變壓器功率方向保護校驗方法探討

1 　引言

　　變壓器功率方向保護(包括相間功率方向保護和零序功率方向保護) 是變壓器的重要后備保護之一。它作為相鄰元件及變壓器內(nèi)部故障的后備保護,在防止故障范圍的擴大,保障系統(tǒng)安全運行方面起著重要的作用。其方向性的正確與否,和電流互感器的一次、二次接線、電壓互感器的二次接線及保護裝置的二次接線都有關(guān)系,在實際運行當中,很容易由于接線極性的錯誤而造成保護誤動或拒動。本文試圖通過對功率方向保護的探討,總結(jié)出一種簡單可靠的校驗方法。結(jié)果表明,通過模擬電力系統(tǒng)的實際故障,結(jié)合CT 、PT 接線極性的分析,能夠簡單可靠地對功率方向保護方向的正確性進行檢驗, 在設(shè)備驗收和日常定檢工作中,大大簡化了工作量。

　　2 　問題的提出

　　功率方向保護方向的正確性,可以通過檢查保護的電壓、電流接線極性來檢查,但是對于現(xiàn)場的實際裝置,二次線繁多,接法復(fù)雜,難以理清各線的走向,容易出錯。而且,對于應(yīng)用日益廣泛的微機變壓器保護,功率方向保護的方向指向一般通過軟件控制字整定,方向性的確定是在保護軟件模塊默認系統(tǒng)的電壓電流接線極性的條件下,由保護計算軟件來控制確定的。比如,對于WBZ₂500 微機變壓器保護,其配置中帶方向的功能,方向的確定必須在以下極性接線方式下:CT 極性是當一次電流流入變壓器時,裝置的感應(yīng)電流為正極性電流流入裝置; PT 極性為正極性接入裝置。這樣,就無法和分立元件保護一樣地通過檢查繼電器電壓電流接法的極性來檢查功率方向保護的方向性。比較簡單可靠的方法是結(jié)合保護的整組試驗,依據(jù)保護的整定和CT 、PT 的接線極性,模擬出系統(tǒng)的正、反方向故障,給保護加入模擬的故障電壓和電流,校驗其動作的角度和靈敏性。

　　3 　相間功率方向的校驗

　　要模擬系統(tǒng)故障,進行整組試驗,首先要分析系統(tǒng)一次故障的情況。

　　我局的220kV 變壓器相間功率方向保護正方向的整定都是指向母線的。首先考慮正方向故障的情況。如圖1 所示,母線外線路發(fā)生相間故障時,對變壓器保護CT , 以母線流向變壓器為電流的正方向。設(shè)線路阻抗角是70°,則可作出一次電壓電流的向量圖如圖2 ?？梢姽收想娏?I>IK 滯后相間電壓UK160°。

圖1 　系統(tǒng)正方向相間故障

　　對于二次電壓電流的向量關(guān)系,則要視PT 、CT 的接法極性不同而有所不同。一般PT 采用減極性接法,其二次繞組的極性端接入保護( PT 接線圖見后面圖9) 。對于CT , 也是采用減極性接法(CT 接線圖見后面圖10) ,當一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)電流從K1 流出時,可以認為二次電流和一次電流同相位,此時可作出二次電壓電流向量圖如圖3 所示;反之,當二次側(cè)電流從K2 流出時,二次電流和一次電流的相位相反,二次電壓電流向量關(guān)系如圖4 。

我們在進行相間功率方向校驗時, 首先查明PT 、CT 的接線方式,再模擬系統(tǒng)正反方向故障,在保護端子上加入上述關(guān)系的二次電壓和二次電流,檢查保護動作的情況,確定保護的動作區(qū)和靈敏角。

圖2 　正方向相間故障一次向量圖　圖3 　正方向相間故障二次向量圖和動作區(qū)　圖4 　正方向相間故障二次向量圖和動作區(qū)

　　如果在正方向故障時保護能夠正確動作,而在反方向故障時保護應(yīng)可靠不動作,則表明保護接線正確, 性能完好。

　　例如,CT 一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)電流從K1 流出,在保護加入如圖3 所示二次電壓UK2 和二次電流IK2 ,則此時相當于系統(tǒng)母線外部故障的情況,在以方向指向母線為正方向時,故障屬于正方向故障,保護應(yīng)該正確動作。由此可校驗出保護的動作區(qū)和靈敏角,如圖3 示。

