李 斌

(武漢市排水泵站管理處，湖北 武漢 430000)

一起涌流引起的主變跳閘事故仿真分析及改進(jìn)措施

李 斌

(武漢市排水泵站管理處，湖北 武漢 430000)

以某220 kV變電站2臺(tái)主變投運(yùn)時(shí)多次跳閘為例，分析研究了變壓器勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流對(duì)主變投運(yùn)跳閘的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)該變電站實(shí)際參數(shù)搭建了基于EMTP的仿真模型，驗(yàn)證了是由勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流引起的過(guò)電流導(dǎo)致主變跳閘，并從保護(hù)定值整定、主變壓器選型及投運(yùn)方案等角度提出了減少由勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流引起跳閘的措施，對(duì)工程實(shí)際有一定的指導(dǎo)意義。

勵(lì)磁涌流；和應(yīng)涌流；鐵芯剩磁

0 引言

某220 kV內(nèi)橋接線變電站投運(yùn)時(shí)均零序電流保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致2臺(tái)主變跳閘，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)初步分析，其可能是主變投運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的和應(yīng)涌流與勵(lì)磁涌流引起的過(guò)電流所導(dǎo)致。本文分析了影響和應(yīng)涌流與勵(lì)磁涌流的因素，并根據(jù)該變電站實(shí)際參數(shù)搭建了基于EMTP的仿真模型，對(duì)投運(yùn)情況進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，主變空載投運(yùn)時(shí)的和應(yīng)涌流與勵(lì)磁涌流確是引起保護(hù)誤動(dòng)作的原因，并從保護(hù)定值整定、主變壓器選型及投運(yùn)方案等方面提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 變壓器勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

1.1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

電力變壓器在空載投入電網(wǎng)或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，由于鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特征，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的勵(lì)磁電流，稱為勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流的數(shù)值很大，有時(shí)可以達(dá)到額定電流的3～8倍。勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的根本原因是當(dāng)變壓器空載時(shí)，由于磁鏈不能突變，從而產(chǎn)生非周期磁鏈，使得變壓器鐵芯飽和。

空載合閘勵(lì)磁涌流的大小和衰減速度主要受以下因素影響：

(1) 變壓器鐵芯的飽和特征及鐵芯的額定工作磁密。對(duì)于大容量變壓器，鐵芯額定工作磁密與飽和磁密比較接近，現(xiàn)代變壓器的飽和磁通倍數(shù)經(jīng)常在1.2～1.3，甚至低于1.15，所以當(dāng)電壓過(guò)高或者頻率減低時(shí)，容易發(fā)生過(guò)勵(lì)磁。

(2) 變壓器平均勵(lì)磁電感、漏感和合閘前電源系統(tǒng)的內(nèi)電感。若忽略漏感和系統(tǒng)電感的影響，勵(lì)磁涌流主要受平均勵(lì)磁電感影響。當(dāng)其他條件相同時(shí)，空載電流小的變壓器因平均勵(lì)磁電感大而導(dǎo)致空載勵(lì)磁電流衰減較慢。

(3) 回路中等效電阻(變壓器鐵耗、銅耗和以及合閘前電源系統(tǒng)的內(nèi)電阻)。對(duì)于大容量變壓器，由于采用高磁導(dǎo)率的低損耗冷軋硅鋼片，電阻較小，時(shí)間常數(shù)大，勵(lì)磁電流衰減較慢。

(4) 變壓器送電前鐵芯的剩磁。即使變壓器在勵(lì)磁電流的過(guò)零點(diǎn)熄弧斷電，也會(huì)有剩磁。如果變壓器送電時(shí)未控制選擇斷路器的合閘角，則剩磁對(duì)勵(lì)磁電流的影響具有隨機(jī)性。

(5) 合閘時(shí)送電電壓的大小及合閘角度。如果送電斷路器在合閘前，電源側(cè)的電壓過(guò)高，可能導(dǎo)致變壓器鐵芯的激磁增大[1]。

1.2 和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流含有很大的直流分量和大量非周期分量，該直流分量流經(jīng)并聯(lián)的中性點(diǎn)接地變壓器的勵(lì)磁電抗，使變壓器鐵芯趨向飽和，從而產(chǎn)生相應(yīng)的和應(yīng)涌流。

相對(duì)于勵(lì)磁涌流而言，和應(yīng)涌流為反向的，即當(dāng)變壓器空載合閘而鐵芯為正向飽和時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行變壓器的鐵芯趨向反向飽和。變壓器由初始的不飽和狀態(tài)逐漸過(guò)渡到飽和狀態(tài)，和應(yīng)涌流將由小到大逐步增長(zhǎng)，和應(yīng)涌流的大小與勵(lì)磁涌流的大小有關(guān)。

影響和應(yīng)涌流的因素主要有：

(1) 系統(tǒng)電阻。系統(tǒng)電阻對(duì)和應(yīng)涌流的產(chǎn)生和衰減都有影響。系統(tǒng)電阻和變壓器電阻的比值越大，越容易產(chǎn)生和應(yīng)涌流，且和應(yīng)涌流出現(xiàn)得較早，幅值較大，衰減較慢。較大電壓等級(jí)的小系統(tǒng)中系統(tǒng)電阻較大，所以容易產(chǎn)生和應(yīng)涌流，而且衰減速度也較慢。

(2) 線路阻抗。與系統(tǒng)電阻的影響類似，線路阻抗較大時(shí)，更容易產(chǎn)生和應(yīng)涌流。但是較大的線路阻抗會(huì)使線路有較大壓降，這一因素將會(huì)降低和應(yīng)涌流的影響。

