海洋石油平台变压器继电保护研究

2020-11-26李童

石油和化工设备 2020年11期

李童

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520）

变压器作为海洋平台电力系统中的主要设备，其运行是否可靠，对石油生产有着重要影响。变压器运行过程中受过电压、过电流、过负荷等多种因素干扰，应采取必要的措施进行继电保护，使设备高效率地运行。提高变压器的运行效率和电能质量，及时排除设备故障，是电力系统中的关键问题。本文探讨了变压器继电保护器配置方法，并结合实际情况分析了几种保护方案[1]。

1 变压器继电保护器装置

变压器继电保护器具有高灵活度、高精度、高容量的特点。功能丰富，保护完善，性能稳定。同时具备防尘、防水、防电磁干扰、抗震的先进性能，强大的硬件扩充能力，可根据需要扩展开入开出[1]。

图1 就地控制面板外观

2 变压器保护原理

2.1 差动保护

保护装置具有许多灵活的选项和逻辑功能，保护既可以设置启动元件，也可以选择实时计算。对于零序滤过功能各侧均可投退；对于幅值和向量自动补偿和校正。二次CT全采用星形接法，方便接线。差动保护分比率制动差动和二段差动速断保护，其中第一段差速断保护经CT饱和判别闭锁，第二段差速断保护不经任何闭锁。

对两绕组保护，差动电流与制动电流的计算式为：

对三绕组保护，差动电流与制动电流的计算式为：

（1）比率差动元件

差动保护装置的跳闸特性有两个拐点，第1个拐点与启动门槛值DIFF:If，PSx的设定有关，跳闸特性的第2个拐点由DIFF:Im，PSx的整定定义。三个不同范围的特性等式如下所述，图2表示了其跳闸特性。

0.5If＜IR≤Im范围的特性等式为：

IR＞Im范围的特性等式为：

其中：Iref为参考电流；m1为0.5If＜IR≤Im范围内的特性斜率，m2为IR＞Im范围内的特性斜率。

图2 比率差动元件动作特性

（2）差动速断元件

当差动电流在上述的可调门槛DIFF:If＞PSx之上时，将直接跳闸而不考虑谐波制动及过激磁制动；如果差动电流超过可调门槛DIFF:If＞＞PSx，也不考虑制动电流及饱和检测，而不管制动量为多少以及饱和检测器的结果如何，继电保护装置将直接去跳闸。

（3）励磁涌流、过激磁及CT饱和判别元件

对差动电流进行过滤，判别出差动电流的基波分量I(f0)及二次谐波分量I(2×f0)，如果至少有一个测量系统中的I(2×f0)/I(f0)之比超过某一可调值，则可选择下列方式之一对跳闸进行闭锁：

闭锁所有三相测量系统；有选择性地闭锁某一相测量系统。

如果差动电流超过设定的门槛值DIFF:If＞PSx，则不进行闭锁。

对于过激磁判别，继电保护装置检测出基波分量I(f0)及5次谐波分量I(5×f0)，如果其中一个测量系统中的变比I(5×f0)/I(f0)超过设定值I(5×f0)/I(f0) PSx且制动电流小于4Iref，则可以有选择性地闭锁测量系统的跳闸。

对于CT饱和判别，在制动电流每次过零点时，由饱和检测器监视差动电流发生的时间。对内部故障，差动电流随着制动电流一起在过零点后出现。但是，在变换器饱和时的电流流通情况中，只有在变换器开始饱和才出现有差动电流。因此，根据与制动电流的比较，监视差动电流的值，相应地产生一个闭锁信号，以实现所希望的穿越性电流制动。当检测到外部故障时，对测量系统施加闭锁限制。

如果差动电流超过设定的门槛值DIFF:If＞＞PSx，则不进行闭锁[2]。

2.2 零序差动保护

每个变压器绕组可以有一个零序差动保护，最多可以三侧均有一个零序差动保护，继电保护装置对某一零序差动保护功能相关的绕组进行显示。零序差动保护功能所连接的绕组及动作的绕组用绕组代号表示，如“a”，同样的考虑方式也使用于绕组“b”和“c”。

