（电力系统及其自动化专业论文）非线性元件对继电保护的影响研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 随着工业的不断发展，变压器、电弧炉等非线性元件己经成为电力系统的重要 组成部分。变压器空载合闸及交流电弧炉引起的电力系统继电保护误动更是人们头 疼的问题。本文根据一起变电站内桥接线的变压器差动保护误动实例，分析了励磁 涌流、和应涌流以及电流互感器( t a ) 饱和对差动保护的影响，找出了差动保护误 动的真正原因，并提出了基于时差法的防误动判据等防止变压器差动保护误动的几 种措施。交流电弧炉对继电保护产生的不利影响主要是随机性电流引起供电线路上 的保护启动元件频繁启动。本文针对一起某钢厂的实际案例，搭建了新的电弧炉系 统模型，从启动判据方面入手，提出了新的启动判据及启动元件无故障快速复归功 能的措施；从电弧炉注入电网电流改善方面，提出了投入t c r 型s v c 装置综合治理 电弧炉的措施，并通过试验验证了新措施的有效性。 关键词：变压器保护，t a 饱和，电弧炉，启动元件 本论文得到了“国家自然基金刀项目( 项目号5 0 6 0 7 0 0 6 ) 资助 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , n o n l i n e a re l e m e n t sh a v eb e c o m ea n i m p o r t a n tp a r to ft h ep o w e rs y s t e m i ti sak n o r yp r o b l e mt h a tm a l - o p e r a t i o no fp o w e r s y s t e mr e l a yp r o t e c t i o n c a u s e db yt r a n s f o r m e rs w i t c h e sa n de l e c t r i ca r cf u r n a c e c o n s i d e r i n gac a s eo fm a l o p e r m i o no fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no f m a i nt r a n s f o r m e rw i t h b r i d g ec o n n e c t i o n ，i ti sf u r t h e ra n a l y z e do nt h ei m p a c to fi n r u s hc u r r e n t ，s y m p a t h e t i c i n r u s hc u r r e n ta n dc ts a t u r a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h er e a s o n so ft h e m a l - o p e r a t i o n t r a n s f o r m e ro fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na r ea n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n f i n a l l y , an e w m e t h o dw h i c hi sb a s e do nt h et i m ed i f f e r e n t i a lm e t h o da n ds o m eo t h e rm e a s u r e sa r e p r o p o s e dt op r e v e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nf o r mm a l o p e r a t i o n a d v e r s ee f f e c t so fe a f o np o w e rs y s t e mr e l a yp r o t e c t i o ni sm a i n l ym a l - o p e r a t i o no fs t a r t i n gc o m p o n e n tw h i c h w a sc a u s e db yr a n d o me a fc u r r e n t t a k i n gac a s eo fm a l o p e r a t i o no fs t a r t i n g c o m p o n e n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lm o d e lo fe a e an e ws t a r t u pc r i t e r i o na