變壓器功率方向保護(hù)校驗(yàn)方法探討

1 　引言

　　變壓器功率方向保護(hù)(包括相間功率方向保護(hù)和零序功率方向保護(hù)) 是變壓器的重要后備保護(hù)之一。它作為相鄰元件及變壓器內(nèi)部故障的后備保護(hù),在防止故障范圍的擴(kuò)大,保障系統(tǒng)安全運(yùn)行方面起著重要的作用。其方向性的正確與否,和電流互感器的一次、二次接線、電壓互感器的二次接線及保護(hù)裝置的二次接線都有關(guān)系,在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中,很容易由于接線極性的錯(cuò)誤而造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。本文試圖通過(guò)對(duì)功率方向保護(hù)的探討,總結(jié)出一種簡(jiǎn)單可靠的校驗(yàn)方法。結(jié)果表明,通過(guò)模擬電力系統(tǒng)的實(shí)際故障,結(jié)合CT 、PT 接線極性的分析,能夠簡(jiǎn)單可靠地對(duì)功率方向保護(hù)方向的正確性進(jìn)行檢驗(yàn), 在設(shè)備驗(yàn)收和日常定檢工作中,大大簡(jiǎn)化了工作量。

　　2 　問(wèn)題的提出

　　功率方向保護(hù)方向的正確性,可以通過(guò)檢查保護(hù)的電壓、電流接線極性來(lái)檢查,但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際裝置,二次線繁多,接法復(fù)雜,難以理清各線的走向,容易出錯(cuò)。而且,對(duì)于應(yīng)用日益廣泛的微機(jī)變壓器保護(hù),功率方向保護(hù)的方向指向一般通過(guò)軟件控制字整定,方向性的確定是在保護(hù)軟件模塊默認(rèn)系統(tǒng)的電壓電流接線極性的條件下,由保護(hù)計(jì)算軟件來(lái)控制確定的。比如,對(duì)于WBZ₂500 微機(jī)變壓器保護(hù),其配置中帶方向的功能,方向的確定必須在以下極性接線方式下:CT 極性是當(dāng)一次電流流入變壓器時(shí),裝置的感應(yīng)電流為正極性電流流入裝置; PT 極性為正極性接入裝置。這樣,就無(wú)法和分立元件保護(hù)一樣地通過(guò)檢查繼電器電壓電流接法的極性來(lái)檢查功率方向保護(hù)的方向性。比較簡(jiǎn)單可靠的方法是結(jié)合保護(hù)的整組試驗(yàn),依據(jù)保護(hù)的整定和CT 、PT 的接線極性,模擬出系統(tǒng)的正、反方向故障,給保護(hù)加入模擬的故障電壓和電流,校驗(yàn)其動(dòng)作的角度和靈敏性。

　　3 　相間功率方向的校驗(yàn)

　　要模擬系統(tǒng)故障,進(jìn)行整組試驗(yàn),首先要分析系統(tǒng)一次故障的情況。

　　我局的220kV 變壓器相間功率方向保護(hù)正方向的整定都是指向母線的。首先考慮正方向故障的情況。如圖1 所示,母線外線路發(fā)生相間故障時(shí),對(duì)變壓器保護(hù)CT , 以母線流向變壓器為電流的正方向。設(shè)線路阻抗角是70°,則可作出一次電壓電流的向量圖如圖2 ?？梢?jiàn)故障電流IK 滯后相間電壓UK160°。

圖1 　系統(tǒng)正方向相間故障

　　對(duì)于二次電壓電流的向量關(guān)系,則要視PT 、CT 的接法極性不同而有所不同。一般PT 采用減極性接法,其二次繞組的極性端接入保護(hù)( PT 接線圖見(jiàn)后面圖9) 。對(duì)于CT , 也是采用減極性接法(CT 接線圖見(jiàn)后面圖10) ,當(dāng)一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)電流從K1 流出時(shí),可以認(rèn)為二次電流和一次電流同相位,此時(shí)可作出二次電壓電流向量圖如圖3 所示;反之,當(dāng)二次側(cè)電流從K2 流出時(shí),二次電流和一次電流的相位相反,二次電壓電流向量關(guān)系如圖4 。

