NDGT300变压器.发电机差动保护原理培训
一、 主变差动保护 1、差动保护原理
①纵差保护单相原理接线图如下:
a.正常运行和区外故障时两侧电流大小和相位相同,差流为零; b.区内动作故障时,相位相反,出现差流。 ②保护特点:
a.只有电流量; b.选择性好; c.动作迅速;
d.用于线路保护时经济性差,常用于元件保护
e.纵差保护应用于变压器
③励磁涌流
a.励磁涌流,即突然增加的励磁电流。正常时,励磁电流不大,只有额定电流的(2~5)%;电压突然增加时很大,例如变压器空投或故障切除后的电压恢复过程中,
可能达到额定电流的6~8倍。
b.保护区外部短路时的暂态非周期分量大。 c.防止励磁涌流过程误动,励磁涌流的特点如下:
(1).有大量的非周期分量,并迅速衰减:0.5~1s后小于 0.25~0.5倍额定电流 (2).含有大量的高次谐波,以二次谐波为主 (3).波形之间出现间断
d.利用含有大量二次谐波的特点进行制动 (1).一般含量为0.15~0.20倍基波
(2)..一般整定为0.15,过高易误动,过低易拒动
(3).变电站有电容器时,与变压器线圈组成谐振回路,但不会造成差动误动,此时存在的谐波主要为4次。
2、试验方法。
以NDT302(两侧差动)变压器保护为例来加以说明,DPR303T变压器保护装置保护定值见下表:
保护继
电器
定值名称
变压器容量 变压器△侧接线方式 变压器高压侧接线方式 变压器低压侧接线方式 高压侧一次额定电压 低压侧一次额定电压
整定大小
5MVA △-11 Y △ 35kV 10kV 200A 5.00A 600A 5.00A 200A 5.00A 600A 5.00A 二次谐波 投入 12Ie
步长
0.1 MVA
0.1 kV 0.1 kV 1 A 1 A 1 A 1 A
01
变压器额差动高压侧TA原边 差动低压侧TA原边 差动低压侧TA副边 后备高压侧TA原边 后备高压侧TA副边 后备低压侧TA原边 后备低压侧TA副边 涌流识别方式 差动速断压板 差动速断电流定值
定参数 差动高压侧TA副边
02
变压器差动保护
0.01 Ie
保护继电器
定值名称
比率差动压板 比率差动门槛电流 制动曲线拐点电流 比率制动曲线斜率 二次谐波制动系数 TA断线信号压板 TA断线闭锁差动压板 TA断线解除闭锁定值
整定大小
投入 0.8Ie 1Ie 0.50 0.2 退出 退出
1.00Ie~1.30Ie
步长
0.01 Ie 0.01 Ie 0.01 0.01
0.01 Ie
根据上面变压器的参数可以求出差动高压侧CT变比为:Th=200/5=40,差动低压侧CT变比为:Tl=600/5=120。 主变高压侧一次额定电流为:Ih=5×106/(3×35×103)=82.48A,主高压侧二次额定电流为:Ihe=82.48/40=2.05A,e与Ihe的区别,Ie是Ihe则定值中的Ie=3×Ihe=3.56A,这里一定要注意I移相后的值,因此有个3倍,由于厂家不同,对此定义可能会有出入,下面会通过向量图具体分析。低压侧一次额定电流为:Il=5×106/(×10×103)=288.68A, 低压侧二次额定电流为:Ile=288.68/120=2.41A。只要主变参数确定,这些值保护装置会自动计算,并通过菜单定值项中的“内部定值”提供给用户,无需另外计算,使用起来非常方便,这也是该产品的一个特色。
下面我们先来分析一下微机差动保护的算法原理。这里以Y/△-11主变接线为例,传统继电器差动保护是通过把主变高压侧的二次CT接成△,把低压侧的二次CT接成Y型,来平衡主变高压侧与低压侧的300相位差的,然后再通过二次CT变比的不同来平衡电流大小的,接线时要求接入差动继电器的电流要相差1800,即是逆极性接入。具体接线如图1:
图1
其中,I流,I器。
而微机保护要求接入保护装置的各侧CT均为Y型接线,显而易见移相是通过软件来完成的,下面来分析一下微机软件移相原理。
DPR300T系列变压器差动保护软件移相均是移Y型侧,对于∆侧电流的接线,TA二次电流相位不调整。电流平衡以移相后的Y型侧电流为基准,△侧电流乘以平衡系数来平衡电流大小。若∆侧为△-11接线,软件移相的向量图如图2:
。
。
AY
为高压侧一次电流,I
。ay
为高压侧二次电流。I
。
A∆
为低压侧一次电
a∆
为低压侧二次电流。KD1、KD2、KD3分别为A、B、C三相差动继电
图2
、I、B、C三相电流,I其中,Iah bh、Ich分别为高压侧AAh、IBh、ICh分别为高压侧移相后的A、B、C三相电流,I al、Ibl、Icl分别为低压侧三相电流。
其校正方法如下:
I′A=IA−IB;I′B=IB−IC;I′C=IC−IA(IA、IB、IC类同上图中的I、ah
′′′I。 bh、Ich,IA、IB、IC类同上图中的IAh、IBh、ICh)
′为Y侧校正后的′、IB′、IC式中:IA、IB、IC为Y侧TA二次电流,IA
•
•
•
•••
•••
••••••
•••
•••
各相二次电流。
只所以这么移,如果接入差动保护装置的CT为逆极性接入,则I′A与Ia(低
′与Ic′与Ib压侧A相电流)相同,IB(低压侧B相电流),IC(低压侧C相电流),,
•
•
•
正好相差180度,这样角度差就被校正过来了。以A相为例,很明显移相后,I′A= ×IA,这样低压侧来平衡高压侧时就有I′A=×Ih=Bl×Il,则有Bl=S
UhSUl
•
•
•
×
Ih
=×Il =×Ul×Tl,其中Bl为低压侧平衡系数,Ih为高
UhTh压侧一次电流,Il为低压侧一次电流,S为主变容量,Uh、Ul分别为主变高低压侧一次电压,Th、Tl分别为高低侧CT变比。根据以上公式可以算出此主变保护低压侧平衡系数为:
UlTl10120×=××=1.485,此值也是由保护装置在“内UhTh3540
部定值”中自动算出。
Bl=×
如果∆侧为△-1接线,其校正方法如下:
I′A=IA−Ic;I′B=IB−IA;I′C=IC−IB
•
•
•
••••••
由此可以看出如果在高压侧加一相电流,则会产生两相差流,对于主变接线为Y/△-11接线的,如果只在高压侧A相加电流,则A、C相会有差流,只在高压侧B相加电流,则A、B相会有差流,只在高压侧C相加电流,则B、C相会有差流。那么如果用只能产生三相电流的继电保护试验仪来做差动保护试验,则所加电流的方法如下:
(1)、高压侧加A相电流,则低压侧要加A、C相电流(用继电保护试验仪的A相电流作为主变高压侧A相电流,用继电保护试验仪的B、C相电流作为主变低
00
压侧A、C相电流,且继电保护试验仪的A、B、C相电流角度分别为:0、180、
00)。我们要做主变A相差动保护试验,如果高压侧只加A相电流,C相必然会
产生差流,因此在主变低压侧除了A相要加电流来验证差动方程外,在C相也要加上电流来平衡高压侧A相在C相产生的差流。以下两点类同。
(2)、高压侧加B相电流,则低压侧要加A、B相电流(用继电保护试验仪的A相电流作为主变高压侧B相电流,用继电保护试验仪的B、C相电流作为主变低
00压侧B、A相电流,且继电保护试验仪的A、B、C相电流角度分别为:0、180、
00)。
(3)、高压侧加C相电流,则低压侧要加C、B相电流(用继电保护试验仪的A相电流作为主变高压侧A相电流,用继电保护试验仪的B、C相电流作为主变低
00压侧C、B相电流,且继电保护试验仪的A、B、C相电流角度分别为:0、180、
