kV主变单相替换对主保护的影响

1、论 文 500kV主变单相替换对主保护的影响分析论文题目：500kV主变单相替换对主保护的影响分析摘要变压器在输电过程中起着关键的核心作用，为了保证电力输送的可靠性，电力部门需要对变压器可能出现的故障情况作出应有的假设和预案，当主变发生故障的情况下，必须采取相应措施保证电能的正常供应。本文在PSCADEMTDC中建立了单相自耦变压器组的电磁暂态模型，该模型能反映自耦变压器高中压侧绕组间“电”的直接联系，并可以分别设置各相绕组参数和饱和特性，从而解决了单相替换后三相参数不对称的仿真模型问题。在此模型上进行了变压器单相替换前、后在正常运行和故障情况下差动保护中制动电流、差动电流及其二次谐波和五次谐

2、波的仿真分析和研究。通过替换前、后绕组损耗的变化定量分析了对瓦斯保护的影响。在理论上对主变单相替换给出了支持。 关键词：主变；单相替换；主保护；论文类型：应用研究1目 录摘要VII目 录11前 言22工程实例中面临的问题32.1问题的提出32.2现需要解决的技术问题32.2.1建立单相自耦变压器组的电磁暂态模型32.2.2变压器铁芯的非线性及励磁涌流的模拟32.2.3谐波制动电流的模拟32.2.4变压器单相替换后三相参数不对称对瓦斯保护的影响分析42.3主要技术参数的比较43 500自耦变压器建模53.1 500kV自耦变压器结构53.2 500kV自耦变压器仿真模型54差动保护的仿真与分析6

3、4.1变压器差动保护介绍64.2正常情况下仿真与分析74.3故障情况下仿真与分析94.4瓦斯保护的影响分析114.41变压器瓦斯保护介绍114.42瓦斯保护的影响分析135结 论15致 谢16参考文献17声明1前 言电力变压器是发电厂和变电站的核心设备。为了满足用户的用电需求，变压器通过在能源中心升高电压将电能送到负荷区域，在负荷中心将电压降低为用户需要的工作电压。因此，变压器在输电过程中起着关键的核心作用。为了保证电力输送的可靠性，电力部门需要对变压器可能出现的故障情况作出应有的假设和预案，当主变发生故障的情况下，必须采取相应措施保证电能的正常供应。目前，河北省大唐蔚州电厂500kV出线，在

4、主变维修期间，采用主变备用变压器临时替代另一个主变某一相的方式供电。通过实施此措施，该主变平稳运行一年有余，从而在工程上证明了这一方法的可行性。这一替换工程意义在于：1、通过试运行证明了不同厂家生产的技术参数类似的变压器可以进行单相备用；2、由于不同厂家原因，变压器的技术参数存在一定差异，需要分析这种单相替换对运行带来的影响和防范措施，以判断在何种情况下可以进行替换，具有示范和普适意义；3、不同厂家、不同站点的备用变压器相互间备用，有可能在全网范围内改进和完善变压器的备用机制。但是该方案现缺少科学分析和理论支撑，需要通过基于PSCADEMTDC软件建立单相三绕组自耦变压器组的模型，对比分析替换

5、前后的稳态和暂态特性，研究变压器单相替换后因三相绕组短路电压百分比不一致对变压器差动保护和瓦斯保护的影响，下面的论文中对这进行简要的介绍。2工程实例中面临的问题2.1问题的提出对于和主变技术参数一致的备用变，不存在替换前、后对运行差异。但是如果备用变与主变由不同厂家生产，技术参数很难达到完全一致，当单相替换运行后会导致三相不平衡、绕组环流、损耗和噪声增加、保护误动作等稳态运行问题，如果参数差别很大还有可能对整个电力系统造成冲击，也有可能在内外部故障情况下由于电气暂态特性不同导致保护不正确动作，如果这级保护不动作的话有可能使事故扩大到下一级，使事故范围扩大，有可能对电厂的整个设备造成影响，甚至冲

