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摘 要电力工业经过百余年的发展,超高压、大容量和远距离输电越来越普遍,故而大型电力变压器在电力系统中的地位越发突出。变压器继电保护在确保电网稳定,保证变压器正常运行起着重要的作用。从实际出发,研究几种差动保护制动原理的分析及制动方式的最佳配置方案问题。
关键词差动保护;制动原理;谐波电流;励磁涌流;微机保护;非周期电流分量
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)102-0017-01
1變压器继电保护与变压器差动保护
1.1变压器继电保护的概述
电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力和效益。但是,国内外经验表明,大型电力系统一旦发生自然或人为故障,不能及时有效控制而失去稳定运行、电网瓦解,将酿成大面积停电,给社会带来灾难性的后果。因此,自从出现电力系统以来,如何保证其安全稳定运行,就成为一个永恒的主题。所有电力工作者都在千方百计采取各种措施,力求避免电网的稳定遭到破坏和瓦解,防止大面积停电的事故。其中,电力系统继电保护就是保障电力设备安全、防止及限制电力系统长时间停电的最基本,最重要,最有效的技术手段。
现在由过去的继电器单元件保护已经逐渐发展到微机保护,这是电力科技发展的一个不可回避的历史必然。60年代以来静态继电保护逐步替代了机电型、电磁型保护,特别是近几年来,微机型高压线路保护在我国取得了成功的运行经验,微机型变压器保护虽然比高压线路保护起步较晚,但也得到了迅猛地发展,其可靠性、安全性得到进一步考验。随着超高压远距离输电系统在我国越来越多地建成和一大批500KV以上的变电站投入运行,大容量变压器的应用日益增多,更为凸显变压器保护中主保护(差动保护)的重要性。变压器在电力系统中使用得非常普遍,占有很重要的地位。电力变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。内部故障主要是:相间短路、绕组的匝间短路和单相接地短路。发生内部故障十分危险,因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组的绝缘,烧毁铁芯,而且由于绝缘材料和变压器油受热分解而产生大量气体,还可能引起变压器油箱的爆炸。电力变压器最常见的外部故障,是引出线上绝缘套管的故障,这种故障可能导致引出线的区内相间短路和接地短路。变压器的不正常工作情况主要是:由于外部短路和过负荷引起的电流,油面的极度降低和电压升高等。根据上述故障情况,变压器一般应装设下列继电保护。
1)防御变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护。2)防御变压器绕组引出线的多相短路故障、中性点直接接地电网侧绕组和引出线的接地短路故障以及绕组匝间短路故障的差动保护或电流速断保护。3)防御外部相间短路并作瓦斯保护和差动保护后备的复合电压起动的过流保护或负序电流保护。4)防御中性点直接接地电网中外部接地短路的零序电流保护。5)防御对称过负荷的过负荷保护等。
1.2变压器差动保护的现状介绍
据相关统计显示,在“九.五”期间,220KV及以上继电保护正确动作率平均达97.21%, 2000年已超过98.50%,但是220KV及以上变压器差动保护正确动作率平均只有69.72%,这严重威胁到了系统安全。因此,提高变压器保护工作的可靠性,对保证电力系统的安全运行具有十分重要的意义。用于220KV-500KV变电站的电力变压器,属于大型变压器,是电力系统的重要电气设备。电力变压器故障对电力系统的安全运行和用户的影响都很大。因此,必须对大型电力变压器配备功能完善的差动保护装置,在出现危及电力变压器安全的不正常运行状态时,能够及早的发出信号并迅速切除变压器,防止故障的发生和扩大;当发生故障时,能够尽快的切除变压器,使故障造成的损失减小到最小,从而使故障后的变压器更容易得以修复。
在变压器的主保护中差动保护占有及其重要的地位,变压器每相原副边电流差作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源,当不平衡电流太大时将势必引起差动保护误动作;特别在空载合闸投入运行时,或变压器外部短路故障被切除而变压器端电压突然恢复时,暂态励磁涌流的大小可与短路电流相比拟,在这样大的不平衡电流下,要求差动保护不误动,是一个相当复杂的技术问题。差动保护用于变压器,一方面由于各种因素产生较大或很大的不平衡电流,另一方面又要求能反应具有流出电流的轻微内部短路,可见变压器差动保护的运用状况是较其它各类型的保护复杂的多。
1.3本人所作的工作
