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變壓器的輕微匝間故障保護(hù)分析
點(diǎn)擊次數(shù)：981 發(fā)布時(shí)間：2012-11-29
1 變壓器的輕微匝間短路故障實(shí)例及分析
1997年5月6日開封濱河變一臺(tái)110 kV/10 kV，31 500 kV*A變壓器發(fā)生事故，變壓器差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作跳閘，瓦斯保護(hù)未動(dòng)作。
事故后對(duì)變壓器進(jìn)行各種外部試驗(yàn)都未能發(fā)現(xiàn)故障。內(nèi)部檢查為高壓側(cè)A相匝間短路，被短路的匝數(shù)約占全部繞組的1%。這次事故是典型的輕微匝間故障，對(duì)此有深入分析研究的必要。
圖1是該事故的故障錄波圖，其顯示高壓側(cè)三相電壓和低壓側(cè)電流都沒有明顯的變化。打印報(bào)告顯示故障前高壓側(cè)負(fù)荷電流二次值為2.04 A，CT變比為300/5，所以約為0.74In。故障后三相電流的基波值分別為IA=5.27 A,IB=2.27 A和IC=3.83 A，變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)未接地，故3I0=0。
圖1 開封濱河變1997年5月6日
高壓A相匝間短路錄波圖
事故前功率因數(shù)較高，假設(shè)cos?φ=0.9,從錄波圖上量出?φ=28°,說明假設(shè)合理。由于高壓側(cè)中性點(diǎn)未接地，A相匝間短路引起的故障分量電流ΔIA只能由B，C相流回，因此有。假設(shè)ΔIA落后UA 80°，可作出三相電流的相量圖（如圖2）。從圖2可得IA=ILA+ΔIA=5.27∠-60°A;IB=ILB+ΔIB=2.27∠-198°A；IC=ILC+ΔIC=3.83∠-263°A。此結(jié)果與打印報(bào)告中電流的幅值和從錄波圖上量出的相角十分接近，故假設(shè)IA落后UA 80°是正確的①。從圖2可測量出ΔIA=4∠-80°A，約等于變壓器的額定電流1.45In。 電流的故障分量即繼電器的差動(dòng)電流， 但為了校正Y/Δ變壓器兩側(cè)電流相位， 差動(dòng)繼電器測量的差動(dòng)電流應(yīng)是高壓側(cè)兩相故障分量電流之差， ΔIAB=ΔIA-ΔIB=2.17In∠-80°， ΔIBC=0， ΔICA=-2.17In∠-80°。兩相電流差的額定值為In,所以此時(shí)差動(dòng)繼電器測得的差動(dòng)電流相當(dāng)于額定值的125%。事故時(shí)變壓器差動(dòng)繼電器的啟動(dòng)電流的整定值為0.5In，因而能靈敏地動(dòng)作。
圖2 根據(jù)錄波圖作出的三相電流的相量圖
這次事故至少引發(fā)出以下三個(gè)問題，值得我們思考。
?。?） 差動(dòng)保護(hù)能夠保護(hù)輕微匝間故障。長期以來在我國廣泛應(yīng)用由速飽和變流器供電的機(jī)械型差動(dòng)繼電器。其有兩大缺點(diǎn)：zui小啟動(dòng)電流必需大于1.5In才能保證避開勵(lì)磁涌流，因而對(duì)輕微匝間短路不靈敏；當(dāng)短路電流中有直流分量時(shí)動(dòng)作速度變慢，越是加強(qiáng)速飽和變流器的作用帶來的延時(shí)越長。若故障靠它切除變壓器燒損得十分嚴(yán)重。若有很好的涌流閉鎖元件，差動(dòng)繼電器就可以靈敏地、快速地動(dòng)作，把變壓器故障燒損的程度限制到zui小，開封濱河變的事故已證明了這種可能性。
?。?） 輕微匝間短路時(shí)保護(hù)能測量到的zui小差動(dòng)電流有多大?輕微匝間短路時(shí)測量到的差動(dòng)電流肯定比在變壓器低壓側(cè)引線上短路時(shí)小得多。錯(cuò)誤地用后者作為校驗(yàn)差動(dòng)保護(hù)靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)也是造成差動(dòng)保護(hù)不能在匝間故障時(shí)起保護(hù)作用的原因之一。開封濱河變事故時(shí)的故障電流水平有無普遍意義?輕微匝間短路時(shí)的zui小差動(dòng)電流如何確定?這些問題需研究解決。
?。?） 如何選擇制動(dòng)特性。輕微匝間短路時(shí)，一方面故障電流小保護(hù)的差動(dòng)電流就?。涣硪环矫嫒嚯妷赫?，可繼續(xù)送出滿負(fù)荷電流。負(fù)荷電流是穿越性的，將產(chǎn)生制動(dòng)作用，于是很自然要問在此制動(dòng)作用下，繼電器能否動(dòng)作?我們應(yīng)當(dāng)選擇什么樣的制動(dòng)特性?
