内桥接线主变压器差动保护误动原因分析.pdf

1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/内 桥 接 线 主 变 压 器 差 动 保 护 误 动 原 因 分 析李 斌 1 , 马 超 1 , 商 汉 军 2 , 李 赵 磊 2 , 贺 家 李 1(1. 天 津 大 学 电 力 系 统 仿 真 控 制 教 育 部 重 点 实 验 室 , 天 津 市 300072 ; 2. 济 南 钢 铁 集 团 , 山 东 省 济 南 市 250013)摘 要 : 内 桥 接 线 变 电 站 的 主 变 压 器 并 列 运

2、 行 时 ,其 中 一 台 变 压 器 支 路 空 载 合 闸 或 故 障 时 ,内 桥 开 关将 通 过 很 大 的 励 磁 涌 流 或 短 路 电 流 。 在 此 情 况 下 ,正 常 运 行 的 变 压 器 差 动 保 护 可 能 发 生 由 于 电 流互 感 器 暂 态 传 变 特 性 差 异 以 及 产 生 和 应 涌 流 现 象 而 导 致 保 护 误 动 。 文 中 结 合 一 起 变 压 器 差 动 保 护连 续 误 动 的 事 故 ,对 内 桥 接 线 方 式 下 ,电 流 互 感 器 传 变 特 性 差 异 、 和 应 涌 流 的 产 生 进 行 了 理 论 分 析和 仿

3、真 验 证 ,并 对 励 磁 涌 流 的 二 次 谐 波 闭 锁 能 力 进 行 了 分 析 计 算 。 最 后 提 出 了 内 桥 接 线 方 式 下 改进 的 变 压 器 差 动 保 护 接 线 方 式 等 解 决 措 施 ,以 防 止 差 动 保 护 误 动 。关 键 词 : 内 桥 接 线 ; 变 压 器 差 动 保 护 ; 电 流 互 感 器 ; 励 磁 涌 流 ; 和 应 涌 流中 图 分 类 号 : TM772 ; TM401. 1收 稿 日 期 : 2008207228 ; 修 回 日 期 : 2008208228。0 引 言变 压 器 差 动 保 护 受 励 磁 涌 流 、

4、电 流 互 感 器 饱 和以 及 和 应 涌 流 等 影 响 可 能 出 现 误 动 。 采 用 二 次 谐 波原 理 判 别 励 磁 涌 流 受 变 压 器 空 载 合 闸 角 和 剩 磁 的 影响 很 大 ,较 难 选 择 合 适 的 二 次 谐 波 定 值 ,从 而 造 成 误判 122 。 电 流 互 感 器 受 非 周 期 分 量 等 影 响 可 能 不 能准 确 传 变 一 次 侧 电 流 ,产 生 较 大 不 平 衡 电 流 324 。 另外 ,在 2 个 相 邻 变 压 器 串 联 或 并 联 运 行 时 ,空 投 一 台变 压 器 会 导 致 另 一 台 正 在 运 行 中

5、的 变 压 器 出 现 和 应涌 流 ,造 成 差 动 保 护 误 动 527 。本 文 针 对 某 厂 内 桥 接 线 变 电 站 的 主 变 压 器 差 动保 护 连 续 误 动 事 故 ,分 析 了 差 动 保 护 误 动 的 经 过 及原 因 ,并 提 出 了 解 决 该 误 动 问 题 简 单 有 效 的 方 法 。1 电 气 主 接 线 及 主 变 压 器 差 动 保 护 误 动1. 1 电 气 主 接 线 及 主 变 压 器 差 动 保 护 接 线某 厂 内 桥 接 线 变 电 站 的 电 气 主 接 线 图 如 图 1 所示 , 线 、 线 是 变 电 站 的 2 条 进 线

6、,Q F1 和 Q F2 为2 个 进 线 断 路 器 ,Q F3 为 内 桥 断 路 器 ,QS1 和 QS2为 隔 离 开 关 。 主 变 压 器 T1 和 T2 的 型 号 相 同 ,容 量为 50 MVA ,接 线 方 式 为 Y , Y ,d11。 额 定 电 压 分 别为 110 kV/ 35 kV/ 6 kV ,35 kV 侧 空 载 运 行 。主 变 压 器 T1 和 T2 均 采 用 施 奈 德 公 司 的Sepam 2000 D31 比 率 制 动 纵 差 动 保 护 ,利 用 二 次 谐波 鉴 别 涌 流 并 分 相 闭 锁 差 动 保 护 。 以 主 变 压 器 T2为

