自耦变压器零序差动保护问题_孙集伟

3I Z0
1-
X D0 nGZ ( X SM0 + X G0 +
X D0 )
=
3I Z0
n GZ
( X SM 0 + nG Z( X
X
SM0
G0
+
)
+ X
X D0 G0 +
( nG Z X D0 )
1) ( 2)
46
其中 nG Z = UG /UZ ,为自耦变压器高、中压变比 ;
IZ0 为中压侧 (短路点 ) 的零序电流 ; I ZX 为中
构成自耦变压器的零序差动保护。 当变压器内部发
生接地故障时 ,流入差动继电器的电流为故障点零
序电流的总和 ,与中性点的零序电流方向无关 ,差动 继电器将反应 3侧的零序电流相量和而动作。 这种
零序差动保护的最大特点是接线简单 ,但必须按下 列条件取最大值来整定 [1 ]。
a. 躲过外部接地短路的最大不平衡电流:
自耦变压器的零序电流方向保护很难保证选择 性 ,而相间差动保护由于其特有的接线形式使其对 于接地故障的灵敏度降低。 在这种情况下 ,不言而 喻 ,快速的、有较高灵敏度的零序差动保护对于自耦 变压器是十分必要的。
2 较简单的自耦变压器零序差动保护
最初提出的自耦变压器零序差动保护的方案如
图 4所示。它利用高、中压侧和公共绕组的电流互感 器分别形成各自的零序电流滤波器 ,然后差接起来 ,
但是 ,由于国内各厂家均没有专门用于自耦变 压器的零序差动保护产品 ,因此 ,在实际工程中通常 借用普通变压器的相间差动保护来构成自耦变压器 的零序差动保护。在此情况下 ,改进后的自耦变压器 零序差动保护的电流差回路只能接在保护盘外 (即 在 T A端子箱内 ,将各电流回路按上述要求接成差 动回路 ) ,这样就带来两个问题:
众所周知 ,自耦变压器与普通变压器的功率传 递方式不尽相同 ,在普通变压器中 ,高、中压线圈之 间没有电的联系 ,全部是由电磁感应的作用进行功 率传递的 ,而在自耦变压器中 ,高、中压线圈之间有 电的联系 ,其功率传递除一部分是靠电磁感应的作 用外 ,另一部分则是靠电的直接传导传递的 ;并且由 自耦变压器的原理、结构所定 ,其高、中压侧的中性 点必须连在一起 ,且同时接地。这是自耦变压器与普 通变压器的主要差异 [2 ]。在超高压系统中 ,大多数大 容量的自耦变压器都是分相式。显而易见 ,对于分相 式的自耦变压器而言 ,其内部发生接地故障的概率 远大于相间故障 ,因此 ,对于自耦变压器的接地故障 必须有高可靠系数的零序保护。
1999年 6月 Aut电o m a t力io n o系f Ele统ct ric自P ow动er S化y stems 第 23卷 第 11期
45
自耦变压器零序差动保护问题
孙集伟
(华北电力调度局 100053 北京 )
摘 要 根据自耦变压器的特性 ,分析了自耦变压器发生区内、区外接地故障时的故障电流 ,讨论 了 3种形式的自耦变压器零序差动保护的优、缺点 ,并提出改进建议 ,对促进变压器零序差动保护 的推广应用和巨型自耦变压器零序差动保护灵敏度的提高有实际意义。
( 6)
式中 Ik3hmax 为最大外部三相短路电流。 c. 躲过变压器空载合闸时零序差动保护的不
平衡电流:
Idz 取 ( 0. 3～ 0. 4) Ie
( 7)
d. 躲过电流互感器二次回路断线所产生的差
电流:
Idz = Kk Ie
( 8)
显而易见 ,变压器外部发生三相短路时各侧零
序不平衡电流以相量和的形式出现在差回路中 ,而 在最不利的情况下 ,零序不平衡电流的和值所产生 的差电流可能大于各侧的零序不平衡电流。 为躲过
流 IGG0 与图中所标的方向相同 ;而当 X SN 0 + X Z0 <
( nGZ - 1) X D0 时 ,自耦变压器中性点电流 IZX 和公共 绕组中的零序电流 IGG0 均与图中所标的方向相反。 即: 当自耦变压器高压侧发生接地短路时 ,中性点的 零序电流 IZX 和公共绕组中的零序电流 IG G0 不可能
电流 Ia , Ib , Ic 分别组合成 I A + Ic , IB + Ia , IC + Ib 后 ,取最大值乘以系数 K Z (一般在 0. 5左右 )作为制 动量 ,高、中压侧各相电流与公共绕组各相电流差接 后得到的零序电流作为动作量。