本人从事变电站调试工作这些年中,发现在近几年中220KV及以上变电站系统中微机保护设备中,变化最快的是主变压器微机保护装置,各个厂家不断推出各种原理不同的主变压器微机保护装置。但是在生产运行中,由于实际的情况各有不同,现场的环境较为恶劣和实际运行情况较为复杂,微机变压器保护现在一般考虑到了大多数情况,然而作为微机型变压器保护,在目前各类保护中动作正确率是最低的。所以在某些特殊的情况下,仍需我们设计人员和调试人员在设计和现场调试过程中,根据实际变电站运行的方式,从各个方面加以完善或做一些特殊的技术处理。这是我在实际的变电站调试工作中遇到的问题,这几个问题虽然有一定的特殊性,也是具有相当的普遍性。因为几种差动保护制动原理的分析及制动方式的最佳配置方案来源于实际的调试工作中,所以解决这些问题具有非常具有重要的实际意义,同时也是很有必要的。根据我在实际变电站调试工作过程中的经验及对以上这些问题的思考,本文从理论上展开分析和讨论,并针对性的提出具体的方案加以解决。
2几种差动保护制动原理的分析及制动方式
2.1目前在运用的差动保护
RCS-978E、PST-1200、WBZ-1201、RET-521、RET-316、SEL-387、RADSB、RADHA等。
2.2几种差动保护制动原理的分析及制动方式的最佳配置方案
在电力变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复的过程中,会出现励磁涌流(事实上,当变压器发生近区区外短路后,在该故障被切除后,系统电压恢复的过程中,电压由一个很低的值恢复到正常水平,也就相当于进行了一次有载合闸。相对于变压器空载合闸,变压器有载合闸的暂态过程更为复杂)。特别是在电压为零时,变压器铁芯中的磁通急剧增大,使铁芯瞬间饱和,这时出现数值很大的冲击励磁电流(一般可达5-10倍的额定电流值),通常我们称之为励磁涌流。仅在电源的一侧存在励磁电流,励磁电流中含有大量的非周期分量与高次谐波成分,并且在这些高次谐波之中二次谐波分量所占的比例最大,励磁涌流在初期瞬间可能完全偏于时间轴的一侧。在初期的几个周期内,励磁涌流的波形是间断的。对于三相电力变压器,无论任何瞬间合闸,至少有一相会出现不同程度的励磁涌流。而且变压器容量越大衰减越慢,完全衰减要经过几十秒钟的时间。当前变压器差动保护的关键问题和困难所在仍然是如何准确地对变压器励磁涌流的进行判别,将其与故障电流相区分,防止差动保护误动作。
下面是一台变压器在投运时,故障录波记录下的励磁涌流情况(见图1)。
其中影响励磁涌流的持续时间和幅值的因素有:1)变压器组的容量。2)电力系统的大小。3)从电源到变压器这一段的系统电阻。4)变压器所用铁芯型式及其饱和密度。5)变压器过去的运行一记录或
剩磁水平。6)变压器的充电方式。
图1
励磁涌流有以下特点:1)含有很大的直流分量。2)含有很大的二次谐波和高次谐波。3)偏向时间轴的一侧,波形严重畸变,出现间断角。
励磁涌流主要有三种形式:1)起始涌流。2)再生涌流。3)和应涌流(谐振涌流)在变压器差的动保护中,目前被国内外所广泛采用的几种差动保护的制动原理主要有:①提取励磁涌流中的全部谐波电流原理制动,(ABB的RADSB<2/5>)。②提取励磁涌流中二次谐波原理制动,(ABB的RET-316,SIEMENS的7UT51)。③运用励磁涌流中的间断角原理制动。④波形对称原理制动等。(PST-1200B,WBZ-1201(B))
3结论
目前微机继电保护装置在保证电力系统安全、稳定和经济地生产运行等方面起着不可替代地作用。微机线路保护装置地可靠性和快速性已经得到了运行部门地认可,然而主设备保护(主要是变压器保护)的情况还难以令人满意。由于主设备故障时往往伴随着较为复杂地电磁暂态过程,致使故障的辨别难度加大。变压器差动保护是容量较大的变压器的最重要的主保护之一,变压器的差动保护存在不平衡电流,所以在实际应用中要考虑和解决三个方面的问题:变压器励磁涌流的识别;在旁路断路器代主变断路器时,存在保护死区;高低压侧保护用电流互感器的暂态特性不同。这不仅对变压器微机保护的可靠性,准确性、快速性、选择性提出了更高的要求,而且对于设计人员、调试人员、生产运行人员提出了更高的要求。
参考文献
[1]王梅义.电网继电保护应用.中国电力出版社,1999,9.
[2]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.中国电力出版社,1996,1.
[3]许正亚.变压器及中低压网络数字式保护.中国水利电力出版社,2004,1.
[4]J.L.布列克勃恩(美).继电保护的应用.水利电力出版社,1984,10
[5]国家电力调度通信中心编电力系统继电保护实用技术问答.中国电力出版社,1997,5.
[6]白忠敏.电力用互感器和电能计量装置设计选型与应用.中国电力出版社,2004,1.