6、击电网。因此，必须分析研究替换后的电气暂态特性及对保护动作的影响。2.2现需要解决的技术问题2.2.1建立单相自耦变压器组的电磁暂态模型目前，国内外变压器不对称运行问题都仅考虑了外施电压不对称或三相负载不对称或两者同时不对称，对于变压器三相参数不对称问题没有相关研究。现有工程软件也缺乏单相三绕组自耦变压器的模型，自耦变压器相对于普通变压器来说，存在着高低压绕组之间“电”的直接联系。2.2.2变压器铁芯的非线性及励磁涌流的模拟建立3个单相三绕组自耦变压器并按实际接线方式模拟，替换运行后的变压器，还要单独设计每一相铁芯饱和特性并模拟励磁涌流等暂态特性。2.2.3谐波制动电流的模拟差动保护必须正确反

7、映变压器的工作状况而不能发生误动或者拒动，为了防止在发生励磁涌流和过励磁情况下而误动，分别设计了二次谐波电流制动元件和五次谐波电流制动元件，以用来研究差动保护是否误动作。变压器由于本身参数不对称有可能对变压器差动保护产生影响，有可能使保护误动作。2.2.4变压器单相替换后三相参数不对称对瓦斯保护的影响分析变压器的三相电流由于参数不对称将会发生变化，由于损耗增加及绕组相间环流将引起绕组异常发热，发热有可能使绝缘受到损害，或者使绕组等的绝缘能力下降，可能影响变压器非电量主保护瓦斯保护的动作。2.3主要技术参数的比较蔚州电厂现有主变为单相自耦壳式降压电力变压器，原1#主变为法国阿尔斯通公司生产的单相

8、自耦心式降压电力变压器，二者的单相容量比为25025053.5MVA，电压比为525242±8×1.25:34.5KV，均采用中压侧线端有载调压方式，冷却方式均采用ONANONAFODAF，三相绕组接线方式同为YN，ao，d11，但短路电压百分比却有一定的差异。替换前、后2#主变额定档位下各绕组的三相短路电压百分比如表2-1所示，替换后不论是高压侧、中压侧还是低压侧，三相短路电压百分比的最大偏差均有很大幅度的增加，尤其中压侧上升幅度最大，从11.02增加到34.9，即中压侧各相绕组的对称性最差，且B相替换后其不对称程度较替换前恶化。表2-12#主变额定档位下三相短路电压百分

9、比A相B相C相最大偏差替换前高压侧12.5012.5712.681.43替换前中压侧-0.78-0.80-0.8711.02替换前低压侧41.4241.5341.700.67替换后高压侧12.5013.5012.687.76替换后中压侧-0.78-1.10-0.8734.9替换后低压侧41.4240.7641.702.28注：最大偏差（）最大短路电压百分比（）最小短路电压百分比（）/三相短路电压百分比平均值（） ×100。 3 500自耦变压器建模3.1 500kV自耦变压器结构自耦变压器被广泛地应用于电力系统中，具有节省材料、制造成本低、损耗小、运行效率高、空载电流小、励磁功率低、

10、体积小等优点。由于500kV变压器具有单相容量大和绝缘水平高的特点，变压器重量与体积相对于普通变压器来说大，出于运输等方面的考虑，均采用单相变压器组接线方式。在超高压系统中通常采用三绕组自耦变压器以便满足低压负载或电源以及其他特殊用途的需要。500kV变压器的第3绕组不带负载，以三角型方式联结形成通路消除3次谐波电流，低压母线并联电抗器和电容器组，对系统的功率因素进行补偿。3.2 500kV自耦变压器仿真模型在PCACDEMTDC中有两种变压器模型，经典模型和UMEC（unified magnetic equivalent circuit）模型UMEC模型只能输入变压器的整体空载损耗和负载损耗

11、，而不能输入变压器绕组间的漏抗，不能体现变压器三相之间漏抗的差异性。经典模型所使用的参数能很好的体现绕组漏抗的不平衡，由于UMEC模型的缺点，在此采用经典模型进行模拟。运用经典方法构建变压器模型时，软件只提供了双绕组自耦变压器模型，而没有设置三绕组自耦变压器模型由于普通三绕组变压器无法模拟自耦变压器串联绕组和公共绕组之间“电”的联系，因此将普通三绕组变压器模型中的2个绕组首尾相接，形成高压和中压绕组，来模拟三绕组自耦变压器模型如图3-1所示，第13绕组分别为串联绕组、公共绕组及低压绕组分别建立A，B，C3个单相三绕组自耦变压器模型并设定参数，然后按照各侧接线方式连接成实际运行的变压器组。图3-

