电流不平衡保护

2024-09-07

电流不平衡保护（精选9篇）

电流不平衡保护第1篇

某日,在青云35kV变电站10kV青和线某段线路停电操作过程中,操作地点杆塔A相和变电站另一条10kV线路青齐线B相发生了同时接地故障,最后不幸造成停电操作入触电死亡,事故原因分析如图1所示。当青和线A相和青齐线B相同时接地时,故障电流If从变电站A相母线流出,经青和线A相故障接地点F1流入大地,再从青齐线B相故障接地点F2流出,回到变电站B相母线形成闭合回路。青云站过电流保护(Ⅲ段)定值分别为180A(青和线)和195A(青齐线),接地前青和线负荷电流为26A,接地后青和线A相电流升至125A。由于青和线故障点F1处混凝土电杆接地电阻较大,加上B相未装设电流互感器,使这两条线路接地相故障电流都未达到过流保护定值,导致变电站内两条线路的开关均未动作。事故分析报告显示,两相接地时青和线故障点F1处混凝土电杆对地电压达4 000V以上,这样高的对地电压无疑会对接触者及接近者的人身安全造成极大威胁。

2 增设三相电流不平衡保护的必要性

由事故分析可以确定,青云站10kV线路电流保护是不完善的,保护范围存在死区。如果设置了线路三相电流不平衡保护(以下简称电流不平衡保护),站内青和线断路器就能跳开,这起事故就可以避免。然而,我国中压配电线路普遍没有采用电流不平衡保护。

为了提高供电可靠性,目前我国中压配电线路普遍采用小电流接地方式,即中性点不接地或经消弧线圈接地。按照有关规程规定,中压配电线路发生单相接地后,由于不影响对用户的供电,因此仍可继续运行2h。而中压配电线路遍布城乡各个角落,很多杆塔位于人群密集区域,线路一旦发生单相金属性接地,非接地相对地电压就会升到原来的倍,这对非接地相对地绝缘是个严重考验,在绝缘相对薄弱处很容易再次发生异相接地事故,造成类似触电事故。可见,同一个系统中的中压配电线路发生异相接地故障时,为了有效地保障人身、电网和设备安全,变电站线路断路器应及时动作,从而尽快解除危险状态。因此,设置电流不平衡保护是必要的,具有积极的现实意义。

3 电流不平衡保护的实现方法

相较于传统的电磁式继电器电流保护装置,微机电流保护装置优势明显。目前,各地中压配电线路微机保护越来越普遍,最终会完全取代电磁式继电器电流保护。另外,在微机电流保护装置中增设电流不平衡保护,只需在主程序中插入一段子程序即可,不需要增加任何硬件。因此,现阶段应首先完善线路微机电流保护装置,增加电流不平衡保护功能。

电流不平衡保护子程序框图如图2所示,为了消除多次短暂两相接地故障时的时间累加,计数定时器应具有超时复位功能。

3.1 动作条件及整定

根据中压配线线路杆塔情况及接地状况,Iset一次值一般可取为50A。当异相接地电阻较小、线路不平衡电流较大时,常规过流保护也会动作,为了使常规过流保护具有优先权,不平衡保护时限T应比常规过流保护时限大一个级差。此外,为了实现选择性,上下级时限也要按常规要求进行配合。

3.2 关于零序电流保护

现行主流线路微机保护装置中,普遍设有零序电流保护,但不能用零序电流保护代替电流不平衡保护。线路异相接地有两种情况:一种是不同线路异相接地;另一种是同一条线路异相接地。前一种类型如图1所示,很明显,无论用零序电流互感器方式还是保护装置自产方式,青和线或青齐线都会检出很大的零序电流,这种接地故障可以用零序电流保护来解除。后一种类型如图3所示,可以看出,无论用零序电流互感器方式还是保护装置自产方式,两条线路都无法检出较大的零序电流,因此这种接地故障就不能用零序电流保护来解除了。

4 结束语

电流不平衡保护第2篇

关键词：路灯线路;N线截面;三相四线对称电源;不平衡电流

0 引言

随着我国经济的不断增长，城市化进程加快，城市的基础设施建设也得到了进一步的完善。但是在城市的路灯照明系统中，经常发生线路和电流故障等问题，影响了路灯照明系统的正常稳定运行，如何通过分析路灯系统来提高路灯系统的运行效率和稳定性成为了人们关心的问题。下面就此进行讨论分析。

1三相四线制路灯系统概述

由三相四线对称电源供电的路灯线路，一般将路灯的个数设置为3的整倍数。由于每个灯泡的技术参数相同，这样可以使得每相连接的路灯个数相等，使得路灯线路运行在三相平衡状态。路灯一般依次接在A、B、C三相上，连接示意图见图1。

图1 三相四线路灯线接线示意

图1中由于灯泡的技术参数相同，每相的路灯数量相等，且供电的三相四线电源也是对称的，故三相电流、、也是對称的，向量关系如图2所经验交流示。路灯光源一般采用气体放电灯，这种灯是感性负载，相电电流滞后于相电压1个角度ψ，0°<ψ<90°。当负载为纯电阻时，ψ=0°;当负载为纯电感时，ψ=90°;当负载既有电阻又有电感时，ψ∈（0°，90°）。正常情况下、、的向量和为0，N线中没有电流流过。

图2三相四线路灯线路向量关系

2不平衡电流分析

三相四线制路灯系统的运行是1个动态过程，当有路灯发生故障时，路灯线路会运行在不平衡的状态，N线中就会有不平衡电流。以下分3种情况分析不平衡电流的大小，确定不平衡电流的最大值，根据此最大值确定N线截面。以中性点为节点，假定A、B、C三相的电流、、流入中性点，N线电流流出中性点，由节点电流定律可知++-=0，即=++，下文中將以此公式为基础对N线中的不平衡电流进行分析。

2.1三相中只有1相燈亮

假设三相中只有A相路灯正常，其他两相的路灯均损坏。这种情况下路灯电路中电压和电流的向量关系如图3所示。通过图3可知，流过零线的不平衡电流就是相电流，当A相所接的路灯全部正常时，IN达到最大值。

圖3三相中只有1相灯亮时的向量关系

2.2三相中只有两相灯亮

假设三相中只有两相灯亮，另一相路灯全部损坏。以A、B两相均有路灯正常为例进行说明，考虑到一般情况，假设A、B两相中正常的路灯个数未知，即IA、IB的大小未知，由于灯泡的技术参数相同，A、B两相路灯负载功率因数相同（阻抗相同的n个路灯并联，线路总阻抗为单个路灯阻抗的1/n，但功率因数跟电阻与电抗的比值有关、与灯的数量无关，其等于单个路灯的功率因数，功率因数角为ψ），电压、电流的向量关系如图4所示。

图4三相中只有两相灯亮时的向量关系

由于三相四线电源是对称的，与的夹角为120°，落后于·UA角度ψ，也落后于角度ψ，故與的夹角也是120°。由平行四边形法则和余弦定理可知N线中的不平衡电流IN的平方I2N如公式（1）所示：

I2N=I2A+I2B-2IAIBcos（180°-120°）=I2A+I2B-IAIB （1）

当IA=IB≠0即A、B两相亮灯数量相同时，由式（1）可知IN=IA=IB。当IA>IB>0即A相亮灯数量多于B相时，可以将IA看作常量，I2N看作以IB为自变量的函数，则I2N的几何图形为1条开口向上的抛物线的一部分，在IB=IA/2时，I2N取得最小值/4I2A，I2N的取值范围为（/4I2A，I2A），所以IN的取值范围为（/2IA，IA）。与、的向量關系如图5，其中的终点落在三角形ABO中，当落在线段AB的中点时，IN取最小值/2IA，当落在B点时，IN取最大值IA。当IB>IA>0即B相亮灯数量多于A相时，同理可以将IB看作常量，I2N看作以IA为自变量的函数，IN的取值范围为（/2IB，IB）。从以上分析发现，在三相中只有两相灯亮的情况中，零线不平衡电流IN总是不大于亮灯数量多的那相的电流，最坏情况是A、B两相所有路灯全部正常即IA=IB时，IN达到最大值。

