高壓斷路器快速切換對廠變差動保護影響分析

摘 要： 對變壓器差動保護誤動作的原因進行分析，總結了不同切換方式下，差動保護所受影響。最后指出為避免廠變差動保護誤動作，應采取措施提高投切速度，盡可能使裝置工作在快速切換方式下。

關鍵詞：母線殘壓；沖擊電流；快切裝置；差動保護

中圖分類號： TM56 文獻標識碼：A

1 概述

近年來，隨著電網技術的不斷發展，電網規模的日益擴大，為了保證電力系統安全穩定運行即供電可靠性，滿足高電能質量的要求，傳統的備自投裝置已逐漸被快切裝置所替代。國外早在20世紀50 年代后期就開始采用快切裝置，以往國內廣泛采用的是備用電源自投裝置，簡稱BZT裝置。國內直到20世紀90年代中后期才逐步開始選用快切裝置。隨著真空和SF6開關的應用，開關閉合和關斷的速度已經能夠滿足快切的要求。即能夠在廠用母線上的電動機反饋電壓（即母線殘壓） 與待投入電源電壓的相角差還沒有達到電動機允許承受的合閘沖擊電流，并且又不使電動機的轉速下降太多前合上備用電源，使裝置工作在快速切換方式下成為現實。但是實踐表明，快切裝置在投切過程是一個非常復雜的過程，它受開關動作速度，系統接線和運行方式，負荷特性和故障類型影響而選擇不同的切換方式。在殘壓切換方式下母線負荷電動機經歷電磁暫態過程，可能產生很大電磁轉矩和沖擊電流，使廠變過流保護和差動保護誤動作。

2接線簡介

目前，國內對電源切換要求較高場合已廣泛應用快切裝置，南京東大金智公司生產的MFC2000 – 2快切裝置已在金陵石化公司、山西柳林電廠、北部彎發電有線公司等全國上百家電廠企業投入運行。南瑞繼保生產的PCS-9655，江蘇國瑞生產的PZH-1，ABB公司生產的SUE等快切裝置都已在國內成功應用。下面以ABB公司生產的SUE 3000在呼和浩特石化公司35KV第二聯合變電所應用為例介紹快切裝置對廠變差動保護影響。主要從三個方面入手：母線殘壓特性分析；沖擊電流產生的研究和沖擊電流對保護影響的分析。

為保證呼和浩特石化公司第二聯合車間生產的絕對安全，防止母線突然斷電造成停工或安全事故，提高第二聯合車間生產的安全性和經濟性，為此在6KV母線處安裝SUE 3000快切裝置。該裝置的利用可以極大提高切換的速度，快速切換的速度可控制在100ms內，提高電壓的穩定性。

圖1 第二聯合車間35KV變電所一次系統簡圖

3 快切裝置投切分析

3.1 母線殘壓變化

廠用母線的工作電源由于某種故障而被切除， 即母線的進線斷路器跳閘后，由于連接在母線上運行的電動機的定子電流和轉子電流都不會立即變為零，電機內部的電磁能量不會突然消失，即t=0時的切換瞬間，氣隙磁鏈仍然保持切換前的。轉子電流力圖維持氣隙磁鏈不變（只要轉子繞組不開路），該磁場在定子繞組中將感應產生電動勢，這就是電動機定子繞組產生變頻反饋電壓。母線電壓即為眾多電動機的合成反饋電壓，稱其為母線殘壓。

殘壓的大小和頻率都隨時間而降低，衰減的速度與母線上所接電動機臺數、負荷大小等因素有關。

下圖所示為以極坐標形式繪出6 kV 母線殘壓相量變化軌跡（殘壓衰減較慢的情況）。

圖2 母線殘壓特性圖

圖中為備用電源電壓，為母線殘壓， 為母線殘壓與備用電源之間的差壓。

設電動機承受電壓為=K，則為保證電動機安全自啟動， 應小于電動機的允許啟動電壓， 設為1.1 倍額定電壓，則有：K<1.1 ； （%）<1.1/K

根據不同電動機安全自啟動的條件，取K=0.67時， 則ΔU（%）<1.64。圖2 中， 以a 為圓心，以1.64 為半徑繪出孤線A1-A2， 則A1-A2 的右側為備用電源允許合閘的安全區域， 左側為不安全區域。若取K=0.95， 則ΔU（%）<1.15， 圖2 中B1- B2 的左側均為不安全區域。

