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广州换流站变压器差动保护附加闭锁功能浅析
jiang_0514 发表于 2009/7/14 11:27:40 1115 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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广州换流站的换流变压器是单相三绕组变压器，绕组为两心柱两旁轭的四柱结构。广州换流站换流变保护装置的保护功能有换流变差动保护、大差动保护、高阻抗差过保护、接地过流保护、过激磁保护和过负荷保护等。大差动保护由西门子数字式差动保护装置7UT513执行，差动保护由阿尔斯通数字式差动保护装置KBCH130执行。虽然大差动保护与差动保护对应的实际保护区域不完全相同，但是被保护对象的电气特性是一样的。这里介绍广州换流站的换流变压器保护装置KBCH130和7UT513的差动保护动作特性；并结合一次换流变充电实例重点分析其针对励磁涌流和过激磁电流的附加闭锁功能，特别是间断角闭锁功能；最后针对广州换流占换流边缘翘起差动保护提出相关建议。
1。7UT513和KBCH130的差动保护动作特性
7UT513和KBCH130是适合单相三绕组变压器的数字保护装置。KBCH130有12路电流输入用于差动保护，其中每路电流输入每20毫秒采样40次。
7UT513和KBCH130的差动保护动作特性很相似，都包含比率差动保护和差动速断保护。A、B、C三相各绕组的电流经过变比校正、相位补偿和零序校正等软件逻辑处理后，进行差动保护算法处理。
图1、图2
在7UT513中，差动电流Idiff是I1，I2和I3三电流的矢量和，而制动电流Ista是I1，I2和I3三电流的标量和，其中，I1，I2和I3分别表示某相对应绕组校正后的电流输入量。图1表示了7UT513完整的动作特性。其中a段为差动保护的灵敏度门槛值，其差动电流数值为0。5p。u。，b段是第一比率制动段，斜率值为0。25，c段为第二比率制动段，斜率系数设为0。5。d段为差动速断保护门槛值，定值设为7。5p。u。。
KBCH130的动作特性如图2，差动电流Idiff是I1，I2和I3三电流的矢量和，而制动电流Ista是I1，I2和I3三电流的标量和的1/2，其中，I1，I2和I3分别表示某相对应绕组校正后的电流输入量。保护起动电流也是0。5p。u。，a段斜率设为0。2，而差动电流数值大于额定电流数值之后，b段斜率定值设为0。8。差动速断保护（c段）门槛值设为7。5p。u。。
一旦差动保护电流数值达到差动速断保护门槛值，7UT513和KBCH130都会瞬间出口跳闸，附加闭锁功能无效。
2。比率差动保护的附加闭锁功能
2。17UT513的谐波闭锁
换流变网侧绕组出现励磁和过激磁电流会产生较大的差动电流，为了避免保护误动，在出现励磁涌流和过激磁电流时，差动保护功能必须被可靠闭锁。傅立叶分解发现，励磁涌流引起的差动电流包含明显的二次谐波分量，而这在换流变内部短路故障引起的差动电流里一般是没有的。在广卅换流站，7uT513装置的比率差动保护功能在二次谐波电流数值与基波电流数值的比值达到15％的门槛值后被闭锁。
此外，7uT513装置还有3次、4次和5次谐波闭锁功能，不过这些闭锁功能在广州换流站没有投入使用。
如果惜波闭锁功能是简单_怕分相闭馈，在换流变充电过程中，任一相的二次谐波电流与基波电流的比值小于门槛值，7uT513就仍有可能误动作。为了避免实际中诸如两相差动功能被闭锁而另一相未被闭锁引起保护误动作的情况，广卅站的7uT513装置执行二次谐波“交叉闭锁”功能，即一旦一相的二次谐波比值超过门槛值，起动的闭锁功能对三相都有效。
22KBcH130的间断角闭锁
换流变发生严重内部故障时，测量cT会迅速饱和而产生二次谐波，这种情况下采用二次谐波闭锁功的差动保护装置会有明显的延叫动作现象。为了避免这种情况，广州换流站的KBcH130装置采用了波形识别技术来鉴别励磁涌流。
