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变压器差动保护工作原理和不平衡电流产生原因

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2010/5/20 19:11:34   

本文简要阐述变压器差动保护工作原理,分析差动保护不平衡电流产生的原因,针对不同原因,对症下药。提出相应有效的防范措施,提高差动保护动作的选择性、速动性、灵敏性、可靠性,从而保证变压器的安全稳定运行。查看更多精彩资讯

    [关键词]差动保护 电流互感器不平衡电流 励磁涌流

    1前言

    变压器差动保护是按照循环电流原理构成的。双绕组变压器,在其两侧装设电流互感器。当两侧电流互感器的同极性在同一方向,则将两侧电流互感器不同极性的二次端子相连接(如果同极性端子均置于靠近母线一侧,二次侧为同极相连),差动继电器的工作线圈并联在电流互感器的二次端子上。在正常运行或外部故障时,两侧的二次电流大小相等,方向相反,在继电器中电流等于零,因此差动保护不动作。然而,由于变压器实际运行中引起的种种不平衡电流,使得差动继电器的动作电流增大,从而降低了保护的灵敏度。

    2产生的原因

    不平衡电流的产生有稳态和暂态二方面。稳态不平衡电流产生的原因:(1)变压器高低压侧绕组接线方式不同;(2)变压器各侧电流互感器的型号和变比不相同;(3)带负荷调分接头引起变压器变比的改变。暂态不平衡电流主要是由于变压器空载投入电源或外部故障切除,电压恢复时产生的励磁涌流。

    3影响和防范措施

    下面就以上几种变压器差动保护的不平衡电流产生原因和防范措施进行阐述。

    3.1变压器高低压侧绕组接线方式不同的影响和防范措施:

    3.1.1变压器接线组别对差动保护的影响

    对于Y,y0接线的变压器,由于一、二次绕组对应相的电压同相位,故一、二次两侧对应相的相位几乎完全相同。而常用的Y,d11接线的变压器,由于三角形侧的线电压,在相位上相差30°,故其相应相的电流相位关系也相差30°,即三角形侧电流比星形侧的同一相电流,在相位上超前30°,因此即使变压器两侧电流互感器二次电流的数值相等,在差动保护回路中也会出现不平衡电流。

    3.1.2变压器接线组别影响的防范措施

    为了消除由于变压器Y,d11接线而引起的不平衡电流的影响,可采用相位补偿法,即将变压器星形侧的电流互感器二次侧接成三角形,而将变压器三角形侧的电流互感器二次侧接成星形,从而把电流互感器二次电流的相位校正过来。相位补偿后,为了使每相两差动臂的电流数值近似相等,在选择电流互感器的变比nTA时,应考虑电流互感器的接线系数KC后,即差动臂的电流为KCI1/nTA。其中,I1为一次电流,电流互感器按星形接线时则KC=1,按三角形接线时KC=√3,如电流互感器的二次电流为5A时,则两侧电流互感器的变比按以下两式选择。

    变压器星形侧的电流互感器变比为:

    nTA(Y)=√3In(Y)/5

    变压器三角形侧的电流互感器变比为:

    nTA(△)=In(△)/5

    式中In(Y)变压器绕组接成星形侧的额定电流;

    In(△)变压器绕组接成三角形侧的额定电流。

    实际上选择电流互感器时,是根据电流互感器定型产品变比确定一个接近并稍大于计算值的标准变比(下表所列为我厂一台15MVA38.5kV/6.3kV主变的计算)。

    3.2变压器各侧电流互感器型号和变比的影响和防范措施

    变压器两侧额定电压不同,装设在两侧的电流互感器型号就不相同,致使他们的饱和特性和励磁电流(归算到同一侧)也不相同。因而在外部短路时将引起较大的不平衡电流,对此只有采用适当增大保护动作电流的办法予以考虑。由于电流互感器都是标准化的定型产品,所以实际选用的变比,一般均与计算变比不完全一致,而且各变压器的变比也不可能完全相同,因此在差动保护回路又会引起不平衡电流。这种由于变比选择不完全合适而引起的不平衡电流,可利用磁平衡原理在差动继电器中设置平衡线圈加以消除,一般平衡线圈接于保护臂电流小的一侧,因为平衡线圈和差动线圈共同绕在继电器的中间磁柱上,适当选择平衡线圈的匝数,使它产生的磁势与差流在差动线圈中产生的磁势相抵消,这样,在二次绕阻就不会感应电势了,其差动继电器的执行元件也就无电流。但接线时要注意极性,应使小电流侧在平衡线圈与差流在差动线圈产生的磁势相反。

