CN111413534B - 一种估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其基于主变压器高压侧断路器额定开断电流，计算并确定发电机侧电流互感器的主变压器高压侧线路单相重合闸电流。其获得主变压器高压侧单相短路时发电机侧的最大电流，且仅需要知道主变压器高压侧断路器额定开断电流即可，而无需知道电力系统的参数。

Description

一种估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法

技术领域

本申请涉及电网故障诊断技术领域，特别涉及一种估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其适用于主变压器高压侧单相接地(短路)时对低压侧电流(即发电机侧)的估算。

背景技术

在以往的工程设计中，发电机侧(包括变电所内的调相机侧)电流互感器的技术条件中有一个必须在订货时确定的参数：当主变压器高压侧线路发生单相故障时，发电机侧的电流有多大，电流互感器必须将此电流准确地输出，否则保护装置可能误动。但如果不经过计算取太大值，虽然可能满足要求，但又可能裕度太大造成浪费，甚至无法安装。另外，单相短路时短路电流的计算不仅与本机组的参数有关，同时也与本厂内其它机组以及电力系统有关，但在工程建设初期，这些参数都很难获得，因此这将影响发电机侧电流互感器参数的确定，从而可能影响整个工程的建设周期。

发明内容

基于现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其适用于火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂内发电机侧电流互感器的线路单相故障时电流的确定，也适用于变电所内调相机电流互感器的主变压器高压侧线路单相故障时电流的确定，同样也适用于已有发电厂中发电机电流互感器更换时技术条件的确定。

依据本发明的技术方案，提供一种估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其特征在于，其基于主变压器高压侧断路器额定开断电流，计算并确定发电机侧电流互感器的主变压器高压侧线路单相重合闸电流。

进一步地，所述估算主变压器高压侧单相接地时侧低压侧电流的方法包括以下步骤：

第一步，通过调整运行方式，使各种不同方式的短路电流都不超过断路器额定开断电流，以确保在发生任何故障时断路器都能够可靠开断短路电流，将故障切除；

第二步，根据第一步所确定的原则，确定主变压器高压侧三相短路时可能提供的最大短路电流；

第三步，根据第一步所确定的原则，计算出主变压器高压侧单相短路时，流过主变压器高压侧的短路电流；

第四步，根据第三步所获得的主变压器高压侧的短路电流，计算出主变压器低压侧的短路电流。

其中，所需要的数据如下：

发电机额定容量S_G、发电机直轴超瞬变电抗X_d"、主变压器额定容量S_T、主变压器额定阻抗U_k、主变压器高压侧断路器额定开断电流I"_SC；

将发电机的直轴超瞬变电抗X_d"和主变压器的阻抗U_k都折算到某一基准容量S_j；

三相短路时的总电流标幺值计算式为：

式中：

I_3.*——三相短路时的总电流标幺值；

X_1Σ——与短路点有关的正序综合电抗；

相应其短路电流值等于总电流标幺值乘以基准电流，即

I_3.Σ＝I_j×I_3.* (2)

单相短路时的总电流标幺值计算式为：

式中：

I_1.*——单相短路时的总电流标幺值；

X_1Σ——与短路点有关的正序综合电抗，此值与三相短路时的正序综合电抗相同；

X_2Σ——与短路点有关的负序综合电抗；

X_0Σ——与短路点有关的零序综合电抗；

同样，总的单相短路电流值等于总电流标幺值乘以基准电流，即

I_1.Σ＝I_j×I_1.* (4)。

更进一步时，三相短路电流与单相短路电流都等于断路器的额定开断电流时，I_1.Σ＝I_3.Σ＝I"_SC (5)

根据式(1)～式(4)，有

在工程设计中近似为

X_2Σ＝X_1Σ (7)