励碰涌流引起的差动电流波形在每个周期内有一段时问电流幅值非常小，且基本保持不变，这段叫闻就是励磁涌流的间断时间，对应的角度就是涌流问断角。在广州换流站，如果差动电流的间断叫问经测箅超过l/4的基波周刳(5ms)，KBcH130认为差动电流是励磁涌流所引起，对应相的比率差动保护被闭锁，这就是间断角闭锁。
2。3KBcH130的五次谐波闭锁功能
就广州换流站来说，在正常双母联络运行情况下，广北甲线活广北乙线突然跳闸，或者母线联络开关2012突然跳开，某一母线电压突然增加，这时与该母线相连的换流变压器激磁电流会急剧增加，可能导致差动保护误动。KBcH130通过傅立叶分解获得差动电流的五次谐波分量，当某相的5磁谐波分量与基波分量的比值达到50%时，该相的比率差动保护功能被闭锁10s。
3。案例分析
3。1事件描述
2007年1月28日12：08，在同期装置PSD运行异常的情况下，广州换流站极1从备用状态操作到闭锁状态，连接220kV交流母线和换流变网侧绕组的断路器2051合闸，换流便瞬间充电。几乎同时监视工作站事件记录显示“2lT01+R2／87T_TRP”，同时暂态故障录波装置启动。接着，断路器2051断开，极l恢复至备用状态。现场检查极1换流变外观无异常，同期装置PSD表征“过电压或励磁涌流出现”的指示灯变红，KBCt{130面板的“跳闸”指示灯变红，7LIT513没有任何跳闸指示信息。
察看暂态故障录波的波形，换流变网侧绕组的电流波形A相和B相的电流波形均偏离了坐标轴中的时间轴即零水平线：三相电流波形都不是标准的正弦波形，且都出现了间断角：波形具备励磁涌流的典型特征。
3．27UT513的动作情况分析
观察换流变压器三相网侧绕组电流波形，发现涌流的最大瞬时幅值达到了14000A，最大的可能电流有效值达到9900A，9900A与额定电流2538A的比值大于0。5而小于7。5，因此，7LIT513的差动速断保护不可能起动而比率差动保护起动。
对录波起动0时刻的换流变压器三相网侧绕组电流波形进行谐波分析，其结果如柱形图4所示，A、B、C三相网侧绕组电流都带有大量的直流分量和二次谐波分量，三相的二次谐波分量与对应基波分量比值分别是64。4％、52。4％和55。1％。而此后的90ms内，均有2相电流的j二次谐波与基波的比值大于15％，因此，7I_JT513的二次谐波闭锁功能准确起动，比率差动保护功能被闭锁，该装置可靠不动
作。
3。3KBCH130动作情况分析
由于KBCHl30的门槛值与7UT513的相同，由前面的分析可知，KBCFll30的差动速断保护不可能起动，而比率差动保护会起动，如果其附加闭锁功能不起动，该装置会出口跳闸。
3。3。1最小间断角估值
有关统计数据表明，超高压大型换流变压器一般的额定工作磁场强度BN=1。7～1。8T，饱和磁场强度BS=1。9～2。0T，两者很接近，一般有BS≈1。15BN；又额定工作磁场强度对应有额定磁通φN，饱和磁场强度BS对应有饱和磁通φS。，铁芯截面积一定的情况下，磁通与磁场强度的比值是一个常数，故有φS≈1。15φN。经验表明，当工作磁场强度达到(1。3～1。4)BN或者说磁通φ达到(1。3～1。4)φS时，励磁电流的有效值等于换流变压器的额定电流值，即Ie=In；而工作磁场强度不大于BN或者说磁通φ不大于φNs时，励磁电流Ie非常小，约为额定电流的l％。
磁通是一个随时间变化的矢量，空载单相换流变压器合闸时，铁芯磁通为
（1）
式(1)中，为对应于Um的磁通峰值，称为稳态磁通，（）为暂态磁通，当合闸电压为额定电压时，φm即φN。。换流变充电时出现的励磁涌流只流过励磁绕组，它的幅值大小跟合闸瞬间的电压初始相位角、换流变铁芯的剩磁等有关系。文献[1]推导表明合闸时刻初始相角α为零度，且剩磁φsy的方向与非周期分量的方向一致的情况下，合闸涌流出现的间断角θj最小。其表达式为：
(2)
考虑最恶劣的情况，假定取合闸初始相角α为00，且φS=1。15φN，φsy=0。9φN，那么根据式(2)，可以算得θj。min82～840，对应持续时间是4。5～4。6ms。
