變壓器過(guò)勵(lì)磁的原因分析

變壓器過(guò)勵(lì)磁的原因分析

1單中斷和保護(hù)的基本概念1.1過(guò)勵(lì)磁故障產(chǎn)生的后果由于電能系統(tǒng)中安裝的變壓器突然過(guò)載，其中一些可能導(dǎo)致磁體過(guò)度。1）當(dāng)超高壓線突然損失負(fù)荷時(shí)，過(guò)載；2）當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，補(bǔ)償裝置被拆除，充電能力不足，導(dǎo)致變形。3）當(dāng)補(bǔ)償裝置本身故障時(shí)，過(guò)載；4）由于電流突然泄漏，電流過(guò)高，通常的壓力設(shè)計(jì)不足來(lái)控制電壓損失的發(fā)生。5）考慮到電網(wǎng)解鎖和組合殼中的不合理配置或操作不當(dāng)，各個(gè)領(lǐng)域的電壓或低頻運(yùn)行。6）鐵磁噪或l-c共振引起的過(guò)載；7）不同的調(diào)整和控制設(shè)備的程序可能會(huì)崩潰或失敗。變壓器是由鐵心和繞組構(gòu)成的,若外加電壓為U,則有:式中:f為電壓頻率;W為匝數(shù);S為鐵心截面,B為磁通密度。因?yàn)閃、S均為定數(shù),故可寫(xiě)為:式中:K=1/4.44WS,對(duì)于每一個(gè)特定的變壓器,K為定數(shù)。由式(2)可以看到,電壓的升高和頻率的降低均可導(dǎo)致磁通密度的增大。磁通密度的過(guò)分增大,使鐵心飽和、勵(lì)磁電流急劇增加,造成過(guò)勵(lì)磁現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)就形成威脅設(shè)備安全的過(guò)勵(lì)磁故障?，F(xiàn)在的大型變壓器,額定工作磁通密度Bn=1.7～1.8T,而飽和磁通密度Bs=1.9～2.0T,兩者很接近,比較容易發(fā)生過(guò)勵(lì)磁故障。變壓器的過(guò)勵(lì)磁故障會(huì)產(chǎn)生以下后果。(1)變壓器鐵心飽和之后,鐵損增加,使鐵心溫度升高。鐵心飽和后要使磁場(chǎng)擴(kuò)散到周?chē)臻g中,使漏磁場(chǎng)增強(qiáng)。由于漏磁場(chǎng)而產(chǎn)生渦流損耗,使靠近鐵心的繞組導(dǎo)線、油箱壁以及其它金屬構(gòu)件發(fā)熱,引起高溫,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成局部變形和絕緣介質(zhì)的損傷。(2)對(duì)某些大型變壓器,當(dāng)工作磁通密度達(dá)到額定磁通密度的1.3～1.4倍時(shí),勵(lì)磁電流的有效值可以達(dá)到額定負(fù)荷電流的水平。由于勵(lì)磁電流是非正弦波,含有許多高次諧波分量,而鐵心和其它金屬構(gòu)件的渦流損耗與頻率的平方成正比,所以發(fā)熱嚴(yán)重。(3)過(guò)勵(lì)磁引起的溫度升高加速絕緣老化,使繞組的絕緣強(qiáng)度和機(jī)械性能變壞,鐵心疊片間絕緣損壞導(dǎo)致渦流損耗進(jìn)一步增加,還可能造成繞組對(duì)鐵心的主絕緣損壞,而且油箱內(nèi)壁的油漆溶化還會(huì)使變壓器油被污染。1.2反時(shí)限保護(hù)的整定原則由于變壓器過(guò)勵(lì)磁故障時(shí)并非每次都造成設(shè)備的明顯破壞,容易被忽視,但是反復(fù)過(guò)勵(lì)磁將因過(guò)熱而使絕緣老化,降低設(shè)備的使用壽命。因此,我國(guó)繼電保護(hù)規(guī)程規(guī)定,由于頻率降低和電壓升高引起的鐵心工作磁通密度過(guò)高,500(330)kV電壓等級(jí)的變壓器應(yīng)裝設(shè)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)。與系統(tǒng)并列運(yùn)行的聯(lián)絡(luò)變壓器的電壓不會(huì)大幅度提高,而頻率下降程度一般也比較小。當(dāng)負(fù)荷過(guò)大使頻率下降時(shí),系統(tǒng)中將由自動(dòng)減負(fù)荷裝置來(lái)限制頻率下降。一般在頻率下降1%～3%時(shí)就開(kāi)始甩負(fù)荷,雖然頻率實(shí)際下降幅度要比1%～3%大些,但一般最多只下降7%～8%。因此,系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁的可能性比較小,而且過(guò)勵(lì)磁的程度也比較輕。但是,可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)不高而持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的情況。變壓器過(guò)勵(lì)磁的嚴(yán)重程度用過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)表示:式中:B為鐵心中的實(shí)際磁通密度;Bn為鐵心額定工作磁通密度。將式(2)代入式(3)可得:可以看出過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)與電壓成正比,與頻率成反比,過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)越大,允許的持續(xù)時(shí)間越短。過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)與允許持續(xù)時(shí)間的關(guān)系曲線稱(chēng)為過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線。