电流互感器饱和引起的保护拒动分析及应对措施

摘要:文章结合一起10kV线路因电流互感器饱和引起的越级跳闸事故,分析了电流互感器饱和对微机保护装置的影响,并结合事故情况提出了防止CT饱和的应对措施。

关键词:电流互感器;饱和;设备检查;故障分析

中图分类号:TM771文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)28-0073-03

0引言

继电保护科学和技术是随电力系统的发展而发展起来的。电力系统发生短路是不可避免的,伴随着短路,电流增大,对配电设备和用电设备都将产生较大影响,严重时甚至烧毁一次设备。动作于跳闸的继电保护,是保证电网安全稳定运行的重要手段,随着电力系统的不断发展,对继电保护动作正确性的要求越来越高。通常情况下,对保护的“四性”及二次回路的完好性很重视,而对用于继电保护的电流互感器(CT)参数选择及实际特性校核重视不够。随着主网及用电企业内部电网的改造,系统短路电流急剧增加和新型继电保护装置的大量采用,中低压系统中电流互感器的饱和问题日益突出,已影响到继电保护装置动作的正确性。下面结合我公司近期发生的一起由于10kV线路出口故障后保护拒动而造成主变压器后备保护越级跳闸的事故,分析CT饱和对继电保护装置的影响,并结合事故情况采取防止CT饱和的应对措施。

1系统图及开关动作情况

开关动作情况(如图1):“烧结区域变2#主变”低后备过流Ⅰ段动作,主变二次开关112跳闸,Ⅱ段母线馈出开关均无跳闸,烧结区域变Ⅱ段母线失电。“北仑料场Ⅱ段变压器6TM2” 1212开关柜零序Ⅰ段动作,开关跳闸,北仑料场Ⅱ段母线失电。北仑料场2#线1108和北仑料场2#受电122开关未跳闸,也无任何故障信息,详见表1。

2设备检查、试验情况

2.1外观检查

现场检查烧结区域变2#主变二次开关112在分位,烧结区域变II段母线各馈出线开关均在合位(含北仑料场2#线1108);检查北仑料场开关站2#受电122开关在合位,6TM2变压器1212开关在分位。同时,检查北仑料场开关站6TM2变压器间隔发现在变压器10kV高压侧有猫尸体,高压侧瓷瓶被击穿,高压侧三相间有弧光短路现象。

2.2设备检查

针对故障情况,对烧结区域变II段母线各馈线开关及电缆回路进行绝缘检查和电气试验,各项电气试验合格,未发现异常情况;对北仑料场开关站II段母线进行了检查,也未发现异常情况。由此可以判断故障点仅存在于6TM2变压器高压侧,由三相短路引起此次事故。

2.3保护及二次回路检查

针对开关拒动情况,对北仑料场2#线1108、北仑料场2#受电122、6TM2变压器1212保护进行检查,经整定值校对、保护传动及二次回路通电试验检查,保护动作正常、信号正确,装置与二次回路绝缘及直流电状况良好。

2.4电流互感器(CT)检查

北仑料场2#线1108、北仑料场2#受电122和6TM2变压器1212 线路CT变比测试均合格;从电气伏安特性测试情况看,北仑料场2#线1108和北仑料场2#受电122电流互感器二次电流大于6A以上时, 电压曲线呈平滑上升趋势,有饱和的迹象,6TM2变压器1212线路电流互感器二次电流大于6.5A以上时开始进入饱和区。

3故障分析

很明显,此次事故是北仑料场2#线1108、北仑料场2#受电122在(6TM2)变压器高压侧三相短路后微机保护未采集到任何故障信息而致拒动,从而引起烧结区域变后备保护越级跳闸造成的。从表1中不难算出,烧结区域变2#主变低后备过流I段动作采集到的一次短路电流为12000A左右。