12、1、单相三绕组自耦变压器模型4差动保护的仿真与分析4.1变压器差动保护介绍差动保护也是变压器防止内部故障的一种主保护，主要用来保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障。通过带制动特性比率差动保护，具有区内故障可靠动作，区外故障可靠闭锁特点。但也受励磁电流、接线方式等原因影响导致误动。其优点是原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时。变压器差动保护的特点：变压器励磁涌流的存在。变压器励磁电流仅流经变压器的某一侧，因此通过电流互感器反应到差动回路中将形成不平衡电流。稳态运行时，变压器的励磁电流不大，只有额定电流的2-5

13、。在差动范围外发生故障时，由于电压降低，励磁电流减小。所以这两种情况下所形成的不平衡电流都很小，对变压器的差动保护影响不大。电流互感器计算变比与实际变比不同。由于变压器两侧电流互感器都是根据产品目录选取标准的变比而且变压器的变比也是一定的，因此三者不能准确的满足 nLynLd=nT的要求。此时差动回路就有不平衡电流流过使保护装置误动。所以通常利用差动继电器的平衡线圈来消除或减小这个差值。即用平衡线圈弥补实际变比与理想值之间的差，使两臂电流差接近零 ，从而消除或尽量减小不平衡电流。在做各种试验还是分析的时候，主变的重瓦斯保护跟差动保护不能同时退出。两者之间只能退出一个。瓦斯保护主要是对变压器的内

14、部进行保护，而差动保护主要是对变压器的外部就行保护，所以二者不能同时退出4.2正常情况下仿真与分析变压器采用YN，ao，d11接线，需要将变压器三侧电流按变压器变比进行归一化，并进行相位补偿后，相加才能得到相位校正后的差动电流和制动电流若A相高、中、低三侧流入变压器线电流分别为、；B相高、中、低三侧流入变压器线电流分别为、；C相高、中、低三侧流入变压器线电流分别为、。则归算到高压侧的B相差动电流为：（-）+（-）+ （5-1）各个厂家、各个装置采用的制动电流算法不一，制动电流取，则归算到高压侧的B相制动电流为:（|-|）+|（-）|+| （5-2）由于是变压器B相发生替换，B相差动保护相对于A

15、，C两相差动保护影响要大，A，C两相差动保护的影响可以通过B相得到体现.变压器在正常情况下时，模拟电源电压为525KV，变压器负荷为额定容量的70，功率因素为0.95。替换前、后B相差动电流瞬时值及有效值如图4-1所示；替换前、后B相制动电流瞬时值及有效值如图5-2所示（图4-1，4-2及表4-1中所有电流数据均折算成二次值，电流互感器二次额定电流为1A）变压器在正常运行情况下替换前、后B相差动保护数据如表5-1所示，表5-2中二次谐波比和五次谐波比分别为差动电流中二次谐波电流和五次谐波电流与差动电流中基波电流的百分比变压器在正常运行与区外发生故障时变压器的差动电流理论上将为0，制动电流较大从

16、图4-1，4-2及表4-1中可以看出，变压器在正常情况下差动电流并不为0，但该差动电流相对于变压器的额定电流却很小，该差动电流是由于变压器三相参数比，如短路电压百分比不一致等引起的，此时的差动电流即为变压器正常运行时的不平衡电流，由于差动保护对不平衡电流的感应能力较差，同时制动电流远远大于差动电流，所以该差动电流并不会引起差动保护的动作。同时，根据图4-1，4-2及表4-1可以看出，变压器B相替换后，差动电流和制动电流的瞬时值和有效值波形几乎完全重合，差动电流和制动电流的大小基本没有改变，替换后二次谐波比和五次谐波比相对于替前并没有增大的趋势。因此，变压器B相替换后在正常运行情况下并不会引起差

