電子式互感器在電爐變壓器差動保護中的應用

由于電動汽車壓縮器的低電壓和高電流，工作電流和短路電流之間沒有顯著差異。僅從壓壓器高壓側電流控制器測量的電流值無法從根本上區分故障電流和負荷電流，也無法區分故障位置在區域或外。因此，很難計算高壓側流量保護的定值：如果定值過高，無法檢測探測器的內部故障，降低探測器的靈敏度，不利于電壓器的安全。如果定值太低，很容易使保護誤差移動，造成不必要的損失。因此有必要在變壓器低壓側增加電流互感器以實現電爐變壓器差動保護,本文就不同的差動配置方案進行詳細的比較分析,并分析比較了不同方案的整定計算原則及動作特性,提出了最佳差動配置方案。1爐爐器供電系統大容量的電爐變壓器基本是三線圈:高壓為電源側,與電力系統相連;中壓側除起調壓作用外,其輸出電壓還供電給補償電容器負載;低壓側供電給電爐負載。電爐變壓器與電力變壓器相比,它的顯著特點是:二次電壓低、電流大,而且調壓范圍寬(通常為25%~50%)。在運行過程中,需要改變二次電壓,一般采用變磁通調壓、串聯變壓器調壓、自耦變壓器調壓三種方法。電爐變壓器按結構形式又可分為主變壓器加串聯變壓器和共鐵心式主調合一的結構形式,本文主要針對串聯變壓器調壓進行說明。2電流輸出后轉化成模擬量小信號的輸出—大容量電爐變壓器差動保護配置方案首先實現低壓側電流的采集,由于大容量電爐變壓器具有低壓側電流極大、動態范圍寬、多路電流并聯輸出、空間狹小等特點,采用傳統的鐵心式電流互感器很難應用于電爐變壓器的低壓側。利用電子互感器可采集到電爐變壓器低壓側一次電流,然后轉化成模擬量小信號輸出到模擬量采集器,采集器將采集到的小信號模擬量轉為符合“IEC61850”標準的固定幀格式的數字量,通過光纖接入保護裝置。實現差動配置有兩種方案。方案1:采用分側差動配置即高、中、低分側差動保護,各側各相的首端電流為I·T,中性點電流為I·中;各側差動保護都采用比率制動式,三相式“或”門輸出。以串聯變壓器調壓的電爐變壓器為例來說明分側差動保護所用電流互感器LH的配置,如圖1所示。共配置1LH~6LH三相6組共18臺單相電流互感器。方案2:采用三側差動配置保護裝置混合接入高、中壓側常規電磁式互感器二次電流模擬量經A/D轉換以及低壓側電流數字量,實現基于三側電流的縱聯差動保護。如圖2所示。3大型接地設備的差動方案分析3.1分散分析的分側差動方案3.1.1高壓側分側差動保護定值如圖1,1LH、2LH組成高壓側分側差動保護。分側差動每相的2個LH裝在同一側的同1個支路內,對保護整定計算很有利,2個LH同型號,正常運行及外部短路時變壓器分接頭改變不影響保護的不平衡電流(Iunb),故整定計算中無△U、△m系數,這一點對電爐變壓器特別重要,因電爐變壓器分接頭調整范圍極大,可達±(20~25)%,而一般電力變壓器僅為±5%。高壓側分側差動保護的最大整定值(IOP·set·max)需躲開中壓側補償電容器端部三相短路所出現的最大三相短路電流Id·max對應的最大不平衡電流Iunb·max,確保高壓側分側差動保護可靠地不誤動,不跳開高壓側斷路器,此時只需電容器保護動作跳開電容器出口的斷路器。式中:Krel—可靠系數,取1.3~1.5;KCC—同型系數,取1;Ker—2個LH的變比誤差的差異系數,取0.1;Kap—計算得出的I(3)d·max僅為短路電流的周期分量,需計及非周期分量,取Kap=1.5~2。取Krel=1.5、KCC=1、Ker=0.1、Kap=2,設I(3)d·max=5In,In為電爐變壓器高壓側額定電流。