大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》是中冶建工有限公司、重慶一建建設集團有限公司完成的建築類施工工法，完成人是王明遠、周忠明、劉川、王玉、張順友。適用於所有帶差動保護的大型變壓器系統整組試驗，包括發電機-變壓器系統調試。

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》主要的工法特點是可以完全模擬變壓器的三相工作狀態，無需三相電流發生器；只需要三相380伏交流電源，容量要求低，施工期間容易取得，對工廠生產和施工不會產生任何影響。

2011年9月，《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009-2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法
• 工法編號：GJEJGF359-2010
• 完成單位：中冶建工有限公司、重慶一建建設集團有限公司
• 主要完成人：王明遠、周忠明、劉川、王玉、張順友
• 套用實例：天津天鋼2號高線（140萬噸/年）工程
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

在電力系統中對大型變壓器的電氣差動保護系統進行整組試驗，是大型變壓器安裝和調試的關鍵環節。與製造廠的工廠試驗環境不同，在安裝施工中，由於受許多外部條件的限制，大型變壓器差動保護系統一般都無法在投運前得到系統的驗證。通常只能採用負荷測試法，進行定性符合性驗證，無法進行定量分析。

在施工過程中，中冶建工有限公司、重慶一建建設集團有限公司認真查閱相關技術資料及文獻，研究電力變壓器的電磁特性，決定利用變壓器的短路阻抗特性，採用低壓三相380伏電源，通過短路法獲得大電流；真實地模擬出主變壓器的三相工作狀態或者特殊重大故障狀態，讓主變壓器差動保護系統可靠動作，能定性分析、驗證整套保護裝置的正確性和可靠性，並能定量確定保護裝置的保護定值；與採用傳統方法比較，其調試技術裝備簡單，方法簡便、安全可靠、費用低。在此基礎上總結形成《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》。

工法特點

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》的工法特點是：

1.可以完全模擬變壓器的三相工作狀態，無需三相電流發生器。

2.利用變壓器自身產生一次側大電流，無需特大容量的電流發生器。

3.只需要三相380伏交流電源，容量要求低，施工期間容易取得，對工廠生產和施工不會產生任何影響。

4.運用雙鉗相位表對二次迴路相應的差動電流迴路進行鉗測、記錄、向量計算和比較，實現對差動系統一、二次迴路定性和定量的校驗。

操作原理

適用範圍

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》適用於所有帶差動保護的大型變壓器系統整組試驗，包括發電機-變壓器系統調試。

工藝原理

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》採用的整組試驗方法主要是將變壓器的一側短路，在另一側加入380伏低壓電源，獲得短路試驗電流，同時運用雙鉗相位表對二次迴路相應的差動電流迴路進行鉗測、記錄、向量計算和比較，實現對差動系統一、二次迴路定性和定量的校驗。

一、常規施工方法分析

差動保護系統整組試驗，需要高、低壓側的三相電流互感器同時輸出一定相位、幅值的電流。所以在主變壓器的一次迴路中必須同時產生符合要求的三相大電流。三相特大電流發生器體積龐大，重量超過800千克，而且費用高昂，只適合於製造廠工廠試驗，不適合安裝施工的交接試驗。傳統的調試方法是在變壓器投運後，用帶負荷的方法，即通過負荷電流來進行一系列測試的覆核性試驗。而這樣把變壓器直接接入電網，試驗過程對電網運行存在潛在威脅，而且無法進行定量分析。

二、模擬短路整組試驗施工工藝分析

（一）差動保護裝置整組試驗中主迴路大電流產生的基本原理

1.根據變壓器具有短路阻抗的特性，構想將變壓器的低壓側在合適的地方（低壓側電流互感器以外）人為短路，在變壓器的高壓側加入一定的電壓，將會在變壓器的主迴路中產生短路電流，從而獲得整組試驗所需要的大電流。因此，該整組試驗又稱為短路整組試驗。

2.短路整組試驗的目的是依靠變壓器低壓側短路產生的三相大電流，藉助這個短路大電流（相當於一個三相負荷電流）來校驗整個繼電保護系統的動作，檢查是否滿足繼電保護可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求，保證設備正常的投入運行。該試驗所產生的電流如果需要達到額定電流值，高壓側僅僅需要額定電壓的短路阻抗百分比電壓即可。而根據《新編保護繼電器校驗》中的規定；如果變壓器差流不大於勵磁電流產生的差流值（或者差壓不大於150毫伏），則該台變壓器整定值、接線，元件選型配合等保護系統正確。在保證安全經濟的條件下，即使不需達到額定電流值也可。比如一台變壓器的勵磁電流（空載電流）為1.2%，其同側CT額定二次電流為5安培，則由勵磁電流產生的差流等於1.2%×5=0.06安培，0.06安培便是衡量差流合格的標準。

