數(shù)字式發(fā)電機(jī)、變壓器差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)方法

[內(nèi)容摘要]：發(fā)電廠、變電站的變壓器、發(fā)電機(jī)等大型主設(shè)備價(jià)值昂貴，當(dāng)他們發(fā)生故障時(shí)，變壓器、發(fā)電機(jī)的主保護(hù)縱向電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)準(zhǔn)確及時(shí)地將他們從電力系統(tǒng)中切除，確保設(shè)備不受損壞。模擬發(fā)電機(jī)、變壓器實(shí)際故障時(shí)的電流情況來進(jìn)行差動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證保護(hù)動(dòng)作的正確性至關(guān)重要。

[關(guān)鍵詞]：數(shù)字式   差動(dòng)保護(hù)  試驗(yàn)方法

我們知道，變壓器、發(fā)電機(jī)的電氣主保護(hù)為縱向電流差動(dòng)保護(hù)，該保護(hù)原理成熟，動(dòng)作成功率高，從常規(guī)的繼電器保護(hù)到晶體管保護(hù)再到現(xiàn)在的微機(jī)保護(hù)，保護(hù)原理都沒有多大改變，只是實(shí)現(xiàn)此保護(hù)的硬件平臺(tái)隨著電子技術(shù)的發(fā)展在不斷升級(jí)，使我們的日常操作維護(hù)更方便、更容易。傳統(tǒng)繼電器差動(dòng)保護(hù)是通過差動(dòng)CT的接線方式與變比大小不同來進(jìn)行角度校正及電流補(bǔ)償?shù)?，?/span>微機(jī)保護(hù)一般接入保護(hù)裝置的CT全為星型接法，然后通過軟件移相進(jìn)行角差校正，通過平衡系數(shù)來進(jìn)行電流大小補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)在正常運(yùn)行時(shí)差流為零，而變壓器內(nèi)部故障時(shí)，差流很大，保護(hù)動(dòng)作。由于變壓器正常運(yùn)行和故障時(shí)至少有6個(gè)電流（高、低壓側(cè)），而我們所用的微機(jī)保護(hù)測(cè)試儀一般只能產(chǎn)生3個(gè)電流，因此要模擬主變實(shí)際故障時(shí)的電流情況來進(jìn)行差動(dòng)試驗(yàn)，就要求我們對(duì)微機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理理解清楚，然后正確接線，方可做出試驗(yàn)結(jié)果，從而驗(yàn)證保護(hù)動(dòng)作的正確性。

下面我們以國(guó)電南京自動(dòng)化設(shè)備總廠電網(wǎng)控制技術(shù)有限公司的ND300系列的發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)為例來具體說明試驗(yàn)方法，其他廠家的應(yīng)該大同小異。這里我們選擇ND300系列數(shù)字式變壓器保護(hù)裝置中的NDT302型號(hào)作為試驗(yàn)對(duì)象。該型號(hào)的差動(dòng)保護(hù)定值（已設(shè)定）如下：

NDT302變壓器保護(hù)裝置保護(hù)定值單

根據(jù)上面變壓器的參數(shù)可以求出差動(dòng)高壓側(cè)CT變比為：Th＝200/5＝40，差動(dòng)低壓側(cè)CT變比為：Tl＝600/5＝120。 主變高壓側(cè)一次額定電流為：Ih=5×10/(×35×10)＝82.48A,主高壓側(cè)二次額定電流為：Ihe＝82.48/40＝2.05A，則定值中的Ie＝×Ihe=3.56A，這里一定要注意Ie與Ihe的區(qū)別，Ie是Ihe移相后的值，因此有個(gè)倍，由于廠家不同，對(duì)此定義可能會(huì)有出入，下面會(huì)通過向量圖具體分析。低壓側(cè)一次額定電流為：Il＝5×10/(×10×10)＝288.68A, 低壓側(cè)二次額定電流為：Ile＝288.68/120=2.41A。只要主變參數(shù)確定，這些值保護(hù)裝置會(huì)自動(dòng)計(jì)算，并通過菜單定值項(xiàng)中的“內(nèi)部定值”提供給用戶，無需另外計(jì)算，使用起來非常方便，這也是該產(chǎn)品的一個(gè)特色。

下面我們先來分析一下微機(jī)差動(dòng)保護(hù)的算法原理。這里以Y/△-11主變接線為例，傳統(tǒng)繼電器差動(dòng)保護(hù)是通過把主變高壓側(cè)的二次CT接成△，把低壓側(cè)的二次CT接成Y型，來平衡主變高壓側(cè)與低壓側(cè)的30相位差的，然后再通過二次CT變比的不同來平衡電流大小的，接線時(shí)要求接入差動(dòng)繼電器的電流要相差180，即是逆極性接入。具體接線如圖1：

圖1

其中，為高壓側(cè)一次電流，為高壓側(cè)二次電流。為低壓側(cè)一次電流，為低壓側(cè)二次電流。KD1、KD2、KD3分別為A、B、C三相差動(dòng)繼電器。

