冶炼供电用变压器——间断角原理差动保护
日期：2008-3-25 0:06:55 来源：本站整理
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目前国内外生产变压器微机保护的厂家很多，就主保护而言，国外保护装置基本是以二次谐波制动为主的比率差动保护；而国内则以二次谐波制动和间断角两种原理为主导，波形对称原理为补充的格局。
国外变压器保护装置如美国SEL公司生产的SEL-587，其主保护包括差动速断保护和带2次、5次谐波制动特性的复式比率差动保护，并可引入瓦斯和压力释放保护。对两绕组变压器来说，如果高压或低压为双开关接线，只能采取CT二次侧电流直接并接，无法实现数字差，也就不能克服特性不同而引起的环流所造成的不平衡电流，降低了变压器差动保护的灵敏度。
目前国内外大部分的变压器微机保护装置已克服了上述变压器微机保护的缺点，大部分的变压器保护装置均采用只实现变压器的主保护，同时采用独立的变压器后备保护。以德国西门子公司的微机保护为代表，变压器保护型号为7UT512/513型差动保护，可对两卷(512)或(513)变压器实现主保护。其主保护包括差动速断保护，带二次谐波制动特性和防止变压器过饱和的5次谐波制动的比率差动保护及零序差动、CT二次断线检测。装置还可接入轻瓦斯报警接点，重瓦斯跳闸、有载开关瓦斯保护以及外部反向闭锁的接点等。
2.1微机差动保护误动跳闸
江阴兴澄特种钢铁有限公司炼钢生产线为100 t直流炉和100 t交流精炼炉，直流炉变压器和精炼炉变压器及高压设备、保护控制均为国外产品。电炉冶炼电压为33 kV，电源由本公司220 kV总降变电所1台3#变压器供给。220 kV变电所设备均为国产设备。当炼钢炉正式投产2个月后，3#变压器二次谐波制动比例差动保护动作断开3#变压器两侧断路器，致使生产被迫中断。
事发之后，迅速对变压器油、一次设备、二次回路及微机保护硬件、软件进行检查和测试，未发现异常现象，断定3#变压器二次谐波制动比例差动动作纯属误动作。
2.2 微机保护误动原因分析
变压器在空载投入时，励磁电流最大可达额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量。
100 t直流电弧炉频繁地空载投运变压器，此变压器在每一次合闸送电时的励磁涌流对3#变压器冲击极大。100 t交流精炼炉在冶炼过程中，造渣有时不一致，常引起三相电流极不平衡，产生大量的谐波电流。图1为电炉冶炼时从故障录波器上打印出的冲击电流波形图。
Fig.1 Current wave diagram of high－low voltage side as No 3 transformer differential protection set being abnormal
2.3 解决方法
针对本公司冶炼负荷的特殊性，原选用的二次谐波原理差动保护不适合用于大型冶炼炉的供电变压器上，为此3#变压器差动保护改用间断角原理比例差动保护装置。
二次谐波原理的差动保护和间断角原理的差动保护均是利用鉴别变压器励磁涌流的特征来对保护实现制动。二次谐波原理的差动保护在判断出二次谐波含量大于基波含量的15%时可靠闭锁差动保护。间断角原理的变压器差动保护采用的判据：
间断角 θd≤65°
波 宽 θW≥140°
若间断角 θd＞65°，则认为是励磁涌流，而非变压器内部故障，此时立即闭锁比率差动继电器，以防止其在变压器空载合闸和外部故障切除电压恢复过程中误动；若波宽θW≥140°，并且间断角θd≤65°，则短时开放比率差动继电器，一旦θd＞65°，则立即闭锁比率差动继电器。由此可见，间断角θd＞65°为比率差动继电器的闭锁条件。
Fig.2 Typical wave of differential current for transformer (T-period)
自更换了间断角闭锁原理的比率差动保护后，根据现场近2年的运行时间检验，3#变压器的间断角原理微机保护从未误动跳闸，保证了冶炼生产的正常运行。
供电弧炉冶炼用电的降压变压器一是容量大，二是将受到冶炼变压器的空载合闸和大电流的频繁冲击。为保证供电系统和变压器安全运行，减少事故损失，大型变压器的继电保护应满足如下要求：(1) 灵敏度高；(2) 动作速度快；(3) 对冶炼变压器的大电流和励磁涌流的冲击而不误动作。
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1 国内外变压器微机保护现状
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目前国内外生产变压器微机保护的厂家很多，就主保护而言，国外保护装置基本是以二次谐波制动为主的比率差动保护；而国内则以二次谐波制动和间断角两种原理为主导，波形对称原理为补充的格局。
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国外变压器保护装置如美国SEL公司生产的SEL-587，其主保护包括差动速断保护和带2次、5次谐波制动特性的复式比率差动保护，并可引入瓦斯和压力释放保护。对两绕组变压器来说，如果高压或低压为双开关接线，只能采取CT二次侧电流直接并接，无法实现数字差，也就不能克服特性不同而引起的环流所造成的不平衡电流，降低了变压器差动保护的灵敏度。
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目前国内外大部分的变压器微机保护装置已克服了上述变压器微机保护的缺点，大部分的变压器保护装置均采用只实现变压器的主保护，同时采用独立的变压器后备保护。以德国西门子公司的微机保护为代表，变压器保护型号为7UT512/513型差动保护，可对两卷(512)或(513)变压器实现主保护。其主保护包括差动速断保护，带二次谐波制动特性和防止变压器过饱和的5次谐波制动的比率差动保护及零序差动、CT二次断线检测。装置还可接入轻瓦斯报警接点，重瓦斯跳闸、有载开关瓦斯保护以及外部反向闭锁的接点等。
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2 微机差动保护应用中的问题及解决方法
