新投运变压器差动保护问题分析及带负荷测试方案改进

摘要:文章针对变压器差动保护在设计、安装、整定过程中可能出现的各种问题,结合变压器差动保护原理,简单说明了差动保护带负荷测试的内容,分析了测试中可能出现的各种异常,并对传统的带负荷测试提出了一种比较简单可行的调试方案,最后对一起差动保护异常的分析处理进行了简单介绍。

关键词:带负荷测试;新投运变压器;差动保护

中图分类号:TM407文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)13-0021-04

差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时,一直用于变压器做主保护,其运行情况直接关系到变压器的安危和系统的稳定。怎样才知道差动保护的运行情况以及差动保护的整定、接线正确?唯有用负荷电流检验。但检验时要测哪些量,测得的数据又怎样分析和判断是本文探讨的内容。

下面就针对这些问题做些讨论:

一、变压器差动保护带负荷测试的重要性

差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的,当变压器正常工作或区外故障时,将其看作理想变压器,则流入变压器的电流和流出电流(折算后的电流)相等,差动继电器不动作。当变压器内部故障时,两侧(或三侧)向故障点提供短路电流,差动保护感受到的二次电流的和正比于故障点电流,差动继电器动作。

变压器差动保护原理简单,但实现方式复杂,加上各种差动保护在实现方式细节上的各不相同,更增加了其在具体使用中的复杂性,使人为出错机率增大,正确动作率降低。比如许继公司的微机变压器差动保护计算Y-接线变压器Y侧额定二次电流时不乘以系数,而南瑞公司的保护要乘以系数。这些细小的差别,设计、安装、整定人员很容易疏忽、混淆,从而造成保护误动、拒动。为了防范于未然,就必须在变压器差动保护投运时进行带负荷测试。

二、变压器差动保护带负荷测试内容

要排除设计、安装、整定过程中的疏漏(如线接错、极性弄反、平衡系数算错等),就要收集充足、完备的测试数据。

带负荷测试方案:

(一)差流(或差压)

变压器差动保护是靠各侧CT二次电流和即差流工作的,所以,差流(或差压)是差动保护带负荷测试的重要内容。电流平衡补偿的差动继电器用钳形相位表或通过微机保护液晶显示屏依次测出三相差流,并记录;磁平衡补偿的差动继电器,用0.5级交流电压表依次测出三相差压,并记录。

(二)各侧电流的幅值和相位

只凭借差流判断差动保护正确性是不充分的,因为一些接线或变比的小错误,有时不会产生明显的差流,且差流随负荷电流变化,负荷小,差流跟着变小。所以,除测试差流外,还要用钳形相位表在保护屏端子排依次测出变压器各侧三相电流的幅值和相位(相位以一相PT二次电压做参考),并记录。一般情况下,对于新设备不推荐通过微机保护液晶显示屏测量电流幅值和相位。

变压器潮流:通过现场或调度端电流、有功、无功数据,记录变压器各侧电流大小,有功、无功功率大小和流向,为CT变比、极性分析奠定基础。

负荷电流越大越好,负荷电流越大,各种错误在差流中的体现就越明显,就越容易判断。然而,实际运行的变压器,负荷电流受网络限制,不会很大,但至少应满足所用测试仪器精度要求,以及差流和负荷电流的可比性。若二次负荷电流只有0.2A而差流有65mA时,判断差动保护的正确性就相当困难。

三、变压器差动保护带负荷测试数据分析

数据收集完后,便是对数据的分析、判断。数据分析是带负荷测试最关键的一步,如果马虎,或对变压器差动保护原理和实现方式把握不够,就会得出错误的结论。

(一)看同一侧三相电流大小、相位关系

分别检查差动保护每一侧电流回路的正确性,由于差动CT二次回路有完全星形接线和三角形接线两种接线方式,这两种情况下发生同样的CT接线错误或者回路故障时测出的数据时不一样的。故要分别进行讨论。

1.完全星形接线测试中经常发生的各种异常的分类分析,见表1:

表1完全星形接线测试中经常发生的各种异常的分类分析

原因分类 辅助判别依据 整改方案

电流缺相 某一相CT二次电流回路开路 两相电流大小、相位正常,一相电流为0 查出故障点并进行处理

三相电流对称,但相序错 CT二次电流回路某段电缆芯首尾接线不一致 零线上基本没有电流 调整为正确接线

三相电流大小或相位相差大于10% 变压器负荷三相不对称,一相电流偏大或一相电流偏小 与测量回路反映一致,且零线上基本没有电流 无须调整

变压器负荷三相对称,但波动较大,由于各相的测量存在时差,造成测量三相电流幅值、相位时不平衡 零线上基本没有电流,参考同时刻的同相测量回路电流 无须调整

某一相CT变比错,即二次绕组抽头接错或CT的一次线未按整定变比进行串联或并联 零线上有电流,零线电流与某相电流接近同相或反相(都以流进保护单元为正) 调整故障相CT变比,同相时调小变比,反相则调大变比

