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(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

變壓器差動保護(hù)主要是指差動速斷保護(hù),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(jī)機(jī)端的負(fù)荷變壓器低壓側(cè)發(fā)生三相短路時,變壓器差動速斷保護(hù)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(jié)構(gòu)的變壓器差動保護(hù)的差動電流(簡稱“差流”),和外部故障時的最大差流進(jìn)行仿真計算,分析短路電流中的非周期分量對差動保護(hù)的影響,以期在設(shè)計、運(yùn)維時引起重視,防止可能的保護(hù)誤動。

1 外部故障時差動保護(hù)差流產(chǎn)生的原因

差動保護(hù)的差流由組成差動保護(hù)的二次電流進(jìn)行差計算產(chǎn)生,當(dāng)傳變電流的電流互感器(包括連接于一次設(shè)備上的電流互感器和保護(hù)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(dāng)被保護(hù)設(shè)備的外部發(fā)生短路時,差流就會進(jìn)一步放大,進(jìn)而可能導(dǎo)致保護(hù)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(yīng)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(hù)為例,使用PSCAD 軟件對外部最嚴(yán)重短路故障時的變壓器差動保護(hù)差流進(jìn)行仿真計算。

2 PSCAD建模仿真

2.1 變壓器差動保護(hù)差流計算的系統(tǒng)模型

負(fù)荷變壓器外部故障電流仿真模型見圖1,主設(shè)備為并網(wǎng)于220 k V 電壓等級電網(wǎng)的600 MW機(jī)組,故障設(shè)置位置為三繞組負(fù)荷變壓器的低壓側(cè),圖1中另外構(gòu)建了異步電機(jī)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(jī)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(shè)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(jī),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(fù)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(cè)TA 變比nCTh=2 500/1 A,低壓側(cè)TA 變比nCTl=4 000/1 A;異步電機(jī)SM=10 MVA,Ue=6.3 k V。

故障設(shè)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(jī);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(hù)的差流計算模型

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

圖2 負(fù)荷變壓器兩側(cè)電流互感器模型

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

恩哥解答：這個要分情況討論。孕期可以旅行，以輕松休閑為宜，還要注意交通工具的安全問題。孕期不同階段注意事項也各有不同：

搭建的變壓器差動保護(hù)星側(cè)二次轉(zhuǎn)角模型見圖3。負(fù)荷變壓器接線組別為Dyn1yn1接線,保護(hù)采用低壓側(cè)即星側(cè)轉(zhuǎn)角。保護(hù)以角側(cè)即高壓側(cè)電流為基準(zhǔn)電流,則高壓側(cè)二次電流的平衡系數(shù)為1.0,低壓側(cè)二次電流的平衡系數(shù)為0.504。I6kVa_ts、I6kVb_ts、I6kVc_ts為轉(zhuǎn)角后的電流乘以本側(cè)平衡系數(shù)折算到基準(zhǔn)側(cè)的電流。

圖3 負(fù)荷變壓器低壓側(cè)電流二次轉(zhuǎn)角模型

負(fù)荷變壓器高壓側(cè)即角側(cè)電流折算模型見圖4,角側(cè)為基準(zhǔn)側(cè),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(cè)電流。

圖4 負(fù)荷變壓器高壓側(cè)電流轉(zhuǎn)換模型

搭建的負(fù)荷變差動保護(hù)差流計算模型見圖5。模型中設(shè)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(cè)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(zhǔn)側(cè)額定電流的倍數(shù)。

圖5 負(fù)荷變差動保護(hù)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(jié)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(hù)按照整定計算導(dǎo)則整定為6.0Ie,保護(hù)已動作。

圖6 一次差流、二次差流仿真結(jié)果

故障側(cè)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(cè)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(rèn)為,因TA 傳變導(dǎo)致的兩側(cè)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(jìn)行仿真計算。仿真結(jié)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(guān)鍵因素,按4 mm2二次電纜長度200 m 考慮,當(dāng)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(dǎo)致的差流有可能超定值,致使差動速斷保護(hù)誤動的可能性較大。

將模型系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)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(dǎo)致的差流效果不明顯。

當(dāng)變壓器短路阻抗較大,即當(dāng)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(cè)外短電流非周期分量衰減問題可不預(yù)考慮。

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

仿真模型中搭建了異步電機(jī),設(shè)置在第1次故障恢復(fù)后立即啟動,仿真結(jié)果說明電機(jī)的啟動電流對負(fù)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(cè)差動保護(hù)差流的變化過程,TA 變比按1 200/1、1 600/1設(shè)置,高中短路阻抗按15%考慮,計算結(jié)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(dāng)設(shè)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(hù)在外部短路故障時不同繞組側(cè)二次電流回路中電流特性的分析,認(rèn)為當(dāng)非周期分量衰減特性不一致時,將產(chǎn)生差流,進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)誤動。通過對非周期分量的傳變和衰減特性的分析研究,認(rèn)為可以采取以下對策。

1)應(yīng)配置區(qū)外故障的速動保護(hù),使區(qū)外故障得到快速切除。根據(jù)仿真計算的結(jié)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(jī)會。

2)應(yīng)盡量選擇TA 繞組直阻不高于6Ω 的設(shè)備,TA 到保護(hù)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(hù)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(fù)載的阻抗(二次回路和保護(hù)裝置阻抗之和)在滿足極限電動勢要求情況下[5],仍應(yīng)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(zhuǎn)換)的情況,相關(guān)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(hù)門檻時,宜對保護(hù)門檻進(jìn)行適度調(diào)整,使其避過可能的最大差流,以防止保護(hù)誤動。

6)即使對于超大容量的變壓器,也不應(yīng)將差動速斷保護(hù)門檻設(shè)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(guān)誤動問題的概率越高。

4 結(jié)論

電力系統(tǒng)中一次設(shè)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(dāng)組成差動保護(hù)的各側(cè)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(dǎo)致差動保護(hù)誤動,分析認(rèn)為,此問題應(yīng)在差動保護(hù)的二次電流額定值、二次電纜和電流互感器繞組阻抗、保護(hù)定值等多個方面優(yōu)化選取,防患于未然。