我們?cè)谶M(jìn)行相間功率方向校驗(yàn)時(shí), 首先查明PT 、CT 的接線方式,再模擬系統(tǒng)正反方向故障,在保護(hù)端子上加入上述關(guān)系的二次電壓和二次電流,檢查保護(hù)動(dòng)作的情況,確定保護(hù)的動(dòng)作區(qū)和靈敏角。

圖2 　正方向相間故障一次向量圖　圖3 　正方向相間故障二次向量圖和動(dòng)作區(qū)　圖4 　正方向相間故障二次向量圖和動(dòng)作區(qū)

　　如果在正方向故障時(shí)保護(hù)能夠正確動(dòng)作,而在反方向故障時(shí)保護(hù)應(yīng)可靠不動(dòng)作,則表明保護(hù)接線正確, 性能完好。

　　例如,CT 一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)電流從K1 流出,在保護(hù)加入如圖3 所示二次電壓UK2 和二次電流IK2 ,則此時(shí)相當(dāng)于系統(tǒng)母線外部故障的情況,在以方向指向母線為正方向時(shí),故障屬于正方向故障,保護(hù)應(yīng)該正確動(dòng)作。由此可校驗(yàn)出保護(hù)的動(dòng)作區(qū)和靈敏角,如圖3 示。

　　以LG₂11 相間功率方向繼電器為例,當(dāng)其靈敏角整定為₂30°,采用90°接線時(shí),在上述PT、CT 接線極性和方向指向的情況下,保護(hù)要在正方向故障下動(dòng)作,就要求繼電器電流線圈和電壓線圈反極性接入二次電壓電流,如電壓線圈極性端接PT 二次的極性端,則電流線圈的極性端要接CT 二次的非極性端,這樣才能使得動(dòng)作區(qū)和故障時(shí)一致,方向性得以保證。此時(shí), 繼電器的動(dòng)作區(qū)的范圍為IK 超前UK120°至300°。

　　當(dāng)CT 一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)是從K2 流出時(shí),在上述正方向故障時(shí),二次電壓電流間的關(guān)系正好反了180°,見(jiàn)圖4 。在保護(hù)加入此種關(guān)系的二次電壓UK2 和二次電流IK2 時(shí),也正好是系統(tǒng)母線外故障的情況,保護(hù)應(yīng)正確動(dòng)作。此時(shí)動(dòng)作區(qū)的范圍為IK 滯后UK60°至超前UK120°。如采用LG₂11 相間功率方向繼電器,可以推斷,此時(shí)繼電器的電壓、電流線圈是正極性接入二次電壓電流。

　　可以類(lèi)推:

　　當(dāng)CT 一次繞組L1 指向變壓器,二次側(cè)從K1 流出時(shí),作出保護(hù)的動(dòng)作區(qū)同圖4 所示時(shí),才可以確定功率方向保護(hù)的正確性。

　　當(dāng)CT 一次繞組L1 指向變壓器,二次側(cè)從K2 流出時(shí),動(dòng)作區(qū)應(yīng)同圖3 。

　　可見(jiàn),在校驗(yàn)功率方向保護(hù)時(shí),依據(jù)PT、CT 接線的極性和保護(hù)的方向整定,模擬出系統(tǒng)一次故障的情況,對(duì)保護(hù)加入二次電壓和二次電流進(jìn)行整組試驗(yàn),不但可以校驗(yàn)保護(hù)功能的完好性,還可以校驗(yàn)保護(hù)功率方向接線的正確性,方法簡(jiǎn)潔可靠。

　　4 　零序功率方向的校驗(yàn)

　　用模擬故障的方法校驗(yàn)零序功率方向,首先要分析正方向接地故障時(shí)零序電壓電流的關(guān)系。如圖5 所示,系統(tǒng)K 點(diǎn)發(fā)生接地故障,作出零序網(wǎng)絡(luò)圖。由圖可以看出,零序網(wǎng)絡(luò)中M 側(cè)流過(guò)零序電流IK, 母線側(cè)零序電壓UM0 為:

　　圖5 　系統(tǒng)正方向接地故障零序等值網(wǎng)絡(luò)UM0 = IK ×ZM 式中, ZM M 側(cè)零序阻抗; ZM 主要決定于變電所中性點(diǎn)接地變壓器的零序阻抗,阻抗角約在85°以上。

　　由式可作出一次零序電壓UK1 與一次零序電流IK1 相量關(guān)系如圖6,零序電壓超前零序電流約85°。二次零序電壓和二次零序電流的相量關(guān)系則與

　　PT 及CT 的接線有關(guān)。

　　我局的220kV 變壓器零序功率方向保護(hù)正方向的整定都是指向母線的,零序電壓通過(guò)PT 開(kāi)口三角取得,其接線采用₂3 U0 接線,即一次零序電壓和二次零序電壓反相位。如圖9 示。

　　零序電流取套管CT 二次中性線上流過(guò)的零序電流時(shí),當(dāng)CT 一次側(cè)L1 指向母線,二次側(cè)從K1 引出接至保護(hù),可認(rèn)為一次零序電流與二次零序電流同相位,二次零序電壓UK2 和二次零序電流IK2 的向量關(guān)系如圖7; 反之,當(dāng)CT 一次側(cè)L1 指向母線,二次零序電流反相位,二次零序電壓UK2 和二次零序次從K2 引出接至保護(hù),可認(rèn)為一次零序電流與二電流I_K2 的向量關(guān)系如圖8 所示。

圖6 　正方向接地故障一次零序電壓電流　圖7 　正方向接地故障二次向量圖和動(dòng)作區(qū)　圖8 　正方向接地故障二次向量圖和動(dòng)作區(qū)

圖9 　PT 二次電壓₂3 U0 接線圖

　　同樣地,對(duì)零序功率方向保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),首先查明PT 、CT 的接線方式,再模擬故障的情況,在保護(hù)端子上加入上述關(guān)系的二次零序電壓UK2 和二次零序電流IK2 ,檢查保護(hù)動(dòng)作的情況,確定保護(hù)的動(dòng)作區(qū)和靈敏角。如果在正方向故障時(shí)保護(hù)能夠正確動(dòng)作,反方向故障時(shí)保護(hù)應(yīng)可靠不動(dòng)作,則表明保護(hù)接線正確,功能完好。

　　例如,CT 一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)電流從K1 流出,對(duì)于以方向指向母線為正方向的零序功率方向保護(hù),在保護(hù)加入如圖7 所示的二次零序電壓UK2 和二次零序電流IK2 ,則此時(shí)相當(dāng)于母線外部故障的情況,保護(hù)應(yīng)該正確動(dòng)作,而在反方向故障時(shí)應(yīng)不動(dòng)作。根據(jù)上述動(dòng)作條件確定保護(hù)的動(dòng)作區(qū)和靈敏角,如圖7 示。保護(hù)的動(dòng)作區(qū)范圍為電流超前電壓5°～185°,最大靈敏角為95°。

　　圖10 　CT 接線圖對(duì)于LG₂12 零序功率方向繼電器,靈敏角為70° 時(shí),在上述情況下,繼電器的電壓和電流線圈應(yīng)是反極性接入二次零序電壓和二次零序電流(如電壓線圈極性端接PT 二次的極性端,則電視線圈的極性端

要接CT 二次的非極性端),才可以保證在正方向故障時(shí),二次零序電流超前二次零序電壓的情況下繼電器能夠正確動(dòng)作。

　　當(dāng)CT 一次繞組L1 指向母線,二次側(cè)電流從K2 流出時(shí),二次零序電流正好反了180°,如圖8 。對(duì)于以方向指向母線為正方向的的零序功率方向保護(hù), 在保護(hù)加入圖8 所示二次零序電壓UK2 和二次零序電流IK2 ,則正好是正方向故障的情況,保護(hù)應(yīng)該正確動(dòng)作,而在反方向故障時(shí)應(yīng)不動(dòng)作。根據(jù)上述動(dòng)作條件確定保護(hù)的動(dòng)作區(qū)和靈敏角,如圖8 示。對(duì)于LG₂12 繼電器,可以推出,繼電器的電壓和電流線圈應(yīng)是正極性接入二次零序電壓和二次零序電流。

