内部相间短路

内部相间短路（精选4篇）

内部相间短路 篇1

摘要：发电机作为电力系统的核心设备,其运行质量直接关系着整个电网的安全性与稳定性。在发电机运行过程中,容易出现发电机定子绕组内部故障,为此多采取安装内部故障保护装置,设置发电机纵联差动保护的方式以保障发电机运行质量。然而纵差动保护应用存在着一定的灵敏度问题,为此,需要深入研究定子绕组内部各种相间短路状况下的差动电流及灵敏系数变化规律,为继电保护提供更好的理论支持。

关键词：发电机,内部相间短路,纵差保护,灵敏度

1发电机内部相间短路电流分析方法的具体认知

发电机绕组内部故障,属于内部电气不对称故障的类型之一,进行发电及内部相间短路电流分析,其主要方法包括以下两种:第一,对称分量法。对称分量法属于发电机内部短路分析的常用方法,其方法在应用中仅考虑定子电流时间基波与气隙磁场基波两个因子,当发电机出现绕组内部故障问题时,谐波分量增加,并伴生出电抗修正及相序网络耦合问题。该方法能够较为准确地获取绕组故障后内部电磁关系与绕组电流分布状况,从而对发电机定子绕组内部故障保护装置的设计、制造发挥指导作用;第二,在多回路理论基础之上,构建求解发电机定子绕组内部故障稳态电量的数学模型,以数学模型进行定子绕组内部故障规律的研究。应用这种模型,具备准确度高, 结果精确等优势,在各种内部故障研究与计算中应用效果良好。其研究思路在于:从定子绕组单个线圈为出发点,进行发电机定转子初始回路电压、磁链及功率等连接方程表达,依据故障后回路绕组现实连接方式构建新的定子回路,在已知回路电感与电阻参数的基础上,获取回路电感及电阻非线性变系数微分方程组。依据稳态电量计算,将定转子回路稳态电量代入到微分方程组,通过方程求解获取各回路稳态电量值。

2发电机基本参数与保护定值设定的基本认知

本文在研究中,以SF 125-96/15600水轮发电机为研究对象,其基本参数如下:额定功率PN为125MW,额定电压值UN为13800V,额定电流值IN设定为5980A,定子槽数Z=792,额定空载励磁电流值IFO设定为817A,相匝数Wa设定为88,定子绕组是每组并联支路数as设定为3。

该型号发电机纵差保护比率制动特性如图1所示。

依据理论研究及图1将其纵差保护比率制动脱下能够整定为

式中,Iop为动作电流;Iop0为动作电流最小值;Ires为制动电流;I1、I2为差动保护两侧二次电流参数; m为比率制动特性折线斜率参数,在研究中m取值为0.35,1.0代表的是额定定子电流参数。该型号发电机一旦出现内部故障,其继电器差动电流参数Icd=|I1-I2|,其差动保护灵敏系数Ksen=Icd/Iop。

3发电机内部相间短路纵差保护灵敏度分析

在本研究中以发电机空载运行为基础条件,不考虑励磁调节器影响。因发电机内部相间短路发生时, 经过故障相差继电器的差动电流参数值相同,且非故障相差动电流值为0,为此,只需要进行一个故障相的差动电流分析即可。

(1)短路匝比与故障位置影响规律的研究

为深入探究发电机内部相间短路故障发生时,差动电流的短路匝比规律,对金属性相间短路故障进行模拟研究,图2为纵差一次侧差流基波幅值Icd及短路匝比之间的关系曲线,a为短路匝比参数。

依据图2可以看出,随着短路匝比参数的增加, 差流呈现出先降低然后逐渐增加的趋势,存在着最小值,出现这种现象的原因在于,差流描述的是短路回路电流,当短路匝比a值偏低时,则回路电势增加幅度低于回路电感增加幅度,为此,短路电流表现出降低趋势;当a值偏大时,短路回路电势增加的趋势较快,回路电感增加降低,从而短路回路电流呈现出增加趋势。当a值取值为22.73%时,Iad取值最小,为11745A,即1.39IN,当a取值为77.27%时,则Iad取值最大,为21104.5A,即2.5IN。曲线部分中存在着一定的振荡现象,其是由分数槽绕组N-S极之间交错连接所引起的。通过模拟短路故障问题分析故障位置对差动保护动作所构成的影响。研究结果显示,当发电机内部相间短路时,差动电流值较大,相对应的差动保护所具备的灵敏系数值较高,保护动作执行准确。