广州换流站KBCH130装置的间断角整定时间是5ms，对应的间断角定值是900，考虑因每0。ms采样一次引起的测量误差，在间断角为80～840之间时，KBCH130有判定其为间断角的可能，但是不能判定其为间断角几率非常大。可见，极端恶劣情况下，KBCH130确实存在不能识别涌流间断角的可能，也就存在间断角闭锁功能不能准确起动的可能。
3。3。2用SIGRA4。21观察间断角
用西门子公司的波形分析软件SIGRA4．21放大网侧电压波形发现，B相合闸时刻刚好是B相电压的上升过零点，故障录波起动前的7。7ms，A相、B相的网侧绕组开始出现励磁电流，而B相电流的变化率明显大于A相的电流变化率；录波起动的0时刻就是B相网侧绕组流过电流最大值的时刻，最大幅值约为14000A，录波起动后2。1msA相流过的电流达到最大值，最大幅值约为12000A，C相的最大电流幅值小于3000A，这些电流幅值对应的有效值与额定电流的比值都大于0。5，因此确定KBCH130的比率差动保护会起动。
用SIGRA4。2l放大网侧绕组电流波形，可以看到清晰的间断角拐点，通过移动光标可以精确看到各拐点的时间和电流幅值。各相电流波形中每个间断角两端起始拐点和结束拐点的时间和电流幅值详细记录在表1。
从表1可以看到，A、C相励磁涌流各个周期的涌流间断时间是3ms，对应间断角为540。B相涌流前两个周期的间断时间分别4ms和4。2ms，对应间断角为720和75。60，这些涌流间断时间都小于4。5ms，而各相合闸涌流的间断时间实际上就是各相差动电流的间断时间。
表1波形间断拐点记录
间断角 A相 B相 C相
1 起始时间（ms）/电流幅值（A） 9/-250 8。2/456 9。5/-104
结束时间（ms）/电流幅值（A） 12/-228 12。2/484 12。5/-8。3
持续间断时间ms 3 4 3
2 起始时间（ms）/电流幅值（A） 29/-269 28。1/1550 29。5/-124
结束时间（ms）/电流幅值（A） 32/-249 32。3/1520 32。5/-104
持续间断时间ms 3 4。2 3
3 起始时间（ms）/电流幅值（A） 49/-269 46。3/2370 49。5/-124
结束时间（ms）/电流幅值（A） 52/-245 52。3/2760 52。5/-124
持续间断时间ms 3 6 3
4 起始时间（ms）/电流幅值（A） 69/-248 66。2/3610 69。5/-124
结束时间（ms）/电流幅值（A） 72/-248 72。2/3510 72。5/-124
持续间断时间ms 3 6 3
因此，此次换流变充电产生的励磁涌流，其引起的差动电流的涌流间断时间小于KBCH130整定的间断时间，也即实际的间断角小于整定的间断角，间断角不能被识别，间断角闭锁功能未起动。
可见，KBCH130的比率差动保护由于达到定值起动，而相应的间断角闭锁功能未准确起动，故KBCH130出口跳闸。
4结束语
对7UT513和KBCH130的差动保护特性以及它们针对励磁涌流和过激磁电流的附加闭锁功能进行分析，并利用最小间断角估值和涌流波形分析的办法对2007年1月28日广州换流站的极l换流变压器充电过程中保护动作情况进行分析，结果表明KBCH130用于识别间断角的间断时间整定值比涌流引起的差动电流间断时间长，其间断角闭锁功能未能准确起动，导致其差动保护功能未被可靠闭锁而出口跳闸。这就是KBCH130误动的原因。
基于以上的理由和目前广州换流站的实际，参照大型变压器涌流间断角的有关文献，在同期装置PSD和换流变保护装置不改造的情况下，建议将识别涌流间断的时间定值调小，设为3—4ms(对应的间断角定值为540～720)，并增加波宽判据或电压判据做间断角闭锁功能的辅助判据。
实际的运行经验和网侧绕组电流的谐波分析都表明，换流变充电等情况下，励磁电流的三次谐波含量较大，建议投入7UT513装置的三次谐波闭锁功能。
此外，建议尽快使用采样频率更高的涌流识别算法更科学的差动保护装置，以提高换流变保护的可靠性和灵敏性：为避免励磁涌流对换流变的伤害和有效防止差动保护误动，需要有效抑制励磁涌流，因此，可靠的同期装置PSD应该尽快投入运行。