17、动保护的误动作。 图4-1、正常情况下替换前后B相差动电流比较 图4-2、正常情况下替换前后B相制动电流比较表4-1、正常情况下替换前后B相差动保护数据差动电流/A制动电流/A二次谐波比五次谐波比替换前0.00570.388350.0011840替换后0.00570.387550.00121094.3故障情况下仿真与分析变压器中压侧套管处发生故障可以分为单相接地短路、相间短路、相间接地短路和三相接地短路，笔者分别运用对变压器B相替换影响较大的B相接地短路、AB相间短路、AB接地短路、BC相间短路、BC接地短路和三相接地短路来仿真研究不同故障类型对变压器替换后差动保护的影响表4-2给出了各种故障

18、类型发生时变压器B相变压器替换前、后的制动电流、差动电流及其二次谐波比和五次谐波比，图5-3给出了B相发生接地短路时，B相差动电流瞬时值和有效值的波形，图5-4给出了B相发生接地短路时，B相制动电流瞬时值和有效值的波形由于发生其他各种类型故障时，B相差动电流和制动电流的波形从表4-2的数值中可以看出与B相发生接地短路时相似，在此不一一列举。与正常情况对比可知，在发生内部短路故障后变压器B相差动电流相对于变压器常情况下增加了好多，而差动电流大于制动电流，将引起差动保护的动作切除变压器。同时，二次谐波比以及五次谐波比相对于正常情况下也大了许多，这说明当变压器发生故障时差动保护中的二次谐波比和五次谐

19、波比将会增大通常将二次谐波制动比整定为1520，五次谐波制动比整定为35。所以，虽然二次谐波比和五次谐波比相对正常情况有所增大，但并不会引起二次谐波和五次谐波闭锁元件的闭锁。对变压器在内部故障情况下替换前、后的对比分析可知，B相替换后的差动电流、制动电流瞬时值和有效值波形与替换前基本一致，由于差动电流还是相当的大，所以并不会引起差动保护的拒动。同时，二次谐波比和五次谐波比相对于B相替换前并没有变化，所以，替换后二次谐波和五次谐波闭锁元件并不会闭锁而影响差动保护的动作对于变压器外部故障下B相替换前、后差动保护的影响可以用类似方法分析。仿真结果表明该算例条件下无影响。表4-2、故障情况下替换前后B

20、相差动保护数据差动电流/A制动电流/A二次谐波比/%五次谐波比/%B相接地短路替换前3.33491.52800.05440.0250替换后3.23731.47160.05300.0244AB相间短路替换前3.36461.43960.04290.0316替换后3.27801.39340.04160.0194AB接地短路替换前3.13741.45640.04150.0190替换后3.00521.28950.07900.0357BC相间短路替换前4.30882.15040.00560.0027替换后4.19502.09000.00490.0026BC接地短路替换前4.30242.14770.0110

21、0.0055替换后4.18572.09000.00800.0039三相短路替换前4.30252.14780.00900.0052替换后4.18692.09080.00620.0054图4-3、故障情况下替换前后B相差动电流比较图4-4、故障情况下替换前后B相制动电流比较4.4瓦斯保护的影响分析4.41变压器瓦斯保护介绍瓦斯保护是对变压器油箱内绕组短路故障及异常的主要保护。当变压器出现内部故障时，产生的气体将聚集在瓦斯继电器的上部，使油面降低。当油面降低到一定程度后，上浮筒便下沉，使水银接点接通，发出信号。如果是严重故障，油流会冲击挡板，使之偏转，并带动挡板后的连动杆向上转动，挑动与水银接点卡环

22、相连的连动环，使水银接点分别向与油流垂直的两侧转动，两水银接点同时接通，使开关跳闸或发出信号。瓦斯保护分为重瓦斯保护和轻瓦斯保护两种。重瓦斯保护是油箱内故障的主要保护，它能够反映出变压器油箱内的绝缘故障，当单变压器匝间故障时，虽然故障点的短路电流很大，但在差动保护中产生的差动保护电流可能不大，因此差动保护可能失灵。也就是说差动保护不能代替瓦斯保护。瓦斯保护优点是不仅能反映变压器油箱内部的各种故障，而且还能反映差动保护所不能反映的不严重的匝间短路和铁心故障，当变压器内部进入空气时也有所反映。因此，是灵敏度高、结构简单、动作迅速的一种保护。重瓦斯保护动作的原因。变压器的重瓦斯保护动作掉闸的原因是变

