電力變壓器工作原理及保護(hù)

圖1所示為某電廠廠用電系統(tǒng)，工作電源由發(fā)電機(jī)端經(jīng)廠用高壓工作變壓器引入，備用電源由電廠高壓母線經(jīng)起動(dòng)／備用變引入。正常運(yùn)行時(shí)，廠用母線由工作電源供電，當(dāng)工作電源側(cè)IDL(2DL)發(fā)生故障時(shí)，必須跳開(kāi)工作電源開(kāi)關(guān)3DL(4DL)，合5DL(6DL)，跳開(kāi)3DL(4DL)時(shí)廠用母線失電，由于廠用負(fù)荷多為異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)將惰行，母線電壓為眾多電動(dòng)機(jī)的合成反饋電壓，稱其為殘壓，殘壓的頻率和幅值將逐漸衰減。

圖2以極坐標(biāo)形式繪出的某300MW機(jī)組6KV母線殘壓相量變化軌跡（殘壓衰減較慢的情況）

圖2 母線殘壓特性示意圖

圖中VD為母線殘壓，Vs為備用電源電壓，△U為備用電源電壓與母線殘壓間的差拍電壓。合上備用電源后，電動(dòng)機(jī)承受的電壓UM為：

UM=XM／(Xs+XM)△U （1）

式中，XM--母線上電動(dòng)機(jī)組和低壓負(fù)荷折算到鬲壓廠用電壓后的等值電抗。

Xs--電源的等值電抗．

令K=XM／(Xs +XM)，則

UM=K△U (2)

為保證電動(dòng)機(jī)安全自起動(dòng)，UM應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)的允許起動(dòng)電壓，設(shè)為1.1倍額定電壓UDe，則有：

K△U＜1.1UDe (3)

△U(％)＜1.1/K （4）

設(shè)K=0.67，則△U(％)1.64。圖2中，以A為圓心，以1.64為半徑繪出弧線A`－A``，則A`－A``的右側(cè)為備用電源允許合閘的安全區(qū)域，左側(cè)則為不安全區(qū)域，若取K=0.95，則△U(％)1.15，圖2中B`－B``的左側(cè)均為不安全區(qū)域。
假定正常運(yùn)行時(shí)工作電源與備用電源同相，其電壓相量端點(diǎn)為A，則母線失電后殘壓相量端點(diǎn)將沿殘壓曲線由A向B方向移動(dòng)，如能在A—B段內(nèi)合上備用電源，則既能保證電動(dòng)機(jī)安全，又不使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降太多，這就是所謂的“快速切換”。圖2中，快速切換時(shí)間應(yīng)小于0.2s，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，B點(diǎn)通常由相角來(lái)界定，如60°，考慮到合閘回路固有時(shí)間，合閘命令發(fā)出時(shí)的角度應(yīng)小于60°，即應(yīng)有一定的提前量，提前量的大小取決于頻差和合閘時(shí)間，如在合閘固有時(shí)間內(nèi)平均頻差為1Hz，合閘時(shí)間為100ms，則提前量約為36°。

快速切換的整定值有兩個(gè)，即頻差和相角差，在裝置發(fā)出合閘命令前瞬間將實(shí)測(cè)值與整定值進(jìn)行比較，判斷是否滿足合閘條件。由于快速切換總是在起動(dòng)后瞬間進(jìn)行，因此頻差和相差整定可取較小值。

（2）同期捕捉切換

同期捕捉切換。其原理概括如下：

圖2中，過(guò)B點(diǎn)后BC段為不安全區(qū)域，不允許切換。在C點(diǎn)后至CD段實(shí)現(xiàn)的切換以前通常稱為“延時(shí)切換”或“短延時(shí)切換”。前面己分析過(guò)，用固定延時(shí)的方法并不可靠。最好的辦法是實(shí)時(shí)跟蹤殘壓的頻差和角差變化，盡量做到在反饋電壓與備用電源電壓向量第一次相位重合時(shí)合閘，這就是所謂的“同期捕捉切換”。以上圖為例，同期捕捉切換時(shí)間約為0.6s，對(duì)于殘壓衰減較快的情況，該時(shí)間要短得多。若能實(shí)現(xiàn)同期捕捉切換，特別是同相點(diǎn)合閘，對(duì)電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)也很有利，因此時(shí)廠母電壓衰減到65％一70％左右，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不至于下降很大，且備用電源合上時(shí)沖擊最小。

需要說(shuō)明的是，同期捕捉切換之“同期”與發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)之“同期”有很大不同，同期捕捉切換時(shí)，電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于異步發(fā)電機(jī)，其定子繞組磁場(chǎng)已由同步磁場(chǎng)轉(zhuǎn)為異步磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子不存在外加原動(dòng)力和外加勵(lì)磁電流。因此，備用電源合上時(shí)，若相角差不大，即使存在一些頻差和壓差，定子磁場(chǎng)也將很快恢復(fù)同步，電動(dòng)機(jī)也很快恢復(fù)正常異步運(yùn)行。所以，此處同期指在相角差零點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)合閘(合上)。

在實(shí)現(xiàn)手段上，同期捕捉切換有兩種基本方法：一種基于“恒定越前相角”原理，即根據(jù)正常廠用負(fù)荷下同期捕捉階段相角變化的速度(取決于該時(shí)的頻差)和合閘回路的總時(shí)間，計(jì)算并整定出合閘提前角，快切