500千伏干式變壓器過(guò)勵磁保護分析

摘要：根據外過(guò)勵磁保護在紹興電業(yè)局500千伏變電站的應用，以ABB千伏豐一變壓器3號主變壓器過(guò)勵磁保護為例，著(zhù)重分析了其基本原理、與干式變壓器過(guò)勵磁特性曲線(xiàn)的配合、存在的保護死區、整定調試等。關(guān)鍵詞：干式變壓器；過(guò)度興奮；曲線(xiàn)；保護；設定；調試；死區0介紹近年來(lái)，隨著(zhù)華東500 kV電網(wǎng)的不斷發(fā)展，系統電壓高的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，干式變壓器過(guò)勵磁運行現象日益增多，尤其是夜間和節假日低負荷時(shí)，矛盾尤為突出，部分500 kV干式變壓器甚至因過(guò)勵磁保護動(dòng)作而跳閘。當系統電壓偏高時(shí)，干式變壓器過(guò)勵磁運行，其抽芯板溫度會(huì )升高，成為影響干式變壓器過(guò)勵磁能力的關(guān)鍵問(wèn)題。如果過(guò)勵磁超過(guò)干式變壓器的允許極限，干式變壓器的鐵芯溫度會(huì )升高而損壞。然而，由于干式變壓器過(guò)勵磁并不總是對設備造成明顯的損壞，因此很容易被忽視。但反復過(guò)勵磁會(huì )因過(guò)熱導致絕緣老化，降低設備的使用壽命。對于500 kV系統，正常運行時(shí)頻率f基本不變，磁通密度增大的主要原因是系統電壓升高。在500千伏系統中，有許多原因可能導致干式變壓器電壓升高和過(guò)勵磁。目前在大型干式變壓器的設計中，為了節省材料，降低成本，減輕運輸重量，將鐵心的額定工作磁通密度設計得較高，約為1.7~1.8 T，接近飽和磁通密度(1.9~2 T)，因此在過(guò)電壓的情況下容易產(chǎn)生過(guò)勵磁。此外，由于磁化曲線(xiàn)相對“硬”，過(guò)勵磁時(shí)，勵磁阻抗減小，勵磁電流迅速增大。當工作磁密達到正常磁密的1.3~1.4倍時(shí)，勵磁電流可達到額定電流水平。其次，由于勵磁電流是非正弦的，含有許多高次諧波成分，鐵芯和其他金屬部件的渦流損耗與頻率的平方成正比，會(huì )造成鐵芯、金屬部件和絕緣材料嚴重過(guò)熱。如果過(guò)勵磁倍數高且持續時(shí)間過(guò)長(cháng)，干式變壓器可能會(huì )損壞。安裝干式變壓器過(guò)勵磁保護的目的是檢測干式變壓器的過(guò)勵磁情況，及時(shí)發(fā)出信號或跳閘，使干式變壓器的過(guò)勵磁不超過(guò)允許極限，防止干式變壓器因過(guò)勵磁而損壞。

1干式變壓器過(guò)勵磁容量在干式變壓器空載電流和空載損耗與過(guò)勵磁倍數n的關(guān)系中，U*和f*是電壓和頻率的標準值。出廠(chǎng)試驗數據表明，當n增加時(shí)，空載電流和空載損耗急劇增加，干式變壓器空載損耗主要集中在鐵芯和金屬部件表面，造成局部過(guò)熱或燒傷。在相同的過(guò)勵磁倍數n下，允許持續時(shí)間與干式變壓器的額定磁密、飽和磁密和磁化曲線(xiàn)形狀密切相關(guān)。額定磁密越接近飽和磁密，飽和磁化曲線(xiàn)斜率越小，相同n下允許過(guò)勵磁持續時(shí)間越短，一般廠(chǎng)家要提供兩條過(guò)勵磁曲線(xiàn)，一條是空載情況下的過(guò)勵磁曲線(xiàn)，一條是滿(mǎn)載情況下的過(guò)勵磁曲線(xiàn)。根據U=E-IZ可知，由于負荷運行時(shí)IZ的作用，干式變壓器的運行電壓會(huì )降低，過(guò)勵磁曲線(xiàn)也會(huì )降低。繼電器的過(guò)勵磁曲線(xiàn)應根據制造商提供的干式變壓器滿(mǎn)載時(shí)的過(guò)勵磁曲線(xiàn)來(lái)選擇。 #p#分頁(yè)標題#e#