由殘壓特性圖可知， 母線殘壓的幅值將按指數規率衰減，快切裝置合閘越快衰減越小。

3.2沖擊電流產生

研究高壓快切對廠變保護的影響必須了解產生影響的根本原因即沖擊電流的產生。以下對沖擊電流產生原因及其影響因素和特點做詳細的介紹。

（1）產生原因：工作電源中斷后， 母線殘壓幅值緩慢衰減，母線殘壓與備用電源電壓的相角差逐漸增大，母線殘壓與備用電源電壓之間的差壓（以下簡稱差壓） 逐漸變大后又變小，接著又變大又再變小，如此反復變化，至于變化一次的時間完全取決于負載（ 反向轉矩） 。如果主電源斷電后即投入備用電源， 則母線殘壓與備用電源之間的差壓將加在電機上， 此差壓決定了接通沖擊電流的大小。

（2）影響因素：電動機所受沖擊電流的大小不僅與其所受差壓幅值有關， 而且與投切時刻差壓的變化率（差壓曲線斜率） 有關。差壓變化率或差壓曲線斜率的正負對沖擊電流的作用是增大還是減小，則與各電動機的運行狀態有關。

（3）沖擊電流特點：沖擊電流的大小取決于合閘時刻，合閘初相角，合閘過程的時間。壓差越小，沖擊電流越小。

3.3不同切換方式產生的沖擊電流對變壓器差動保護影響

由于工作和備用電源間的差壓較大，特別是帶有大容量電動機的母線，使得切換后的母線殘壓變化復雜，擺角很大，壓差也相當大，產生大的沖擊電流，并且沖擊電流含有大量的非周期分量，導致電流互感器變換發生畸變，造成變壓器差動保護誤動作。MFC2000-2，PCS-9655，WBK-01B，SUE 3000等多種功能齊全快切裝置的成功應用，說明快切裝置在切換過程中減小對保護影響比BZT具有更大的優越性。

（1）快速切換影響

由于假定正常運行時工作電源與備用電源同相， 其電壓相量端點為A ， 則母線失電后殘壓相量端點將沿殘壓曲線由A 向C 方向移動，如能在A - C 段內合上備用電源，則既能保證電動機安全，又不使電動機轉速下降太多，這就是所謂的“快速切換”。

圖2中，快速切換時間應小于0. 2 s ，實際應用時， C 點通常由相角來界定，如60°。考慮到合閘回路固有時間，合閘命令發出時的角度應小于60°，即應有一定的提前量，提前量的大小取決于頻差和合閘時間。如在合閘固有時間內平均頻差為1 Hz ，合閘時間為100 ms ，則提前量約為36°。快速切換的整定值有兩個，即頻差和相角差，在裝置發出合閘命令前瞬間將實測值與整定值進行比較，判斷是否滿足合閘條件。

由于快速切換總是在起動后瞬間進行，因此頻差和相差整定取較小值，則母線殘壓與備用電源之間的壓差較小，產生的沖擊電流也很小，甚至幾乎不產生沖擊電流，所以快速切換方式下一般不會導致變壓器差動保護誤動作。

（2） 同期捕捉影響

快切裝置采用實時跟蹤殘壓的頻差和角差變化的辦法， 盡量做到在反饋電壓與備用電源電壓向量第一次相位重合時合閘， 這就是所謂的“同期捕捉切換”。以圖2為例， 同期捕捉切換時間約為0.6 s， 對于殘壓衰減較快的情況， 該時間要短得多。若能實現同期捕捉切換， 特別是同相點合閘， 對電動機的自啟動也很有利， 因此時廠母電壓衰減到65%-70%， 此時電動機轉速不至于下降很大且備用電源合上時沖擊最小。