　　以LG₂11 相間功率方向繼電器為例,當其靈敏角整定為₂30°,采用90°接線時,在上述PT、CT 接線極性和方向指向的情況下,保護要在正方向故障下動作,就要求繼電器電流線圈和電壓線圈反極性接入二次電壓電流,如電壓線圈極性端接PT 二次的極性端,則電流線圈的極性端要接CT 二次的非極性端,這樣才能使得動作區(qū)和故障時一致,方向性得以保證。此時, 繼電器的動作區(qū)的范圍為IK 超前UK120°至300°。

　　當CT 一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)是從K2 流出時,在上述正方向故障時,二次電壓電流間的關(guān)系正好反了180°,見圖4 。在保護加入此種關(guān)系的二次電壓UK2 和二次電流IK2 時,也正好是系統(tǒng)母線外故障的情況,保護應(yīng)正確動作。此時動作區(qū)的范圍為IK 滯后UK60°至超前UK120°。如采用LG₂11 相間功率方向繼電器,可以推斷,此時繼電器的電壓、電流線圈是正極性接入二次電壓電流。

　　可以類推:

　　當CT 一次繞組L1 指向變壓器,二次側(cè)從K1 流出時,作出保護的動作區(qū)同圖4 所示時,才可以確定功率方向保護的正確性。

　　當CT 一次繞組L1 指向變壓器,二次側(cè)從K2 流出時,動作區(qū)應(yīng)同圖3 。

　　可見,在校驗功率方向保護時,依據(jù)PT、CT 接線的極性和保護的方向整定,模擬出系統(tǒng)一次故障的情況,對保護加入二次電壓和二次電流進行整組試驗,不但可以校驗保護功能的完好性,還可以校驗保護功率方向接線的正確性,方法簡潔可靠。

　　4 　零序功率方向的校驗

　　用模擬故障的方法校驗零序功率方向,首先要分析正方向接地故障時零序電壓電流的關(guān)系。如圖5 所示,系統(tǒng)K 點發(fā)生接地故障,作出零序網(wǎng)絡(luò)圖。由圖可以看出,零序網(wǎng)絡(luò)中M 側(cè)流過零序電流IK, 母線側(cè)零序電壓UM0 為:

　　圖5 　系統(tǒng)正方向接地故障零序等值網(wǎng)絡(luò)UM0 = IK ×ZM 式中, ZM M 側(cè)零序阻抗; ZM 主要決定于變電所中性點接地變壓器的零序阻抗,阻抗角約在85°以上。

　　由式可作出一次零序電壓UK1 與一次零序電流IK1 相量關(guān)系如圖6,零序電壓超前零序電流約85°。二次零序電壓和二次零序電流的相量關(guān)系則與

　　PT 及CT 的接線有關(guān)。

　　我局的220kV 變壓器零序功率方向保護正方向的整定都是指向母線的,零序電壓通過PT 開口三角取得,其接線采用₂3 U0 接線,即一次零序電壓和二次零序電壓反相位。如圖9 示。

　　零序電流取套管CT 二次中性線上流過的零序電流時,當CT 一次側(cè)L1 指向母線,二次側(cè)從K1 引出接至保護,可認為一次零序電流與二次零序電流同相位,二次零序電壓UK2 和二次零序電流IK2 的向量關(guān)系如圖7; 反之,當CT 一次側(cè)L1 指向母線,二次零序電流反相位,二次零序電壓UK2 和二次零序次從K2 引出接至保護,可認為一次零序電流與二電流I_K2 的向量關(guān)系如圖8 所示。

圖6 　正方向接地故障一次零序電壓電流　圖7 　正方向接地故障二次向量圖和動作區(qū)　圖8 　正方向接地故障二次向量圖和動作區(qū)

圖9 　PT 二次電壓₂3 U0 接線圖

　　同樣地,對零序功率方向保護進行校驗時,首先查明PT 、CT 的接線方式,再模擬故障的情況,在保護端子上加入上述關(guān)系的二次零序電壓UK2 和二次零序電流IK2 ,檢查保護動作的情況,確定保護的動作區(qū)和靈敏角。如果在正方向故障時保護能夠正確動作,反方向故障時保護應(yīng)可靠不動作,則表明保護接線正確,功能完好。