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2.1微机差动保护误动跳闸
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江阴兴澄特种钢铁有限公司炼钢生产线为100 t直流炉和100 t交流精炼炉，直流炉变压器和精炼炉变压器及高压设备、保护控制均为国外产品。电炉冶炼电压为33 kV，电源由本公司220 kV总降变电所1台3#变压器供给。220 kV变电所设备均为国产设备。当炼钢炉正式投产2个月后，3#变压器二次谐波制动比例差动保护动作断开3#变压器两侧断路器，致使生产被迫中断。
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事发之后，迅速对变压器油、一次设备、二次回路及微机保护硬件、软件进行检查和测试，未发现异常现象，断定3#变压器二次谐波制动比例差动动作纯属误动作。
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2.2 微机保护误动原因分析
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变压器在空载投入时，励磁电流最大可达额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量。
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100 t直流电弧炉频繁地空载投运变压器，此变压器在每一次合闸送电时的励磁涌流对3#变压器冲击极大。100 t交流精炼炉在冶炼过程中，造渣有时不一致，常引起三相电流极不平衡，产生大量的谐波电流。图1为电炉冶炼时从故障录波器上打印出的冲击电流波形图。
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图1 3#变压器差动误动时的高低压侧电流波形图(IA、IB、IC为高压侧电流；Ia、Ib、Ic为低压侧电流)
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Fig.1 Current wave diagram of high－low voltage side as No 3 transformer differential protection set being abnormal
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从图1可看出，3#变压器高低压侧的电流严重畸变，具有大量的谐波，已完全不具备电流正弦波的特性，且高低压侧的电流相位、幅值有很大不同，产生了较大的差流。经对电炉冶炼冲击电流波形进行分析计算，得出：A、B、C三相的比率差动保护在此时均满足动作条件，不平衡电流中的二次谐波含量较小(小于基波的15%)。因此二次谐波原理的差动保护无法闭锁比率差动保护，导致保护装置出口跳闸。
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2.3 解决方法
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针对本公司冶炼负荷的特殊性，原选用的二次谐波原理差动保护不适合用于大型冶炼炉的供电变压器上，为此3#变压器差动保护改用间断角原理比例差动保护装置。
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二次谐波原理的差动保护和间断角原理的差动保护均是利用鉴别变压器励磁涌流的特征来对保护实现制动。二次谐波原理的差动保护在判断出二次谐波含量大于基波含量的15%时可靠闭锁差动保护。间断角原理的变压器差动保护采用的判据：
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间断角 θd≤65°
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波 宽 θW≥140°
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若间断角 θd＞65°，则认为是励磁涌流，而非变压器内部故障，此时立即闭锁比率差动继电器，以防止其在变压器空载合闸和外部故障切除电压恢复过程中误动；若波宽θW≥140°，并且间断角θd≤65°，则短时开放比率差动继电器，一旦θd＞65°，则立即闭锁比率差动继电器。由此可见，间断角θd＞65°为比率差动继电器的闭锁条件。
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间断角差动保护能利用励磁涌流明显的波形特征，清楚地区分变压器内部故障和励磁涌流。变压器差动电流的3种典型波形，如图2所示［1］。
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图2 变压器差动电流典型波形(T为周期)
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由图2可见，励磁涌流波形与变压器内部故障时短路电流波形有明显区别，前者的间断角较大、波宽较小；而后者的间断角很小、波宽较大。另外，间断角原理的涌流判据并未涉及到涌流的具体波形和幅值，而是利用了涌流波形的鲜明特征，这是间断角原理的差动保护优于二次谐波原理的差动保护，因此间断角原理的涌流判据能明确地区分励磁涌流和内部短路电流，是安全可靠的。
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自更换了间断角闭锁原理的比率差动保护后，根据现场近2年的运行时间检验，3#变压器的间断角原理微机保护从未误动跳闸，保证了冶炼生产的正常运行。
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