（3） 殘壓切換影響

當殘壓衰減到20%-40%額定電壓后實現的切換通常稱為“殘壓切換”。殘壓切換雖能保證電動機安全， 但由于停電時間過長， 電動機自啟動成功與否、自啟動時間等都將受到較大限制。如圖2 情況下， 殘壓衰減到40%的時間約為1 s， 衰減到20%的時間約為1.4 s； 而對另一機組的試驗結果表明， 衰減到20%的時間為2 s。殘壓切換是當母線殘壓衰減到低于設定值時合上備用電源。一般設定為40%的額定電壓。此種切換方式下，一般備用電源與母線殘壓之間存在較大的壓差（相位和幅值一般都較大），沖擊電流大且持續時間長。

殘壓切換時過大的沖擊電流，極易引起變壓器差動保護電流互感器鐵心嚴重飽和，使勵磁電感減小，勵磁電流增大。并且沖擊電流中含有大量的非周期分量，使得勵磁電流中也存在大量的非周期分量，進一步使得飽和后的勵磁電感減小，勵磁電流增大。由于差動保護兩個電流互感器型號不同，則產生的不平衡電流（兩電流互感器勵磁電流之差）會隨勵磁電流的增大而增大。特別是在變壓器差動保護比例制動系數小于0.5時，變壓器差動保護經常誤動作。目前有些廠家通過提高差動保護的比例制動系數保證差動保護不誤動作。

同時，若備用電源與母線殘壓之間的相位差很大時，產生過大的沖擊電流，造成變壓器鐵心飽和，使勵磁電流大大增加，這個現象稱為變壓器的過勵磁。顯然，變壓器過勵磁時差動保護中會產生不平衡電流，引起保護誤動作。由于與變壓器空載合閘時不同，過勵磁時變壓器鐵心的飽和是對稱的，勵磁電流沒有間斷現象，也沒有偶次諧波分量一般的二次諧波制動的方法和間斷角鑒別的方法不能區分勵磁電流與故障電流。目前，一般根據過勵磁引起的勵磁電流中含有大量五次諧波分量的特征，采用五次諧波制動的方法，來防止差動保護的誤動作。

綜上分析可以看出，裝置工作在快速切換方式產生的沖擊電流最小，對差動保護影響最小；工作在殘壓切換方式下產生的沖擊電流最大，最不利于電動機的自啟動，對差動保護的影響最大。

典型故障分類

如圖3所示：影響供電的故障分為以下幾類：

外部故障：對于某一6kV變電所，其供電回路外部發生的故障。有以下類型：

整個電力系統失電（外部長時間故障時間大于0.5s）

外部短時間故障

F1故障區，雷擊故障（<200ms）

F1故障區， 110kV外部輸電網短路故障 （100-250ms）

F4故障區 35kV變電所其他出線故障（200-600ms）

F7故障區，6kV變電所出線短路故障（100-300ms）

外部故障在一段時間內，將被切除。供電回路恢復供電。

內部故障：從110kV電源到某一6kV變電所的供電回路內發生的故障。

F2 F3故障區，主站上側故障（100ms）

F5 F6故障區，主站到子站故障（200-600ms）

內部故障，負荷需要切換到正常的供電回路中。

5 改進趨勢

提高快切裝置應用的可靠性，避免投切過程中廠變過流和差動保護誤動作，應從以下幾個方面作進一步改進。

（1）繼續研究電網質量參數的測量方法和相應的算法，提高檢測裝置的快速性來提高快切裝置動作的快速性。

（2）采用64位的DSP作為處理器，提高位處理速度，改進裝置的硬件性能。

（3）采用現代電力電子器件代替與快切裝置相配合的斷路器，提高投切速度。

結語

快切裝置工作在快速切換方式下對變壓器差動保護的影響最小，因此提高投切速度可以有效的改善廠變差動保護所受影響。在以后的應用中應盡可能從硬件和軟件兩方面對快切裝置進行改進，并采用先進的電力電子開關技術，提高投切速度，減小沖擊電流，避免保護誤動作。

參考文獻

[1]王秋梅.廠用電快速切換原理及影響因素[J].洛陽工業高等專科學校.

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