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CVT一次隔離開關操作對變壓器過勵磁保護影響的研究

知識百科

目前， 作為電力系統電能計量、繼電保護及載波通信的主要設備330kV電容式電壓互感器（以下簡稱CVT）在西北地區電力系統中得到了廣泛使用 。
由于CVT本身結構中含有飽和電感和電容儲能元件， 其一次隔離開關操作時的暫態性能會對變電站繼電保護正確動作產生影響， 進而影響電力系統的正常安全運行 。 例如， 2000年銅川330kV桃曲變電站值班員操作330kV母CVT次隔離開關撤運時， 開斷330kV母C相CVT次刀閘隔離開關后， 1號主變微機過勵磁保護動作， 跳開變壓器三側開關 。 1號主變退出運行 。 事故發生前變電站內一次和二次設備都正常運行 。 2005年銅川330kV金鎖變電站也發生了類似的事故 。 筆者主要研究操作330kVCVT次隔離開關過程中其二次電壓情況， 并分析其對主變過勵磁保護動作的影響 。
1CVT次刀閘操作暫態仿真由于CVT回路中存在帶鐵心的變壓器， 當系統操作出現較大幅值的過電壓時， 會導致CVT中的中間變壓器鐵心飽和， 鐵心飽和后， 其激磁支路相當于非線性電感， 在此作用下CVT正常的一次和二次之間的線性關系遭到破壞 。 二次電壓中激發出了不同頻率的諧波分量并出現波形畸變， 二次電壓已經不能正確反映電壓， 互感器處于失穩狀態⑴ 。 這種情況很可能導致系統繼電保護誤動作 。 電磁暫態計算程序（以下簡稱EMTP）是研究電力系統暫態性能的重要工具 。 筆者使用可視化版本ATP軟件對操作CVT一次隔離開關過程中的暫態過程進行仿真計算 。
由于該330kV變電站所采用的CVT―次隔離開關是分級操作， 在操作過程中各相的操作會有比較大的時間差， 仿真計算時只操作一相CVT， 其他兩相CVT―次不動作 。
1.1CVT―次刀閘分閘操作開斷CVT―次隔離開關的瞬時對于母線電壓的相位是隨機的 。 對于已經確定的變電站設備和CVT， 開斷CVT―次隔離開關操作過電壓操作的主要影響因素是分閘時電壓相位 。
是在A、B兩相CVT正常運行， 母線C相電壓相位為0.、45°和90.時開斷C相CVT―次隔離開關時二次電壓波形圖 。 是在A、B兩相CVT撤出運行時， C相CVT―次隔離開關在母線電壓相位為90.開斷時二次電壓波形圖 。 從仿真計算結果可以看出， 在變電站正常運行時， 開斷CVT―次隔離開關操作過程中， 二次電壓振蕩減小到零 。 開斷時， 母線電壓相位對二次電壓的影響非常微小， 可忽略 。
CVT―次隔離開關在開斷過程中重燃現象是有可能發生的 。 考慮一次隔離開關開斷過程中發生一次重燃的情況， 二次繞組電壓波形見 。 從波形圖可以看出， 如果在開斷CVT―次隔離開關過程中一次隔離開關處發生重燃， 二次電壓將出現嚴重的過電壓， 最高幅值達到正常值的7.4倍， 隨后振蕩消失 。
1.2CVT―次隔離開關合閘操作考慮系統中其他參數不變的情況下， 在電壓相角為0.， 45.和90.時， 分別仿真計算CVT―次隔離開關合閘時二次電壓的情況， 其二次電壓波形見 。 從仿真計算結果可以看出， 在電壓相角為0時合閘， CVT二次電壓波形發生了微小的畸變， 但是二次電壓幅值比較低， 持續4個周波消失 。 60.時已經開始畸變， 持續時間只有4個周波 。 在90.合閘時， 波形畸變最為嚴重， 幅值達到了正常值的1.5倍， 但持續時間也只有5個周波 。
1.3影響CVT暫態性能的因素對于一定規格的CVT產品， 其電容C的大小是一定的， 影響其暫態性能的因素主要有阻尼器參數和電壓互感器的鐵心磁密 。
