張兵海,張衛(wèi)明,郭少飛,王心蕊,李鐵成

(國(guó)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(dòng)保護(hù)主要是指差動(dòng)速斷保護(hù),在區(qū)外短路故障時(shí)的誤動(dòng)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(shí),變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)作的發(fā)生概率更高。本文針對(duì)這種情況,使用PSCAD 仿真軟件,對(duì)不同接線(xiàn)形式、不同結(jié)構(gòu)的變壓器差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)電流(簡(jiǎn)稱(chēng)“差流”),和外部故障時(shí)的最大差流進(jìn)行仿真計(jì)算,分析短路電流中的非周期分量對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響,以期在設(shè)計(jì)、運(yùn)維時(shí)引起重視,防止可能的保護(hù)誤動(dòng)。

1 外部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)差流產(chǎn)生的原因

差動(dòng)保護(hù)的差流由組成差動(dòng)保護(hù)的二次電流進(jìn)行差計(jì)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(shí),差流就會(huì)出現(xiàn),當(dāng)被保護(hù)設(shè)備的外部發(fā)生短路時(shí),差流就會(huì)進(jìn)一步放大,進(jìn)而可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。

交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算公式為

由式(2)的故障電流計(jì)算可以看出,電流分為2個(gè)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?yàn)榉侵芷诜至渴撬p的,所以短路計(jì)算時(shí)阻抗元件中的R分量不應(yīng)該被簡(jiǎn)單忽略。

對(duì)于非周期分量故障電流的計(jì)算,手工計(jì)算非周期分量衰減、瞬時(shí)值等計(jì)算工作量較大,使用軟件計(jì)算則相對(duì)容易。

本文以變壓器差動(dòng)保護(hù)為例,使用PSCAD 軟件對(duì)外部最嚴(yán)重短路故障時(shí)的變壓器差動(dòng)保護(hù)差流進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 PSCAD建模仿真

2.1 變壓器差動(dòng)保護(hù)差流計(jì)算的系統(tǒng)模型

負(fù)荷變壓器外部故障電流仿真模型見(jiàn)圖1,主設(shè)備為并網(wǎng)于220 k V 電壓等級(jí)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(dòng)模型和2個(gè)故障位置,用于仿真雙次故障時(shí)TA 剩磁及電機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)變壓器差動(dòng)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(dòng)異步電機(jī);再過(guò)0.2 s后開(kāi)始第2次三相短路故障。

2.2 變壓器差動(dòng)保護(hù)的差流計(jì)算模型

TA 模型見(jiàn)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(gè)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(wèn)題。孕期不同階段注意事項(xiàng)也各有不同：

搭建的變壓器差動(dòng)保護(hù)星側(cè)二次轉(zhuǎn)角模型見(jiàn)圖3。負(fù)荷變壓器接線(xiàn)組別為Dyn1yn1接線(xiàn),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(jiàn)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(dòng)保護(hù)差流計(jì)算模型見(jiàn)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(jì)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(jì)算后差流瞬時(shí)值。IATa_diff_rms、IATb_diff_rms、IATc_diff_rms為計(jì)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(dòng)保護(hù)差流計(jì)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(jì)算一次電流的差流,可用來(lái)分析TA 傳變對(duì)差流的影響。

2.3 差流分析

一次電流和二次電流的差流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(gè)周波后的短時(shí)間窗明顯較高,已大于7.0Ie,如果差動(dòng)速斷保護(hù)按照整定計(jì)算導(dǎo)則整定為6.0Ie,保護(hù)已動(dòng)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(shí)際TA 傳變的2種二次電流的波形對(duì)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(gè)周波2種電流是沒(méi)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(duì)比

改變模型中的參數(shù),對(duì)各種可能的參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果說(shuō)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(shí)間常數(shù)的關(guān)鍵因素,按4 mm2二次電纜長(zhǎng)度200 m 考慮,當(dāng)TA 二次繞組直阻大于6Ω 時(shí),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(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)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(shuō)明增加一次系統(tǒng)的R分量,即降低一次時(shí)間常數(shù)對(duì)降低因非周期分量衰減問(wèn)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(dòng)速斷定值,外部短路電流不足以引起差速動(dòng)作時(shí),則該側(cè)外短電流非周期分量衰減問(wèn)題可不預(yù)考慮。

仿真過(guò)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(dòng)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(dòng),仿真結(jié)果說(shuō)明電機(jī)的啟動(dòng)電流對(duì)負(fù)荷變壓器差動(dòng)差流影響很小,再次故障時(shí)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(jì)算高、中壓側(cè)差動(dòng)保護(hù)差流的變化過(guò)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(jì)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(shí),仍出現(xiàn)大于6.0Ie差流的情況。

3 對(duì)策分析與建議

通過(guò)對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)在外部短路故障時(shí)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(shí),將產(chǎn)生差流,進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。通過(guò)對(duì)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(duì)策。

1)應(yīng)配置區(qū)外故障的速動(dòng)保護(hù),使區(qū)外故障得到快速切除。根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果,差流最高值一般初始于4個(gè)周波之后,此時(shí)如區(qū)外故障已切除,則不存在變差誤動(dòng)的機(jī)會(huì)。

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(guò)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(shí),建議以滿(mǎn)足要求為宜,不宜選擇過(guò)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(mǎn)足極限電動(dòng)勢(shì)要求情況下[5],仍應(yīng)采取措施降低其中的R分量。對(duì)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(wèn)題可不予考慮。

5)TA 二次系統(tǒng)阻抗較高時(shí),經(jīng)過(guò)計(jì)算差流可能超差動(dòng)速斷保護(hù)門(mén)檻時(shí),宜對(duì)保護(hù)門(mén)檻進(jìn)行適度調(diào)整,使其避過(guò)可能的最大差流,以防止保護(hù)誤動(dòng)。

6)即使對(duì)于超大容量的變壓器,也不應(yīng)將差動(dòng)速斷保護(hù)門(mén)檻設(shè)置到6.0Ie以下。因?yàn)樽儔浩魅萘吭酱?TA 變比越大,繞組直阻越大,發(fā)生相關(guān)誤動(dòng)問(wèn)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(jí)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(dòng)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(shí),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(dòng)保護(hù)誤動(dòng),分析認(rèn)為,此問(wèn)題應(yīng)在差動(dòng)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(gè)方面優(yōu)化選取,防患于未然。