23、压器内部发生严重故障，回路有故障，近区穿越性短路故障。 处理的原则是：对变压器上层油温、外部特征、防爆喷油和各侧开关掉闸情况、停电范围等进行检查，如有备用变压器，应立即投入，并报告有关领导。收集气体判别故障：如果是内部故障，则不得试送电，应按规定拉开各侧开关，并采取安全措施，等待抢修。如果气体不可燃，而且表计无摆动，则可考虑试送电。如果瓦斯继电器内无气体，外部也无异常，则可能是瓦斯继电器二次回路存在故障，但在未证实变压器良好以前，不得试送电。 但有时瓦斯继电器会发生误动作，因此应采取一定的反事故措施： 将瓦斯继电器的下浮筒式改为挡板式，触点改为立式。这样可以提高重瓦斯动作的可靠性。 瓦斯继电器

24、引出线应采用耐油绝缘线。 瓦斯继电器的引出线和通往室内的二次电缆应经过接线箱。在箱内端子排的两侧，引线应接在下面，电缆应接在上面，以防电缆绝缘被油侵蚀；引线排列应使重瓦斯跳闸端子与正极隔开。 处理假油位时，注意防止瓦斯继电器误动。 瓦斯继电器的端盖部分及电缆接线端子箱应有防雨措施。 对新投入的瓦斯继电器的浮筒应作密封试验，在其运行中应进行定期试验。 如果使用塑料电缆，应注意检查是否有被老鼠、白蚂蚁咬坏等情况。 瓦斯保护缺点不能反映变压器外部故障，因此瓦斯保护不能作为变压器各种故障的唯一保护。瓦斯保护抵抗外界干扰的性能较差，例如剧烈的震动就容易误动作。如果在安装瓦斯继电器时未能很好地解决防油问题

25、或瓦斯继电器不能很好地防水，就有可能漏油腐蚀电缆绝缘或继电器进水而造成误动作。此时，需要靠瓦斯保护动作来切除故障。4.42瓦斯保护的影响分析忽略铁损影响，根据绕组替换前的损耗，可近似计算出替换后变压器的绕组损耗：=*= （5-3） 式中：替换后电流I替换前电流替换前负载损耗R 为绕组电阻根据仿真得到变压器替换前、后带额定负载运行时高压侧各相电流如表5-3所示。表4-3、替换前后正常运行高压侧各相电流A相B相C相替换前562562561替换后564558563根据表5-3的数据可计算出替换后各相绕组相对于替换前的损耗比：=1.007 （5-4）=0.986 （5-5）=1.007 （5-6）由上

26、式可知，替换后B相绕组损耗有所减小，其余两相均有所增加。但由于电流的不对称引起的绕组内部温度变化很小，不会对瓦斯保护的正确动作产生影响，也就是不会产生误动作，也就不会扩大事故范围，不会对电网造成影响，也就是说替换后几乎没有什么影响，可以长时间运行。5结 论本文在PSCADEMTDC中建立了能够反映高中压侧绕组间“电”联系的单相自耦变压器组的电磁暂态模型。该模型分别设置了各相绕组参数和饱和特性，从而解决了单相替换后三相参数不对称的仿真模型问题。通过模型建立，进行了变压器单相替换前、后在正常运行和故障情况下差动保护中制动电流、差动电流及其二次谐波和五次谐波的仿真分析和研究。并定量分析了替换前、后绕组忽略铁损的情况下损耗的变化对瓦斯保护的影响。本文研究之后为主变故障的情况下，替换进行了技术上的支持，为电能的输送提供了支持，对电力系统的稳定应给与了技术保障。 致 谢本论文是在*的悉心指导下完成的。*严谨的治学态度和求真务实的学术