作者简介
李兴(1979—),男,本科,工程师,毕业于重庆大学电气工程学院,从事继电保护工作。
关键词差动保护;制动原理;谐波电流;励磁涌流;微机保护;非周期电流分量
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)102-0017-01
1變压器继电保护与变压器差动保护
1.1变压器继电保护的概述
电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力和效益。但是,国内外经验表明,大型电力系统一旦发生自然或人为故障,不能及时有效控制而失去稳定运行、电网瓦解,将酿成大面积停电,给社会带来灾难性的后果。因此,自从出现电力系统以来,如何保证其安全稳定运行,就成为一个永恒的主题。所有电力工作者都在千方百计采取各种措施,力求避免电网的稳定遭到破坏和瓦解,防止大面积停电的事故。其中,电力系统继电保护就是保障电力设备安全、防止及限制电力系统长时间停电的最基本,最重要,最有效的技术手段。
现在由过去的继电器单元件保护已经逐渐发展到微机保护,这是电力科技发展的一个不可回避的历史必然。60年代以来静态继电保护逐步替代了机电型、电磁型保护,特别是近几年来,微机型高压线路保护在我国取得了成功的运行经验,微机型变压器保护虽然比高压线路保护起步较晚,但也得到了迅猛地发展,其可靠性、安全性得到进一步考验。随着超高压远距离输电系统在我国越来越多地建成和一大批500KV以上的变电站投入运行,大容量变压器的应用日益增多,更为凸显变压器保护中主保护(差动保护)的重要性。变压器在电力系统中使用得非常普遍,占有很重要的地位。电力变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。内部故障主要是:相间短路、绕组的匝间短路和单相接地短路。发生内部故障十分危险,因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组的绝缘,烧毁铁芯,而且由于绝缘材料和变压器油受热分解而产生大量气体,还可能引起变压器油箱的爆炸。电力变压器最常见的外部故障,是引出线上绝缘套管的故障,这种故障可能导致引出线的区内相间短路和接地短路。变压器的不正常工作情况主要是:由于外部短路和过负荷引起的电流,油面的极度降低和电压升高等。根据上述故障情况,变压器一般应装设下列继电保护。
1)防御变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护。2)防御变压器绕组引出线的多相短路故障、中性点直接接地电网侧绕组和引出线的接地短路故障以及绕组匝间短路故障的差动保护或电流速断保护。3)防御外部相间短路并作瓦斯保护和差动保护后备的复合电压起动的过流保护或负序电流保护。4)防御中性点直接接地电网中外部接地短路的零序电流保护。5)防御对称过负荷的过负荷保护等。
1.2变压器差动保护的现状介绍
据相关统计显示,在“九.五”期间,220KV及以上继电保护正确动作率平均达97.21%, 2000年已超过98.50%,但是220KV及以上变压器差动保护正确动作率平均只有69.72%,这严重威胁到了系统安全。因此,提高变压器保护工作的可靠性,对保证电力系统的安全运行具有十分重要的意义。用于220KV-500KV变电站的电力变压器,属于大型变压器,是电力系统的重要电气设备。电力变压器故障对电力系统的安全运行和用户的影响都很大。因此,必须对大型电力变压器配备功能完善的差动保护装置,在出现危及电力变压器安全的不正常运行状态时,能够及早的发出信号并迅速切除变压器,防止故障的发生和扩大;当发生故障时,能够尽快的切除变压器,使故障造成的损失减小到最小,从而使故障后的变压器更容易得以修复。
在变压器的主保护中差动保护占有及其重要的地位,变压器每相原副边电流差作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源,当不平衡电流太大时将势必引起差动保护误动作;特别在空载合闸投入运行时,或变压器外部短路故障被切除而变压器端电压突然恢复时,暂态励磁涌流的大小可与短路电流相比拟,在这样大的不平衡电流下,要求差动保护不误动,是一个相当复杂的技术问题。差动保护用于变压器,一方面由于各种因素产生较大或很大的不平衡电流,另一方面又要求能反应具有流出电流的轻微内部短路,可见变压器差动保护的运用状况是较其它各类型的保护复杂的多。
1.3本人所作的工作
