电弧炉整流变或故障时110kV主变电流及谐波分析研究

2023-11-30

一、研究背景及研究方案

1.研究背景

电炉变电所是1996年全套引进意大利达涅利公司技术建造的，2016针对主变和SVC装置进行了更新改造，改造内容主要有：主变整体更新，容量不变。更换一次侧CT（750/5A），取消110kV 侧有载调压，主变接线组别由Yd11+接地变更改为Dyn11，短路阻抗14%变为14.54%，接地方式由接地变直接接地（限流50A）更换为中性点电阻接地，中性点电阻值190.05欧姆，接地电流100A。SVC装置由80MVA扩容至120MVA。

2017年6月23日23:10，电炉总降变电所1号主变（110kV/33kV）主变差动保护（87）动作跳闸，总降站33kV系统失电，电炉、精炼炉停止冶炼。8月4日11:35，电炉总降站再次发生主变差动保护跳闸。两次差动保护动作均发生在电334开关用户侧空投整流变时，故障发生后对现场户内外的主变、电缆、SVC、33KV母线等设备逐个排查，排除了一次设备故障。8月30日故障再次发生。经多次分析，仍未找到故障发生的根本原因。找出故障原因，需要根据实际电网情况，建立详细的仿真模型进行仿真分析，找出问题原因。

2.研究方案

本研究主要利用电磁暂态仿真软件，搭建详细的仿真模型，主要包括电网模型，SVC模型，电弧炉整流变模型，主变差动保护模型，分析空投电弧炉整流变时110kV主变两侧电压、电流，谐波电流提出针对主变差动保护误动问题可行的建议方案。

二、空投电弧炉整流变或故障时110kV主变电流及谐波分析

1. 空投电弧炉整流变时110kV主变励磁涌流及谐波分析

空投电弧炉整流变时（约2.05秒时合闸），110kV主变两侧电流及1～5次谐波电流的幅值分别如图3-1～3-7所示。从图中可见，空投电弧炉整流变时，在110kV主变两侧谐波电流中二次、三次谐波电流最大，四次、五次谐波电流较小。二次谐波最大值约为基波电流的一半。从图中还可看出，励磁涌流在幅值上呈现一个衰减的趋势，但整体上持续的时间较长，约在1秒以上。

图3‑1 空投电弧炉整流变时110kV主变两侧电流

注意：图中标注CT的为电流二次值，单位为A；未标注CT的为电流一次值，单位为kA

图 3‑2 空投电弧炉整流变时110kV主变两侧电流局部放大图

空投电弧炉整流变时，励磁涌流大小与合闸角有一定关系。就本例而言，空投主变后，110kV侧C相电流最大幅值为1.06kA，B相电流最大幅值0.85kA，A相电流最大幅值为0.48kA；33kV侧B相最大电流幅值为3.3kA,C相最大电流幅值为2.9kA，A相最大电流幅值为2.1kA。

变压器两侧电流KA	A相	B相	C相
110kV侧	0.48	0.85	1.06
33kV侧	2.1	3.3	2.9

图3‑3 空投电弧炉整流变时110kV主变两侧基波电流幅值

注意：图中为电流二次值，单位为Ie

图3‑4空投电弧炉整流变时110kV主变两侧二次谐波电流幅值

图3‑5空投电弧炉整流变时110kV主变两侧三次谐波电流幅值

图3‑6空投电弧炉整流变时110kV主变两侧四次谐波电流幅值

图3‑7空投电弧炉整流变时110kV主变两侧五次谐波电流幅值

表 3‑1空投电弧炉整流变时110kV侧各次谐波最大幅值(单位：Ie)

	A相	B相	C相
基波	0.25	0.43	0.51
二次谐波	0.19	0.17	0.26
三次谐波	0.1	0.09	0.18
四次谐波	0.05	0.09	0.11
五次谐波	0.04	0.08	0.08

表 3‑2空投电弧炉整流变时33kV侧各次谐波最大幅值(单位：Ie)

	A相	B相	C相
基波	0.33	0.39	0.18
二次谐波	0.14	0.22	0.16
三次谐波	0.08	0.14	0.09
四次谐波	0.07	0.09	0.04
五次谐波	0.06	0.06	0.03

2.33kV侧单相故障时110kV主变两侧谐波电流分析

若33kV侧发生单相接地故障（2.0秒时A相接地故障，故障持续时间0.1秒），则110kV主变两侧电流及谐波分别如图3-8～3-13所示。从图中可见，33kV侧发生A相接地故障时，故障期间A相电流有所增大，B、C相电流基本不变。二～五次谐波值均很小，只在故障发生和故障消除时各有一个尖峰，在故障期间几乎可以忽略，其二次谐波尖峰幅值最大为0.008Ie,三、四、五次谐波尖峰最大幅值更小。从谐波绝对值来说，比空投电弧炉整流变时要小得多。

图3‑8 33kV侧单相故障时电流波形

图3‑9 33kV侧单相接地故障时110kV主变两侧电流基波幅值

图3‑10 33kV侧单相接地故障时110kV主变两侧电流二次谐波幅值

图3‑11 33kV侧单相接地故障时110kV主变两侧电流三次谐波幅值

图3‑12 33kV侧单相接地故障时110kV主变两侧电流四次谐波幅值

图3‑13 33kV侧单相接地故障时110kV主变两侧电流五次谐波幅值

3.33kV侧发生三相接地故障时110kV主变谐波电流分析

若33kV侧发生三相接地故障（2.0秒时故障，故障持续时间0.1秒），则110kV主变两侧电流及谐波分别如图3-14～3-19所示。从图中可见，33kV侧发生三相接地故障时，二～五次谐波值均很小，只在故障发生和开关跳开时各有一个尖峰，在故障期间几乎可以忽略。其二次谐波尖峰最大幅值为1.2Ie，故障持续期间二次谐波幅值约为0.05Ie，三、四、五次谐波更小。从谐波绝对值来说，在故障持续时间内，其谐波比空投电弧炉整流变时要小得多。

图3‑14 33kV侧三相接地故障时110kV主变两侧电流波形

图3‑15 33kV侧三相接地故障时110kV主变两侧电流基波幅值

图3‑16 33kV侧三相接地故障时110kV主变两侧电流二次谐波幅值

图3‑17 35kV侧三相接地故障时110kV主变两侧电流三次谐波幅值

图3‑18 33kV侧三相接地故障时110kV主变两侧电流四次谐波幅值

图3‑19 33kV侧三相接地故障时110kV主变两侧电流五次谐波幅值

3. 小结

空投电弧炉整流变会在上级110kV主变两侧产生较大的励磁涌流，励磁涌流中包含各次谐波，其中二次谐波占比最高；而发生故障时，在故障期间二次谐波含量很小。此外，在波形上，励磁涌流呈现一个衰减的趋势，持续时间在1秒以上，这与故障期间的谐波电流波形存在明显区别。因此通过谐波分析或波形识别的方式可以有效区分励磁涌流和故障电流。建议采用谐波闭锁判据，不用谐波制动。(作者：宝山钢铁股份有限公司王小辉李璐)

参考文献

[1]叶炜敏龚剑超主变差动保护动作分析豆丁网

[2]王少奎 SIMULINK SVC 水电能源科学 Vol.26 No.4 Aug.2008

来源：冶金企业供用电专业安全经济稳定运行及智能化技术应用研讨会