石化裝置中變壓器差動(dòng)保護(hù)方法的探討

李啟凡

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

石化裝置中變壓器差動(dòng)保護(hù)方法的探討

李啟凡

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

結(jié)合工程實(shí)例，探討石化裝置中35 kV變壓器差動(dòng)保護(hù)的各種方法，進(jìn)而分析可能影響差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的原因。最后理論聯(lián)系實(shí)際，以Yd11雙繞組變壓器和西門子7UT6825微機(jī)保護(hù)裝置為例，介紹完整的繼電保護(hù)整定過(guò)程。

變壓器；差動(dòng)保護(hù)；比率制動(dòng)

石化裝置用電負(fù)荷較大，主進(jìn)線變壓器（下文簡(jiǎn)稱主變）的容量多數(shù)大于10 MVA，高壓側(cè)電壓常采用35 kV，兩臺(tái)主變單獨(dú)運(yùn)行。根據(jù)《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50062—2008）的要求，電壓在10 kV以上、容量為10 MVA及以上、單獨(dú)運(yùn)行的變壓器，除裝設(shè)油面降低、油箱壓力過(guò)高、繞組溫度過(guò)高、變壓器油溫過(guò)高、產(chǎn)生瓦斯等保護(hù)外，同時(shí)還應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，作為變壓器內(nèi)部及其引出線和套管短路故障的主保護(hù)。

1 主變差動(dòng)保護(hù)常采用的幾種方法

1.1 變壓器差動(dòng)保護(hù)原理

探討各種方法之前，先簡(jiǎn)要說(shuō)明一下變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理。

雖然變壓器兩側(cè)電路上互不相通，但流入和流出變壓器的功率基本相等，由此建立平衡方程式，將變壓器兩側(cè)電流的相位和數(shù)值進(jìn)行比較。

三相變壓器一般采用分相比較的辦法實(shí)現(xiàn)電流比較，以35/10（6）kV變壓器為例，在其兩側(cè)共有6組電流互感器（下文簡(jiǎn)稱 CT），每一相有2組 CT，如圖1所示。變壓器兩側(cè)C相的電流分別為I1和I2（I1和I2是歸算到相同電壓等級(jí)后電流），規(guī)定靠近母線側(cè)為 CT 的正極性端，同時(shí)規(guī)定母線流向變壓器為電流參考方向的正方向，電流差值為Id。

圖1 變壓器差動(dòng)保護(hù)原理接線Fig.1 Differential protection principles of transformer

圖2 35 kV側(cè)內(nèi)橋接線Fig.2 Interior bridge connection in the power side

圖3 35 kV側(cè)全橋主接線Fig.3 Full bridge connection in the power side

當(dāng)變壓器正常運(yùn)行或保護(hù)范圍外發(fā)生故障時(shí)，高壓側(cè)短路電流由母線流向變壓器（與參考方向一致）為正值，低壓側(cè)短路電流由變壓器流向母線（與參考方向相反）為負(fù)值，電流差值，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，兩側(cè)短路電流都是由母線流向變壓器（與參考方向一致）均為正值，電流差值，數(shù)值很大，保護(hù)啟動(dòng)。

1.2 與主接線方式相結(jié)合

通常CT裝設(shè)在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)或變壓器上，結(jié)合石化裝置中35 kV側(cè)線路常采用的三種接線方式：內(nèi)橋接線、全橋接線（當(dāng)回路數(shù)多于四個(gè)時(shí)，即為分段單母線接線）和線路-變壓器組接線，主變（以T1為例）的差動(dòng)保護(hù)與之對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

圖4 35 kV側(cè)線路-變壓器組接線Fig.4 Line-transform connection in the power side

圖5 變壓器大差動(dòng)保護(hù)原理接線Fig.5 Large differential protection principles of transformer

圖6 變壓器小差動(dòng)保護(hù)原理接線Fig.6 Little differential protection principles of transformer