通過計算，利用施工電源輸入進行短路試驗，能夠滿足試驗要求，實現對差動保護定性、定量的分析校驗。

（二）短路整組試驗施工工藝可行性分析

該試驗方法的工藝可行性在於∶

1.合理地運用了變壓器具有短路阻抗的特性。

2.所產生的三相電流大小和相位能滿足保護系統所需要模擬的電流。

3.所產生的三相電流對變壓器本體沒有任何損害。

4.對試驗電源和試驗設施要求不高，施工現場一般就能滿足。

5.二次電流迴路的測量簡便，用雙鉗相位表在保護屏的端子排上依次測出變壓器高、低壓側A相、B相、C相二次保護迴路的電流幅值大小和相位，易於實現對高、低壓側各相電流幅值、相位的測量。

三、短路整組試驗工藝的先進性與新穎性

（一）短路整組試驗工藝的先進性在於充分利用了被試物（主變壓器）的短路阻抗特性和外部方便的施工電源設施，共同創造了滿足主變壓器差動保護的整組試驗所需要的電流。

（二）短路整組試驗工藝的新穎性在於靈活的運用了雙鉗相位表。通過它們在保護屏的端子排上依次鉗測出變壓器高、低壓側A相、B相、C相的二次差動保護迴路電流幅值大小和相位，進而和保護屏的微機綜合保護裝置數據逐一比較。從而實現對主變壓器無論主迴路還是二次迴路都能定量定性的分析。

（三）該整組試驗工藝適用於設計有差動保護的大型變壓器系統整組試驗，包括發電機—變壓器系統調試。

施工工藝

• 工藝流程

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》的施工工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程示意圖

操作要點

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》的操作要點如下：

一、保護定值設定

按照設計的保護參數定值表，逐項存入保護器，並用繼電保護測試儀逐一測試，保證微機綜合保護器各項保護功能正常，均能可靠動作於保護迴路。

某一中心電站工程中，初始定值參數如表1所示。

表1 初始定值參數表

序號	定值項目		定值
1	差動速斷		13安培
2	TA斷線		1
3	比率差動保護		╱
4	4.1	最小動作電流Icd	0.7安培
	4.2	最小制動電流Izd	1.7安培
	4.3	比率制動係數	0.5
	4.4	諧波制動係數Kx	0.2
	4.5	差動平衡係數Kb	1
	4.6	閉鎖係數TABS	1
	4.7	二次接線係數TAJX	0

二、試驗電流計算

根據主變壓器銘牌數據計算短路試驗的試驗數據；據此用來選擇短路整組試驗所需要的試驗電源、試驗開關、電纜、銅排等，這是整個工藝過程中最基礎重要的工作之一。

某一中心電站主變壓器銘牌參數如表2所示。

表2 變壓器銘牌參數

參數	額定容量	原邊電壓U1e（伏）	副邊電壓U2e（伏）	原邊電流I1e（安培）	副邊電流I2e（安培）
數值	50000千伏安	35000伏	10000伏	824.8安培	2886.8安培
參數	接線方式	/	短路阻抗Uk（%）	高壓側電流互感器變比K1	低壓側電流互感器變比K2
數值	Y，d11	/	7.5%	1200/5	4000/5

參數計算

方案一∶變壓器二次短路，一次施加400伏試驗電壓∶I_js=U_s/（U_1e/I_1e×U_k）。

式中I_js——試驗計算電流；U_s——試驗電源電壓；U_1e——高壓側額定電壓；I_1e——高壓側額定電流；U_k%——變壓器短路阻抗。

I_js1=400/{（35000/824.8）×7.5%}=125.68安培。

I₁=I_js/K₁=125.68/（1200/5）=0.52安培。

式中I₁——高壓側二次迴路計算電流；K₁——高壓側電流互感器變比。

低壓側短路電流I_js2=I_js×K=125.68×（35000/10000）=439.88安培，I₂=I_js2/K₂=439.88安培/（4000/5）=0.55安培。

