内桥接线主变压器差动保护误动原因分析
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、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 , Ⅰ线、Ⅱ线是变电站的 2 条进线 ,QF1 和 QF2 为
2 个进线断路器 ,QF3 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 diagram
1. 2 主变压器差动保护误动现象
事故当天 08 :37 变电站进线 Ⅰ线及主变压器
T1 停电检修 , Ⅱ线给主变压器 T2 送电 ;15 :35 后
Ⅰ线与主变压器 T1 检修工作全部结束。
事故 1 17 :23 通过内桥开关 QF3 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 Ⅱ线通过 QF2 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 拉开 QS2 刀闸 ,即退出 T2 ,再
次通过内桥开关 QF3 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
QF3 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。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。
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第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 2 3 种事故现象的录波图
Fig. 2 Recording curves of three accidents
2 各种因素对变压器差动保护的影响
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 QF3 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 ,
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。
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 ,Lσ , Rσ 分别为变压器
的励磁电感、漏感和电阻 ;Ψs ,Ψm ,Ψσ 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 Ψ为合闸回路总磁链。
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? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 5 并联变压器产生和应涌流
Fig. 5 Sympathetic inrush for transformer in parallel
T1 和 T2 的回路磁链方程为 :
Ψ1 = Ψ1s + Ψ1m + Ψ1σ = (L s + L 1m + L 1σ) i1 + L s i2
(1)
Ψ2 = Ψ2s + Ψ2m + Ψ2σ = (L s + L 2m + L 2σ) i2 + L s i1
(2)
T1 和 T2 的电压方程为 :
us = dΨ1
dt + ( Rs + R1σ) i1 + Rs i2 (3)
us = dΨ2
dt + ( Rs + R2σ) 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 :
ΔΨ1 = - ∫t+ T
t
( Rs + R1σ) i1 dt - ∫t+ T
t
R s i2 dt (5)
ΔΨ2 = - ∫t+ T
t
( Rs + R2σ) i2 dt - ∫t+ T
t
R 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 的非周期分量很小 ,故ΔΨ2
主要由 i1 决定。设 i1 中的非周期分量为正 ,由式
(6) 得ΔΨ2 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ΔΨ2 = 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 and
sympathetic 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 ,其动作量 Id 和制动量 It 为 Id = | I·′+ I·″+ I·ê| ,
It = max(| I·′| ,| I·″| ,| I·ê| ) 。I·′, I·″, I·ê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 传递特性不一致或剩磁
不 同 时 , 都 会 产 生 差 流。根 据 制 动 量 It =
max(| I·′| ,| I·″| ,| I·ê| ) ,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·ê| ) ,则在本次事故过程中正常运行的变压
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 ,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
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·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
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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。
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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 - tju @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 Connection
L I B in1 , MA Chao1 , S HA N G Hanj 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 & Steel Group Corporation , Jinan 250013 , China)
Abstract : In the substation of internal bridge connection , the main transformer operates in parallel with another transformer.
Huge inrush current or fault current will flow through bridge breaker when one of the main transformers switches on or fault
occurs. In that case , the differential protection of normal operating transformer may mal2operate because of the transient
characteristic differences of current transformers and sympathetic inrush current. Considering a case of continuous mal2
operations of differential protection , it is further analyzed and simulation validated on current transformer characteristic
differences , phenomenon of sympathetic inrush current. Furthermore , it is calculated and analyzed on the ability of second
harmonic to block the differential protection. Finally , the improved differential protection connection and some other measures
are proposed to prevent differential protection from mal2operation.
Key words : internal bridge connection ; transformer differential protection ; current transformer ; magnetizing inrush ;
sympathetic inrush
—201—
2009 , 33 (1)
? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
内桥接线主变压器差动保护误动原因分析.pdf
