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Scott变压器差动保护研究

北极星电力网技术频道    作者:史泽兵 江卫良 郝后堂 顾志飞 郑作伟   2012/3/28 11:46:27   

0引言

Scott接线平衡变压器(又称T形接法变压器)是最早出现的三相-两相平衡变压器,内部由两台单相变压器构成)。在电力工业发展初期,三相输电方式刚刚确立时,人们就利用Scott接线变压器实现三相系统与两相系统(或两个单相系统)之间的互联。现在,平衡变压器主要用于大容量单相负荷接入三相电力系统的场合,如电气化铁道、工频感应炉等,用以减少单相负荷对三相电网造成的负序影响。同其它接线形式的平衡变压器相比,Scott变压器具有接线简单、便于分接调压、二次侧两相电气独立等优点,目前应用广泛。

但是由于该变压器的特殊性,其差动保护的电流互感器接线平衡公式与传统的Y/d-11接线方式的电力变压器不同,在早期的晶体管继电保护中,差动保护采用两继电器方式。在微机保护条件下,根据Scott牵引变压器的电流变换关系,衍生出了多种差动平衡公式。本文针对目前主流差动方案的不足,提出了一套完整的差动保护方案。

1Scott变压器差动保护

Scott变压器差动保护接线方式如图1所示。

1.1差动方案

该方案为现场Scott变压器微机差动保护实际应用中最普遍的一种。

1.1.1差流平衡公式

1.1.2差流计算公式

A相差动电流:

A相制动电流:

图1 Scott变压器差动保护接线方式

B相、C相差动电流、制动电流计算方法类似。式中:Kph=1/KXn2/n1为平衡系数;n 1为变压器高压侧CT变比;n 2为变压器低压侧CT变比;K=W1/W2为变压器高低侧绕组匝数比。

1.1.3涌流制动逻辑

涌流制动采用2次谐波“或”逻辑制动。

1.2差动方案2

1.2.1差流平衡公式

1.2.2差流计算公式

A相差动电流:

A相制动电流:

B相差动电流、制动电流计算方法类似。

1.3涌流制动逻辑

涌流制动逻辑采用改进型的2次谐波制动方案,该方案结合直流助增原理,在变压器空充时,根据差动电流中的直流含量自适应调节2次谐波制动系数。并在文献的基础上进行了简化:

K0=Ido/Idi (7)

当K0>10%时,Kxb2=Kset2-0.02;

当K0>20%时,Kxb2=Kset2-0.04;

当K0>30%时,Kxb2=Kset2-0.06;

当Kxb2 <Kset2/2.0时,Kxb2=Kset2/2.0.

式中:K0为直流分量与基波分量的比值;Kset2为2次谐波制动系数整定值;

Kxb2为2次谐波实时制动系数。

采用分段方式,主要是从实际应用角度出发,减少计算过程中由于波形不规则导致二次谐波制动系数的频繁变化。

1.4比率差动保护动作特性

比率差动保护动作特性如图2所示。

图2 比率差动保护动作特性

2两种方案分析与仿真

2.1理论分析

1)方案1为3相继电器差动,方案2为将差动继电器减化为2相,因此在实现方式上要简单;且方案1中的C相差动,与方案2中的A相差动相同。

2)方案2物理意义明显,实际上可以理解为特殊的两个单相变压器差动保护,可以分开整定保护定值,增加了保护的灵活性。

3)方案2涌流制动原理采用2次谐波分相制动方式,且2次谐波系数采用直流分量助增的分段取值法,使差动保护在空充故障变压器时能快速动作,同时又保证了空充正常变压器时可靠不误动。

4)在正常运行过程中,传统的交直电力机车会产生较大的3、5、7次谐波,而交直交型的动车组,17~21、41~51次区域谐波明显,但此时流过变压器的电流为穿越性电流,对两个差动保护方案影响都不大。

5)在电力机车启动与过分区空载投入时,可能产生较大的和应涌流,含有较大的二次谐波分量,如果此时牵引变压器发生内部轻微故障,会造成差动保护延时动作。此时分两种情况:如果机车运行相与故障相相同,方案;1与方案2的动作速度相同;如果机车运行相与故障相不相同,则方案2的动作速度要快于方案1。

6)当M座线圈发生匝间短路或者高压侧A、C相区内接地时,方案1的C相差动与方案2的A相差动都可反应此故障,两个方案的灵敏度相同。

7)当T座线圈发生匝间短路或者高压侧B相区内接地时,方案1的A、B相和方案2的B相差动都可以反应此故障,但由于方案2采取了线电流方式,定值整定一般为方案1中相电流方式的根号下3倍。而对于相同大小的故障电流,定值低的灵敏度要高。

根据以上分析,方案2的灵敏度在整体上要优于方案1

2.2REDS仿真模型

Scott变压器实际上可以理解为特殊的两个单相变压器,因此该模型直接通过两个自耦变压器模型组合实现,如图3。

图3 Scott变压器模型

变压器高压侧额定容量75MVA,电压等级11-KV/27.5KV;短路阻抗:Xac=1.452Ω,Xb=26.136Ω;绕组电阻RA=1.452Ω,RB=RC=0.968欧姆,Ra=Rb=0.242Ω;牵引网为直供模式。

2.3 REDS仿真

模拟在调整变压器分接头时,带负荷情况下发

生低压侧区外AB相经过渡电阻短路,故障波形如图4。

表1根据该波形,列出了故障前后两个方案差动电流与制动电流的比较数据。

正常情况下,如果发生区外故障,制动电流会变大,但是从波形数据分析可得:

注:电流10A/div;时间38ms/div

图4 区外故障波形图

表1差动电流与制动电流比较数据

方案1,在发生区外故障时,B相差动电流变大为0.47,但是制动电流反而由1.06A变小为0.72A。此时保护的动作情况,取决于差动保护的门槛定值和第一个拐点电流定值,如果差动门槛较高,拐点电流较小,则保护不容易误动。但是当差动门槛定值整定较低(0.40A)、第一个拐点电流较大(0.70A)的时候,差动保护仅靠差动门槛来进行制动,差动保护会误动。如果要躲避该故障时误动的可能性,需提高差动保护的动作门槛,此方法将影响差动保护的灵敏度。

而方案2,在发生该故障时,B相差动电流变化不大,都很小,而制动电流明显增大,与正常预期相符,肯定不会出现误动。

此外还对变压区内、外故障,空充变压器、及空充于故障等各种情况进行了模拟试验,差动方案2的整体表现良好,且优于方案1。典型的仿真结果见表2

2.4适用范围

牵引网无论是直接供电(DF)方式、带回流线的直接供电(DN)方式、自耦变压器供电(AT)方式,对于牵引变压器而言都可以理解为负载,不会影响变压器差流平衡公式,故此差动保护方案2对于负载为AT方式的牵引网也同样适用。

表2典型的仿真结果

3结论

1)方案2采用两相差动方式,结合自适应调整二次谐波制动系数的分相制动原理,大大提高了差动保护的整体性能。

2)从理论分析和RTDS数字仿真的结果看,方案2完全满足Scott变压器差动保护的要求,且

在灵敏度和可靠性方面都要优于方案1。

来源:现代电力 2011第5期
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