大型发变组保护CT极性及保护方向自动检测技术研究

李本瑜，陈海龙，刘志文，肖志刚，沈燕华，徐立明

(1.云南电力调度控制中心，昆明 650011； 2.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

0 引 言

大型发变组保护对象主要包括发电机、主变压器、励磁变、厂用变等，其保护配置[1]复杂，CT数量多，且采用主后一体化模式，双重化配置。一套保护装置内的主保护、后备保护、异常运行保护共用一组CT，CT的极性必须同时满足主保护、后备保护、异常运行保护的要求。准确无误的电流互感器(CT)极性和保护方向是确保继电保护安全可靠运行的基础。长期以来，所有带负荷检测CT极性和保护方向的工作都由现场安装调试人员通过钳形相位表检测电流电压间的相位，再依据负荷的方向进行人工分析判断，其正确性完全依赖检测人员的业务技能水平和责任心，人工校验很容易出错。鉴于发变组保护功能配置和CT二次回路的复杂性，对检测人员的专业技能要求较高，由于现场施工人员水平良莠不齐，他们更多的注意力集中在差动保护的CT极性方面，对于功率方向保护[2](匝间保护、失磁保护、失步保护等)往往忽略了。多年的现场运行经验表明，由于CT极性和保护方向错误导致保护误动或拒动的事情屡禁不止，严重影响着电网的安全稳定运行。

目前国内外的微机发变组保护还没有CT极性自动检测技术及功能，因此我们在发变组保护中增加大型发变组保护CT极性自动检测辅助功能，主要包括发电机保护CT极性自动检测、主变压器保护CT极性自动检测、零序差动保护CT极性自动检测等。在发变组保护装置内构建了CT极性和保护方向自动检测的判据和功能，进一步提升了发变组保护的安全性和可靠性，具有很高的工程实用价值。

1 发电机保护CT极性自动检测

1.1 发电机保护CT极性要求

对于100 MW及以上容量的发电机组，其保护配置采用双重化配置，采用主保护、后备保护一体化装置，即发电机差动保护与发电机后备保护、异常保护共用同一组CT，这就要求CT的极性既要满足差动保护的要求，也要满足方向类保护(失磁保护、失步保护等)的要求。其中失磁保护、失步保护、故障分量负序方向保护等的电流取自发电机机端，其动作特性[3-4]都是以电流从发电机流出为正方向。发电机保护CT极性要求如图1所示。

图1 发电机保护CT极性图

图1中，发电机保护装置对CT 绕组极性接法要求CT 一次电流必须以发电机流出的电流方向为正方向。

1.2 发电机保护CT极性自动检测

发电机组在图1中K1点三相短路试验[5]或带负荷试验时，通过发电机保护装置的参数浏览菜单能够实时查看各侧电流、差动电流的大小、相位。根据差动电流的大小、相位能够判断CT极性是否满足差动保护的要求。但是要保证机端侧CT极性也要满足方向类保护的要求，则要进行绘制六角图，结合已知的该侧功率方向，根据六角图来判断机端侧CT极性正确与否。但是现场投运、调试人员往往只检查了差动保护CT极性的正确性，忽略发电机方向类保护的极性校验，这就给发电机保护安全运行带来很大的隐患，容易造成发电机方向类保护不正确动作。因此在发电机保护中增设保护CT极性自动检测辅助功能。

当发电机组在图1中K1点进行三相短路试验或带负荷试验时，利用差动电流和有功功率方向自动校验发电机保护CT极性的正确性。发电机差动保护各相差动电流计算如下:

(1)

发电机机端二次有功功率计算如下:

(2)

图2 发电机保护CT极性自动检测逻辑图

发电机保护CT极性自动检测逻辑如下：

(1)发电机差动保护任一相差动电流大于0.1Ie；

(2)发电机机端任一相有功功率小于零。

满足上述任一条件时，报发电机保护CT极性错误告警信息。提示现场运行、调试人员注意检查、核实发电机保护CT极性。

图3 给出某发电机带负荷试验时的波形及发电机差动各相差动电流和有功功率。

图3 发电机差动电流、有功功率图示

负荷电流对发电机差动保护来说是穿越性电流，各相差动电流应该为零，且电流方向为从发电机流出。图3中计算显示，发电机差动各相差动电流基本为零，机端侧二次有功功率为20 W，发电机保护CT极性符合图1中的要求，采用图2中的逻辑能够有效识别发电机保护CT极性的正确性。

2 主变压器保护CT极性自动检测

2.1 变压器保护CT极性要求

对于220 kV及以上电压等级的变压器，其保护配置采用双重化配置，主保护、后备保护一体化装置，即变压器差动保护与后备保护共用同一组CT，这就要求CT的极性既要满足差动保护的要求，也要满足方向类后备保护(高压侧复压方向过流、阻抗保护等)的要求。其中高压侧复压方向过流、阻抗保护的动作特性都是以电流从母线流出为正方向，变压器保护CT极性要求如图4所示。

图4 变压器保护CT极性图

图4中，变压器保护装置对CT绕组极性接法有如下要求：

(1)差动保护、高压侧后备保护要求CT一次电流必须以从母线流出的方向为正方向；

(2)差动保护、后备保护用CT采用全星形接线，由保护软件自动对各侧电流实现相位和幅值补偿。

2.2 变压器保护CT极性自动检测

发电机组在图4中K1点三相短路试验或带负荷试验时，通过变压器保护装置的参数浏览菜单能够实时查看各侧电流、差动电流的大小、相位。根据差动电流的大小、相位能够判断CT极性是否满足差动保护的要求。但是要保证高压侧CT极性也要满足方向类保护的要求[6-7]，则要进行绘制六角图，结合已知的该侧功率方向，根据六角图来判断出高压侧CT极性正确与否。但是现场投运、调试人员往往只检查了差动保护CT极性的正确性，忽略变压器方向类保护的极性校验，这就给变压器保护安全运行带来很大的隐患，容易造成变压器方向类保护不正确动作。因此在变压器保护中增设保护CT极性自动检测辅助功能。