图5三相中只有两相灯亮时的N线电流取值范围

2.3三相中均有灯亮

三相中均有路灯正常。考虑到一般情况，假设A、B、C三相中正常的路灯个数未知，即IA、IB、IC的大小未知，但每1相负载的功率因数与灯的数量无关，其等于单个路灯的功率因数，所以三相的功率因数是相同的，功率因数角为ψ，、、依次滞后于、、ψ角度而互差120°，向量關系如图6。下面分3种情况分析IN的大小。

图6三相中均有灯亮时的向量关系

第1种情况是IA=IB=IC，此时，由于、、对称分布，所以IN=0。

第2种情况是有两相电流相等且大于或者小于第3相电流。以A、B两相电流相等为例，即IA=IB>IC或者IA=IBIC，则IN=IA-IC

第3种情况为三相电流均不相等。假设IA>IB>IC，其向量关系如图7所示。与的和为，同2.2分析可知IB+C的取值范围为（/2IB，IB），滞后于角度的取值范围为（0°，60°）。由于滞后于120°，所以滞后于角度的取值范围为（120°，180°）。可以证明向量和向量之和向量的大小|A+B|与向量和向量之间的夹角Ψ（0°<Ψ<180°）的关系为：|A+B|随着Ψ变大而变小。当滞后于的角度为120°+dΨ时（dΨ为微小量），I2A+B+C=I2A+I2B+C-IAIB+C，由于IB+C的取值范围为（/2IB，IB），所以IA>IB>IB+C，同2.2分析可知IA+B+C的取值范围为（/2IA，IA），所以当滞后于角度为120°+dΨ时，IA+B+C

图7三相中均有灯亮时的N线电流取值范围

3 结语

综上所述，三相四线制路灯系统线路运行状态为不平衡时，不平衡电流在N线中的数值就不会比三相中电流最大的那1相的电流大，但是，在只有1相亮灯和只有两相亮灯并且两相亮灯的数目相同时，N线中的不平衡电流等于相电流。所以以电流为依据选择导线截面积的话，三相四线制路灯系统线路选择的N线截面應与相线截面相同。

参考文献：

[1]胡志轶.路灯配电及接地保护方式的探讨[J].工程管理前沿，2014年第12期.

电流不平衡保护第3篇

西门子3UF50马达控制器是一种电机保护与控制设备,系统的中央处理器单元是微处理器,所有的控制和保护功能都由微处理器执行,包括连锁功能、运行计算、诊断和统计数据、以及自动控制级与电机回路之间的高性能的通讯等。系统集成了电流互感器,可以检测电流,它具有过载、堵转、三相电流不平衡、接地故障监视等保护功能 ,并且具有PROFIBUS通讯功能,可以对电机的运行电流、运行时间、起动次数、报警和故障信息等进行监视,通过PROFIBUS通讯,还可以在远方对电动机进行监控。与传统的电机控制回路相比, 3UF50的出现大大的简化了电机的控制回路,起、停开关直接接到3UF50基本单元的输入,接触器线圈通过3UF50基本单元的输出控制,不需要互锁的辅助触点从而减少了接线,相应地减少了故障点。其应用很广泛。3UF50的三相电流不平衡是通过其内置的电流互感器检测三相电流,当电机三相不平衡电流(最大值最小值)/ 最小值的值大于40%,持续时间到达15秒时保护出口让电机跳闸,达到保护电机的作用。

低压电机的控制原理图如图一。

2 3UF50 三相电流不平衡保护的应用实例

实例1 :某装置一台132k W的低压电机,运行中值班人员发现监控后台报该电机“三相电流不平衡动作”报文,配电室该电机控制柜盘面故障黄灯亮,停电后进一步检查控制回路完好,测量电机主回路三相绕组直阻不平衡,打开现场电机接线盒,发现电机A相接线柱接线已经松动,接线柱有发热现象,紧固接线后开机正常。分析原因为A相在原先的接线中紧固力矩稍小,电机运行时间较长造成接线松动,该相接触电阻增大,运行中A相电流偏大并且发热,造成三相电流不平衡致使3UF50三相电流不平衡保护动作。如果没有3UF50三相电流不平衡保护,电机接线柱最终将被烧毁,引发更大的电气事故。

实例2 :某装置一台1.5k W的低压电机,运行中值班人员也是发现监控后台报该电机“三相电流不平衡动作”报文,配电室该电机控制柜盘面故障黄灯亮,检测电机直阻正常,最后检查为电动机控制柜内电源缺相故障,为接触器L3相触头烧毁所致(如图二),L3相缺相造成电机三相电流不平衡使3UF50三相电流不平衡保护动作,更换接触器后开机正常。分析原因为接触器触头质量不好,电机在长时间运行中造成接触器L3相发热而烧毁,也就是图一原理图中主回路的“4”L3相缺相,电机在缺相的情况下运行中将严重发热,烧毁电机绕组。

3 总结

以上两起实例都是在设备电源出现问题后,3UF50的三相电流不平衡保护均实现了可靠动作,使电气设备故障没有进一步扩大,为及时消除故障隐患提供了可靠保障,确保了装置的平稳运行,这就是3UF50三相电流不平衡保护的实用性。

摘要：西门子3UF50马达保护器是一种电机保护与控制设备,它具有过载、堵转、三相电流不平衡、接地故障监视等保护功能,该文简要介绍了3UF50马达保护器的工作原理,其三相电流不平衡保护在电机中的实际应用及故障处理。

电力电容器组不平衡保护综述第4篇

关键词：电力电容器；不平衡保护；接线方式

中图书分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）32-0131-02

科技日益进步，经济持续发展，用户用电对电能的要求也日益升高。不单是对电能数量的需求不断增长，其对电压质量要求也越来越高，即不单要有足够的电能，还要有稳定的电能——即电压、频率、波形需符合要求，才能保证用户的用电设备持续保持最好的工作性能，从而保证工效效率。其中，电压质量是很重要的一个方面，不单对用户生产、生活、工作有重大影响，对整个电网的安全稳定经济运行也有着至关重要的作用。

与电压质量息息相关的就是无功电源，无功不足，会使得系统的电压幅值降低，对整个电网来说，电压过低可能引起电压崩溃，进而使系统瓦解，造成负荷大幅流失；对单个元件而言，电压的降低可能使其无法运行在最佳工况，同时造成电能损耗增大，甚至可能损坏设备，同时输电线路在同等条件下，电压越低传输的电能就越小。因此，必须保证无功电源的供应。同时，为了确保电网经济运行与用户的用电正常，又必须减小无功功率的流动，因此，无功补偿的基本原则是就地补偿。即在变电站及用户负荷处，将一定量的电容器串联、并联在一起，形成电容组，使其达到一定的容量、满足一定的电压要求，补偿系统无功、调节该节点电压。