7、 例 ,差 动 保 护 高 压 侧 电 流 取 自 电 流 互 感 器 TA1 和TA2 的 差 接 电 流 ,即 TA1 和 TA2 二 次 侧 电 流 的 矢量 和 ;中 、 低 压 侧 电 流 分 别 取 自 TA3 和 TA4。图 1 电 气 主 接 线Fig. 1 Electrical connection diagram1. 2 主 变 压 器 差 动 保 护 误 动 现 象事 故 当 天 08 : 37 变 电 站 进 线 线 及 主 变 压 器T1 停 电 检 修 , 线 给 主 变 压 器 T2 送 电 ; 15 : 35 后 线 与 主 变 压 器 T1 检 修 工 作 全

8、 部 结 束 。事 故 1 17 :23 通 过 内 桥 开 关 Q F3 空 投 T1 , T2差 动 保 护 动 作 于 跳 开 T2 各 侧 开 关 。 由 T2 差 动 保护 故 障 录 波 显 示 ,高 压 侧 电 流 出 现 直 流 偏 移 ,见图 2 (a) 。 IA , IB , IC 分 别 为 高 压 侧 各 相 一 次 侧 电 流 。事 故 2 17 :28 用 进 线 线 通 过 Q F2 空 载 合 闸T2 时 , T2 的 差 动 保 护 再 次 动 作 于 跳 闸 。 T2 的 差 动保 护 故 障 录 波 如 图 2 (b)所 示 。事 故 3 17 :30 拉

9、 开 QS2 刀 闸 ,即 退 出 T2 ,再次 通 过 内 桥 开 关 Q F3 空 投 T1 时 , T2 的 差 动 保 护 再次 动 作 于 跳 闸 ,使 得 合 闸 失 败 。 17 :40 在 断 开 QS2刀 闸 的 情 况 下 ,将 T2 的 差 动 保 护 压 板 退 出 ,通 过Q F3 送 T1 成 功 ,但 T2 的 差 动 保 护 装 置 本 身 仍 然 判断 内 部 故 障 并 显 示 跳 闸 。 本 次 事 故 过 程 中 T2 在 退出 状 态 ,中 、 低 压 侧 电 流 为 0 ,但 故 障 录 波 显 示 高 压侧 电 流 ,如 图 2 (c) 所 示 。

10、 之 后 对 T2 的 事 故 查 找 中确 认 T2 完 好 ,差 动 保 护 接 线 及 定 值 参 数 等 均 正 确 。99第 33 卷 第 1 期2009 年 1 月 10 日Vol. 33 No. 1Jan. 10 , 2009 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/图 2 3 种 事 故 现 象 的 录 波 图Fig. 2 Recording curves of three accidents2 各 种 因 素 对 变 压 器 差 动 保 护

11、 的 影 响2. 1 TA传 变 特 性 引 起 差 动 保 护 误 动电 流 互 感 器 ( TA) 未 饱 和 时 ,励 磁 电 流 很 小 ,此时 的 TA 线 性 传 变 一 次 电 流 。 而 当 TA 一 次 侧 流 过较 大 电 流 或 包 含 较 大 成 分 的 非 周 期 分 量 时 ,铁 芯 的非 线 性 励 磁 特 性 可 能 进 入 饱 和 区 ,励 磁 电 流 急 剧 上升 , TA 不 能 准 确 传 变 一 次 侧 电 流 。 对 于 通 过 同 一电 流 的 不 同 TA ,即 使 型 号 一 致 ,也 会 由 于 各 自 负 载不 同 导 致 传 变 特 性

12、存 在 差 异 ,如 图 3 所 示 。图 3 电 流 互 感 器 的 传 变 特 性Fig. 3 Characteristic curve of current transformer由 图 2 (c)可 知 ,在 T2 退 出 运 行 情 况 下 ,理 论 上高 压 侧 电 流 为 0。 而 合 闸 Q F3 空 送 T1 会 产 生 幅 值很 大 且 包 含 有 大 量 非 周 期 分 量 的 励 磁 涌 流 。 此 涌 流流 过 TA1 和 TA2 ,在 涌 流 持 续 的 暂 态 过 程 中 ,由 于TA1 和 TA2 传 递 特 性 不 一 致 ,产 生 数 值 较 大 的 差电

