微機(jī)型變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因分析與對(duì)策

本文通過(guò)對(duì)一起微機(jī)型變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的原因分析，揭示了變壓器的暫態(tài)飽和對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。提出了利用制動(dòng)電流的二次諧波比進(jìn)行閉鎖的新方法，該方法可提高微機(jī)型變壓器差動(dòng)保護(hù)的可靠性。
　　關(guān)鍵詞：差動(dòng)保護(hù); 暫態(tài)飽和

Analysis and solving action reason of the microprocessor based transformer differential protection?

LI De-jia

( Nuclear Power QINSHAN Join Venture CO.,LTD Zhejiang Haiyan,China 314300)

　　Abstract: This paper via once to the microprocessor based transformer differential the reason the to analyze, announce the transformer transient saturation influence to differential protection. Putting forward the new method that exploiting the second harmonic current ratio to lock protection mistake action, the method can increase the differential protection dependable.
　　Key words: differential protection transient saturation


一、 引言
　　差動(dòng)保護(hù)廣泛作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、母線等電氣主設(shè)備內(nèi)部短路故障的主保護(hù)。從動(dòng)作原理上講是最好的。在外部故障的選擇性決定于CT對(duì)短路電流的正確變換和差動(dòng)繼電器的優(yōu)良性能。歷年主保護(hù)動(dòng)作統(tǒng)計(jì)表明差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作率偏低。主要原因:①、維護(hù)及運(yùn)行不良。②、CT暫態(tài)誤差的影響。變壓器差動(dòng)保護(hù)不僅有電路問(wèn)題，還存在磁路問(wèn)題。由于大型變壓器的磁路正常運(yùn)行于微飽和工況下。所以，變壓器在帶非線性負(fù)載，如空充負(fù)載變壓器時(shí)就會(huì)發(fā)生暫態(tài)飽和，勵(lì)磁電流增大，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流過(guò)大而誤動(dòng)。舉例如下：
　　①、 二灘電廠從首臺(tái)機(jī)發(fā)電運(yùn)行到現(xiàn)在，廠高變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)過(guò)三次，每次動(dòng)作都是在廠高變的下級(jí)廠用電切換時(shí)動(dòng)作，動(dòng)作后檢查一次設(shè)備無(wú)故障，保護(hù)裝置和回路沒(méi)問(wèn)題。
　　結(jié)論：是由于廠高變CT配置不合理，多次切換廠用電引起誤動(dòng)作。
　　現(xiàn)階段的解決辦法：提高廠高變差動(dòng)保護(hù)定值。
　　②、 秦山二期輔助變差動(dòng)保護(hù)在調(diào)試的一年時(shí)間內(nèi)誤動(dòng)過(guò)五次，每次都是在電鍋爐變空充時(shí)發(fā)生誤動(dòng)作。帶大容量電動(dòng)機(jī)及其它工況下，保護(hù)裝置運(yùn)行良好。動(dòng)作后檢查一次設(shè)備無(wú)故障，保護(hù)裝置及回路良好，保護(hù)裝置帶負(fù)荷檢查差電流也很小。
　　當(dāng)時(shí)的結(jié)論：CT飽和及定值不合理。
　　現(xiàn)階段的解決方法：提高輔助變差動(dòng)保護(hù)定值和采用三取二循環(huán)閉鎖。
　　下面通過(guò)分析秦山二期輔助變差動(dòng)保護(hù)錄波圖，來(lái)說(shuō)明變壓器暫態(tài)飽和對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響，并探討解決該問(wèn)題的方法和對(duì)策。

二、 保護(hù)動(dòng)作原因分析
1、 設(shè)備情況簡(jiǎn)介：
　　①、設(shè)備用途
　　 輔助變壓器作為核電廠的廠外第二路電源，在第一路電源故障且孤島運(yùn)行不成功的條件下，將由慢切換裝置使廠用中壓電源倒至由輔助變壓器供電。這路電源同時(shí)帶有電鍋爐負(fù)荷。
　　②、設(shè)備參數(shù)
　　 輔助變壓器：額定容量31500KVA；電壓比220KV/6KV；接線組別Y0/Y；220KV側(cè)電流互感器參數(shù)：625/5， 5P20， 40VA， 50HZ，6KV側(cè)電流互感器參數(shù)：3000/5， 5P20， 25VA， 50HZ。
　　 電鍋爐變壓器：額定容量26000 KVA；電壓比6.3KV/13.8KV；接線組別d/Y0；
　　③、繼電保護(hù)配置及整定值
　　 保護(hù)配置采用完全雙重化，既從直流控制電源、跳閘線圈、電流互感器、保護(hù)類型等均實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立。保護(hù)配置采用的是許繼廠生產(chǎn)的WBH-100型微機(jī)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)配置為帶有二次諧波制動(dòng)的比率式差動(dòng)保護(hù)。
　　 整定值：差動(dòng)最小動(dòng)作電流為35%×(變壓器220KV側(cè)額定電流),Icd,min.op=35%×0.66=0.23A；二次諧波制動(dòng)系數(shù)為20%；最小制動(dòng)電流為變壓器220KV側(cè)額定電流 Izd=0.66A；斜率S為0.5.
　　④、一次主接線及差動(dòng)保護(hù)接線方式
　　如圖2所示。