2過(guò)勵磁保護的選擇原則由于系統電壓的升高和

在選擇過(guò)勵磁保護類(lèi)型時(shí)，應充分考慮繼電器反時(shí)限特性曲線(xiàn)與干式變壓器允許過(guò)勵磁曲線(xiàn)的匹配。如圖2所示，當繼電器特性曲線(xiàn)低于干式變壓器勵磁曲線(xiàn)時(shí)，繼電器可以有效地保護干式變壓器的過(guò)勵磁。如果繼電器反時(shí)限特性曲線(xiàn)與干式變壓器過(guò)勵磁曲線(xiàn)相交，說(shuō)明配合不理想。當干式變壓器過(guò)勵磁值小于交點(diǎn)時(shí)，繼電器運行時(shí)間大于干式變壓器允許運行時(shí)間，即在繼電器運行前干式變壓器可能已經(jīng)損壞。目前，浙江省新設計的500千伏干式變壓器過(guò)勵磁保護有兩套，一套是ABB公司的RET-521微機繼電器，另一套是RALK-2H集成元件繼電器。兩組繼電器都有定時(shí)和反定時(shí)功能。保護響應V/f值與干式變壓器的磁通量成正比，用于反映干式變壓器的過(guò)勵磁。本文第4節分析了RET-521和RALK-2H過(guò)勵磁繼電器的基本原理。RET-521和RALK-2H過(guò)勵磁繼電器基本能滿(mǎn)足保護干式變壓器過(guò)勵磁的要求，但有時(shí)繼電器特性不能很好地與干式變壓器過(guò)勵磁曲線(xiàn)相匹配，即保護存在死區現象。

3干式變壓器過(guò)勵磁保護的基本原理干式變壓器鐵心的工作磁密與U/f成正比，過(guò)勵磁保護就是基于這個(gè)原理[1，2]。其工作原理是繼電器的電壓初級線(xiàn)圈YH連接到母線(xiàn)電壓互感器的次級側，以反映施加到干式變壓器的電壓和頻率。YH的次級側是一個(gè)RC分壓電路，電容C兩端的電壓可見(jiàn)。電容器C上的電壓Uc明顯反映了系統V/F的比值，如果U和F分別是作用在干式變壓器端子上的電壓和頻率，那么Uc與干式變壓器的磁密成正比。逆時(shí)跳閘：當干式變壓器的過(guò)勵磁值達到逆時(shí)啟動(dòng)值時(shí)，主變壓器各側開(kāi)關(guān)通過(guò)逆時(shí)延時(shí)動(dòng)作跳閘，逆時(shí)動(dòng)作時(shí)間由公式(3)確定：由公式(3)可知，k值越大，T2越大。其中k是設定時(shí)間的倍數。V/f啟動(dòng)：反時(shí)限過(guò)勵磁跳閘啟動(dòng)值。當繼電器過(guò)勵磁值V/f大于比值時(shí)，反時(shí)限回路開(kāi)始工作，在公式(3)計算的時(shí)間后跳閘。當k取不同的值時(shí)，公式(3)描述了一組曲線(xiàn)(圖3)。對于某干式變壓器，可以選擇和改變合適的k和m值，使曲線(xiàn)給出的時(shí)間與干式變壓器過(guò)勵磁允許運行的時(shí)間很好地匹配。

