并聯電容器對變壓器差動保護的影響

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0 引 言

下面分析了電容器放電產生的諧振頻率與并聯電容器的選型關系，其諧振諧波分量對變壓器勵磁涌流判據產生的影響，并應用EMTDC進行了仿真，提出了對變壓器差動保護涌流判據的建議。

1 并聯電容器側放電電流的分析

額定電抗率為并聯電容器中串聯電抗器的感抗和電容器組容抗的比值，即K=XL/XC，若系統諧波以n次諧波為主，則應選取串聯電抗器感抗值XL使得：(nXL-XC/n)>0，即K>1/n2，例如當系統主要諧波為5次及以上諧波時，K>4% ，當系統主要諧波為3次諧波時，K>11%。考慮到LC抑制回路的諧振頻率必須低于系統可能出現的最低次諧波頻率以及低壓并聯電容器的容量在工作過程中會逐漸降低，使諧振點往上漂移[3]，所以為了取得一定的裕度，對于5次及以上諧波，取K>6%，對于3次諧波，取K>12%。6%和12%的電抗率也是目前并聯電容器選型中最常用的電抗率，工程上為了同時抑制上述諧波，也可采用以上兩種電抗率的電容器混用[2]。

(1)

其中，

(2)

若K=6%，則振蕩放電電流頻率約為基波頻率的4倍。

由此可以看到，變壓器低壓側區內故障時，電容器振蕩放電電流流過低壓側開關TA，計入變壓器差動保護電流中，從而使差流中的諧波含量增大。

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圖1 系統接線圖

圖2 故障時刻等值電路圖

2 放電電流對變壓器差動保護的影響

目前變壓器保護應用鑒別勵磁涌流的方法主要有2次諧波制動原理[1]和波形對稱原理[4]。對于雙重化配置的變壓器保護，應使用不同原理的涌流識別判據，工程上的常規配置基本是一套使用2次諧波原理，一套使用波形對稱原理。下面分別說明放電電流對兩種涌流識別原理的影響。

2.1 對諧波制動原理的影響

諧波制動原理是根據勵磁涌流中含有大量偶次諧波分量，其中又以2次諧波尤為明顯，利用差流中2次諧波的含量來識別勵磁涌流，

(3)

式中，I1、I2為差流中基波和2次諧波的幅值；K2為2次諧波制動比的整定值。

同時為了防止變壓器差動轉角或濾零計算中造成的2次諧波降低，一些保護還增加了3次諧波閉鎖功能。

式中，I1、I3為差流中基波和3次諧波的幅值；K3為3次諧波制動系數。

當并聯電容器的放電振蕩電流中含有大量2、3次諧波時，如并聯電容器電抗率為K=12%時，變壓器內部故障時，并聯電容的振蕩頻率根據式(2)計算可知為ω=906.9 rad/s，這就增大差流中的3次諧波分量，可能造成諧波閉鎖判據閉鎖差動保護。

2.2 對波形對稱涌流原理的影響

波形對稱涌流原理是利用差流導數(即對差流采樣點進行差分)的前半波與后半波進行對稱比較，根據比較的結果去判斷是否發生了勵磁涌流，對于對稱的定義為

(5)

將差流進行傅里葉級數展開得

(6)

差流對時間t進行求導得

(7)

由式(6)可知，對于差流導數中的奇數頻分量為

(8)

而偶數頻分量為

(9)

根據式(8)、式(9)可知差流中的偶次諧波分量會增大式(5)計算得到的對稱KW值，判為波形不對稱，而奇次諧波分量通過式(5)計算的對稱KW為0。可以看到波形對稱原理實際上是將差流中的奇次諧波分量作為對稱判別的動作量，而偶次諧波分量作為對稱判別的制動量，奇次諧波含量越高則波形越對稱，偶次諧波含量越高則波形越不對稱。

當并聯電容器的放電振蕩頻率為偶次諧波時，如并聯電容器電抗率為K=6%時，變壓器內部故障時，并聯電容的振蕩頻率根據式(2)計算可知ω=1 282.5 rad/s，這就增大了差流中的4次諧波分量，可能造成諧波閉鎖判據閉鎖差動保護。

3 試驗仿真

使用EMTDC建立并聯電容器的系統仿真模型，仿真系統如圖1，變壓器高低側短路阻抗為65%，低壓側電容器容量為主變壓器容量的30%，模擬K2點三相故障，分別取6%和12%兩種典型并聯電容器電抗率進行仿真，研究對諧波制動原理和波形對稱原理的影響。仿真步長為50 μs，保護采樣頻率為1 000 Hz。

