大型自耦变压器零差保护接线的改进

大型自耦变压器零差保护接线的改进华北电力设计院朱湛深徐文懿内容提要：本文以神头电厂装设的单相自耦变压器，介绍了零差保护的接线特点，制动电流的选取及其运行经验。神头第一发电三期扩建工程装设了三台由日立公司供货的360／3MVA单相自耦变。O－Y／△连接（500／3）／（220／3）／35kV，作为500／220kV系统的联络变压器。由于变压器为单相自耦变，变压器内部发生的故障主要是单相接地故障。为此，根据500kV系统保护双重化的要求，联变主保护除配置两套纵差作为相间短路保护外，还利用自耦变本身的套管电流互感器10P20铁芯配置了一套零序差动保护，作为自耦变单相接地故障的主保护，并对老的零差保护接线进行了改进，从而大大提高了保护装置对接地故障的灵敏度和动作可靠性。保护装置已经受了两年多的运行考验，动作正确。现将本工程零差保护的接线特点、制动电流的选取及进行情况等简介如下。一、原来的自耦变零差保护接线存在的问题原来的自耦变零差保护接线如图1所示，它由高压侧、中压侧及公共绕组（中性点侧）的零序电流滤过器接成差动回路，差动继电器将反应三侧零序电流的向量和而动作。当变压器内部发生故障时，流入差动继电器的电流为故障点零序电流的总和，而与中性点侧的零序电流的方向无关。但是这种零差保护整定值必须按下列条件整定。1、躲过外部接地短路的最大不平衡电流Idz＝KKKiIkzd1式中：KK——可靠系数，取1.3～1.5；Ki——电流互感器容许的最大相对误差，取10%；Ikzd1——最大外部单相短路电流。据分析，一般在中压侧发生接地故障时，流经中压侧的短路电流最大，但具体应与高压侧相比。2、躲过变压器空载投入时励磁涌流产生的不平衡电流Idz＝KK（nnGZGZ1）Iez式中：KK——可靠系数，取1.3～1.5；nnGZGZ1——自耦变公共绕组的容量系数；nGZ——自耦变高压对中压之变比。Iez——自耦变最大容量下的额定电流，应取中压侧的额定电流。3、躲过电流互感器二次回路断线Idz＝KK·Iez4、躲过外部三相短路时的最大不平衡电流C.B.A.c.b.a.Gc.Gb.Ga.I-I中性点侧高压侧中压侧单相自耦变图1　原来的自耦变零差保护接线Idz＝KK·Ki·Ikzd3式中：KK——可靠系数，取1.3～1.5；Ki——取0.1；Ikzd3——最大外部三相短路电流。在最不利的情况下，外部三相短路时各侧零序不平衡电流以向量和的形式出现在差回路中，而和值可能大于各侧的零序不平衡电流，此时，即使用零序制动的方式也无法解决，而必须用整定值来躲过此不平衡电流。不难看出，这种零差接线的保护整定值大于额定值，而可能达到1.3～1.5Iez，甚至更大，这就大大降低了零差保护对单相接地故障的灵敏度和动作可靠性，尤其对500／220KV系统中的大型自耦变，将失去装设这种零差保护的意义。二、对自耦变零差保护接线的改进由于零差是对自耦变高中压绕组的接地故障进行保护的装置，而自耦变高压绕组和中压绕组具有电气上的直接联系和共同的接地中性点，并要求直接接地。因此，在发生单相接地故障时，短路电流在各绕组和中性点的分布与普通变压器不同，有其本身的特点，本工程对零差保护的接线进行了改进，如图所示。其接线特点如下。1、如上所述，由于自耦变高中压绕组间具有电气上的直接联系，因此，零差保护用电流互感器需选用同一变比，为了减少电流互感器特性不一致所引起的误差，采用同型同级铁芯。高压侧（500kV）1200/1A，套管10P20中压侧（220kV）2400/2A，套管10P20中性点侧1200/1A，套管10P202、制动回路。选择高中压侧IA＋Ic，IB＋Ia，IC＋Ib作为各类区外故障时的制动电流。其中，IA、IB、IC为高压侧各相电流，Ia、Ib、Ic为中压侧各相电流。