主變壓器差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算詳解

常鮮戎，陳 昱

(華北電力大學(xué)，河北 保定071003)

0 前言

差動(dòng)保護(hù)是采用基爾霍夫電流定理，在保護(hù)裝置中輸入被保護(hù)設(shè)備兩端電流差值，設(shè)備正常工作時(shí)，差動(dòng)電流為零，設(shè)備故障時(shí)，流進(jìn)保護(hù)設(shè)備的電流和流出的電流不相等，差動(dòng)電流大于零。當(dāng)差動(dòng)電流大于保護(hù)裝置整定值時(shí)，保護(hù)出口動(dòng)作，跳開被保護(hù)設(shè)備各側(cè)斷路器，從而切除故障。差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單、使用電氣量單純、保護(hù)范圍明確、動(dòng)作不需延時(shí)，是防止變壓器內(nèi)部故障最重要的主保護(hù)。

變壓器差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算一般分3步進(jìn)行，第1步先計(jì)算變壓器各側(cè)2次額定電流和平衡系統(tǒng)，第2步根據(jù)二次電流計(jì)算差動(dòng)啟動(dòng)電流、制動(dòng)電流、制動(dòng)系數(shù)、電流速斷定值等，第3步進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用情況，以許繼電氣股份有限公司的WFB-100微機(jī)發(fā)變組保護(hù)應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹主變壓器差動(dòng)保護(hù)整定值的計(jì)算方法［1～3］。

1 主變差動(dòng)保護(hù)原理

主變差動(dòng)保護(hù)一般包括差動(dòng)速斷保護(hù)、比率差動(dòng)保護(hù)、2次(5次)諧波制動(dòng)比率差動(dòng)保護(hù)3個(gè)部分，其功能分別說明如下。

1.1 比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性

比率差動(dòng)保護(hù)典型動(dòng)作特性見圖1。當(dāng)變壓器輕微故障時(shí)，例如匝間短路圈數(shù)很少時(shí)，不帶制動(dòng)量，使保護(hù)變壓器輕微故障時(shí)具有較高靈敏度。而較嚴(yán)重區(qū)外故障時(shí)，有較大制動(dòng)量，提高保護(hù)可靠性。帶比率制動(dòng)特性的縱差保護(hù)的動(dòng)作特性通常如圖1所示，為直角坐標(biāo)系上的一條折線。該坐標(biāo)系縱軸為保護(hù)的動(dòng)作電流Iop;橫軸為制動(dòng)電流Ires。折線左上方為保護(hù)的動(dòng)作區(qū)，折線右下方為保護(hù)的制動(dòng)區(qū)。從圖1可見，這一動(dòng)作特性需求解的參數(shù)有3個(gè)，即保護(hù)的最小動(dòng)作電流Iop.min，起始制動(dòng)電流Ires.0，折線段Iop.set斜率S。

圖1 WBF-100比率制動(dòng)縱差保護(hù)特性

1.2 二次諧波制動(dòng)

二次諧波制動(dòng)的主要作用是區(qū)別故障電流和勵(lì)磁涌流，因主變空載投運(yùn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大勵(lì)磁涌流，并伴隨有二次諧波分量，為使主變不誤動(dòng)，采用諧波制動(dòng)原理，根據(jù)二次諧波分量是否達(dá)到設(shè)定值來判斷是主變故障還是主變空載投運(yùn)，決定比率差動(dòng)保護(hù)是否動(dòng)作。

1.3 差動(dòng)速斷作用

當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，由于故障電流很大，將有可能導(dǎo)致CT飽和，從而使得二次電流中諧波含量增加，當(dāng)諧波含量大于諧波制動(dòng)中設(shè)定的比率時(shí)，差動(dòng)保護(hù)將拒動(dòng)。而這時(shí)由于發(fā)生的是嚴(yán)重故障，如果故障不能立刻切除，將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，差動(dòng)速斷是較嚴(yán)重區(qū)內(nèi)故障情況下，快速跳開變壓器各側(cè)斷路器，切除故障點(diǎn)(差動(dòng)速斷不考慮諧波制動(dòng))。