n da n o v e lt r o u b l e f r e eq u i c k l yr e t u r nm e t h o da n dc o m p r e h e n s i v et r e a t m e n to fe a fa r e p r o p o s e dt op r e v e n td i f f e r e n t i a ls t a r t i n gc o m p o n e n tf o r mm a l - o p e r a t i o n s i m u l a t i o n r e s u l t sv a l i d a t en e wm e a s u r e sf e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y l i uq i a n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gt a o k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n ，c ts a t u r a t i o n ，e a f , s t a r t i n ge l e m e n t p r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n s f c ) ( n o 5 0 6 0 7 0 0 6 ) 华北电力大学硕十学位论文 目录 中文摘要 a b s t r a c t 第一章绪论一l 1 1 课题背景和研究意义1 1 2 研究现状2 1 2 1 变压器主保护的研究现状2 1 2 2 电弧炉模型及电弧炉综合治理的研究现状3 1 3 本文的主要工作7 第二章内桥接线变压器差动保护误动原因分析”9 2 1 弓i 言9 2 2 变压器差动保护误动实例9 2 2 1 电气主接线及主变差动保护配置一9 2 2 2 变压器差动保护误动现象1 0 2 3 变压器差动保护影响因素分析一1 3 2 3 1 励磁涌流的影响1 3 2 3 2 和应涌流的影响1 3 2 3 3t a 饱和的影响l7 2 4 仿真验证”l9 2 5 本章小结2 0 第三章内桥接线变压器差动保护误动的防范措施2 l 3 1 引+ 言21 3 2 防止差动保护误动的措施2 1 3 2 1 主变差动保护涌流闭锁方式2 l 3 2 2 现实中应用的措施及其存在问题2 1 3 2 3 改进差动保护t a 接线方式2 2 3 2 4 增加差分滤波环节2 3 3 2 5 基于时差法的防误动判据一2 4 3 3 本章小结2 9 第四章新型交流电弧炉电气系统模型的建立3 0 4 1引言3 0 4 2 电弧炉电气系统”3 0 4 3 建立基于能量平衡关系的新型电弧炉模型3 0 4 3 1 电弧炉建模原理3 0 4 3 2 电弧炉动态仿真模型3 2 4 3 3 仿真分析3 4 4 4本章小结3 6 第五章电弧炉对继电保护启动元件的影响及对策3 7 5 1 引言”3 7 5 2 电弧炉引起启动元件频繁启动实例3 7 5 3 抑制电弧炉引起启动元件频繁启动的措施3 8 5 3 1 启动元件无故障快速复归3 9 华北电力大学硕士学位论文 5 3 2 综合突变量启动元件4 2 5 3 3 电弧炉的综合治理一投入s v c 装置4 8 5 4 本章小结5 6 第六章结论一5 7 参考文献5 8 弼c 谢。6 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况一6 2 h 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 随着我国电力事业的迅速发展，系统互联程度越来越高，机组容量也不断 增大，整个电力系统的安全运行显得尤为重要。随着工业的不断发展及电力电子 设备的大量应用，非线性元件己经成为电力系统的重要组成部分。据统计，目前2 0 的电力负荷通过各种形式的功率交换来实现，所造成的谐波污染对电力系统危害巨 大，交流电弧炉等大量冲击性负荷及变压器空载合闸引起的电力系统继电保护误动 更是人们头疼的问题【1 1 。总之，非线性元件对区域性电网甚至整个电力系统的影响 表现十分明显与突出，分析非线性元件对电力系统继电保护的影响具有举足轻重的 意义。 电力系统的非线性元件大致有以下几类： ( 1 ) 变压器的励磁回路 变压器不仅包含电路，还包含磁路，它是各次绕组通过磁路联系的非线性元件。 作为电气主设备之一的变压器是整个系统电能传输的枢纽，其安危将直接影响 到电力系统的安全稳定运行，并且大型变压器的造价高一旦损坏，长时间、高 难度的检修都将会造成很大的经济损失。现代电力系统对变压器的保护提出了 更高的要求。 ( 2 ) 交流炼钢电弧炉、轧机及电石炉 由于电弧炉炼钢在技术经济上的优越性，工业生产采用交流电弧炉已日益增多， 电弧炉炼钢在国民经济中已发展到非常广泛的地步，因此电弧炉对供电系统的干扰 也愈加突出。