如圖1所示,制定此曲線的基礎(chǔ)是在該過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)n下,變壓器受熱各部分均不至于損壞或影響使用壽命。由于鐵心材料和工藝的差別,使變壓器的過(guò)勵(lì)磁特性各異,各國(guó)制定的標(biāo)準(zhǔn)也不同。例如法國(guó)規(guī)定n=1.3時(shí),允許持續(xù)運(yùn)行時(shí)間t=10s;n=1.2時(shí),允許持續(xù)運(yùn)行時(shí)間t=60s;當(dāng)n=1.05時(shí),變壓器可以連續(xù)運(yùn)行。構(gòu)成變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的動(dòng)作特性顯然應(yīng)與被保護(hù)的變壓器過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線相配合,即動(dòng)作時(shí)間略小于變壓器允許持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。因此通常變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)采用反時(shí)限保護(hù)方式,目前廣為采用的過(guò)勵(lì)磁反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為:反時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的整定原則是選取Kt和nop值使保護(hù)動(dòng)作時(shí)限t與變壓器過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)曲線相匹配。微機(jī)保護(hù)采用軟件實(shí)現(xiàn)反時(shí)限特性比較容易,采樣算得即時(shí)的U和f值,求得即時(shí)過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)n和保護(hù)啟動(dòng)倍數(shù)M,按已整定的Kt和nop值代入式(5)即可算得保護(hù)動(dòng)作時(shí)限t。2以下分析了磁體保護(hù)操作2.1tv二次電壓值或未異常陜西電網(wǎng)在330kV電壓等級(jí)的變壓器中普遍裝設(shè)有過(guò)勵(lì)磁保護(hù)。近年來(lái)陜西電網(wǎng)330kV變壓器由于過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作,引起變壓器6次跳閘,這6次跳閘均因TV二次電壓升高引起,并非變壓器發(fā)生過(guò)勵(lì)磁而導(dǎo)致的保護(hù)動(dòng)作。對(duì)于變壓器來(lái)講都屬于誤跳閘,對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了較大的影響。這6次TV二次電壓升高的原因不同,其中3次是由于變壓器的TV一次并列或撤運(yùn),進(jìn)行分相操作時(shí)引起的TV一次電壓不平衡,使得二次開(kāi)口三角感應(yīng)出很高的零序電壓,進(jìn)而耦合引起TV二次電壓升高,致使變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作,主變壓器跳閘。一次是在運(yùn)行人員恢復(fù)跳閘的YH二次開(kāi)關(guān)過(guò)程中,電壓出現(xiàn)畸變,幅值約為額定電壓的1.3倍,滿足了過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的動(dòng)作條件,主變壓器跳閘。一次是在運(yùn)行人員進(jìn)行兩組YH二次并聯(lián)操作時(shí),造成YH反充電,引起TV二次電壓升高,致使變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作,主變壓器跳閘。還有一次是在系統(tǒng)及一次設(shè)備均無(wú)異常時(shí),原因不明的YH二次及開(kāi)口三角電壓異常升高,引起變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作,主變壓器跳閘?，F(xiàn)以其中兩次動(dòng)作的詳細(xì)情況為例,說(shuō)明變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作的原因。2.2事故結(jié)果分析2002年10月17日12時(shí)20分,西安地區(qū)某330kV變電站330kVⅡ母TV預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)束,進(jìn)行加入運(yùn)行操作,當(dāng)合上TVⅡ的B相刀閘后,2號(hào)主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作,3330、3332、1102、3502開(kāi)關(guān)跳閘,造成2號(hào)主變失壓,同時(shí)110kV母線失壓。330kV變電站的一次接線如圖2所示。當(dāng)日的運(yùn)行方式是,3311、3331、3330、3332開(kāi)關(guān)在運(yùn)行中,線路1、線路2及2號(hào)主變?cè)谶\(yùn)行中。