某一相电流因电缆芯绝缘损伤存在寄生回路 保护屏内零线上有电流且相位与故障相接近同相位(都以流进保护单元为正) 查出故障点进行处理,或更换电缆

某一相CT二次极性端接反 三相电流大小对称,但零线上电流接近相电流的两倍 根据零线电流与故障相电流接近反相找出故障相CT,调换其首尾端

2.三角形接线测试中经常发生的各种异常的分类,见表2:

表2三角形接线测试中经常发生的各种异常的分类分析

原因分类 辅助判别依据 整改方案

电流缺相 硬件补偿三角形外某一相开路 两相电流大小相等、相位相反,一相电流为0 在流变端子箱与保护屏之间查出故障点进行处理

三相电流相序错 CT二次电流回路某段电缆芯首尾接线不一致 三相电流对称 调整为正确接线

三相电流大小或相位相差大于10% 变压器负荷三相不对称,一相电流偏大或一相电流偏小 与变压器低压侧流变测量回路反映基本一致 无须调整

变压器负荷三相对称,但波动较大,由于各相的测量存在时差,造成测量三相电流幅值、相位时不平衡 与变压器低压侧流变测量回路反映基本一致 无须调整

某一相CT变比错,即二次绕组抽头接错或CT的一次线未按整定变比进行串联或并联 若硬件补偿后的A、B两相电流小于(大于)C相电流,或A、B两相电流相位差显著小于(大于)120O,则B相为故障相,其他相依此类推。 调整故障相CT变比,两相电流偏小(或其相位差明显小于120O)时调小变比,反之则调大变比

硬件补偿三角形内某相电流因该相流变电缆芯绝缘损伤存在寄生回路 若硬件补偿后的A、B两相电流小于(大于)C相电流,或A、B两相电流相位差显著小于(大于)120O,则B相为故障相,其他相依此类推。 在该相流变至其端子箱之间的电缆查出故障点进行处理,或更换电缆

硬件补偿三角形外某两相电流因电缆芯相间绝缘损伤存在寄生回路 若硬件补偿后的A、B两相电流小于C相电流,或A、B两相电流相位差显著小于120O,则AB相间故障,其他相依此类推。 在流变端子箱与保护屏之间的电缆查出故障点进行处理,或更换电缆

硬件补偿三角形内某相CT二次电流回路开路 若硬件补偿后的A、B两相电流约为C相电流的0.6倍,或A相超前B相约60O,则B相CT二次开路,其他相依此类推。 在该相流变至其端子箱之间查出故障点并进行处理

某一相CT二次极性端接反 若硬件补偿后的A、B两相电流约为C相电流的0.6倍,或B相超前A相约60O,则B相CT首尾接反,其他相依此类推。 调换故障相首尾端

(二)观察两 (或三)侧同名相电流相位,检查差动保护电流回路极性组合的正确性

这里要将两种接线分别对待,一种是将变压器Y侧CT二次绕组接成,另一种是变压器各侧CT二次绕组都接成Y型。对于前一种接线,其两侧二次电流相位应相差180°(三圈变压器,可分别运行两侧,来检查差动保护电流回路极性组合的正确性),而对于后一种接线,其两侧二次电流相位相差角度与变压器接线方式有关。比如一台变压器为Y-Y--11接线,当其高、低压侧运行时,其高压侧二次电流应超前低压侧同名相150°,而当其高、中压侧运行时,其高压侧二次电流和中压侧电流仍相差180°。若两侧同名相电流相位差不满足上述要求(偏差大于10°),在排除以上所罗列的各种原因外,在三相基本平衡且相序正确的情况下则有可能:

1.将CT二次绕组组合成时,三相极性或相别同时弄错,比如Y-Y--11变压器在组合Y侧CT二次绕组时,组合后的A相电流应在A相CT极性端和B相CT非极性端的连接点上引出(即IA-IB),则错误情况有三种(仅就A相分析,B、C相依此类推):(1)三相CT二次极性端同时接反,则组合后的其高压侧二次电流滞后低压侧同名相30°;(2)三相CT二次极性正确,但组合后的三相电流变为BCA(或者CAB),组合后的其高压侧二次电流超前低压侧同名相30°(或滞后低压侧同名相90°);(3)上述两种错误的组合,比如A相电流在A相CT极性端和C相CT非极性端的连接点上引出(即IA-IC),就是CT三相极性接反,且相序为CAB两种错误的组合。