1 电容器组接线方式的决定因素

电容器通常是将若干元件封装在一铁壳内，构成电容器单元，再由各单元先并后联，封装在铁箱内组成的。

当电容器组所接入电网的电压等级、容量要求确定以后，接线方式的选择则关系到了电容器组的安全性、可靠性以及经济性。决定接线方式的主要因素包括以下几个方面。

1.1 受耐爆容量限制

电容器组在运行过程中，若其中某个电容器击穿短路，这个电容器将承受来自其自身及其他并联电容器组的放电。为防止故障元件受放电能量过大冲击，导致电容元件爆炸，必须限制同一串联段上的并联台数，即有所谓的最大并联台数问题。可以通过减少并联数与增大串联段数的方法，来降低冲击故障电容器的放电能量。

1.2 接线方式与设备不配套的限制

20世纪90年代末至21世纪初，由于工艺上的改进，使电力电容器的介质，结构发生改变，普遍采用了全膜电容器。电容器的容量越来越大，因此派生出了很多新的结构与接线方式。同时，在一段时间内，由于缺乏较高的

66 kV电压等级的放电线圈，致使其保护选择及相应接线方式的应用受到限制，因此使相关接线方式适用范围受到了限制。由于这种不配套的限制，导致该时期电容器运行故障明显上升。经过阵痛之后，对配套设备的研究也跟上技术的研发进度，因此，这种限制现在基本消除。

1.3 与应用的场合有关

在电力企业中，多采用星形接法，在工矿企业变电所中多采用三角形接法。采用三角形接法时，能够过滤掉3次谐波电流，可以消除其对设备的影响，但其缺点是当电容器发生击穿短路时，其它相电容器的放电电流会对故障电容器产生冲击。星形接线时，电容器故障情况下受到其它两相容抗的限制，来自系统的工频短路电流最大不超过其额定电流的3倍，且不受其它相电容器放电电流的影响，相对而言可靠性更高。

2 电容器组接线方式及其相应不平衡保护

电容器组的接线方式较多，相应也产生了不同的不平衡保护。一般来说，同种不平衡保护接线下，既可采用电流式、也可采用电压式保护，其根本原理都是利用元件发生故障时产生的不平衡量来作为保护判据。在此仅列举三种方式，其余接线方式读者可再查找有关资料。

2.1 单星形接线采用零序电压保护

主要是利用电压互感器的开口三角电压形成不平衡电压，此时电压互感器一次绕组还可兼作放电线圈，可防止反复投入电容器组时，因残余电荷造成电容器组过电压。见图1单星形接线采用零序电压保护。

2.2 双星形主接线方式时采用中性线电流不平衡保护

对于双星形接线的电容器组，可采用中性线电流不平衡保护。当同相的两电容器组中发生电容器故障时，流过两串电容器组的电流不等，则中性线上必流过不平衡电流。见图2双星形主接线方式采用中性线电流不平衡保护。

2.3 单相为两组电容器组串联的星形接线采用电量压差动保护方式

同样的，电压互感器的一次绕组可以兼作放电线圈，二次绕组则接成压差式反极性串连法，正常运行时电容容抗值相等，压差为零；当有电容器损坏时，由于一次绕组分压不等，则二次绕组出现差压，使保护动作。见图3单相为两组电容器组串联的星形接线采用电量压差动保护方式。

3 不平衡保护动作原因分析

①配套设备各相性能差异较大产生不平衡分量。三相放电线圈及电抗器如果性能差异较大，那即使在母线侧的三相电源平衡，电容器组一次侧平衡的情况下，在二次侧也可能产生一个虚假的不平衡电压。如果不平衡电压保护设定值较低，则这个不平衡电压可能引起误动。当然，随着放电线圈及电抗器制作工艺的进步，这种情况还是较少发生。然而，在电容器组的选型及验收启动时，还是要关注这些参数。特别是负荷侧有较大的谐波源时，由于频率的升高，容抗、感抗之间的差异更大。

②母线三相不平衡导致电容器组产生不平衡分量。电容器组主接线方式采用星形接线，受到母线不平衡分量的影响较小，基本为零，因此不至于会产生不平衡电压或电流。若是采用三角形接法，则母线三相不平衡时，即使其幅值差为2%，相角差为1°时，该不平衡电压可能达到5%以上的额定电压值。电容器组投入运行时，对于10 kV电压等级的来说，操作时的过电压可能导致其产生不平衡分量，甚至造成击穿。

③电容器组各相容抗不平衡导致不平衡分量出现。三相电容值不平衡时，比如其单个电容器组容抗出现差异乃至发生故障击穿，则由于电压分配的原因，电容值小的相或串联段所承受的电压值就更高，不平衡分量由此出现。而承受电压值较高的，其运行工况较差，因此进一步恶化，不平衡分量越来越大，最终导致不平衡保护动作。

4 电容器组故障的防范与查找

4.1 严格控制电容器的运行工况

在运行中应严格监视电容器组的运行工况，如运行温度、电压电流等。电容器受运行温度的影响较大，当运行温度升高10℃时，其电容量下降的速度就提高一倍，而长期受高温影响会使其内部绝缘介质老化、损耗角增大，最终使电容器内部温升过高，如此循环，使其使用寿命降低，严重时可能造成热击穿，一般来说，应控制其温度在40℃以内。根据相关规程规定，电容期的允许工作电压为其额定值的1.1倍，允许工作电流为额定电流的1.3倍，在运行过程中应严格监视这些电气量，当超过规定值时，应立即退出电容器组的运行。

4.2 减少抑制操作过电压

35 kV及以下的电容器组投切时，宜采用真空断路器，其较好的机械特性，可避免操作时产生过电压。断路器分闸时，合闸相相角超接近零，则熄弧时间就截止长，介质恢复的强度就越高；相反，电流相角较大时分闸，熄弧时间越短，介质强度恢复不够，容易再次燃弧。而在合闸时，若在断口电压为零的瞬时投入电容器组，则产生过电压的机率就会小很多。因此，可通过采用相位控制器来控制投切时间。

也可利用氧化锌避雷器来抑制过电压，当产生过电压时，可利用避雷器释放能量。

4.3 控制电容器安装工艺

电容器安装过程中，其接头的安装工艺对今后的运行情况有较大影响。首先，接线端与母线铝排的连接，要注意其对电容器组施加的应力，如调整不当，可能使其发生渗漏。另外，各电容器之间的连接大多是采用铜铰线连接在一起的，而电容器组母线所采用的一般是铝排，因此在其连接过程中，应采用铜铝过渡接头；否则，直接接到铝排上，接头会发热，最终可能导致不平衡保护动作。

在某站的电容器组运行过程中，曾发现在24 h内，不平衡保护接连动作两次，经检查，均是外熔丝熔断，导致不平衡保护动作，在两个熔断的熔丝处检查，均在连接母排的地方有过热现象。对整台电容器组停运后彻查的结果是，其施工过程对接线头的压接不实，导致运行过程中发热，处理后，电容器组运行正常。

参考文献：

[1] GB 50227-2008，并联电容器装置设计规范[S].