即

优选地，三相短路电流的最大值与单相短路电流的最大值均为断路器的额定开断电流时，X_0Σ≈X_1Σ (9)。

优选地，三相短路时，与短路点有关的正序综合电抗分解为本机组与其它设备/元件并联的结果。

相比于现有技术，由于采用本发明的技术方案，本发明产生如下积极效果：

1、利用主变压器高压侧断路器的开断电流作为主变压器高压侧最大短路电流，通过该电流计算出主变压器高压侧单相短路时发电机侧的电流，可以将此电流作为发电机侧电流互感器的订货条件。

2、经过证明，依据本发明方法所确定电流互感器可以满足最大短路电流的要求，因而对于防止发电机保护装置误动是具有足够的可靠性的。

3、使用本方法不需要像现有技术通常计算那样，必须具有电力系统的参数才能进行计算。这就简化了计算的前提，但计算结果仍然具有足够的准确度，且没有多余的裕度。达到既满足使用，又是最经济的结果。

附图说明

图1是依据本申请的主变压器高压侧单相短路时的示意图；

图2是依据本申请的主变压器高压侧单相短路时的正序综合电抗示意图；

图3是主变压器高压侧单相短路时的零序综合电抗示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本发明专利根据主变压器高压侧断路器额定开断电流确定主变压器低压侧(即发电机侧)电流互感器的单相接地故障的条件。发电机电流互感器在确定其参数时需要考虑当输电线路发生单相短路故障且具有重合闸时应确保电流互感器的输出具有足够的准确度，以保证发电机不会因为电流互感器输出电流的误差太大而导致保护装置将发电机误切除。

现实中计算线路单相短路时发电机侧的电流是一个难题：此电流不仅与本机组(包括发电机和主变压器，下同)的参数有关，也与本厂的其它机组、电力系统有关。一般而言，厂内规划的装机容量、数量是确定的，但非故障线路所提供的短路电流则很难确定。这是因为非故障线路所提供的短路电流与电力系统的运行方式及厂内机组的运行数量也是有关的。

本发明方法利用已知的主变压器高压侧断路器的额定开断电流推算出发电机侧电流互感器的线路单相重合闸所需的参数。采用本技术后，不再需要考虑电力系统运行方式的变化，也不需要考虑本厂内其它机组的运行情况，而能够确保在线路单相故障且具有重合闸时，发电机侧电流互感器确保输出的电流具有足够的准确度。采用本专利后，将有助于在工程建设早期及时确定发电机侧电流互感器的参数，从而可以缩短工程的建设工期，为机组提前投入运行创造条件。

本发明所提供的估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其基于主变压器高压侧断路器额定开断电流，计算并确定发电机侧电流互感器的主变压器高压侧线路单相重合闸电流。其包括以下步骤：

第一步，根据电力系统调度运行的有关要求可知，对任何一座发电厂或变电所，总是可以通过调整运行方式，使该厂(所)各种不同方式的短路电流都不超过断路器额定开断电流，以确保在发生任何故障时断路器都能够可靠开断短路电流，将故障切除；

第二步，根据第一步所确定的原则，可以确定本厂(所)主变压器高压侧三相短路时，本机组可能提供的最大短路电流；

第三步，根据第一步所确定的原则，可以计算出本厂(所)主变压器高压侧单相短路时，流过主变压器高压侧的短路电流；

第四步，根据第三步所获得的主变压器高压侧的短路电流，可以计算出主变压器低压侧(即发电机侧)的短路电流；

通过以上分析、计算，可以证明上述计算结果就是主变压器高压侧单相短路时，发电机侧的最大短路电流为最大值，据此确定的电流互感器参数是可靠的且没有增加任何多余的裕度，因而也是最经济的。也就是本技术可以在工程的早期就可以进行开展计算，并可以随发电机同时采购，因此可以保证工程的进度，甚至为工程提前竣工创造了有利条件，而计算结果又完全满足使用的要求，且没有多余的裕度，从而也使投资仍在可控范围内。

