電子式互感器在電爐變壓器差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用

電子式互感器在電爐變壓器差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用

由于電動(dòng)汽車壓縮器的低電壓和高電流，工作電流和短路電流之間沒(méi)有顯著差異。僅從壓壓器高壓側(cè)電流控制器測(cè)量的電流值無(wú)法從根本上區(qū)分故障電流和負(fù)荷電流，也無(wú)法區(qū)分故障位置在區(qū)域或外。因此，很難計(jì)算高壓側(cè)流量保護(hù)的定值：如果定值過(guò)高，無(wú)法檢測(cè)探測(cè)器的內(nèi)部故障，降低探測(cè)器的靈敏度，不利于電壓器的安全。如果定值太低，很容易使保護(hù)誤差移動(dòng)，造成不必要的損失。因此有必要在變壓器低壓側(cè)增加電流互感器以實(shí)現(xiàn)電爐變壓器差動(dòng)保護(hù),本文就不同的差動(dòng)配置方案進(jìn)行詳細(xì)的比較分析,并分析比較了不同方案的整定計(jì)算原則及動(dòng)作特性,提出了最佳差動(dòng)配置方案。1爐爐器供電系統(tǒng)大容量的電爐變壓器基本是三線圈:高壓為電源側(cè),與電力系統(tǒng)相連;中壓側(cè)除起調(diào)壓作用外,其輸出電壓還供電給補(bǔ)償電容器負(fù)載;低壓側(cè)供電給電爐負(fù)載。電爐變壓器與電力變壓器相比,它的顯著特點(diǎn)是:二次電壓低、電流大,而且調(diào)壓范圍寬(通常為25%~50%)。在運(yùn)行過(guò)程中,需要改變二次電壓,一般采用變磁通調(diào)壓、串聯(lián)變壓器調(diào)壓、自耦變壓器調(diào)壓三種方法。電爐變壓器按結(jié)構(gòu)形式又可分為主變壓器加串聯(lián)變壓器和共鐵心式主調(diào)合一的結(jié)構(gòu)形式,本文主要針對(duì)串聯(lián)變壓器調(diào)壓進(jìn)行說(shuō)明。2電流輸出后轉(zhuǎn)化成模擬量小信號(hào)的輸出—大容量電爐變壓器差動(dòng)保護(hù)配置方案首先實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)電流的采集,由于大容量電爐變壓器具有低壓側(cè)電流極大、動(dòng)態(tài)范圍寬、多路電流并聯(lián)輸出、空間狹小等特點(diǎn),采用傳統(tǒng)的鐵心式電流互感器很難應(yīng)用于電爐變壓器的低壓側(cè)。利用電子互感器可采集到電爐變壓器低壓側(cè)一次電流,然后轉(zhuǎn)化成模擬量小信號(hào)輸出到模擬量采集器,采集器將采集到的小信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)為符合“IEC61850”標(biāo)準(zhǔn)的固定幀格式的數(shù)字量,通過(guò)光纖接入保護(hù)裝置。實(shí)現(xiàn)差動(dòng)配置有兩種方案。方案1:采用分側(cè)差動(dòng)配置即高、中、低分側(cè)差動(dòng)保護(hù),各側(cè)各相的首端電流為I·T,中性點(diǎn)電流為I·中;各側(cè)差動(dòng)保護(hù)都采用比率制動(dòng)式,三相式“或”門輸出。以串聯(lián)變壓器調(diào)壓的電爐變壓器為例來(lái)說(shuō)明分側(cè)差動(dòng)保護(hù)所用電流互感器LH的配置,如圖1所示。共配置1LH~6LH三相6組共18臺(tái)單相電流互感器。方案2:采用三側(cè)差動(dòng)配置保護(hù)裝置混合接入高、中壓側(cè)常規(guī)電磁式互感器二次電流模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換以及低壓側(cè)電流數(shù)字量,實(shí)現(xiàn)基于三側(cè)電流的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。如圖2所示。3大型接地設(shè)備的差動(dòng)方案分析3.1分散分析的分側(cè)差動(dòng)方案3.1.1高壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)定值如圖1,1LH、2LH組成高壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)。分側(cè)差動(dòng)每相的2個(gè)LH裝在同一側(cè)的同1個(gè)支路內(nèi),對(duì)保護(hù)整定計(jì)算很有利,2個(gè)LH同型號(hào),正常運(yùn)行及外部短路時(shí)變壓器分接頭改變不影響保護(hù)的不平衡電流(Iunb),故整定計(jì)算中無(wú)△U、△m系數(shù),這一點(diǎn)對(duì)電爐變壓器特別重要,因電爐變壓器分接頭調(diào)整范圍極大,可達(dá)±(20~25)%,而一般電力變壓器僅為±5%。高壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的最大整定值(IOP·set·max)需躲開(kāi)中壓側(cè)補(bǔ)償電容器端部三相短路所出現(xiàn)的最大三相短路電流Id·max對(duì)應(yīng)的最大不平衡電流Iunb·max,確保高壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)可靠地不誤動(dòng),不跳開(kāi)高壓側(cè)斷路器,此時(shí)只需電容器保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)電容器出口的斷路器。式中:Krel—可靠系數(shù),取1.3~1.5;KCC—同型系數(shù),取1;Ker—2個(gè)LH的變比誤差的差異系數(shù),取0.1;Kap—計(jì)算得出的I(3)d·max僅為短路電流的周期分量,需計(jì)及非周期分量,取Kap=1.5~2。取Krel=1.5、KCC=1、Ker=0.1、Kap=2,設(shè)I(3)d·max=5In,In為電爐變壓器高壓側(cè)額定電流。電爐變壓器分側(cè)差動(dòng),類似于發(fā)電機(jī)差動(dòng),故取IOP·0=0.3In,Ires·0=0.8In若設(shè)I(3)d·max=3In(因電爐變壓器為高漏抗變壓器,且其高壓側(cè)有時(shí)裝有串聯(lián)電抗器以減少短路電流,故可能I(3)d·max值小)則IOP·set·max=0.9In以上分析得出高壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的定值應(yīng)為:Iop.0=0.3In,Ires.0=0.8In,k=0.3k不宜大于0.3,因?yàn)榘从嘘P(guān)因素以最大系數(shù)計(jì)算(Krel=1.5、Kap=2、I(3)d·max·外=8In),得k=0.3。其動(dòng)作特性如圖3所示。電爐變壓器雖然分接頭△U很大,但由于采用分側(cè)差動(dòng)保護(hù),其k值比采用高低壓側(cè)LH組成的一般電力變壓器縱差保護(hù)的k值低,比發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)也低。3.1.2中壓側(cè)補(bǔ)償電容器端部短路電流的影響如圖1,3LH、4LH組成中壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)。同理,中壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的最大整定值IOP·set·max也需躲開(kāi)中壓側(cè)補(bǔ)償電容器端部三相短路所出現(xiàn)的最大三相短路電流Id·max對(duì)應(yīng)的最大不平衡電流Iunb·max,確保中壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)可靠地不誤動(dòng)。同理中壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的定值(標(biāo)幺值)與高壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的定值完全相同,為:Iop·0=0.3In,Ires·0=0.8In,k=0.3,其動(dòng)作特性如圖3所示。3.1.3低壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)整定值如圖1,5LH、6LH組成低壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)。電爐變壓器低壓側(cè)出口與電爐負(fù)載之間無(wú)斷路器,當(dāng)電爐本身及其引出線短路時(shí),允許電爐變壓器低壓側(cè)的分側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)高壓側(cè)的斷路器。也就是低壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的IOP·set·max無(wú)需躲開(kāi)電爐本身三相短路所對(duì)應(yīng)的最大不平衡電流Iunb·max,只需躲開(kāi)低壓側(cè)最大負(fù)荷電流Ifh·max時(shí)的不平衡電流Iunb,容許低壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)外部(即電爐本身及其引出線)短路時(shí)IOP=Iunb·max>IOP·set·max,低壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,跳開(kāi)高壓側(cè)斷路器。