和應(yīng)涌流對內(nèi)橋接線變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響

杜繼偉，陳 軍

（1.四川省電力公司 遂寧公司，四川 遂寧 629000；2.四川省電力公司 調(diào)度控制中心，四川 成都 610041）

變壓器勵(lì)磁涌流是電力系統(tǒng)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，很多文獻(xiàn)［1-6］研究了勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，并推導(dǎo)了勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型，尤其對勵(lì)磁涌流與故障電流的區(qū)別.少量文獻(xiàn)［6-9］研究了在變壓器之間產(chǎn)生的和應(yīng)涌流現(xiàn)象以及其對保護(hù)的影響.因此，筆者對變壓器并聯(lián)和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，描述內(nèi)橋接線變電站的主接線圖和CT接線，討論勵(lì)磁涌流對差動(dòng)保護(hù)的影響；進(jìn)一步深入研究和應(yīng)涌流對差動(dòng)保護(hù)的影響，尤其與CT飽和特性、差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)方式、運(yùn)行變壓器所帶負(fù)荷、CT二次接線等密切相關(guān)；提出一些措施來改善內(nèi)橋接線變壓器差動(dòng)保護(hù)性能.

1 并聯(lián)和應(yīng)涌流

如圖1所示，2臺(tái)并聯(lián)變壓器T1和T2中，T2空載合閘，T1在運(yùn)行中.

圖1 并聯(lián)變壓器模型Figure 1 Parallel transformer model

斷路器s閉合前，系統(tǒng)電流is＝i1，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；斷路器s閉合時(shí)，系統(tǒng)電流is＝i1＋i2，此時(shí)系統(tǒng)處于暫態(tài)狀態(tài)，i2為T2的勵(lì)磁涌流.T1，T2的電壓方程分別為

對式（1）兩邊積分，得出在一個(gè)周期中T1，T2磁通變化量分別為

由式（2）可知，合閘后，T2很快達(dá)到飽和，i1相對i2很小且對稱，不足以導(dǎo)致磁通變化，此時(shí)T1，T2的磁通變化主要決定于i2；隨著T1變壓器偏磁負(fù)向積累，達(dá)到輕度飽和時(shí)，i1開始與i2相反方向且交替半周逐漸增加，從而產(chǎn)生和應(yīng)涌流.如圖2所示，和應(yīng)涌流產(chǎn)生初期，T1變壓器偏磁仍然繼續(xù)負(fù)向積累，i1也不斷增加，直到T1變壓器完全飽和，即Δφ1變?yōu)榱銜r(shí)，

i1不再增加，達(dá)到最大值，此時(shí)Δφ1的極性變?yōu)榕cΔφ2一致，i1與i2一樣開始衰減，但仍然極性相反，直到穩(wěn)定.

根據(jù)上述分析可知，變壓器T1和T2之間通過系統(tǒng)等效電阻rs上的壓降建立耦合關(guān)系，并且在保持2個(gè)變壓器飽和過程中，rs起著雙重作用，即一個(gè)周期中，前半周期i1在rs上的壓降迫使T2中的補(bǔ)償磁通呈上升趨勢，從而i2呈上升趨勢；后半周期i2在rs上的壓降迫使T1中的補(bǔ)償磁通呈反方向上升，因此i1也呈反向上升趨勢.T1變壓器中產(chǎn)生的A，B，C三相和應(yīng)涌流波形仿真結(jié)果如圖2所示.

圖2 T1變壓器中產(chǎn)生的A，B，C三相和應(yīng)涌流波形Figure 2 Three phase sympathetic current waveforms produced by transformer T1

2 內(nèi)橋接線變電站

內(nèi)橋接線變電站的主接線如圖3所示，L1，L2是變電站2條進(jìn)線，CT1，CT2為電流互感器，QF1，QF2為2條進(jìn)線斷路器，QF3為內(nèi)橋斷路器，QS1，QS2為隔離刀閘.T1，T2變壓器容量（40MV·A）和型號均相同；接線形式為Yn／Yg／D11，變壓器高／中／低壓側(cè)額定電壓為110kV／37kV／10.5kV.其中中壓側(cè)35kV、低壓側(cè)10kV母線無負(fù)荷.

