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牵引变压器差动保护不平衡电流分析

2021-03-29

电气化铁道 2021年1期
关键词:差动励磁互感器

宋 博

0 引言

牵引变压器差动保护为牵引变压器的主保护,其原理要求适当选择两侧电流互感器变比并正确设置,正常运行时,流入差动保护电流回路的不平衡电流应为零。但由于牵引变压器两侧绕组接线方式不同、分接头调整、励磁涌流、电流互感器计算变比与牵引变压器实际变比不同、传变误差等因素的影响,在正常运行或发生区外故障时,可能在牵引变压器差动保护电流回路中产生较大的不平衡电流。

1 不平衡电流产生原因分析

1.1 牵引变压器两侧绕组接线方式不同

Y/△-11 为牵引变压器常用接线方式之一,见图1。该接线方式其△接线侧线电流为相电流的矢量差,线电流幅值为相电流幅值的倍,两者相位相差30°,Y/△接线两侧对应相电流相位相同,即两侧线电流相位也相差30°,见式(1)。此时,如果两侧的电流互感器仍均采用通常的Y形接线方式(即两侧接线方式相同),则即使电流互感器二次电流的幅值相同,但由于相位不同,也会在差动保护电流回路中产生不平衡电流。

图1 Y/Δ-11 接线示意图

1.2 牵引变压器分接头位置的调整

牵引变压器常规配置5 个分接位置,电压调整范围一般为±5%,分接头位置调整的实质为改变牵引变压器的变比。牵引变压器差动保护装置的参数通常按额定分接位置的变比设置。因调整接触网电压需要,调整牵引变压器分接头位置的情况时有发生,调整后其变比改变。若此时差动保护参数设置未随之进行重新配置,就会在差动保护电流回路中产生不平衡电流,产生的不平衡电流与电压调整范围有关,电压调整范围越大,不平衡电流越大,以(220±2×2.5%)/27.5 kV 单相牵引变压器为例进行分析,如表1 所示。

1.3 电流互感器计算变比与牵引变压器实际变比不同

由于电流互感器、牵引变压器存在变比造成电流值转换,正常运行时牵引变压器两侧电流值是不相等的。为了满足正常运行或区外故障时流入差动保护电流回路的不平衡电流为零,须使牵引变压器两侧电流互感器变比的比值等于变压器的变比,即满足式(2)。但是,实际应用中电流互感器和变压器的变比均为根据产品目录选取的标准变比,很难满足上述要求,从而造成不平衡电流的产生。

表1 220 kV 单相牵引变压器分接头位置调整产生的不平衡电流

式中:nTH为牵引变压器高压侧TA变比;nTL为牵引变压器低压侧TA变比;WH为牵引变压器高压侧匝数;WL为牵引变压器低压侧匝数。

1.4 两侧电流互感器传变误差

电流互感器电流传变模型见图2。

图2 电流互感器电流传变模型

1.4.1 稳态不平衡电流

对图2 所示传变模型进行分析可知,电流互感器传变准确性受电流互感器励磁特性影响。在考虑电流互感器励磁电流的条件下,牵引变压器两侧不平衡电流计算式(假设平衡系数为1)为

通过式(3)可以得出,正常运行时牵引变压器两侧不平衡电流与两侧电流互感器励磁电流差值成正比。由于牵引变压器两侧的额定电压等级不同,通常情况下装设在两侧的电流互感器型号参数也不相同,励磁特性差别较大,即励磁电流差值较大,从而产生较大不平衡电流。

1.4.2 暂态不平衡电流

发生外部故障时,短路电流中含有非周期暂态分量,是低频分量,并按一定的时间常数衰减,大部分流经图2 中的励磁支路,增加了电流互感器的传变误差,导致不平衡电流增大。

可见,即使牵引变压器两侧电流互感器的变比符合要求,在正常运行或发生区外故障时,流入差动保护电流回路的不平衡电流也不为零。

1.5 牵引变压器励磁涌流

牵引变压器空载合闸或外部故障切除恢复正常供电时,可能产生非常大的励磁涌流,往往能够达到额定电流大小的6~8 倍,甚至高达数十倍。由于励磁涌流只流入牵引变压器电源侧绕组,即传变到差动保护电流回路中的励磁涌流只单侧流入,全部形成不平衡电流,如图3 所示。因此,励磁涌流是产生差动保护不平衡电流的最主要原因。

图3 牵引变压器差动保护电流回路原理

2 减小不平衡电流影响的措施

2.1 牵引变压器两侧绕组接线方式不同产生的不平衡电流

2.1.1 相位补偿法

相位补偿法即改变牵引变压器两侧电流互感器二次接线方式。Y 接线侧绕组TA 二次采用△接线,△接线侧绕组TA 二次采用Y 接线,则Y 接线侧绕组TA 二次侧输出移相30°与△接线侧绕组TA 二次输出相位一致。但改变TA 二次接线方式后,Y 接线侧绕组TA 二次侧输出电流增大了倍,此时必须将该侧TA 的变比扩大倍,以减小二次电流,使之与△接线侧绕组TA 二次输出电流相等。