电流不平衡保护第5篇

纵差保护在发电机上的应用比较简单, 但是作为变压器内部故障的主保护, 纵差保护将有许多特点和困难。变压器具有两个或更多个电压等级, 构成纵差保护所用电流互感器的额定参数各不相同, 由此产生的纵差保护不平衡电流将比发电机的大得多, 纵差保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成的, 根据KCL基本定理, 当被保护设备无故障时恒有各流入电流之和必等于各流出电流之和。当被保护设备内部本身发生故障时, 短路点成为一个新的端子, 此时电流大于0, 但是实际上在外部发生短路时还存在一个不平衡电流。事实上, 外部发生短路故障时, 因为外部短路电流大, 特别是暂态过程中含有非周期分量电流, 使电流互感器的励磁电流急剧增大, 而呈饱和状态使得变压器两侧互感器的传变特性很难保持一致, 而出现较大的不平衡电流。

2. 纵差保护不平衡电流分析

2.1 稳态情况下的不平衡电流。

变压器在正常运行时纵差保护回路中不平衡电流主要是由电流互感器、变压器接线方式及变压器带负荷调压引起。

(1) 由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生。正常运行时变压器各侧电流的大小是不相等的。为了满足正常运行或外部短路时流入继电器差动回路的电流为零, 则应使高、低压两侧流入继电器的电流相等, 即高、低侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比。但是, 实际上由于电流互感器的变比都是根据产品目录选取的标准变比, 而变压器的变比是一定的, 因此上述条件是不能得到满足的, 因而会产生不平衡电流。

(2) 由变压器两侧电流相位不同而产生。变压器常常采用两侧电流的相位相差30°的接线方式 (对双绕组变压器而言) 。此时, 如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式 (即均采用Y形接线方式) , 则二次电流由于相位不同, 也会在纵差保护回路产生不平衡电流。

(3) 由变压器带负荷调整分接头产生。在电力系统中, 经常采用有载调压变压器, 在变压器带负荷运行时利用改变变压器的分接头位置来调整系统的运行电压。改变变压器的分接头位置, 实际上就是改变变压器的变化。如果纵差保护已经按某一运行方式下的变压器变比调整好, 则当变压器带负荷调压时, 其变比会改变, 此时, 纵差保护就得重新进行调整才能满足要求, 但这在运行中是不可能的。因此, 变压器分接头位置的改变, 就会在差动继电器中产生不平衡电流, 它与电压调节范围有关, 也随电流的增大而增大。

2.2 暂态情况下的不平衡电流。

(1) 由变压器励磁涌流产生。变压器的励磁电流仅流经变压器接通电源的某一侧, 对差动回路来说, 励磁电流的存在就相当于变压器内部故障时的短路电流。因此, 它必然给纵差保护的正确工作带来不利影响。正常情况下, 变压器的励磁电流很小, 故纵差保护回路的不平衡电流也很小。在外部短路时, 由于系统电压降低, 励磁电流也将减小。但是, 在电压突然增加的特殊情况下, 比如变压器在空载投入和外部故障切除后恢复供电的情况下, 则可能出现很大的励磁电流, 这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称励磁涌流。

(2) 由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生。纵差保护是瞬动保护, 它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲。因此, 必须考虑外部故障暂态过程的不平衡电流对它的影响。在变压器外部故障的暂态过程中, 一次系统的短路电流含有非周期分量, 它对时间的变化率很小, 很难变换到二次侧, 而主要成为互感器的励磁电流, 从而使互感器的铁心更加饱和。

3. 变压器纵差保护中不平衡电流的克服方法

(1) 由电流互感器变比产生的不平衡电流的克服方法。对于由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可采用2种方法来克服:一是采用自耦变流器进行补偿。通常在变压器一侧电流互感器 (对三绕组变压器应在两侧) 装设自耦变流器, 将LH输出端接到变流器的输入端, 当改变自耦变流器的变比时, 可以使变流器的输出电流等于未装设变流器的LH的二次电流, 从而使流入差动继电器的电流为零或接近为零。二是利用中间变流器的平衡线圈进行磁补偿。通常在中间变流器的铁心上绕有主线圈即差动线圈, 接入差动电流, 另外还绕一个平衡线圈和一个二次线圈, 接入二次电流较小的一侧。适当选择平衡线圈的匝数, 使平衡线圈产生的磁势能完全抵消差动线圈产生的磁势, 则在二次线圈里就不会感应电势, 因而差动继电器中也没有电流流过。

(2) 由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流的克服方法。对于由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流可以通过改变LH接线方式的方法 (也称相位补偿法) 来克服。对于变压器Y形接线侧, 其LH采用△形接线, 而变压器△形接线侧, 其LH采用Y形接线, 则两侧LH二次侧输出电流相位刚好同相。但当LH采用上述连接方式后, 在LH接成△形侧的差动一臂中, 电流又增大了3倍, 此时为保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中没有电流, 就必须将该侧LH的变比扩大3倍, 以减小二次电流, 使之与另一侧的电流相等。

电流不平衡保护第6篇

1 变压器差动保护的工作原理

变压器两侧电流互感器之间的电气设备是变压器差动保护的保护范围。变压器差动保护动作与否的关键在于差动继电器中流过的电流。

由上图分析可得, 差动继电器动作电流是基于节点电流的原理。当变压器运行的时候, 流入继电器的电流Ir等于变压器两侧电流互感器二次电流之差, 即Ir=Im-In。当Ir的值大于差动继电器的动作电流时, 会引起继电器的动作, 从而变压器两端断路器跳闸, 实现保护范围内的电气设备保护。综述差动保护是通过变压器高、低压两侧二次电流差引起差动继电器动作的保护装置。

2 不平衡电流的产生分析

在变压器运行过程中, 保护回路中会产生不平衡电流, 此不平衡电流的产生不属于变压器故障范围, 所以由此造成变压器差动保护动作为误动作。保护回路主要包括变压器主体、高低压两侧装设的电流互感器。故回路中产生不平衡电流的主要因素有:1) 变压器联结组别的影响;2) 变压器的励磁涌流;3) 变压器分接档位的影响;4) 变压器两侧电流互感器的差异。在产生不平衡电流的因素中, 变压器联结组别影响、变压器分接档位和电流互感器差异的因素可以通过电流的科学整定来避免, 而变压器励磁涌流作为特殊电流形态, 在保护装置设定时需特别注意。

3 变压器励磁涌流

在变压器投运过程中, 合上断路器时, 有时可以看到变压器电流表的指针摆得很大, 然后很快返回到正常的空载电流值, 这个冲击电流称为励磁涌流。

铁芯的磁饱和是变压器励磁涌流产生的原因。励磁涌流开始产生在接通电源1/4周期后, 涌流的最大值可能超过变压器额定电流的几倍甚至几十倍, 持续时间从数十个电源周期直至数十秒不等。此较大的电流会引起差动继电器动作。正常情况下, 当变压器内部发生故障时, 差动保护装置发生保护动作;而产生励磁涌流时应当闭锁电流差动保护, 使其不发生误动作。故有效区分励磁涌流和内部短路是差动保护正常运行的关键。

通过上图励磁涌流波形和内部故障电流波形的对比, 可以发现两者的区别, 从而在差动保护装置中做好设置, 避免励磁涌流引起的误动作。励磁涌流的特点:1) 励磁涌流波形是间断的, 间断角很大, 短路电流波形则为连续的。2) 励磁涌流波形多为尖顶波, 含有大量的二次谐波分量, 而短路电流波形接近正弦波。3) 励磁涌流包含有很大的非周期分量, 使涌流偏于时间轴的一侧。

针对以上励磁涌流的特点, 可以依靠以下方法来鉴别励磁涌流, 从而避免差动保护装置的误动作。

根据有无间断角来区分电流的类型, 励磁涌流的电流波形有明显的特征, 即波形中有较大的间断。当差流的间断角大于65°时, 判别为励磁涌流, 间断角小于65°且波宽大于140°时则短时开放差动继电器。差动保护装置利用二次谐波制动。谐波含量作为内部故障电流和励磁涌流的另一重要区别。励磁涌流中含有大量偶次谐波分量, 特别是二次谐波分量最大, 而内部故障时不会产生如此多的二次谐波分量, 因此可以通过计算差流中的二次谐波分量来区分励磁涌流, 如果其值较大即判断为励磁涌流, 否则为内部故障。