理论和实践分析表明，交流电弧炉是供电系统各类冲击性负荷对电网 影响最大的负荷【2 】。 ( 3 ) 大功率可控硅整流装置，如电气化铁路、电化工业电解装置、直流输电的换流阀 和相控电抗器型无功补偿装置。 ( 4 ) 节能型家用电器，家用电器中广泛采用硅整流。 ( 5 ) 自饱和、可控饱和电抗器； ( 6 ) 高频感应加热炉。 变压器保护和交流电弧炉对继电保护影响的研究为本文的重点。 长期以来，差动保护一直是变压器电量保护中的主保护，在实践中得到了广泛 应用【3 1 。差动保护的理论根据是基尔霍夫电流定律，但对于变压器而言，由于内 部磁路的联系，本质上不再满足基尔霍夫电流定律，因此目前变压器保护动作 华北电力大学硕士学位论文 正确率普遍不高。由于变电站内桥接线运行方式灵活，目前被广泛采用，在这种接 线方式下，空投一台变压器导致另一台正在运行的变压器的差动保护误动的事件在 现场时常发生。因为正常运行的变压器本身并没有故障，并且误动发生在相邻变压 器空投完成一段时间后，误动原因更具有隐蔽性，目前还没有特别有效的措施防止 此类误动事件的发生，因此有必要深入研究内桥接线方式变压器差动保护误动原因， 并寻找新的防止变压器差动保护误动的措施。 炼钢用交流电弧炉熔化期频繁的电极短路，氧化期内钢液沸腾而造成的电弧波 动，三相电弧的相互受力及炉料温度较低时造成的弧长随机扰动，都会产生波动很 大的随机性电流。目前国内输电线路保护普遍采用相( 或相间) 电流突变量启动元 件，因此电弧炉产生的随机性电流注入电网，会引起供电线路上的保护装置中的启 动元件频繁启动，让工作人员紧张无助。电弧炉在熔化期产生的三相不平衡电流含 有较大的负序分量，容易导致保护装置的负序继电保护部分产生误动作。因此研究 电弧炉对继电保护的影响并提出相应的措施有重要的意义。 1 2 研究现状 1 2 1 变压器主保护的研究现状 差动保护的可靠性受到诸多因素的影响，变压器差动保护在实施中主要需要 解决三个问题：一是区分外部故障和内部故障；二是鉴别励磁涌流和故障电流； 三是电流互感器( t a ) 饱和给差动保护的可靠性带来的不利影响。长期的运行经验 表明，变压器差动保护在一定程度上能够较好地区分外部故障和内部故障。在 励磁涌流的识别上还存在一定的不足，因此当前变压器差动保护的主要矛盾仍 然集中在励磁涌流和故障电流的鉴别上。近几年来，国内外学者致力于变压器 保护新原理的研究，提出了不少识别励磁涌流的新方法和新原理【4 i4 1 ，具有代表 性的有二次谐波制动，间断角原理，波形对称，基于磁通特性，等效瞬时电感 变化，小波变换和神经网络等方法，其中二次谐波制动原理在变压器差动保护中应 用最为广泛。对于t a 饱和，一般采用比率制动特性加以克服，然而仅采用比率制动 特性并不能保证t a 在极度饱和情况下差动保护的可靠性。 1 2 1 1 二次谐波制动原理 利用励磁涌流中含有较大的偶次谐波，国内外广泛采用二次谐波制动原理。 二次谐波制动原理：计算差动电流中的二次谐波含量，如果其值大于定值，则 判定为涌流，闭锁差动保护。常用的判别式为： 血 k in 华北电力大学硕士学位论文 式( 1 1 ) 中，d 与，d ，分别为差流中的基波和二次谐波幅值；k 为二次谐波制 动定值。 二次谐波制动原理简单，目前国内外实际投入运行的微机变压器保护大都 采用该原理。鉴于励磁涌流发生机理的复杂性，二次谐波谐波分量的大小随机 性很强，采用二次谐波制动原理的变压器保护，也有很大的局限性【1 ”4 】： ( 1 ) 制动比定值k 的选取问题。不同制造公司、不同差动保护装置，二次谐波 比的定值非常分散。例如：w h 公司的制动比为7 0 - - 7 5 0 ；a b b 取1 0 ； 我国相关制造厂取1 5 - - 2 0 。但是，随着变压器单台容量的增大以及电 网电压等级的提高和规模的扩大，大型变压器内部严重故障时，由于谐振 等原因使短路电流中谐波含量增加，基于二次谐波制动原理的差动保护延 时动作，特别是变压器端部接长线的情况更是如此：另外，1 5 - - - , 2 0 的制 动比定值是按照一般饱和磁通为1 4 倍额定磁通幅值时合闸涌流的大小 来考虑的。但现代变压器的饱和磁通倍数经常在1 2 到1 3 甚至更低，相 应涌流中的最小二次谐波含量有可能低至1 0 以下，制动失效，从而导致 变压器差动保护误动。 ( 2 ) 对于二次谐波制动原理，国内通常采用“或门 的闭锁方式。若变压器空 载合闸时，一相为故障电流，另两相为励磁涌流，其判断结果为二次谐波 制动差动保护，由于大型变压器励磁涌流衰减较慢，导致差动保护被长时 间闭锁，保护拒动，损坏变压器。即使采用综合制动的方案，保护也会存 在一定的延时。 _ 一一 ( 3 ) 励磁涌流是暂态电流，傅里叶级数法的周期延拓将导致错误的结果，因此 应用傅里叶级数的谐波分析方法不是很准确。 1 2 2 电弧炉模型及电弧炉综合治理的研究现状 1 2 2 1 电弧炉的工作特性 交流电弧炉是利用交流电弧产生的热来熔炼金属的一种电炉。