変圧器差動保護およびその他の差動保護製品 | CANWIN

さらに、変圧器にはいくつかの異常な動作状態があり、主なものとして、油面低下、油温または油圧上昇、変圧器中性点電圧上昇、過負荷、過電流、過励磁などが挙げられます。

さまざまな故障や異常な動作状態を監視するために、主保護とバックアップ保護に分けられるさまざまな保護機能を設けており、主保護は迅速な動作特性を備えています。

パート2：差動保護

縦方向差動保護は変圧器の主要な保護手段の一つであり、両側のスイッチを瞬時にトリップさせる保護機能です。保護領域は、変圧器本体、変流器と変圧器間のリードアウトラインなど、差動保護の両側の変流器間の部分です。2017年、220kV変電所の2号主変圧器の35kV側の避雷器でAB相フラッシュオーバーが発生し、避雷器シャーシが放電により破壊されました。35kV避雷器は主変圧器の低電圧側のレオロジー変圧器と主変圧器の間に位置していたため、縦方向差動保護の範囲内でした。2組の主変圧器保護装置はすべて正常に動作し、故障は隔離されました。

01

差分保護の基本ロジック

既存の変圧器の縦方向差動保護は、マイクロコンピュータ保護装置を採用しており、各相の電流がそれぞれ保護装置に入力され、ソフトウェアアルゴリズムによって縦方向差動保護が実現されます。ここでは、1相を例に、縦方向差動保護の基本原理を説明します。

保護装置が感知する差動電流は、2つのコイルの二次電流のベクトル和です。図1に示すように、システムが正常に動作している場合、または外部で短絡されている場合、2つのコイルの二次電流は大きさが等しく極性が逆であるため、差動電流は0となり、この時点では保護装置は動作しません。図2に示すように、保護範囲内で地絡が発生した場合、二次電流は大きさも極性も等しくなり、差動電流は二次電流の合計となります。差動開始値に達すると、保護装置が動作します。

上記のレオロジー二次コイル接続方法に基づき、縦方向差動保護では、位相調整、零相電流除去、および異なる側の電流ベクトルへの振幅変換を追加して差動電流計算方法を形成し、さらに制動比特性曲線を導入して保護の基本ロジックを構成する。

YN-d11配線を例にとると、配線図と電流フェーザ図を図3に示す。高側フェーザと低側フェーザの間に30°の角度差があるため、通常動作時でも2つの電流のベクトル和は0にならず、まず位相変換が必要となることがわかる。変換後、同じ位相の高側と低側は同じ位相となる。

位相変換には2つの方法があり、1つはY側に基づいており、d側電流の位相がY側電流の位相と一致するようにするもので、「アングルスター」と呼ばれます。最も一般的なアングルスター保護はNarui Jibao RCS-978などであり、変換式は次のとおりです。

もう1つはd側を基準としており、Y側の電流位相がd側の電流位相と一致するようにする。これを「星回転角」と呼ぶ。既存の保護装置のほとんどは星回転角方式を採用しており、変換式は以下のとおりである。

零相電流除去の目的は、縦方向差動保護の誤動作を防止することです。YN-d配線では、高圧側外で地絡が発生すると、高圧Y側に零相電流が流れますが、低圧d側には零相電流が流れないため、両側の零相電流のバランスが取れず、差動保護が誤動作します。「スター回転角」変換モードでは、Y側での位相シフト後の2つの電流の差から零相電流が除去されているため、対策は不要です。「角度→スター」変換モードでは、零相電流補償はY側電流ベクトルに対して行われ、補償式は次のようになります。

変圧器の変圧比と各側のレオロジー変換比の違いにより、通常運転時または外部障害時において、変圧器の各側の差動電流の二次振幅は同じにはなり得ません。この場合、振幅変換を行う必要があります。片側の電流値を基準として、両側の電圧とレオロジー比に基づいてもう一方の側の平衡係数を計算し、もう一方の側の電流に平衡係数を乗じることで、装置の内部計算における差動電流が0になるようにします。

内部故障時の動作感度をさらに向上させ、外部故障時の不平衡電流を確実に回避するために、縦方向差動保護では、比制動特性曲線を持つ差動素子を採用しています。比制動曲線の縦軸は差動電流、横軸は制動電流を表し、曲線の上部は動作領域、下部は制動領域です。既存の特性曲線は、主に2セグメント破線型と3セグメント破線型の2種類に分けられます。

図4の左図は、2つのセグメントからなる折れ線式の制動比曲線を示しています。この曲線は、原点を通るABC型、または原点を通らないABD型のいずれかになります。ほとんどの装置はABC型です。

図4の右図に、3セグメントの折れ線式制動比曲線を示します。この曲線は、ABセグメントが水平線であるものと、ABセグメントが斜線であるものの2種類に分類できます。ABセグメントが水平線である機器には、国電南子PST-1200U、ABBのRET-316、徐吉WBH-801、SEL-387などがあり、ABセグメントが斜線である機器には、四方CSC-326、神瑞PRS-778、南スイスRCS-978などがあります。

02

差動保護の確認方法

縦方向差動保護の保護検証は、制動比特性曲線に基づいて行われ、曲線より上の保護は作動し、曲線より下の保護は作動しない。

1) ポイントを選択します。縦方向差動保護の検証のために 3～5 ポイントを選択します。最初のポイントは図 4 の縦軸上に選択され、最小動作電流 Iop.min を検証します。2 番目と 3 番目のポイントは変曲点上に選択され、変曲点電流 Ires を検証します。さらに、各傾斜上にポイントを選択して傾斜を検証します。