3、差动回路是由高中压侧及中性点侧分别接成零序滤过器的电流互感器二次回路再差接而成的。4、保护装置是采用JCD－4A型差动保护，利用其电流输入回路稍加改接而成的。保护还配置了差动速断部分，可投入亦可退出运行。三、改进后的零差保护制动电流的选取为了提高零差保护的动作可靠性，保护必须具有制动特性，但自耦变零差保护的制动电流应如何选取才能保证保护在发生各类外部故障、空载投入、电流互感器二次回路断线时能可靠制动，并能达到最佳制动效果。下面将对发生内部单相短路时保护如何能可靠地动作进行分析。C.B.A.c.b.a.Gc.Gb.Ga.中性点侧500kV侧220kV侧图2　神头－电厂500／220KV联络变零差保护接线IC+Ib..IB+Ia..IA+Ic.............动作电压动作电压速断制动电压差动JCD－4A2400／2A10P201200／1A10P201200／1A10P201、外部发生单相接地短路时自耦变各绕组中零序电流的分析外部发生相间短路时，O－Y／△自耦变与普通变压器一样，但发生单相接地短路时，其零序电流的分布却完全不同。其零序电流的分析及零序等效网络示于图3。根据零序等效网络可分析如下。(1)中压侧母线发生单相接地（见图3b）GOI′＝nGZGOI＝xxxxDOGOsmoDOZOI式中nGZ——自耦变高中压变比。ZXI＝3GGOI＝3（ZOI－GOI）＝3ZOI[1－)(xxxnxDOGOsmoDOGZ]IGO.IZO.XsmoXGoXDoXsnoXzoUKO.OIDO.MN500KV220KVIGO.IGGO.IZO.IDO.ZIGO'.IZO.ZXsmoXGoXDoXsnoXzoUKO.GOIzx.(a)接线图(b)中压侧母线发生单相接地IDO'.零序电流分布零序等效网络IGO.IGGO.IZO.IDO.Izx.零序电流分布G零序等效网络(c)高压侧母线发生单相接地图3XGO、XZO、XDO分别为自耦变高、中、低压侧零序电抗；Xsmo、Xsno分别为M、N侧系统零序阻抗；IGO'、IZO、IDO'为折算到中压侧的高、中、低压侧零序电流；IGO、IZO、IDO、IGGO为高、中、低压公共绕组零序电流。.......＝3ZOI))1()((xxxnnxxxnDOGOsmoGZDOGOsmoGZGZ由于nGZ＞1，所以中性点的零序电流XZOI公共绕组的零序电流GGOI恒与短路点电流ZOI同向，此时，最大外部单相短路零序电流在中压侧。(2)高压侧母线发生单相接地（见图3c）0ZI＝GOI′xxxxDOZOsnoDO＝GOInGZxxxxDOZOsnoDOZXI＝3GGOI＝3（GOI－ZOI）＝3GOIxxxxxxDOZOsnoDOzosno)1-n(GZ从上式可知，ZXI、GGOI不可能恒与短路点零序电流GOI同向了。当xxxzosnoDO)1-n(GZ时，ZXI，GGOI与GOI同向，最大零序电流在高压侧；当xxxzosnoDO)1-n(GZ时，短路的高压侧零序电流GOI反而比非短路的中压侧零序电流0ZI小，公共绕组电流GGOI、中性点电流ZXI与短路点电流GOI方向相反，当xxxzosnoDO)1-n(GZ时，ZXI＝0。也就是说，当自耦变压器高压侧接地短路时，中性点电流ZXI的大小将随着中压侧系统零序阻抗Xsno的变化而变化，有时甚至等于零。当电抗参数由xxxzosnoDO)1-n(GZ变为xxxzosnoDO)1-n(GZ时，中性点电流的相位亦将改变180°。由此可得出(1)不能选取中性点侧（即公共绕组）的零序电流作为制动电流，因为此电流ZXI＝3GGOI，其大小、方向随外部单相短路点的不同及中压侧系统零序阻抗的变化而变化，有时等于零。(2)同理还可知，自耦变的零序电流保护不能象普通变压器那样，装设在变压器中性线的零序电流互感器上，而应分别装设在高中压侧，并且应具有方向性，以保证保护动作的选择性。