我们通常所说的 电弧炉，一般指交流炼钢电弧炉。普通电弧炉的冶炼周期一般为3 8h ，在电弧炉 中，电弧发生于专门的电极棒和被熔化的炉料之间，炉料受到电弧的直接加热。电 弧炉的运行周期包括三个阶段【2 5 】：熔化期、氧化期和还原期。 熔化期：其特点是电弧炉输入的电功率在急剧波动，同时电流冲击非常大。当 电弧在金属及电极之间点燃时，由于炉料温度较低，电弧不易稳定燃烧，电弧在炉 料上随机移动。同时，三相电弧的相互受力使弧柱向炉壁方向偏移。所以这些电弧 电流的波形和有效值大小的变化很不规则。此外当电极在炉料中穿“井 以及在炉 底形成小熔池后，大块炉料倒塌，使电极发生短路，也会发生电流冲击。在此期间 华北电力大学硕士学位论文 内，短路次数达到数十次，甚至上百次。由于三相耦合作用，某相短路后其它两相 会产生不应有的调节过程，这样使得电极短路时间加长，电弧电流波动的影响更加 明显。熔化期后期炉料全部熔化，电弧电流相对比较稳定。 氧化期：由于脱碳反应造成钢液的强烈沸腾，距离钢液表面很近的电极就会发 生短路，会产生很大的电流冲击。同时电弧的等效弧长因此发生周期性的、拟周期 性的波动，造成电弧电流的长时间不规则的波动。常规的调节系统无法有效减少这 种波动，在某些情况下反倒有可能加剧电弧电流的波动，产生持续性的电压波动与 闪变问题。 还原期：电弧较长，燃弧较稳定，输入电弧炉的功率较稳定，电压变化规律也 较稳定，电流波动问题较前两个阶段明显好转。 从中看出电弧炉的基本特点：熔化期频繁的电极短路以及相应调节过程，氧化 期内钢液沸腾而造成的电弧波动，三相电弧的相互受力及炉料温度较低时造成的弧 长随机扰动，都是造成电弧炉电阻非线性的原因。而电弧电阻的非线性对于电弧炉 主电路有着十分重要的影响。因此，从供电网的角度看，电弧炉几乎是一个随机负 荷，电弧炉在不同的工作阶段中所显示的电气特性具有高度非线性和时变性的特征。 1 2 2 2 电弧炉对电力系统的影响 1 引起电网供电电压波动和闪变 在熔化期电弧炉的电压变化大，最高和最低电压可相差2 5 倍。电弧炉运行时， 会引起公共连接点( p c c ) 上电压的快速变动，形成对电网的剧烈扰动，造成电网电压 剧烈波动和闪变，其频率成分主要分布在0 1 3 0 h z 频带上。在6 1 0 h z 的低频范围 内，0 5 的电压波动就可造成白炽灯闪烁，带来恼人的电压闪变现象。电压波动和 闪变会造成公共连接点上电力设备和用户设备损坏或运行异常，影响照明和家用电 器的使用效果，降低其使用寿命；造成运行中的异步电机转速时高时低，运行不稳 定，严重的还会造成电机损坏；有的大型炉的有功负荷波动甚至能够激起邻近的大 型汽轮发电机的扭转振荡和电力系统间联络线上的低频振荡，降低系统并列运行的 稳定性，影响系统的经济运行。 2 产生高次谐波和负序电流 在熔化期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗不稳定。有时 因电极都插入熔化金属中而在电极间形成金属性短路，并且依靠电炉变压器和所串 电抗器的总电抗来限制短路电流，使之不超过电炉变压器额定电流的2 3 倍。不稳 定的短路状态使得熔化期电流的波形变化极快，每半个工频周期的波形都不相同。 因此，在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，带有非周期的随机性， 故谐波含量大，主要是第2 、3 、4 、5 、6 、7 次谐波电流。在熔化期三相不平衡电流 含有较大的负序分量。当一相熄弧另两相短路时，电流的基波负序分量与谐波的等 4 华北电力大学硕士学位论文 值负序电流可达正序的5 0 7 0 。电弧炉的基波负序电流也较大，熔化期平均负 序电流为基波正序电流的2 0 左右。这将引起电网公共供电点的三相电压不平衡和 电流电压波形畸变，增加电网发生谐振、引发事故的概率。( 负序电流给电力系统带 来危害有：反方向的负序旋转磁场产生两倍同步转速的气隙磁场，切割转子，造成 转子阻尼绕组，齿槽等产生两倍频率的附加电流而使转子本体发热受损，严重的还 引起负序烧机；两倍频率的附加交变电磁力力矩同时作用在转子和定子上，产生倍 频附加振动。异步电机受到负序电流的影响，转子发热，转矩降低，损失增大，效 率降低，甚至烧毁电机。负序电流还能引起继电保护装置误动和拒动。这将对电网 的安全运行影响较大，尤其是对于输入进线的电源点电厂的影响更为严重。) 3 引起电网功率因数低 电弧炉负荷从电网获得电能，其中一部分转化为有用的热能，而另一部分则为 无功能量。为了使电弧能稳定燃烧，电弧炉的功率因数不能取得太高，因电弧炉负 荷是高感性的，电弧炉的接入使供电电网的功率因数发生恶化，超高功率电弧炉运 行在熔化期时，在电极短路时约为0 1 - 0 2 ，额定运行时约为0 7 0 8 5 。由于功率因 数低，感性无功功率大，从而引起电压水平降低，影响用电设备出力，增加电能损 耗。