以下對(duì)差動(dòng)繼電器能否在輕微匝間短路時(shí)起保護(hù)作用的問題進(jìn)行進(jìn)一步分析。
2 變壓器匝間故障的計(jì)算
變壓器繞組的故障都屬于匝間短路故障。以Y/△接線的雙繞組變壓器在高壓星形繞組發(fā)生匝間短路為例，把短路繞組和高壓繞組分離開來（健全相相應(yīng)的部分也如此），于是故障后的變壓器變?yōu)橐粋€(gè)Y/Y/△接線的三繞組變壓器（當(dāng)然高壓繞組的匝數(shù)減少了），故障發(fā)生在短路繞組一側(cè)的引線上。由此可見匝間短路有多相與單相之分。zui常見的尤其是輕微匝間短路都是單相的。為了節(jié)省篇幅僅討論單相匝間短路。
圖3示出計(jì)算用系統(tǒng)圖及在變壓器高壓繞組發(fā)生單相匝間短路的復(fù)合序網(wǎng)圖，變壓器被看成是三繞組變壓器，其等值回路是由三個(gè)漏抗ZH，ZL，ZK按星形連接的回路。H，L，K分別表示高壓側(cè)、低壓側(cè)及短路繞組側(cè)。Z1LD和Z2LD為低壓側(cè)的正、負(fù)序負(fù)荷阻抗。高壓側(cè)中性點(diǎn)接地時(shí)刀閘S閉合，否則S斷開。計(jì)算的困難在于確定變壓器等值回路中的三個(gè)漏抗ZH，ZL，和ZK。
圖3 單相匝間短路計(jì)算用 變壓器繞組的漏抗決定于漏磁通所經(jīng)路徑的磁阻，而漏磁通的路徑十分復(fù)雜（以下的計(jì)算參考文獻(xiàn)［2］）。但是在故障前的漏抗是已知的，只要分析出短路后各繞組與原繞組的關(guān)系就可近似地得到故障后形成的三繞組變壓器的各側(cè)漏抗。 式中 ZΣ=ZHK+ZHL+ZLK。 表1 變壓器匝間短路不同α值下的等值回路參數(shù)
系統(tǒng)圖及復(fù)合序網(wǎng)圖
*，對(duì)于三繞組變壓器通過試驗(yàn)或計(jì)算只能依次求得兩個(gè)繞組之間漏抗，如ZHK，ZHL和ZLK。把它們歸算到同一側(cè)如高壓側(cè)，那么圖3中星形等值回路中的各阻抗為
從濱河變故障錄波分析知道ΔIA落后UA 80°，說明漏抗中有效電阻的成分很小，以下計(jì)算中都忽略電阻以漏電抗代替漏阻抗。
為了簡單，假設(shè)繞組是圓筒形的。圓筒形繞組的漏磁通的路徑有效長度決定于繞組的高h(yuǎn)和有效厚度d。通常在計(jì)算時(shí)把厚度折合為高度得到磁路的有效高度或有效長度h′=kh,其中k是折合系數(shù)，一般k=1.1。顯然k與比值有關(guān)。短路繞組的高度等隨著短路匝數(shù)而變化，其折合系數(shù)也要隨之變化。為了簡化，下面取實(shí)際高度ht與有效厚度d=0.1ht之和作為磁路的有效長度h′，ht為原來整個(gè)繞組的實(shí)際高度。于是如果短路繞組匝數(shù)占原高壓繞組總匝數(shù)之比為α（1＞α＞0），則短路繞組的實(shí)際高度為αht。短路繞組的漏磁通的路徑的有效長度與原有效長度之比為。設(shè)變壓器原有的漏抗為Xσ。以下依次計(jì)算三對(duì)繞組之間的漏抗。
?。?） 高壓繞組和短路繞組之間的漏抗X?HK。繞組的漏抗與匝數(shù)的平方成正比，與磁路的有效長度成反比。高壓繞組去除短路繞組后的匝數(shù)，與短路繞組匝數(shù)占原來總匝數(shù)之比分別為1-α和α。這兩部分圓筒的半徑相同，是疊起來的，它們之間的漏磁通不穿過鐵芯，全部在空氣中形成環(huán)路，有效高度要加大一倍。短路繞組漏抗將是，其歸算到高壓側(cè)之值為。同理高壓繞組的漏抗為。于是可得。