(2)过渡电阻影响研究

发电机内部相间短路故障,其短路点存在着过渡电阻问题,其过渡电阻参数对短路时故障电流参数, 如电流值及电压值等存在着较大影响,从而对差动保护构成影响。研究发现,当差流出现最小值时,过渡电阻参数从零值逐渐增加,绘制故障条件下过渡电阻对差流的影响曲线,分析发现,短路故障过渡电阻对纵差差流所具备的影响有限。图3为纵差保护灵敏系数Ksen随过渡电阻变化关系曲线图。

第一种方案,将最小动作电流Iop0值取值为0.2IN,第二种方案将最小动作电流Iop0值取值为0.3IN,依据图3可以看出,当纵差保护灵敏系数Ksen值为2时,第一种方案所相对应的临界过渡电阻值参数为0.767Ω,第二种方案所相对应的临界过渡电阻值参数为1.34 Ω。当电路中出现短路回路电势最小时,其对差动保护影响较大。依据差流与过渡电阻之间的变化曲线图分析可得出,过渡电阻参数的变化对纵差差流参数影响较大,当过渡电阻从0值增加到0.025 Ω时,差流Icd降低了四倍左右。当过渡电阻较低时,短路电流值较大,纵差保护表现为制动特征, 当灵敏系数参数为2时,采取第一种方案,其对应的过渡电阻值为0.027 Ω,采取第二种方案则其过渡电阻参数为0.041 Ω,低于临界过渡电阻参数,由此可见,过渡电阻对发电机内部相间短路故障影响较大, 保护动作对过渡电阻敏感性较高。

综上研究可见,采取比率制动式纵差保护方式, 能够对大部分发单机内部相间短路发挥保护作用,在不考虑电阻的情况下,相间故障条件下均可以发挥保护作用,考虑过渡电阻因素,当最小动作电流较低时, 其保护灵敏度较好,过渡电阻对灵敏度及纵差差流存在着较大影响。

4结束语

为确保整个发电机系统运行的稳定性与可靠性, 需要在其内部设置一定故障保护装置,如引入纵联差动保护装置。当发电机内部出现相间短路故障问题时,纵联差动保护装置发挥作用,保障整个发电机装置的安全性。以SF 125-96/15600水轮发电机为研究对象,重点对发电机内部相间短路纵差保护灵敏度进行分析。在不考虑过渡电阻因素的条件下,相间短路故障发生时系统能够执行有效的保护动作,考虑过渡电阻因素,则需要将最小动作电流控制在较低水平, 从而发挥其灵敏性,执行有效保护。

内部相间短路 篇2

继电器是一种能自动执行断续控制的部件, 当其输入量达到一定值时, 能使其输出的被控制量发生预计的状态变化, 对被控电路实现“通”或“断”的控制作用。

继电器按动作原理可分为电磁型、感应型、整流型、电子型和数字型等;按反应的物理量可分为电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器等;按在保护回路中所起的作用可分为启动继电器、量度继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器、出口继电器等。其中量度继电器中又可分为过量继电器和欠旦继电器, 过量继电器如过电流继电器、过电压继电器等;欠量继电器如低电压继电器、阻抗继电器等。

为保证继电器能够可靠动作, 对其动作特性有明确的“继电特性”要求。所谓继电特性是指无论启动或返回, 继电器的动作都是明确干脆的, 不可能停留在某一个中间位置, 这种特性称为“继电特性”。正常状态下流过继电器的电流I小于动作电流Idz, 所以继电器不动作, 输出高电平 (或触点是打开的) , 当流过的电流大于整定值Idz时, 继电器能突然迅速动作、稳定而可靠地输出低电压 (或闭合其触点) ;在继电器动作后, 只有当电流减小到小于返回电流Ih以后, 继电器又能突然地返回到高电平 (或触点重新打开) 。通常, 能使继电器动作的最小电流值称为继电器的动作电流I (习惯上又称为起动电流) ;能使继电器返回原位的最大电流值称为继电器的返回电流Ih返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数Kh。

为保证继电器动作后输出状态的稳定性和可靠性, 过量动作的继电器的返回系数恒小于1;而欠量继电器的返回系数恒大于1。在实际应用中, 常要求过电流继电器有较高的返回系数, 如0.85~0.9。

2 无时限电流速度保护

电流保护是反应于电网发生故障时电源与故障点之间的电流增大而动作的保护。它可分成三段;无时限电流速断 (I段) , 带时限电流速断 (II段) 和定时限过电流保护 (III段) , 构成阶段式电流保护。