导致功率因数低的主要原因有：无功功率引起电流和电压的相移；电弧伏安特 性的非线性引起电流和电压波形畸变；熔化期的二相不平衡引起的负序分量以及负 荷的波动引起电网电压和功率因数波动等。 1 2 2 2 电弧炉对自身及电气设备的影响 = 一 1 在电炉供电电源电压等级上的小型发电机的影响【2 6 】 以具有代表性和典型意义的某钢厂超高功率电炉为例。该电炉是由一座 2 2 0 1 1 0 k v 变电站的1 1 0 k v 电压供电，在1 1 0 k v 系统中接有某一小电厂，在电厂中 装有3 台1 5 0 0 k w 水轮发电机。在电炉进行正常生产时，电厂发电机出现频繁振动， 每次振动连续时间短的几十秒，长的达几分钟，一天振动最多达2 0 多次。作发电运 行时( 惯性大) 振动小，作调相运行时( 惯性小) 振动大。在振动时发电机定子三 相电流幅值不平衡且波动很大，同一相电流相对波动达2 0 ，三相电流之间相位偏 差也在波动，三相电流电压幅值包络线的波动频率为0 3 3 0 4 h z ，电压和电流包络 线正好反相位。机架上有一机械振动信号与电压波动频率相同( 即共振) 。上述情况 说明发电机的低频振动是由电炉的无功波动、三相负荷不平衡、波形畸变综合作用 形成的，而起主导作用的是无功波动。这是由于1 1 0 k v 系统该小电厂与电炉的电气 距离最近，因此电炉对其有显著影响，不仅引起发电机振动，而且三相负荷不平衡 还引起转子轴系产生曲扭，对轴产生不利影响，谐波电流使转子绕组铁心产生附加 损耗，引起局部过热。 华北电力大学硕士学位论文 2 对负序继电保护的影响 上例中的电弧炉投入运行后，变电站l l o k v 系统距离保护装置的负序继电保护 部分产生误动作，不得已只能退出运行。 3 对保护启动元件的影响 台州亚达不锈钢厂电炉运行时，随机性的电弧炉电流引起健亚变电站1 l o k v 供 电线路保护装置中的启动元件频繁误启动，让操作人员无法处理。 4 功率因数低，降低了输送功率，增加了网损。 5 影响冶炼质量和效益。 1 2 2 3 电弧炉负载模型的研究现状 要解决电弧炉对电网继电保护的危害问题，首先要解决电弧炉模型和电弧炉电 气系统模型的问题。在电弧炉系统模型中，电弧炉模型是其中的关键。电弧炉负载 建模的常见方法有以下三种【2 7 - 3 0 】： f v i 特性曲线 电弧炉模型 等效电路法 i 谐波电源法 1 v - i 特性曲线法 按照电压电流的特性曲线进行分段线性拟合，又可以分为简单三段线性拟合和 复杂多段线性拟合。这类方法简单直接，电弧炉模型的参数不随供电系统参数( 包括 电压畸变和系统阻抗) 的变化而改变，可以得到比其他方法高的精度而且不存在收敛 问题，但由于电弧炉运行的不稳定性，该类方法无法得到电弧炉的精确等效。 2 等效电路法 通过开关切换或脉冲触发，将电弧炉等效成方波电压源。该方法在电路分析中 最为简单，但由于它需要依靠对电弧炉的电压电流特性曲线的近似拟合，而且电路 的切换时间受系统参数的影响，使切换时间直接影响分析的精度，这两个原因都使 得该方法的仿真结果差于v - i 特性曲线法。 3 谐波电压源法 将电弧电压进行f f t 分解，得到各谐波电压分量，再以各谐波电压分量为电压 源建立等效电路，从而求取其他各谐波分量。该方法对于谐波分析非常直接而且无 收敛问题，但该方法在假定供电系统最大功率传输下建立等效电路，而这并没有反 应出电弧炉的实际运行情况。 1 2 2 4 电弧炉综合治理的研究现状 抑制电弧炉对电网及其自身的影响的主要有两种途径：一是改善自身设备来达 到减小谐波电流、不平衡电流的产生；二是加装各种治理装置，达到改善电流的目 6 华北电力大学硕士学位论文 的。 1 改善自身设备和提高供电电源的电压等级 加装或改善电弧炉电极电流平衡控制系统，最大程度的降低其电弧电流的不平 衡程度，达到减小和抑制谐波电流的效果。电极控制系统的目的是实现电极端与燃 料间保持平均距离，即当短路时迅速提升电极，在灭弧后放低它们使电弧重燃。但 由于机械惯性，电极控制系统的调节跟不上电弧的跳跃式变化，做不到及时补偿他 它们，电弧的弧长不可能保持恒定不变。因此，就现在的自动控制理论而言，这种 方式很难避免电弧炉负荷的不利影响。 提高供电电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网和自身 的影响在允许范围内。这是治标的办法，因为电炉对电网和自身的影响的各种量值 并未消除，而是送到更高电压等级的电网去扩散，随着电炉不断建设发展，这些量 值在电网中增加积累，泛滥成灾，将会达到电网不能接受的程度，反而增加了对广 大用户的影响，因此，使用范围越来越小。 2 采用有源滤波器 有源滤波器是一种电力电子装置，不但为有效地消除谐波创造了条件，而且有 的滤波器还可以对电网谐波、负序电流及无功功率进行补偿，补偿特性不受电网阻 抗和频率变化影响，是一种理想的动态谐波补偿装置。 