巧用算數(shù)用好SIEMENS 7UT6X型數(shù)字保護(hù)繼電器
2017-11-04 02:23:42江蘇國(guó)信靖江發(fā)電有限公司陳俊
中國(guó)設(shè)備工程 2017年20期
特約撰稿人：江蘇國(guó)信靖江發(fā)電有限公司 陳俊
巧用算數(shù)用好SIEMENS 7UT6X型數(shù)字保護(hù)繼電器
特約撰稿人：江蘇國(guó)信靖江發(fā)電有限公司 陳俊
江蘇國(guó)信靖江電廠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)信靖江電廠）一期2×660MW超超臨界發(fā)電機(jī)組工程，其發(fā)變組保護(hù)通過(guò)招標(biāo)選用了西門(mén)子公司生產(chǎn)的7UM62、7UT68、7SJ68、7UW50系列繼保裝置。根據(jù)反措要求，發(fā)變組保護(hù)采用了雙重化配置。本文主要結(jié)合該公司的主變7UT6X型數(shù)字差動(dòng)保護(hù)原理，同時(shí)介紹差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算，著重分析差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算原則，供有關(guān)人員參考。
SIEMENS 7UT6X型數(shù)字式差動(dòng)保護(hù)繼電器簡(jiǎn)介
裝置簡(jiǎn)介：該裝置帶2次諧波制動(dòng)的比率差動(dòng)和高電流的差動(dòng)速斷,變壓器過(guò)激磁的5次諧波制動(dòng)功能，抗外部嚴(yán)重短路的情況下CT飽和的附加穩(wěn)定特性曲線。通常情況下，CT的二次接線均可為星形接法，對(duì)不同的變壓器接線組別和CT的不同變比，有內(nèi)部向量匹配和比例匹配之功能，具有多套后備保護(hù)功能，即熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)、后備過(guò)流保護(hù)和零序過(guò)流保護(hù)等功能，發(fā)生故障時(shí)，裝置進(jìn)行故障錄波，通過(guò)跳閘繼電器、通信口、信號(hào)繼電器和信號(hào)燈等執(zhí)行其保護(hù)功能。
裝置電流的歸算：裝置差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作值是基于被保護(hù)對(duì)象的二次額定電流。在正常情況下，變壓器各側(cè)負(fù)荷電流均為相同百分比的值，在額定負(fù)荷下的高低壓側(cè)電流都為“1”即100%，忽略了矢量的匹配和CT變比等繁雜計(jì)算的影響，類(lèi)似“標(biāo)幺值”的計(jì)算方法。
即 I?=I/In
式中：I為負(fù)荷電流;I n為額定電流。
7UT6X保護(hù)裝置會(huì)根據(jù)額定容量、額定電壓以及CT變比，自
動(dòng)進(jìn)行各側(cè)電流的折算,各側(cè)額定 的一次電流如下：
式中：I n為變壓器各側(cè)額定一次電流，
S n為變壓器額定容量，U n為變壓器各側(cè)的額定電壓。
則變壓器的二次額定電流為：
式中：Intr為變壓器各側(cè)額定二次電流，In7ut為保護(hù)裝置7UT61額定輸入電流（1A或5A），Inct為變壓器各側(cè)所用CT的一次額定電流。
差動(dòng)原理：
差流、制動(dòng)電流計(jì)算方法：
對(duì)應(yīng)的制動(dòng)曲線為：
圖1 差動(dòng)保護(hù)特性曲線
曲線b是以K 1（地址1241）為斜率，以Base Point1(地址1242)為基點(diǎn)的一條直線。Base Point1的大小決定了繼電器什么時(shí)候開(kāi)始提高動(dòng)作值，即比率制動(dòng)開(kāi)始發(fā)揮作用。K 1值的大小，考慮兩方面因素：一是變壓器調(diào)壓造成的兩側(cè)電流不平衡而產(chǎn)生的差流，二是主變兩側(cè)CT的誤差。兩者的綜合誤差，乘以可靠性系數(shù)。得到的差動(dòng)電流，與制動(dòng)電流的比值即為斜率K 1,通常在0．2～0．5之間，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，I diff≈I stab（不考慮負(fù)荷的情況下），此時(shí)K1≈1,可見(jiàn)工作點(diǎn)在曲線之上，即在動(dòng)作區(qū)內(nèi)，裝置能可靠正確地動(dòng)作；反之，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，不論故障離變壓器有多近，故障性質(zhì)多么嚴(yán)重，由于I diff≈0,很大，因此K值很小→0，工作點(diǎn)在曲線下面（即在制動(dòng)區(qū)內(nèi)），保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)，可靠性很高。
計(jì)算K1時(shí)，通常以電流互感器變比誤差最大為10%來(lái)考慮，當(dāng)穿越性短路電流較大使電流互感器變比誤差超過(guò)10%時(shí)，K1特性曲線將難以保證保護(hù)的選擇性，增加了特性曲線C。