00)。
3、下面分析一下差动保护的曲线及动作方程。此差动保护的动作曲线如图3:
后的电流。
由图可以知道,一条水平线段和一条斜率为K的射线把整个一象限分为动作区和制动区两部分。实际上动作方程就是一个分为两段的分段函数,一段为水平线段的常函数,另一段为一斜率为K的直线,因此做试验时也要分为两部分。第一部分只要满足:
Id >(ICD =0.8Ie=2.85A) Ir
保护就会动作。如果现在在高压侧A相加5A的电流,我们可以算出在低压侧要使保护在水平线段部分动作所要加的电流大小范围,试验的前提是使高低压两
侧电流(同相)相位相差180。设低压侧所要加的电流为I,如果A相电流满足
以下方程:
|5-1.485I|>2.85 , I>5.27或者I
(5+1.485I)/2
5A,则在低压侧加大于5.27A或者小于1.45A电流就可以满足条件,则A相就可以在曲线的水平段动作。很明显由于移相的原因,C相会产生5A的差流,因此为防止C相差动保护作,需要在低压侧C相加5/1.485=3.37A的电流来平衡。
以上只是举了一个例子,读者也可以先加低压侧电流,再根据不等式方程求出要差动保护动作高压侧所要加的电流理论值范围。下面我们来验证斜率为K的直线部分动作特性(如图3中的A点),此部分的动作方程为:
Id−Icd
Ir−Igd
假设在高压侧加5A电流,要使差动动作,则低压侧所加电流I要满足的方程为:
|5-1.485I|>2.85, I>5.27或者I
(5+1.485I)/2>3.56, I>1.43
|5 -1.485I|-2.85
>0.5, I6.54
(5+1.485I)/2-3.56
由以上不等式可以看出如果在主变高压侧加5A的电流,则在低压侧A相1.43A
当然如果使用的继电保护试验议可以产生六个电流,或者试验仪试验项目中有
专门用于做差动保护试验的,试验起来会更方便。 二、 发电机差动保护
1、发电机差动保护试验方法
由于发电机与变压器结构不同,发电机机端与中性点不存在相位差,因此发电机的差动保护试验就比较简单。发电机的差动保护曲线同图3,这里我们选择NDG300系列数字式发电机保护装置中的NDG300A型号作为试验对象。该型号的差动保护定值(已设定)如下:
保护继电器 定值名称
发电机容量 额定功率因数 一次额定电压
整定大小
100.0MW 0.85 10.5KV 8000A 5.00A 8000A 5.00A 比率制动 投入 7.00Ie 投入 0.2Ie 0.8Ie 0.50 退出
0.10Ie~1.00Ie 0.80~1.20 投入 投入 1.30Ie
步长
0.1 MW 0.01 0.1 kV 1A
01 发电机额定参数 差动TA原边 差动TA副边 后备TA原边 后备TA副边 制动方式选择: 差动速断压板 差动速断电流定值 比率差动压板 比率差动门槛电流 制动曲线拐点电流
1A
0.01Ie
0.01 Ie 0.01 Ie 0.01
02 差动保护 比率制动曲线斜率 标积差动压板 标积差动门槛电流 标积差动曲线斜率 TA断线信号压板 TA断线闭锁差动压板 解除闭锁定值
0.01 Ie 0.01
0.01 Ie
根据定值中发电机的额定参数可以求出:
差动CT变比 T=8000/5=1600
COSφ 机端和中性点一次额定电流 I=P/U
=
100×1000000
1.732×10.5×1000×0.85
=6468.3A
(其中P为发电机额定功率、U为一次电压、I为一次电流、COSφ功率因素) 发电机差动二次额定电流 Ie=I/T=6468.3/1600=4.04A
差动门槛 Icd=0.2Ie=0.81A 拐点电流 Igd=0.8Ie=3.32A