式中I₂——低壓側二次迴路計算電流；K——變壓器電壓變比；K₂——低壓側電流互感器變比。

保護裝置中有差流I_c=I₁-I₂=0.03安培需要平衡。

試驗電源容量S=S_e（U/U_e）100/U_d=87千伏安。

方案二∶變壓器一次短路，二次施加400伏試驗電壓∶I_js=U_s/（U_2e/I_2e×U_k）。

式中I_js——試驗計算電流；U_s——試驗電源電壓；U_2e——低壓側額定電壓；I_2e——低壓側額定電流；U_k%——變壓器短路阻抗。

I_js=400/{（10000/2886.8）×7.5%}=1539.63安培。

I₂=1539.63/（4000/5）=1.92安培。

I₁=1539.63/（35000/10000）/（1200/5）=1.83安培。

保護裝置中有差流I_c=I₁-I₂=0.09安培需要平衡。

由於方案二所需試驗電流較大，所以從安全和經濟的角度，中冶建工有限公司、重慶一建建設集團有限公司優先選擇方案一。根據計算結果，選擇該短路整組試驗所需的材料設備。為安全起見，開關選擇250安培空氣開關，進線電纜導線選擇25平方毫米，低壓側選擇120平方毫米銅排在低壓進線櫃處短接。

三、準備和實施短路整組試驗

按照圖2完成一次迴路和二次迴路的接線。

圖2 整組試驗接線圖

用高精度的雙鉗相位表在保護屏的端子排位置依次鉗測變壓器高、低壓側A相、B相、C相的二次電流幅值大小和相位。結合保護屏微機綜合保護器的顯示，依次記錄所測電流的大小和相位角。如表3所示。

根據以上測試數據，結合微機差動保護裝置WFB-821的公式算法，可以完成對差動保護定性定量的分析，從而驗證短路電流是否符合試驗要求。

下面以原副邊的二次側電流的幅值和相角為依據，通過向量計算，求得各項差動電流和制動電流的幅值和相角，與實際測量值相比較。（以A相為例）

I_opa=▏（I_ha-I_hb）+K_b×I_1a▏=▏（0.51∠273°-0.5∠153°）+K_b×0.531∠123°▏=0.34∠303°安培。

（5.4-2）

I_rea=▏（I_ha-I_hb）-K_b×I_1a▏/2=0.7∠303°安培。

式中I_opa——A相差動電流；I_rea——A相制動電流；I_ha——高壓A相二次電流I_ha（向量）；I_hb——高壓B相二次電流I_hb（向量）；K_b——差動平衡係數K_b；I_1a——低壓a相二次電流I_1a（向量）。

以上結果及關係用向量圖表述如下（圖3）：

圖3 向量圖

B、C相過程類似，不再贅述。

四、監測的結果與分析

根據以上試驗實測數據和繪製向量圖，可以得出以下結論：

（一）電流相序的正確性

正確接線下，各側電流都是正序；A相超前B相，B相超前C相，C相超前A相。若與此不符，則有可能∶二次電流迴路相別和一次電流相別不對應。

（二）電流幅值、相角的正確性

1.若一相幅值偏差大於10%，則有可能：某一相CT變比接錯，或某一相電流存在寄生迴路。

2.若某兩相相位偏差大於10%，則有可能∶某一相電流存在寄生迴路，造成該相電流相位偏移。

五、正常差流的修正

穩態的正常情況下，差動電流應該很小，越小越好。但是由於電流互感器伏安特性、原副邊二次電流迴路線路長短差異等因素的存在，致使系統存在固有差流，這就需要通過反覆試驗來確定綜保儀差動平衡係數K_b，使固有差流降到最低。

經過對差動平衡係數K_b多次進行修改並送電測量A、B、C三相差動電流，最後確定K_b=1.65，此時正常工況下的差動電流最小，數據如表4所示。

六、模擬整組保護故障動作情況

（一）模擬差動繞組極性接線錯誤的保護動作情況：

人為地將任意一組差動繞組極性接線相反，送電後，保護將實現動作，斷路器跳閘。試驗完畢，立刻恢復正確的接線。

（二）模擬主變壓器故障時的動作情況：

當變壓器內部出現匝間、相間短路或者對地短路故障時，在相應的迴路電流互感器將表現出來，送電後，依次短接I_a與I_an、I_b與I_bn、I_c與I_cn，保護每次均可靠動作，斷路器跳閘，達到調試要求。

從上可見，採取了短路整組試驗措施後，主變壓器高、低壓側電流互感器差動保護繞組的電流值，無論是雙鉗相位表，還是微機綜合保護裝置上都顯示直觀，可比性強。試驗動作情況符合繼電保護效驗規範，這說明該短路整組試驗完全起到了整組試驗的作用，達到了很好的效果。通過主變壓器高、低壓側三相電流的幅值、相位和電流矢量數值模擬計算分析和試驗數據所得到的規律是相一致的，所以從理論上和實踐作用上都進一步得到了有力的證實。