4干式變壓器整體過(guò)勵磁保護

定計算及調試分析 過(guò)勵磁保護應按干式變壓器廠(chǎng)家提供的干式變壓器滿(mǎn)載情況下的過(guò)勵磁曲線(xiàn)整定，其整定原則為盡量使所調整的勵磁保護繼電器的勵磁曲線(xiàn)在干式變壓器過(guò)勵磁曲線(xiàn)的下方，即干式變壓器運行在過(guò)勵磁條件下時(shí)，勵磁保護繼電器應能以比它所能承受的更短時(shí)間可靠跳開(kāi)主變各側斷路器。同時(shí)，應該保證在正常運行條件下，干式變壓器應有一定的耐受勵磁強度的水平，所以勵磁保護繼電器的啟動(dòng)值一般整定到略大于正常的較高運行值。 以下以鳳儀變#3主變配置的ABB公司RALK-2H型繼電器為例進(jìn)行整定及調試的分析。4.1反時(shí)限過(guò)勵磁保護 從圖2可知，當干式變壓器過(guò)勵磁小于或等于1.10時(shí)，干式變壓器允許長(cháng)期連續運行，選取繼電器的啟動(dòng)值nop=1.10，即當f=fn、過(guò)電壓1.10倍時(shí)保護開(kāi)始啟動(dòng)，按互感器變比N=500 kV/100 V，因鳳儀變#3主變的一次額定電壓為510 kV，因此U/f的二次啟動(dòng)值為： 試選K=5，由式(3)可計算出保護動(dòng)作時(shí)間T2。校核n=1.20時(shí)T2=22.5 s，小于允許的持續時(shí)間1800 s（見(jiàn)表1），因T2時(shí)間遠小于允許持續時(shí)間，所以試選K=10，再校核n=1.20，T2=45s，可見(jiàn)仍遠小于允許的持續時(shí)間1800 s。因鳳儀變#3主變?yōu)槿毡緰|芝公司產(chǎn)品，過(guò)勵磁曲線(xiàn)比較高，過(guò)勵磁能力比較大，所以整定K為較大值10時(shí)仍能滿(mǎn)足它的過(guò)勵磁能力，保護動(dòng)作時(shí)間遠小于其允許時(shí)間，且有較大的余度。一般過(guò)勵磁曲線(xiàn)比較低的情況下，試選的K值可適當小一些。 過(guò)勵磁繼電器的反時(shí)限定值特性的調試較為煩瑣，有時(shí)需要反復調試多次，直到滿(mǎn)足干式變壓器滿(mǎn)載過(guò)勵磁曲線(xiàn)的要求，一般調試前應根據干式變壓器滿(mǎn)載過(guò)勵磁曲線(xiàn)先確定過(guò)勵磁繼電器的啟動(dòng)值，然后通過(guò)試算確定K值。為了超高壓干式變壓器的運行安全，先先應從廠(chǎng)家取得干式變壓器的滿(mǎn)載過(guò)勵磁曲線(xiàn)，使過(guò)勵磁保護的整定有一個(gè)實(shí)際的依據，然后再按現場(chǎng)實(shí)際調試值確定整定值。4.2定時(shí)限過(guò)勵磁保護 根據表1可知，若過(guò)勵磁倍數n 1.30時(shí)，實(shí)際整定的反時(shí)限特性曲線(xiàn)與圖2的干式變壓器過(guò)勵磁曲線(xiàn)有交叉點(diǎn)，此時(shí)完全靠反時(shí)限過(guò)勵磁保護則偏于保守。所以按實(shí)際需要還配置了定時(shí)限過(guò)勵磁保護以彌補反時(shí)限保護的這一缺陷。從表1可知，當n=1.3倍時(shí)，干式變壓器過(guò)勵磁期望時(shí)間可達60 s，但考慮到系統電壓達到1.3倍額定電壓時(shí)，系統肯定有較大的問(wèn)題出現，一般常見(jiàn)的是系統小的擾動(dòng)，而且時(shí)間不會(huì )持續很長(cháng)，定時(shí)限時(shí)間不宜太長(cháng)，故整定為n=1.30倍，t=5s時(shí)，就可達到保護干式變壓器的目的。#p#分頁(yè)標題#e#

5結語(yǔ) 1) ABB公司生產(chǎn)的RET-521和RALK-2H型過(guò)勵磁繼電器器基本上能夠滿(mǎn)足保護干式變壓器過(guò)勵磁的要求，但有時(shí)也可能出現繼電器特性不能很好地與干式變壓器過(guò)勵磁曲線(xiàn)相配合的情況，即保護存在死區現象，特別用于產(chǎn)干式變壓器，因產(chǎn)干式變壓器負載過(guò)勵磁曲線(xiàn)比較低，保護死區現象可能較突出，這就降低了RET-521和RALK-2H的性能。 2) RET-521為微機型保護，在調試上比RALK-2H集成型保護更為方便，且其曲線(xiàn)的柔性較好，更容易貼近干式變壓器的過(guò)勵磁曲線(xiàn)。 3) 目前我內尚無(wú)產(chǎn)的過(guò)勵磁保護，使用的都為進(jìn)口產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品在設計原理上存在著(zhù)一些缺陷，在運行中也存在著(zhù)一些問(wèn)題，因此研制和開(kāi)發(fā)適用于各種大型干式變壓器的過(guò)勵磁保護是專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家面臨的任務(wù)。

參考文獻

［1］王維儉(WANG Weijian).發(fā)電機干式變壓器繼電保護應用(Application of Transformer Relay Protection of Generator)［M］.北京：中電力出版社(Beijing:China Electric Power Press),1998.［2］許實(shí)章(XU Shizhang).電機學(xué)(上冊)(Electromechanics, Part One)［M］.北京：機械工業(yè)出版社(Beijing:China Machine Press),1982.

 

來(lái)源：紹興電力局