工程實用勵磁變壓器保護(hù)方案分析選型

1、工程實用勵磁變壓器保護(hù)方案分析選型徐紹麟（中南電力設(shè)計院，湖北武漢430071）摘要：大容量發(fā)電機變壓器組采用自并勵勵磁系統(tǒng)后，由于機端短路電流很大，以致很難選擇供勵磁變壓器保護(hù)用的高壓側(cè)電流互感器。提出利用發(fā)電機變壓器組的不完全接線差動保護(hù)和勵磁變壓器專用保護(hù)共同分擔(dān)整個勵磁變壓器保護(hù)，以便降低對其高壓側(cè)電流互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)要求，并對勵磁變壓器高壓側(cè)電流互感器額定電流比選擇給出參考意見。同時比較了勵磁變壓器差動保護(hù)和過流保護(hù)方案的優(yōu)劣，建議勵磁變壓器采用電流速斷作為主保護(hù)以簡化接線。關(guān)鍵詞 ：勵磁變壓器；繼電保護(hù)；準(zhǔn)確限值系數(shù)；額定電流比1 概述工程實踐中，某些由國外供貨或引進(jìn)的發(fā)電機自并

2、勵靜止勵磁設(shè)備的機端勵磁變壓器（以下簡稱勵磁變）不配供繼電保護(hù)。其理由為：如欲裝設(shè)勵磁變保護(hù)，為滿足繼電保護(hù)的可靠性、靈敏性和速動性要求，勵磁變高壓側(cè)電流互感器（以下簡稱勵磁變TA ）應(yīng)滿足勵磁變分支短路時的準(zhǔn)確限值系數(shù)要求。對于300MW機組此短路電流的周期分量通常超過100 kA ，而勵磁變的額定工作電流僅只100 A左右，因此勢必造成該 TA 體積龐大、安裝困難、設(shè)備造價昂貴，而勵磁變又極少可能發(fā)生內(nèi)部故障，所以不配裝保護(hù)。然而，盡管勵磁變工作電壓不高、容量不大，但是發(fā)生內(nèi)部故障的可能性總是存在的。依據(jù)文獻(xiàn)12的相關(guān)條文規(guī)定，勵磁變應(yīng)配置必要的保護(hù)，顯然沒有理由可以放棄對勵磁變實施有效保

3、護(hù)。為此有必要對勵磁變的保護(hù)方案及其高壓側(cè)保護(hù)用電流互感器的選擇作些探討。為便于討論，本文以某廠一期設(shè)計4 臺300 MW級機組，最終規(guī)模再擴(kuò)建2 臺600 MW級機組為例，且假定全部發(fā)電機均接入220 kV系統(tǒng)。其電氣系統(tǒng)接線示意見圖1，等值阻抗見圖2，阻抗標(biāo)幺值換算見表 1。且算得d1 和 d3 點短路電流分別為113 57 kA和 1 203 kA 。2 勵磁變保護(hù)方案勵磁變主保護(hù)方案不外乎差動保護(hù)和電流速斷保護(hù)。圖3 和圖 4 分別為勵磁變裝設(shè)差動保護(hù)和電流速斷保護(hù)方案圖，由于勵磁變分支事實上對機組構(gòu)成了不完全差動保護(hù)接線，因此圖中還畫出了發(fā)電機變壓器組（以下簡稱發(fā)變組）范圍內(nèi)與勵磁變

4、保護(hù)有關(guān)的主保護(hù)配置圖。下面將就勵磁變保護(hù)方案中的一些問題作些討論。2 1勵磁變分支對發(fā)變組差動保護(hù)和主變壓器差動保護(hù)的影響從圖 3 和圖 4 接線可知，由于勵磁變分支未接入發(fā)變組差動保護(hù)和主變壓器差動保護(hù)（以下合稱機組差動保護(hù)）回路，因而構(gòu)成了機組差動保護(hù)的不完全接線，對此需要考慮如下影響：（1）勵磁變的正常工作電流是否會引起機組差動保護(hù)誤動據(jù)大型發(fā)電機變壓器繼電保護(hù)整定導(dǎo)則，機組差動保護(hù)的最小動作電流Iop min 應(yīng)大于差動保護(hù)回路不平衡電流 I unb min，當(dāng)變壓器帶額定負(fù)荷時：I unb min K rel（K er U m）I N na（ 1）式中：IN 為變壓器的額定電流；n

