外部短路含非周期分量的变压器差流仿真计算

张兵海,张卫明,郭少飞,王心蕊,李铁成

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

变压器差动保护主要是指差动速断保护,在区外短路故障时的误动案例偶有发生[1],尤其是接于发电机机端的负荷变压器低压侧发生三相短路时,变压器差动速断保护误动作的发生概率更高。本文针对这种情况,使用PSCAD 仿真软件,对不同接线形式、不同结构的变压器差动保护的差动电流(简称“差流”),和外部故障时的最大差流进行仿真计算,分析短路电流中的非周期分量对差动保护的影响,以期在设计、运维时引起重视,防止可能的保护误动。

1 外部故障时差动保护差流产生的原因

差动保护的差流由组成差动保护的二次电流进行差计算产生,当传变电流的电流互感器(包括连接于一次设备上的电流互感器和保护装置内部的变流器)存在误差或传变不同步时,差流就会出现,当被保护设备的外部发生短路时,差流就会进一步放大,进而可能导致保护误动。

交流系统短路电流计算公式为

由式(2)的故障电流计算可以看出,电流分为2个部分,前半部分I mcosωt即为故障电流的周期分量,I me-t/τcosθ0为故障电流的非周期分量,在360°的正弦交变周期内,θ0不可能正好为0°或180°,即使某一相为0°或180°,另两相肯定不为0°或180,短路电流中非周期分量的存在是大概率事件,因为非周期分量是衰减的,所以短路计算时阻抗元件中的R分量不应该被简单忽略。

对于非周期分量故障电流的计算,手工计算非周期分量衰减、瞬时值等计算工作量较大,使用软件计算则相对容易。

本文以变压器差动保护为例,使用PSCAD 软件对外部最严重短路故障时的变压器差动保护差流进行仿真计算。

2 PSCAD建模仿真

2.1 变压器差动保护差流计算的系统模型

负荷变压器外部故障电流仿真模型见图1,主设备为并网于220 k V 电压等级电网的600 MW机组,故障设置位置为三绕组负荷变压器的低压侧,图1中另外构建了异步电机启动模型和2个故障位置,用于仿真双次故障时TA 剩磁及电机启动电流对变压器差动差流的影响。

图1 外部故障短路电流仿真模型

模型中使用的设备参数如下:系统,Ssys=1 000 MVA,UB=230 k V,X1max=0.07;主变压器,SMTe=810 MVA,Ue=20/236 k V,Ud=0.138,ynD11;发电机,PGe=600 MW,cosφe=0.9,Ue=20 k V,X″d=0.21,X′d=0.33,Xd=2.496,Xp=0.15,Ta=0.03,T″d=0.046,T′d=8.728;负荷变压器,SAT=63/35-35 MVA,Ue=20/6.3-6.3 k V,Ud=0.268(高/低分裂1-2),Dyn1yn1,高压侧TA 变比nCTh=2 500/1 A,低压侧TA 变比nCTl=4 000/1 A;异步电机SM=10 MVA,Ue=6.3 k V。

故障设置为:第1次t0=10.0 s,故障形式为三相短路,4.0 s后第1次故障终止;0.01 s启动异步电机;再过0.2 s后开始第2次三相短路故障。

2.2 变压器差动保护的差流计算模型

TA 模型见图2。图中IATa、IATb、IATc为负荷变压器高压侧一次电流,IATa_s、IATb_s、IATc_s为经TA 传变的高压侧二次电流,I6kVa、I6kVb、I6kVc为负

图2 负荷变压器两侧电流互感器模型

荷变压器低压侧一次电流,I6kVa_s、I6kVb_s、I6kVc_s为经TA 传变的低压侧二次电流。电流互感器模型使用改进型J A 模型[34],剩磁设置0.2 T。

恩哥解答：这个要分情况讨论。孕期可以旅行，以轻松休闲为宜，还要注意交通工具的安全问题。孕期不同阶段注意事项也各有不同：

搭建的变压器差动保护星侧二次转角模型见图3。负荷变压器接线组别为Dyn1yn1接线,保护采用低压侧即星侧转角。保护以角侧即高压侧电流为基准电流,则高压侧二次电流的平衡系数为1.0,低压侧二次电流的平衡系数为0.504。I6kVa_ts、I6kVb_ts、I6kVc_ts为转角后的电流乘以本侧平衡系数折算到基准侧的电流。

图3 负荷变压器低压侧电流二次转角模型

负荷变压器高压侧即角侧电流折算模型见图4,角侧为基准侧,平衡系数为1。IATa_ts、IATb_ts、IATc_ts为经平衡系数折算后的高压侧电流。

图4 负荷变压器高压侧电流转换模型

搭建的负荷变差动保护差流计算模型见图5。模型中设置了模拟量和有效值2种输出通道,模型计算未考虑傅里叶滤波,高压侧二次额定电流为0.727 5 A,有效值输出通道已折算为额定二次电流的倍数。IATa_diff、IATb_diff、IATc_diff为计算后差流瞬时值。IATa_diff_rms、IATb_diff_rms、IATc_diff_rms为计算后差流有效值,并已折算为基准侧额定电流的倍数。