13、流 ,且 差 流 是 逐 渐 增 大 之 后 又 逐 渐 衰 减 ,这 符 合TA 的 暂 态 饱 和 特 性 1 ,故 可 能 导 致 差 动 保 护 误 动作 。2. 2 励 磁 涌 流 引 起 差 动 保 护 误 动空 投 变 压 器 时 会 产 生 数 值 相 当 大 的 励 磁 涌 流 ,其 大 小 与 变 压 器 内 部 的 剩 磁 和 合 闸 角 有 关 。 由图 2 (b)可 见 ,励 磁 涌 流 出 现 间 断 角 ,并 且 偏 向 时 间轴 一 侧 。 本 文 对 图 2 ( b) 所 示 的 励 磁 涌 流 进 行 谐 波分 析 计 算 ,得 出 其 二 次 谐 波 含

14、量 及 变 化 过 程 见 图 4。图 4 励 磁 涌 流 的 二 次 谐 波 含 量Fig. 4 Second harmonic component of inrush current图 中 各 相 二 次 谐 波 含 量 不 等 ,且 在 励 磁 涌 流 的暂 态 过 程 中 二 次 谐 波 含 量 的 最 小 值 可 能 低 于 10 %。而 通 常 的 二 次 谐 波 含 量 参 考 定 值 为 15 % 20 %。在 本 方 案 中 差 动 保 护 的 二 次 谐 波 制 动 采 用 分 相 闭 锁方 式 ,这 种 方 式 在 变 压 器 合 闸 于 故 障 时 能 快 速 切 除

15、,但 在 涌 流 时 不 能 保 证 可 靠 闭 锁 ,造 成 差 动 保 护 误 动 。2. 3 和 应 涌 流 引 起 差 动 保 护 误 动由 图 2 (a) 可 以 看 出 , T1 空 载 合 闸 后 , T2 高 压侧 的 电 流 出 现 了 明 显 的 非 周 期 分 量 ,其 幅 值 逐 渐 增大 到 最 大 值 后 ,再 不 断 衰 减 。 而 与 此 同 时 ,低 压 侧 三相 电 流 也 发 生 了 相 应 的 变 化 ,证 明 有 和 应 涌 流 出 现 。另 外 , TA 暂 态 传 变 特 性 不 一 致 也 是 产 生 该 不 平 衡电 流 的 因 素 之 一 。

16、图 5 所 示 为 2 台 变 压 器 并 联 运 行 的 等 效 电 路 ,其 中 T2 正 常 运 行 , T1 空 载 合 闸 。 us ,L s , Rs 分 别 为系 统 侧 电 源 、 电 感 和 电 阻 ; L m ,L , R 分 别 为 变 压 器的 励 磁 电 感 、 漏 感 和 电 阻 ; s , m , 分 别 为 系 统 电感 磁 链 、 变 压 器 铁 芯 主 磁 链 和 变 压 器 漏 磁 链 ; i 为 流过 变 压 器 的 电 流 ;定 义 为 合 闸 回 路 总 磁 链 。0012009 , 33 (1) 1994-2009 China Academic J

17、ournal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/图 5 并 联 变 压 器 产 生 和 应 涌 流Fig. 5 Sympathetic inrush for transformer in parallelT1 和 T2 的 回 路 磁 链 方 程 为 : 1 = 1s + 1m + 1 = ( L s + L 1m + L 1 ) i1 + L s i2(1) 2 = 2s + 2m + 2 = ( L s + L 2m + L 2 ) i2 + L s i1(2)T1 和 T2 的 电 压 方 程 为 :us =

