大型發(fā)變組保護CT極性及保護方向自動檢測技術(shù)研究

李本瑜，陳海龍，劉志文，肖志剛，沈燕華，徐立明

(1.云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011； 2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

大型發(fā)變組保護對象主要包括發(fā)電機、主變壓器、勵磁變、廠用變等，其保護配置[1]復雜，CT數(shù)量多，且采用主后一體化模式，雙重化配置。一套保護裝置內(nèi)的主保護、后備保護、異常運行保護共用一組CT，CT的極性必須同時滿足主保護、后備保護、異常運行保護的要求。準確無誤的電流互感器(CT)極性和保護方向是確保繼電保護安全可靠運行的基礎。長期以來，所有帶負荷檢測CT極性和保護方向的工作都由現(xiàn)場安裝調(diào)試人員通過鉗形相位表檢測電流電壓間的相位，再依據(jù)負荷的方向進行人工分析判斷，其正確性完全依賴檢測人員的業(yè)務技能水平和責任心，人工校驗很容易出錯。鑒于發(fā)變組保護功能配置和CT二次回路的復雜性，對檢測人員的專業(yè)技能要求較高，由于現(xiàn)場施工人員水平良莠不齊，他們更多的注意力集中在差動保護的CT極性方面，對于功率方向保護[2](匝間保護、失磁保護、失步保護等)往往忽略了。多年的現(xiàn)場運行經(jīng)驗表明，由于CT極性和保護方向錯誤導致保護誤動或拒動的事情屢禁不止，嚴重影響著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

目前國內(nèi)外的微機發(fā)變組保護還沒有CT極性自動檢測技術(shù)及功能，因此我們在發(fā)變組保護中增加大型發(fā)變組保護CT極性自動檢測輔助功能，主要包括發(fā)電機保護CT極性自動檢測、主變壓器保護CT極性自動檢測、零序差動保護CT極性自動檢測等。在發(fā)變組保護裝置內(nèi)構(gòu)建了CT極性和保護方向自動檢測的判據(jù)和功能，進一步提升了發(fā)變組保護的安全性和可靠性，具有很高的工程實用價值。

1 發(fā)電機保護CT極性自動檢測

1.1 發(fā)電機保護CT極性要求

對于100 MW及以上容量的發(fā)電機組，其保護配置采用雙重化配置，采用主保護、后備保護一體化裝置，即發(fā)電機差動保護與發(fā)電機后備保護、異常保護共用同一組CT，這就要求CT的極性既要滿足差動保護的要求，也要滿足方向類保護(失磁保護、失步保護等)的要求。其中失磁保護、失步保護、故障分量負序方向保護等的電流取自發(fā)電機機端，其動作特性[3-4]都是以電流從發(fā)電機流出為正方向。發(fā)電機保護CT極性要求如圖1所示。

圖1 發(fā)電機保護CT極性圖

圖1中，發(fā)電機保護裝置對CT 繞組極性接法要求CT 一次電流必須以發(fā)電機流出的電流方向為正方向。

1.2 發(fā)電機保護CT極性自動檢測

發(fā)電機組在圖1中K1點三相短路試驗[5]或帶負荷試驗時，通過發(fā)電機保護裝置的參數(shù)瀏覽菜單能夠?qū)崟r查看各側(cè)電流、差動電流的大小、相位。根據(jù)差動電流的大小、相位能夠判斷CT極性是否滿足差動保護的要求。但是要保證機端側(cè)CT極性也要滿足方向類保護的要求，則要進行繪制六角圖，結(jié)合已知的該側(cè)功率方向，根據(jù)六角圖來判斷機端側(cè)CT極性正確與否。但是現(xiàn)場投運、調(diào)試人員往往只檢查了差動保護CT極性的正確性，忽略發(fā)電機方向類保護的極性校驗，這就給發(fā)電機保護安全運行帶來很大的隱患，容易造成發(fā)電機方向類保護不正確動作。因此在發(fā)電機保護中增設保護CT極性自動檢測輔助功能。

當發(fā)電機組在圖1中K1點進行三相短路試驗或帶負荷試驗時，利用差動電流和有功功率方向自動校驗發(fā)電機保護CT極性的正確性。發(fā)電機差動保護各相差動電流計算如下:

(1)

發(fā)電機機端二次有功功率計算如下:

(2)