3310、3312開(kāi)關(guān)及1號(hào)主變撤運(yùn)檢修,330kVⅡ母電壓互感器TVⅡ進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)。由于3310、3312開(kāi)關(guān)撤運(yùn),330kV設(shè)備呈開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)3330、3332開(kāi)關(guān)跳閘2號(hào)主變失壓的同時(shí),造成110kV母線失壓,擴(kuò)大了事故停電范圍。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查,根據(jù)錄波圖及2號(hào)主變保護(hù)動(dòng)作報(bào)告,認(rèn)為引起事故的直接原因?yàn)?30kVⅠ母TVI的B相電壓異常升高,為正常值的1.23倍,達(dá)到2號(hào)主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)啟動(dòng)值,造成2號(hào)主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作,2號(hào)主變3側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘及110kV母線失壓。過(guò)勵(lì)磁保護(hù)是根據(jù)變壓器的相電壓,模擬變壓器的過(guò)勵(lì)磁曲線,當(dāng)電壓升高時(shí),經(jīng)一定延時(shí)出口跳閘,動(dòng)作特性為反時(shí)限特性。330kV電壓互感器的二次回路接線如圖3所示。變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的電壓接在330kV的Ⅱ段電壓小母線上,事故發(fā)生的當(dāng)日330kVⅡ母TVⅡ停電,合上了二次電壓并列小開(kāi)關(guān),并列繼電器1YQJ1、2YQJ1動(dòng)作,其動(dòng)合接點(diǎn)閉合,由330kVI母TVⅠ提供電壓。在進(jìn)行330kVⅡ母TVⅡ加入運(yùn)行操作時(shí),其操作順序是先操作一次設(shè)備,再操作二次設(shè)備。在操作一次設(shè)備時(shí)電壓二次小空氣開(kāi)關(guān)8AC1、8AC2、8AC3均在斷開(kāi)位置。接線中,開(kāi)口三角的零序電壓L630沒(méi)有小空氣開(kāi)關(guān)控制。電壓互感器刀閘是分相操作的,為了防止停電檢修試驗(yàn)中二次向一次反充電,TV的每相電壓都經(jīng)過(guò)本相刀閘的輔助接點(diǎn)Ga、Gb、Gc閉鎖,開(kāi)口電壓L630經(jīng)過(guò)B相刀閘輔助接點(diǎn)Gb閉鎖。操作刀閘的順序是A、B、C相依次操作。當(dāng)合上TVⅡ的A相刀閘時(shí),A相二次各繞組電壓并未接入回路,因?yàn)樾切卫@組的二次小空開(kāi)8AC2、8AC3沒(méi)有合上,開(kāi)口電壓L630因Gb沒(méi)有接通,也未接入回路。當(dāng)合上TVⅡ的B相刀閘時(shí),其輔助接點(diǎn)Gb接通,出現(xiàn)開(kāi)口三角的零序電壓,且此電壓為,是相電壓的倍。此電壓經(jīng)二次并列回路感應(yīng)到運(yùn)行的TVⅠ的開(kāi)口三角繞組中,并耦合至星形繞組,使TVⅠ的相電壓異常升高,達(dá)到主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)啟動(dòng)值,造成2號(hào)主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作。事故后進(jìn)行了原因分析,認(rèn)為此次事故與操作的順序有關(guān)。但是,從根本上是由于二次回路設(shè)計(jì)缺陷造成的,設(shè)計(jì)者沒(méi)有意識(shí)到這種接線會(huì)使兩個(gè)電壓互感器在操作過(guò)程中相互影響,產(chǎn)生二次的電壓升高。防范措施是在TV開(kāi)口三角回路L601中,加一個(gè)二次小開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制,當(dāng)一次操作過(guò)程完成后,再投入開(kāi)口三角的零序電壓。2.3合成33kv母tv二次小空氣開(kāi)關(guān)跳閘故障2005年3月29日2時(shí)09分,西安地區(qū)另一330kV變電站的2號(hào)、3號(hào)主變壓器過(guò)勵(lì)磁保護(hù)同時(shí)動(dòng)作,使兩臺(tái)變壓器跳閘。此變電站的一次接線如圖4所示。當(dāng)日變電站330kV的運(yùn)行方式是,330kV的Ⅱ母停電,Ⅱ母上所用開(kāi)關(guān)斷開(kāi),TVⅡ停運(yùn),兩組TV的二次回路在并列運(yùn)行狀態(tài),由TVⅠ向二次回路供電。變電站值班人員正在進(jìn)行恢復(fù)330kVⅡ母運(yùn)行的操作過(guò)程中,當(dāng)值班人員按操作票的順序,合上TVⅡ的各相刀閘后,在合TVⅡ的二次小空氣開(kāi)關(guān)時(shí),330kVⅠ母TV的二次小空氣開(kāi)關(guān)跳閘。當(dāng)時(shí)值班人員正忙于操作,并未發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。當(dāng)操作進(jìn)行到合上3312開(kāi)關(guān)后(或合上Ⅱ母任一開(kāi)關(guān)),330kVⅡ母TV帶電,因兩組TV的二次回路在并列運(yùn)行狀態(tài),整個(gè)電壓二次回路顯示正常。