破坏励磁涌流在差动继电器中传递也是防范励磁涌流对差动保护功能的影响的有效的方法, 采用速饱和变流器的继电器。具有极易饱和特性的铁芯的速饱和变流器, 在励磁涌流通过时, 由于其中的非周期分量使速饱和变流器的铁芯迅速严重饱和, 励磁阻抗锐减, 使得励磁涌流中几乎全部非周期分量及部分周期分量电流从一次侧绕组变换到二次侧绕组的电流很小, 所以差动保护装置就不会动作。

4 变压器差动保护电流整定

差动保护电流的整定计算是按变压器的额定变比计算二次额定工作电流, 从而确定差动继电器平衡线圈匝数的。档位的改变使该侧的工作电流变化, 而电流互感器变比没变, 则磁势不再平衡, 将导致新的不平衡电流。因此需做好差动保护动作整定电流的计算。差动保护初始动作电流的整定原则, 是躲过正常情况下的最大不平衡电流。拐点电流的整定原则, 应使差动保护能躲过区外较小故障电流及外部故障切除后的暂态过程中产生的最大不平衡电流。比率制动系数的整定原则, 是使被保护设备出口短路时产生的最大不平衡电流在制动特性的边界线之下。

5 结语

在差动保护回路中产生不平衡电流的原因是多方面的。在实际操作中严格按规程要求, 认真分析各个细节, 了解变压器差动保护的特点, 通过科学的差动保护电流整定, 保护装置的误动作是可以避免的, 从而保证变压器的安全稳定运行。

参考文献

[1]朱康林.安徽冶金科技职业学院学报, 2008.

电流不平衡保护第7篇

关键词：变压器,差动保护,不平衡电流,励磁涌流

0 引言

变压器是电力系统中重要的设备,不但价格高昂,而且重要性极高,因此为电力变压器配备适合的保护是必要的。对于高电压等级及容量较大、重要性较高的变压器,一般配备有电流差动保护。电流差动保护被作为主保护广泛应用于保护发电机、母线等主要电力设备,当今它在高压输电线路中也获得了越来越多的应用,是一种优秀的保护形式。差动保护的原理是基于基尔霍夫电流定律,即正常运行时,流入设备的电流等于流出设备的电流。然而对于变压器而言,差动保护严格意义上说并不完全适用,而应从能量守恒的原理上理解为流入的能量等于流出的能量。正是由于变压器、互感器的一些特点,导致差动保护应用于变压器时,会出现一些与母线、发电机、线路应用中不同的问题,即产生了各种原因的不平衡电流,本文便对此展开研究。

1 不平衡电流产生的基本原因

为了简化分析,以双绕组变压器为例,三绕组变压器的分析类似。双绕组变压器的基本原理是通过一、二次线圈的电磁耦合,将一次侧的电压电流转变为二次侧的电压电流,其转变的特点与一、二次线圈的匝数N有直接关系,可以简单表示为:

式中,N1、N2分别为变压器一、二次线圈的匝数:i1p、i2p分别为变压器的一、二次电流:u1p、u2p分别为变压器的一、二次电压。

由于变压器差动保护仅考虑电流,因此仅需关注电流的关系。进入保护的电流并非变压器两侧的电流,而是经过了电流互感器的传变。因此,考虑到电流互感器的变比,进入保护的电流将转变为:

式中,na1、nta2分别为变压器一次侧和二次侧采用电流互感器的变比。

因此,进入保护的差流为:

理想情况下,正常运行的变压器严格符合式(1),并且电流互感器选择合理,因此对于式(5)而言,可以得到差流Id=0。在变压器发生内部故障时,其状况不再符合式(1),因此会产生较大的差流。这就是变压器差动保护可以区分正常运行与区内故障并动作的基本原理。

然而,实际的运行状态并非理想状态,由于变压器励磁的存在,即使在正常运行时,式(1)也并不能严格保证,而励磁电流较大时甚至会偏离较大。同样,电流互感器的变比也并不能做到完全合适,因为电流互感器的变比是由规范制定的,只能在一定范围内选择。此外,由于变压器两侧的电流大小不同,因此两侧电流互感器型制很难一致,于是特性也就有较大差异,这就导致了式(5)偏离理想情况。综上,变压器的磁特性和电流互感器特性是导致其差动保护产生不平衡电流的根本原因。

2 励磁原因导致的不平衡电流

励磁原因指的是变压器铁芯因为某种原因达到饱和,无法正常转变电流而导致的差动保护产生不平衡电流。主要可以划分为合闸时的励磁涌流、故障切除时的励磁涌流、和应涌流、过励磁等。

2.1 励磁涌流

当对空载变压器进行合闸时,变压器电源侧加入电压,电能首先用于建立磁场。由于变压器可能具有剩磁,且变压器的励磁特性是非线性的,当磁链超过饱和点时,就会从电源吸收非常大的电流。这就导致了励磁涌流非常大,励磁涌流主要取决于变压器的剩磁。励磁涌流的特点是只会出现在变压器的一侧,即电源侧,由变压器差动保护的特点可知,其可能导致差动保护误动作。励磁涌流会由于电路的损耗而逐渐变小,绝大多数变压器的励磁涌流会持续衰减几秒钟,才能使涌流的影响降至可以忽略。

当变压器外部发生近距离故障,故障被切除时,变压器铁芯的状态与空载合闸时类似,同样会产生励磁涌流,被称为外部故障切除时的励磁涌流。这种励磁涌流一般小于空载合闸时的励磁涌流,但较大时也可能导致变压器差动保护误动作。涌流的大小与故障切除的时刻有关,过渡过程中可能在磁链上存在一个直流偏移量,而使波形与空载合闸时的涌流非常相似。

励磁涌流的重要特点是产生了大量谐波,表1展示了励磁涌流的谐波含量,其中α为合闸角度。

2.2 和应涌流

和应涌流(Sympathetic Current)指的是由于并联或串联变压器投入运行而导致先前已经投入运行的变压器产生涌流的现象。运行变压器会由于其他并联或串联变压器合闸而产生涌流,它在变压器合闸涌流持续一段时间后才产生,偏向时间轴另一侧,然后逐渐增大,达到最大后又逐渐衰减。和应涌流很特殊,却经常发生。

不管是励磁涌流还是和应涌流,其特点都是系统发生变化,即出现于故障发生后切除设备时或者有变压器投入时。由于新投入变压器可能存在故障,而故障发生后可能会进一步蔓延,此时这正是变压器保护发挥作用的时候,但其对于涌流和故障难于区分,这就导致了励磁涌流被判为故障而误动的情况多有发生。

3 电流互感器原因导致的不平衡电流

电流互感器原因导致的不平衡电流在前文已有分析,其基本原因是电流互感器本身存在误差、两次电流互感器的型制不同以及所选的电流互感器变比与计算变比不完全一致。但这些原因都不足以导致差动保护的误动作,可能导致误动作的原因是电流互感器的饱和。

当某些外部故障发生时,故障电流很大,通过变压器时可能导致变压器某侧的电流互感器发生饱和,这就会造成不平衡电流通过保护。电流互感器的饱和越严重,差流也越大。图1展示了电流互感器发生饱和时的电流波形,其中阴影部分即为差流。

4 解决措施

对于不平衡电流问题的解决,就是要在正常运行时保障差动保护不会误动作。其解决方法主要是根据不平衡电流的特点,对保护加以闭锁,防止保护的误动作。

对于励磁涌流,主要是利用涌流的特点加以识别,励磁涌流的特点是含有较大分量的谐波,其中以二次谐波为最大,并存在间断角。因此,主要的励磁涌流判据为间断角判据和谐波判据。对于和应涌流,可以通过给并联变压器配置各自独立的差动保护系统来解决。对于电流互感器饱和,可以通过选择适当的饱和判据,判别确为发生饱和问题加以处理。