2 引起變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的原因

在理想狀態(tài)下，變壓器無(wú)論是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，還是暫態(tài)運(yùn)行，差動(dòng)保護(hù)的方程式均應(yīng)平衡，電流差值等于零。但實(shí)際上，有不平衡電流使電流差值不為零，這些不平衡電流并不是由保護(hù)范圍內(nèi)故障引起的，卻導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，影響差動(dòng)保護(hù)可靠性。

所謂穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是指變壓器帶負(fù)荷正常運(yùn)行，將變壓器發(fā)生外部故障、恢復(fù)供電、空載投入等工況稱為暫態(tài)運(yùn)行。

2.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生不平衡電流的原因

2.1.1 由于變壓器兩側(cè)Yd11接線存在相位差生成不平衡電流

當(dāng)變壓器繞組采用Yd11接線方式時(shí)，三角形接線側(cè)與星形接線側(cè)的線電壓相位差為30°，變壓器兩側(cè)同相電流間相位差為30°，在差動(dòng)回路中會(huì)生成不平衡電流，引起保護(hù)誤動(dòng)。

這個(gè)問(wèn)題可以采用Y/Δ轉(zhuǎn)換的辦法來(lái)解決。將變壓器三角形接線側(cè)的CT二次側(cè)接成星形，同時(shí)將星形接線側(cè)的CT二次側(cè)接成三角形，這樣補(bǔ)償了變壓器兩側(cè)電流間的相位差。當(dāng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)變壓器差動(dòng)保護(hù)時(shí)，兩側(cè)CT二次側(cè)都可接成星形，通過(guò)微機(jī)的軟件對(duì)電流自動(dòng)進(jìn)行相位校準(zhǔn)及補(bǔ)償，消除不平衡電流。

表1 接線方式與差動(dòng)保護(hù)對(duì)應(yīng)表Tab. 1 Connection mode and differential protection corresponding table

2.1.2 由于變壓器兩側(cè)CT特性曲線存在差異生成不平衡電流

CT帶有鐵心，在電磁變換過(guò)程中，有勵(lì)磁電流產(chǎn)生，元器件之間特性曲線只可能相近，不可能完全相同。當(dāng)采用不同型號(hào)CT時(shí)，鐵心勵(lì)磁電流差異更大，在差動(dòng)回路中會(huì)生成不平衡電流，引起保護(hù)誤動(dòng)。

這個(gè)問(wèn)題可以采用適當(dāng)增大差動(dòng)門檻值的辦法來(lái)解決。差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)的主要條件為差動(dòng)回路中電流差值超過(guò)設(shè)定門檻值，門檻值就是保護(hù)動(dòng)作的最小值，該值應(yīng)躲過(guò)非保護(hù)范圍內(nèi)故障時(shí)的最大不平衡電流。

2.1.3 由于變壓器變比與CT計(jì)算變比存在差異生成不平衡電流

為了滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行或保護(hù)范圍外短路時(shí)方程式平衡，變壓器變比應(yīng)與兩側(cè)CT變比的比值相等，即：

式中 nT——變壓器變比；

nTA1、nTA2——變壓器兩側(cè)CT變比。

但實(shí)際上，CT和變壓器的變比都是標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，變壓器的變比與CT計(jì)算變比基本不相等。同時(shí)變壓器每一相的變比之間也存在偏差，在差動(dòng)回路中會(huì)生成不平衡電流，引起保護(hù)誤動(dòng)。

當(dāng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的變壓器差動(dòng)保護(hù)時(shí)，可采用調(diào)整平衡系數(shù)的辦法來(lái)解決。通過(guò)微機(jī)的軟件對(duì)變壓器兩側(cè)一次額定電流和CT變比進(jìn)行計(jì)算，自動(dòng)調(diào)整平衡系數(shù)，消除不平衡電流。