曲線C是以K 2（地址1243）為斜率，以Base Point2(地址1244)為基點(diǎn)的一條直線?；c(diǎn)Base Point2的整定，先確定K1與K2的交點(diǎn)，即CT飽和時(shí)增加穩(wěn)定性的起始點(diǎn)，然后根據(jù)曲線K 2的斜率，利用三角關(guān)系可以算出曲線K2與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，也即為Base Point2的定值的大小。根據(jù)國(guó)信靖江電廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果分析，Base Point2的大小通常為2．5倍的額定運(yùn)行電流。
曲線d是高定值差動(dòng)速斷Idiff ＞＞，在Idiff ＞＞情況下，保護(hù)不受諧波制動(dòng)的影響，不考慮任何制動(dòng)因素,只要達(dá)到定值保護(hù)動(dòng)作出口。
諧波制動(dòng)特性：
為了保證主變空載送電保護(hù)不誤動(dòng)，采用了二次諧波制動(dòng)。當(dāng)二次諧波分量大于整定值時(shí)，即變壓器空載送電時(shí)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，閉鎖功能保證裝置在此時(shí)不誤動(dòng)。另外，本裝置二次諧波制動(dòng)分為相制動(dòng)和相間制動(dòng)（也叫交叉閉鎖功能），采用交叉閉鎖功能，即只要其中一相電流的二次諧波值達(dá)到整定值時(shí)，就閉鎖三相的差動(dòng)保護(hù)，閉鎖時(shí)間不宜太長(zhǎng)，可設(shè)定為3～5周波。
為了防止變壓器過(guò)勵(lì)磁而引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，通常在220kV以上電壓等級(jí)的變壓器中，設(shè)立5次諧波制動(dòng)，5次諧波的工作原理與要點(diǎn)跟上面所述的二次諧波相類(lèi)似，這里不再重復(fù)。
零序電流的影響消除：
對(duì)于7UT6X型微機(jī)保護(hù)而言，各側(cè)差動(dòng)電流互感器均以Y形接入，零序電流的影響消除是在保護(hù)內(nèi)部自動(dòng)計(jì)算完成，利用了一個(gè)相量矩陣將零序電流和相量平衡結(jié)合在一起同時(shí)完成，該保護(hù)中零序電流處理有3種對(duì)應(yīng)于不同矩陣公式的方法（注：對(duì)應(yīng)變壓器不同鐘點(diǎn)接線的相量矩陣也是不同）。
不消除：
即對(duì)零序電流不做處理，差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)無(wú)變壓器中性點(diǎn)接地或無(wú)其他人為中性點(diǎn)接地情況（注：一般是指不接地系統(tǒng)、消弧線圈系統(tǒng)、接地系統(tǒng)中的變壓器d側(cè)、接地系統(tǒng)中本身中性點(diǎn)不接地的變壓器Y側(cè)等情況），其計(jì)算公式為：
上式中，IA、IB、IC為繼電器實(shí)際參與差動(dòng)電流及制動(dòng)電流計(jì)算的各相電流，而IL1、IL2、IL3為外部輸入的二次電流向量(標(biāo)幺值)。
消除：
僅用矩陣來(lái)消除零序電流如下:
式中，IL1、IL2、IL3、IA、IB、IC含義同上所述。此矩陣適用于Yn/d11接線的情況下的Y側(cè)。這樣消除后，可防止區(qū)外接地故障時(shí)誤動(dòng)，但區(qū)內(nèi)接地故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)靈敏度會(huì)降低。例如：江蘇某600MW電廠發(fā)變組保護(hù)也是采用西門(mén)子保護(hù)，因500kV線路受雷擊造成線路單相接地，主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作造成發(fā)電機(jī)組停運(yùn)的事故發(fā)生，經(jīng)分析是保護(hù)裝置未采用有零序電流消除措施造成主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。
修正：
將中性點(diǎn)電流互感器上電流引入矩陣的措施來(lái)處理零序電流，用于差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)變壓器中性點(diǎn)接地或其它中性點(diǎn)接地的情況（一般是指接地系統(tǒng)中變壓器Y側(cè)中性點(diǎn)接地等情況），中性接地點(diǎn)上裝有電流互感器時(shí)（I7接零序變壓器零序CT），才能用此功能。該方法既可在區(qū)外接地故障時(shí)消除零序電流，又可保證在區(qū)內(nèi)接地故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)靈敏度不降低。
式中, IL1、IL2、IL3、IA、IB、IC含義同上所述，Isp為實(shí)測(cè)零序電流向量。
變壓器d11側(cè)的差動(dòng)矩陣方程：
接入7UT6X的電流接線方式大多為星型接線，特別變壓器接線組別各側(cè)有相位差時(shí)，則7UT6X測(cè)到的電流也有相位差異，而差動(dòng)保護(hù)比較的是各側(cè)矢量和，因此7UT6X用軟件算法來(lái)調(diào)整高低壓側(cè)的相位差。下面是Y0/d11接線時(shí)d11側(cè)的電流矩陣方程。