5、a 為機組差動保護(hù)電流互感器變比，對 300 MW 級機組，通常為 15 0005；K rel 為可靠系數(shù)，取13 15；Ker 為電流互感器的比誤差，對于10P 型 TA 取 003×2；U為變壓器調(diào)壓引起的誤差，取調(diào)壓范圍中偏離額定值的最大值，本例中為0 075； m為電流互感器變比未完全匹配產(chǎn)生的誤差，取0 05。將各系數(shù)代入式（1），得Iunb min1 5×（ 0060075005）×9623A÷15 000 5089 A由于機組差動保護(hù)為不完全接線，故差動回路的不平衡電流中尚應(yīng)計及勵磁變正常工作電流對其影響。本例勵磁變最大可能的工作電流IN

6、E 的大小為：IN E9623 A÷15 000 50032 A（15 000 5 為歸算至機組差動保護(hù)回路TA 電流比）。因此正常工況下機組差動保護(hù)回路不平衡電流：Iunb Iunb minI N E 0890032 0922 A 。為使保護(hù)不發(fā)生誤動， 要求 i I ，在工程計算中， 通常取 I（ 02 05）In ，這里暫按 03INopmin unbop minNana 進(jìn)行估算，即：I op min03I N na03×9 623 A ÷15 0005 0 3×3 21 A 0 963 A 0922 A計算結(jié)果表明，只要保護(hù)整定計算中充分考慮勵

7、磁變的正常工作電流影響，不完全接線的機組差動保護(hù)不會發(fā)生誤動。也就是說，由于勵磁變?nèi)萘肯鄬^小，其正常工作電流僅占全部不平衡電流的35，事實上不會對機組差動保護(hù)的整定計算產(chǎn)生實質(zhì)性影響。（2）勵磁變低壓側(cè)短路時機組差動保護(hù)能否可靠動作由于大容量機組的勵磁變高壓分支中沒有裝設(shè)任何開斷短路電流的設(shè)備，一旦勵磁變低壓側(cè)d3 點發(fā)生短路，無論由勵磁變專用保護(hù)動作，還是由機組差動保護(hù)動作，都必須立即停機。此時如機組保護(hù)真能可靠動作，則可不裝設(shè)勵磁變專用保護(hù)。已知勵磁變低壓側(cè)d3 點三相短路電流為1 203 A ，將其歸算至機組差動保護(hù)二次回路的短路電流為：I d3 1 203 A ÷15 00

8、050 401 A計及差動回路的不平衡電流后，即流入繼電器的電流0 89 A 0401 A 1291 A 已大于機組差動保護(hù)定值電流0963 A。但從保護(hù)意義上說，機組差動保護(hù)對勵磁變低壓側(cè)d3 點發(fā)生短路的靈敏度是不滿足要求的。因此勵磁變低壓側(cè)短路時機組差動保護(hù)不能保證可靠動作，需要裝設(shè)勵磁變專用保護(hù)。2 2勵磁變 TA 準(zhǔn)確限值系數(shù)選擇前面提到如在勵磁變高壓側(cè)裝設(shè)保護(hù)，勵磁變保護(hù)用TA 勢必體積龐大，造價昂貴，安裝困難。對此討論如下。2 21不能以勵磁變分支高壓側(cè)引線短路作為選擇勵磁變TA 準(zhǔn)確限值系數(shù)的條件通常為使保護(hù)快速、可靠地動作，要求在圖3 和圖 4 中勵磁變分支高壓引線d1 處短

9、路時，勵磁變保護(hù)用電流互感器在最大短路電流作用下仍應(yīng)保證其復(fù)合誤差。已知此點短路電流為I K1 11357 kA ，而勵磁變高壓側(cè)額定電流僅為I N E 9623 A。由于勵磁變分支額定電流很小，而d1 點短路電流很大，即使勵磁變 TA 一次側(cè)額定電流按1000 A 考慮（比勵磁變額定電流大10 倍），通過此電流互感器的短路電流與其額定一次電流之比也將達(dá)100 倍左右。以此條件選擇電流互感器的準(zhǔn)確限值系數(shù)無論是從技術(shù)性還是從經(jīng)濟(jì)性考慮都是不可取的，因此不能按勵磁變高壓側(cè)引線短路作為選擇勵磁變TA 的條件。2 22可以利用不完全接線的機組差動保護(hù)來降低TA 準(zhǔn)確限值系數(shù)不完全接線的機組差動保護(hù)對