2.1.4 由于變壓器改變變比生成不平衡電流

由于石化裝置連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，變壓器通常采用改變分接頭位置的方式，帶有負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，改變其變比，實(shí)現(xiàn)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行電壓的目的。保護(hù)裝置按原先變壓器變比設(shè)定好后，當(dāng)改變變壓器變比時(shí)，原先的平衡被打破，此時(shí)產(chǎn)生的不平衡電流Ibp與通過(guò)調(diào)壓側(cè)最大外部故障電流Idmax成正比，即：

式中 Kn——變壓器調(diào)壓引起的誤差比；

±U %—— 調(diào)壓分接頭相對(duì)于額定抽頭位置的最大變化范圍；

Idmax——通過(guò)調(diào)壓側(cè)的最大外部故障電流；Ibp—— 改變變壓器的分接頭位置后出現(xiàn)新的不平衡電流。

差動(dòng)保護(hù)需要在調(diào)壓的同時(shí)重新進(jìn)行設(shè)定，這種做法不易實(shí)現(xiàn)也不安全。

這個(gè)問(wèn)題可以采用適當(dāng)增大差動(dòng)門檻值的辦法來(lái)解決。此門檻值與2.1.2相同。

2.2 暫態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生不平衡的電流原因

2.2.1 由于勵(lì)磁涌流生成不平衡電流

變壓器在電磁變換中，有勵(lì)磁電流產(chǎn)生。勵(lì)磁涌流的大小與合閘瞬間電壓的相位等因素有關(guān)。①當(dāng)保護(hù)范圍外發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓值變小，勵(lì)磁電流相應(yīng)減小，差動(dòng)回路的不平衡電流很小，影響可忽略不計(jì)；②當(dāng)變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流很小，差動(dòng)回路的不平衡電流也很小，影響可忽略不計(jì)。③當(dāng)空載投入或恢復(fù)供電時(shí)，電壓瞬間變大，在變壓器接通電源的一側(cè)可能會(huì)出現(xiàn)較大的勵(lì)磁涌流。較大的勵(lì)磁電流就相當(dāng)于變壓器內(nèi)部故障時(shí)的短路電流，引起保護(hù)誤動(dòng)。

當(dāng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的變壓器差動(dòng)保護(hù)時(shí)，可采用二次諧波分量條件閉鎖差動(dòng)保護(hù)的辦法來(lái)解決。變壓器勵(lì)磁涌流中二次諧波分量所占比重很大，采用將電流中二次諧波與基波的比率值作為制動(dòng)系數(shù)的方法，可以鑒別出勵(lì)磁涌流。當(dāng)比率值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，可認(rèn)為是勵(lì)磁涌流引起的，閉鎖差動(dòng)保護(hù)，保護(hù)不動(dòng)作。

2.2.2 由于保護(hù)范圍外發(fā)生故障時(shí)短路電流暫態(tài)穿越生成不平衡電流

在保護(hù)范圍外發(fā)生故障的過(guò)程中，短路電流中周期分量會(huì)使CT的鐵心飽和。短路電流中非周期分量因?qū)r(shí)間的變化率很小，而成為CT鐵心的勵(lì)磁電流，使CT的鐵心嚴(yán)重飽和，CT的二次電流誤差更大，在差動(dòng)回路中會(huì)生成不平衡電流，引起保護(hù)誤動(dòng)。