1.3.1阻尼參數的影響速飽和阻尼器主要包括速飽和電抗器和阻尼電阻 。 速飽和電抗器的作用在于， 當發生諧振時， 速飽和電抗器飽和， 電抗值下降， 此時將與其串聯的電阻接通， 達到了阻尼諧振的作用 。 阻尼電阻值的選取將直接影響阻尼的效果 。 CVT阻尼電阻的大小要與電抗器在過電壓工頻加分次諧波作用下的電抗值相匹配， 以使在同樣過電壓下產生的阻尼功率達到最大值 。 同時阻尼器電路的電流也應該大于電抗器鐵心達到飽和的最小電流， 否則需要調整電抗器的設計， 阻尼電阻的選擇應該在一個特定的范圍之內 。 根據計算， 研究的330kVCVT所使用的阻尼電阻應小于19.06⑶5.在1.2部分330kVCVT的阻尼電阻值為8.m.現將阻尼電阻值改為2D和20D進行仿真計算 。 仿真計算后二次電壓波形見 。 從可以看出， 當阻尼電阻取值比較小時， CVT發生了持續的鐵磁諧振， 二次電壓波形發生了比較大的畸變， 電壓幅值達到了額定值的1.55倍；當阻尼電阻增加到20D時， 阻尼的效果明顯改善， 諧振在4個周波內消除 。 在合理范圍內， 取較大的阻尼電阻有利于諧振的抑制 。
1.3.2電壓互感器鐵心磁密對鐵磁諧振的影響1.2部分仿真計算時CVT電壓互感器磁密比較低， 其磁密曲線見中曲線1.現在選取磁密較高鐵心來仿真計算 。 其磁密曲線見中曲線2.從可以看出， 當鐵心磁密較大時， CVT在一次刀閘合閘時發生了鐵磁諧振， 二次電壓波形發生了很嚴重的畸變， 電壓最大幅值達到額定值的3.36倍， 但由于速飽和阻尼器的作用， 諧振在6個周波內消失 。
會導致主變過勵磁保護動作 。
2CVT二次繞組感應電壓分析bookmark3變電站停運某母線或CVT時， 必須先將I母、母的CVT并列運行， 以防運行保護裝置失壓， 之后再進行倒閘操作 。 在倒閘過程中， 各相CVT―次隔離開關操作也有嚴格順序 。 在撤運某母線CVT時， 必須先開斷帶有輔助接點的一次隔離開關， 使兩個根據以上仿真計算結果， CVT―次隔離開關合閘操作過程中會有鐵磁諧振現象產生， 但是在速飽和阻尼器作用下諧振現象很快消失， 電壓幅值和持續時間都達不到主變過勵磁保護動作的門坎值， 不母線CVT開口三角繞組斷開， 避免兩個開口三角繞組的并聯 。 而在投運CVT時， 也要嚴格按照操作順序操作， 避免開口三角繞組在一次隔離開關操作過程中并聯 。 開口三角繞組并接原理見 。
如果操作順序不正確， 致使操作過程中的兩個開口三角繞組并聯， 將導致一個開口三角上產生不平衡電壓， 疊加到另一個開口三角繞組上， 再通過耦合導致二次繞組電壓發生變化 。 如果母一相CVT撤運或兩相CVT撤運， 那么開口三角繞組將有100V的電壓 。 又由于并聯后的兩個開口三角繞組的6個CVT剩余繞組串聯， I母、母開口三角繞組各分得50V電壓， 每相CVT剩余繞組將分得50/3V電壓 。 50/3V的電壓將通過電壓互感器傳遞使I母CVT二次繞組上產生一定的電壓， 并疊加到I母各相運行電壓上 。
CVT的二次與三次的變比為（100/姨）/100=0.577， 則50/3V耦合到二次繞組上的電壓為9.62V左右 。
以下對兩種情況進行分析 。
情況1：變電站中I母CVT正常運行， 進行母CVT投入運行操作， 母A相CVT―次隔離開關帶有輔助接點 。 假設首先合上母A相CVT次刀閘， 此時在母CVT的開口三角繞組上產生100V的電壓 。 由于I母開口三角繞組此時與母開口三角繞組串聯， I母各相CVT剩余繞組疊加了50/3 V的電壓 。 此時I母各相CVT二次繞組電壓向量圖見 。 經過計算可知/=9.62， =57.7V， 了額定值的1.17倍 。 同樣在I母CVT正常運行時， 撤運母CVT時， 如果首先撤運了B相和C相CVT， 只留下A相運行， 也會發生同樣的問題 。
情況2：變電站中I母CVT正常運行， 進行母CVT撤出運行操作， 母A相CVT―次隔離開關不帶輔助接點 。 假設首先開斷母A相CVT―次隔離開關， 此時在母CVT的開口三角繞組上產生100V的電壓， I母各相CVT電壓向量見0.I母B相和C相CVT二次電壓升高到63.1V左右， 為額定電壓的1.09倍， 而I母A相CVT二次電壓則減小到48.1 V.在投運母CVT的過程也會有同樣的情況發生 。