10、勵磁變內(nèi)部短路具有一定的保護(hù)作用。例如當(dāng)勵磁變高壓繞組始端發(fā)生短路時機組差動保護(hù)肯定會動作。因此可以充分利用機組不完全差動保護(hù)接線（而且是雙重化保護(hù)）和勵磁變專用保護(hù)來共同分擔(dān)整個勵磁變保護(hù)。也就是說，勵磁變內(nèi)部短路時產(chǎn)生的短路電流在數(shù)值上只要能滿足機組差動保護(hù)可靠動作要求，機組差動保護(hù)自然會對其提供有效保護(hù)。僅當(dāng)此短路電流大小不滿足機組差動保護(hù)靈敏性要求時，才要求由勵磁變專用保護(hù)發(fā)揮作用。顯然，勵磁變保護(hù)用TA 只需按此條件考慮即可。困難在于如何確定這種保護(hù)分擔(dān)界面。如果囿于討論勵磁變繞組內(nèi)部什么部位，發(fā)生哪種短路，乃至去求出對應(yīng)的阻抗來確定上述條件的界面，必將永遠(yuǎn)得不到解答，因為勵磁變繞組

11、內(nèi)部短路具有無數(shù)種組合。但是，無論什么樣的短路都會產(chǎn)生短路電流，而且一定的短路電流值都對應(yīng)一定的短路阻抗。據(jù)此理由，可以不必拘泥于探求勵磁變繞組內(nèi)部各種各樣短路形式的阻抗值，而是直接從短路電流入手，即從滿足機組差動保護(hù)靈敏性的角度出發(fā)，找出在假定條件下最小動作電流，以此推出短路阻抗值，依據(jù)上述阻抗與電流對應(yīng)的觀點，進(jìn)而得出確定準(zhǔn)確限值系數(shù)所需的最大短路電流。為便于推算，假定發(fā)電機的正序電抗等于負(fù)序電抗，同時暫且假定在勵磁變內(nèi)部距始端相同匝數(shù)部位發(fā)生了兩相短路和三相短路，且忽略勵磁變激磁阻抗，其等效電路是線性的，因而滿足I （ 2） k的關(guān)系式。眾所周知，欲使機組差動保護(hù)可靠動作，必須滿足最小運

12、行方式下兩相短路時保護(hù)靈敏度要求，計算用等效阻抗圖見圖5。經(jīng)前面計算已知機組差動保護(hù)動作電流整定值為0953 A ，據(jù)靈敏度計算公式，得勵磁變繞組內(nèi)部d2 點兩相短路時能使機組差動保護(hù)可靠動作的最小短路電流為：（式中 3 113 A 為發(fā)電機二次回路的額定電流）；查汽輪發(fā)電機運算曲線得轉(zhuǎn)移電抗為145，歸算至以系統(tǒng)容量為基準(zhǔn)的電抗值，得：X d2 0 373。此計算值即為在勵磁變繞組內(nèi)部假定部位短路時，能保證機組差動保護(hù)可靠動作的總短路阻抗，由圖5 即可求出所討論的勵磁變內(nèi)部d2 點短路等效阻抗： X j X d2X I0 3730 04770325。有了假定阻抗 X j，不難算出圖2 接線中

13、最大運行方式下 d2 點發(fā)生三相短路時流過勵磁變的短路電流。經(jīng)等值電路化簡，算得此時最大三相短路電流I（ 3） d 2 max6 92 kA 。上面計算是在假定勵磁變內(nèi)部A 、B 、C 三相繞組中距其始端相同匝數(shù)部位發(fā)生二相和三相短路，而且是基于線性電路的條件下求得的。因為我們的目的在于大致估算出（而不是準(zhǔn)確計算）某一短路電流值作為保護(hù)分擔(dān)界面的量化概念，以便確定當(dāng)外部電路中流過的短路電流大于此電流值（或呈現(xiàn)的等效短路阻抗小于 X j ）時，由機組差動保護(hù)動作對勵磁變實施保護(hù)，而小于此電流值（或呈現(xiàn)的等效短路阻抗大于或等于 X j）時，則由勵磁變專用保護(hù)工作。而沒有必要去探求繞組內(nèi)部短路究竟是

14、什么形式，發(fā)生在什么部位，以及究竟存在多少種組合可以作為機組差動保護(hù)和勵磁變專用保護(hù)的分擔(dān)界面。根據(jù)上面計算結(jié)果，并注意到某些制造廠機組的電抗值可能較小，且有些系統(tǒng)的短路容量較大，在充分考慮安全、可靠等因素后，可以大膽假定勵磁變專用保護(hù)開始發(fā)揮作用時的最大短路電流不會超過1015 kA 。顯然以此電流作為選擇勵磁變TA 的依據(jù)，即可大大降低電流互感器的準(zhǔn)確限值系數(shù)，從而減少電流互感器的尺寸，并降低造價。2 23勵磁變高壓側(cè)電流互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)選擇按照國標(biāo) GB12081997電流互感器的規(guī)定，適合勵磁變TA 的參數(shù)組合有： （500 A ，10P30），（ 750A ， 10P20），（ 1