此外，本发明以主变压器高压侧断路器的最大开断电流为依据，通过对三相短路电流与单相短路电流的比较，获得单相接地(短路)时流过主变压器的最大短路电流值，从而推导出主变压器高压侧单相接地(短路)时，其低压侧(发电机侧)的最大电流，并进一步证明了此时的电流就是最大值。

更详细地，依据主变压器高压侧断路器额定开断电流确定发电机侧电流互感器的主变压器高压侧单相短路，所需要的数据如下：

发电机额定容量S_G、发电机直轴超瞬变电抗X_d"、主变压器额定容量S_T、主变压器额定阻抗U_k、主变压器高压侧断路器额定开断电流I"_SC。

将发电机的直轴超瞬变电抗X_d"和主变压器的阻抗U_k都折算到某一基准容量S_j下，以便于运算。

根据短路电流的计算方法可知，三相短路时的总电流标幺值计算式为：

式中：

I_3.*——三相短路时的总电流标幺值；

X_1Σ——与短路点有关的正序综合电抗；

相应其短路电流值等于总电流标幺值乘以基准电流，即

I_3.Σ＝I_j×I_3.* (2)

单相短路时的总电流标幺值计算式为：

式中：

I_1.*——单相短路时的总电流标幺值；

X_1Σ——与短路点有关的正序综合电抗，此值与三相短路时的正序综合电抗相同；

X_2Σ——与短路点有关的负序综合电抗；

X_0Σ——与短路点有关的零序综合电抗；

同样，总的单相短路电流值等于总电流标幺值乘以基准电流，即

I_1.Σ＝I_j×I_1.* (4)

无论电力系统的运行方式如何变化，主变压器高压侧各种不同形式的短路电流的最大值均不会超过主变压器高压侧断路器的额定开断电流。在极端条件下，三相短路电流与单相短路电流都等于断路器的额定开断电流，于是有

I_1.Σ＝I_3.Σ＝I"_SC (5)

根据式(1)～式(4)，有

在工程设计中，一般可以近似认为

X_2Σ＝X_1Σ (7)

即

因此，若三相短路电流的最大值与单相短路电流的最大值均为断路器的额定开断电流，就有

X_0Σ≈X_1Σ (9)

三相短路时，与短路点有关的正序综合电抗可以分解为本机组与其它设备/元件并联的结果，即

式中：

X_G——折算到基准容量后的发电机直轴超瞬变电抗

X_T——折算到基准容量后的主变压器阻抗

(X_G+X_T)——本机组的正序电抗

X_X1——厂内其它发电机组及电力系统的综合正序电抗

据此可得主变压器高压侧三相短路时，发变组回路的电流标幺值为

主变压器高压侧单相短路时，各序电流相等。即

式中：

I_1.Σ.1——主变压器高压侧单相短路时高压侧的正序电流

I_1.Σ.2——主变压器高压侧单相短路时高压侧的负序电流

I_1.Σ.0——主变压器高压侧单相短路时高压侧的零序电流

因此，主变压器高压侧单相短路时流过主变压器高压侧的正序电流标幺值可以写为

同样，主变压器高压侧单相短路时流过主变压器高压侧的负序电流标幺值也可以写为

由于主变压器高压侧是星形接法，低压侧是三角形接法，因此主变压器低压侧没有零序电流。其线电流为

由于采用的是标幺值计算电流，因此上式不需要主变压器的电压比。

在主变压器低压侧将单相短路时的电流与三相短路时的电流进行比较

由于假定三相短路时的总电流与单相短路时的总电流均与断路器的最大开断电流相等，因此有

根据式(6)，此时X_0Σ≈X_1Σ，因此

由此可得到在系统最大方式时，主变压器高压侧发生单相接地短路时，Y_N/d-11接法的主变压器低压侧(发电机侧)的电流与主变压器阻抗及发电机电抗之和的比值，从而可以确定主变压器高压侧发生单相接地短路时，Y_N/d-11接法的主变压器低压侧(发电机侧)的电流。

