變壓器保護用電流互感器飽和仿真與選型

諶爭鳴 王冠南 諶鴻

摘要：本文對一起因220kV線路重合于永久性故障而引起主變差流速斷保護動作的原因進行了分析。故障錄波圖顯示的重合閘時的故障電流波形發(fā)生了畸變，它是由于用于變壓器差動保護的電流互感器TA飽和所致，從而使得變壓器保護產生差流且達到差流速斷保護定值而誤動。為了合理選擇用于變壓器差動保護電流互感器TA參數(shù)，搭建了RTDS仿真模型，進行仿真計算。首先對所用的電流互感器TA進行仿真計算，所得出的仿真波形與故障錄波器所錄波形基本吻合，表明仿真計算是可行的；然后，對電流互感器TA采用不同參數(shù)進行仿真計算，從而提出了TA參數(shù)選擇的要求。

關鍵詞：變壓器；TA飽和；仿真；選型

中圖分類號：TM771文獻標志碼：A

0 引言

變壓器在電力系統(tǒng)中起著重要的作用，差動保護作為其主保護，保證了變壓器的安全可靠運行。為了避免變壓器勵磁涌流影響，差動保護配置了勵磁涌流閉鎖元件，這樣在變壓器內部發(fā)生嚴重故障時，由于電流互感器飽和，出現(xiàn)二次諧波電流和發(fā)生波形畸變，差動保護被閉鎖而不能可靠動作。為此，配置了主變差流速斷保護，作為差動保護的一個輔助保護，當變壓器內部發(fā)生嚴重故障時能快速動作切除故障。為確保主變差流速斷保護可靠動作，對其誤動進行分析，并提出防范措施，顯得非常必要。

1 變壓器保護動作原因分析

1.1故障與保護動作情況

220kV XS線211斷路器、MS線212斷路器經內橋231斷路器環(huán)網向#1、#2主變送電；#1主變帶110kVI段及10kVI段負荷，#2主變帶110kVII段及10kVII段負荷，10kV分段931斷路器處熱備用，#1、#2主變220kV及110kV側均處并列運行狀態(tài)，如圖1所示。

距某220kV變電站1.6km處，由于施工場地塔吊臂觸碰220kV XS線A相導線， 導致XS線A相發(fā)生永久性金屬接地故障，雙套線路保護A相跳閘出口，跳開211斷路器A相；而后重合閘動作，重合于永久性故障上，雙套線路保護三相跳閘出口，跳開211斷路器三相；同時，#1主變雙套差流速斷保護動作，跳211、231斷路器三相，導致#1主變停運。

圖1 主接線圖

1.2保護動作原因分析

變壓器A、B套保護高壓側電流為211、231電流互感器電流合成。

220kV XS線初次故障時，211電流互感器#1變壓器保護用繞組電流波形未發(fā)生畸變，變壓器保護未動作。圖2（a）、3（a）分別為變壓器A、B套保護故障錄波圖。

（a） 初次故障

（b）重合于故障

圖2 XS線故障時變壓器A套保護故障錄波圖

（a） 初次故障

（b）重合于故障

圖3 XS線故障時變壓器B套保護故障錄波圖

220kV XS線重合于故障時，211電流互感器#1變壓器保護用繞組電流波形發(fā)生畸變，差流峰值達43.6A，變壓器A、B套保護感受的差流分別為12.114A、13.81A，已超過了變壓器差流速斷定值11.75A，從而導致重合于故障時#1主變差流速斷動作，跳開211、231、101和901斷路器三相。圖2（b）、3（b）分別為變壓器A、B套保護故障錄波圖。由于差流中二次諧波分量已達35%，超過涌流閉鎖定值18%，所以比例差動保護未動作。

1.3 TA飽和分析

在短路引起的暫態(tài)過程中，短路電流中的非周期分量中含有大量的直流分量，直流分量不會轉變到二次，但會改變鐵芯的工況，使鐵芯高度飽和，進而使二次短路電流波形發(fā)生偏移而產生畸變。若系統(tǒng)有重合閘，第一次短路開斷后在鐵芯中產生的衰減剩磁，將在重合故障時對鐵芯中的磁通帶來進一步影響，嚴重時剩磁極性與重合時短路電流暫態(tài)分量引起的磁通極性一致時，鐵芯磁通飽和程度加重，二次電流波形畸變也隨之加大。剩磁一旦產生，在正常的工況下不易消除。#1主變保護高壓側211電流互感器采用準確級為5P15、變比為800/5的繞組，飽和電壓實測值為147.14V；231電流互感器采用準確級為5P30、變比為800/5的繞組，飽和電壓實測值為156.06V。它們均為P類電流互感器，對剩磁無限制。211電流互感器準確限制系數(shù)較低，受故障非周期分量和剩磁影響而發(fā)生暫態(tài)飽和，導致211電流互感器二次側電流波形發(fā)生畸變。下面將就211電流互感器受故障非周期分量和剩磁影響情況，進行仿真計算。