圖2 發(fā)電機保護CT極性自動檢測邏輯圖

發(fā)電機保護CT極性自動檢測邏輯如下：

(1)發(fā)電機差動保護任一相差動電流大于0.1Ie；

(2)發(fā)電機機端任一相有功功率小于零。

滿足上述任一條件時，報發(fā)電機保護CT極性錯誤告警信息。提示現(xiàn)場運行、調(diào)試人員注意檢查、核實發(fā)電機保護CT極性。

圖3 給出某發(fā)電機帶負荷試驗時的波形及發(fā)電機差動各相差動電流和有功功率。

圖3 發(fā)電機差動電流、有功功率圖示

負荷電流對發(fā)電機差動保護來說是穿越性電流，各相差動電流應該為零，且電流方向為從發(fā)電機流出。圖3中計算顯示，發(fā)電機差動各相差動電流基本為零，機端側(cè)二次有功功率為20 W，發(fā)電機保護CT極性符合圖1中的要求，采用圖2中的邏輯能夠有效識別發(fā)電機保護CT極性的正確性。

2 主變壓器保護CT極性自動檢測

2.1 變壓器保護CT極性要求

對于220 kV及以上電壓等級的變壓器，其保護配置采用雙重化配置，主保護、后備保護一體化裝置，即變壓器差動保護與后備保護共用同一組CT，這就要求CT的極性既要滿足差動保護的要求，也要滿足方向類后備保護(高壓側(cè)復壓方向過流、阻抗保護等)的要求。其中高壓側(cè)復壓方向過流、阻抗保護的動作特性都是以電流從母線流出為正方向，變壓器保護CT極性要求如圖4所示。

圖4 變壓器保護CT極性圖

圖4中，變壓器保護裝置對CT繞組極性接法有如下要求：

(1)差動保護、高壓側(cè)后備保護要求CT一次電流必須以從母線流出的方向為正方向；

(2)差動保護、后備保護用CT采用全星形接線，由保護軟件自動對各側(cè)電流實現(xiàn)相位和幅值補償。

2.2 變壓器保護CT極性自動檢測

發(fā)電機組在圖4中K1點三相短路試驗或帶負荷試驗時，通過變壓器保護裝置的參數(shù)瀏覽菜單能夠?qū)崟r查看各側(cè)電流、差動電流的大小、相位。根據(jù)差動電流的大小、相位能夠判斷CT極性是否滿足差動保護的要求。但是要保證高壓側(cè)CT極性也要滿足方向類保護的要求[6-7]，則要進行繪制六角圖，結(jié)合已知的該側(cè)功率方向，根據(jù)六角圖來判斷出高壓側(cè)CT極性正確與否。但是現(xiàn)場投運、調(diào)試人員往往只檢查了差動保護CT極性的正確性，忽略變壓器方向類保護的極性校驗，這就給變壓器保護安全運行帶來很大的隱患，容易造成變壓器方向類保護不正確動作。因此在變壓器保護中增設保護CT極性自動檢測輔助功能。

當發(fā)電機組在圖4中K1點進行三相短路試驗或帶負荷試驗時，利用差動電流和有功功率方向自動校驗變壓器保護CT極性的正確性。

變壓器差動各相差動電流計算如下:

(3)

短路試驗或帶負荷試驗時，變壓器機端側(cè)二次有功功率計算同式(2)。

帶負荷試驗時，計算變壓器高壓側(cè)二次有功功率如下:

(4)

圖5 變壓器保護CT極性自動檢測邏輯圖

變壓器保護CT極性自動檢測邏輯如下：

(1)變壓器差動保護任一相差動電流大于0.1Ie；

(2)機端任一相有功功率小于零；

(3)主變高壓側(cè)任一相有功功率大于零(帶負荷試驗時)。

滿足上述任一條件時，報變壓器保護CT極性錯誤告警報文。提示現(xiàn)場運行、調(diào)試人員注意檢查、核實變壓器保護CT極性。

圖6 給出某變壓器帶負荷試驗時的波形及變壓器差動各相差動電流和高壓側(cè)有功功率圖示。

圖6 變壓器差動電流、有功功率圖示

負荷電流對變壓器差動保護來說是穿越性電流，各相差動電流應該為零，且電流方向為從變壓器流向母線。負荷電流對機端CT二次電流來說是電流的正方向，對高壓側(cè)CT二次電流來說是電流的反方向，因此，機端側(cè)二次有功功率應該為正，主變高壓側(cè)二次有功功率應該為負。圖6中計算顯示，變壓器差動各相差動電流基本為零，高壓側(cè)二次有功功率為-42 W，機端側(cè)二次有功功率為45 W，變壓器保護CT極性符合圖4中的要求，采用圖5中的邏輯能夠有效識別變壓器保護CT極性的正確性。