图5 负荷变差动保护差流计算模型

将图3、4、5模型中电流改为一次电流,则可以仿真计算一次电流的差流,可用来分析TA 传变对差流的影响。

2.3 差流分析

一次电流和二次电流的差流计算结果见图6。从图6中可看出,一次差流始终较小,而二次差流在几个周波后的短时间窗明显较高,已大于7.0Ie,如果差动速断保护按照整定计算导则整定为6.0Ie,保护已动作。

图6 一次差流、二次差流仿真结果

故障侧的一次短路电流经数值折算,与经实际TA 传变的2种二次电流的波形对比如图7所示。从图中可以分析出二次电流差流产生的原因。图7 中的电流均为6 k V 侧电流,I6kVa_p_s、I6kVb_p_s、I6kVc_p_s为一次电流直接除以TA 变比得到的波形,I6kVa_s、I6kVb_s、I6kVc_s为经TA 传变后的二次电流波形,可以看出,前几个周波2种电流是没有角差的,但之后出现角差,经TA 传变的电流衰减较快。分析认为,因TA 传变导致的两侧非周期分量衰减不同步是产生差流的主要原因。

图7 直接经变比折算的二次电流与经TA传变的二次电流波形对比

改变模型中的参数,对各种可能的参数进行仿真计算。仿真结果说明,除TA 的铁心参数外,二次绕组阻抗和外回路阻抗是影响二次回路衰减时间常数的关键因素,按4 mm2二次电缆长度200 m 考虑,当TA 二次绕组直阻大于6Ω 时,由外部故障一、二次短流中非周期分量衰减不同步导致的差流有可能超定值,致使差动速断保护误动的可能性较大。

将模型系统的发电机模型更换为系统电源模型,即改为按阻抗角80°整定的电源模型后,差流略有下降,但下降不明显,说明增加一次系统的R分量,即降低一次时间常数对降低因非周期分量衰减问题导致的差流效果不明显。

当变压器短路阻抗较大,即当2/X T小于差动速断定值,外部短路电流不足以引起差速动作时,则该侧外短电流非周期分量衰减问题可不预考虑。

仿真过程并未设置TA 饱和,如果再考虑TA暂态饱和,则差流进一步放大,保护更易误动作。

仿真模型中搭建了异步电机,设置在第1次故障恢复后立即启动,仿真结果说明电机的启动电流对负荷变压器差动差流影响很小,再次故障时因非周期分量较小,引起差流也较小。

将变压器改为180 MVA、ynyn0d11、230/121/38.5 k V 的三绕组变压器,仿真计算高、中压侧差动保护差流的变化过程,TA 变比按1 200/1、1 600/1设置,高中短路阻抗按15%考虑,计算结果为差流不高于6.0Ie。主要原因是小变比TA二次绕组直阻一般偏低,当设置较高的绕组直阻时,仍出现大于6.0Ie差流的情况。

3 对策分析与建议

通过对变压器差动保护在外部短路故障时不同绕组侧二次电流回路中电流特性的分析,认为当非周期分量衰减特性不一致时,将产生差流,进而导致保护误动。通过对非周期分量的传变和衰减特性的分析研究,认为可以采取以下对策。

1)应配置区外故障的速动保护,使区外故障得到快速切除。根据仿真计算的结果,差流最高值一般初始于4个周波之后,此时如区外故障已切除,则不存在变差误动的机会。

2)应尽量选择TA 绕组直阻不高于6Ω 的设备,TA 到保护装置的距离不宜超过400 m,尽量控制TA 二次系统阻抗(主要为电阻分量,绕组与二次回路、保护装置阻抗之和)小于8Ω。

3)TA 二次绕组的阻抗是影响短路电流非周期分量衰减的主要因素。一般情况下,TA 变比越大,绕组直阻越大,因此在选择TA 变比时,建议以满足要求为宜,不宜选择过高的TA 变比。

4)TA 二次负载的阻抗(二次回路和保护装置阻抗之和)在满足极限电动势要求情况下[5],仍应采取措施降低其中的R分量。对于R分量较小的情况,如二次电缆较短(含智能站的TA 就地光电转换)的情况,相关问题可不予考虑。

5)TA 二次系统阻抗较高时,经过计算差流可能超差动速断保护门槛时,宜对保护门槛进行适度调整,使其避过可能的最大差流,以防止保护误动。

6)即使对于超大容量的变压器,也不应将差动速断保护门槛设置到6.0Ie以下。因为变压器容量越大,TA 变比越大,绕组直阻越大,发生相关误动问题的概率越高。

4 结论

电力系统中一次设备的R分量随着电压等级的提高而明显降低,而二次电流回路中的R分量则随着电流互感器二次1 A 的普及而明显提高,当组成差动保护的各侧一次、二次系统中的R/L特性明显不一致时,外部短路中不可避免的非周期分量所致的较大差流将导致差动保护误动,分析认为,此问题应在差动保护的二次电流额定值、二次电缆和电流互感器绕组阻抗、保护定值等多个方面优化选取,防患于未然。