陳志勇

(廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司，廣東惠州 516082)

0 引言

某廠一期為4×1 000 MW機(jī)組，發(fā)電機(jī)-變壓器采用單元接線，500 kV升壓站采用一個(gè)半斷路器接線，兩回出線，見(jiàn)圖1。500 kV第一串5011開(kāi)關(guān)、5012開(kāi)關(guān)、5013開(kāi)關(guān)合環(huán)運(yùn)行，第二串5021開(kāi)關(guān)、5022開(kāi)關(guān)、5023開(kāi)關(guān)合環(huán)運(yùn)行，第三串5031開(kāi)關(guān)、5032開(kāi)關(guān)處于運(yùn)行狀態(tài)，5033開(kāi)關(guān)停電檢修，4號(hào)主變處于停電檢修狀態(tài)。4號(hào)機(jī)組停機(jī)檢修期間，電氣人員對(duì)5033開(kāi)關(guān)、4號(hào)主變本體及二次回路進(jìn)行了檢修工作。

圖1 電氣主接線圖

1 勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生和特點(diǎn)

1.1 勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生原因

變壓器勵(lì)磁涌流是由變壓器鐵心飽和引起的。在鐵心不飽和時(shí)，鐵心磁化曲線的斜率很大，勵(lì)磁電流近似為零，一旦鐵心出現(xiàn)飽和，磁化曲線斜率變小，電流隨著磁通非線性增長(zhǎng)，最終演變成勵(lì)磁涌流[1]。當(dāng)發(fā)生外部短路故障時(shí)，由于電源側(cè)母線電壓降低，勵(lì)磁電流將減小，對(duì)差動(dòng)保護(hù)幾乎沒(méi)有影響；當(dāng)變壓器空載充電時(shí)或外部故障切除后電壓恢復(fù)過(guò)程中，特別是在電壓瞬時(shí)值為零時(shí)刻合閘時(shí)，變壓器鐵心中的磁通迅速增加，使鐵心瞬間飽和，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的沖擊電流，可達(dá)6～10倍的額定電流，通常稱為勵(lì)磁涌流[2]，見(jiàn)圖2。

圖2 勵(lì)磁涌流原理圖

1.2 勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)

第一，勵(lì)磁涌流波形中含有很大的非周期分量，往往使涌流在最初的幾個(gè)周期內(nèi)偏向于時(shí)間軸的一側(cè)，并迅速衰減，一般經(jīng)0.5 s后，其值小于0.25～0.5倍額定電流[4]。

第二，勵(lì)磁涌流的波形存在間斷角。此間斷角對(duì)應(yīng)于鐵心工作在正常不飽和范圍，涌流對(duì)應(yīng)于飽和范圍。每個(gè)周期內(nèi)有120°～180°的間斷角，最小不低于80°～100°。

第三，勵(lì)磁涌流波形中含有大量的高次諧波，并且以二次諧波為主。

第四，勵(lì)磁涌流在初始階段數(shù)值很大，以后逐漸減小。

2 案例分析

2.1 事故情況

某廠4號(hào)主變生產(chǎn)廠家為保定天威保變電氣股份有限公司，規(guī)格型號(hào)為SFP-780000/500TH。4號(hào)主變配置兩套美國(guó)GE公司的T60保護(hù)裝置。按照機(jī)組檢修計(jì)劃，4號(hào)機(jī)組停機(jī)檢修，電氣人員對(duì)5033開(kāi)關(guān)和4號(hào)主變的本體及二次回路進(jìn)行了檢修工作。完成檢修工作后，運(yùn)行人員向調(diào)度申請(qǐng)4號(hào)主變充電。運(yùn)行人員對(duì)4號(hào)主變進(jìn)行充電操作，當(dāng)合上4號(hào)主變5033開(kāi)關(guān)對(duì)主變進(jìn)行充電瞬間，4號(hào)機(jī)第一套主變保護(hù)、第二套主變保護(hù)主變方向過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，5033開(kāi)關(guān)跳閘。