在满足可靠性和保证选择性的前提下, 根据对继电保护速动性的要求, 保护装置动作切除故障的时间总是越短越好。对于反应于短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护, 称为无时限电流速断保护, 即电流I段。为保证选择性, 即保证相邻线路出口故障时本保护不动作, 无时限电流速断保护的动作电流 (即保护的整定电流) 必须大于下一条线路出口故障时可能出现的 最大短路电流。无时限电流速断保护的保护范围就不能达到线路全长。由于三相短路电流大于二相短路电流, 因此, 无时限电流速断保护的整定原则为:按本线路末端 (也即相邻线路出口) 相间故障的最大三相短路电流整定。

保护范围计算:

由于无时限电流速断保护不能保护线路全长, 所以它对被保护线路内部故障的反应能力 (即灵敏性) , 只能用保护范围的大小来衡量。保护范围通常用线路全长的百分数来表示。当系统在最小运行方式下发生两相短路故障时, 流过保护的短路电流最小, 此时电流速断的保护范围也最小, 因此, 常按这种运行方式和故障类型来校验电流速断保护的保护范围。规程规定, 最小保护范围不应小于线路全长的15%~20%。

在个别情况下, 无时限电流速断也可以保护线路的全长。例如当电网的终端线路采用线路-变压器组的接线方式时, 由于线路和变压器可以看成是一个元件, 因此, 速断波保护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口点的短路来整定。

3 带时限电流速度保护

由于有选择性的无时限电流速断保护不能保护线路全长, 因此需要增加一段新的保护, 用来切除本线路I段保护范围以外的故障, 同时作为I段的后备, 这就是带时限电流速断保护, 即电流II段。要求带时限速断保护不受系统运行方式和短路类型的影响.必须保护本线路的全长, 因此它的保护范围必然要延伸到相邻下一条线路中去。为保证选择性, 即下级线路故障时下级保护优先切除故障, 电流II段动作要带时延, 时延的大小与其延伸的保护范围有关。为使电流II具有最小的动作时限, 首先考虑使它的保护范围不超过下级线路电流I段的范围, 而动作时限则比下级保护的电流I段高出一个时间阶梯。时间阶梯用Δt表示。因此带时限电流速断保护的整定原则为:按躲相邻线路电流保护I段保护范围末端故障时流过本保护的最大电流整定。倘若按上述原则签定的II段定值不能满足本线路故障的灵敏度要求, 即不能满足保护本线路全长的要求, 该定值不能采用。这时, 本线路的II段定值为满足灵敏度要求必须降低, 它的保护范围将伸出相邻线路I段, 进入相邻线路II段范围内, 因此为保证选择性, 在相邻线路II段范围内故障时保证相邻线路II段优先动作, 本线路的II段不仅要在电流定值上与相邻线路II段配合, 时间定值也要与相邻线路电流II段配合。

4 定时限过电流保护

电流I段和电流II段联合起来己能在较短时间内切除本线路范围内的故障, 所以称为主保护。为了防止主保护拒动以及断路器失灵时能切除故障, 还需要本线路的近后备保护和相邻线路的远后备保护。定时限过电流保护就是要实现以上功能, 即不仅要作本线路I、II段的近后备, 还要作相邻线路保护的远后备。电流III段在系统正常运行时它不应起动, 而在发生短路时起动, 并以动作时间来保证动作的选择性, 所以称其为定时限保护。

5 电流保护的接线方式及应用

具有无时限电流速断保护、带时限电流速断保护和定时限过电流保护的三段式电流保护的单相原理接线图如图1所示。其中, 电流速断部分由继电器1-3组成, 限时电流速断部分由继电器4-6组成, 过电流部分由继电器7-9组成。由于三段的启动电流和动作时间各不相同, 因此必须分别使用三个电流继电器和两个时间继电器, 而信号继电器3、6、9分别用以发出对应各段动作的信号。

摘要：针对单侧电源网络相间短路的阶段式电流保护技术进行分析。

关键词：单侧电源网络,相间短路,电流保护

参考文献

[1]吴争荣, 王钢, 李海锋, 潘国清, 高翔.含分布式电源配电网的相间短路故障分析[J].中国电机工程学报, 2013 (1) .

