变压器差动保护有关问题研究

摘要:本文简要阐述了变压器差动保护的工作原理,分析了差动保护不平衡电流产生的原因,并提出了相应的防范措施。

关键词:差动保护工作原理;不平衡电流产生原因;防范措施

1.前言

变压器差动保护是按照循环电流原理构成的,是变压器的主保护。一般采用的是带制动特性的比率差动保护,因其所具有的区内故障可靠动作,区外故障可靠闭锁的特点使其在系统内得到了广泛运用。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,在继电器中电流为零,因此差动保护不动作。然而,由于变压器在实际运行中引起的不平衡电流,使差动继电器的动作电流增大,从而降低了保护的灵敏度。

2.产生原因

(1)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。

(2)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.差动保护用的电流互感器的基本要求

差动保护用的电流互感器需要满足两个条件:一是稳态误差必须控制在10%误差范围之内,因为整定计算中采用的不平衡稳态电流是按10%误差条件计算的。二是暂态误差。电流互感器剩磁对于饱和影响很大,当剩磁与短路电流暂态分量引起的磁通极性相同时,加重二次电流的畸变,因此电流互感器铁心中存在剩磁,则电流互感器可能在一次电流远低于正常饱和值即过早饱和。差动保护的暂态不平衡电流比稳态时大得多,仅在整定计算时将稳态不平衡电流增大二倍是不够安全的。采取抗饱和的办法是使用带有气隙的tpy级电流互感器。但是差动保护广泛使用的是p级电流互感器,对p级电流互感器规定允许稳态误差不超过10%,暂态误差必然要超过稳态误差,在实用上可在按稳态误差选出的技术规范基础上通过“增密”以限制暂态误差。

采用增密的方法主要有:(1)将准确限值系数增大二倍(允许短路电流为额定电流的倍数);(2)将二次额定负担增大一倍;(3)增大二次电缆截面使二次回路的总电阻减半;(4)改用5p级电流互感器(复合误差由10%降为5%)。

目前110kv及以下电压等级均采用p级电流互感器,220kv变压器亦采用p级电流互感器或5p级、pr级电流互感器,因此差动保护需要采取抗电流互感器饱和的措施。500kv变压器在500kv侧、220kv侧均用tpy级电流互感器,对于600mw大型发电机变压器组保护,500kv侧均采用tpy级电流互感器,在发电机侧已有tpy级电流互感器可选用。

4.变压器励磁涌流的影响和防范措施

4.1变压器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%。当外部发生短路故障时,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所示:

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。对于单相的双绕组变压器,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。依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。

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。

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

此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。

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。

5.提高灵敏度和快速性必须建立在安全、可靠的基础上

差动保护应具有高灵敏度和快速性,轻微匝间短路能快速跳闸。但提高灵敏度和快速性必须建立在安全、可靠的基础上。运行实践证明:使用较低的起动电流值在区外故障或区外故障切除时会引起差动保护误动的严重后果,因此对于灵敏度和快速性不要追求过高的指标而忽视可靠性。

提高灵敏度虽对反映轻微故障是有效的,但灵敏度的提高必然会降低安全性。变压器的严重故障并不都是由轻微故障发展而来的,故障发生的瞬间仍会发生烧毁设备的事故,同时轻微故障发展为严重故障也需要时间,因此轻微故障带一些时间切除故障也是允许的,长时间的运行实践证实变压器气体保护是动作时间稍长地切除轻微的匝间故障。

轻微匝间故障时产生的机械应力和热效应不大,在200ms内故障切除,不会危及铁心,从检修的角度,只要铁心不损坏,轻微和严重的匝间故障都需要更换线圈,因此只要差动保护在铁心损坏之前动作,就可以满足检修的要求,不需要追求减少线圈的烧损程度而牺牲保护的安全性。

6.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应尽量避开最大不平衡电流。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;变压器的差动保护应建立在安全可靠的基础之上。