该零序方向保护与系统零序保护相配合，作为母线及系统单相接地短路的后备保护。2、外部发生各类故障时，自耦变高、中压侧短路电流的分析从分析原来的零差保护接线可知，在最不利的情况下，外部三相短路时各侧零序不平衡电流的向量和可能大于某侧零序不平衡电流，因此，也不能选取高中压侧的零序电流来作为制动电流。下面我们将分析在外部发生各类故障时，高中压侧绕组中的相电流。从图4（a）（b）（c）短路电流分布及向量图可知，选取高中压侧相电流的向量和IA＋Ic，IB＋Ia，IC＋Ib作为制动电流比选取某一侧（如高压侧或中压侧）的相电流作为制动电流所得到的制动电压大，其制动效果为最佳。现分析如下。(1)当外部发生三相短路时。如图4（a）所示。制动回路。由于是三相对称性故障，三相制动电流分别为IA＋Ic，IB＋Ia，IC＋Ib，它们在制动侧产生的制动电压基本上三相是均衡的。差动回路。回路中流过的是三相短路时的不平衡电流。ICD＝KiIKZd3＝Ki·IA＝0.1·IA制动电流IZD＝IA＋Ic（IB＋Ia，IC＋Ib）＞＞ICD，保护可靠制动。(2)当外部发生两相短路时，如图4（b）所示。制动回路。IA＋Ic＝IA，IB＋Ia，IC＋Ib＝Ib，以IB＋Ia产生的制动电压为最大，IZD＝IB＋Ia。差动回路。回路中流过的是二相短路时的不平衡电流：ICD＝KiIKZd2＝Ki·IA＝0.1·IAIZD＝IB＋Ia＞＞ICD＝0.1·IA（两相短路IA与IB大小相等，方向相反），保护可靠制动。(3)当外部发生单相接地短路时，如图4（c）所示（取中压侧A相）（忽略负荷电流）。制动回路。IA＋Ic＝IA，IB＋Ia＝Ia，IC＋Ib≈0，以IZD＝IB＋Ia＝Ia产生的制动电压为最大。差动回路。回路中流过的是单相短路时的不平衡电流：ICD＝KiIKZd1＝Ki·Ia＝0.1·IaIZD＝IB＋Ia＝Ia＞＞ICD＝0.1·Ia，保护可靠制动。3、自耦变内部发生单相接地故障时，各侧短路电流的分析，如图4（d）所示。制动回路。IA＋Ic＝IA，IB＋Ia＝Ia，IC＋Ib≈0，制动电流IZD＝IB＋Ia＝Ia。差动回路。回路中流过的是二相短路时的不平衡电流：ICD＝IA＋Ia＋IGa为故障点单相接地电流之和，ICD＝IA＋Ia＋IGa＞＞IZD＝IB＋Ia＝Ia，能保证保护可靠动作。因零差保护主要保护自耦变内部单相接地故障，且零差保护所用电流互感器为单相自耦变的套管型电流互感器，这里就不再分析其内部三相和两相短路及两相接地短路了。4、当变压器由高压侧或中压侧空载投入时，其空载励磁涌流产生的不平衡电流都可由某相电流实现可靠的制动，另外，JCD－4A间断角原理构成的差动保护也具有较好的躲过励磁涌流的特性。5、电流互感器二次回路断线后流入差回路的为断线相相电流，而制动电流为高中压侧相电流之向量和，保护可靠制动。6、不管自耦变调压分接头（在中压侧）如何变动，由于自耦变各侧电流是平衡的，各侧电流互感器变比是相同的，因此，各侧零序电流之和恒等于零，△U不会在差回路中产生不平衡电流。从上分析可知，改进后的自耦变零差保护接线所选取的制动电流符合要求，并能达到最佳制动效果。四、改进后的自耦变零差保护整定值及灵敏度由于改进后的零差保护接线在外部发生任何种类故障、空载投入、电流互感器二次回路断线，保护均能可靠制动，因此，其整定值可按下列条件整定。IDZ＝KK·Ki·IEZ＝0.13～0.15IEZ式中：IEZ——自耦变额定电流，取中压侧额定电流。保护灵敏度为Km＝IIDZzdkmin1＝Iezmin10.15~0.13Izdk式中：Ik·zd1min——自耦变内部单相接地短路时流入差回路的最小零序总电流。从自耦变各绕组零序电流分析可知，这种短路一般应选在高压侧，但具体应与中压侧比较之。因整定值很低，保护灵敏度很高。保护制动系