工作原理：通过检测补偿对象的电压电流，经指令电流运算电路计算得出补偿 电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负 载电流中要补偿的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电流。 有源滤波器具有高可控性、快速响应性和补偿效果好的特点。不过其成本比较 高，且可靠性还有待提高，目前尚未在电弧炉治理中推广应用。 3 采用s v c 装置 近年发展起来的s v c 装置是一种快速调节无功功率的装置，已成功地用于电力、 冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿上，它可使所需无功功率作随机调整， 从而保持电弧炉等冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定。它具有反应时间快 ( 5 - 2 0 m s ) ，价格便宜等优点；它还能实现分相控制，有较好的抑制不对称负荷的能 力，因而在动态无功功率补偿系统中，尤其在钢铁企业中应用最广泛。 1 3 本文的主要工作 本论文针对一起变电站内桥接线的主变压器差动保护误动实例，全面分析差动 保护误动的原因，分析了励磁涌流、和应涌流以及电流互感器( t a ) 饱和对差动保 护的影响，并在此基础上提出了几种防止内桥接线的变压器差动保护误动的措施。 华北电力大学硕士学位论文 对于电弧炉对电力系统继电保护的影响研究，主要由三方面工作：搭建了电弧炉电 气模型；提出新的抑制常规启动元件频繁启动的措施；采用s v c 装置治理综合治理 电弧炉系统。论文的主要工作如下： ( 1 ) 分析励磁涌流、和应涌流及t a 饱和对内桥接线方式下变压器差动保护的 影响，找出差动保护误动的原因。 ( 2 ) 提出了基于时差法的防止内桥接线方式下变压器差动保护误动的判据，并 通过仿真验证了新方法的可行性和有效性。 ( 3 ) 根据能量守恒关系建立了电弧炉负荷的仿真模型，仿真出的波形与实际录 波波形进行比较，验证了电弧炉负荷模型的精确性。 ( 4 ) 针对电弧炉产生的冲击性电流引起高压供电线路保护中的启动元件频繁误 启动的问题，本文提出了新的综合突变量启动判据。通过仿真实验，验证了该启 动方法的正确性。 ( 5 ) 针对电弧炉产生的冲击性电流引起上级供电线路保护中的启动频繁启动的 问题，本文还提出了新的启动元件无故障快速复归的抑制方案，并通过试验验证了 新方案的有效性。 ( 6 ) 针对电弧炉对电网继电保护的影响，从治本的方向出发，本文提出了采用 s v c 装置综合治理电弧炉的方案。 ( 7 ) 在m a t l a b 及p s c a d 环境下进行了大量仿真，使用c 语言编写了算 法程序。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章内桥接线变压器差动保护误动原因分析 由于变电站内桥接线运行方式灵活，目前被广泛采用，在这种接线方式下，空 投一台变压器导致另一台正在运行的变压器的差动保护误动的事件在现场时常发 生。因为正常运行的变压器本身并没有故障，并且误动发生在相邻变压器空投完成 一段时间后，误动原因更具有隐蔽性，目前还没有特别有效的措施防止此类误动事 件的发生，因此有必要深入研究内桥接线方式变压器差动保护误动原因。 2 2 变压器差动保护误动实例 2 2 1 电气主接线及主变差动保护配置 浙江台州某l l o k v 综合自动化变电站的电气主接线如图2 - 1 所示。1 线、2 线是 变电站的两条进线，q f l 和q f 2 为两个进线的断路器，q f 3 为内桥断路器，q s l 和q s 2 为隔离开关，t a l 、t a 2 、t a 3 为电流互感器。主变压器t 1 、t 2 的型号相同，接线方 式均为y n d l1 ；主变t 1 的额定容量为4 0 m v a 、额定电压为l1 0 + 1 0 ( 一6 ) x1 2 5 1 0 5 k v 、空载电流为0 1 2 、空载损耗不大于2 8 6 k w 、阻抗电压为1 3 8 9 、负载损耗不 大于1 4 9 1 1 k w ：主变t 2 额定容量为5 0 m v a 、额定电压为1 1 5 8 1 - 2 5 1 0 5k v 、 空载电流为0 0 9 、空载损耗不大于2 6 6 k w 、阻抗电压为1 6 3 8 、负载损耗不大于 1 7 8 8 k w 。 l i o k v1 线 1 1 0 k v 2 线 二 q f 3 图2 - 1电气主接线 华北电力大学硕士学位论文 主变t 1 采用西门子公司生产的7 u t 5 1 2 型微机变压器差动保护，利用二次谐波 鉴别涌流并分相闭锁差动保护，其还提供了二次谐波交叉制动的功能，此功能可以 不投入或投入0 1 - 0 2 s 。7 u t 5 1 2 微机差动保护装置高压侧只能接入一组t a ，因此 对于内桥接线的变压器差动保护，其二次电流回路接线方式为：主变进线t a l 二次 侧和内桥t a 2 二次侧并联，再接入差动保护装置的高压侧t a 绕组，低压侧t a 3 二 次侧直接接入7 u t 5 1 2 的低压侧绕组。