参考文献

[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京:中国电力出版社,2002

[2]唐跃中,刘勇,陈德树,等.几种变压器励磁涌流判别方法的特点及其内在联系的分析[J].电力系统自动化,1995,19(9):53-59

[3]徐岩,王增平,杨奇逊,等.一种变压器保护方案的仿真研究[J].华北电力大学学报,2003,30(6):11-16

[4]李明斌,粱冠安.基于控制策略的变压器励磁涌流分析[J].高电压技术,2004(30):14-16

电流不平衡保护第8篇

励磁绕组匝间短路故障不仅会使发电机励磁电流增大、输出无功功率减小,还会导致机组振动加剧,影响系统的安全稳定运行。转子旋转中励磁绕组承受离心力造成绕组间的相互挤压及移位变形、励磁绕组的热变形、通风不良造成的局部过热等是造成发电机励磁绕组匝间短路的重要原因,这些原因引起的故障多在发电机实际运行时发生[1,2]。利用发电机运行中的电气量实现对励磁绕组匝间短路故障的在线监测可发现这些离线时无法检测的动态短路故障,能更加有效地避免突发性严重短路,是近年来的研究热点[3,4,5]。

目前的研究已实现对发电机励磁绕组匝间短路故障的准确、快速计算[6,7,8],并对故障特征及机理进行了深入、细致的理论研究[9,10],为基于发电机电气量的故障在线监测提供了依据。

由于定子绕组内部故障对发电机的破坏力极大,大型发电机一般都配置了主保护。若发电机主保护装置在对定子内部故障作出反应的同时也能实现对励磁绕组匝间短路故障的监测将十分有意义。为此,本文以三峡左岸VGS发电机为例,介绍了该发电机已配置的主保护,并对发生励磁绕组匝间短路故障后进入各种主保护所配电流互感器的不平衡电流进行计算分析,在此基础上提出一种基于不平衡电流有效值的故障监测原理。计算与分析表明,该故障监测原理能解决依靠单一谐波检测所带来的一系列问题,可较灵敏地反应于励磁绕组的小匝数短路故障。

1 三峡VGS发电机配置的主保护

图1所示为三峡VGS发电机(基本参数见附录A)已配置的主保护示意图,包括:

1)完全纵差保护:能灵敏地反应于发电机定子绕组所有可能发生的相间短路。

2)完全裂相横差保护:能反应于定子相间短路、同相不同分支或同相同分支间短路(匝间短路)及分支绕组开焊故障。

3)零序电流型横差保护:能保护的故障性质与完全裂相横差保护相同。

2 励磁绕组匝间短路时进入主保护的不平衡电流分析

励磁绕组匝间短路故障虽然对定子相电流影响较小,但由于匝间短路造成励磁绕组在各极下的结构差异,励磁绕组产生的气隙空间磁场会出现1/P,2/P(P为电机的极对数)等次数的谐波,这些谐波在同相各分支感应出的分数次励磁电动势相位不同,于是在定子绕组内部产生同相不同分支之间的环流,各分支电流不再相等[7]。而主保护配置的分支(组)电流互感器和中性点连线间电流互感器能够反应于定子相绕组内部的环流,这使得利用主保护配置的硬件来监测励磁绕组匝间短路故障成为可能。本节将采用多回路分析法计算励磁绕组匝间短路时进入各主保护所配置电流互感器的不平衡电流,并分析其性质,以探讨监测励磁绕组匝间短路故障的可行性。

2.1 完全纵差保护

励磁绕组匝间短路故障只会引起定子相绕组内部不平衡分支电流,相电流无明显变化。而完全纵差保护只配置相电流互感器[11],无法反应于励磁绕组匝间短路的故障特征量(经计算得出同样结论)。

2.2 完全裂相横差保护

如图1所示,三峡左岸VGS发电机将定子绕组每相的并联分支分成2个部分:每相的1,2,3这3个分支成一组,4和5这2个分支成一组。2组互感器变比应为3∶2(若为微机保护2组互感器可用同一变比,但也需用软件调整两者的平衡),理论上电机正常运行时进入差动继电器的电流为0。

以A相为例,当发生励磁绕组匝间短路时,转子磁场畸变引起流入差动继电器一次侧的不平衡分支电流id为:

$i_{d} = \frac{5}{3} i_{Τ A 1} - \frac{5}{2} i_{Τ A 2} (1)$

式中:iTA1和iTA2分别为A相2组互感器一次侧电流。

根据式(1),采用励磁绕组匝间短路故障的多回路数学模型[6,8],计算出该发电机额定联网负载下,励磁绕组一极短路(短路匝比1.25%,短路匝比为短路匝数与总匝数的比值)时,进入完全裂相横差保护差动继电器的不平衡电流如图2所示。图2(a)的波形是故障前后整个过渡过程的波形,在t=40 s时励磁绕组发生匝间短路,则t<40 s的波形代表故障前的正常稳态运行状态,t>40 s的波形代表发生故障后的过渡过程;图2(b)代表故障后的稳态波形。下文同。

从图2可以看到,发生励磁绕组匝间短路故障后,有明显的不平衡电流流过裂相横差保护。对励磁绕组发生一极匝间短路(对应图2(b))及5%匝间短路(4极短路)时,进入裂相横差保护差动继电器的不平衡稳态电流进行傅里叶分析,结果见表1(表中的基波分量指50 Hz的频率分量)。

2.3 零序电流型横差保护

由图1可知,进入零序横差保护的中性点连线电流io2,o1为三相的1,2,3分支电流之和,励磁绕组短路一极短路时的计算波形见图3。对励磁绕组发生一极匝间短路及5%匝间短路时进入零序电流型横差保护的不平衡稳态电流进行傅里叶分析见表2。

从表1和表2可以看出,故障后流过完全裂相横差保护和零序电流型横差保护的不平衡电流理论上主要以分数次谐波为主,不含基波分量。

3 基于主保护不平衡电流有效值的励磁绕组匝间短路故障监测原理

3.1 监测原理的提出

由表1和表2可见,励磁绕组5%匝间短路时,进入完全裂相横差保护及零序电流型横差保护的不平衡电流中,幅值最大的分量是频率接近50 Hz的41/40次谐波,如果提取该谐波作为参考量,整定合适的动作值,理论上可以反应于这个故障。但一方面,由于41/40次谐波的频率非常接近于基波,实现这个动作判据较为困难;另一方面,实际上一般极少发生如此多短路匝数的匝间短路故障(除非是与励磁绕组匝间短路等效的匝数较大的转子两点接地短路)。当短路匝数较少时,由于励磁电流产生的磁动势不会造成气隙磁场的明显畸变,且大型水轮发电机一般极数很多,使得发生在某一极绕组内的匝间短路较难通过定子电流的某次谐波来检测。例如本文计算的三峡VGS发电机共80极,即使1极绕组全部短路,进入完全裂相横差保护及零序电流型横差保护最大的是1/40次谐波,分别为1 142.2 A和775.7 A,而额定基波相电流达到了22 453.0 A,在实际检测中会比较困难。另外,单次谐波的有效值并不一定随短路匝数的增加而增大,例如励磁绕组5%匝间短路时进入主保护不平衡电流中的1/40次谐波比1.25%匝间短路时还要小,这无疑给监测装置的整定带来了困难。