下面对改进后的自耦变压器零序差动保护在区 内、外故障时的动作行为进行分析 [3 ]。 3. 1 外部三相短路时
when single phase ground f ault occurs outside of the protected zone at medium voltage side
I G0′= nGZ
IG0 =
X SM0 +
X D0 X G0 +
X D0 IZ0
( 1)
IZX = 3IGG0 = 3( IZ0 - IG0 ) =
衡电流。由于两相短路故障时 ,发生故障的两相电流 大小相等 ,方向相反 ,所以
ICD = K i I K = 0. 1Ih
( 10)
同样 ,制动量远大于动作量 ,保护不会误动作。
3. 3 外部 A相短路时
制动回路: 由于是 A相故障 ,三相制动电流中
以 IB+ Ia , IA + Ic (实际上是 IA 和 Ia ) 中的较大者起
1-
n GZX D0 X SN 0 + X Z0 +
X D0 =
3I G0
X
SN 0 + X Z0 X SN 0 +
X
( nGZ Z0 +
X
1)
D0
X
D0
( 4)
式中 X Z0 为自耦变压器中压侧的零序电抗 ; X SN 0 为中压侧的系统零序阻抗。
由 上 述 推 导 可 以 看 出: 如 果 X SN 0 + X Z0 > ( nGZ - 1) X D0 , 则当自耦变压器高压侧发生区外单 相 接地故障时 ,中性点电流 IZX、公共绕组的零序电
差动回路: 进入差动回路的是三相短路时的不 平衡电流 ,
ICD = K i I K = 0. 1IA
( 9)
很明显 ,制动量远大于动作量 ,保护不会误动作。
3. 2 外部 AB两相短路时
制动回路: 由于是 AB两相故障 ,三相制动电流
中以 I B + Ia 最大 ,起主要的制动作用。 差动回路: 进入差动回路的是两相短路的不平
此不平衡电流 ,零序差动保护的整定值将大于额定 电流值 ,可能达到 1. 3Ie ～ 1. 5Ie , 甚至更大。无疑将
大大降低零序差动保护对变压器接地故障的灵敏度
和可靠性。尤其是对于大型自耦变压器 ,将失去装设 零序差动保护的意义。
3 改进后的自耦变压器零序 差动保护
为克服上述不足之处 ,自耦变压器零序差动保 护可采用图 5接线形式。 应选用带比率制动特性的 变压器保护 ,将高压侧相电流 I A , IB , I C 及中压侧相
1 自耦变压器单相接地故障 时的电流分析
为了更清楚地说明自耦变压器的特殊性 ,首先 可以利用图 1中 500 kV /220 kV 自耦变压器作为 原型 ,对其中压侧、高压侧发生区外接地故障时的零 序电流分布进行分析。
a. 当自耦变压器的中压侧发生区外接地故障 时 ,对折合到中压侧的零序等效电路 (如图 2)进行 分析 ,可以得到式 ( 1)、式 ( 2)。
· 方案与设计· 孙集伟 自耦变压器零序差 动保护问题
47
图 4 简单的自耦变压器零序差动保护 Fig. 4 Simple zero-sequence current
diff erential protection of autotransf ormer
Idz = K k K ap K i Ik3hmax
主要的制动作用。
差动回路: 应该是故障相高、中压侧和公共绕组
故障电流的向量和 ,
ICD = IA + Ia + IGa
( 12)
48
因 I CD K ZI A (或 Ia ) , 保护能够可靠动作。 改进后的自耦变压器零序差动保护由于增加了
比率制动部分 ,使得差动保护的动作定值大大降低 , 因而提高了自耦变压器内部发生接地故障时保护的 灵敏度。
of the protected zone at high voltage side
IZ0 =
IG0′X SN 0 +
X D0 X Z0 +
X D0 =
nG Z
I G0 X SN 0 +
X D0 X Z0 +
X
D0
( 3)
I ZX = 3I GG0 = 3( IG0 - I Z0 ) =
3I G0
Idz = K k K ap K i Ikhmax
