500千伏干式变压器过励磁保护分析

摘要：根据外过励磁保护在绍兴电业局500千伏变电站的应用，以ABB千伏丰一变压器3号主变压器过励磁保护为例，着重分析了其基本原理、与干式变压器过励磁特性曲线的配合、存在的保护死区、整定调试等。关键词：干式变压器；过度兴奋；曲线；保护；设定；调试；死区0介绍近年来，随着华东500 kV电网的不断发展，系统电压高的问题逐渐暴露出来，干式变压器过励磁运行现象日益增多，尤其是夜间和节假日低负荷时，矛盾尤为突出，部分500 kV干式变压器甚至因过励磁保护动作而跳闸。当系统电压偏高时，干式变压器过励磁运行，其抽芯板温度会升高，成为影响干式变压器过励磁能力的关键问题。如果过励磁超过干式变压器的允许极限，干式变压器的铁芯温度会升高而损坏。然而，由于干式变压器过励磁并不总是对设备造成明显的损坏，因此很容易被忽视。但反复过励磁会因过热导致绝缘老化，降低设备的使用寿命。对于500 kV系统，正常运行时频率f基本不变，磁通密度增大的主要原因是系统电压升高。在500千伏系统中，有许多原因可能导致干式变压器电压升高和过励磁。目前在大型干式变压器的设计中，为了节省材料，降低成本，减轻运输重量，将铁心的额定工作磁通密度设计得较高，约为1.7~1.8 T，接近饱和磁通密度(1.9~2 T)，因此在过电压的情况下容易产生过励磁。此外，由于磁化曲线相对“硬”，过励磁时，励磁阻抗减小，励磁电流迅速增大。当工作磁密达到正常磁密的1.3~1.4倍时，励磁电流可达到额定电流水平。其次，由于励磁电流是非正弦的，含有许多高次谐波成分，铁芯和其他金属部件的涡流损耗与频率的平方成正比，会造成铁芯、金属部件和绝缘材料严重过热。如果过励磁倍数高且持续时间过长，干式变压器可能会损坏。安装干式变压器过励磁保护的目的是检测干式变压器的过励磁情况，及时发出信号或跳闸，使干式变压器的过励磁不超过允许极限，防止干式变压器因过励磁而损坏。

1干式变压器过励磁容量在干式变压器空载电流和空载损耗与过励磁倍数n的关系中，U*和f*是电压和频率的标准值。出厂试验数据表明，当n增加时，空载电流和空载损耗急剧增加，干式变压器空载损耗主要集中在铁芯和金属部件表面，造成局部过热或烧伤。在相同的过励磁倍数n下，允许持续时间与干式变压器的额定磁密、饱和磁密和磁化曲线形状密切相关。额定磁密越接近饱和磁密，饱和磁化曲线斜率越小，相同n下允许过励磁持续时间越短，一般厂家要提供两条过励磁曲线，一条是空载情况下的过励磁曲线，一条是满载情况下的过励磁曲线。根据U=E-IZ可知，由于负荷运行时IZ的作用，干式变压器的运行电压会降低，过励磁曲线也会降低。继电器的过励磁曲线应根据制造商提供的干式变压器满载时的过励磁曲线来选择。 #p#分页标题#e#

2过励磁保护的选择原则由于系统电压的升高和

在选择过励磁保护类型时，应充分考虑继电器反时限特性曲线与干式变压器允许过励磁曲线的匹配。如图2所示，当继电器特性曲线低于干式变压器励磁曲线时，继电器可以有效地保护干式变压器的过励磁。如果继电器反时限特性曲线与干式变压器过励磁曲线相交，说明配合不理想。当干式变压器过励磁值小于交点时，继电器运行时间大于干式变压器允许运行时间，即在继电器运行前干式变压器可能已经损坏。目前，浙江省新设计的500千伏干式变压器过励磁保护有两套，一套是ABB公司的RET-521微机继电器，另一套是RALK-2H集成元件继电器。两组继电器都有定时和反定时功能。保护响应V/f值与干式变压器的磁通量成正比，用于反映干式变压器的过励磁。本文第4节分析了RET-521和RALK-2H过励磁继电器的基本原理。RET-521和RALK-2H过励磁继电器基本能满足保护干式变压器过励磁的要求，但有时继电器特性不能很好地与干式变压器过励磁曲线相匹配，即保护存在死区现象。