但是单相短路电流是与各序综合阻抗(电抗)有关的，上述结果只能说明在最大运行方式下的结果，尚不能说明此结论是否适用于其它运行方式。下面继续分析在其它运行方式下的情况。

由于前面分析的是系统最大运行方式下的结果，因此，改变运行方式只能是使运行方式逐渐减小。此时，必然有

X_1Σ↑、X_0Σ↑(仍然假定X_2Σ≈X_1Σ)

通常

X_0Σ≥X_1Σ (20)

因此

注意到X_1Σ和X_0Σ增大时，X_G+X_T并没有发生变化，因此，式(16)仍然成立，并且可以写为

用

代入式(22)，式(22)可以写为

由于k≥1，因此

即

由此可得

根据式(11)

于是

据此所选的电流互感器是安全的，且在选择时已经包含了系统所有的运行方式。

通过以上推导和计算，即可获得主变压器高压侧单相短路时发电机侧的最大电流，且仅需要知道主变压器高压侧断路器额定开断电流即可，而无需知道电力系统的参数。

本发明技术针对发电厂中主变压器高压侧单相接地(短路)时低压侧电流(即发电机侧)的计算，提出了与以往完全不同的计算方法。这一技术能简化工程设计时的资料交换，提高设计速度，且保证满足使用要求，但没有任何多余的裕量。因而达到既满足使用要求，又没有额外增加投资，却又满足工程进度的多种目的。从而加快了工程进度，使工程具备了尽早投产的可能，具有一定的经济效益和社会效益。

以上所述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其特征在于，其基于主变压器高压侧断路器额定开断电流，计算并确定发电机侧电流互感器的主变压器高压侧线路单相重合闸电流；

第一步，通过调整运行方式，使各种不同方式的短路电流都不超过断路器额定开断电流，以确保在发生任何故障时断路器都能够可靠开断短路电流，将故障切除；

第二步，根据第一步所确定的原则，确定主变压器高压侧三相短路时可能提供的最大短路电流；

第三步，根据第一步所确定的原则，计算出主变压器高压侧单相短路时，流过主变压器高压侧的短路电流；

第四步，根据第三步所获得的主变压器高压侧的短路电流，计算出主变压器低压侧的短路电流。

2.如权利要求1所述的估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其特征在于，所需要的数据如下：

发电机额定容量S_G、发电机直轴超瞬变电抗X″_d、主变压器额定容量S_T、主变压器额定阻抗U_k、主变压器高压侧断路器额定开断电流I″_SC；

将发电机的直轴超瞬变电抗X″_d和主变压器的阻抗U_k都折算到某一基准容量S_j；

三相短路时的总电流标幺值计算式为：

式中：

I_3.*——三相短路时的总电流标幺值；

X_1Σ——与短路点有关的正序综合电抗；

相应其短路电流值等于总电流标幺值乘以基准电流，即

单相短路时的总电流标幺值计算式为：

式中：

——单相短路时的总电流标幺值；

X_1Σ——与短路点有关的正序综合电抗，此值与三相短路时的正序综合电抗相同；

X_2Σ——与短路点有关的负序综合电抗；

X_0Σ——与短路点有关的零序综合电抗；

同样，总的单相短路电流值等于总电流标幺值乘以基准电流，即

I_1.Σ＝I_j×I_1.* (4)。

3.如权利要求1所述的估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其特征在于，三相短路电流与单相短路电流都等于断路器的额定开断电流时，I_1.Σ＝I_3.Σ＝I″_SC (5)

根据式(1)～式(4)，有

在工程设计中近似为

X_2Σ＝X_1Σ (7)

即

4.如权利要求1所述的估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其特征在于，三相短路电流的最大值与单相短路电流的最大值均为断路器的额定开断电流时，X_0Σ≈X_1Σ (9)。

5.如权利要求1所述的估算主变压器高压侧单相接地时低压侧电流的方法，其特征在于，三相短路时，与短路点有关的正序综合电抗分解为本机组与其它设备/元件并联的结果。

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