    3.3带负荷调压在运行中改变分接头的影响和防范措施

    电力系统中,通常利用调节变压器分接头的方法来维持一定的电压水平(由于分接头的改变,使变压器的变比也跟着改变)。但差动保护中电流互感器变比的选择,差动继电器平衡线圈的确定,都只能根据一定的变压器变比计算和调整,使差动回路达到平衡。当变压器分接头改变时,就破坏了平衡,并出现了新的不平衡电流,这一不平衡电流与一次电流成正比,其数值为

    Ibp=±△UID.max/nTA

    式中±△U――调压分接头相对于额定抽头位置的最大变化范围

    ID.max――通过调压侧的最大外部故障电流。

    为了避免不平衡电流的影响,在整定保护的动作电流时应给予相应的考虑,即提高保护的动作整定值。

    3.4变压器励磁涌流的影响和防范措施

    3.4.1变压器的励磁涌流对差动保护的影响

    变压器的高、低压侧是通过电磁联系的,故仅在电源的一侧存在励磁电流,它通过电流互感器构成差回路中不平衡电流的一部分。在正常运行情况下,其值很小,一般不超过变压器额定电流的3%~5%。当外部短路故障时,由于电源侧母线电压降低,励磁电流更小,因此这些情况下的不平衡电流对差动保护的影响一般可以不必考虑。在变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复过程中,由于变压器铁芯中的磁通急剧增大,使铁芯瞬间饱和,这时出现数值很大的冲击励磁电流(可达5~10倍的额定电流),通常称为励磁涌流。励磁涌流的波形如下图:

    由图可知,励磁涌流IE中含有大量的非周期分量与高次谐波,因此励磁涌流已不是正弦波,而是尖顶波,且在最初瞬间完全偏于时间轴的一侧。励磁涌流的大小和衰减速度,与合闸瞬间外加电压的相位,铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量、变压器的容量及铁芯材料等因素有关。对于单相的双绕阻变压器,在其它条件相同的情况下,当电压瞬时值为零时合闸,励磁电流最大;如果在电压瞬时值最大时合闸,则不会出现励磁涌流,而只有正常的励磁电流。对于三相变压器,无论任何瞬间合闸,至少有两相会出现不同程度的励磁涌流。在起始瞬间,励磁涌流衰减的速度很快,对于一般的中小型变压器,经0.5~1S后其值不超过额定流的0.25~0.5倍;大型电力变压器励磁涌流的衰减速度较慢,衰减到上述值时约2~3S。这就是说,变压器容量越大衰减越慢,完全衰减要经过几十秒的时间。根据试验和理论分析结果得知,励磁涌流中含有大量的高次谐波分量,其中二次谐波分量所占比例最大,约为60%以上。四次以上谐波分量很小,在最初几个周期内,励磁涌流的波形是间断的(即两个波形之间有一间断角),每个周期内有120。~180。的间断角,最小也不低于80。~100。[见左下图(b)]。另外,励磁涌流对于额定电流幅值的倍数,与变压器容量有关,容量越大,变压器的涌流倍数也越小。

    3.4.2变压器差动保护中减小励磁涌流影响的措施

    防止励磁涌流的影响,采用BCH型具有速饱和变流器的继电器是国内目前广泛采用的一种方法。当外部故障时,所含非周期分量的最大不平衡电流能使速饱和变流器的铁芯很快地单方面饱和,传变性能变坏,致使不平衡电流难于传变到差动继电器的差动线圈上,保证差动保护不会误动。内部故障时虽然速饱和变流器一次线圈的电流也含有一定的非周期性分量,但它衰减得快,一般经过1.5~2个周波即衰减完毕,此后速饱和变流器一次线圈中通过的完全是周期性的短路电流,于是在二次线圈中产生很大的感应电动势,并使执行元件中的相应电流也较大,从而使继电器能灵敏地动作。速饱和变流器正是利用容易饱和的性能来躲过变压器外部短路不平衡电流和空载合闸励磁涌流的非周期分量影响。

    此外,减小励磁涌流还可以采用以下措施:

    3.4.3采用内部短路电流和励磁涌流波形的差别(有无间断角)来躲过励磁涌流。

    即间断角鉴别法,这种方法是将差电流进行微分,再将微分后的电流进行全波整流,利用整流后的波形在动作整定值下存在时间长短来判断是内部故障,还是励磁涌流。

    3.4.4利用二次谐波制动。

    保护装置在变压器空载投入和外部故障切除电压恢复时,利用二次谐波分量进行制动;内部故障时,利用基波做;外部故障时,利用比例制动回路躲过不平衡电流。

    4结语

    综上所述,为了保证差动保护动作的选择性,差动继电器的动作电流必须避越最大不平衡电流。不平衡电流越小,保护装置的灵敏度越高,从而保证变压器的安全稳定运行。

    参考文献

    陈曾田:《电力变压器保护》.北京.中国电力出版社.1989年版

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