3.1CT的抗饱和能力的影响

北仑料场2#线1108和北仑料场2#受电122微机保护在故障时未采集到故障量,判断为CT存在严重饱和现象致使二次传变发生了问题。

电流互感器的误差主要是由励磁电流Ie引起的,正常运行时由于励磁阻抗较大,因此Ie很小,以至于这种误差是可以忽略的。但当CT饱和时,饱和程度越严重,励磁阻抗越小,励磁电流极大的增大,使互感器的误差成倍的增大,影响保护的正确动作。最严重时会使一次电流全部变成励磁电流,造成二次电流为零的情况。引起互感器饱和的原因一般为电流过大或电流中含有大量的非周期分量,这两种情况都是发生在事故情况下的,这时本来要求保护正确动作快速切除故障,但如果互感器饱和就很容易造成误差过大引起保护的不正确动作,进一步影响系统安全。

对北仑料场2#线1108和北仑料场2#受电122保护CT进行伏安特性校验看出,当二次电流大于6A以上时开始进入饱和区。保护CT的准确等级为5P20,变比为300/5(见表1),即在20倍额定电流内的变比误差不超过5%,20倍额定电流是额定准确极限电流值,该300/5的CT额定准确极限电流值为6000A。烧结2#主变低后备过流I段动作采集到的一次短路电流为12000A左右,是额定电流的40倍;短路电流已超出趋于饱和时电流的数倍以上,使北仑料场2#线1108、北仑料场2#受电122保护CT始终处于饱和状态,二次电流发生畸变。当CT在严重饱和时,一次电流全部变为励磁电流,使铁心饱和,二次电流几乎为零,致使保护未采集到故障量,导致开关未跳闸。如果保护CT的等级仍为5P20,要在短路电流为12000A时误差不超过5%,理论上计算变比需要在600/5以上。

同理,我们来分析6TM2变压器1212速断和过流保护未采集到故障量的情况。根据事件记录6TM2变压器1212和烧结2#主变二次开关112几乎同时跳闸,而6TM2变压器速断和过流保护未动作,由零序过流I段保护动作跳闸(见表1)。说明速断和过流保护未采集到故障量,判断为CT严重饱和。经校验保护CT伏安特性,当二次电流大于6.5A以上时开始进入饱和区,保护CT的准确等级为5P20,变比为75/5(见表1),12000A左右的短路电流是额定电流的160倍,远大于额定准确极限电流值(1500A),短路电流已超出趋于饱和时电流的数倍以上,使CT始终处于饱和状态。零序电流为CT二次侧三相电流的合成,当CT饱和时二次侧三相电流极不平衡,产生较大的不平衡电流,使零序过流动作。

3.2微机保护装置采样精度的影响

一般普通的微机保护装置采样频率比较低,而且都是利用一定长度数据窗内的若干个采样数据计算电流的大小,如果二次电流发生畸变,波形变成很窄的尖脉冲,在一个数据窗内可能仅采样到很少几个点(甚至采样不到)的真实故障数据,其他各点采样值接近于零,这样计算出来的故障电流肯定偏小。这就要求大大提高保护装置的采样频率,给装置设计带来一定困难。在不改变CT变比和额定准确极限电流值的情况下,降低整定值无法避免保护拒动。

在微机保护中数据采集有2种比较典型的方法,即VFC法和A/D法,由于VFC方法采集到的数据是信号在2个读数间隔中的平均值,若输入信号大于VFC的最高转换电平,则产生截顶饱和。若保护算法中需连续5次的故障电流数据才能可靠动作,电流的饱和角为60°,则采样频率必须高达1800Hz,即每周期进行36点采样,做到这一点在中压电力系统的保护装置中是不经济的。

3.3CT变比裕度选择的影响

区域变与各开关站由不同的设计院设计,对CT变比裕度的选择各不相同。

3.4 电网改造导致短路容量增大的影响

我公司220kV总降变电所在2007年7月由220kV芦江变割接于500kV春晓变使电网短路容量增大,加上公司内部现有三台发电机组(1#TRT、2#TRT、余热小发电),致使公司内部电网的短路电流增大很多,使CT抗饱和的能力下降。