電爐變壓器分側差動,類似于發電機差動,故取IOP·0=0.3In,Ires·0=0.8In若設I(3)d·max=3In(因電爐變壓器為高漏抗變壓器,且其高壓側有時裝有串聯電抗器以減少短路電流,故可能I(3)d·max值小)則IOP·set·max=0.9In以上分析得出高壓側分側差動保護的定值應為:Iop.0=0.3In,Ires.0=0.8In,k=0.3k不宜大于0.3,因為按有關因素以最大系數計算(Krel=1.5、Kap=2、I(3)d·max·外=8In),得k=0.3。其動作特性如圖3所示。電爐變壓器雖然分接頭△U很大,但由于采用分側差動保護,其k值比采用高低壓側LH組成的一般電力變壓器縱差保護的k值低,比發電機縱差保護也低。3.1.2中壓側補償電容器端部短路電流的影響如圖1,3LH、4LH組成中壓側分側差動保護。同理,中壓側分側差動保護的最大整定值IOP·set·max也需躲開中壓側補償電容器端部三相短路所出現的最大三相短路電流Id·max對應的最大不平衡電流Iunb·max,確保中壓側分側差動保護可靠地不誤動。同理中壓側分側差動保護的定值(標幺值)與高壓側分側差動保護的定值完全相同,為:Iop·0=0.3In,Ires·0=0.8In,k=0.3,其動作特性如圖3所示。3.1.3低壓側分側差動保護整定值如圖1,5LH、6LH組成低壓側分側差動保護。電爐變壓器低壓側出口與電爐負載之間無斷路器,當電爐本身及其引出線短路時,允許電爐變壓器低壓側的分側差動保護動作跳開高壓側的斷路器。也就是低壓側分側差動保護的IOP·set·max無需躲開電爐本身三相短路所對應的最大不平衡電流Iunb·max,只需躲開低壓側最大負荷電流Ifh·max時的不平衡電流Iunb,容許低壓側分側差動保護外部(即電爐本身及其引出線)短路時IOP=Iunb·max>IOP·set·max,低壓側分側差動保護動作,跳開高壓側斷路器。因此低壓側分側差動保護的IOP·set·max為:式中,Ifh·max為最大負荷電流的穩態值,不是外部短路電流的初始值,故(3)式中無非周期分量系數Kap。最大負荷電流Ifh·max出現在電爐冶煉熔化期,Ifh·max值根據實際運行確定。設Ifh·max=2.5In,In為電爐變壓器低壓側的額定電流。又同理IOP·0=0.3In,Ires·0=0.8In,理論上應取k=0。但為了提高Ifh·max時不誤動的可靠性,取k=0.15較適合。Ires>Ifh·max時,k=0,動作特性成為一條水平線,維持IOP·set=IOP·set·max不變,IOP·set不再增大(如圖4),提高了低壓側分側差動保護在外部(即電爐)短路時動作的可能性。通過分析可以得到低壓側分側差動保護的整定值應為:IOP·0=0.3In,Ires·0=0.8In,Ifh·max根據實際整定。動作特性見圖4。3.1.4分側差動保護根據以上分析可以得出分側差動的優點:(1)電爐變高壓側系統一般為中性點直接接地系統,高壓側的分側差動對高壓繞組單相接地動作快速且靈敏度很高,無死區,靈敏度基本與高壓繞組內部接地點的位置無關;(2)電爐變壓器為高漏抗變壓器且其高壓側往往裝有串聯電抗器以減小短路電流,內部短路時短路電流較小,甚至與最大負荷電流相近,而分側差動保護計算中無需考慮△U、△m系數,而且低壓側定值只需躲開Ifh·max,不必躲開Id·max等,從而使分側差動的k值小,靈敏度高;(3)分側差動保護的2個LH處于同一側、同一個分支繞組的首端及中性點端,各側差動保護不受勵磁涌流的影響,在軟件中省去二次諧波制動等反涌流措施,提高保護動作的快速及可靠性;(4)一般的三側差動,當變壓器為Y/△接線方式時,為了使正常運行及外部短路時減少不平衡電流,保護軟件中需采取校正電流的措施,而分側差動的2個電流取自同一相繞組的首尾端,與Y接、△接無關,無需采取電流校正的措施。