2.2 原因分析

4號(hào)機(jī)組檢修期間，電氣人員曾對(duì)5033開(kāi)關(guān)和4號(hào)主變本體和二次回路進(jìn)行檢修，并對(duì)4號(hào)主變保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)定檢。保護(hù)定檢完成后，先后用第一套、第二套主變差動(dòng)保護(hù)傳動(dòng)5033開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)分合正常。傳動(dòng)完成后，并未對(duì)發(fā)變組保護(hù)二次回路進(jìn)行任何工作。主變方向過(guò)流保護(hù)動(dòng)作后，電氣人員隨即進(jìn)行了檢查。檢查5033開(kāi)關(guān)未見(jiàn)異常，主變本體未見(jiàn)異常，4號(hào)機(jī)第一套主變保護(hù)裝置、第二套主變保護(hù)裝置主變方向過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，故障錄波裝置啟動(dòng)。

見(jiàn)圖3錄波圖可知，2月27日18時(shí)16分27秒384毫秒，5033開(kāi)關(guān)成功合閘，此時(shí)4號(hào)主變高側(cè)Ua、Ub、Uc相電壓正常，Ia、Ib、Ic相電流波形偏向時(shí)間軸的一側(cè)，其中Ib、Ic相電流最高達(dá)到0.731 A和0.930 A，大于主變方向過(guò)流保護(hù)整定值0.58 A，經(jīng)過(guò)543毫秒后，第一套主變方向過(guò)流保護(hù)、第二套主變方向過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)5033開(kāi)關(guān)。

圖3 主變方向過(guò)流保護(hù)錄波圖

從電流波形可看出，5033開(kāi)關(guān)合閘瞬間，4號(hào)主變高側(cè)電流Ia、Ib、Ic相直流分量為0.167 A、0.164 A、-0.334 A；二次諧波含量為80.97%、80.78%、79.53%。經(jīng)過(guò)543毫秒后，Ua、Ub、Uc相電壓分別為4.574 V、1.623 V、3.591 V；Ia、Ib、Ic相電流分別為0.308 A、0.556 A、0.712 A；直流分量為-0.009 A、0.121 A、-0.186 A，二次諧波含量為74.38%、23.55%、29.26%。從電流波形來(lái)看，符合勵(lì)磁涌流的特征。

4號(hào)主變方向過(guò)流保護(hù)的整定值為0.58 A，延時(shí)0.5 s，方向指向主變，見(jiàn)表1。變壓器投入前鐵心中的剩余磁通與變壓器投入時(shí)工作電壓產(chǎn)生的磁通方向相同時(shí)，其總磁通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鐵心的飽和磁通量，因此產(chǎn)生極大的涌流。經(jīng)了解，4號(hào)主變停電檢修期間，試驗(yàn)人員曾對(duì)主變進(jìn)行變壓器繞組直阻試驗(yàn)，試驗(yàn)人員為節(jié)約時(shí)間，采用了大電流進(jìn)行試驗(yàn)。變壓器在進(jìn)行繞組試驗(yàn)后，不可避免會(huì)產(chǎn)生剩磁，剩磁的多少取決于變壓器繞組通過(guò)直流電流的大小和時(shí)間長(zhǎng)短。鐵心剩磁不僅會(huì)造成變壓器勵(lì)磁涌流大量增加，而且還會(huì)產(chǎn)生諧波電流，嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全。試驗(yàn)后雖進(jìn)行消磁，但是并沒(méi)有檢測(cè)消磁的效果以及變壓器剩磁的多少。

表1 主變方向過(guò)流保護(hù)定值

為了進(jìn)一步分析主變充電時(shí)的勵(lì)磁涌流，從故障錄波裝置分別調(diào)出了近兩年主變充電時(shí)的電流波形。

圖4為4號(hào)主變充電時(shí)的歷史錄波圖，從該波形圖可以看出，5033開(kāi)關(guān)合閘后，主變高側(cè)三相電壓為正弦波，幅值分別為61.263 V、61.053 V、61.929 V，主變高側(cè)三相電流為0.226 A、0.336 A、0.146 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主變方向過(guò)流保護(hù)的整定值。

圖4 4號(hào)主變充電時(shí)歷史錄波圖

主變方向過(guò)流保護(hù)作為主變及其附屬設(shè)備的后備保護(hù)，只有當(dāng)主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，方向過(guò)流保護(hù)才會(huì)動(dòng)作。查閱圖紙可知，主變差動(dòng)保護(hù)整定值為0.2 A，該保護(hù)投2次諧波制動(dòng)，制動(dòng)系數(shù)為15%。從電流波形圖可以看出，5033開(kāi)關(guān)合閘瞬間，主變高側(cè)三相電流的二次諧波制動(dòng)分別為80.97%、80.78%、79.53%，主變高側(cè)方向過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)二次諧波分別為74.38%、23.55%、29.26%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于15%，導(dǎo)致主變差動(dòng)保護(hù)因二次諧波制動(dòng)而未動(dòng)作。