( 5)Βιβλιοθήκη Baidu
式中 K k 为可靠系数 ,一般取 1. 3; Kap 为非周期分
量系数 ,一般取 1. 5～ 2. 0; Ki 为电流互感器
允许的最大误差 , 一般取 0. 1; Ikhmax 为最大 外部单相短路电流。
b. 躲过外部三相短路时的最大不平衡电流:
1 99 9-03-08 收稿。
500 kV 220 kV
M
N
图 1 自耦变压器主接线图 Fig. 1 Connection diagram of autotransformer
图 2 自耦变压器中压侧区外单相短路电流分析 Fig. 2 Current analysis of autotransformer
恒与短路点电流 IG0 同向 ,而是随着中压侧系统阻抗
X SN 0 的不同 ,自耦变压器中性点电流 IZX 的大小及方 向也是不同的。尤其值得注意的是: 当 X SN 0 + X Z0 =
( nGZ - 1) X D0 时 , IZX = 0。 由此可以得到这样一个结论: 在自耦变压器的
高压侧发生区外故障时 ,其中性点的零序电流与中 压侧的系统阻抗有相当大的关系 ,不能明确地反映 故障的方向和故障的严重程度。因此 ,自耦变压器不 宜像普通变压器那样选用由中性点的电 流互感器 ( T A)构成的零序电流方向保护 ,否则很难保证其选 择性 [1, 3 ]。
性点提供的零序电流 ; IGG0 为自耦变压器公
共绕组中的零序电流 ; IG0 为自耦变压器高
压侧零序电流 ; IG0′为折合到中压侧的高压 侧 零 序电 流 ; X G0 , X D0 分 别 为自 耦 变压 器 高、低压侧的零序电抗 ; X SM 0 为自耦变压器 高压侧的系统零序阻抗。 由 上述推导可以看出 ,因为 nG Z > 1,所以在自 耦变压器中压侧发生区外单相接地故障时 , 自耦变 压器的各侧 (包括中性点 ) 均有零序电流存在。中压 侧零序电流 IZ0 肯定大于高压侧零序电流 I G0 ,且自 耦变压器中性点的零序电流 IZX、公共绕组的零序电
主要的制动作用。
差动回路: 进入差回路的是外部单相短路时的 不平衡电流 ,
ICD = K i IK = 0. 1I
( 11)
其中 I 取 IA 或 Ia 两者中较大者。
同样 ,制动量远大于动作量 ,保护不会误动作。
3. 4 内部发生 A相接地故障时
制动回路: 由于是 A相故障 ,三相制动电流中
以 IB+ Ia , IA + Ic (实际上是 IA 和 Ia ) 中的较大者起
关键词 自耦变压器 接地故障 差动保护
分类号 T M 772
0 引言
在超高压电力系统中 ,自耦变压器因体积小、效 率高、用材省等优点而得到了广泛应用。在为自耦变 压器配置保护时 ,其相间差动保护、匝间保护、瓦斯 保护及相间后备保护与普通变压器基本相同 ,一般 不需作特殊考虑 ,但其零序保护及过负荷保护却有 着不同于普通变压器保护的特点。对于过负荷保护 , 曾 有许 多专 家及 工程 技 术人 员进 行 过大 量 的论 述 [1 ] ,本文将主要讨论自耦变压器的零序差动保护。
制动回路: 由于是三相对称性故障 ,三相制动电
图 5 改进后的自耦变压器零序差动保护原理图 Fig. 5 Improved zero-sequence current
dif f erential protect ion of autotransformer
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是均衡的。
流 I GG0 恒与短路点电流 IZ0 同向 ,即 I ZX , I GG0 的方向 与自耦变压器本身的阻抗以及系统阻抗无关。
b. 当自耦变压器的高压侧发生区外接地故障 时 ,对折合到中压侧的零序等效电路 (见图 3)进行 分析 ,可以得到式 ( 3)、式 ( 4)。
图 3 自 耦变压器高压侧区外单相短路电流分析 Fig. 3 Current analysis of autotransf ormer when single phase ground fault occurs outside