2) 値を計算します。変圧器の各側の起動値電流、平衡係数、および平衡を計算し、次に、装置の制動比曲線に従って、各チェックポイントの各側の電流の大きさと位相角を計算します。

3) 曲線を検証します。固定変数法を適用して、チェックポイントの一方の電流を固定し、もう一方の電流の大きさを変更して、チェックポイントを動作領域と制動領域の間で上下に移動させ、保護装置が正しく動作するかどうかを検証します。

03

差動保護用補助部品

差動保護の信頼性を高めるため、保護ロジックには、始動、急速遮断、ロックなどのコンポーネントも含まれる。

1) 開始要素: 開始変数には、三相差動電流の最大値、電流変化量などが含まれます。開始変数が任意の開始値を超えると、保護装置は差動保護を開始します。

2) 差動急速遮断要素: 短絡電流レベルが高い場合、変流器の飽和により、第 2 高調波が大きな制動トルクを発生させ、差動要素が動かなくなります。保護拒否を回避するために、装置には差動急速要素が設置されています。短絡電流が定格電流の 4〜10 倍に達すると、急速要素がすぐに出口に移動します。また、大きな短絡電流がある場合に、両側の変流器の過渡特性の不一致による保護の誤動作を防止するために、変圧器を含む主機器の差動保護の両側の変流器の関連特性は一致している必要があります (18 の対策 15.1.10)。変電所の No. 2 主変圧器の高電圧側は、2/3 配線の第 2 ストリングに接続され、このストリングは別の連系線に接続されています。 2017年に、ストリング内のスイッチのB相で単相地絡事故が発生し、主変圧器本体の2組の差動保護のクイックブレーク要素が作動して主変圧器の両側のスイッチを遮断しました。連系線の両側の分割相電流差動保護が対応する側スイッチのB相を遮断し、その後単相再閉路が成功しました。

3) 励磁突入電流遮断要素: 空中投下トランスとトランス領域外の短絡が遮断されると、大きな励磁突入電流が発生します。励磁突入電流によって生じる差動電流がデバイスの誤動作を引き起こすのを防ぐため、縦方向の差動保護用に突入電流遮断要素が設けられており、波形歪み（断続的または非対称な差動電流波形）、高調波成分の識別（第2または第3高調波成分）、励磁突入電流のあいまい識別が用いられます。しかし、トランスが実際に空中投下される際、特に最初の空中投下では、本体の消磁が不十分なため差動保護が誤動作し、空中投下された差動電流の高調波成分が高調波成分遮断閾値よりも低くなる可能性があります。トランスの空充電に対する残留磁気の影響を根本的に排除するために、消磁対策を講じて再度空充電を行うか、あるいは一時的に第2高調波遮断閾値を下げて主トランスの正常な動作を確保することができます。

4) CT断線要素：CTの二次相が断線すると、差動電流は断線相の負荷電流となり、保護装置が誤動作する可能性があります。このとき、零相電流、相電流の変化、相電圧の異常な急激な低下などを利用して、CT断線を判定できます。

5) CT飽和阻止要素: 外部故障が発生すると、CT飽和により差動保護が誤動作するため、保護装置にはCT飽和阻止検出要素が装備されています。CTが飽和すると、CTが飽和してから一定時間後に差動電流が発生するため、装置は制動電流と差動電流のタイミングの一致性を使用してCTが飽和しているかどうかを判断します。さらに、CT飽和が変圧器の縦方向差動保護に与える影響を最小限に抑えるために、正確な制限係数(ALF)とより高い定格変曲点電圧を持つ変流器を使用します(18項目対策15.1.12)。

パート3：その他の差動保護の概要

1.

分割式サイドディファレンシャル保護

分割側差動保護は、変圧器のY側巻線を保護対象とする差動保護であり、各側の巻線の位相に応じて最初と最後のCTで構成されます。図5の自己結合相Aを例にとると、保護はTA1A、TA2a'、TA3Aで構成されます。キルヒホッフの電流法則によれば、両端の電流間には電磁結合関係がないため、突入電流遮断素子、差動スナップアクション素子、過励磁遮断素子は不要です。また、分割側差動保護の動作電流の固定値は縦方向差動保護よりも低く、感度も高くなります。しかし、この保護の欠点は、巻線間短絡を保護できないことです。

2.

分割位相差保護

位相分割差動保護は、変圧器の各相巻線を保護対象とする差動保護であり、各相巻線の両側にCT（変流器）を配置して構成されます（例）。この保護は、低電圧側リード線を除く変圧器の特定相のすべての故障を反映できますが、突入電流阻止要素が必要です。

3.

低電圧側におけるセル差動保護

位相分割差動保護は低電圧側のリード線に対する保護範囲を持たないため、位相分割差動保護を補完するものとしてセル差動保護が導入される。低電圧側回路の差動保護は、低電圧側の三角二相巻線の内部CTと、二相巻線の差動電流を反映するCT突入電流阻止素子から構成されるが、巻線間短絡には対応しない。

4.

零相差動保護

零相差動保護は、変圧器の中性点側にある零相変流器と、変圧器のスター側にある変流器の零相回路で構成されます。図6と図7は、それぞれゾーン外とゾーン内で地絡が発生した場合の電流ループを示しています。同様に、この保護の二次電流には電磁結合関係がないため、保護装置には励磁突入電流阻止素子や過励磁阻止素子は必要ありません。同時に、変圧器巻線の地絡に対してより敏感です。ただし、零相差動保護は高圧側と中圧側の内部地絡のみを検知でき、巻線間短絡は保護できません。