?。?） 高低壓繞組之間的漏抗XHL。繞組的漏抗與漏磁通路徑的截面成正比。在繞組直徑一定時(shí)截面與繞組等效厚度（）成正比。γ為兩繞組之間氣隙的寬，γ1和γ2分別為兩繞組的厚度，漏磁通的一部分僅與高壓繞組相連，另一部分僅與低壓繞組相連，它們分別決定每一繞組的漏抗。要求每一繞組的漏抗，必須確定這兩部分漏磁通在空間的分界線，這是困難的。試驗(yàn)也無法確定每一繞組的漏抗。計(jì)算時(shí)一般認(rèn)為兩繞組的漏抗（歸算到同一側(cè)的值）是相等的。
已知的Xσ是原來兩個(gè)繞組漏抗的和，與Xσ相對(duì)應(yīng)的漏磁通占據(jù)了整個(gè)截面。在上面計(jì)算XHK時(shí)因?yàn)槊恳焕@組的漏磁通都占據(jù)了整個(gè)截面就直接以Xσ為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)在計(jì)算XHL就必須注意到漏磁通路徑截面在兩個(gè)繞組間的分配。
現(xiàn)高壓繞組的匝數(shù)和高度都減少了，整個(gè)繞組都面對(duì)著低壓繞組，它的漏磁通路徑的截面應(yīng)減少一半，計(jì)算時(shí)所用的基準(zhǔn)電抗也應(yīng)減少一半。所以高壓繞組的漏抗為。低壓繞組完好如初，匝數(shù)和高度都沒有變化，但一部分（1-α）WL面對(duì)高壓繞組，其余αWL則否。前一部分產(chǎn)生的漏磁通的路徑的截面應(yīng)減少一半，后一部分則否。因此低壓繞組的漏抗（歸算到高壓側(cè)的值）應(yīng)為。于是可得
?。?） 低壓繞組與短路繞組之間的漏抗XLK（歸算到高壓側(cè)的值）。短路繞組都面對(duì)低壓繞組，所以計(jì)算的基準(zhǔn)電抗要減少一半。其歸算到高壓側(cè)的值為。低壓繞組的一部分αWL面對(duì)短路繞組，其余部分則否。它歸算到高壓側(cè)的值為，所以低壓繞組與短路繞組之間的漏抗（歸算到高壓側(cè)的值）為
求出XHK，XHL，XLK后就可求出圖3中等值回路中的XH，XL，XL。
表1示出對(duì)于幾個(gè)不同α值計(jì)算得到的漏抗（相對(duì)于Xσ）之值。
| α | 0.01 | 0.025 | 0.05 | 0.1 | 0.2 | 0.5 |
| 2.17 | 1.67 | 1.11 | 0.67 | 0.42 | 0.25 | |
| -1.18 | -0.69 | -0.16 | -0.22 | 0.35 | 0.17 | |
| 7.05 | 5.81 | 4.35 | 2.77 | 1.4 | 0.25 |
| 由表1可見在α＜0.2時(shí)都有（XH+XK）/Xα＞1。在這些匝間短路時(shí)的短路電流都將小于在低壓側(cè)引線上短路時(shí)的電流。差動(dòng)保護(hù)不能用后者校驗(yàn)保護(hù)的靈敏度。 從表1還可以看出α越小XHK=XH+XK越大。 由于計(jì)算依據(jù)的主要參數(shù)——故障變壓器的漏抗和負(fù)荷阻抗都是近似，所以沒有必要作嚴(yán)格的計(jì)算。由圖3可見系統(tǒng)供電到P1點(diǎn)后分為兩個(gè)支路。一是經(jīng)低壓側(cè)漏抗向負(fù)載Z?1LD供電，另一是經(jīng)短路繞組漏抗向零序、負(fù)序網(wǎng)供電。這兩個(gè)支路的阻抗角相差很大，并聯(lián)計(jì)算很煩。