　　同樣可以推得:

　　當(dāng)CT 一次繞組L1 指向變壓器,二次側(cè)從K1 流出時(shí),作出保護(hù)的動(dòng)作區(qū)同圖8 所示時(shí),才可以確定零序功率方向保護(hù)的正確性。

　　當(dāng)CT 一次繞組L1 指向變壓器,二次側(cè)從K2 流出時(shí),動(dòng)作區(qū)應(yīng)同圖7 。

　　可見(jiàn),在校驗(yàn)零序功率方向保護(hù)時(shí),和校驗(yàn)相間功率方向保護(hù)一樣,依據(jù)PT 、CT 接線的極性和保護(hù)的方向整定,模擬出系統(tǒng)一次故障的情況,對(duì)保護(hù)加入二次電壓和二次電流進(jìn)行整組試驗(yàn)。值得注意的是PT 開(kāi)口三角的接線方式,采用₂3 U0 和3 U0 的不同接法時(shí)結(jié)果正好相反。

　　5 　結(jié)論

　　1 (1) 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,本文提出的模擬系統(tǒng)故障,利用整組試驗(yàn)的方法,能夠簡(jiǎn)單可靠地對(duì)變壓器功率方向保護(hù)接線正確性和保護(hù)功能完好性進(jìn)行校驗(yàn)。特別是對(duì)于微機(jī)變壓器保護(hù),其優(yōu)點(diǎn)更加明顯。

　　(2) 應(yīng)該指出,對(duì)系統(tǒng)正、反方向故障時(shí)二次電壓和二次電流相位關(guān)系分析的正確性是建立在PT 、CT 接線極性的正確確定的基礎(chǔ)上站改造來(lái)說(shuō),施工不便。

　　3. 4 　在有人值班時(shí),操作把手應(yīng)復(fù)位。手動(dòng)操作是遠(yuǎn)方遙控的一級(jí)后備。

　　6 　結(jié)語(yǔ)

　　 (1) 我們的信號(hào)繼電器的遠(yuǎn)方復(fù)歸采用圖2 (b) 所示的方法實(shí)現(xiàn)。實(shí)際中有兩個(gè)問(wèn)題: (1) 有些信號(hào)繼電器如系統(tǒng)接地信號(hào)繼電器的遠(yuǎn)方復(fù)歸中必須并在某一路開(kāi)關(guān)的信號(hào)繼電器之中。(2) 變電站值班人員手動(dòng)復(fù)歸某一路開(kāi)關(guān)的某一個(gè)信號(hào)繼電器時(shí), 這路開(kāi)關(guān)的其它信號(hào)繼電器也被復(fù)歸,這是因?yàn)槭謩?dòng)復(fù)歸時(shí)正電源串入連在一起的遠(yuǎn)方復(fù)歸回路。我們正在積極解決。

　　 (2) 我們采用發(fā)光字牌信號(hào)的辦法來(lái)解決遙控時(shí)的事故音響和閃光問(wèn)題;并用單獨(dú)的一路搖控發(fā)光字牌信號(hào)。注意:遙控對(duì)象是一個(gè)虛對(duì)象,只能用

　　對(duì)象選擇中間繼電器的觸點(diǎn)或合閘中間繼電器的觸點(diǎn);還有光字牌信號(hào)的保持問(wèn)題。

　　 (1) 在采用電容式重合閘的變電站,把對(duì)象選擇中間繼電器的觸點(diǎn)用于了重合閘放電,信號(hào)繼電器的遠(yuǎn)方復(fù)歸采用單獨(dú)的一路搖控實(shí)現(xiàn)。這樣就將每一路開(kāi)關(guān)的負(fù)信號(hào)線通過(guò)繼電器線圈連在了一起,在查找直流接地時(shí)應(yīng)考慮到。

　　 (2) 我們的施工原則是最小改動(dòng),因此級(jí)連繼電器方式?jīng)]有過(guò)多考慮。本文是兩個(gè)站的設(shè)計(jì)及施工之所得,愿交流和分享。