根據上述數值模擬計算和試驗結果，對該工程進行跟蹤監測的結果是翔實可靠的。

材料設備

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》所用的材料及設備明細見表5。

表5 整組試驗的主要材料及設備明細表

序號	名稱	規格	數量	精度	備註
1	電流互感器伏安特性校驗儀	HGQL-H型	一台	0.5級	用於電流互感器效驗
2	雙鉗相位表	ML12B	一台	0.5級	測量電壓電流及相位
3	高低壓兆歐表	PC27-5G	一台	1.0級	絕緣測試
4	數字萬用表	F15B	兩台	1.0級	測試
5	對講機	建伍	三對	╱	聯絡通信
6	試驗電纜	VV4x25平方毫米	若干	╱	進線電源
7	銅排	120平方毫米	若干	╱	短接用
8	螺栓	M14	若干	╱	連線緊固
9	斷路器	250安培	一台	╱	試驗控制

參考資料：

質量控制

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》的質量控制要求如下：

嚴格執行《電氣裝置安裝工程電氣試驗交接試驗標準》GB 50150-2006、《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規範》GB/T 50062-2008，按照PDCA的質量管理理論，計畫、實施、檢查、調整的步驟逐一落實到位。項目的研究採取了理論計算（計畫）、分析、資料收集、論證、現場試驗、工程套用相結合的技術路線，試驗數據專人收集整理，試驗過程始終處於嚴格受控狀態。

安全措施

採用《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

實施短路整組試驗，是一項安全性要求非常高的工作。為此，試驗組專門成立了安全小組，由試驗負責人任組長。試驗前，對所有試驗人員進行安全技術交底，對試驗現場進行隔離和警示；試驗過程中，執行了嚴格的監護制度和操作規程；試驗完畢，執行了工具、設備、人員清點制度。保證設備人身安全，做到萬無一失。

環保措施

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》的短路整組試驗，對環境沒有任何影響，不構成任何污染和破壞，符合國家環保規定。

效益分析

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》的效益分析如下：

• 實施效果

1.經多個工程實踐證明，該工法合理地運用了變壓器具有短路阻抗的特性，獲得短路大電流的方法，能夠真實地模擬出主變壓器的特殊重大故障狀態，方法簡便易行，安全可靠。

2.確保變壓器受電一次成功，無越級跳閘等重大事故發生，試運行正常。施工中，試驗設備運行正常，試驗所得數據和理論計算分析基本吻合。

3.調試方法易掌握、試驗電流控制適中，與傳統調試方法比較能夠降低施工成本，提高工效。

• 經濟效益

與傳統方法比較，該工法減少三相電流發生器試驗設備投資，節約成本10萬元；減少繼電保護試驗設備投資，節約成本5萬元；減少試驗人員投入，提高試驗效率，創利2萬元；工期節約5天/台；降低施工成本5萬元/台。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

• 社會效益

1.確保了工程工期和質量，為中國各地的冶金工業建設作出了應有貢獻。

2.確保所參建電站的營運安全，避免了變電站越級跳閘產生的經濟損失，以及輸電線路和工廠生產遭受破壞的經濟損失。

3.為中國冶金工程施工技術作出了積極探索，為類似條件下的大型變壓器整組試驗技術提供了參考實例和經驗。

套用實例

《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》的套用實例如下：

• 具體實例

實例1：

湖南漣鋼210噸轉爐工程於2009年4～6月套用該工法完成了中心電站2台35千伏/10千伏主變壓器差動保護系統調試，確保了該工程契約工期，按期全面完成了建設任務。

實例2：

天津天鋼2號高線（140萬噸/年）工程於2008年12月~2009年1月套用該工法完成了4台具有差動保護的變壓器的系統調試及整組試驗，試驗數據與計算結果相符，保證了電站的安全運行。

實例3：

重鋼環保搬遷1號高爐工程於2010年7~9月，套用該工法完成了在中心電站2台35千伏/10千伏變壓器差動保護系統調試及整組試驗。試驗數據與計算結果相符，保證了電站的安全運行。

• 套用效果

在上述工程中，大型主變壓器差動保護系統的整組試驗方法都得到了成功運用（參見套用證明），達到又好又快的調試效果，完成了工程任務。

榮譽表彰

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號，《大型變壓器差動保護系統的整組試驗施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。