因此低壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的IOP·set·max為:式中,Ifh·max為最大負(fù)荷電流的穩(wěn)態(tài)值,不是外部短路電流的初始值,故(3)式中無(wú)非周期分量系數(shù)Kap。最大負(fù)荷電流Ifh·max出現(xiàn)在電爐冶煉熔化期,Ifh·max值根據(jù)實(shí)際運(yùn)行確定。設(shè)Ifh·max=2.5In,In為電爐變壓器低壓側(cè)的額定電流。又同理IOP·0=0.3In,Ires·0=0.8In,理論上應(yīng)取k=0。但為了提高Ifh·max時(shí)不誤動(dòng)的可靠性,取k=0.15較適合。Ires>Ifh·max時(shí),k=0,動(dòng)作特性成為一條水平線,維持IOP·set=IOP·set·max不變,IOP·set不再增大(如圖4),提高了低壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)在外部(即電爐)短路時(shí)動(dòng)作的可能性。通過(guò)分析可以得到低壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的整定值應(yīng)為:IOP·0=0.3In,Ires·0=0.8In,Ifh·max根據(jù)實(shí)際整定。動(dòng)作特性見(jiàn)圖4。3.1.4分側(cè)差動(dòng)保護(hù)根據(jù)以上分析可以得出分側(cè)差動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):(1)電爐變高壓側(cè)系統(tǒng)一般為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng),高壓側(cè)的分側(cè)差動(dòng)對(duì)高壓繞組單相接地動(dòng)作快速且靈敏度很高,無(wú)死區(qū),靈敏度基本與高壓繞組內(nèi)部接地點(diǎn)的位置無(wú)關(guān);(2)電爐變壓器為高漏抗變壓器且其高壓側(cè)往往裝有串聯(lián)電抗器以減小短路電流,內(nèi)部短路時(shí)短路電流較小,甚至與最大負(fù)荷電流相近,而分側(cè)差動(dòng)保護(hù)計(jì)算中無(wú)需考慮△U、△m系數(shù),而且低壓側(cè)定值只需躲開(kāi)Ifh·max,不必躲開(kāi)Id·max等,從而使分側(cè)差動(dòng)的k值小,靈敏度高;(3)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的2個(gè)LH處于同一側(cè)、同一個(gè)分支繞組的首端及中性點(diǎn)端,各側(cè)差動(dòng)保護(hù)不受勵(lì)磁涌流的影響,在軟件中省去二次諧波制動(dòng)等反涌流措施,提高保護(hù)動(dòng)作的快速及可靠性;(4)一般的三側(cè)差動(dòng),當(dāng)變壓器為Y/△接線方式時(shí),為了使正常運(yùn)行及外部短路時(shí)減少不平衡電流,保護(hù)軟件中需采取校正電流的措施,而分側(cè)差動(dòng)的2個(gè)電流取自同一相繞組的首尾端,與Y接、△接無(wú)關(guān),無(wú)需采取電流校正的措施。3.1.5雙向變壓器1臺(tái)(1)采用的LH數(shù)量多,三側(cè)共計(jì)18個(gè)。(2)由3個(gè)單相電爐變壓器組成1臺(tái)三相電爐變壓器運(yùn)行,最常規(guī)的故障之一是繞組的匝間短路,而分側(cè)差動(dòng)的主要缺點(diǎn)是不能保護(hù)各側(cè)繞組的匝間短路。3.2三個(gè)單元差動(dòng)方案的分析3.2.1側(cè)差動(dòng)保護(hù)保護(hù)動(dòng)作的靈敏度分析三側(cè)差動(dòng)分析采用的LH數(shù)量少,三側(cè)共計(jì)9個(gè)LH。缺點(diǎn):(1)電爐變壓器分接頭很多(如35個(gè))且調(diào)整范圍廣,最大為±25%,如果三側(cè)差動(dòng)保護(hù)不采用特殊措施,則縱差保護(hù)整定計(jì)算中系數(shù)△U=0.25,三側(cè)差動(dòng)保護(hù)的IOP·set·max為式中Id·max·gz為電爐冶煉的熔化期頻繁出現(xiàn)的正常工作短路電流,其值為電爐變額定電流的2~5倍,要求縱差保護(hù)躲開(kāi)Id·max·gz對(duì)應(yīng)的不平衡電流,保證可靠不誤動(dòng)。