　　例如,CT 一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)電流從K1 流出,對于以方向指向母線為正方向的零序功率方向保護,在保護加入如圖7 所示的二次零序電壓UK2 和二次零序電流IK2 ,則此時相當于母線外部故障的情況,保護應(yīng)該正確動作,而在反方向故障時應(yīng)不動作。根據(jù)上述動作條件確定保護的動作區(qū)和靈敏角,如圖7 示。保護的動作區(qū)范圍為電流超前電壓5°～185°,最大靈敏角為95°。

　　圖10 　CT 接線圖對于LG₂12 零序功率方向繼電器,靈敏角為70° 時,在上述情況下,繼電器的電壓和電流線圈應(yīng)是反極性接入二次零序電壓和二次零序電流(如電壓線圈極性端接PT 二次的極性端,則電視線圈的極性端

要接CT 二次的非極性端),才可以保證在正方向故障時,二次零序電流超前二次零序電壓的情況下繼電器能夠正確動作。

　　當CT 一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)電流從K2 流出時,二次零序電流正好反了180°,如圖8 。對于以方向指向母線為正方向的的零序功率方向保護, 在保護加入圖8 所示二次零序電壓UK2 和二次零序電流IK2 ,則正好是正方向故障的情況,保護應(yīng)該正確動作,而在反方向故障時應(yīng)不動作。根據(jù)上述動作條件確定保護的動作區(qū)和靈敏角,如圖8 示。對于LG₂12 繼電器,可以推出,繼電器的電壓和電流線圈應(yīng)是正極性接入二次零序電壓和二次零序電流。

　　同樣可以推得:

　　當CT 一次繞組L1 指向變壓器,二次側(cè)從K1 流出時,作出保護的動作區(qū)同圖8 所示時,才可以確定零序功率方向保護的正確性。

　　當CT 一次繞組L1 指向變壓器,二次側(cè)從K2 流出時,動作區(qū)應(yīng)同圖7 。

　　可見,在校驗零序功率方向保護時,和校驗相間功率方向保護一樣,依據(jù)PT 、CT 接線的極性和保護的方向整定,模擬出系統(tǒng)一次故障的情況,對保護加入二次電壓和二次電流進行整組試驗。值得注意的是PT 開口三角的接線方式,采用₂3 U0 和3 U0 的不同接法時結(jié)果正好相反。

　　5 　結(jié)論

　　1 (1) 實際運行結(jié)果表明,本文提出的模擬系統(tǒng)故障,利用整組試驗的方法,能夠簡單可靠地對變壓器功率方向保護接線正確性和保護功能完好性進行校驗。特別是對于微機變壓器保護,其優(yōu)點更加明顯。

　　(2) 應(yīng)該指出,對系統(tǒng)正、反方向故障時二次電壓和二次電流相位關(guān)系分析的正確性是建立在PT 、CT 接線極性的正確確定的基礎(chǔ)上站改造來說,施工不便。

　　3. 4 　在有人值班時,操作把手應(yīng)復(fù)位。手動操作是遠方遙控的一級后備。

　　6 　結(jié)語

　　 (1) 我們的信號繼電器的遠方復(fù)歸采用圖2 (b) 所示的方法實現(xiàn)。實際中有兩個問題: (1) 有些信號繼電器如系統(tǒng)接地信號繼電器的遠方復(fù)歸中必須并在某一路開關(guān)的信號繼電器之中。(2) 變電站值班人員手動復(fù)歸某一路開關(guān)的某一個信號繼電器時, 這路開關(guān)的其它信號繼電器也被復(fù)歸,這是因為手動復(fù)歸時正電源串入連在一起的遠方復(fù)歸回路。我們正在積極解決。

　　 (2) 我們采用發(fā)光字牌信號的辦法來解決遙控時的事故音響和閃光問題;并用單獨的一路搖控發(fā)光字牌信號。注意:遙控對象是一個虛對象,只能用

　　對象選擇中間繼電器的觸點或合閘中間繼電器的觸點;還有光字牌信號的保持問題。

　　 (1) 在采用電容式重合閘的變電站,把對象選擇中間繼電器的觸點用于了重合閘放電,信號繼電器的遠方復(fù)歸采用單獨的一路搖控實現(xiàn)。這樣就將每一路開關(guān)的負信號線通過繼電器線圈連在了一起,在查找直流接地時應(yīng)考慮到。

　　 (2) 我們的施工原則是最小改動,因此級連繼電器方式?jīng)]有過多考慮。本文是兩個站的設(shè)計及施工之所得,愿交流和分享。