2.一次侧CT二次绕组极性接反。在安装CT时,变压器各侧CT的一次极性端都应该在母线侧,如果某侧CT一次极性未能按图纸摆放时,二次极性要做相应颠倒,如果二次极性未颠倒,就会发生这种情况。

(三)看差流 (或差压)大小,检查整定值的正确性

对励磁电流和改变分接头引起的差流,变压器差动保护一般不进行补偿,而采用带动作门槛和制动特性来克服,所以,测得的差流(或差压)不会等于零。那用什么标准来衡量差流 (或差压)合格呢?在变压器实际分接头位置和计算分接头位置一致时,对于差流我们不妨用变压器励磁电流产生的差流值为标准。比如一台变压器的励磁电流(空载电流)为1.2%,基本侧额定二次电流为4.5A,则由励磁电流产生的差流等于1.2%×4.5=0.054A,0.054A便是我们衡量差流合格的标准。对于差压,我们引用《新编保护继电器校验》中的规定:差压不能大于150mV。如果变压器差流不大于励磁电流产生的差流值(或者差压不大于150mV),则该台变压器整定值正确;否则,有可能是:

1.变压器实际分接头位置和计算分接头位置不一致。对此,我们有以下证实方法:根据实际分接头位置对应的额定电压或运行变压器各侧母线电压,重新计算变压器各侧额定二次电流,再由额定二次电流计算各侧平衡系数或平衡线圈匝数,再将计算出的各侧平衡系数或平衡线圈匝数整定在差动保护上,再次测量差流(或差压),如果差流(或差压)满足要求,则说明差流(或差压)偏大是由变压器实际分接头位置和计算分接头位置不一致引起,保护整定值正确,如果差流(或差压)不满足要求,则整定值还存在其它问题。亦可根据变压器实际变比、负荷计算出各侧CT二次电流,再乘上各自的平衡系数整定值后计算理论差流,如果和测得的差流基本一致,则整定值正确。

2.变压器Y侧额定二次电流算错。由于微机变压器差动保护在“计算Y侧额定二次电流乘不乘”问题上没有统一,所以,整定人员容易将Y侧额定二次电流算错,从而造成平衡系数整定错。

3.平衡系数算错。计算平衡系数时,通常是先将基本侧平衡系数整定为1,再用基本侧额定二次电流除以另侧额定二次电流得到另侧平衡系数,如果额定二次电流算错或误用另侧额定二次电流除以基本侧电流,平衡系数就会算错。

4.基本侧CT变比选择不合适,偏小。因为差流是在各侧电流都折算到基本侧后再进行相加的,在变压器实际变比、负荷一定的情况下,差流与基本侧CT变比成反比,变比越小则差流越大,故当基本侧CT变比太小时,差流很容易越限。

5.三(一)和三(二)中列举的很多因素都会最终造成差流(或差压)不满足要求,但我们只要按照三(一)和三(二)依次检查,就会将这些因素一个个排除,此处就不再赘述。

(四)某变电所差动保护异常分析

某变电所一台运行中的35kV5000kVA主变(变比为38.5±3×2.5%/10.5kV),其差动保护频繁发“差流越限”报文,经现场检查,差动保护高压侧CT二次电流采用软件补偿,变压器实际负荷约3700kVA。其他参数见表3:

表3差动保护相关参数一览表

CT变比 平衡系数 A相电流 B相电流 C相电流 差流(A) 变压器实际变比

A相 B相 C相

高压侧 100/5 1 4.53A 4.56A 4.50A 0.39 0.42 0.33 38.5+3×2.5%/10.5kV

低压侧 300/5 1.42 4.87A 4.90 4.82

经计算,差动保护平衡系数整定正确,各相电流显示正确。差流越限定值为0.25,可是为什么会出现这么大的差流呢?对此我们分析如下:

设主变负荷为S(kVA),主变高压侧档位为:

38.5+3×2.5%kV

即变压器实际变比为41.3875kV/10.5kV,则补偿后高压侧额定电流为:S/(41.3875*20)=S/827.75(A)

经平衡系数后低压侧电流为:1.42*S/(√3*10.5*60)=S/768.45(A)

差流为:S/827.75-S/768。45=9.31S*10-5(A)

可算出S>2685kVA时差流大于0.25A,最大差流发生在S=5000kVA时,差流为0.466A,故在这种情况下发“差流越限”报文完全正常。

由上述分析可知,差流大小与四个因素有关:

1.变压器高压侧档位。

2.两侧CT变比。

3.变压器负荷。

4.两侧平衡系数。

变压器高压侧档位是由监控中心无功优化系统自动随时调节的,人为固定在额定档位是不适宜的,也因此平衡系数不可能随时调整。限制变压器负荷更不可能,因此只有改变两侧CT变比,而在计算差流时,各侧电流都归算至变压器高压侧CT二次侧,因此差流与低压侧CT变比无关,在负荷、变压器实际变比一定的情况下,差流只取决于高压侧CT变比。要保证变压器满负荷时差流不越限,则高压侧CT变比计算如下(S=5000kVA,高压侧CT变比为,低压侧CT变比为KCT・L,变压器变比:41.3875kV/10.5kV