本人从事变电站调试工作这些年中,发现在近几年中220KV及以上变电站系统中微机保护设备中,变化最快的是主变压器微机保护装置,各个厂家不断推出各种原理不同的主变压器微机保护装置。但是在生产运行中,由于实际的情况各有不同,现场的环境较为恶劣和实际运行情况较为复杂,微机变压器保护现在一般考虑到了大多数情况,然而作为微机型变压器保护,在目前各类保护中动作正确率是最低的。所以在某些特殊的情况下,仍需我们设计人员和调试人员在设计和现场调试过程中,根据实际变电站运行的方式,从各个方面加以完善或做一些特殊的技术处理。这是我在实际的变电站调试工作中遇到的问题,这几个问题虽然有一定的特殊性,也是具有相当的普遍性。因为几种差动保护制动原理的分析及制动方式的最佳配置方案来源于实际的调试工作中,所以解决这些问题具有非常具有重要的实际意义,同时也是很有必要的。根据我在实际变电站调试工作过程中的经验及对以上这些问题的思考,本文从理论上展开分析和讨论,并针对性的提出具体的方案加以解决。
2几种差动保护制动原理的分析及制动方式
2.1目前在运用的差动保护
RCS-978E、PST-1200、WBZ-1201、RET-521、RET-316、SEL-387、RADSB、RADHA等。
2.2几种差动保护制动原理的分析及制动方式的最佳配置方案
在电力变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复的过程中,会出现励磁涌流(事实上,当变压器发生近区区外短路后,在该故障被切除后,系统电压恢复的过程中,电压由一个很低的值恢复到正常水平,也就相当于进行了一次有载合闸。相对于变压器空载合闸,变压器有载合闸的暂态过程更为复杂)。特别是在电压为零时,变压器铁芯中的磁通急剧增大,使铁芯瞬间饱和,这时出现数值很大的冲击励磁电流(一般可达5-10倍的额定电流值),通常我们称之为励磁涌流。仅在电源的一侧存在励磁电流,励磁电流中含有大量的非周期分量与高次谐波成分,并且在这些高次谐波之中二次谐波分量所占的比例最大,励磁涌流在初期瞬间可能完全偏于时间轴的一侧。在初期的几个周期内,励磁涌流的波形是间断的。对于三相电力变压器,无论任何瞬间合闸,至少有一相会出现不同程度的励磁涌流。而且变压器容量越大衰减越慢,完全衰减要经过几十秒钟的时间。当前变压器差动保护的关键问题和困难所在仍然是如何准确地对变压器励磁涌流的进行判别,将其与故障电流相区分,防止差动保护误动作。
下面是一台变压器在投运时,故障录波记录下的励磁涌流情况(见图1)。
其中影响励磁涌流的持续时间和幅值的因素有:1)变压器组的容量。2)电力系统的大小。3)从电源到变压器这一段的系统电阻。4)变压器所用铁芯型式及其饱和密度。5)变压器过去的运行一记录或
剩磁水平。6)变压器的充电方式。
图1
励磁涌流有以下特点:1)含有很大的直流分量。2)含有很大的二次谐波和高次谐波。3)偏向时间轴的一侧,波形严重畸变,出现间断角。
励磁涌流主要有三种形式:1)起始涌流。2)再生涌流。3)和应涌流(谐振涌流)在变压器差的动保护中,目前被国内外所广泛采用的几种差动保护的制动原理主要有:①提取励磁涌流中的全部谐波电流原理制动,(ABB的RADSB<2/5>)。②提取励磁涌流中二次谐波原理制动,(ABB的RET-316,SIEMENS的7UT51)。③运用励磁涌流中的间断角原理制动。④波形对称原理制动等。(PST-1200B,WBZ-1201(B))
3结论
目前微机继电保护装置在保证电力系统安全、稳定和经济地生产运行等方面起着不可替代地作用。微机线路保护装置地可靠性和快速性已经得到了运行部门地认可,然而主设备保护(主要是变压器保护)的情况还难以令人满意。由于主设备故障时往往伴随着较为复杂地电磁暂态过程,致使故障的辨别难度加大。变压器差动保护是容量较大的变压器的最重要的主保护之一,变压器的差动保护存在不平衡电流,所以在实际应用中要考虑和解决三个方面的问题:变压器励磁涌流的识别;在旁路断路器代主变断路器时,存在保护死区;高低压侧保护用电流互感器的暂态特性不同。这不仅对变压器微机保护的可靠性,准确性、快速性、选择性提出了更高的要求,而且对于设计人员、调试人员、生产运行人员提出了更高的要求。
参考文献
[1]王梅义.电网继电保护应用.中国电力出版社,1999,9.
[2]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.中国电力出版社,1996,1.
[3]许正亚.变压器及中低压网络数字式保护.中国水利电力出版社,2004,1.
[4]J.L.布列克勃恩(美).继电保护的应用.水利电力出版社,1984,10
[5]国家电力调度通信中心编电力系统继电保护实用技术问答.中国电力出版社,1997,5.
[6]白忠敏.电力用互感器和电能计量装置设计选型与应用.中国电力出版社,2004,1.
作者简介
李兴(1979—),男,本科,工程师,毕业于重庆大学电气工程学院,从事继电保护工作。