當(dāng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的變壓器差動(dòng)保護(hù)時(shí)，可采用兩段式比率制動(dòng)特性的辦法來(lái)解決。比率制動(dòng)特性就是當(dāng)制動(dòng)電流值增大時(shí)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值成比率提高。其作用是：當(dāng)發(fā)生保護(hù)范圍外故障，不平衡電流較大時(shí)，有制動(dòng)作用；當(dāng)發(fā)生保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障，不平衡電流較小時(shí)，制動(dòng)作用最小。如圖7所示，線1表示差動(dòng)回路的不平衡電流，近似一條過(guò)0點(diǎn)的直線，短路電流越大，該值越大；線2是無(wú)制動(dòng)時(shí)，差動(dòng)保護(hù)的設(shè)定值，該值不小于最大不平衡電流Ibpmax；線3為變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)短路時(shí)的電流差值，近似一條過(guò)0點(diǎn)的直線，短路電流越大，該值越大；線4為有制動(dòng)時(shí)，差動(dòng)保護(hù)的設(shè)定值曲線。當(dāng)不采用制動(dòng)時(shí)，線3與線2相交于B點(diǎn)，電流差值在0與Icdsd之間，保護(hù)不動(dòng)作；當(dāng)采用制動(dòng)時(shí)，線3與線4相交于A點(diǎn)，近似認(rèn)為電流差值在0與Icdqd之間，保護(hù)不動(dòng)作。與無(wú)制動(dòng)比較，采用制動(dòng)特性后，使保護(hù)更靈敏。而使用含兩段比率制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)時(shí)，使設(shè)定更靈活。同時(shí)，當(dāng)發(fā)生CT嚴(yán)重飽和時(shí)，使保護(hù)更可靠。

圖7 變壓器比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)原理Fig.7 Differential protection principles of transformer of ratio braking

圖8 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性曲線Fig.8 Braking characteristic curve

3 變壓器差動(dòng)保護(hù)實(shí)例

某石化裝置中，主變?nèi)萘繛?0 MVA、電壓變比為35±2×2.5 % /10.5 kV、繞組為Yd11、阻抗為7 %。選用西門子7UT6825作為微機(jī)保護(hù)裝置。整定計(jì)算包括四部分：變壓器參數(shù)計(jì)算、短路電流計(jì)算、保護(hù)動(dòng)作特性參數(shù)計(jì)算和靈敏度校驗(yàn)。因短路電流計(jì)算由調(diào)度部門提供，同時(shí)靈敏度校驗(yàn)與系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的短路電流值有關(guān)，此處不做介紹。本文著重介紹變壓器參數(shù)計(jì)算和保護(hù)動(dòng)作特性參數(shù)計(jì)算。

3.1 變壓器參數(shù)計(jì)算

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3.2 保護(hù)動(dòng)作特性參數(shù)計(jì)算

3.2.1 差動(dòng)門檻值（Icdqd）

式中 Ie——主變壓器低壓側(cè)額定電流；

Krel——可靠系數(shù)，一般取1.3～1.5；

Ker—— 主變兩側(cè)CT的比誤差，一般可取0.06；

表2 變壓器參數(shù)計(jì)算表Tab. 2 Parameter calculation table for transform

ΔU—— 主變壓器調(diào)壓引起的誤差，一般可取調(diào)壓范圍中偏離額定值的最大值（百分值）。

按照此計(jì)算公式，得到Icdqd= 1.3×（0.06 + 0.05）×Ie= 0.143 Ie。根據(jù)國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》（DL/T 684—2012，下文簡(jiǎn)稱導(dǎo)則）中建議，門檻值一般取0.3～0.5 Ie?？紤]到當(dāng)保護(hù)范圍外發(fā)生故障時(shí)，切除故障后，在變壓器兩側(cè)的電流中仍存在較大的非周期分量及勵(lì)磁涌流，而此時(shí)CT飽和制動(dòng)及涌流制動(dòng)都不一定有效，有可能差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

在本項(xiàng)目中，該值最終取值為0.5 Ie。如此，前文2.1.2、2.1.3和2.1.4所述的問(wèn)題也解決了。

3.2.2 差動(dòng)速斷值（Icdsd）

該保護(hù)本質(zhì)是差動(dòng)保護(hù)的一個(gè)輔助保護(hù)，不帶任何閉鎖和制動(dòng)條件，只要電流差值達(dá)到速斷設(shè)定值，立即跳閘。其目的是防止由于CT嚴(yán)重飽和時(shí)，引起保護(hù)延遲動(dòng)作。根據(jù)導(dǎo)則，該值應(yīng)不小于變壓器勵(lì)磁涌流或保護(hù)范圍外短路最大不平衡電流。一般主變空載投入時(shí)的勵(lì)磁涌流大于最大不平衡電流，即：