假设在试验时机端加3A的电流,要使差动保护在曲线的水平段动作,则中性点
要加的电流I需满足(两电流相差180):
Id >ICD Ir
把各个值带入上述不等式,则有
|3-I|>0.81, I3.81 (3+I)/2
所以当中性点所加电流I
下面来做曲线的另一部分,设在机端所加电流为5A,要使差动保护在曲线的直
线动作,则中性点要加的电流I需满足(两电流相差180):
|5-I|>0.81, I5.81
(5+I)/2>3.23 I>1.46
|5−I|−0.81
>0.5 I7.25
5+I
−3.232
所以当中性点所加电流1.467.25A时,差动保护在曲线的直线部分动作。
以上就是变压器和发电机数字式差动保护的试验方法,本文的主要目的就是通过做试验来加深继电保护工作者对差动保护原理的理解,反过来,当我们对其原理理解的透彻了,相信还会有更好的试验方法。
三、其他注意事项
1、 变压器、发电机、电动机、电抗器差动CT接线原则
二次CT只能有一个接地点,否则会在区外发生接地故障时,由接地网电位差产生循环电流,造成误动。一般一台变压器差动保护CT、后备保护CT及测量CT在保护屏内集中在一点进行接地,切记不能多点接地,这一点大家一定要加以注意。
由于差流计算取自变压器各侧(或发电机两侧)电流的向量和,所以差动用CT的极性端必须同为靠近变压器侧(发电机)或远离变压器侧(发电机),且为全“Y“型接线。实际上差动保护的原理就是把变压器或者发电机作为电路中的一个节点,在主变或者发电机不发生内部短路的情况下,根据基尔霍夫电流定律,流进节点的电流肯定等于流出节点的电流,逆极性的接线原则,就是在正常情况下使A、B、C各相差流为0,而发生内部短路时,故障相的差流是叠加的,差流很大。
在现场调试过程中,由于常规继电器差动保护是通过CT接线方式的不同来平衡Y侧与△侧相位差的,即Y型侧的CT接成△,△侧的接成Y,而微机保护是通过软件移相来实现的,很多施工调试单位对微机保护的原理不是很清楚,经常会问我们差动CT的接线方式,我们要明确的把上述接线原则告诉他们。
2、 差动保护中平衡系数算法
在ND200型号的变压器差动保护定值中还有主变各侧平衡系数的定值项,在ND300中就没有了,由装置本身根据主变的容量、各侧的额定电压、各侧的CT变比进行自动计算,在内部定值中可以看到。现场做试验时,调试单位为了验证内部定值中各平衡系数的正确性一般都要手动计算,而不同单位水平又参差不齐,有的会算有的不会算,因此就要求我们现场服务人员要明确知道平衡系数的算法,并能自己正确算出平衡系数,向调试单位做出解释。
下面以镇江索普工程差动保护为例来来说明平衡系数的算法,该工程所用差动保护型号为NDT320,主变为110KV三圈变,高压侧带内桥,因此为四侧差动,接线方式为:Y/Y/Y/△,各侧而定电压为:(U1=110kV)/(U2=110kV)/(U3=38.5kV)/(U4=6.3Kv),各侧CT变比为:(T1=300/50)/(T2=300/50)/(T3=1200/50)/(T4=2500/50),接到差动保护装置的CT依次是变高、内桥、变中、变低,根据平衡系数计算公式,各侧平衡系数计算如下:
B1=1,B2=1,B3=(U3/U1)×(T3/T1)=(38.5/110)×(240/60)=1.4 B4=(U4/U1)×(T4/T1)=(6.3/110)×(500/60)=0.827,注意△侧要乘以接线系数1.732。
3、 主变冲击时的注意事项
涌流识别方式有二次谐波和波形识别两种方式,我们现在都是用二次谐波制动来抑制主变冲击时的励磁涌流,做试验时要选对涌流识别方式。而且二次谐波制动系数一般取0.15为宜,如果取的过大而实际的二次谐波又没有这么大值,主变冲击时,差动保护很容易动作。