2、保護(hù)動(dòng)作情況簡(jiǎn)介
　　2001年8月26日在電鍋爐變調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)合3DL空充電鍋爐變時(shí)，輔助變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)變壓器兩側(cè)開(kāi)關(guān)（1DL、2DL）。
　　現(xiàn)場(chǎng)檢查情況如下：
　　1) 輔助變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)燈點(diǎn)亮。
　　2) 電鍋爐變保護(hù)均未動(dòng)作。
　　3) 發(fā)變組故障錄波器啟動(dòng)，但一次系統(tǒng)無(wú)故障。
3、保護(hù)動(dòng)作原因初步分析：

　　1）、錄波圖初步分析：從微機(jī)保護(hù)錄波圖的初步分析，發(fā)現(xiàn)如下情況：
　　①、輔助變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)是由于電鍋爐變空充產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的，而對(duì)于輔助變這種情況下流過(guò)的電流為穿越性負(fù)荷電流，此情況下動(dòng)作是不正確的。
　　②、在涌流的前3個(gè)周波，輔助變兩側(cè)電流在數(shù)值及相位關(guān)系均正確。但過(guò)了3個(gè)周波后輔助變兩側(cè)電流在數(shù)值及相位關(guān)系均發(fā)生了變化。變化規(guī)律為輔助變低壓側(cè)（6KV側(cè)）相對(duì)于高壓側(cè)（220KV側(cè)）電流減小了。
　　③、保護(hù)誤動(dòng)時(shí)間為空充電鍋爐變0.3秒之后。
　　2）、從錄波圖選取4個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析如下：
　　從輔助變微機(jī)保護(hù)錄波圖（圖2）選取特征點(diǎn)為:
　　第1特征點(diǎn)：空充電鍋爐變前；第2特征點(diǎn)：空充電鍋爐變產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流第一個(gè)波峰點(diǎn)；第3特征點(diǎn)：電流波形突變點(diǎn)；第4特征點(diǎn)：跳閘時(shí)刻。
　　錄波分析軟件分析的數(shù)據(jù)如表1：

　　通過(guò)計(jì)算所得數(shù)據(jù)如表2：

　　通過(guò)表2分析可見(jiàn)：當(dāng)差動(dòng)電流大于最小啟動(dòng)電流時(shí)（微機(jī)型差動(dòng)保護(hù)只有當(dāng)差動(dòng)電流大于最小啟動(dòng)電流時(shí)，才進(jìn)行二次諧波制動(dòng)判斷。），差動(dòng)電流中基波分量遞減；二次諧波分量與基波分量的比例遞減；五次諧波與基波比例遞增。制動(dòng)電流中基波分量遞減，二次諧波分量與基波分量的比例遞增。
　　3） 、實(shí)際準(zhǔn)確限值系數(shù)（ALF）的計(jì)算:
　　高壓側(cè)、低壓側(cè)CT至輔助變保護(hù)屏距離相同，兩側(cè)CT二次負(fù)擔(dān)是匹配的。
　　實(shí)測(cè)參數(shù)：CT二次負(fù)擔(dān)的各相最大值為0.5歐姆（包括：繼電器和電纜的阻抗），CT內(nèi)阻Rin=0.1歐姆。由于國(guó)內(nèi)保護(hù)廠家尚無(wú)差動(dòng)保護(hù)所用CT的使用要求。因此，下面計(jì)算是采用ABB公司《SPAD346C差動(dòng)保護(hù)用CT的使用建議》的要求進(jìn)行的。
　　Fa=Fn×(Sin+Sn)/(Sin+Sa) （1）?
式中：Fa －實(shí)際負(fù)荷下CT準(zhǔn)確限值系數(shù)；Fn－額定負(fù)荷下CT準(zhǔn)確限值系數(shù)；Sin－CT內(nèi)部負(fù)荷； Sa －實(shí)際負(fù)荷；Sn－額定負(fù)荷。
　　要求：Fa>40 （2）
　　這主要是考慮到區(qū)外故障切除后CT會(huì)產(chǎn)生剩磁，在重合于故障時(shí)，防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。
　　高壓側(cè)CT實(shí)際的準(zhǔn)確限值系數(shù)：∵Sin＝5×5×0.1；Sn＝40；Sa＝5×5×0.5；Fn＝20；∴Fa=56.67。低壓側(cè)CT實(shí)際的準(zhǔn)確限值系數(shù)：∵Sin＝5×5×0.1；Sn＝25；Sa＝5×5×0.5；Fn＝20；∴Fa=43.33。
　　高、低壓側(cè)CT均滿足要求。
　　4） 、通過(guò)上述分析和計(jì)算，筆者認(rèn)為變壓器的暫態(tài)飽和是引起輔助變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的一個(gè)重要原因。據(jù)有關(guān)資料介紹，變壓器穩(wěn)態(tài)飽和勵(lì)磁電流最大可達(dá)額定電流的50％左右。從表2可見(jiàn)，變壓器暫態(tài)飽和勵(lì)磁電流最大已達(dá)到額定電流的146％。如不采取新的措施，僅靠提高差動(dòng)保護(hù)定值的方法是不可行的。通過(guò)提高差動(dòng)保護(hù)定值的方法，不僅降低了變壓器匝間短路時(shí)保護(hù)的靈敏度，而且將失去比例制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)能保護(hù)變壓器匝間短路的優(yōu)點(diǎn)，這是不可取得。