通過(guò)以上分析可知，5033開(kāi)關(guān)異常跳閘的根本原因是由于變壓器剩磁和勵(lì)磁涌流的疊加導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁涌流異常增大，而主變差動(dòng)保護(hù)因二次諧波制動(dòng)而未動(dòng)作，引起主變方向過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，最終導(dǎo)致5033開(kāi)關(guān)異常跳閘。

3 處理方法

此次事故的根本原因?yàn)樽儔浩魇４藕蛣?lì)磁涌流的疊加引起勵(lì)磁涌流異常增大導(dǎo)致5033開(kāi)關(guān)跳閘。針對(duì)事故原因，從變壓器剩磁和勵(lì)磁涌流兩個(gè)方面來(lái)解決。

針對(duì)變壓器剩磁問(wèn)題，對(duì)主變采用直流消磁法消除剩磁。在變壓器繞組兩端正向、反向分別加入直流電流，并按比例減小，以縮小鐵心的磁滯回環(huán)，來(lái)達(dá)到消磁的目的。為確保消磁效果，選用5 A和1 A電流檔位進(jìn)行反向反復(fù)沖擊消磁。

針對(duì)勵(lì)磁涌流問(wèn)題，通過(guò)對(duì)主變方向過(guò)流保護(hù)定值進(jìn)行整定計(jì)算，查閱相關(guān)規(guī)程并咨詢專家，發(fā)現(xiàn)主變方向過(guò)流保護(hù)定值0.58 A、0.5 s不合理。為合理躲過(guò)勵(lì)磁涌流的影響，經(jīng)過(guò)重新的整定計(jì)算，將主變方向過(guò)流保護(hù)定值修改為0.66 A、2.5 s。

通過(guò)上述兩方面的措施，基本解決了主變剩磁和勵(lì)磁涌流的影響，主變空充正常。

4 預(yù)防措施

變壓器進(jìn)行繞組直阻試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生一定的剩磁。主變空充時(shí)，不可避免會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，消除剩磁和勵(lì)磁涌流才是解決問(wèn)題的根本方法。為避免主變充電時(shí)剩磁和勵(lì)磁涌流導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，建議采取如下技術(shù)和管理措施：

第一，在保留原來(lái)的主變方向過(guò)流保護(hù)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)主變復(fù)壓過(guò)流保護(hù)，作為變壓器高側(cè)相間故障的后備保護(hù)。在兩套主變保護(hù)裝置分別增加一個(gè)主變復(fù)壓過(guò)流保護(hù)，復(fù)合電壓分別取主變低壓側(cè)電壓和主變高壓側(cè)電壓，兩者為或的關(guān)系；電流取主變高壓側(cè)電流。當(dāng)變壓器主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，該保護(hù)可以作為后備保護(hù)有效切除故障，保護(hù)設(shè)備安全。

第二，變壓器繞組直阻試驗(yàn)時(shí)，直流電阻測(cè)試電流檔位選擇小電流，高低壓側(cè)直阻試驗(yàn)完成后，需交換極性對(duì)變壓器繞組再進(jìn)行一次充電，用其所產(chǎn)生的磁通抵消測(cè)試試驗(yàn)時(shí)所產(chǎn)生的剩磁，必要時(shí)，反復(fù)進(jìn)行消磁，提高消磁效果。

第三，定期對(duì)發(fā)變組保護(hù)定值進(jìn)行整定計(jì)算。根據(jù)電氣設(shè)備的參數(shù)和實(shí)際情況，校核發(fā)變組保護(hù)定值的合理性。及時(shí)修訂不合理的定值，合理躲過(guò)勵(lì)磁涌流。

第四，加裝主變涌流抑制裝置，可以有效抑制主變充電時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，避免保護(hù)誤動(dòng)作[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

變壓器進(jìn)行繞組直阻試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生一定的剩磁；變壓器充電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。通過(guò)采取一系列技術(shù)和管理措施，可以有效抑制或消除變壓器的剩磁和勵(lì)磁涌流，確保主變空充正常。