3.1.5雙向變壓器1臺(1)采用的LH數量多,三側共計18個。(2)由3個單相電爐變壓器組成1臺三相電爐變壓器運行,最常規的故障之一是繞組的匝間短路,而分側差動的主要缺點是不能保護各側繞組的匝間短路。3.2三個單元差動方案的分析3.2.1側差動保護保護動作的靈敏度分析三側差動分析采用的LH數量少,三側共計9個LH。缺點:(1)電爐變壓器分接頭很多(如35個)且調整范圍廣,最大為±25%,如果三側差動保護不采用特殊措施,則縱差保護整定計算中系數△U=0.25,三側差動保護的IOP·set·max為式中Id·max·gz為電爐冶煉的熔化期頻繁出現的正常工作短路電流,其值為電爐變額定電流的2~5倍,要求縱差保護躲開Id·max·gz對應的不平衡電流,保證可靠不誤動。為了與分側差動合理比較,除△U、△m外,其他各系數的值與(2)式的選值相同。取又取IOP·0=0.4In(因三側差動考慮有△U、△m系數,故IOP·0比(1)式項的IOP·0大)。Ires·0=0.8In。又三側差動的制動電流為式中,IA、IB、IC為電爐變壓器高壓側(電源側)的相電流。比較圖3(分側差動)與圖5(三側差動)內部短路時的動作性能如下:設電爐變壓器高壓繞組內部相間短路Id=4In,根據圖3的動作特性得到此Ires對應的高壓側分側差動保護動作的靈敏度根據圖5的動作特性得到:此Ires對應的三側差動保護動作的靈敏度規程要求變壓器縱差保護的Klmd>2,三側差動保護不符合要求。可見,電爐變壓器不能采用高、中、低壓側LH組成的無開關量自適應改變平衡系數的三側差動保護。(2)三側差動保護受勵磁涌流的影響,保護軟件需反涌流措施,計算量多,使保護的快速性及可靠性降低。(3)電爐變壓器若為Y/△接線,三側差動保護軟件需有校正外部短路及正常運行時兩側電流相等的措施。3.2.2基于自適應改變平衡系數的三種差動的特點3.2.2.用準差動的比例制動斜率k電爐變壓器調壓繞組有許多分接頭(如35個),當分接頭改變時以開關量自適應地改變大差動的平衡系數,則縱差整定計算中所用的系數可以大大降低,例如35個分接頭,理論上△U=135=0.03。以△U=0.05,按差動躲開低壓側電爐最大正常工作短路電流的原則進行整定計算,得差動的比率制動斜率k僅為0.3。因此,三側差動只需按躲開中壓側最大外部三相短路電流的原則整定,中壓側輸出到補償電容器的電壓是穩定的,不受調壓分接頭改變的影響,其△U=0,計算得到的斜率k=0.5~0.6,能保證在三側差動保護范圍內部相間短路時動作靈敏度較高,匝間短路時有相當的靈敏度。3.2.2.高壓5點分子質量保護大容量電爐變壓器高壓側的系統為中性點直接接地系統,當高壓繞組單相接地短路時要求電爐變壓器保護快速跳閘。但是不管電爐變壓器高壓繞組中性點是否接地運行,三側差動保護對高壓繞組單相接地短路有死區,接地點位于高壓繞組的首端時靈敏度最高,接地點越靠近中性點靈敏度越低。其本質原因是低壓側為特殊的三角形接線,高壓側的零序電流能感應到低壓側,低壓側TA能測量出此零序電流,致使當高壓繞組內部單相接地短路時,三側差動保護感受到的是幅值不等的穿越性電流,這是造成保護靈敏度不高、有死區的主要因素。4輯“或”門輸出的特性(1)大容量電爐變壓器幾乎全部由3個單相變壓器組成(A、B、C各相有自己獨立的油箱),其主要短路故障是繞組匝間短路及高壓繞組的單相接地短路。因此電爐變壓器縱差保護的最佳方案為高壓側的分側差動與三側TA組成的縱差構成邏輯“或”門輸出,能達到互相取長補短的功效。(2)高壓側的分側縱差能以很高的靈敏度保護高壓繞組的單相接地短路,彌補三側TA的縱差對高壓繞組單相接地短路保護靈敏度