三、 采取的對(duì)策探討：
　　變壓器的穩(wěn)態(tài)飽和是由于電源電壓過(guò)高、頻率過(guò)低引起的，用五次諧波制動(dòng)的方法來(lái)處理是完全可行的。從表2可見(jiàn)，跳閘時(shí)刻的五次諧波比例很小，不到基波電流的10％。因此，變壓器的暫態(tài)飽和用五次諧波制動(dòng)的方法是不可行的。差動(dòng)電流的基波和二次諧波比都在衰減，利用差動(dòng)電流中二次諧波比制動(dòng)的方法也不能避免這種情況下的誤動(dòng)作。筆者提出利用制動(dòng)電流中的二次諧波比來(lái)制動(dòng)的方法，能解決微機(jī)型差動(dòng)保護(hù)在變壓器暫態(tài)飽和時(shí)的誤動(dòng)作。即當(dāng)差動(dòng)電流與制動(dòng)電流均大于差動(dòng)最小動(dòng)作電流時(shí)，進(jìn)行二次諧波比制動(dòng)的判別。
　　對(duì)于微機(jī)型變壓器保護(hù)，由于其具有強(qiáng)大的數(shù)值處理能力，故在二次諧波制動(dòng)比計(jì)算方法的選擇上具有較大的靈活性，目前常用的有以下幾種方法：
　　①、諧波比最大相制動(dòng)：
　
　　即利用滿足差動(dòng)動(dòng)作條件的差流中二次諧波與基波比的最大值來(lái)制動(dòng)。

　　②、 按相制動(dòng)：
　
　　即利用差流中最大相的二次諧波與基波比值來(lái)制動(dòng)。
　　③、 綜合相制動(dòng)：
　
　　即利用三相差流中二次諧波的最大值與基波的最大值之比來(lái)制動(dòng)。
　　④、 筆者提出的方法，制動(dòng)電流的諧波比最大相制動(dòng)：
　
　　即利用滿足差動(dòng)動(dòng)作條件的制動(dòng)電流中二次諧波與基波比的最大值來(lái)制動(dòng)。
　　制動(dòng)電流的選取有以下三種方式：
　
式中：Ih1，Il1－變壓器高、低壓側(cè)基波電流 ;Ih2，Il2－變壓器高、低壓側(cè)二次諧波電流。
　　下面列表對(duì)上述四種方法二次諧波比進(jìn)行比較（僅比較第4特征點(diǎn)）

　　從表3分析可得如下結(jié)論：
　　1、方法④實(shí)際是利用負(fù)載變壓器勵(lì)磁涌流中的二次諧波來(lái)進(jìn)行制動(dòng)的，因此二次諧波比比較高。
　　2、應(yīng)采用單相制動(dòng)三相的制動(dòng)方式。方法④在被保護(hù)變壓器空充及區(qū)內(nèi)故障時(shí)的影響與方法①相同。采用該閉鎖方式只能提高微機(jī)型變壓器差動(dòng)保護(hù)的可靠性，而且能更好的發(fā)揮比例制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)能保護(hù)變壓器匝間短路的優(yōu)點(diǎn)。

四、 結(jié)論
　　本文通過(guò)一起微機(jī)型變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原因的分析，揭示了大型變壓器暫態(tài)飽和對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。這也是比例式變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)頻繁的一個(gè)重要原因。并提出了解決該問(wèn)題的新辦法。望繼電保護(hù)專家與變壓器專家共同研究大型變壓器暫態(tài)飽和的特點(diǎn)及現(xiàn)象，這對(duì)提高變壓器差動(dòng)保護(hù)的正確動(dòng)作率大有好處。