3 零序差動保護CT極性自動檢測

3.1 零序差動保護原理

對于Yn /Δ變壓器，變壓器縱差保護一般采用Y→Δ轉(zhuǎn)換，以調(diào)整兩側(cè)的相位差及保證保護外部單相接地短路時不誤動，通過Y→Δ轉(zhuǎn)換后使高壓側(cè)零序電流分量不再作為差動電流動作量，這導致變壓器內(nèi)部接地故障時縱差保護靈敏度降低，不能可靠保護內(nèi)部單相高阻接地故障[8-9]。為了提高變壓器區(qū)內(nèi)單相高阻接地故障的靈敏度，目前在電廠變壓器保護中配置有零序差動保護。

零序差動保護的原理圖如圖7所示，由高壓側(cè)三相自產(chǎn)零序電流與中性點零序電流構(gòu)成零序差動保護。

圖7 零序差動保護原理圖

零序差動動作方程如下:

(5)

式(5)中:

(6)

(7)

3.2 零序差動保護CT極性自動檢測

正常運行時，變壓器零序電流基本為零，零序差動保護的差動電流也為零，該保護的CT極性，特別是中性點零序CT的極性是否正確就難以正確判斷，導致該保護因中性點零序CT極性、接線等問題造成誤動率較高。這樣的事故隱患非常隱蔽，靠現(xiàn)場調(diào)試、維護人員來發(fā)現(xiàn)問題存在很大困難[10]，因此在變壓器保護中增設零序差動保護CT極性自動檢測輔助功能。

正常變壓器空載合閘時，由于三相電流不對稱，必然產(chǎn)生零序電流，勵磁涌流對于零序差動保護是穿越性電流，如果零序差動保護CT極性正確，高壓側(cè)自產(chǎn)零序電流和中性點零序電流的大小應相等，相位應相反[11]。

因此利用變壓器空載合閘時的勵磁涌流來自動校驗零序差動保護CT極性的正確性。零序差動保護CT極性自動檢測方案如圖8所示。

零序差動保護CT極性自動檢測邏輯如下：

(1)變壓器空載合閘狀態(tài)；

(2)勵磁涌流中的二次諧波電流與基波電流比值大于設定值；

(3)變壓器縱差保護未動作；

(4)高壓側(cè)自產(chǎn)零序電流與中性點零序電流相位差小于設定值；

(5)零序差動電流大于設定值。

上述條件都滿足時，報零序差動保護CT極性錯誤告警報文。提示現(xiàn)場運行、調(diào)試人員注意檢查、核實零序差動保護CT極性。

圖9 給出某變壓器空載合閘時的波形及高壓側(cè)自產(chǎn)零序電流和中性點零序電流相位圖示。

勵磁涌流對零序差動保護來說是穿越性電流，高壓側(cè)自產(chǎn)零序電流與中性點零序電流應該反向且零序差動電流應該為零。圖9中計算顯示，高壓側(cè)自產(chǎn)零序電流與中性點零序電流的相位差為180°，相位反向，且零序差動電流很小，基本為零，零序差動保護CT極性符合圖7中的要求，采用圖8中的邏輯能夠有效識別零序差動保護CT極性的正確性。

圖9 零序差動電流、相位圖示

為了不影響發(fā)變組保護的正常功能，設計中增加極性校驗硬壓板用于此功能的投退。發(fā)電機保護CT極性自動檢測輔助功能、變壓器保護CT極性自動檢測輔助功能僅在發(fā)電機組短路試驗或帶負荷試驗時投入，發(fā)電機組正常投運后應退出。零序差動保護CT極性自動檢測輔助功能僅在變壓器投運前空載合閘試驗時投入，變壓器正常運行后應退出。

4 結(jié)束語

主要研究利用發(fā)電機組啟動電氣短路試驗或機組帶負荷試驗期間，根據(jù)發(fā)變組保護CT極性的要求，構(gòu)建發(fā)變組保護CT極性和保護方向的自動檢測方案，自動檢驗發(fā)變組保護CT極性和保護方向的正確性，防止因CT極性和保護方向錯誤導致的發(fā)變組保護不正確動作。當CT極性和保護方向錯誤時，給出錯誤告警報告，提示現(xiàn)場調(diào)試、運行人員及時發(fā)現(xiàn)和更正CT二次回路的接線錯誤，保證發(fā)變組保護能夠安全可靠運行，具有很高的工程實用價值。