式中，IL1、IL2、IL3、IA、IB、IC含義同上所述。
主變差動(dòng)保護(hù)的整定算法（以江蘇國(guó)信靖江電廠1號(hào)主變?yōu)槔?/h2>
基本參數(shù)
保護(hù)裝置：7UT6835-5EW221BC3 V4．72
短路計(jì)算阻抗圖
圖2 發(fā)變組一次阻抗圖
啟動(dòng)電流：
依據(jù)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》5．1．3．3，最小動(dòng)作電流應(yīng)大于變壓器額定負(fù)載時(shí)的不平衡電流，即：
式中： Krel——可靠系數(shù)，一般取1．3～1．5，此處取1．5；——電流互感器的比誤差，5P30型0．01×2；?U ——變壓器調(diào)壓引起的誤差，取調(diào)壓范圍中偏離額定值的最大值（百分值），取2× 2.5% =0.05；?m——CT變比未匹配產(chǎn)生的誤差，由于用軟件平衡，取0．05。
制動(dòng)曲線斜率和基點(diǎn)：
斜率1：考慮變壓器差動(dòng)兩側(cè)CT特性參數(shù)不一致，綜合考慮取 Kbl1= 0.3。此時(shí)：選取斜率1的基點(diǎn)為0Ie，第一拐點(diǎn)電流 Istab.01= 1.67Ie，Kbl1= 0.3。
確定直線的基點(diǎn)：選取斜率2的基點(diǎn)為2．5Ie。
確定斜率2：
式中：Krel——可靠系數(shù)，取 1．3 ～ 1．5；
最大斜率按保護(hù)躲開(kāi)外部短路工況產(chǎn)生的最大不平衡電流的條件來(lái)整定?？紤]以下兩種情況：
主變高壓側(cè)三相短路時(shí)，發(fā)電機(jī)提供的流經(jīng)低壓側(cè)的短路電流為：
機(jī)端三相短路時(shí)，系統(tǒng)提供的最大短路電流為（其中X2T1是2號(hào)主變阻抗標(biāo)么值，X”d為2號(hào)發(fā)電機(jī)阻抗標(biāo)么值）：
取中最大者：
變壓器差動(dòng)回路最大不平衡電流.maxunbI 為：
則差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作門(mén)檻電流：
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取 Kbl2= 0.5。
可得到斜率1的直線則與啟動(dòng)值的交點(diǎn)制動(dòng)值為1．67倍額定值，斜率2的直線與第一斜線交點(diǎn)制動(dòng)值為6．25 倍額定值。
比率差動(dòng)靈敏度校驗(yàn)：
按最小運(yùn)行方式下差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)變壓器引出線上兩相金屬性短路計(jì)算（主變壓器未并網(wǎng)）。
未并網(wǎng)時(shí)，d2發(fā)生BC兩相短路時(shí)，A相各序電流：
A相正序：
A相 負(fù) 序： Ia2= Ia1= 45.9998kA ， 負(fù) 序 電 流 與 正 序 電流方向相反。
短路點(diǎn)各相電流（B、C相短路電流方向相反）：
A相： IA=Ia1?Ia2=0
B相：IB==79.6739kA
C相：IC==79.6739kA
二次諧波制動(dòng)比整定：
二次諧波制動(dòng)比可整定為15～20%，87 2nd Harmonic Content in I-DIFF取推薦定值15%。交叉閉鎖不投，為0cycle。
差速斷整定值Is計(jì)算：
對(duì)220～500kV變壓器，差電流速斷是縱差保護(hù)中的一個(gè)輔助保護(hù)。當(dāng)內(nèi)部故障電流很大時(shí)，防止由于電流互感器飽和引起縱差保護(hù)延遲動(dòng)作。差電流速斷的整定值，應(yīng)按躲過(guò)變壓器初始勵(lì)磁涌流或外部短路最大不平衡電流整定，一般取
式中：eI為主變壓器低壓側(cè)二次額定電流，K為倍數(shù)，其值由變壓器容量和系統(tǒng)電抗大小確定。根據(jù)《導(dǎo)則》5．1．3．5，K——倍數(shù)，視變壓器容量和系統(tǒng)電抗大小，K推薦值如下：
6300kVA 及 以 下 7 ～ 12；6300 ～ 31500kVA4．5 ～ 7．0；40000 ～ 120000kVA3．0 ～ 6．0；120000kVA 及以上 2．0 ～ 5．0。
容量越大，系統(tǒng)電抗越大，K取值越小。
按躲變壓器勵(lì)磁涌流整定，取3Ie。
靈敏度計(jì)算
系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下，高壓側(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)兩相短路，流經(jīng)高壓側(cè)的總電流為
出口方式 全停
本文所述的整定計(jì)算原則和計(jì)算方法在國(guó)信靖江電廠發(fā)變組及廠用系統(tǒng)同型號(hào)繼電器的整定計(jì)算中得到應(yīng)用，它同樣適用于類(lèi)似原理的國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口繼電器。
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