由于不平衡电流中的这些分数次谐波均由励磁绕组匝间短路故障引起,且不同于机端外部短路[12]、定子匝间短路[13]、转子静偏心故障[14]等。如果将该不平衡交流电流的有效值作为参考量,则可包含所有的故障特征量,实现故障特征的最大限度提取,能解决依靠单一分数次谐波所带来的一系列问题,为励磁绕组匝间短路故障的监测提供一条有效的途径。下面对其可行性进行详细分析。

3.2 新原理的可行性分析

以零序电流型横差保护的不平衡电流为例,该电流的有效值为:

$Ι_{o_{2}, o_{1}} = \sqrt{Ι_{1 / 40}^{2} + Ι_{2 / 40}^{2} + Ι_{3 / 40}^{2} + \dots} = \sqrt{\sum_{\begin{matrix} k = 1 \\ k \neq 40 \end{matrix}}^{\infty} Ι_{k / 40}^{2}} (2)$

式中:I1/40,I2/40,I3/40,Ik/40分别为不平衡电流中的1/40次、2/40次、3/40次、k/40次谐波电流有效值。

若按式(2)对不平衡电流的有效值进行计算,需分解出电流中的各次谐波分量,计算量大且会带来不可避免的截断误差。根据周期电流有效值的定义,有

$Ι_{o_{2}, o_{1}} = \sqrt{\frac{1}{Τ} \int_{0}^{Τ} i_{o_{2}, o_{1}}^{2} d t} (3)$

式中:T为该电流的周期。

根据式(3),选择合适的数值积分方法即可求得该不平衡电流的有效值。本文采用Romberg(龙贝格)法,该方法应用了线性外推的加速方法,同时采用了提高阶数和减小步长2种提高精度的措施,具有计算量小、收敛性好、精度高等优点,是等间距采样情况下的首选[15],能满足微机监测装置实时处理的需求。

表3列出了励磁绕组不同程度短路时进入完全裂相横差保护及零序电流型横差保护中不平衡电流的总有效值计算结果。

从表3可见,进入2种主保护的稳态不平衡电流的有效值与短路匝比之间的关系并不一致,图4所示为不同主保护中两者的关系。

从图4可见,进入完全裂相横差保护的不平衡稳态电流有效值随着励磁绕组短路程度的增加而近似线性增长;而进入零序电流型横差保护的不平衡电流却没有这样的特性,解释如下。

进入完全裂相横差保护的是一相绕组内部的不平衡电流,尽管随着短路匝数的增加不平衡电流中的各次谐波含量有的增大有的减小。但转子不平衡程度的增加导致励磁磁动势及磁场的畸变加大,使得相绕组内部不平衡电流有效值近似与短路匝数成正比。

而零序电流型横差保护的不平衡电流本质上为三相不平衡电流的叠加,随着短路匝数的增加,虽然一相绕组内部的不平衡电流有效值始终增大,但由于各次谐波大小随着短路匝数的变化规律不同,且有些频率的谐波三相合成后有效值会增加(如1/40次谐波),而有的三相合成后有效值会减小(如39/40次谐波),这就使得故障后进入零序电流型横差保护的不平衡电流有效值并没有随短路匝数的增加而单调增大。

从以上分析可知,利用完全裂相横差保护所配置的电流互感器采集电流信号,并按上述方法对每相绕组内部不平衡的电流信号进行数字处理(可由微机实现),可实现对励磁绕组匝间短路故障的监测,而零序电流型横差保护的电流互感器电流则不太适合用来反应于励磁绕组匝间短路故障。另外,经过对其他各种发电机的计算与分析可知,不完全纵差保护的电流互感器电流也能反应于励磁绕组匝间短路故障,其特点类似于利用完全裂相横差保护电流互感器的监测方法。

由表3可见,当发生励磁绕组1.25%匝间短路故障时进入完全裂相横差保护的不平衡电流有效值为2 281.7 A,已超过基波相电流的10%,灵敏度较利用单次谐波(如1/40次)有了很大提高。

3.3 转子匝间短路故障监测与某些常规保护的配合

本文提出的励磁绕组匝间短路监测方法,其信号源来自主保护所配电流互感器中的不平衡电流。而发生定子内部不对称故障时流过主保护的不平衡电流会增加(实际上机端外部故障时固有不平衡电流也会有所增加),尽管在定子故障很快发展到稳态后不平衡电流中主要是基波及3次谐波,而并非转子匝间短路的故障特征量,可采用其他方法进行滤波,但仍很难避免造成励磁绕组匝间短路监测的误判。为此可在定子主保护动作时对励磁绕组匝间短路监测进行短延时处理,在判断没有发生定子内部故障和机端外部短路时,再发出励磁绕组匝间短路故障信号。

由于定子内部故障和机端外部故障发生后相应的保护一般会在1~2个周期(0.02~0.04 s)内动作,因此延时不必取过长。而励磁绕组匝间短路发生后,短时间内不会对发电机造成恶劣的影响。除此之外,当转子发生匝数很大的严重短路时,如表2所示的励磁绕组5%匝间短路时,定子不平衡电流中将含有较大的与基波频率非常接近的谐波分量,即使导致主保护动作也是合理的,因为这能够避免励磁绕组严重的匝间短路对发电机安全的威胁。

事实上,也确有因励磁绕组匝间短路造成发电机主保护动作的情况发生。2005年5月30日上午,凤滩水电站6号发电机在满载工况下甩负荷后,不完全裂相横差保护动作。但停机检查没有发现主保护装置有任何异常。重新并网后,下午不完全裂相横差保护再次动作,而且停机过程中不完全纵差保护也动作,而完全纵差保护没有动作。检查表明,该发电机定子绕组并无短路,下午的动作原因主要是励磁绕组有匝间短路故障。

已有的研究与实践表明,当发电机发生定子内部故障后,进入主保护的暂态不平衡电流是先到一个极大值后再衰减到稳态[12,16],而从图2和图3可知,当发生励磁绕组匝间短路时,进入主保护的暂态不平衡电流是逐渐增大的。当发电机主保护动作后,可通过查看保护录波的暂态过程来判断是否因励磁绕组匝间短路故障动作跳闸,以便尽快查找故障、缩短检修周期。

4 结语

本文首先分析了励磁绕组匝间短路对发电机主保护不平衡电流的影响,在此基础上提出一种采用不平衡电流有效值为参考量的故障监测原理。实践表明,发电机正常运行时,由于互感器及电机制造的误差也会给主保护带来不平衡电流,并且以基波及奇数次谐波为主[11]。如何抑制这一正常运行时的不平衡电流给励磁绕组匝间短路监测带来的影响是下一步的工作重点。在此基础上,进一步探索防误动性能较好的高灵敏监测方案(包括短路匝数的估算),如采用比率式制动原理或故障分量保护原理等。

此外,由于绝大多数的汽轮发电机中性点仅引出3个端子,不具备安装分支电流互感器的条件,无法应用裂相横差保护或不完全纵差保护等对定子绕组及励磁绕组匝间短路故障作出反应。笔者呼吁大型汽轮发电机的设计专家与制造厂商改变目前的中性点引出方式[17],以实现对发电机的定、转子绕组的高质量保护(或监测)。针对这种不具备分支电流互感器安装条件的汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障的在线监测方法也应在今后重点研究。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