式中 Ie——主變壓器低壓側(cè)額定電流；

K—— 主變空載投入時(shí)最大勵(lì)磁涌流倍數(shù)，視變壓器容量和電抗大小而定。

在本項(xiàng)目中，該值最終取值為8倍Ie。

3.2.3 曲線1的制動(dòng)系數(shù)（K1）和基準(zhǔn)點(diǎn)

比率制動(dòng)特性曲線1是過(guò)原點(diǎn)的直線，主要考慮CT未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的誤差。此時(shí)CT誤差基本與穿越電流大小成比例。根據(jù)導(dǎo)則，可按下式整定：

式中 Krel、ΔU、Ker同式（3），但Ker應(yīng)比式（3）中大，可取0.1；

Kap——非周期分量系數(shù)，可取1.5～2.0；

Kcc—— 為CT 的同型系數(shù)，可取1.0。

在本項(xiàng)目中，K1= 1.3×（ 1.5×1×0.1+ 0.05）= 0.26，同時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)在零點(diǎn)處。

3.2.4 曲線2的制動(dòng)系數(shù)K2和基準(zhǔn)點(diǎn)

當(dāng)保護(hù)范圍外部發(fā)生故障時(shí)，CT嚴(yán)重飽和，測(cè)量誤差增大，此時(shí)采用更高的制動(dòng)特性，使保護(hù)可靠動(dòng)作。

在本項(xiàng)目中，K2最終取值為0.5，基準(zhǔn)點(diǎn)在2.5倍Ie處。如此，前文2.2.2所述的問(wèn)題也解決了。如果希望按照傳統(tǒng)的一段式比率制動(dòng)特性來(lái)整定，只需K2= K1，基準(zhǔn)點(diǎn)選0即可。

3.2.5 二次諧波制動(dòng)比

二次諧波制動(dòng)比指的是各相電流中二次諧波分量與基波分量的比值。

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及導(dǎo)則，在本項(xiàng)目中，該值最終取值為15 %。如此，前文2.2.1所述的問(wèn)題也解決了。

綜上，保護(hù)動(dòng)作特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 保護(hù)動(dòng)作特性參數(shù)表Tab.3 the characteristic parameters table of protection operation

根據(jù)表3，可確定一條保護(hù)動(dòng)作特性曲線，如圖8所示。該曲線相當(dāng)于模擬圖7中曲線4。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然變壓器已經(jīng)采用差動(dòng)保護(hù)作為內(nèi)部短路故障的主保護(hù)，而且差動(dòng)保護(hù)比瓦斯保護(hù)等動(dòng)作速度要快，但差動(dòng)保護(hù)不能替代瓦斯保護(hù)和壓力保護(hù)。例如變壓器發(fā)生匝間短路時(shí)，因短路的匝數(shù)不同，流入和流出變壓器的電流方向不一定改變，電流差值可能很小，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)可能不會(huì)動(dòng)作，這時(shí)依靠瓦斯保護(hù)或壓力保護(hù)動(dòng)作斷開(kāi)變壓器，否則會(huì)發(fā)生更危險(xiǎn)的事故。

[1]GB/T 50062—2008. 電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]DL/T 684—2012. 大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則[S].

[3]國(guó)家電網(wǎng)繼電保護(hù)培訓(xùn)教材[Z].

Discussion of the Method for Differential Protection of Transformer Used in Petrochemical Plant

Li Qifan
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Combined with engineering practice, various methods for differential protection for 35 kV transformer used in petrochemical plant were discussed. The cause of error action possibly occurred in differential protection was analyzed. Finally based on theory and linked with practice, with Yd11 double winded transformer and SIMENS 7UT6825 set as examples, the procedure of integral relay protection was introduced.

transformer; differential protection; ratio-differential

TQ 056.2

A

2095-817X（2016）06-0012-006

2016-08-24

李啟凡（1978—），男，工程師，主要從事石化工程電氣設(shè)計(jì)工作。