18、d 1dt + ( Rs + R1 ) i1 + Rs i2 (3)us = d 2dt + ( Rs + R2 ) i2 + Rs i1 (4)对 变 压 器 T1 和 T2 的 电 压 方 程 在 一 个 周 期 内积 分 ,得 到 T1 和 T2 磁 链 的 变 化 量 为 : 1 = - t+ Tt( Rs + R1 ) i1 dt - t+ TtR s i2 dt (5) 2 = - t+ Tt( Rs + R2 ) i2 dt - t+ TtR s i1 dt (6)空 投 T1 时 励 磁 涌 流 i1 含 有 很 大 的 非 周 期 分量 。 而 T2 正 常 运 行 ,i2

19、的 非 周 期 分 量 很 小 ,故 2主 要 由 i1 决 定 。 设 i1 中 的 非 周 期 分 量 为 正 ,由 式(6)得 2 为 负 值 ,即 每 个 周 期 T2 磁 链 向 负 方 向 偏移 ,逐 渐 进 入 反 向 饱 和 。 T2 饱 和 后 ,i2 逐 渐 增 大 ,产生 了 和 应 涌 流 。 随 着 i2 的 增 大 , i2 在 1 个 周 期 内 积分 也 在 不 断 增 大 。 当 i2 增 大 到 使 得 2 = 0 时 , T2磁 链 达 到 反 向 最 大 , i2 和 应 涌 流 也 达 到 最 大 值 ,此后 , T1 和 T2 的 磁 链 进 入 各

20、 自 衰 减 状 态 。本 文 利 用 EM TDC/ PSCAD 仿 真 研 究 图 1 所 示的 和 应 涌 流 现 象 。 T1 的 空 载 合 闸 励 磁 涌 流 和 T2高 压 侧 各 相 电 流 波 形 分 别 如 图 6 (a) , (b)所 示 。图 6 励 磁 涌 流 与 和 应 涌 流 波 形Fig. 6 Waveforms of magnetizing inrush andsympathetic inrush和 应 涌 流 产 生 的 根 本 原 因 是 相 邻 变 压 器 空 投 时涌 流 的 非 周 期 分 量 流 过 系 统 电 阻 产 生 非 周 期 电 压 ,使

21、 正 常 运 行 变 压 器 的 磁 链 逐 渐 反 向 增 大 ,最 终 达 到反 向 饱 和 引 起 和 应 涌 流 。 和 应 涌 流 与 空 投 变 压 器 的励 磁 涌 流 方 向 相 反 ,偏 向 时 间 轴 的 另 一 侧 ,其 峰 值 是逐 渐 增 大 再 不 断 衰 减 ,持 续 时 间 较 长 。 和 应 涌 流 中较 强 的 非 周 期 分 量 会 使 TA 发 生 暂 态 饱 和 ,引 起 差流 ,导 致 差 动 保 护 误 动 作 。3 保 护 误 动 原 因 及 解 决 措 施Sepam2000 D31 变 压 器 差 动 保 护 为 比 率 制 动 特性 ,其 动

22、 作 量 Id 和 制 动 量 It 为 Id = | I + I + I | ,It = max (| I | ,| I | ,| I | ) 。 I , I , I 分 别 为 变 压器 各 侧 TA 二 次 侧 的 电 流 。针 对 本 次 事 故 ,提 出 如 下 解 决 措 施 :1)本 次 事 故 中 内 桥 接 线 方 式 的 T2 差 动 保 护 误动 ,其 进 线 TA 和 桥 开 关 TA 的 二 次 侧 电 流 是 先 差接 ,然 后 再 接 入 保 护 ,这 与 TA1 和 TA2 分 别 接 入 保护 有 差 别 。 当 TA1 与 TA2 传 递 特 性 不 一 致

23、 或 剩 磁不 同 时 , 都 会 产 生 差 流 。 根 据 制 动 量 It =max (| I | ,| I | ,| I | ) ,正 常 运 行 的 变 压 器 负 荷 电流 较 小 ,即 制 动 量 较 小 ,因 此 当 不 平 衡 分 量 足 够 大时 ,就 有 可 能 进 入 比 率 制 动 特 性 的 动 作 区 ,造 成 保 护误 动 。 若 将 TA1 和 TA2 分 别 接 入 保 护 装 置 ,三 绕组 变 压 器 的 制 动 量 为 It = max (| I TA1 | ,| I TA2 | ,| I | ,| I | ) ,则 在 本 次 事 故 过 程 中 正