“H”桥不平衡电流调整方法研究第9篇

电力电容器广泛应用于电力系统中, 在交流输电中主要用于无功补偿, 在直流输电中主要用于滤波, 它的可靠性直接影响到系统的安全稳定。随着电力系统向高电压、大容量方向发展, 电容器组的容量也日益增大, 工程中电容器组多由多个容量较小的电容器单元串联后再并联组成“H”桥 (即对称的H型结构) , 在H型的连接中点装设有电流互感器。运行时, 若所有电容器单元都正常, 那么电流互感器监测到的电流理论上为零;若有单元出现故障, 则其电容量发生改变, 将导致H型各臂阻抗不再平衡, 监测到的电流就不再为零, 故障越严重不平衡电流就越大。近年来, 由电流不平衡保护动作引起的电容器跳闸事故时有发生, 事故处理时除了要更换故障电容器外, 还要重新调整电容器单元的排序, 使H型各臂恢复平衡。因此, 有针对性地对调整方法及调整效果的检验方法展开研究非常有必要。

1 故障现象

某年4月2日14时许, 500kV某线路C相发生单相瞬时性接地故障, 线路串补三相永久旁路, 工作人员登上串补平台检查未见异常。在出现故障电流时刻至跳闸时刻期间, 电流波形出现多次间断, 畸变严重, 频率很高且不固定, 达到基波的5~10倍, 与电弧波形有相似之处, 但与电容器组实际的不平衡波形 (正弦波) 不符。当日18时许, 串补重新投运后, C相电容器组不平衡电流较故障前有较大增长。

2 初步分析

故障发生前, C相电容器组不平衡电流约为0.03A, 不平衡电流百分数 (不平衡电流/低定值旁路阀值) 约为8%, 相应的线路电流约为300A。串补重新投入后, 不平衡电流增长到0.07~0.12A, 不平衡电流百分数为18%~31%。

2.1 理论计算

对该串补不平衡保护模型进行理论计算 (按线路电流为330A计算) , 结果见表1。

由表1可知, 当线路电流为330A, 损坏1个电容器内的1个元件时, 不平衡电流百分数的理论计算值为15%。查询历史曲线可知, 故障后C相电容器组在线路电流为330A时不平衡电流百分数为21% (小于26%) 。考虑到故障前电容器组已存在8%左右的不平衡电流, 因此可初步判断接地故障产生的冲击至少导致C相电容器组中某个电容器单元内有1个元件损坏。

2.2 现场试验

对C相电容器组进行试验检查, 不平衡TA、电流回路及继电保护系统均未发现异常;测量单节电容量, 除编号为616的电容器误差为5.9% (规程要求值为5%) 外, 其它电容器总体比铭牌值略低;现场实测各臂电容基本平衡 (4个臂电容量分别为193、193、194、194μF) , 而依据实测单节电容量计算各臂电容值存在不平衡现象, 据铭牌计算值也存在不平衡现象, 这是由于现场试验设备精度不够, 且低压试验不能将电容器的内部缺陷完全暴露出来。

3 处理措施

不平衡电流的调整是个非常复杂的问题, 通常的做法就是调整、试投运、再调整、再试投, 直到不平衡电流降到可以接受的范围。但在对设备安全稳定运行要求越来越高的今天, 这显然是不可取的, 调度也不赞同对串补进行多次投退。因此, 检修人员只能边调整边摸索, 力图将试投运的次数减到最少。

3.1 初步调整

考虑到误差较大的电容器存在电容单元损坏的可能性较大, 对误差最大的两节电容器用铭牌值相近的备品进行更换, 同时依据实测电容值及原先不平衡电流的大小和方向, 对不同臂上的两节电容进行了互换, 以减小不平衡度。调整后, 根据铭牌值仿真得到的不平衡电流较大, 为0.63A。由于该串补电容器全为二次安装旧设备, 大量电容器内部可能存在损坏的元件, 投运时虽已把不平衡电流调整到较小值, 但存在损坏元件的电容器分布各臂, 状态非常复杂, 因此电容器的测量值、铭牌值与实际值之间存在较大误差, 也无法确定不平衡电流的仿真值与实际值之间的数量关系, 仅依据仿真模拟无法对不平衡电流进行有效控制。为检验调整效果, 只能试送电一次。设备试送成功后, 监控系统检测到的实际不平衡电流为0.90A (电容器电流为1 430A) , 为不平衡告警值的140%, 且方向与未调整前的相反。由此可以确定, 本次调整量过大, 设备需退出运行并做进一步调整。

3.2 依据模拟试验进行调整

为避免再复试投运, 决定采用低压模拟试验来检验调整效果。具体做法是:对整相电容器组加0~200V工频交流电压, 用钳形电流表测试电容器总电流, 将万用表串联接入不平衡电流测量支路, 记录不同电压下的电容器总电流和电容器不平衡电流, 如图1所示。需要注意的是, 不平衡电流极其微小, 应选用精度较高的万用表。若现场附近有带电设备, 则会产生较大工频干扰, 将影响测量结果的准确性, 因此该方法仅适用于全站或整条线路停电的情况, 在无法保证附近设备全停情况下, 可采用高频电源以降低工频干扰。

在电容器组施加200V交流电压后, 测得总电流为12.17A, 不平衡电流为1 310μA。按实际运行电流1 430A时不平衡电流为0.9A的比例折算, 不平衡电流应为7 745μA, 与1 310μA差别较大, 表现出很强的非线性关系。其原因除了试验电压低, 受干扰较大外, 还存在故障元件的电容器在低压条件下工作正常, 但在较高的运行电压下故障元件击穿, 导致其电容量发生变化的问题。因此, 模拟试验得出的不平衡电流为零时, 实际运行时不平衡电流未必为零, 调整时还要综合考虑存在故障元件电容器的分布问题。

按试验电压200V进行仿真, 电容器组的总电流为12.21A, 不平衡电流为5 186μA, 比低压模拟试验得出的不平衡电流大;按1 430A实际负荷电流仿真, 不平衡电流为0.63A, 较实际的0.9A小。这也说明某些电容器内仍存在损坏的元件。

参考电容器实测值仿真结果, 对电容器组先后进行了3次调整 (见表2) , 低压模拟试验测得的不平衡电流值线性度较好且依次减小 (见表3) , 最终降至28μA。再次投运后, C相电容器总电流为1 260A, 不平衡电流为0.017A, 不平衡电流百分数为3%, 达到了预期的调整效果。

4 结束语

(1) 由于电容器的现场实测值误差较大, 因此调整电容器时, 要参考铭牌值, 并考虑实测值, 应首先更换误差较大的电容器。

(2) 电容器组不同的桥臂均可能存在内部元件损坏的电容器, 分布复杂, 在某种情况下处于平衡状态, 然而某些电容器对不平衡电流的影响极大, 一旦对其进行换位, 不平衡电流即产生较大的变化。

(3) 仿真计算是有效的事前校核手段, 可优先考虑, 但要结合实际情况灵活使用。电容器的调整不能简单按桥臂的电容计算量进行。

(4) 低压模拟试验在一定程度上能反映电容器的实际运行情况, 但与实际运行的状态不成线性关系, 试验数据要结合仿真计算综合分析。

(5) 调整时, 要尽可能针对测量值与铭牌值误差较小的电容器进行, 避免对误差较大的电容器进行调整;依据不平衡电流随调整电容量的变化率, 先大调、后小调的逐步进行。

(6) 充分利用仿真计算、低压模拟试验等方法对不平衡电流进行有效控制, 避免向调度机构申请反复试投, 以降低操作风险。

摘要：一旦运行中的电力电容器组出现不平衡电流超标, 就需要对电容器的组合方式进行调整。通过理论计算及不平衡电流模拟测试, 对一组“H”桥电容器组故障后调整实例进行分析, 结果显示不平衡电流模拟测试法是对电容器进行调整后的一种非常有效的检验方法。

关键词：“H”桥,不平衡电流,电容器,仿真,调整

参考文献