2 TA飽和仿真計算及選型

2.1仿真模型參數(shù)

采用RTDS進行TA飽和仿真。與220kV變電站所連系統(tǒng)視為無窮大系統(tǒng)；線路、變壓器采用實際參數(shù)；中、低壓側負荷為故障時的實際負荷；電流互感器特性采用試驗所得的伏安曲線。

2.2仿真結果

（1）211電流互感器采用5P15、800/5繞組的數(shù)字仿真驗證。設置重合時故障角為0°，故障電流非周期分量為最大值，剩磁系數(shù)為0.4。當220kV XS線重合于永久性故障時的仿真波形如圖4。仿真波形與實際波形基本吻合，驗證了仿真模型的準確性。

圖4 XS線重合于故障時，211 TA二次仿真波形（5P15、800/5繞組）

（2）211電流互感器采用5P20、1600/5繞組的數(shù)字仿真驗證。設置重合時故障角為0°，故障電流非周期分量為最大值，剩磁系數(shù)為0.4。設置重合時故障角為0°，故障電流非周期分量為最大值，剩磁系數(shù)為0.4。當220kV XS線重合于永久性故障時的仿真波形如圖5。從圖5可看出，211 TA 5P20、1600/5繞組比5P15、800/5繞組二次電流畸變程度要輕，說明TA額定電流大和準確限制系數(shù)大，抗飽和能力要強。

圖5 XS線重合于故障時，211 TA二次仿真波形（5P20、1600/5繞組）

（3）211和231電流互感器均采用5P30、1600/5繞組的數(shù)字仿真。圖6為 220kV母線單相永久性故障，初次故障時，211 TA與231 TA合成電流仿真波形。說明初次故障時，211和231電流互感器合成電流無畸變。圖7為 220kV母線單相永久性故障，重合于故障時（故障角為0°，故障電流非周期分量為最大值，剩磁系數(shù)分別為0.4、0.2），211 TA與231 TA合成電流仿真波形。說明重合于故障時，211 TA與231 TA合成電流產生嚴重的畸變。經數(shù)字仿真，變壓器保護若采用211 TA與231 TA 5P30、1600/5繞組，在重合于永久性故障時，其合成電流仍將發(fā)生嚴重畸變。

圖6 初次故障時，211 TA與231 TA合成電流仿真波形

圖7 重合于故障時，211 TA與231 TA合成電流仿真波形

（4）現(xiàn)有的211和231電流互感器無論采用5P15、800/5繞組和5P20、1600/5繞組，還是采用5P30、1600/5繞組均不能滿足要求，因此，應更換現(xiàn)有的211和231電流互感器。

2.3 TA選型

根據(jù)江西電網中期參數(shù)，計算出該220kV變電站220kVXS線出口故障短路電流為21.57kA。依據(jù)《DL/T 866-2004電流互感器及電壓互感器選擇及計算導則》和仿真結果，考慮非周期分量和剩磁影響，211和231電流互感器更換時，其準確限制系數(shù)選擇為短路電流穩(wěn)態(tài)值與電流互感器額定值之比的3-4倍為宜，即暫態(tài)系數(shù)為3-4。因此，#1主變保護高壓側211和231電流互感器可選用具有5P30、變比不小于2500/5的電流互感器；根據(jù)211和231電流互感器二次回路阻抗實測值（分別為1.741Ω、0.8967Ω），211電流互感器額定容量應不小于50VA；231電流互感器額定容量應不小于25VA。

3 結語

211電流互感器準確限制系數(shù)較低，受故障非周期分量和剩磁影響而發(fā)生暫態(tài)飽和，導致電流互感器二次側電流波形發(fā)生畸變，造成#1主變差流速斷保護在重合于永久性故障時發(fā)生誤動。通過數(shù)字仿真，驗證了211電流互感器和231電流互感器均采用準確級為5P30、1600/5繞組，在重合于永久性故障時，其合成電流仍將發(fā)生嚴重畸變，應更換現(xiàn)有的211 和231電流互感器。對于內橋接線和線變接線的變壓器保護用電流互感器，考慮到線路重合于永久性故障受剩磁影響而暫態(tài)飽和，其暫態(tài)系數(shù)選擇3-4為宜。

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