24、 常 运 行 的 变 压器 制 动 量 很 大 ,保 护 不 会 误 动 。因 此 ,对 于 内 桥 接 线 方 式 ,主 变 压 器 差 动 保 护 应将 高 压 侧 的 桥 开 关 TA、 进 线 TA ,以 及 中 、 低 压 侧TA 分 别 接 入 差 动 保 护 装 置 。 即 对 于 三 绕 组 变 压器 ,接 入 4 组 TA 的 二 次 侧 电 流 ;对 于 双 绕 组 变 压器 ,接 入 3 组 TA 的 二 次 侧 电 流 ,从 而 保 证 在 内 桥 通过 较 大 励 磁 涌 流 或 短 路 电 流 时 ,正 常 运 行 的 主 变 压器 差 动 保 护 制 动 电 流

25、很 大 ,确 保 差 动 保 护 不 会 误 动 。2)内 桥 接 线 变 电 站 主 变 压 器 差 动 保 护 的 高 压 侧电 流 取 自 进 线 TA 和 内 桥 TA ,当 并 列 运 行 的 其 中一 台 变 压 器 空 载 合 闸 或 发 生 区 内 外 故 障 时 ,均 会 导致 进 线 TA 和 内 桥 TA 一 次 侧 通 过 很 大 的 励 磁 涌 流或 短 路 电 流 。 保 护 用 P 级 TA 没 有 严 格 的 暂 态 特 性要 求 ,即 使 是 同 型 号 的 TA ,其 暂 态 特 性 也 可 能 不 一致 ,特 别 是 在 非 周 期 分 量 作 用 下 ,

26、发 生 TA 暂 态 特 性不 一 致 的 情 况 将 更 为 严 重 ,从 而 引 起 误 动 。因 此 ,在 条 件 允 许 的 情 况 下 可 以 通 过 提 高 TA的 准 确 限 值 系 数 、 提 高 TA 变 比 以 及 降 低 TA 二 次侧 负 载 阻 抗 等 方 法 来 减 小 该 不 平 衡 电 流 。 另 外 ,还101 工 程 应 用 李 斌 ,等 内 桥 接 线 主 变 压 器 差 动 保 护 误 动 原 因 分 析 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights re

27、served. http:/可 将 P 级 TA 更 换 为 剩 磁 系 数 较 小 的 TP 级 ,以 进一 步 减 小 TA 暂 态 特 性 不 一 致 的 影 响 。3)发 生 励 磁 涌 流 时 ,可 能 会 存 在 某 一 相 二 次 谐波 含 量 较 小 的 情 况 ,为 防 止 变 压 器 空 载 合 闸 时 误 动 ,采 用 二 次 谐 波 “ 或 门 ” 闭 锁 方 式 (或 称 “ 交 叉 ” 闭 锁 方式 )明 显 优 于 采 用 分 相 闭 锁 方 式 。4)和 应 涌 流 中 非 周 期 分 量 衰 减 慢 ,二 次 谐 波 含量 较 小 。 因 此 ,传 统 采 用

28、 二 次 谐 波 闭 锁 判 据 的 比 率差 动 保 护 可 能 会 存 在 误 动 的 情 况 。 为 此 ,在 满 足 灵敏 度 要 求 的 前 提 下 ,可 适 当 提 高 变 压 器 差 动 保 护 的启 动 值 ,也 可 将 2 台 变 压 器 安 排 到 不 同 的 母 线 分 段上 启 动 。 另 外 ,从 改 进 变 压 器 保 护 差 动 原 理 出 发 ,应不 断 完 善 能 识 别 和 应 涌 流 的 新 型 保 护 原 理 。4 结 语本 文 研 究 了 内 桥 接 线 变 电 站 中 影 响 主 变 压 器 差动 保 护 误 动 的 因 素 ,并 结 合 一 起 主

29、 变 压 器 差 动 保 护连 续 误 动 的 事 故 ,研 究 了 TA 暂 态 传 变 特 性 、 励 磁 涌流 ,以 及 并 列 运 行 的 变 压 器 和 应 涌 流 对 变 压 器 差 动保 护 的 影 响 。 提 出 在 内 桥 接 线 方 式 下 ,主 变 压 器 差动 保 护 应 将 高 压 侧 的 进 线 TA 和 内 桥 TA 分 别 引 入差 动 保 护 的 接 线 方 式 。 同 时 ,研 究 并 仿 真 了 TA 暂态 特 性 差 异 、 励 磁 涌 流 ,以 及 和 应 涌 流 的 产 生 引 起 差动 保 护 误 动 的 现 象 与 原 因 。参 考 文 献 1