而微機(jī)保護(hù)要求接入保護(hù)裝置的各側(cè)CT均為Y型接線，顯而易見移相是通過軟件來完成的，下面來分析一下微機(jī)軟件移相原理。

ND300系列變壓器差動(dòng)保護(hù)軟件移相均是移Y型側(cè)，對(duì)于?側(cè)電流的接線，TA二次電流相位不調(diào)整。電流平衡以移相后的Y型側(cè)電流為基準(zhǔn)，△側(cè)電流乘以平衡系數(shù)來平衡電流大小。若?側(cè)為△-11接線，軟件移相的向量圖如圖2：

                                   圖2

其中，I 、I、I分別為高壓側(cè)A、B、C三相電流，I、I、I分別為高壓側(cè)移相后的A、B、C三相電流，I、I、I分別為低壓側(cè)三相電流。

其校正方法如下：

；；（、、類同上圖中的I 、I、I，、、類同上圖中的I、I、I）。

式中：、、為Y側(cè)TA二次電流，、、為Y側(cè)校正后的各相二次電流。

只所以這么移，如果接入差動(dòng)保護(hù)裝置的CT為逆極性接入，則與Ia（低壓側(cè)A相電流），與Ib（低壓側(cè)B相電流），與Ic（低壓側(cè)C相電流），，正好相差180度，這樣角度差就被校正過來了。以A相為例，很明顯移相后,= ×，這樣低壓側(cè)來平衡高壓側(cè)時(shí)就有＝×Ih＝Bl×Il，則有Bl＝×=× =××，其中Bl為低壓側(cè)平衡系數(shù)，Ih為高壓側(cè)一次電流，Il為低壓側(cè)一次電流，S為主變?nèi)萘浚?/span>Uh、Ul分別為主變高低壓側(cè)一次電壓，Th、Tl分別為高低側(cè)CT變比。根據(jù)以上公式可以算出此主變保護(hù)低壓側(cè)平衡系數(shù)為：

Bl＝××＝××＝1.485，此值也是由保護(hù)裝置在“內(nèi)部定值”中自動(dòng)算出。

如果?側(cè)為△-1接線，其校正方法如下：

由此可以看出如果在高壓側(cè)加一相電流，則會(huì)產(chǎn)生兩相差流，對(duì)于主變接線為Y/△-11接線的，如果只在高壓側(cè)A相加電流，則A、C相會(huì)有差流，只在高壓側(cè)B相加電流，則A、B相會(huì)有差流，只在高壓側(cè)C相加電流，則B、C相會(huì)有差流。那么如果用只能產(chǎn)生三相電流的繼電保護(hù)試驗(yàn)儀來做差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)，則所加電流的方法如下：

1、高壓側(cè)加A相電流，則低壓側(cè)要加A、C相電流(用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀的A相電流作為主變高壓側(cè)A相電流，用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀的B、C相電流作為主變低壓側(cè)A、C相電流，且繼電保護(hù)試驗(yàn)儀的A、B、C相電流角度分別為：0、180、0)。我們要做主變A相差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)，如果高壓側(cè)只加A相電流，C相必然會(huì)產(chǎn)生差流，因此在主變低壓側(cè)除了A相要加電流來驗(yàn)證差動(dòng)方程外，在C相也要加上電流來平衡高壓側(cè)A相在C相產(chǎn)生的差流。以下兩點(diǎn)類同。

2、高壓側(cè)加B相電流，則低壓側(cè)要加B、A相電流(用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀的A相電流作為主變高壓側(cè)B相電流，用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀的B、C相電流作為主變低壓側(cè)B、A相電流，且繼電保護(hù)試驗(yàn)儀的A、B、C相電流角度分別為：0、180、0)。

3、  高壓側(cè)加C相電流，則低壓側(cè)要加C、B相電流(用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀的A相電流作為主變高壓側(cè)A相電流，用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀的B、C相電流作為主變低壓側(cè)C、B相電流，且繼電保護(hù)試驗(yàn)儀的A、B、C相電流角度分別為：0、180、0)。

4、  下面分析一下差動(dòng)保護(hù)的曲線及動(dòng)作方程。此差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作曲線如圖3：

圖3

比率差動(dòng)動(dòng)作方程為：

其中（以三卷變?yōu)槔?/span>

式中：I_d為差動(dòng)電流，I_r為制動(dòng)電流，I_SD為差動(dòng)速斷定值，I_CD為比率差動(dòng)門檻值，I_GD為拐點(diǎn)定值，K為制動(dòng)系數(shù)，、、為變壓器各側(cè)歸算到高壓側(cè)后的電流。

由圖可以知道，一條水平線段和一條斜率為K的射線把整個(gè)一象限分為動(dòng)作區(qū)和制動(dòng)區(qū)兩部分。實(shí)際上動(dòng)作方程就是一個(gè)分為兩段的分段函數(shù)，一段為水平線段的常函數(shù)，另一段為一斜率為K的直線，因此做試驗(yàn)時(shí)也要分為兩部分。**部分只要滿足：

I_d >(I_CD =0.8Ie=2.85A)

I_r <(I_GD=1Ie=3.56A)