1.4 差動(dòng)保護(hù)的平衡系數(shù)

差動(dòng)保護(hù)是利用比較變壓器各側(cè)電流的幅值和相位的原理構(gòu)成，即采用主變各側(cè)CT的一次回路正極性側(cè)置于母線(或變壓器)的一側(cè)，二次回路同極性端相聯(lián)的方法。由于變壓器線圈繞組通常采用Y/△/-11的接線，使得兩側(cè)電流相位差30°。而且，由于實(shí)際中各側(cè)CT變比的選擇不可能完全根據(jù)各側(cè)一次額定電流的數(shù)值來匹配，因此不可能將各側(cè)的二次電流的相量值直接相加的方法來獲得差流。為了消除這種不平衡電流的影響，傳統(tǒng)的電磁型、集成電路型差動(dòng)保護(hù)通常采用將變壓器Y型繞組側(cè)的二次電流回路接成△型的接線形式，并且在其中一側(cè)的電流回路中引入變流器，消除因CT變比以及Y/△變換的一側(cè)電流幅值增大3倍的影響。而對(duì)微機(jī)保護(hù)來講，由于Y/△變換可在軟件中實(shí)現(xiàn)，使主變各側(cè)CT二次回路接線均可采用Y型接線。同時(shí)引入平衡系數(shù)這一參數(shù)來平衡各側(cè)電流在幅值比較上的差異，從而計(jì)算出差流。平衡系統(tǒng)是一個(gè)將2個(gè)大小不等的電流折算成作用完全相同電流的折算系數(shù)，使2個(gè)不相等的電流產(chǎn)生作用(對(duì)差動(dòng)元件)的大小相同。根據(jù)變壓器的容量、接線組別、各側(cè)電壓及各側(cè)差動(dòng)TA的變比，可以計(jì)算出差動(dòng)兩側(cè)之間的平衡系數(shù)。

1.5 動(dòng)作特性和動(dòng)作方程

(1)從圖1可見，比率差動(dòng)動(dòng)作方程為:

式中:Iop為差動(dòng)電流;Iop.0為差動(dòng)最小動(dòng)作電流整定值;Ires為制動(dòng)電流;Ires.0為最小制動(dòng)電流整定值;S為比率制動(dòng)特性斜率。

(2)二次諧波制動(dòng)原理。

利用三相差動(dòng)電流中的二次諧波分量作為勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)，動(dòng)作方程為:

式中:Iop.2為三相差動(dòng)電流中的二次諧波電流;K為二次諧波制動(dòng)系數(shù);Iop為三相基波差動(dòng)電流。

2 整定計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)

本文中變壓器計(jì)算參數(shù)如表1所示，變壓器型號(hào)為SFP9-150000/220。

表1 計(jì)算參數(shù)表

2.2 各側(cè)差動(dòng)平衡系數(shù)整定

(1)計(jì)算變壓器各側(cè)一次電流

式中:SN為變壓器額定容量;UN為計(jì)算側(cè)線電壓。

主變壓器高壓側(cè)一次額定電流為:

(2)計(jì)算各側(cè)流入保護(hù)裝置的二次電流

式中:Kcom為變壓器CT二次接線系數(shù)，CT為“△”接線時(shí)Kcom=，CT為“Y”接線時(shí)Kcom=1;本例中兩側(cè)CT接線均為“Y”，故均取為1。na-CT變比。

高壓側(cè)CT二次側(cè)電流:InH=1×357.9÷ (1200/5)=2.98 A

低壓側(cè)CT二次側(cè)電流:InL=1×5 498.6÷ (12000/5)=4.58 A。

(3)計(jì)算各側(cè)平衡系數(shù)

以主變高壓側(cè)流入裝置的二次電流InH為基準(zhǔn)，則

高壓側(cè)差動(dòng)平衡系數(shù):KphH=1;