15、000 A ，10P15），（ 1500 A ， 10P10）幾種。曾就這四種電流互感器體積、重量和參考價向制造廠調(diào)研，調(diào)研內(nèi)容還包括（400 A，10P40）非標(biāo)產(chǎn)品。據(jù)幾家廠家回函分析，大致結(jié)論如下：從表 2 可知： a）同樣準(zhǔn)確級次和額定電壓條件下，TA 的額定電流比越小，其外形尺寸越大，重量越重，價格越高；b）TA 的額定電流比越小，要求有較大的額定輸出越不容易。c）額定一次電流為750 A ，1000 A ，1500 A 三種電流互感器在滿足準(zhǔn)確限值系數(shù)和所需負(fù)荷的前提下相關(guān)數(shù)據(jù)基本相同。由于勵磁變?nèi)萘枯^小，應(yīng)盡量選擇較小的額定一次電流，即750 A 或 1000 A 的電流互感器。

16、當(dāng)然也可選擇500 5 A電流互感器，但這時其額定輸出不能超過15VA ，否則電流互感器的外形尺寸、重量和造價將會大大增加。另外，對準(zhǔn)確限值系數(shù)為40（非標(biāo)） 的 400 5 A 電流互感器進(jìn)行調(diào)研結(jié)果表明：多數(shù)廠家或容量太小（僅為 5 VA ），或尺寸、重量及價格偏高。僅只沈陽互感器廠生產(chǎn)的LRB 20， 400 5 A， 30 VA ， 10P40 型電流互感器比較適合，此電流互感器與該廠1000 5 A ，50 VA ， 10P15 同型互感器相比，其外型尺寸、重量和價格分別增加了2 91、 2 67 和 167 倍。在此順便指出，上述勵磁變保護(hù)用的TA 為套管型穿心式電流互感器，不會感

17、受到短路電流的應(yīng)力作用，某些工程中按承受短路電流動穩(wěn)定能力作為選擇此電流互感器條件之一是不恰當(dāng)?shù)摹? 3勵磁變保護(hù)方案討論圖 3 和圖 4 均為常用勵磁變主保護(hù)方案。其中圖3 的勵磁變主保護(hù)采用差電流接線，保護(hù)范圍明確，但是需在勵磁變低壓側(cè)增加一組電流互感器及相應(yīng)二次電纜；圖4 采用電流速斷作為主保護(hù)，接線簡單，然而通常情況下為避免越級動作，電流速斷保護(hù)需按躲過勵磁變低壓母線最大短路電流和勵磁涌流條件整定，因此不能100保護(hù)勵磁變內(nèi)部繞組及低壓側(cè)引線短路。建議勵磁變采用電流速斷保護(hù)以簡化接線，因為勵磁變是專門用于向發(fā)電機勵磁回路的可控功率橋供電，而功率橋交流臂支路和每個晶閘管均裝有快速熔斷器保

18、護(hù)。一旦功率橋的交流母線或直流母線發(fā)生短路，也勢必要求立即停機，此時如勵磁變保護(hù)動作跳閘，有利于故障清除。而當(dāng)短路發(fā)生在快速熔斷器之后時，由于熔斷器具有快速斷弧特性，且其額定電流很小，故勵磁變速斷保護(hù)理應(yīng)能和快速熔斷器的動作時間相配合。如一定要追求選擇性，可以考慮采用限時速斷保護(hù)來進(jìn)行配合。依據(jù)上述觀點，勵磁變的電流速斷保護(hù)范圍不妨包括其低壓側(cè)引線短路，只按躲過勵磁涌流條件整定，以便100保護(hù)勵磁變繞組，即：3 結(jié)論綜合以上論述，歸納如下：（1）依據(jù)相關(guān)規(guī)程要求應(yīng)配置必要的勵磁變繼電保護(hù)。（ 2）勵磁變 TA 準(zhǔn)確限值系數(shù)不必按其高壓分支短路條件選擇，300 MW 及以下機組可按一次短路電流 10 15 kA 作為選擇勵磁變 TA 準(zhǔn)確限值系數(shù)的條件。 TA 額定電流比應(yīng)盡量接近勵磁變一次額定電流，但需考慮其外形尺寸、重量和造價等各種