 保護(hù)就會(huì)動(dòng)作。如果現(xiàn)在在高壓側(cè)A相加5A的電流，我們可以算出在低壓側(cè)要使保護(hù)在水平線段部分動(dòng)作所要加的電流大小范圍，試驗(yàn)的前提是使高低壓兩側(cè)電流（同相）相位相差180。設(shè)低壓側(cè)所要加的電流為I，如果A相電流滿足以下方程：

  |5-1.485I|>2.85 ，    I>5.27或者I<1.45  

                      (5+1.485I)/2<3.56，   I<1.43

由此看出，如果高壓側(cè)所加電流大于5A，則在低壓側(cè)加大于5.27A或者小于1.45A電流就可以滿足條件，則A相就可以在曲線的水平段動(dòng)作。很明顯由于移相的原因，C相會(huì)產(chǎn)生5A的差流，因此為防止C相差動(dòng)保護(hù)作，需要在低壓側(cè)C相加5/1.485＝3.37A的電流來平衡。

  以上只是舉了一個(gè)例子，讀者也可以先加低壓側(cè)電流，再根據(jù)不等式方程求出要差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作高壓側(cè)所要加的電流理論值范圍。下面我們來驗(yàn)證斜率為K的直線部分動(dòng)作特性（如圖3中的A點(diǎn)），此部分的動(dòng)作方程為：

                          <K

假設(shè)在高壓側(cè)加5A電流，要使差動(dòng)動(dòng)作，則低壓側(cè)所加電流I要滿足的方程為：

 |5-1.485I|>2.85，              I>5.27或者I<1.45  

                 (5+1.485I)/2>3.56，            I>1.43

                 >0.5，    I<1.44或者I>6.54

由以上不等式可以看出如果在主變高壓側(cè)加5A的電流，則在低壓側(cè)A相1.43A<I<1.44A或者大于6.54A的電流，同時(shí)在低壓側(cè)C相加5/1.485＝3.37A的電流，A相差動(dòng)就會(huì)動(dòng)作，其他相不會(huì)動(dòng)作。

  當(dāng)然如果使用的繼電保護(hù)試驗(yàn)議可以產(chǎn)生六個(gè)電流，或者試驗(yàn)儀試驗(yàn)項(xiàng)目中有專門用于做差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)的，試驗(yàn)起來會(huì)更方便。

由于發(fā)電機(jī)與變壓器結(jié)構(gòu)不同，發(fā)電機(jī)機(jī)端與中性點(diǎn)不存在相位差，因此發(fā)電機(jī)的差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)就比較簡(jiǎn)單。發(fā)電機(jī)的差動(dòng)保護(hù)曲線同圖3，這里我們選擇ND300系列數(shù)字式發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置中的NDG300A型號(hào)作為試驗(yàn)對(duì)象。該型號(hào)的差動(dòng)保護(hù)定值（已設(shè)定）如下：

根據(jù)定值中發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)可以求出：

差動(dòng)CT變比    T＝8000/5＝1600

機(jī)端和中性點(diǎn)一次額定電流    I＝P/U COSφ

                                  ＝

                                  ＝6468.3A

(其中P為發(fā)電機(jī)額定功率、U為一次電壓、I為一次電流、COSφ功率因素)

發(fā)電機(jī)差動(dòng)二次額定電流      Ie＝I/T＝6468.3/1600=4.04A

差動(dòng)門檻      Icd＝0.2Ie＝0.81A

拐點(diǎn)電流      Igd＝0.8Ie=3.32A

假設(shè)在試驗(yàn)時(shí)機(jī)端加3A的電流，要使差動(dòng)保護(hù)在曲線的水平段動(dòng)作，則中性點(diǎn)要加的電流I需滿足（兩電流相差180）：

I_d >I_CD

I_r <I_GD

把各個(gè)值帶入上述不等式，則有

  |3-I|>0.81,      I<2.19或者I>3.81

                      (3+I)/2<3.23    I<3.46

所以當(dāng)中性點(diǎn)所加電流I<2.19A時(shí)，差動(dòng)保護(hù)在曲線的水平段動(dòng)作。

下面來做曲線的另一部分，設(shè)在機(jī)端所加電流為5A，要使差動(dòng)保護(hù)在曲線的直線動(dòng)作，則中性點(diǎn)要加的電流I需滿足（兩電流相差180）：

  |5-I|>0.81,          I<4.19或者I>5.81

                      (5+I)/2>3.23        I>1.46

                      >0.5    I<3.65或者I>7.25

所以當(dāng)中性點(diǎn)所加電流1.46<I<3.65A或者I>7.25A時(shí)，差動(dòng)保護(hù)在曲線的直線部分動(dòng)作。

   以上就是變壓器和發(fā)電機(jī)數(shù)字式差動(dòng)保護(hù)的試驗(yàn)方法，本文的主要目的就是通過做試驗(yàn)來加深繼電保護(hù)工作者對(duì)差動(dòng)保護(hù)原理的理解，反過來，當(dāng)我們對(duì)其原理理解的透徹了，相信還會(huì)有更???的試驗(yàn)方法。