低壓側(cè)差動(dòng)平衡系數(shù):KphL=In1/In2=2.98 ÷4.58=0.65。

以上計(jì)算數(shù)據(jù)填入表1。

2.3 最小動(dòng)作電流的計(jì)算

最小動(dòng)作電流應(yīng)大于變壓器額定負(fù)載時(shí)的不平衡電流。依據(jù)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定與計(jì)算導(dǎo)則(DL/T84-1999)》第5.1.4.3條中的第2種整定方法，有

式中:Krel為可靠系數(shù)，一般取1.3～1.5，此處取1.5。Ker為兩側(cè)電流互感器變比誤差的差異引起的不平衡電流系統(tǒng)，10P級(jí)CT，Ker=0.04×2(兩側(cè)CT不飽和，所以不取0.1;考慮一側(cè)CT變比誤差為“+0.04”，另一側(cè)CT變比誤差為“－0.04”);△U為變壓器調(diào)壓引起的誤差。

微機(jī)保護(hù)的平衡系數(shù)的選擇是在變壓器的變比為額定分接頭時(shí)進(jìn)行的。但在運(yùn)行中，變壓器分接頭的位置是經(jīng)常人為調(diào)節(jié)的。分接頭位置是“+0.05、+0.025、0、－0.025、－0.05”共5個(gè)。一旦分接頭位置不在額定位置時(shí)，兩側(cè)CT二次側(cè)電流又不相等了，出現(xiàn)不平衡電流?！鱑系統(tǒng)取調(diào)壓范圍中偏離額定值的最大值，即△U=0.05。

在工程實(shí)用整定計(jì)算中通常選取Iop.min=(0.2～0.5)IN/na，此處取最小啟動(dòng)電流為0.4倍變壓器額定電流。即

2.4 最小制動(dòng)電流計(jì)算

正常運(yùn)行中變壓器負(fù)荷電流在額定電流IN以下，不平衡電流Iunb小，無需比率制動(dòng)，差動(dòng)電流的動(dòng)作值Iop.0為恒定，不隨Ires的增大而增大。即I=In正常運(yùn)行時(shí)，Ires=In，所以整定

2.5 比率制動(dòng)系數(shù)Kres

按《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定與計(jì)算導(dǎo)則(DL/T684-2012)》第5.1.4.3條中的第2種整定方法，有

式中:Kap為非周期分量系數(shù)，兩側(cè)同為P級(jí)電流互感器取1.5～2.0，取2.0;Kcc為電流互感器的同型系數(shù)，Kcc=1.0;Ker為電流互感器的比誤差，取0.1。

2.6 二次諧波制動(dòng)系數(shù)

按《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定與計(jì)算導(dǎo)則(DL/T684-2012)》第5.1.3.5條，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)二次諧波制動(dòng)比可整定為15%～20%。

本例取K=0.18。

2.7 差流速斷動(dòng)作電流整定

差動(dòng)速斷定值是按躲過變壓器勵(lì)磁涌流，和最大運(yùn)行方式下穿越性故障引起不平衡電流，兩者中較大者。定值一般取(4～12)In。

(1)按躲過變壓器初始勵(lì)磁涌流計(jì)算

120 000 kVA及以上變壓器，K值取2.0～5.0。本例取K=3.5，

則Iop=3.5In=3.5×2.98=10.43 A。

(2)按躲過變壓器外部短路最大不平衡電流計(jì)算

式中外部短路最大不平衡電流

綜合(1)、(2)，為可靠取Iop=3.5In≈10 A。

3 靈敏度校驗(yàn)

靈敏系統(tǒng)Ksen=/Iop=14/10=1.4＞1.2，滿足要求。

［1］ 大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定與計(jì)算導(dǎo)則(DL/ T684-2012)［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［2］ 許繼電氣股份有限公司.WFB-100微機(jī)型發(fā)變組成套保護(hù)裝置技術(shù)說明書［Z］.1999.

［3］ 姚晴林.大型發(fā)電機(jī)變壓器組繼電保護(hù)定值整定與計(jì)算［Z］.許繼電氣股份有限公司.