合上Ⅱ母上所有開(kāi)關(guān)且Ⅱ母恢復(fù)正常運(yùn)行后,電壓二次回路準(zhǔn)備分列運(yùn)行,值班人員斷開(kāi)TV二次并列小開(kāi)關(guān)后,接在Ⅰ母上的電氣元件均發(fā)出“電壓二次回路斷線”的告警信號(hào)。檢查發(fā)現(xiàn)Ⅰ母TV二次無(wú)電壓。此時(shí)判定是在前面操作中,造成了330kVⅠ母TV的二次空氣開(kāi)關(guān)跳閘。值班人員當(dāng)即去合330kVⅠ母TV的二次小空氣開(kāi)關(guān),同時(shí)發(fā)生接在330kVⅠ母的2、3號(hào)主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作,將兩臺(tái)變壓器各側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘。造成330kVⅠ母TV的二次小空氣開(kāi)關(guān)跳閘的原因是,330kVⅡ母處在無(wú)電壓狀態(tài),在合TVⅡ的二次小空氣開(kāi)關(guān)時(shí),并聯(lián)的二次電壓對(duì)330kVⅡ母有一個(gè)反充電過(guò)程,反充電造成電壓二次負(fù)載劇增,致使330kVⅠ母TV的二次小空氣開(kāi)關(guān)因過(guò)載跳閘。在合330kVⅠ母TV的二次小空氣開(kāi)關(guān)時(shí)發(fā)生2、3號(hào)主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作,從錄波圖看到保護(hù)動(dòng)作時(shí),330kV的A、B相電壓正常,C相電壓升高畸變。圖3中二次小空氣開(kāi)關(guān)8AC2的C相接點(diǎn)上并接著電容C,當(dāng)合二次小空氣開(kāi)關(guān)SAC2時(shí),電容C上積存的電荷疊加在回路中,造成了C相電壓升高畸變,從而引發(fā)了主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作。原因確定后將C相的并聯(lián)電容器拆除,再次合二次小空氣開(kāi)關(guān)時(shí),錄波圖顯示電壓正常。從上述的過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作情況看,保護(hù)動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)電壓均處于正常,二次電壓異常升高及波形畸變導(dǎo)致了過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的動(dòng)作。3應(yīng)在磁體保護(hù)下采取的措施3.1元件及回路應(yīng)及時(shí)改認(rèn)真檢查二次回路的正確性,不適宜新型保護(hù)運(yùn)行的元件及回路應(yīng)及時(shí)更改。當(dāng)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)裝置或電壓二次回路出現(xiàn)異常時(shí),應(yīng)將過(guò)勵(lì)磁保護(hù)退出運(yùn)行,立即通知保護(hù)人員檢查處理,以防止造成嚴(yán)重后果。3.2最佳的操作方案當(dāng)進(jìn)行電壓互感器的倒閘操作時(shí),應(yīng)認(rèn)真分析操作的每一步可能對(duì)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)產(chǎn)生的影響,選擇最佳的操作方案。也可以將接在相應(yīng)回路的過(guò)勵(lì)磁保護(hù)先退出運(yùn)行,當(dāng)操作結(jié)束后再將保護(hù)投入。3.3主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)沒(méi)有進(jìn)行改進(jìn)降壓變壓器發(fā)生真正過(guò)勵(lì)磁的可能性較低,當(dāng)主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)未進(jìn)行改進(jìn)時(shí),可以考慮運(yùn)行中根據(jù)實(shí)際情況將過(guò)勵(lì)磁保護(hù)退出跳閘,投入信號(hào)位置運(yùn)行。4完善磁體保護(hù)操作原則4.1提高識(shí)別誤差的可靠性采用三相電壓的“與”門(mén)作為過(guò)勵(lì)磁保護(hù)的測(cè)量輸入,當(dāng)三相電壓都升高,才判斷為發(fā)生過(guò)勵(lì)磁。4.2防止過(guò)勵(lì)磁保護(hù)根據(jù)變壓器勵(lì)磁涌流的分析,變壓器出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁時(shí),過(guò)勵(lì)磁可能使變壓器各側(cè)產(chǎn)生差流。過(guò)勵(lì)磁的電壓中也會(huì)包含一些諧波分量。利用差流或諧波作為判據(jù),可以有效防止因電壓二次異常引起的過(guò)勵(lì)磁保護(hù)誤動(dòng)作。但必須對(duì)出現(xiàn)的差流及過(guò)勵(lì)磁的波形進(jìn)行充分的研究分析,才可以找到確切的數(shù)據(jù),作為保護(hù)動(dòng)作的可靠判據(jù)。4.3主變單元電壓勵(lì)磁判別條件從主變壓器制造工藝上來(lái)分析,變壓器是否存在過(guò)勵(lì)磁的可能性。如果確實(shí)存在過(guò)勵(lì)磁的可能,應(yīng)考慮增加主變單元電壓