以a 相为例，差动保护中高、低压侧线电流 可以用式( 2 一1 ) 表示，b 、c 两相同理可以得到，其中l i 、l ：、l ，分别为t a l ，t a 2 以及t a 3 中a 相的二次侧电流。对于y n 1 1 接线方式的变压器，取差动电流时 的相位校正公式如式( 2 2 ) ，式中：，。、j 西、厶为差动保护中等效的高压侧电流， 丘、厶、之为低压侧电流，l 、厶、k 为各相差动电流。 ， ii 彳= i 彳l 一，彳2 l ，口= j 爿3 q - 1 i 协= u 。一i a | 如一i o i “= u8 一i c 、 小一i b i 诅= u c i f 小一i c 2 2 2 变压器差动保护误动现象 ( 2 - 2 ) 变电站进线2 及主变t 2 停电检修，进线1 给主变t 1 送电。检修工作结束后， 通过桥开关o f 3 空投t 2 ，引起t 1 的差动保护动作。主变t l 的差动保护动作跳闸后， 相关专业人员立即进行分析，经确认现场一、二次设备、回路检查无异常后，恢复 了主变t 2 送电。紧接着分别将主变t 1 、t 2 的差动保护改投信号，通过1 1 0 k v 桥开 关对主变t 1 、t 2 进行空充试验和差动保护带负荷试验复查，方式为主变t l 、t 2 三 侧( 进线、桥、低压侧) 或两侧( 进线及低压侧、桥及低压侧) 运行。主变t 1 、t 2 差动保护均未启动，再次确认带负荷试验均合格。此时主变t l 没有发生故障，为什 么会发生误动事故呢? 下一节分别从励磁涌流、和应涌流以及t a 饱和等几方面分析 差动保护误动的原因。 主变t 1 差动保护故障录波如图2 2 ( a ) 、( b ) 所示。提取主变t 1 的录波数据， 经相位变换后计算各相差流，利用傅里叶级数算法得到各相差流中的二次谐波含量， 如图2 3 所示，左侧为主变t l 的各相差流波形图，右侧为各相差流中二次谐波含量 图。从图中可以看出高压侧电流出现直流偏移且二次谐波含量较低，低压侧电流基 本没有变化，由此引起的差动电流产生直流偏移，且二次谐波含量低，导致差动保 护误动，下面分析主变t 1 差动保护误动的具体过程。 华北电力大学硕士学位论文 一三匝亟婴图 珏ai 匾璎婴四 ( a ) t 1 高压侧各相电流 ( b ) t 1 低压侧各相电流 图2 3 主变t 2 空投时，主变t 1 的各相差流及二次谐波含量 二次谐波交叉闭锁时间0 1 0 0 m s 内c 相差流中的二次谐波相对基波的幅值始 终大于1 5 ，根据7 i j t 5 1 2 微机差动保护分相闭锁原理，只要有一相二次谐波相对 基波的幅值满足芝1 5 的闭锁值均被可靠闭锁。查看二次谐波交叉闭锁解除时刻 l o o m s 后的情况，1 0 6 m s 左右，a 、b 相差流中二次谐波含量 乞疵+ 毛k ，阪 k + 乞亿一乙) ，k ) ( 2 - 3 ) 其中：动作电流乞= i 一厶l ； 制动电流：k = i ( + 厶) 2 l ； j r ，厶为经过相位校正后的各相电流。 主变t 1 高压侧额定电流： l 2 击，叫用5 彳 c 2 舢 其中： s 。为变压器最大额定容量； u 。为变压器y 侧额定电压； ，h 为变压器y 侧电流互感器变比。 最小动作电流： 曲= o 3 l - 0 5 2 a ， 拐点电流： 22 弘24 4 a ， 2 = 1 6 2 a ， 比率制动斜率：毛- 0 2 5 ，如= o 5 。 图2 4 a 、b 相差动动作轨迹 图2 4 为二次谐波交叉闭锁解除后( 1 0 0 m s 后) ，a 相、b 相差动电流动作轨迹 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图。主变t 2 空充导致主变t 1 相差动电流大于差动启动值，l l o m s 左右a 、b 相差 动保护动作点进入动作区，保护装置动作发出跳闸命令，a 、b 相差动保护误动， 1 5 0 m s 左右开关跳开。 2 3 变压器差动保护影响因素分析 2 3 1 励磁涌流的影响 空投变压器时会产生数值相当大的励磁涌流，其大小与变压器内部的剩磁和合 闸角等有关。 变压器t 2 空载合闸前，变压器t l 通过进线l 正常运行，其中流过正常工频负 荷电流。通过桥开关q f 3 对t 2 空载合闸时会产生数值相当大的励磁涌流，该励磁涌 流通过q f l 与q f 3 流入变压器t 2 。此时，t a l 的一次电流为工频负荷电流与励磁涌 流的叠加，t a 2 的一次电流为励磁涌流。在不考虑t a 饱和，即t a l 、t a 2 均能正确 传变一次电流的情况下，根据式( 2 - 1 ) 得到的高压侧等效电流j 。可以用式( 2 - 5 ) 表示，该励磁涌流被完全的抵消掉，所得高压侧等效电流为正常工频负荷电流，能 正确反映流入t l 的电流，不会出现图2 2 ( a ) 所示的波形。