3.1 并聯電容器電抗率為6%

如表1所示，差流中4次諧波含量很高，其中B相4次諧波含量超過30%。圖4、5、6分別為220～400 ms時各采樣時刻波形對稱點數，在故障后200 ms內各采樣時刻波形對稱的點數均小于5，波形對稱將閉鎖差動保護。

圖3 變壓器低壓側故障差流波形(電抗率6%)

3.2 并聯電抗器電抗率為12%

如表2所示，差流中3次諧波含量很高，其中B相3次諧波含量超過30%，目前變壓器保護的諧波整定門檻基本在15%～20%之間，所以含有3次諧波制動的差動保護會延時動作甚至是拒動。

表1 差流各次諧波含量

圖4 故障后200 ms A相差流波形對稱點數(電抗率6%)

圖5 故障后200 ms B相差流波形對稱點數(電抗率6%)

圖6 故障后200 ms C相差流波形對稱點數(電抗率6%)

波形對稱分析如圖8、9、10，由于差流中奇次諧波含量很大，偶次諧波含量很小，因此各采樣時刻的波形對稱點數很多，電抗率為12%的并聯電容器對波形對稱原理并沒有影響。

圖7 變壓器低壓側故障差流波形(電抗率12%)

表2 差流各次諧波含量

圖8 故障后200 ms A相差流波形對稱點(電抗率12%)

圖9 故障后200 ms B相差流波形對稱點數(電抗率12%)

圖10 故障后200 ms C相差流波形對稱點數(電抗率12%)

4 結 語

對并聯電容器中電抗率選擇、系統故障時放電電流對變壓器保護的影響進行了分析，得出了以下結論：①并聯電容器在系統故障時會形成振蕩放電回路，其振蕩頻率與電容器中電抗率有緊密的關系。②當變壓器區內發生故障時，并聯電容器的放電電流會計入差流，增大差流中的諧波含量。 ③放電電流會造成變壓器保護尤其是高阻抗變壓器保護中勵磁涌流判別元件誤閉鎖差動保護，導致差動保護延時動作甚至拒動。④考慮到3次諧波判據為2次諧波制動判據的補充輔助判據，但在電容器12%電抗率情況下3次諧波會閉鎖差動保護，建議在判為區內故障時取消3次諧波閉鎖，只保留2次諧波閉鎖，防止差動保護拒動。⑤在電容器6%電抗率情況下，波形對稱原理會閉鎖差動保護，建議在判為區內故障時采用濾波算法濾除差流中含有的4次諧波，防止4次諧波增大而導致判為不對稱，防止差動保護拒動。

綜上所述，變壓器保護必須考慮并聯電容器放電電流的影響，采取措施提高差動保護的可靠性。

[1] 王維儉. 電氣主設備繼電保護原理及應用(第二版)[M]. 北京：中國電力出版社，2001.

[2] 王志杰，季美紅. 低壓并聯電容器裝置中串聯電抗器的選用[J].電工電氣，2009(8)：32-34.

[3] 洪貞賢. 減少諧波電流對補償電容器影響的措施[J]. 電力電容器， 2007(5)：39-40.

[4] 孫志杰，陳云侖. 波形對稱原理的變壓器差動保護[J]. 電力系統自動化， 1999(4)：42-46.

[5] 孫志杰，曾獻華，湯漢松，等．磁通制動原理在變壓器差動保護中的應用[J]．電力自動化設備， 2005，25(1)：160-164.

[6] 李貴存，劉萬順，騰林，等. 基于波形相關性分析的變壓器勵磁涌流識別新算法[J]. 電力系統自動化，2001，25(17)：25-28.

[7] 趙永彬，盧毅. 主設備變壓器保護諧波制動改進[J]. 電力自動化設備，2002，22(7)：1-5.

[8] 楊帆，李曉明，鄭秀玉，等.電力系統分數次諧波的產生機理、危害與特征[J]. 高電壓技術，2007，33(12)：153-156.

[9] 束洪春. 電力工程信號處理應用(第一版)[M].北京：科學出版社，2009.

[10] 吳國沛，劉育權，任震. 電力系統諧波對繼電保護的影響[J]. 電力自動化設備，2007，22(7)：78-79.