低压侧平衡系数KPH:(√3*10.5*60)/(38.5*KCT・H)

高压侧补偿后电流:5000/(41.3875*KCT・H)

低压侧平衡后电流:5000/(41.3875*KCT・H)*KPH即:5000/(38.5*KCT・H)

差流:|5000/(41.3875*KCT・H)-5000/(38.5*KCT・H)|

=9.06/KCT・H

如果要求差流36.24

所以高压侧CT变比应选择200/5,才能保证变压器满负荷时差流不越限。之后我们将该主变高压侧CT变比更换为200/5,问题得到了彻底的解决。

在这个案例里,保护回路二次接线没有任何错误。对于35kVCT二次回路采用完全星形接线来说,100/5的CT可以承受6MVA多一点的负荷,10kV300/5的CT可以承受5.4MVA的负荷,在主变由3.15MVA更换为5MVA时,认为高压侧CT变比100/5能满足要求,不需更换。所以对于设计、安装调试和定值整定人员来说,充分了解保护原理,熟悉相关理论计算,对于保证一、二次设备的安全可靠运行是非常必要的。

四、变压器带负荷测试方法的改进

无论差动保护电流回路在投运前经过多少道工序检查,都要通过带负荷测试才能最终验证其正确性。由于投运之前的测试都是在各侧分别进行,不能直接比较各侧电流之间的相位关系,所以在带负荷测试时常常还是发现这样那样的接线错误,需将变压器停下来进行CT二次接线整改,然后再将变压器带上负荷重新进行带负荷测试,直至最终测试正确。这样不但使启动过程变得漫长,更给系统运方调整和操作人员带来很大麻烦。在对常规的调试方法和保护原理进行分析后,提出了一种新的调试思路,可以克服上述不足。

如图1所示,对于一台50MVA、110/10.5kV变压器,如果高压侧CT变比为500/5,低压侧变比为3000/5,则在差动保护接线正确的情况下,如果将变压器高低压侧同名相短接(此处设为A相,对于三卷变,可以分别按高中压侧、高低压侧分两次短接试验),主变高低压侧CT同名相进行串联升流,则高压侧CT二次侧组合后的A、C相电流大小相等,方向相反,低压侧CT二次侧B、C两相电流为0,且高压侧CT二次侧组合后的A相电流Ish2与低压侧CT二次侧A相电流Isl2方向相反,且Ish2是Isl2的6倍,如果各侧的平衡系数整定范围都是0.25～0.4,将高压侧的平衡系数整定为0.6,低压侧的平衡系数整定为3.6,在三相分别一次升流300A的情况下,差动保护装置显示的各个参数应该见表4:

表4差动保护显示电流一览表

二次侧平衡后电流 A相升流300A B相升流300A C相升流300A

高压侧A相 1.8 1.8 0

高压侧B相 0 1.8 1.8

高压侧C相 1.8 0 1.8

低压侧A相 1.8 0 0

低压侧B相 0 1.8 0

低压侧C相 0 0 1.8

差动电流A相 0 1.8 0

差动电流B相 0 0 1.8

差动电流C相 1.8 0 0

如果显示的数据与此相符,差动保护各侧CT接线正确。对于经软件补偿的差动保护接线,补偿后的电流与硬件补偿后的效果是一致的,各电流量也应该符合上表。

如果实测的数据与此不符,说明某侧CT接线有错,再按照三(一)和三(二)依次检查,就会将这些因素逐个排除。通过理论分析和几个变电所的实际测试后,证明这种方法是可靠的,也是简单可行的,能保证变压器带负荷测试时一次性成功,不必再反复调线。

这种测试方法适用于新建或扩建的变电所,对于已经投运的变压器差动保护的正常周期性检验,则无须进行带负荷测试。

五、结语

带负荷测试对变压器差动保护的安全运行起着至关重要的作用,对其我们要有足够的重视。带负荷测试前,要深入了解变压器差动保护原理、实现方式和定值意义,熟悉现场接线;带负荷测试中,要按照带负荷测试内容,认真、仔细、全面收集数据;带负荷测试后,要对照上述分析方法,逐一检查、逐一判断。只要切实做到了这三点,变压器差动保护就万无一失了。

参考文献

[1]贺家李,等.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,1984.

[2]王钧英,等.新编保护继电器校验[M].北京:中国电力出版社,1998.

作者简介:吴绍武 (1974-),男,江苏省电力公司淮阴供电公司电工区副主任,工程师,研究方向:继电保护。