涌流的大小和衰减时间,与外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及铁芯性质等都有关系。例如,正好在电压瞬时值为最大时合闸,就不会出现励磁涌流,只有正常时的励磁电流。但是对三相变压器而言,无论在任何瞬间合闸,至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。(www.xing528.com)

图5−1−7 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)变压器铁芯的磁化曲线; (c)在u = 0 瞬间空载合闸时磁通与电压的关系;(d)励磁涌流的波形

通过对励磁涌流的试验数据进行分析,励磁涌流具有以下特点:

(1)包含很大成分的非周期分量,偏于时间轴的一侧;

(2)包含大量的高次谐波,以二次谐波为主;

(3)波形中间出现间断,如图5−1−8所示,在一个周期中间断角为α。

图5−1−8 励磁涌流的波形

根据以上特点,在变压器纵联差动保护中防止励磁涌流影响的方法有:

(1)采用具有速饱和铁芯的差动继电器;

(2)利用二次谐波制动原理构成变压器纵联差动保护;

(3)利用鉴别波形间断角原理构成变压器纵联差动保护。

2)由电流互感器实际变比与计算变比不同产生的不平衡电流

在实际生产过程中,电流互感器选用的都是型号已定的产品,变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取的标准变比,而变压器的变比也是按标准选取的,这就出现电流互感器的计算电流比与实际电流比不完全相符的问题,导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31.5 MV·A,电压比为115/10.5 的变压器为例,计算数据如表5-1-1所示。

表5-1-1 计算数据

此台变压器会产生0.23 A 的不平衡电流。为了减小不平衡电流对纵联差动保护的影响,可以由变压器微机纵联差动保护引入平衡系数进行数值补偿,其中平衡系数通过计算获得。当然,微机保护装置在采样和数据处理时会带来一定的误差。对于采样带来的误差,可通过采用位数更高的AD 转换器件来改善。对于数据处理所带来的误差,可通过加宽数据窗长度的方法来提高精度。

3)由变压器有载调压分接头位置改变产生的不平衡电流

电力系统中经常采用有载调压的变压器,改变有载调压分接头的位置可保持系统的运行电压。改变分接头的位置,实际上是改变变压器的变比nT 。如果纵联差动保护已经按某一变比设置好参数,则当分接头被改变时,保护中各侧的计算电流的平衡关系就会被破坏,产生一个新的不平衡电流,但差动保护的整定值不可能根据分接头的变化随时进行调整。为克服由此产生的不平衡电流,应在纵联差动保护的整定中予以考虑。

4)由两侧电流互感器的型号不同产生的不平衡电流

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就不会相同,因而它们的饱和特性和励磁电流(归算到同一侧的)都是不相同的。因此,在变压器纵联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,在确定纵联差动保护的动作电流时,引入一个同型系数Kst 来反映电流互感器型号不同的影响。当两侧电流互感器的型号相同时,系数Kst 取0.5,当两侧电流互感器的型号不同时,则系数Kst 取1。这样,两侧电流互感器的型号不同时,实际上是采用较大的同型系数值来提高纵联差动保护的动作电流,以躲过不平衡电流的影响。

5)由变压器外部短路产生的不平衡电流

在变压器的纵联差动保护范围外部发生故障的暂态过程中,由于变压器两侧电流互感器的铁芯特性及饱和程度不同,电流互感器饱和后,传变误差增大而引起的不平衡电流会对纵联差动保护产生较大的影响。

保护范围外部短路时,短路电流中含有很大的非周期分量。在短路后t = 0 时,突增的非周期分量电流使电流互感器的铁芯中产生一个突增的磁通,其导致二次回路中产生一个突增的非周期分量电流,此电流是去磁的。电流互感器原、副边回路的衰减时间常数不同,原边回路衰减时间常数较小(例如0.05 s),副边回路的电阻小,电感大,衰减时间常数较大,甚至可达1 s。在原边非周期分量减少以后,副边衰减很慢的非周期分量电流成为励磁电流的一部分,使电流互感器铁芯饱和。铁芯饱和后,励磁阻抗大大降低,非周期分量的励磁电流加大,最大值出现在几个周期之后,其值为稳态励磁电流的许多倍,波形如图5−1−9所示,曲线3 为铁芯饱和以后励磁电流的周期分量;曲线4 为短路电流中衰减的非周期分量(归算到中流互感器的二次侧);曲线1 为中流互感器的二次侧感应的非周期分量电流;曲线2 为总的励磁电流(误差电流),其中包括铁芯饱和后加大的励磁电流和中流互感器二次衰减慢的直流分量。总误差电流偏到时间轴的一侧。

图5−1−9 暂态过程中电流互感器励磁电流的波形

目前,对于大容量重要变压器,可以采用分别装设独立的采用不同电流互感器的两组差动保护,两组差动保护的接点串联以实现互为闭锁的方式,这种接线方式可以有效地防止电流互感器二次回路断线所造成的差动保护误动作。为了能及时地发现电流互感器二次回路断线,可在差动回路中装设断线监视装置,以便发现断线能及时进行处理。

变压器纵联差动保护实验

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