在圖3中，有3種常用運(yùn)行方式：

1）當(dāng)斷路器QF1，QF2，QF3都合上時(shí)，進(jìn)線L1和L2并列運(yùn)行給T1，T2供電；

2）當(dāng)斷路器 QF1，QF2都合上、QF3斷開時(shí)，進(jìn)線L1和L2分列運(yùn)行，分別給T1，T2供電.例如，當(dāng)線路L2故障時(shí)，QF2跳閘，母聯(lián)備自投裝置自動(dòng)合上QF3，在這種情況下，T2中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，隨后在T1中產(chǎn)生和應(yīng)涌流；

3）當(dāng)T1或T2檢修時(shí)，L1和L2并列運(yùn)行給T1或T2供電.以T2檢修為例，當(dāng)用QF3給T2送電時(shí)，T2中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，隨后T1中產(chǎn)生和應(yīng)涌流；當(dāng)用QF2給T2送電時(shí)，T2中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流.T1檢修與T2檢修類似.

圖3 內(nèi)橋接線變電站電氣主接線Figure 3 Main electrical wiring diagram of internal bridge connection substation

3 涌流對內(nèi)橋接線變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響

3.1 勵(lì)磁涌流對差動(dòng)保護(hù)的影響

變壓器空載合閘時(shí)，將產(chǎn)生勵(lì)磁電流，可達(dá)到額定電流的10倍.勵(lì)磁電流的產(chǎn)生與合閘角、剩磁、飽和磁通以及系統(tǒng)阻抗等密切相關(guān).通過傅立葉諧波分析計(jì)算出三相勵(lì)磁涌流中的二次諧波含量（與基波比值），如圖4所示.

圖4 三相勵(lì)磁涌流二次諧波含量Figure 4 Proportion of second harmonic in inrush current

勵(lì)磁涌流二次諧波含量各相有差異，特別是，當(dāng)飽和磁通是額定磁通的1.2～1.3倍時(shí)，某一相或三相的二次諧波含量可能小10%，即小于整定值15%～20%，或者更低至7%.這時(shí)，采用二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)有可能誤動(dòng)作.

3.2 和應(yīng)涌流對差動(dòng)保護(hù)的影響

在上述運(yùn)行方式2和3產(chǎn)生的和應(yīng)涌流均伴隨著勵(lì)磁涌流的出現(xiàn).在圖5中，ia1表示CT1一次電流，為T2變壓器勵(lì)磁涌流和T1變壓器和應(yīng)涌流的和電流；ia2表示CT2一次電流，為T2變壓器勵(lì)磁涌流；id表示差電流，如果不考慮CT飽和等情況（理想情況下），id實(shí)際上為T1變壓器的和應(yīng)涌流.

圖5 和應(yīng)涌流對差動(dòng)保護(hù)影響的分析波形Figure 5 The waveforms of sympathetic current influence on differential protections

從圖5中的ia1波形可以看出，波形趨于對稱并大多數(shù)非周期分量衰減很快.因此，CT1在傳變的過程中幾乎不飽和，傳變到二次側(cè)的電流將不會(huì)發(fā)生畸變.然而，從圖5中的ia2波形可知，ia2波形有很大偏移，衰減緩慢，并且含有很多衰減很慢的非周期分量.這種情況下，若CT2發(fā)生飽和，CT2的二次電流波形將發(fā)生畸變，波形也有正、負(fù)偏移.相應(yīng)地，id差電流將有交替，出現(xiàn)正、負(fù)半波，間斷角消失.若CT2嚴(yán)重飽和，二次諧波也有所下降.如果采用二次諧波、間斷角、波形對稱閉鎖等方式，正常運(yùn)行變壓器差動(dòng)保護(hù)可能發(fā)生誤動(dòng)，因此，變壓器各側(cè)的CT飽和程度、特性將影響和應(yīng)涌流傳變特性，進(jìn)而影響差動(dòng)電流的大?。从绊懖顒?dòng)保護(hù)的動(dòng)作）.

圖5中給出了每相差電流中二次諧波含量，二次諧波含量與和應(yīng)涌流波形密切相關(guān).從波形圖上可知，二次諧波含量在同時(shí)刻各相含量各不相同，有時(shí)各相的二次諧波含量曲線出現(xiàn)時(shí)刻也不同.若差動(dòng)采用二次諧波制動(dòng)并且是分相制動(dòng)方式，差動(dòng)保護(hù)可能因?yàn)槟骋幌嗷騼上喽沃C波含量低于15%（一般整定為15%～20%）而誤動(dòng).因此，各相和應(yīng)差電流中同時(shí)刻二次諧波含量差異對差動(dòng)保護(hù)可能造成誤動(dòng).