内部相间短路 篇3

目前, 我国配电自动化系统存在户外终端工作环境恶劣和站端设备频繁操作的应用难点, 因此, 必须采用独特的高可靠性设备, 如FDR (Fault Detecting Relay) , 设计合理的自动化控制系统, 实现日常配电网的动态管理, 从而达到合理分配电网负荷、有效利用能源和故障快速自动诊断与隔离的目的[1]。

许继电气有限公司引进的供电可靠性最高的TOSCAN―D3000C配电自动化系统, 完成了很多大型配电自动化系统工程 (如管理济宁城区整个配电网工程) 。该系统中的FDR4011―GSM配电自动化故障检测装置成功解决了配电自动化系统的典型功能故障问题。通过对管理济宁城区整个配电网工程的实地调研, 笔者总结了FDR4011―GSM配电自动化故障检测装置对放射状线路和环网状线路不同相间短路故障的处理经验, 以供参考。

1 FDR简介

FDR可完成线路故障的就地隔离, 并预留有远方通信接口[2], 适合用于非远方监控的配电网自动化系统中, 其外形如图1所示。

1.1 FDR参数

X时限:电源侧加压至开关合闸的时延, 设定X时限的目的是使每台开关在不同时刻合闸。

X时限闭锁:电源侧/负荷侧X时限内发生1 s以上的停电时, FDR生成X时限闭锁, 该开关分闸并被闭锁在分闸状, 下一次再得电时不再自动重合。

XL时限: 电源侧/负荷侧由两侧电源转为只有一侧电压时, 则开始电源侧/负荷侧XL时限计数。

Y时限:故障检测时间。

Y时限闭锁:开关合上后, 进入Y时限计数 (开关投入后的正常确认计数) 。如果在Y时限 (>1 s) 内停电 (电源侧/负荷侧重新失压) , 则进入Y时限闭锁, 并且该开关分闸被闭锁在分闸状态, 下一次再得电时不再自动重合。

1.2 FDR主要功能

FDR检查窗如图2所示。

FDR主要功能:

(1) 分段功能 (S功能) :

借助X时限闭锁、Y时限闭锁、残压闭锁、双电源闭锁完成分段开关故障处理任务。

(2) 联络功能 (L功能) :

借助XL时限闭锁、Y时限闭锁、瞬压闭锁、双电源闭锁完成联络开关故障处理任务。

(3) 手动操作功能:

实现合分控制自动切换任务。

(4) 设定功能:

X时限设定钮可分别将X时限设定为X1～X6;时间设定开关可分别将开关设定为长时限 (Long) 或短时限 (Short) ;模式设定开关可分别将开关设定为分段功能或联络功能;指示灯可分别指示装置的工作状态。

(5) GSM通信功能:

通过短信对控制器实现“四遥” (遥信、遥测、遥控、遥调) 功能。

1.3 FDR的实际应用

FDR的实际应用如图3所示。FDR与柱上真空自动配电开关 (VSP) 、开关电源变压器 (SPS, 有干式变压器和油式变压器2种) 一起构成配电执行单元 (开关点) 。FDR与一体型远方终端 (FTU) 配套使用, 具有故障搜查控制和远方通信功能, 其底板及各部件结构如图4所示。

1.4 配电执行单元

根据电网架设的构成与走向, 在配电自动化系统的馈线层设置有若干个配电执行单元, 这些配电执行单元与可实现过流速断及2次重合闸的变电站出线开关一起构成电压型馈线自动化系统。配电执行单元可分为分段型配电执行单元、分支型配电执行单元、联络型配电执行单元。如图5所示, 其中B、D、F为分段型配电执行单元, C、E、J、K为分支型配电执行单元, G为联络型配电执行单元, A、H为变电站出线开关。

2 FDR对放射状线路相间短路故障的处理

FDR的分段功能:无闭锁状态下上电, 开始X时限计数 (开关投入前的正常确认计数) , 计数完毕后, 开关合上;开关投入后, FDR为确认事故进行Y时限计数, 若在Y时限内停电, 则进入Y时限闭锁, 若Y时限结束后电源侧电压正常, 开关未分闸, 则确认该开关正常[3]。