当发电机组在图4中K1点进行三相短路试验或带负荷试验时，利用差动电流和有功功率方向自动校验变压器保护CT极性的正确性。

变压器差动各相差动电流计算如下:

(3)

短路试验或带负荷试验时，变压器机端侧二次有功功率计算同式(2)。

带负荷试验时，计算变压器高压侧二次有功功率如下:

(4)

图5 变压器保护CT极性自动检测逻辑图

变压器保护CT极性自动检测逻辑如下：

(1)变压器差动保护任一相差动电流大于0.1Ie；

(2)机端任一相有功功率小于零；

(3)主变高压侧任一相有功功率大于零(带负荷试验时)。

满足上述任一条件时，报变压器保护CT极性错误告警报文。提示现场运行、调试人员注意检查、核实变压器保护CT极性。

图6 给出某变压器带负荷试验时的波形及变压器差动各相差动电流和高压侧有功功率图示。

图6 变压器差动电流、有功功率图示

负荷电流对变压器差动保护来说是穿越性电流，各相差动电流应该为零，且电流方向为从变压器流向母线。负荷电流对机端CT二次电流来说是电流的正方向，对高压侧CT二次电流来说是电流的反方向，因此，机端侧二次有功功率应该为正，主变高压侧二次有功功率应该为负。图6中计算显示，变压器差动各相差动电流基本为零，高压侧二次有功功率为-42 W，机端侧二次有功功率为45 W，变压器保护CT极性符合图4中的要求，采用图5中的逻辑能够有效识别变压器保护CT极性的正确性。

3 零序差动保护CT极性自动检测

3.1 零序差动保护原理

对于Yn /Δ变压器，变压器纵差保护一般采用Y→Δ转换，以调整两侧的相位差及保证保护外部单相接地短路时不误动，通过Y→Δ转换后使高压侧零序电流分量不再作为差动电流动作量，这导致变压器内部接地故障时纵差保护灵敏度降低，不能可靠保护内部单相高阻接地故障[8-9]。为了提高变压器区内单相高阻接地故障的灵敏度，目前在电厂变压器保护中配置有零序差动保护。

零序差动保护的原理图如图7所示，由高压侧三相自产零序电流与中性点零序电流构成零序差动保护。

图7 零序差动保护原理图

零序差动动作方程如下:

(5)

式(5)中:

(6)

(7)

3.2 零序差动保护CT极性自动检测

正常运行时，变压器零序电流基本为零，零序差动保护的差动电流也为零，该保护的CT极性，特别是中性点零序CT的极性是否正确就难以正确判断，导致该保护因中性点零序CT极性、接线等问题造成误动率较高。这样的事故隐患非常隐蔽，靠现场调试、维护人员来发现问题存在很大困难[10]，因此在变压器保护中增设零序差动保护CT极性自动检测辅助功能。

正常变压器空载合闸时，由于三相电流不对称，必然产生零序电流，励磁涌流对于零序差动保护是穿越性电流，如果零序差动保护CT极性正确，高压侧自产零序电流和中性点零序电流的大小应相等，相位应相反[11]。

因此利用变压器空载合闸时的励磁涌流来自动校验零序差动保护CT极性的正确性。零序差动保护CT极性自动检测方案如图8所示。

零序差动保护CT极性自动检测逻辑如下：

(1)变压器空载合闸状态；

(2)励磁涌流中的二次谐波电流与基波电流比值大于设定值；

(3)变压器纵差保护未动作；

(4)高压侧自产零序电流与中性点零序电流相位差小于设定值；

(5)零序差动电流大于设定值。

上述条件都满足时，报零序差动保护CT极性错误告警报文。提示现场运行、调试人员注意检查、核实零序差动保护CT极性。

图9 给出某变压器空载合闸时的波形及高压侧自产零序电流和中性点零序电流相位图示。

励磁涌流对零序差动保护来说是穿越性电流，高压侧自产零序电流与中性点零序电流应该反向且零序差动电流应该为零。图9中计算显示，高压侧自产零序电流与中性点零序电流的相位差为180°，相位反向，且零序差动电流很小，基本为零，零序差动保护CT极性符合图7中的要求，采用图8中的逻辑能够有效识别零序差动保护CT极性的正确性。

图9 零序差动电流、相位图示

为了不影响发变组保护的正常功能，设计中增加极性校验硬压板用于此功能的投退。发电机保护CT极性自动检测辅助功能、变压器保护CT极性自动检测辅助功能仅在发电机组短路试验或带负荷试验时投入，发电机组正常投运后应退出。零序差动保护CT极性自动检测辅助功能仅在变压器投运前空载合闸试验时投入，变压器正常运行后应退出。

4 结束语

主要研究利用发电机组启动电气短路试验或机组带负荷试验期间，根据发变组保护CT极性的要求，构建发变组保护CT极性和保护方向的自动检测方案，自动检验发变组保护CT极性和保护方向的正确性，防止因CT极性和保护方向错误导致的发变组保护不正确动作。当CT极性和保护方向错误时，给出错误告警报告，提示现场调试、运行人员及时发现和更正CT二次回路的接线错误，保证发变组保护能够安全可靠运行，具有很高的工程实用价值。