4应对措施

变电所各馈线间隔目前的CT变比和准确等级,在严重短路时极易饱和,这是一个普遍存在的问题。要严格执行变电运行管理制度,加强配电室、电气室防小动物的管理,及时整改各种安全和设备隐患。从设备本质安全考虑,可以从以下几方面采取措施:

4.1限制短路电流

在较高一级的电压等级中采取分列运行的方式以限制短路电流。分列运行后造成的供电可靠性的降低可通过备用电源自动投入等方式补救。在新建供配电系统中短路电流过大可采取串联电抗器的做法来限制短路电流。不过这种方法投资大、建设周期长,短时间内无法实现。

4.2增大保护级CT的变比

增加CT变比和额定准确极限电流值可以提高在严重短路时的抗饱和能力,但存在小电流情况下采样精度不够,全部更换现有的CT投入较大。建议增大区域变馈线保护CT的变比和额定准确极限电流值,计量CT仍可采用原变比,同时增加专用零序互感器,不采用三相合成的零序电流,以提高零序电流的精度。

4.3减小电流互感器的二次负载

选用交流功耗小的继电保护装置,一般微机型保护电流继电器的交流电流功耗小,每回路仅0.5 VA,选用微机综合保护装置已经日益普遍。

尽可能将继电保护装置就地安装,CT的负载主要是二次电缆的阻抗,将继电保护装置就地安装,大大缩短了二次电缆长度,减小了互感器的负担,避免了饱和。另外,就地安装后,还简化了二次回路,提高了供电可靠性。就地安装方式对继电保护装置本身有更高的要求,特别是在恶劣气候环境下运行的能力和抗强电磁干扰的性能要好。此外还可以增大二次接线的截面积。

减小CT的二次额定电流,由于功耗与电流的平方成正比,将二次额定电流从5 A降至1 A,在负载阻抗不变的情况下,相应的二次回路功耗降低了25倍,互感器不容易饱和。但是,减小了CT的二次额定电流也会对继电保护装置产生负面影响,二次电流减小后,必须提高继电器的灵敏度,而灵敏度和抗干扰能力是一对矛盾。对于就地安装的继电保护装置,由于二次电流电缆的长度很短,现场的电磁干扰水平又比较高,仍以选用二次额定电流为5 A的互感器较合适。

其次,还可以选择采用抗饱和能力强的继电保护装置,例如采用对电流饱和不敏感的保护原理或保护判据、采用对CT饱和不敏感的数字式保护装置、有效地利用电流不饱和段的信息,等等。

综上所述,我公司现阶段微机保护均为就地安装,可以采取增大保护级CT变比的方式解决。全部更换CT投入较大,增大区域变馈线保护CT的变比和额定准确极限电流值,计量CT仍可采用原变比。例如,电流互感器型号,LZZBJ9-12/150b/40.5/5P2015VA 300/5 ,可改为,LZZBJ9-12/150b/4300/5,C1:15VA/0.5;600/5, C2:15VA/5P20。

5结论

电力系统主网和企业内部电网扩容改造,目的是为了增加供电可靠性,系统的短路容量也因此不断增加。但由于资金等原因的限制,不可能把电网中正在运行的断路器、CT和继电保护装置都更换掉。因此有必要重新计算系统的短路容量、校验CT的饱和倍数及分析继电保护装置的抗饱和能力,为P级CT参数的合理选择提供依据;还应当减少对保护装置合成零序的应用,推广使用专用零序互感器。根据系统特点采取相应的措施保证继电保护装置动作的正确性,确保电网的安全、稳定运行。

参考文献

[1] 崔家佩,孟庆炎,陈永芳,熊炳耀.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算[M].北京:中国电力出版社,1993.

[2] 陈建玉,孟宪民,张振旗,王志华.电流互感器饱和对继电保护影响的分析及对策[J].电力系统自动化,2000,(6).