根據以上分析和變電站提供的事故記錄， 330kV桃曲變電站和330kV金鎖變電站的主變過勵磁保護誤動作應該屬于上述情況 。 操作人員在撤運桃曲330kV母CVT時， 操作順序錯誤， 首先拉開C相CVT―次隔離開關， 接著開斷A相CVT次隔離開關， 而帶有輔助接點的B相CVT―次隔離開關最后才開斷， 導致I母和母開口三角繞組的并聯沒有斷開 。 I母B相CVT二次電壓升高到72.1V， 達到了主變過勵磁保護的動作門坎值， 保護動作 。 金鎖變電站事故是發生在投運線路CVT過程中， 操作人員操作順序錯誤， 首先合上了帶有輔助接點的一次隔離開關， 致使金韓線A相CVT二次電壓升高， 達到主變過勵磁保護的動作門坎值， 保護動作 。
3結論仿真計算結果表明， CVT―次隔離開關合閘過程中會有一定的鐵磁諧振發生， 導致二次側電壓波形發生畸變， 幅值升高 。 但由于電壓幅值升過的幅度很小， 并且持續的時間也很短， 達不到主變過勵磁保護動作的門坎值， 主變過勵磁保護不會動作 。 如果操作人員在CVT投運或撤運過程中操作順序錯誤， 致使兩個母線CVT的開口三角繞組并聯， 那么一個開口三角繞組的不平衡電壓將平均分配到六個（下轉第118頁）（30年）， 同時其成本非常昂貴， 這是阻礙電子式電流互感器產業化的另外一個關鍵因素 。 所以， 目前高壓側的供能方法一般是采取復合供能的方式：一次電流較大時， 采用CT供電方式；次電流較小時， 采用激光供能方式 。 這種方法可以盡量降低大功率激光器工作的時間， 延長其壽命 。 但是， 也存在兩個問題：①線路檢修后合閘時， CT供能需要有一個較長的建立時間， 此時只能依靠激光供能， 但如果此時激光器失效， 將直接導致互感器不能正常工作， 所以， 一般要求采用兩個激光器：一用一備， 但這進一步加大了成本 。 CT和激光器的切換控制， 必須有―個合理的控制策略， 不能出現供能的“真空”， 即一個切換了， 另外一個還沒有開始供能， 所以需要實現兩種方式切換的預判 。 并且， CT供能方式還需要考慮系統短路時， 一次短路電流的沖擊可能造成CT的損壞 。 這些因素的存在將直接導致供能系統比較復雜， 可靠性降低 。
4可靠性設計如前所述， 電子式互感器具有明顯優于傳統互感器的諸多特點， 但由于電子式互感器包含了傳感技術、電子技術、高電壓技術、光電子技術、計算機網絡技術等多學科交叉領域的知識體系， 其整體技術難度較大 。 電子式互感器最終能否全面替代傳統互感器， 取決于其長期運行的可靠性 。 電子式互感器可靠性設計包含以下主要內容 。
4.1冗余設計冗余設計是提高設備可靠性的常用方法 。 在電子式電流互感器中， 構成保護通道的空芯線圈、A/D轉換器都必須采用雙重化的冗余設計 。
4.2自檢功能設計對于關鍵器件， 例如：電源模塊、A/D變換器等（上接第115頁）CVT剩余繞組上， 并耦合到CVT二次繞組上與原有的電壓疊加 。 電壓最高的一相CVT二次繞組電壓將達到正常值的1.17倍， 加之是手動分級操作時間比較長， 達到了主變過勵磁保護的動作門坎值， 保護發生誤動作 。
為了避免此類事故的發生操作人員應嚴格按照操作次序操作CVT―次隔離開關 。 相關單位也可以對有關設備進行改進 。 如：改變主變過勵磁保護的動作判據， 當母線CVT和線路CVT的二次電壓同時升高時， 再判定主變過勵磁， 啟動主變過勵磁保護動作 。 如果只有線路或母線CVT二次電壓升高， 則不必須具有基本的自檢功能 。
4.3電磁兼容設計采用CT供電或CT復合型供電的電子式互感器， 需要采取保護措施， 使得一次短路時的大電流沖擊不會對供能CT構成損壞 。 同時， 還必須考慮一次短路電流對低功率鐵芯線圈后續取樣電路的沖擊及較大的di/dt對空芯線圈后續保護通道電子電路的沖擊 。
4.4安全性設計由于采用了大功率激光器供能， 必須采取保護措施， 以防大功率激光在運行維護中可能對運行維護人員造成的傷害 。 推薦的方法：在大功率激光器正常工作時， 一旦檢測到電源模塊掉電， 立刻停止激光器的工作， 以防供能光纖回路出現問題危及人員安全 。
5結論電子式互感器是目前被廣泛關注的新型電力設備， 而其中關鍵技術的精細研究是直接關系到電子式互感器最終能否達到電力系統高安全性、穩定性、可靠性要求的重要因素 。