并联电容器对变压器差动保护的影响

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(1.国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 211100； 2.南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 211100；3.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

下面分析了电容器放电产生的谐振频率与并联电容器的选型关系，其谐振谐波分量对变压器励磁涌流判据产生的影响，并应用EMTDC进行了仿真，提出了对变压器差动保护涌流判据的建议。

1 并联电容器侧放电电流的分析

额定电抗率为并联电容器中串联电抗器的感抗和电容器组容抗的比值，即K=XL/XC，若系统谐波以n次谐波为主，则应选取串联电抗器感抗值XL使得：(nXL-XC/n)>0，即K>1/n2，例如当系统主要谐波为5次及以上谐波时，K>4% ，当系统主要谐波为3次谐波时，K>11%。考虑到LC抑制回路的谐振频率必须低于系统可能出现的最低次谐波频率以及低压并联电容器的容量在工作过程中会逐渐降低，使谐振点往上漂移[3]，所以为了取得一定的裕度，对于5次及以上谐波，取K>6%，对于3次谐波，取K>12%。6%和12%的电抗率也是目前并联电容器选型中最常用的电抗率，工程上为了同时抑制上述谐波，也可采用以上两种电抗率的电容器混用[2]。

(1)

其中，

(2)

若K=6%，则振荡放电电流频率约为基波频率的4倍。

由此可以看到，变压器低压侧区内故障时，电容器振荡放电电流流过低压侧开关TA，计入变压器差动保护电流中，从而使差流中的谐波含量增大。

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图1 系统接线图

图2 故障时刻等值电路图

2 放电电流对变压器差动保护的影响

目前变压器保护应用鉴别励磁涌流的方法主要有2次谐波制动原理[1]和波形对称原理[4]。对于双重化配置的变压器保护，应使用不同原理的涌流识别判据，工程上的常规配置基本是一套使用2次谐波原理，一套使用波形对称原理。下面分别说明放电电流对两种涌流识别原理的影响。

2.1 对谐波制动原理的影响

谐波制动原理是根据励磁涌流中含有大量偶次谐波分量，其中又以2次谐波尤为明显，利用差流中2次谐波的含量来识别励磁涌流，

(3)

式中，I1、I2为差流中基波和2次谐波的幅值；K2为2次谐波制动比的整定值。

同时为了防止变压器差动转角或滤零计算中造成的2次谐波降低，一些保护还增加了3次谐波闭锁功能。

式中，I1、I3为差流中基波和3次谐波的幅值；K3为3次谐波制动系数。

当并联电容器的放电振荡电流中含有大量2、3次谐波时，如并联电容器电抗率为K=12%时，变压器内部故障时，并联电容的振荡频率根据式(2)计算可知为ω=906.9 rad/s，这就增大差流中的3次谐波分量，可能造成谐波闭锁判据闭锁差动保护。

2.2 对波形对称涌流原理的影响

波形对称涌流原理是利用差流导数(即对差流采样点进行差分)的前半波与后半波进行对称比较，根据比较的结果去判断是否发生了励磁涌流，对于对称的定义为

(5)

将差流进行傅里叶级数展开得

(6)

差流对时间t进行求导得

(7)

由式(6)可知，对于差流导数中的奇数频分量为

(8)

而偶数频分量为

(9)

根据式(8)、式(9)可知差流中的偶次谐波分量会增大式(5)计算得到的对称KW值，判为波形不对称，而奇次谐波分量通过式(5)计算的对称KW为0。可以看到波形对称原理实际上是将差流中的奇次谐波分量作为对称判别的动作量，而偶次谐波分量作为对称判别的制动量，奇次谐波含量越高则波形越对称，偶次谐波含量越高则波形越不对称。

当并联电容器的放电振荡频率为偶次谐波时，如并联电容器电抗率为K=6%时，变压器内部故障时，并联电容的振荡频率根据式(2)计算可知ω=1 282.5 rad/s，这就增大了差流中的4次谐波分量，可能造成谐波闭锁判据闭锁差动保护。

3 试验仿真

使用EMTDC建立并联电容器的系统仿真模型，仿真系统如图1，变压器高低侧短路阻抗为65%，低压侧电容器容量为主变压器容量的30%，模拟K2点三相故障，分别取6%和12%两种典型并联电容器电抗率进行仿真，研究对谐波制动原理和波形对称原理的影响。仿真步长为50 μs，保护采样频率为1 000 Hz。

3.1 并联电容器电抗率为6%

如表1所示，差流中4次谐波含量很高，其中B相4次谐波含量超过30%。图4、5、6分别为220～400 ms时各采样时刻波形对称点数，在故障后200 ms内各采样时刻波形对称的点数均小于5，波形对称将闭锁差动保护。

图3 变压器低压侧故障差流波形(电抗率6%)

3.2 并联电抗器电抗率为12%

如表2所示，差流中3次谐波含量很高，其中B相3次谐波含量超过30%，目前变压器保护的谐波整定门槛基本在15%～20%之间，所以含有3次谐波制动的差动保护会延时动作甚至是拒动。

表1 差流各次谐波含量

图4 故障后200 ms A相差流波形对称点数(电抗率6%)

图5 故障后200 ms B相差流波形对称点数(电抗率6%)

图6 故障后200 ms C相差流波形对称点数(电抗率6%)

波形对称分析如图8、9、10，由于差流中奇次谐波含量很大，偶次谐波含量很小，因此各采样时刻的波形对称点数很多，电抗率为12%的并联电容器对波形对称原理并没有影响。

图7 变压器低压侧故障差流波形(电抗率12%)

表2 差流各次谐波含量

图8 故障后200 ms A相差流波形对称点(电抗率12%)

图9 故障后200 ms B相差流波形对称点数(电抗率12%)

图10 故障后200 ms C相差流波形对称点数(电抗率12%)

4 结 语

对并联电容器中电抗率选择、系统故障时放电电流对变压器保护的影响进行了分析，得出了以下结论：①并联电容器在系统故障时会形成振荡放电回路，其振荡频率与电容器中电抗率有紧密的关系。②当变压器区内发生故障时，并联电容器的放电电流会计入差流，增大差流中的谐波含量。 ③放电电流会造成变压器保护尤其是高阻抗变压器保护中励磁涌流判别元件误闭锁差动保护，导致差动保护延时动作甚至拒动。④考虑到3次谐波判据为2次谐波制动判据的补充辅助判据，但在电容器12%电抗率情况下3次谐波会闭锁差动保护，建议在判为区内故障时取消3次谐波闭锁，只保留2次谐波闭锁，防止差动保护拒动。⑤在电容器6%电抗率情况下，波形对称原理会闭锁差动保护，建议在判为区内故障时采用滤波算法滤除差流中含有的4次谐波，防止4次谐波增大而导致判为不对称，防止差动保护拒动。

综上所述，变压器保护必须考虑并联电容器放电电流的影响，采取措施提高差动保护的可靠性。

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