下面结合放射状线路分析FDR对相间短路故障的处理, 图6为放射状线路相间短路故障的处理过程示意图。

如图6 (a) 所示, 正常状态下, A、B、C、D、E作为开关使用, 且都处于合闸状态, 同时A还是重合控制器。当c段发生相间短路故障时, A检测到故障分闸, B、C、D、E失压分闸[4], 如图6 (b) 所示。5 s后, 一次重合闸合上A, 使a段线路带电, 如图6 (c) 所示。B电源侧检测到来电, 经X时限 (7 s) 后合闸, 使b段带电, 如图6 (d) 所示。7 s后C合闸, 使c段带电, 如图6 (e) 所示。当c段短路故障为瞬时故障时, 各段将通过X时限依次恢复供电;当故障为永久性故障时, 将重新导致A保护动作, 所有开关再次失压分闸, C的FDR进入Y时限闭锁, 即C被锁定, 故障段被隔离, 如图6 (f) 所示。5 s后, 二次重合闸重新合上A, 之后B、D、E开关依次合闸, 恢复非故障段的供电, 如图6 (g) 所示。

3 FDR对环网状线路相间短路故障的处理

在环网配电系统中, 特别是大量使用环网负荷开关的系统中, 如果下一级配电网系统中发生了短路故障或接地故障, 上一级的供电系统必须在规定的时间内进行分断, 以防止发生重大事故[5]。通过使用FDR可以处理环网状线路的相间短路故障。

FDR的联络功能:当联络开关处于分闸状态, 且电源侧/负荷侧两侧均有正常电压达5 s以上时, 可允许联络功能的联络带供。当电源侧/负荷侧由两侧电源转为只有一侧电压时, 联络开关开始XL时限计数。在XL时限计数中, 若联络开关产生事故点的瞬时加压 (额定电压的30%、>150 ms、<5 s) , 则进入瞬时加压闭锁。XL时限计数完毕后, 联络开关合上, 并进入Y时限计数。Y时限结束则联络带供完毕, 在Y时限内重新失压则联络开关进入Y时限闭锁。

下面结合环网状线路分析FDR对相间短路故障的处理, 图7为环网状线路相间短路故障的处理过程示意图。

如图7 (a) 所示, 正常状态下, 开关B、C、D处于分段模式, 为合闸状态;E处于联络模式, 为分闸状态。当c段发生故障时, A检测到故障分闸, B、C、D失压分闸, 如图7 (b) 所示。E的FDR检测到一侧掉电后开始XL时限计数。5 s后, 一次重合闸合上A, 如图7 (c) 所示。B、C依次经X延时后合闸, 如图7 (d) 、 (e) 所示。由于C合闸导致第二次跳闸, C的 FDR进入Y时限闭锁, 如图7 (f) 所示。5 s后, 二次重合闸重新合上A, 电源由源边送至正常区间, 如图7 (g) 所示。E在XL时限后 (>45 s) 合闸, 实现d段负荷转供, 由馈线的另一端给d段供电, 如图7 (h) 所示。

4 结语

分析结果表明, 运用FDR实现了相间短路故障的快速自动诊断与隔离, 具有较好的可操作性、实时性和稳定性。维修人员可以根据操作要点迅速找到发生故障的区段, 并将其隔离, 从而及时恢复了无故障区段的供电, 减少了停电时间和停电范围, 节约了大量的工作时间。

参考文献

[1]厉玉昇, 申双和, 冶林茂, 等.FDR土壤水分监测仪器设计[J].电子产品世界, 2007 (4) :42.

[2]万忠泽, 李继荣, 王令璇.判断隔离铁路自闭、贯通电力线路短路故障方法[J].电力自动化设备, 2006 (2) :33.

[3]刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社, 2005:261-262.

[4]乔占俊, 胡兴志, 赵建忠.中低压配电网络自适应电流保护的研究[J].工矿自动化, 2007 (4) :30-32.

内部相间短路 篇4

随着电网实现跨越式的发展,电网容量越来越大,电网短路电流水平也不断升高。采用高阻抗变压器是限制电网短路电流的有效方法。高阻抗变压器的实现方式[1]有两种:1)改变变压器内部结构提高变压器阻抗;2)在变压器低压侧油箱内部设置限流电抗器。

采用了高阻抗变压器之后,短路电流水平得以有效的降低[2],然而短路电流降低之后,变压器相间短路后备保护的灵敏度往往不能满足要求,本文提出不完全差动保护来提高变压器相间短路后备保护的灵敏度,并对不完全差动保护的整定计算方法、灵敏度、动作时限进行深入分析。

1 高阻抗变压器相间短路后备保护整定计算中存在的问题

本文对图1所示的系统进行变压器相间短路后备保护整定计算,通过实际计算来提出问题并且提出解决问题的方案。

1.1 系统和变压器参数

#1、#2变压器均为三相三绕组有载调压高阻抗变压器,其基本参数如下:

1)高、中、低侧额定容量为:180/180/90 MVA。2)额定电压:(220±8×1.5%)/115/10.5 k V。3)额定频率:50 Hz;联结组标号:YNyn0d11。4)短路损耗:高-中压为461.14 k W;高-低压为314.02 k W;中-低压为283.55 k W。

5)CT、PT变比:CT为高压侧800/1,中压侧1200/1;低压侧4000/1;PT为高压侧2200/1。

6)基准值的选择:基准容量Sb=100 MVA;基准电压、基准电流为高压侧230 k V、251 A;中压侧115 k V,502 A。

7)#1、#2变压器短路阻抗和系统阻抗如图1所示。

1.2 变压器相间短路后备保护整定计算

变压器三侧均装设复压过流保护作为相间短路后备保护,按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》对#1、#2高阻抗变压器相间短路的后备保护进行整定计算。由于#1变和#2变参数相近,可采用相同的定值[3],具体整定过程如下:

1.2.1 220 k V侧的复压过流保护整定计算(1)低电压启动元件的整定计算

式中:Krel为可靠系数,取1.1~1.2;Kr为返回系数,取1.05~1.25;Ue为PT二次侧的额定线电压,取为100 V。

(2)负序电压启动元件的整定计算

负序电压启动元件应躲过正常运行时出现的不平衡电压,不平衡电压值可实测确定。当无实侧值时,根据现行规程的规定取:

Uop2=(0.06~0.08)Ue=3.5~4.6取为4 V

式中:Ue为CT二次侧额定相电流。

(3)低电压元件和负序电压元件灵敏度校验

由于变压器三侧均装设了低电压和负序电压启动元件,三侧的电压启动元件构成或的关系,只要有一侧满足条件就可以启动,因此低电压和负序电压启动元件的灵敏度一定满足条件。

(4)过电流元件的整定计算

a)过电流保护的动作电流计算。电流元件的动作电流应躲过变压器的额定电流,计算公式如下:

式中:Krel为可靠系数,取1.2~1.3;Kr为返回系数,取0.85~0.95;Ie为变压器220 k V侧额定电流。

b)灵敏度校验

式中:Ik(,2)min为后备保护区末端两相金属性短路时流过保护的最小短路电流。要求Ksen≥1.3。

规程要求220 k V侧高压侧的复压过流保护作为110 k V侧和10 k V侧母线发生相间短路故障的近后备,具体整定计算如下:

(1)110 k V侧发生相间短路

#1,#2两变并列运行,系统采用最小运行方式,流过故障点的总短路电流为:

式中:符合“||”为求并联阻抗值。

(2)10 k V侧发生相间短路时

#1,#2两变同时运行时,系统最小运行方式下,#2主变10 k V侧发生两相短路时(两相短路,在变压器高压侧有一相电流相当于三相短路值)总短路电流为：

流过#2变压器220 k V侧保护安装处的最小相间短路电流为:

流过#1变压器高压侧保护安装处的最小相间短路电流:

以上表明:220 k V侧复压过流保护对110 k V侧相间短路有足够的灵敏度,对10 k V侧相间短路灵敏度不够。

1.2.2 110 k V侧的复压过流保护装置整定计算整定计算

低电压和负序电压整定计算过程与220 k V侧相同,电流元件的整定计算如下:

a)过电流保护的动作电流计算

b)灵敏度校验

(1)110 k V侧母线发生相间短路,#1,#2变中压侧并列运行,流过故障点的总短路电流:

流过#2变中压侧的短路电流:

灵敏度校验:

(2)10 k V侧发生相间短路

#1、#2变中压侧并列运行,系统最小运行方式下,#1变10 k V侧母线发生相间短路(两相短路,在变压器中压侧有一相电流相当于三相短路值),流过故障点的总短路电流为:

流过主变中压侧保护安装处的短路电流为:

灵敏度校验:

以上表明:110 k V侧复压过流对110 k V侧相间短路有足够的灵敏度,对10 k V侧灵敏度不够。

通过以上计算可知:220 k V和110 k V侧的复压过流保护对10 k V侧相间短路灵敏度都不够。

按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》“当电流、电压保护不能满足灵敏度的要求时,变压器的相间故障后备保护可采用阻抗保护”,在#2变压器220 k V侧配置相间阻抗保护。

1.2.3 相间阻抗保护的整定计算如下

(1)变压器 220 k V 侧阻抗计算

#2变压器电抗的计算:

式中:X1、X2、X3分别为变压器高、中、低压侧电抗值。

#2变压器电阻的计算,由#2变压器的短路耗损可计算出三侧电阻:

式中:R1、R2、R3为#2变高、中、低压侧电阻。

(2)变压器220 k V侧阻抗保护整定计算

相间阻抗保护的整定按照对侧母线短路满足灵敏度要求的条件计算:

式中:Ksen为阻抗保护灵敏系数,取1.3;Zt为变压器阻抗;

变压器的电抗分量整定:

变压器的电阻分量整定:

(3)变压器阻抗保护灵敏系数校验

按对侧母线三相短路校验,如下式:

阻抗整定是按照高压侧和低压侧的阻抗之和整定的。如果#1变压器和#2变压器的110 k V母线并联运行,就有#1变压器中压侧的助增电流流入#2变压器,必然对低压侧产生一个助增电流,使Zt增大,使Ksen<1.3,只要110 k V母线并联运行就会使灵敏度不满足要求。

通过以上分析可知复压过流和阻抗保护都不能满足变压器相间短路后备保护灵敏度的要求。

2 不完全差动保护

2.1 不完全差动保护原理

不完全差动保护是利用变压器高、中压侧电流的相量和,直接反映低压侧电流值的一种变压器后备保护[4],其保护范围不仅延伸到低压侧引线及母线和相邻线路,而且还包括了变压器本身。正常运行时,流过该保护的电流Id=|IH+IM|,它实际反映的是变压器电源侧提供给低压侧的负荷电流。不完全差动保护逻辑框图如图2所示。

2.2 不完全差动保护整定计算

不完全差动保护的整定计算方法与完全差动基本相同,只是要在动作量和制动量中去掉低压侧电流,不完全差动保护的最小启动电流应躲过低压侧额定电流来整定[5],不完全差动保护比率制动曲线[6,7]如图3所示。

1)动作电流和制动电流的计算方法

式中:N为除去主变低压侧的主变的侧数;除去主变低压侧的所有侧中的最大相电流;为除去主变低压侧的其他侧(除最大相电流侧)相电 流之和[8]。

2)不完全差动保护动作判据如下Izd≤0.6Ie时:Idz≥Kb1I z d+Icd

其中:Icd为差动保护电流定值;Idz为动作电流;Izd为制动电流;Kb1为第一段折线的斜率(固定取为0.2);KID为第二段折线的斜率,其值等于比例制动系数定值[9,10]。

3)整定计算过程如下

低压侧额定电流为Ile=4 948.7 A,折算到高压侧为236.188 A,高压侧的额定电流为Ie=472.4 A,不完全差动保护的启动电流整定为:

中压侧外部故障时,流过靠近故障点侧电流互感器的最大短路电流周期分量计算:

两变运行时流过故障点的总短路电流为

流过#1变压器的短路电流为

#1变压器单台运行:

式中:Kap为非周期分量系数,取2.0;Kcc为电流互感器的同型系数,取1.0;Ker为电流互感器的比误差,取0.1;ΔU为变压器调压引起的误差,取0.12;Δm为由于电流互感器变比未完全匹配产生的误差,取0.05。

取KID=5.0

4)不完全差动保护灵敏度校验

220 k V变压器三侧绕组容量比为100/100/50,高、中压侧的复压过流元件是按躲本侧额定电流整定的,而不完全差动保护的最小动作电流是按躲低压侧额定电流整定的,由于低压侧容量为50%,额定电流值会小一半(折算至同一侧)。同时,在变压器内部或低压侧外部短路的情况下,流过不完全差动保护的动作电流为高、中压侧电流之和(IH+IM),要大于两侧过流保护分别通过的本侧短路电流(IH或IM),显然不完全差动保护的灵敏度要高得多。

在主变中压侧并列运行的方式下,不仅不会像普通高压侧复压过流保护那样,低压侧发生故障时,因中压侧的分流,造成在高压侧保护装置中的故障电流比单台主变运行或主变三侧都分裂时低压侧发生故障在保护装置中的故障电流小得多的现象,反而因主变中压侧并列运行使不完全差动保护装置感受到的和电流亦有所增加,这一增一减,导致不完全差动保护的灵敏度比普通过流的灵敏度大为提高,实例验证如下:

(a)变压器单变运行时

#1变压器单台运行,在最小运行方式下,低压侧发生两相短路时,最小短路电流为

折算到CT二次侧为:712.8/800=0.891A

满足灵敏度要求。

(b)变压器并列运行时,通过计算可知

在最小运行方式下,#2变压器低压侧发生两相短路时,流过#2变高压侧的电流为393 A,流过#2变中压侧的电流为436.5 A,流过不完全差动保护的电流为393+436.5=829.5>712.8,即主变并列运行时,不完全差动保护的灵敏度更高。

2.3 动作时限整定

高、中压侧复压过流整定时,其动作时间要与本侧线路保护配合,动作时间较长,超过变压器安全运行的要求[11](变压器技术规程规定:低压母线或出口对称短路时,通过变压器短路电流的时间不应大于2 s),而不完全差动保护的动作时限只需与变压器低压侧复压过流的时限配合,因变压器低压侧多为直馈线,保护配合时间短,所以不完全差动保护切除故障会更快一些(可不超过2 s)。

3 结论

通过上述分析可知,不完全差动保护既能弥补高、中压侧保护作为低压侧后备保护灵敏度不足的缺陷,又能在动作时间上满足变压器稳定的要求,并且在现有的微机主变保护装置上添加其功能非常方便,不需增加任何硬件,只需在软件设计上将比率差动的程序稍作修改便可使用,是一种原理简单、更加易于实现的变压器后备保护。

值得强调的是,不完全差动保护应用于大电流接地系统中时,引入电流应采用两相电流差或CT二次绕组接成三角形接法,以滤除其中的零序分量,防止区外发生接地故障时,引起该保护的误动作。

摘要：高阻抗变压器的整定计算中,高阻抗变压器的相间短路后备保护配置的复压过流保护和阻抗保护的灵敏度往往不能满足要求。根据一个工程中的整定计算实例对不完全差动保护的原理、不完全差动保护比率特性曲线、动作电流和制动电流的计算方法、动作判据、整定计算、变压器三侧绕组容量比为100/100/50时的灵敏度校验,以及单变和双变并列运行时的灵敏度、动作时限进行了研究。研究结果表明,配置不完全差动保护可以有效的提高灵敏度,并且其原理简单易于实现,并指出不完全差动保护应用于大电流接地系统中时,防止区外故障时保护误动作的方法。

关键词：高阻抗变压器,相间短路,后备保护,整定计算,灵敏度,不完全差动保护

参考文献

[1]都基丰,迟主升,王桂平.220kV高阻抗电力变压器设计新方案[J].电力设备,2004,5(6):21-24.DU Ji-feng,CHI Zhu-sheng,WANG Gui-ping.New Design of220kV High Impedance Power Transformer[J].Electrical Equipment,2004,5(6):21-24.

[2]乐启昌,等.高阻抗变压器的应用[J].黑龙江电力,2001,23(6):442-445.LE Qi-chang,et al.Application of High Impedance Transformer[J].Heilongjiang Electric Power,2001,23(6):442-445.

[3]DL/T684-1999,大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].DL/T684-1999,Guide of Calculating Settings of Relay Protection for Large Generator and Transformer[S].

[4]文杰.关于变压器不完全差动保护的研究[J].电力自动化设备,2000,22(6):48-49.WEN Jie.Study on Incomplete Differential Protection of Transformer[J].Electric Power Automation Equipment,2000,22(6):48-49.

[5]常凤然,张洪,周记录,等.变压器和电流保护的性能分析[J].继电器,2001,29(1):16-19.CHANG Feng-ran,ZHANG Hong,ZHOU Ji-lu,et al.Analysis on the Characteristics of Sum Current Protection for Transformer[J].Relay,2001,29(1):16-19.

[6]Habib M,Marfn M A.A Comparative Analysis of Digital Relaying Algorithms for the Differential Protection of Three Phase Transformers[J].IEEE Trans on Power Systems,1988,13(3).

[7]Guzman A,Zocholl S,Benmouyal G,et al.A Current-based Solution for Transformer Differential Protection,Part II[J].IEEE Trans Power Del,2002,17(4):886-893.

[8]GB/T14288-2006,继电保护和安全自动装置技术规程[S].GB/T14288-2006,Technical Code for Relaying Protection and Security Automatic Equipment[S].

[9]CSC-326系统数字式变压器保护装置说明书[Z].Specification of CSC-326Microprocessor-based Transformer Protection[Z].

[10]WHB-801A/P微机变压器保护装置说明书[Z].Specification of WHB-801A/P Microprocessor-based Transformer Protection[Z].