还有就是主变高压侧复压过流保护中的复压既取了高压侧的电压,也取了中压侧或者低压侧的电压,如果在冲击时应把其他各侧复压退出,否则过流保护会动作。在现场冲击主变遇到上述这些问题时要能给客户解释清楚。
除了NDT320主变差动保护无合闸录波功能外,其余型号的主变保护均有合
闸录波功能。合闸录波功能启动的条件是,主变高压侧开关合位开入量由分变合。同时电压有突变,如果主变保护在运行状态时复位的话,也会启动合闸录波,这一点大家要注意。我们要求现场投运时把主变合闸录波数据备份下来,带回公司后作为资料保存,以便作为波形对称方式识别励磁涌流的数据分析资料。
4、 主变投运后的电压相序、差流、六角图查看分析。
主变投入运行后,在没有带负载之前,首先要查看各侧电压的相序,正确的应该是A、B、C正相序,注意在坐标图中逆时针为正相序。如果电压相序为负序,且投入了PT断线报警压板,则装置液晶上就会有PT断线报告,因为此时的负序电压为58V,又没有电流,正好满足PT断线的条件,不要以为一看线电压都是100V就不会报PT断线信号。
主变投入运行后要通过带负荷,查看差动电流,分析六角图才能最终确定差动CT接线的极性是否正确。定值中有差流越限告警这一功能,压板投入后,如果CT接线不正确,则差流超过差动门槛值的一半就会报差流越限信号,这时运行人员就应该注意了,要马上通知检修人员查看差动电流的相序,把极性改过来,如果不改,带负荷继续升高后,当差流大于差动门槛值时,差动保护就会动作,把主变各侧开关跳开,造成保护误动的事故,这一点大家一定要切记。主变投运后的数据记录表格如下: 差动保护电流向量数据记录(以三侧差动为例)
通道 Iah Ibh Ich Iam Ibm Icm Ial Ibl Icl 幅值
角度
差流 A相 B相 C相
矢量图
结论 相序
极性 相序 极性 相序 极性
一般我们常说的六角图即是指两圈变高低压侧6个电流的向量图,如果是Y/△-11两卷变,高低压侧的电流(同相)应该相差150度,如果是三卷变,正常情况下,110KV为电源侧,35KV和10KV侧负荷侧,这时高中侧的角度为180度,高低侧的角度为150度,中低侧的角度为30度,至于为什么是这个角度,大家要好好想想。还有一种情况是发电厂中的升压变(两卷变)差动,主变低压侧带发电机和一个电抗器分支,正常情况下是发电机发的电一部分通过电抗器分支作为厂用电用,其余的通过升压变送到系统中去。此时主变差动保护接线方式应该是Y/△/△,则变高和发电机侧的角度应该是150度,变高和电抗器侧的角度是30度,发电机和电抗器侧的角度是180度。通过分析六角图我们基本就可
以知道哪侧CT接错线了。
6 定值中的注意事项
变压器差动保护定值项中的“差动速断电流定值、比例差动门槛电流定值、制动曲线拐点电流定值”都是以多少倍的Ie来表示的,注意此处的Ie是主变高压侧二次额定电流的倍,即是高压侧移相后的电流值,假设主变高压侧二次额定电流为In,
n,而过负荷定值中的Ie就是主变高压侧二次额定电流值,即有Ie=In。这一则有IeI
点比较特殊,请大家现场调试的时候要注意。
7、发电机或变压器差动保护过流解锁问题
正常情况下发电机或者变压器CT断线时,一般都闭锁比例差动,但是当电流大于1.2Ie时,就认为电流已不正常,此时要解除对差动保护的闭锁,只要满足差动动作条件,保护瞬时动作于出口跳闸。
T断线需要闭锁比例差动 在现场调试过程中,不同的客户要求可能不同,有的C