另外，和應(yīng)涌流與運(yùn)行變壓器的所帶負(fù)載大小相關(guān).負(fù)載越大，和應(yīng)涌流幅值越小，出現(xiàn)也相對較晚；負(fù)荷越小，差動(dòng)保護(hù)就越容易誤動(dòng)［13］.因此，運(yùn)行變壓器負(fù)荷大小對和應(yīng)涌流的大小有影響，進(jìn)而影響差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作情況.

在現(xiàn)場保護(hù)裝置的應(yīng)用中，有的保護(hù)裝置廠家為了提高差動(dòng)保護(hù)切除內(nèi)部故障的速度，只要差動(dòng)保護(hù)裝置在檢測到負(fù)荷電流或電壓時(shí)（即正常運(yùn)行時(shí)），就設(shè)置自動(dòng)退出涌流制動(dòng)環(huán)節(jié).若出現(xiàn)和應(yīng)涌流時(shí)，正常運(yùn)行變壓器的差動(dòng)保護(hù)可能誤動(dòng).

內(nèi)橋CT二次接線有2種方式，分別為“和”和“差”接線方式，如果采用的接線方式不同，涌流對差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作影響的結(jié)果也不同.

采用“和”接線方式：

采用“差”接線方式：

式（4）、（5）中Idz為動(dòng)作電流；Izd為制動(dòng)電流為進(jìn)線電流為橋開關(guān)CT電流；，分別為中低壓測電流為T1變壓器的和應(yīng)涌流.

如圖6所示，對變壓器T2空投時(shí)，變壓器T1的差動(dòng)保護(hù)如果采用“和”接線方式，其制動(dòng)特性如式（4），制動(dòng)電流幾乎是變壓器T2勵(lì)磁涌流的兩倍，動(dòng)作電流幾乎為T1變壓器產(chǎn)生的和應(yīng)涌流（不考慮其他因素，此時(shí)的勵(lì)磁涌流對于T1的差動(dòng)保護(hù)來講是穿越電流），由于勵(lì)磁涌流很大，可能使其制動(dòng)曲線進(jìn)入制動(dòng)區(qū)，即使二次諧波等閉鎖失靈，運(yùn)行變壓器T1可能不誤動(dòng).如果采用“差”接方式后接入變壓器，其特性如式（5），制動(dòng)電流和動(dòng)作電流幾乎都為T1變壓器產(chǎn)生的和應(yīng)涌流，其動(dòng)作特性為45°斜率的直線，二次諧波等閉鎖不可靠時(shí)，和應(yīng)涌流更容易造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，也即是說“差”接線方式下，無論是區(qū)外故障還是和應(yīng)涌流，對運(yùn)行變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)影響更大.因此，“差”接方式下，和應(yīng)涌流對內(nèi)橋接線差動(dòng)保護(hù)影響更大.

圖6 三段折線制動(dòng)特性Figure 6 Brake characteristic with three parts of broken line

4 結(jié)語

筆者介紹了變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生的機(jī)理、內(nèi)橋接線變電站主接線圖以及CT接線圖；深入討論了勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流對內(nèi)橋接線差動(dòng)保護(hù)影響.為應(yīng)對和應(yīng)涌流造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，提出了應(yīng)對措施.

1）在方式安排上，避免安排可能產(chǎn)生和應(yīng)涌流的操作以及運(yùn)行方式.

2）在設(shè)備選型上，盡量選擇不易飽和的電流互感器（TYP級或成熟的電子互感器），或選擇差動(dòng)保護(hù)裝置時(shí)要求差動(dòng)保護(hù)中有鑒別CT飽和的環(huán)節(jié)；在現(xiàn)場接線上，盡量采用進(jìn)線CT和內(nèi)橋CT分別進(jìn)入保護(hù)裝置，既可以降低區(qū)外故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，又可以降低和應(yīng)涌流造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的可能.

3）二次諧波制動(dòng)方式盡可能選擇“或”制動(dòng)方式，可以降低差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)；在保護(hù)裝置開發(fā)方面上，廠家應(yīng)該采用更先進(jìn)的涌流鑒別手段.

4）保護(hù)整定時(shí)，在滿足保護(hù)靈敏度的前提下，保護(hù)動(dòng)作電流可以適當(dāng)提高到 （0.4～0.5）Ie（變壓器額定電流），差動(dòng)拐點(diǎn)也可適當(dāng)提前.

5）內(nèi)橋接線方式下，現(xiàn)場保護(hù)裝置CT接線盡量采用“差”接方式.

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