3干式变压器过励磁保护的基本原理干式变压器铁心的工作磁密与U/f成正比，过励磁保护就是基于这个原理[1，2]。其工作原理是继电器的电压初级线圈YH连接到母线电压互感器的次级侧，以反映施加到干式变压器的电压和频率。YH的次级侧是一个RC分压电路，电容C两端的电压可见。电容器C上的电压Uc明显反映了系统V/F的比值，如果U和F分别是作用在干式变压器端子上的电压和频率，那么Uc与干式变压器的磁密成正比。逆时跳闸：当干式变压器的过励磁值达到逆时启动值时，主变压器各侧开关通过逆时延时动作跳闸，逆时动作时间由公式(3)确定：由公式(3)可知，k值越大，T2越大。其中k是设定时间的倍数。V/f启动：反时限过励磁跳闸启动值。当继电器过励磁值V/f大于比值时，反时限回路开始工作，在公式(3)计算的时间后跳闸。当k取不同的值时，公式(3)描述了一组曲线(图3)。对于某干式变压器，可以选择和改变合适的k和m值，使曲线给出的时间与干式变压器过励磁允许运行的时间很好地匹配。

4干式变压器整体过励磁保护

定计算及调试分析 过励磁保护应按干式变压器厂家提供的干式变压器满载情况下的过励磁曲线整定，其整定原则为尽量使所调整的励磁保护继电器的励磁曲线在干式变压器过励磁曲线的下方，即干式变压器运行在过励磁条件下时，励磁保护继电器应能以比它所能承受的更短时间可靠跳开主变各侧断路器。同时，应该保证在正常运行条件下，干式变压器应有一定的耐受励磁强度的水平，所以励磁保护继电器的启动值一般整定到略大于正常的较高运行值。 以下以凤仪变#3主变配置的ABB公司RALK-2H型继电器为例进行整定及调试的分析。4.1反时限过励磁保护 从图2可知，当干式变压器过励磁小于或等于1.10时，干式变压器允许长期连续运行，选取继电器的启动值nop=1.10，即当f=fn、过电压1.10倍时保护开始启动，按互感器变比N=500 kV/100 V，因凤仪变#3主变的一次额定电压为510 kV，因此U/f的二次启动值为： 试选K=5，由式(3)可计算出保护动作时间T2。校核n=1.20时T2=22.5 s，小于允许的持续时间1800 s（见表1），因T2时间远小于允许持续时间，所以试选K=10，再校核n=1.20，T2=45s，可见仍远小于允许的持续时间1800 s。因凤仪变#3主变为日本东芝公司产品，过励磁曲线比较高，过励磁能力比较大，所以整定K为较大值10时仍能满足它的过励磁能力，保护动作时间远小于其允许时间，且有较大的余度。一般过励磁曲线比较低的情况下，试选的K值可适当小一些。 过励磁继电器的反时限定值特性的调试较为烦琐，有时需要反复调试多次，直到满足干式变压器满载过励磁曲线的要求，一般调试前应根据干式变压器满载过励磁曲线先确定过励磁继电器的启动值，然后通过试算确定K值。为了超高压干式变压器的运行安全，先先应从厂家取得干式变压器的满载过励磁曲线，使过励磁保护的整定有一个实际的依据，然后再按现场实际调试值确定整定值。4.2定时限过励磁保护 根据表1可知，若过励磁倍数n 1.30时，实际整定的反时限特性曲线与图2的干式变压器过励磁曲线有交叉点，此时完全靠反时限过励磁保护则偏于保守。所以按实际需要还配置了定时限过励磁保护以弥补反时限保护的这一缺陷。从表1可知，当n=1.3倍时，干式变压器过励磁期望时间可达60 s，但考虑到系统电压达到1.3倍额定电压时，系统肯定有较大的问题出现，一般常见的是系统小的扰动，而且时间不会持续很长，定时限时间不宜太长，故整定为n=1.30倍，t=5s时，就可达到保护干式变压器的目的。#p#分页标题#e#

5结语 1) ABB公司生产的RET-521和RALK-2H型过励磁继电器器基本上能够满足保护干式变压器过励磁的要求，但有时也可能出现继电器特性不能很好地与干式变压器过励磁曲线相配合的情况，即保护存在死区现象，特别用于产干式变压器，因产干式变压器负载过励磁曲线比较低，保护死区现象可能较突出，这就降低了RET-521和RALK-2H的性能。 2) RET-521为微机型保护，在调试上比RALK-2H集成型保护更为方便，且其曲线的柔性较好，更容易贴近干式变压器的过励磁曲线。 3) 目前我内尚无产的过励磁保护，使用的都为进口产品，但这些产品在设计原理上存在着一些缺陷，在运行中也存在着一些问题，因此研制和开发适用于各种大型干式变压器的过励磁保护是专业厂家面临的任务。

参考文献

［1］王维俭(WANG Weijian).发电机干式变压器继电保护应用(Application of Transformer Relay Protection of Generator)［M］.北京：中电力出版社(Beijing:China Electric Power Press),1998.［2］许实章(XU Shizhang).电机学(上册)(Electromechanics, Part One)［M］.北京：机械工业出版社(Beijing:China Machine Press),1982.

 

来源：绍兴电力局