有的不需要,但CT断线信号压板一定要投入,因为如果CT断线没有闭锁比例差动,而在日常运行中主变或者发电机因CT断线差动保护动作了,我们就很难一下子判断是主变或者发电机是相间短路故障还是CT断线了,还需要调故障录波曲线进行分析,有的地方没有故障录波功能(或者录波数据被充掉了),事故分析就更困难了,给设备检修排除故障带来很大困难。
8、断路器跳闸过流闭锁功能的理解
开关的功能我们都知道是用来给线路或者设备送电的,它有发生故障时切断电源的功能,但开关在带负荷情况或发生短路故障情况下并不是可以随意切断的,每个开关都有一个遮断容量(允许切断电流大小),当电流超过这个容量时,如果强行切断,开关可能由于遮断容量不够而炸掉,导致更大事故的发生。因此当发电机变压器组发生故障,保护跳闸时,如果发电机出口、厂变高压侧断路器遮断容量不够,应闭锁相应的短路器,选跳其他断路器、灭磁开关,当流过断路器的电流小于定值时,完成断路器跳闸过程。
9、失磁保护定值转换问题
对于5万KW以下容量的发电机,一般都不投入失磁保护。失磁保护由发电机励磁系统失磁连跳实现,当励磁装置失磁时,由其本身输出的接点连跳发电机出口断路器和主汽门,实现失磁保护。对于失磁保护阻抗圆的设定,既可以用静稳圆也可以用异步圆,如果根据给定的圆心和半径画出的圆在坐标平面实轴上下都有,则为静稳圆,如果只在实轴的下面,则为异步圆。不管哪种圆,愿心都在实轴下面的虚轴上。圆内为动作区,圆外为非动作区。做试验时我门可以给定一个电流,1A、3A或者是5A等等都行,再根据阻抗圆圆心位置和半径的大小,算出要使失磁保护动作所要加的电压大小范围。
R
失磁阻抗圆特性图
上图中,深色部分为异步阻抗圆;浅色为静稳边界圆
由于我们好多工程都是系统外的工程,而且设计院也不是专业的电力设计院,因此对微机失磁保护并不了解,也不会下符合我们发电机失磁保护条件的定值,比如只给发电机的同步电抗Xd和系统联系电抗Xs的定值,这就要求我们会转换。转换的方法是:圆心坐标为(0、-(Xd-Xs)/2),半径=((Xd+Xs)/2
失磁保护试验方法:
a. 试验方法:投入失磁一段保护元件及机端PT断线压板,设定失磁阻抗圆圆心电阻定值,失磁阻抗圆半径电阻定值,失磁保护一段动作时间定值;加入发电机机端电压Uab(2X:1-2X:13),机端电流Iab(1X:7-1X:8),并将端子(1X:19-1X:20)短联。
b. 试验说明:失磁保护通过机端PT断线来闭锁,当机端PT断线则闭锁失磁保护;当机端PT不断线,则开放失磁保护,此时若阻抗圆满足,经过一段延时失磁保护一段动作。
c. 试验结果:投入失磁保护一段压板和机端PT断线压板。
保护定值 交流理论值 实际值 试验结果
圆心半径t(s) θ Iab(A) Uab(
0 5 43.3 保护动作
保护动作信号灯90 5 25
5 10 6 亮 180 5 43.3
输失磁一段动作270 5 75 报告
注:其中θ为Uab和Iab之间的夹角。
10、发电机转子接地保护
对于转子接地保护,我们要理解其测量原理,即叠加直流原理(有的也叫乒乓原理),机箱插件中的直流A就是来测量转子电阻的。但这种测量方法线性度不是很好,因此定值中有转子校正系数这一项。在现场调试时,我们要根据给定的定值来调整校正系数,比如说客户给定的转子接地电阻定值为20K,我们就要外加一20K电阻,来调整校正系数,使装置测量的电阻值也为20K。这样当发电机真正发生一点接地故障时,就能准确发信。如果定值给定的是20K,而我们外加10K电阻来校正系数,当接地电阻实际为20K时,我们测量的误差就比较大了。这一点在现场服务调试过程中要注意。
另外,转子接地保护只能用于转子有滑环的发电机,对于无刷励磁的发电机,由于其转子时封闭的,无法测量其接地电阻,转子接地保护退出运行。
转子一点接地动作于信号,转子两点接地动作于出口(按出口逻辑)。