2.1.2 软件计算补偿法

牵引变压器保护微机化后,使软件计算补偿具备了可行性。微机化后,牵引变压器的两侧TA 二次接线均可接成Y 形,利用软件对两侧电流进行相位补偿和幅值补偿。

2.2 牵引变压器分接头位置调整产生的不平衡电流

由上述原因分析可知,牵引变压器分接头位置调整产生不平衡电流的根本原因为分接头位置调整后改变了牵引变压器的电压比,而保护装置参数配置未进行相应更改。保护装置在计算差动电流时仍按额定分接电压比计算,从而形成不平衡电流。牵引变压器分接开关分为无载分接和有载分接。无载分接调整分接头位置时须牵引变压器退出运行,改变分接头位置后,只需保护装置对应更改配置参数,能够有效消除因调整分接头位置产生的不平衡电流。有载分接调整分接头位置时,牵引变压器仍保持正常运行,可采取增大动作电流门槛值的措施减小不平衡电流的影响。

2.3 电流互感器计算变比与牵引变压器实际变比不同产生的不平衡电流

在微机保护中,补偿因电流互感器计算变比与牵引变压器实际变比不同产生的不平衡电流,可通过对电流互感器变比与牵引变压器变比进行关联计算,得出一个平衡系数KPH,见式(4),配置到差动保护装置中,使牵引变压器两侧流入差动保护电流回路的不平衡电流近似为零。

2.4 两侧电流互感器传变误差产生的不平衡电流

(1)减少由电流互感器传变误差产生的稳态不平衡电流,主要可采取以下措施:a.尽可能使用同型号、励磁性能相近或相同的电流互感器,使得两侧电流互感器的磁化曲线尽量相同,以减小不平衡电流;b.减小电流互感器二次负载的阻抗并使两侧二次负载的阻抗相同,可以降低铁心的饱和程度,也相应地减少了不平衡电流;c.适当增大电流互感器的变比nT。电流互感器二次阻抗Z2折算到一次侧的等效阻抗为Z2/nT2,见式(5)。一次额定电流相同情况下,如果采用二次侧额定电流为1 A的电流互感器,等效阻抗可以减小到额定电流为5 A时的1/25。

(2)减少由电流互感器传变误差产生的暂态不平衡电流主要有两方面措施:a.选用具有较好暂态传变特性的电流互感器;b.适当增大保护动作电流门槛值。

2.5 牵引变压器励磁涌流产生的不平衡电流

如图4 所示,牵引变压器的励磁涌流有以下几个特点:(1)含有数值很大的谐波分量(主要是二次和三次谐波),且主要为偶次谐波;(2)波形中含有很大的非周期分量,波形完全偏离时间轴的一侧,并且出现间断;(3)励磁涌流的衰减常数与铁心的饱和程度有关,饱和程度越深,衰减越快,在开始瞬间衰减很快,以后逐渐减慢。

图4 牵引变压器励磁涌流典型波形

减少励磁涌流的主要措施:在牵引变压器低压侧并联电容器;控制三相开关合闸时间。在牵引变压器低压侧并联合适的电容器需要对牵引变压器的励磁特性进行精确模拟,得到一个真实的牵引变压器励磁特性是比较困难的,控制开关合闸时间的技术潜力较大,但目前技术仍不成熟。上述2 种方法目前均未投入实际应用。

鉴于减少励磁涌流的措施实施比较困难,只能采取抑制励磁涌流影响的方法。应用于牵引变压器的励磁涌流抑制方法主要是利用二次谐波制动原理,其原理简单明了,有多年运行经验。其制动方式有两种:一是按相制动,即以二次谐波和基波比值最大的相为制动判据,任一相差流的二次谐波和基波的比值大于二次谐波制动系数KH2,见式(6),则闭锁比率差动保护;二是综合相制动,即分别取三相差动电流中二次谐波和基波的最大值,并以它们的比值为制动判据,三相中最大的差流二次谐波与三相中最大的差流基波的比值大于二次谐波制动系数KH2,则闭锁比率差动保护装置。

式中:KH2为二次谐波制动系数;为差动电流的二次谐波;为差动电流的基波。

除二次谐波制动原理外,依据涌流波形特征,还可利用间断角原理、波形对称原理、波形叠加原理等多种方法来抑制励磁涌流对差动保护的影响。

3 结语

本文分析了牵引变压器差动保护不平衡电流产生的原因及减小其影响的相应措施。实际应用中,需针对不同原因采取不同措施。设计阶段应在设备选型、保护装置配置、定值整定等方面系统化充分考虑,最大化减小差动保护不平衡电流的影响,确保保护的选择性、灵敏性、速动性、可靠性,保证牵引变压器可靠、安全运行。

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