30、贺 家 李 ,宋 从 矩 . 电 力 系 统 继 电 保 护 原 理 :增 订 版 . 北 京 :中 国 电力 出 版 社 ,2004. 2 唐 跃 中 ,刘 勇 ,郭 勇 ,等 . 几 种 变 压 器 励 磁 涌 流 判 别 方 法 的 特 点 及其 内 在 联 系 的 分 析 . 电 力 系 统 自 动 化 ,1995 ,19 (9) :53259.TAN G Yuezhong , L IU Yong , GUO Yong , et al. Analysis ofsome typical met hods for checking magnetizing surge intransform

31、er. Automation of Electric Power Systems , 1995 ,19 (9) : 53259. 3 陈 建 玉 ,孟 宪 民 ,张 振 旗 ,等 . 电 流 互 感 器 饱 和 对 继 电 保 护 影 响 的分 析 及 对 策 . 电 力 系 统 自 动 化 ,2000 ,24 (6) :54256.CHEN Jianyu , MEN G Xianmin , ZHAN G Zhenqi , et al.Influence of t he current transformer saturation on relay unit andit s counterme

32、asures in medium voltage. Automation of ElectricPower Systems , 2000 , 24 (6) : 54256. 4 朱 声 石 . 差 动 保 护 采 用 P 级 电 流 互 感 器 的 问 题 . 继 电 器 ,2000 ,28 (7) :427.ZHU Shengshi. Differential protection using class P currenttransformer. Relay , 2000 , 28 (7) : 427. 5 张 雪 松 ,何 奔 腾 ,张 建 松 . 变 压 器 和 应 涌 流 的 产 生

33、 机 理 及 其 影 响因 素 研 究 . 电 力 系 统 自 动 化 ,2005 ,29 (6) :15219.ZHAN G Xuesong , HE Benteng , Zhang Jiansong , et al.Principle and influencing factors of t he transformer sympat heticinrush. Automation of Electric Power Systems , 2005 , 29 (6) :15219. 6 袁 宇 波 ,李 德 佳 ,陆 于 平 ,等 . 变 压 器 和 应 涌 流 的 物 理 机 理 及 其

34、对差 动 保 护 的 影 响 . 电 力 系 统 自 动 化 ,2005 ,29 (6) :9214.YUAN Yubo , L I Dejia , L U Yuping , et al. Physical mechanismof sympat hetic inrush of transformer and it s influence ondifferential protection. Automation of Electric Power Systems ,2005 , 29 (6) : 9214. 7 余 高 旺 ,毕 大 强 ,王 志 广 ,等 . 变 压 器 和 应 涌 流 现

35、象 及 实 例 分 析 .电 力 系 统 自 动 化 ,2005 ,29 (6) :20223.YU Gaowang , BI Daqiang , WAN G Zhiguang , et al.Phenomenon of sympat hetic inrush and analysis of an example.Automation of Electric Power Systems , 2005 , 29 (6) : 20223.李 斌 (1976 ) ,男 ,副 教 授 ,主 要 研 究 方 向 :电 力 系 统继 电 保 护 与 故 障 分 析 。 E2mail : libin - t

36、ju 126. com马 超 (1985 ) ,男 ,通 信 作 者 ,硕 士 研 究 生 ,主 要 研 究方 向 :电 力 系 统 继 电 保 护 。 E2mail : machao - tju 126. com商 汉 军 (1969 ) ,男 ,工 程 师 ,主 要 研 究 方 向 :继 电 保 护设 备 的 调 试 与 运 行 。Analysis on Mal2operation of Differential Protection of Main Transformer with Internal Bridge ConnectionL I B in1 , MA Chao1 , S HA

37、 N G H anj un2 , L I Zhaolei2 , H E J iali1(1. Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education , Tianjin University ,Tianjin 300072 , China ; 2. Jinan Iron transformer differential protection ; current transformer ; magnetizing inrush ;sympathetic inrush2012009 , 33 (1)