為了與分側(cè)差動(dòng)合理比較,除△U、△m外,其他各系數(shù)的值與(2)式的選值相同。取又取IOP·0=0.4In(因三側(cè)差動(dòng)考慮有△U、△m系數(shù),故IOP·0比(1)式項(xiàng)的IOP·0大)。Ires·0=0.8In。又三側(cè)差動(dòng)的制動(dòng)電流為式中,IA、IB、IC為電爐變壓器高壓側(cè)(電源側(cè))的相電流。比較圖3(分側(cè)差動(dòng))與圖5(三側(cè)差動(dòng))內(nèi)部短路時(shí)的動(dòng)作性能如下:設(shè)電爐變壓器高壓繞組內(nèi)部相間短路Id=4In,根據(jù)圖3的動(dòng)作特性得到此Ires對(duì)應(yīng)的高壓側(cè)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的靈敏度根據(jù)圖5的動(dòng)作特性得到:此Ires對(duì)應(yīng)的三側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的靈敏度規(guī)程要求變壓器縱差保護(hù)的Klmd>2,三側(cè)差動(dòng)保護(hù)不符合要求?？梢?jiàn),電爐變壓器不能采用高、中、低壓側(cè)LH組成的無(wú)開(kāi)關(guān)量自適應(yīng)改變平衡系數(shù)的三側(cè)差動(dòng)保護(hù)。(2)三側(cè)差動(dòng)保護(hù)受勵(lì)磁涌流的影響,保護(hù)軟件需反涌流措施,計(jì)算量多,使保護(hù)的快速性及可靠性降低。(3)電爐變壓器若為Y/△接線,三側(cè)差動(dòng)保護(hù)軟件需有校正外部短路及正常運(yùn)行時(shí)兩側(cè)電流相等的措施。3.2.2基于自適應(yīng)改變平衡系數(shù)的三種差動(dòng)的特點(diǎn)3.2.2.用準(zhǔn)差動(dòng)的比例制動(dòng)斜率k電爐變壓器調(diào)壓繞組有許多分接頭(如35個(gè)),當(dāng)分接頭改變時(shí)以開(kāi)關(guān)量自適應(yīng)地改變大差動(dòng)的平衡系數(shù),則縱差整定計(jì)算中所用的系數(shù)可以大大降低,例如35個(gè)分接頭,理論上△U=135=0.03。以△U=0.05,按差動(dòng)躲開(kāi)低壓側(cè)電爐最大正常工作短路電流的原則進(jìn)行整定計(jì)算,得差動(dòng)的比率制動(dòng)斜率k僅為0.3。因此,三側(cè)差動(dòng)只需按躲開(kāi)中壓側(cè)最大外部三相短路電流的原則整定,中壓側(cè)輸出到補(bǔ)償電容器的電壓是穩(wěn)定的,不受調(diào)壓分接頭改變的影響,其△U=0,計(jì)算得到的斜率k=0.5~0.6,能保證在三側(cè)差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)部相間短路時(shí)動(dòng)作靈敏度較高,匝間短路時(shí)有相當(dāng)?shù)撵`敏度。3.2.2.高壓5點(diǎn)分子質(zhì)量保護(hù)大容量電爐變壓器高壓側(cè)的系統(tǒng)為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng),當(dāng)高壓繞組單相接地短路時(shí)要求電爐變壓器保護(hù)快速跳閘。但是不管電爐變壓器高壓繞組中性點(diǎn)是否接地運(yùn)行,三側(cè)差動(dòng)保護(hù)對(duì)高壓繞組單相接地短路有死區(qū),接地點(diǎn)位于高壓繞組的首端時(shí)靈敏度最高,接地點(diǎn)越靠近中性點(diǎn)靈敏度越低。其本質(zhì)原因是低壓側(cè)為特殊的三角形接線,高壓側(cè)的零序電流能感應(yīng)到低壓側(cè),低壓側(cè)TA能測(cè)量出此零序電流,致使當(dāng)高壓繞組內(nèi)部單相接地短路時(shí),三側(cè)差動(dòng)保護(hù)感受到的是幅值不等的穿越性電流,這是造成保護(hù)靈敏度不高、有死區(qū)的主要因素。4輯“或”門輸出的特性(1)大容量電爐變壓器幾乎全部由3個(gè)單相變壓器組成(A、B、C各相有自己獨(dú)立的油箱),其主要短路故障是繞組匝間短路及高壓繞組的單相接地短路。因此電爐變壓器縱差保護(hù)的最佳方案為高壓側(cè)的分側(cè)差動(dòng)與三側(cè)TA組成的縱差構(gòu)成邏輯“或”門輸出,能達(dá)到互相取長(zhǎng)補(bǔ)短的功效。(2)高壓側(cè)的分側(cè)縱差能以很高的靈敏度保護(hù)高壓繞組的單相接地短路,彌補(bǔ)三側(cè)TA的縱差對(duì)高壓繞組單相接地短路保護(hù)靈敏度