同理可得到b 相高压 侧等效电流，詹的表达式。 j = 一z = ( 一_ ) 一：2 ( 2 _ 5 ) 【厶= 厶。一厶：= ( 厶耐曰+ k 口) 一厶：= k 口 其中，l 为a 相负荷电流，k 矗为b 相负荷电流， l 为a 相励磁涌流，t 口为b 相励磁涌流。 变压器t l 的低压侧电流不受t 2 空载合闸的影响，根据式( 2 - 2 ) 得到的差动电 流是幅值很小的不平衡电流，与正常运行情况相同，不会引起主变t 1 差动保护误动。 由以上分析可得结论：在不考虑t a 饱和的情况下，空投一台变压器产生的励磁涌流 不会导致另一台正在运行的变压器的差动保护误动。 2 3 2 和应涌流的影响 当一台变压器空载合闸时，会在另一台相邻正在运行的变压器中产生和应作用， 引起和应涌流【3 。以图2 1 所示2 台y 接线方式的变压器并联情况为例，其等效 电路模型如图2 5 所示，t 1 正常运行，t 2 空载合闸，简述和应涌流的产生过程【4 1 。 u s ，丘，足分别为系统侧电源、电感和电阻；厶，名分别为变压器的励磁电感、电 阻；f 为流过变压器的电流；定义少为合闸回路的总磁链。 酬一个正凿话行絮薯意零黼负荷怵系统怵h l s 硝- 。 k 耋罂甓纛嚣：，黧鬻善雾罴幻z 篱蠢葬 t 2 空投后，产生励磁涌流f 2 ，此时t l 还禾! _ n 芏飘坦1 ” 争$ =di 盟= “，一厶i 2 一( + ) f 2 苎絮巍黧豢喜器篇2 - 9 裂燃鬻噤獬 在系燮笔嚣亍鬣震黼翁罴日茹；芫褊 金2 量塞翟同罂冀雾。麓篙雾警端篙茹茹嚣翥蔬6 要：崎全丝竺票黧耋筹夏蔫麓煮淼罴詈盖二篇；聂： 嘎缨之鬈于纛塞蓑懈麓嘉善嚣淼磊磊姜磊趋势。 合闸变压器t 2 磁链妙2 逐渐减小，如图2 - 6 ( a ) 所不广生h 9 删懈佣川m 一 巾 吐籼 l 1 w o 一争 _ ( b ) 运行夔压- 图2 6 磁链变化示意图 华北电力大学硕+ 学位论文 由上述分析可知，v l 与v 2 的变化规律相同，在合闸变压器t 2 发生正向饱和时， 运行变压器t l 不会饱和，只会发生负向饱和，和应涌流与励磁涌流方向相反并在时 间上交错。此外，由于偏磁累积使运行变t i 达到饱和总要有一个过程，因此，如果 产生和应涌流，一定是在邻近变压器发生合闸操作后的几个或十几周期才会出现。 和应涌流与励磁涌流的波形如图2 7 所示。 一i 一嚣引 霄 t ； 矾：m| l j i | lll lll ll ；l ii i f iii iy i i i i l 图2 - 7 和应涌流与励磁涌流 根据前述分析，和应涌流具有如下特征： 1 ) 和应涌流是在空投变压器发生合闸操作后的几个或十几个周期后出现，和应 涌流的幅值先增大再减小，衰减速度比常规的励磁涌流缓慢； 2 ) 和应涌流与励磁涌流的方向相反，并在时间轴上交错； 3 ) 和应涌流的产生从本质上讲，是由于偏磁累积导致变压器饱和而引起，因此 和应涌流的波形特征与常规的励磁涌流并无显著差异，例如：呈现尖顶波，具有间 断角等特征，只是变化趋势和衰减速度不同而已。 o ， 由特征3 可以看出，如果可以保证t a 的线性传变，那么已有的某些励磁涌流鉴 别方法也应该适用于和应涌流的鉴别。以二次谐波制动为例，图2 8 给出了一组和 应涌流波形及其二次谐波含量的计算结果。由图2 8 可以看出，虽然和应涌流与常 规励磁涌流的变化趋势不同，但其波形中仍然保持了较高的谐波分量，利用二次谐 波判据能够可靠制动。因此，从产生机理来看，和应涌流虽然会引起差动电流增大， 但已有的某些励磁涌流鉴别方法也适用于和应涌流的鉴别，和应涌流本身一般不会 引起差动保护的误动。 o o 4 d 2 d 毒d - 4 d 毒且 ll | l，i一 l j 1 0 0 0 柏 o j 2 0 o l h 一 一| l 0 2 4 00 3 2 00 4 0 00 4 8 00 5 60 2 4 00 3 2 00 4 0 00 4 8 0 0 5 6 ( a ) 和应涌流波形( b ) 二次谐波含量 图2 - 8 和应涌流及其二次谐波含量 1 5 华北电力大学硕士学位论文 本文列举的误动实例与此相似，当变压器t 2 空载合闸且产生励磁涌流时，会 在t l 的进线侧电阻上产生电压降，引起公共点a 处电压产生偏移，如果该电压降 使得t l 铁心中的偏磁累积而发生饱和，就会引起和应涌流。和应涌流通过q f l 流 入变压器t 1 的高压侧( 星形侧) ，而变压器低压侧( 角形侧) 不受和应涌流的影响， 仍为正常负荷电流。此时，t a l 的一次电流为工频负荷电流、励磁涌流与和应涌流 的叠加，t a 2 的一次电流为励磁涌流。在不考虑t a 饱和的情况下，根据式( 2 1 ) 得到的高压侧等效电流l 可以用式( 2 一l o ) 表示，其中丘训彳为a 相负荷电流，k 彳 为a 相和应涌流，同理可得到j r 的表达式。求差动电流时，经过相位校正可将负荷 电流抵消，a 相差动电流厶。即为变压器a 、b