粗略分析認(rèn)為它們分別獨(dú)自存在，即分別計(jì)算負(fù)荷狀態(tài)和空載時(shí)的故障狀態(tài)。前一種狀態(tài)下得到穿越性的負(fù)荷電流，后一種狀態(tài)下0，1，2三個(gè)序網(wǎng)串聯(lián)，串聯(lián)的總阻抗約為3（ZH+ZK）。差動(dòng)保護(hù)測量的是兩相電流之差，不反應(yīng)I0，不論變壓器中性點(diǎn)是否接地都有I1=I2，不考慮I0有IA=2I1,IB=IC=-I1。由此得I?AB=I?CA=3I1,IBC=0。由于正常時(shí)兩相電流差是相電流的倍。按標(biāo)么值計(jì)算。對(duì)于不同Xσ值，變壓器輕微匝間短路時(shí)保護(hù)測得的差動(dòng)電流的標(biāo)么值示于表2。 表2 不同Xσ值下差電流的標(biāo)么值
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| Xσ | 0.08 | 0.11 | 0.14 | |
| Id* | α=0.01 | 0.78 | 0.56 | 0.45 |
| α=0.025 | 0.96 | 0.70 | 0.55 |
| 濱河變高壓線組共約30層，一層中約3/10匝短路。計(jì)算時(shí)認(rèn)為短路繞組的高度降低為原繞組的α倍，厚度不變，當(dāng)然有誤差。濱河變在故障時(shí)Id*=1.25In，表2計(jì)算為Id*=0.78In,可見計(jì)算結(jié)果有誤差。 根據(jù)以上估算在校驗(yàn)變壓器對(duì)輕微匝間短路的靈敏度時(shí)可取穿越性電流為In，差電流為0.5In，并認(rèn)為兩者相位相同。 3 比率差動(dòng)繼電器動(dòng)作特性的選擇 圖4 二種折線型比率差動(dòng)繼電器的動(dòng)作特性 制動(dòng)電流Ires的取法很多，但共同之處是都認(rèn)為在外部短路時(shí)Ires等于或正比于（一般為2倍）穿越性電流。實(shí)際不同取法并無重大差異。對(duì)于雙繞組變壓器，應(yīng)用zui廣范的是取Id=｜I1+I2｜和Ires=｜（I1-I2）/2｜。I1和I2是變壓器兩側(cè)的電流，以流入變壓器為正方向。
表3 制動(dòng)特性為Id＞mIres時(shí)δ和m的對(duì)照
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| m=kres | 0.20 | 0.30 | 0.40 | 0.50 | 0.66 |
| 0.18 | 0.26 | 0.33 | 0.40 | 0.50 |
| 現(xiàn)在根據(jù)輕微匝間短路的要求選擇圖4中的動(dòng)作特性。首先由于輕微匝間短路的zui小故障電流可能為0.5In，因此選擇I0=0.3In是適合的。如果采用浮動(dòng)門檻技術(shù)則可進(jìn)一步提高靈敏度。再考慮在輕微匝間短路時(shí)可能送出滿負(fù)荷電流，即I1=1.5In，I2=In，則有Ires=1.25In,所以應(yīng)使輕微匝間短路時(shí)的工作點(diǎn)P（1.25In，0.5In）落在動(dòng)作區(qū)。如果采用圖4（a）的特性應(yīng)取m≤0.4，由表3可知允許的誤差δ≤0.33。如果選用圖4（b）的特性拐點(diǎn)D，在Ires=1.25In的地方，這樣在輕微匝間短路時(shí)沒有制動(dòng)作用，得到zui大的靈敏度。 