(3) 剩磁。剩磁越大，合閘勵(lì)磁涌流越大，和應(yīng)涌流也越大，且到達(dá)最大值的速度也更快。

(4) 并聯(lián)變壓器的負(fù)載大小。負(fù)載越大，和應(yīng)涌流越小，峰值出現(xiàn)得也越晚。即空載合閘時(shí)，和應(yīng)涌流最大[2]。

2 主接線及投運(yùn)時(shí)跳閘情況簡(jiǎn)介

2.1 變電站主接線

該220 kV變電站為內(nèi)橋接線，母聯(lián)220開關(guān)通過(guò)線路1對(duì)變電站送電。1#主變、2#主變高、中壓側(cè)中性點(diǎn)均接地；開關(guān)與變壓器之間的電感、電容元件為除該變電站母線和變壓器外的其他電氣元件。

2.2 投運(yùn)過(guò)程及跳閘情況

該220 kV變電站投運(yùn)過(guò)程如下：合上開關(guān)1對(duì)線路1充電，正常后通過(guò)開關(guān)2合閘投運(yùn)2#主變，2#主變充電正常后通過(guò)母聯(lián)220開關(guān)投運(yùn)1#主變(此時(shí)2#主變處于帶電狀態(tài))。

相關(guān)設(shè)備保護(hù)投入情況：開關(guān)1投入全套線路保護(hù)，零序Ⅲ段時(shí)限改為0.25 s，重合閘不投；開關(guān)2投入全套線路保護(hù)，距離保護(hù)Ⅱ段和零序保護(hù)Ⅳ段時(shí)間調(diào)至最小，重合閘不投。變壓器投入差動(dòng)保護(hù)。

對(duì)2#主變充電時(shí)，保護(hù)跳閘情況：合開關(guān)2，開關(guān)2零序加速段動(dòng)作。將開關(guān)2距離Ⅱ段、零序Ⅳ段時(shí)限修改為0.5 s，零序Ⅲ段時(shí)限更改為0.25 s，再次投運(yùn)時(shí)成功。

對(duì)1#主變充電時(shí)，保護(hù)跳閘情況：合母聯(lián)220開關(guān)，母聯(lián)220、線路1開關(guān)跳閘。后將零序時(shí)限改為0.5 s，再次投運(yùn)時(shí)成功。

3 基于EMTP的仿真分析

3.1 仿真模型

本文基于實(shí)際參數(shù)，采用EMTP搭建了仿真模型。架空線和電纜元件等效于送電線路1；U等效為送電變電站的母線電壓，設(shè)為230 kV；Xs等效為系統(tǒng)內(nèi)阻抗，短路容量為5 352 MVA。

本文所采用的變壓器磁化飽和曲線是影響變壓器空載合閘涌流的最核心因素。圖1是該變電站主變鐵芯材料的磁飽和曲線，其中，點(diǎn)1的磁通密度為1.66 T，點(diǎn)2的磁通密度為1.79 T。點(diǎn)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度是點(diǎn)1的1.08倍，點(diǎn)1的飽和裕度是點(diǎn)2的1.08倍。

圖1 典型的鐵芯磁化飽和曲線

3.2 投1#主變時(shí)的仿真及分析

1#主變充電投運(yùn)時(shí)，2#主變也空載帶電，滿足構(gòu)成和應(yīng)涌流的基本條件。本文對(duì)1#主變投運(yùn)時(shí)是否出現(xiàn)和應(yīng)涌流進(jìn)行了仿真。開關(guān)1、開關(guān)2合閘，母聯(lián)220合閘，模擬投運(yùn)1#主變的情況。仿真的電流值如表1所示。

表1 仿真電流值

仿真結(jié)果表明：1#主變空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流在合閘后大于開關(guān)2的零序保護(hù)定值。這充分說(shuō)明，主變空載合閘引起的勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

4 結(jié)論及防范措施

主變空載合閘引起的勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作的問題在新站投運(yùn)中屢見不鮮。本文研究了影響勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流的因素，通過(guò)仿真分析初步驗(yàn)證了主變空載合閘引起的勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和仿真結(jié)果分析，建議采取如下措施防止此類情況的再次發(fā)生：

(1) 投運(yùn)前的檢修試驗(yàn)應(yīng)合理安排。直流電阻測(cè)試完畢后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)消除變壓器鐵芯剩磁，防止剩磁過(guò)大引起勵(lì)磁涌流過(guò)大。

(2) 空載合閘前，將合閘變壓器中性點(diǎn)不接地，使其合閘時(shí)只產(chǎn)生勵(lì)磁涌流而不產(chǎn)生或減少和應(yīng)涌流。需要注意的是，如果合閘變壓器中性點(diǎn)不接地，應(yīng)考慮變壓器空載合閘時(shí)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，采取措施防止沖擊過(guò)電壓損壞變壓器鐵芯或絕緣。

(3) 考慮到變壓器停運(yùn)時(shí)剩磁的存在及投運(yùn)時(shí)合閘相角的隨機(jī)性，主變相關(guān)的保護(hù)在必要時(shí)需加入2次諧波閉鎖功能及間斷角閉鎖功能，防止激磁涌流引起的誤動(dòng)作。

(4) 安裝配置涌流抑制器。該裝置通過(guò)選擇合閘相位角的方法抑制涌流的大小，并根據(jù)投運(yùn)實(shí)際情況，合理整定保護(hù)定值和動(dòng)作時(shí)限，躲過(guò)勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流的影響。

[1]唐猛.變壓器勵(lì)磁涌流的特性與其識(shí)別方法的比較研究[J].機(jī)電信息，2010(36)

[2]楊琳霞.一種新型變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2010(9)

2014-07-25

李斌(1970—)，男，河北南宮人，工程師，從事泵站及高壓電氣設(shè)備安裝、檢修、改造工作。