零序差动保护基于比较相关变压器绕组的相电流矢量和IN与中性点电流IY0继电保护装置生成相电流的矢量和。保护装置根据标称容量自动作幅值补偿。

继电保护装置将得到的幅值匹配电流IN及IY按下式计算出差动电流及制动电流：

另外，差动电流等式适用于保护对象有相对统一定义电流方向的情况下，即两个电流均指向保护对象或均离开保护对象。

零序差动保护功能的跳闸特性，特性等式如下：

其中IfNa:If＞PSx整定值：

图3 零序差动保护跳闸特性

2.3 定时限过流保护

在继电保护装置中实现有三个定时限过流保护功能（DTOC1、DTOC2及DTOC3）。可将每一个定时限过流保护用于变压器的其中一侧或用于由用户选择的变压器其中两侧电流之和构成的虚拟侧。

对每一DTOC功能，有一个整定参量以用于用户分配。于是DTOC功能就可监视所选择的相电流、负序电流及零序电流。

继电保护装置用三段功能监视三相电流、负序电流和零序电流，以检测其何时超过其设定的门槛。另外，可以激活两个不同的门槛值类型。在设定的保持时间内激活门槛值；当保持时间不运行时，激活门槛值，如果相应电流超过设定的门槛值，则启动定时段。一旦这些定时段计时到，就发出一个跳闸信号。可通过相应配置的二进制信号输入闭锁该定时段。DTOC功能的第一段可选择由差动保护的涌流制动功能进行闭锁。

另外，过流保护设置了一个总启动信号，如果电流超过其中一个相电流段的门槛值，就发出一个总启动的判别信号。用户可选择在总启动判别中是否考虑零序电流段。总启动触发一个定时段，在该定时段计时到后发出一个信号[3]。

2.4 反时限过流保护

在继电保护装置中实现有三个反时限过流保护功能（IDMT1、IDMT2及IDMT3）。可将每一个反时限过流保护用于变压器的其中一侧或用于由用户选择的变压器其中两侧电流之和构成的虚拟侧。

对每一IDMT功能，有一个整定参量以用于用户分配。于是IDMT功能就可监视所选择的相电流、负序电流及零序电流，实现反时限过流，负序过流及零序过流保护。

IDMT保护功能可选择由差动保护的涌流制动功能进行闭锁。

可通过相应配置的二进制信号输入闭锁反时限段。另外，根据设定，对单相或多相启动可自动闭锁反时限段。

反时限过流保护设置了一个总启动信号，如果一相电流超过1.05倍的设定参考电流，就发出一个总启动的判别信号。用户可选择在总启动判别中是否考虑零序电流段。总启动触发一个定时段，在该定时段计时到后发出一个信号。

2.5 热过负荷保护

THRM1设计用作变压器的热过负荷保护。可在所有产品系列装置中具有该功能，有相同整定选项的第二个功能THRM2。

对两个功能中的每一种，均可选择所保护的变压器侧、温度采集的测量输入及跳闸特性。所保护的变压器侧选项包括：a侧、b侧、c侧或d侧。可进一步选择由用户选择的变压器其中两侧电流之和构成的虚拟侧。

功能THRM2可分配给变压器弱点源侧或两个弱电源侧构成的一个组合，带有功能THRM2相应的跳闸特性选择。

按照IEC255-8，用所选变压器测的最大相电流IPmax.y来跟踪一阶模型的热映像特性。

保护对象的温度由IPmax.y计算出，并在THRM1上进行显示，冷却器的温度也可通过PT100输入或通过20mA输入测量，或者使用缺省的温度值，其选择由THRM1设定进行控制。所得到的冷却器温度的菜单显示点为THRM1，保护对象所允许的最大温度设定与冷却器所允许的最大温度之差值可在THRM1上显示出。

跳闸特性由下列等式定义：