按照文獻(xiàn)1的觀點(diǎn)，圖4（b）中直線DE的斜率m=1?，F(xiàn)在拐點(diǎn)D的橫坐標(biāo)Ires=1.25In,DE的直線方程為Id-Ires+0.95In≥0。分析外部短路時(shí)允許的誤差只要將Id=I1-I2和Ires=0.5（I1+I2）代入，可得I1-3I2+1.9In≥0。于是可求得在不同I1值下允許的I2的zui小值，進(jìn)而求出zui大的允許誤差δ=（I1-I2）/I1，示于表4。
表4 通用比率制動(dòng)特性在外部短路時(shí)允許的誤差
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| I1/In | 1.5 | 2 | 3 | 4 | 5 | 10 | 15 | 20 |
| δ | 0.244 | 0.350 | 0.455 | 0.508 | 0.540 | 0.603 | 0.624 | 0.635 |
| 顯然圖4（b）的特性比圖4（a）*。比率差動(dòng)繼電器采用這樣的特性和整定值可以適用于任何系統(tǒng)中的任何變壓器，所以稱為通用特性。 突變量差動(dòng)繼電器保護(hù)輕微匝間短路有顯著的優(yōu)點(diǎn)。在突變量差動(dòng)繼電器中差動(dòng)電流和制動(dòng)電流都是突變量，即ΔId和ΔIres。輕微匝間短路時(shí)流過的穿越性負(fù)荷電流分量不會(huì)反映到ΔIres中去，因而提高了靈敏度。其比率制動(dòng)判據(jù)可采取圖4（a）的特性。在正常時(shí)Id=0，差動(dòng)電流本身就是故障分量，但動(dòng)作電流仍然要用突變量ΔId,否則在外部短路尚未被切除前ΔIres已消失而差動(dòng)不平衡電流Id卻仍然存在，將失去選擇性。在外部故障發(fā)生時(shí)ΔIres應(yīng)在ΔId之后消失。有關(guān)問題在文獻(xiàn)［1］中已闡述，這里不再贅述。 順便指出，按本文提出的要求，標(biāo)積制動(dòng)原理并無優(yōu)點(diǎn)可言。
4 有關(guān)靈敏度的幾個(gè)問題 ?。?） 比率差動(dòng)繼電器采用通用特性，zui小啟動(dòng)電流I0=0.3In,對(duì)變壓器低壓引線上的故障肯定足夠靈敏。對(duì)內(nèi)部輕微匝間短路用什么標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)?zāi)?本文對(duì)匝間短路的估算和開封濱河變的事故足以證明在α=0.01的輕微匝間故障時(shí)系統(tǒng)電壓保持不變，可繼續(xù)帶負(fù)荷，而且變壓器損壞較輕，易于修復(fù)。所以更輕微的故障保護(hù)若不能立即動(dòng)作也不會(huì)有嚴(yán)重后果。變壓器事故造成的損失包括對(duì)系統(tǒng)造成的損失和變壓器本身損失。故障一開始保護(hù)未動(dòng)，等待故障發(fā)展到α=0.01時(shí)再動(dòng)作，給系統(tǒng)造成的損失是相同的，變壓器的損失也相差無幾。故障是發(fā)展了，事故幾乎并未擴(kuò)大。保護(hù)的過分靈敏必然要降低安全性和選擇性。所以作者認(rèn)為采用本文推薦的通用特性在一般情況下已足夠靈敏。如果還要進(jìn)一步提高靈敏度，則以采用突變量差動(dòng)繼電器為宜。 |