一次區(qū)外故障導(dǎo)致主變差動保護(hù)動作分析

王志剛

（廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 江門529228）

受雷雨天氣影響，某電廠220 k V某線路發(fā)生A、B兩相接地故障，線路三相跳閘未重合。保護(hù)的故障測距顯示故障點(diǎn)靠近電廠側(cè)2.6 k m附近。線路跳閘同時，1號主變差動保護(hù)動作導(dǎo)致1號發(fā)變組跳閘。對于主變差動保護(hù)范圍而言，本次線路兩相接地故障屬于區(qū)外故障，主變差動不應(yīng)該動作，那是什么原因?qū)е铝酥髯儾顒颖Ｗo(hù)的動作呢？

2 原因分析

此電廠1號發(fā)電機(jī)—變壓器組采用單元制接線方式接入220 k V母線，220 k V母線為雙母線接線，1號主變中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行。事件發(fā)生后，檢查相關(guān)一次設(shè)備無異常，1號主變保護(hù)裝置M－3311“主變差動保護(hù)87 T”動作，動作信息及故障錄波文件完整，經(jīng)校驗，保護(hù)裝置定值整定正確，保護(hù)裝置采樣準(zhǔn)確，邏輯功能良好。

考慮到主變差動保護(hù)使用的為5P級CT，此類型CT剩磁系數(shù)相對較高，易飽和，且事件發(fā)生時為強(qiáng)雷雨天氣，線路故障點(diǎn)附近多個鐵塔上有多處不規(guī)則的雷電擊傷痕跡。結(jié)合故障錄波數(shù)據(jù)，從CT的工作性能方面進(jìn)行原因分析。

2.1 對故障錄波數(shù)據(jù)的分析

如圖1所示，線路故障發(fā)生后，58 ms故障切除（與線路錄波一致），第71 ms保護(hù)動作出口；在此期間，第27 ms開始出現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端L相電流，并且持續(xù)增長至第58 ms，然后L相電流開始衰減。

圖1 發(fā)電機(jī)端電流波形圖

發(fā)變組故障錄波數(shù)據(jù)計算：以下為按差動保護(hù)的計算方法，根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)計算的差動保護(hù)各側(cè)電流和各相差流（折算到發(fā)電機(jī)側(cè)的二次電流）。圖2中：

高壓側(cè)電流IHa＝高壓側(cè)平衡系數(shù)×（高壓側(cè)IA－高壓側(cè)IB）／

低壓側(cè)電流ILa＝發(fā)電機(jī)IA－高廠變高壓側(cè)IA

差流Ida＝IHa－ILa

圖2 主變差動電流波形圖

從圖2中可以看出，故障發(fā)生第28 ms時，低壓側(cè)A相電流開始畸變，A相出現(xiàn)差流。低壓側(cè)A相電流呈負(fù)偏移，在負(fù)半波到達(dá)峰值前開始畸變，在正半波過程恢復(fù)正常，這種現(xiàn)象符合CT飽和的特征。由于高廠變高壓側(cè)的電流非常小，可以認(rèn)為低壓側(cè)A相電流飽和畸變所反映的就是發(fā)電機(jī)側(cè)A相電流飽和畸變。

查看主變保護(hù)裝置M－3311錄波數(shù)據(jù)，故障發(fā)生后61 ms主變差動保護(hù)動作。在此期間，故障發(fā)生后約30 ms，發(fā)電機(jī)側(cè)二次電流中3I0開始增長，此現(xiàn)象與故障錄波裝置反映的一致。鑒于故障過程中主變各側(cè)電流的直流分量都非常明顯，且發(fā)電機(jī)側(cè)出現(xiàn)了理論上不應(yīng)有的零序電流，同時發(fā)電機(jī)側(cè)A相二次電流出現(xiàn)了明顯的飽和畸變特征，因此可以初步判定，本次主變差動保護(hù)誤動作是由于在較強(qiáng)的直流分量作用下，發(fā)電機(jī)側(cè)CT飽和引起傳變誤差所致。

2.2 對發(fā)電機(jī)出線端保護(hù)用CT進(jìn)行暫態(tài)性能試驗分析

2.2.1 進(jìn)行CT特性試驗

CT銘牌參數(shù)：25 000／5，5P20，200 VA，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)如表1所示。伏安特性曲線如圖3所示。

表1 CT特性試驗數(shù)據(jù)記錄表

二次負(fù)載：CT的二次負(fù)載沒有實測數(shù)據(jù)，根據(jù)二次電纜的線徑及長度，按0.8Ω估算。

2.2.2 區(qū)外短路故障時的機(jī)端CT暫態(tài)分析計算

設(shè)外部三相短路時，一次電流為：

圖3 CT伏安特性曲線圖

CT的基本關(guān)系式：

2.2.3 簡化計算分析

2.2.3.1 系統(tǒng)參數(shù)

發(fā)電機(jī)直阻：相電阻R＝0.001 23Ω，換算至以發(fā)電機(jī)阻抗為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值：

式中，667為發(fā)電機(jī)額定視在功率（MVA）；20為發(fā)電機(jī)額定電壓（k V）。

發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗：

主變等值電阻：短路損耗1 157 k W（1.157 MW），換算至以發(fā)電機(jī)阻抗為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值：

主變等值電抗：短路電壓15.05%，換算至以發(fā)電機(jī)阻抗為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值：

式中，720為主變額定視在功率（MVA）。

按主變高壓側(cè)三相短路計算一次時間常數(shù)：

式中，f為頻率（Hz）。

2.2.3.2 C—100 ms—O循環(huán)

一次C—100 ms—O循環(huán)所需暫態(tài)面積系數(shù)：

高壓側(cè)短路流過發(fā)電機(jī)機(jī)端的電流為54.9 k A，約為2.2倍CT額定電流。

要求所選CT的準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf＞2.20 Ktd＝61。

按本次實測結(jié)果：在二次負(fù)載估算為0.8Ω的情況下，機(jī)端側(cè)CT的Kalf約為56，即實際Ktd＝25.5，經(jīng)估算如不考慮剩磁則約在90 ms時CT可能開始飽和。

飽和時間的簡化計算公式為：

2.2.3.3 C—100 ms—O—800 ms—C—100 ms—O循環(huán)

所需暫態(tài)面積系數(shù)：

與一次C—100 ms—O循環(huán)相比，CT在C—100 ms—O—800 ms—C—100 ms—O循環(huán)中的飽和情況會更嚴(yán)重，暫態(tài)性能不理想。

2.2.4 數(shù)值計算分析

由數(shù)值分析計算得出：主變高壓側(cè)故障時，在不考慮CT剩磁的情況下，機(jī)端側(cè)CT約120 ms開始飽和；如考慮故障前CT剩磁為60%，則46 ms開始飽和。B－t趨勢線如圖4所示。

圖4 CT B－t趨勢線

按照上述分析，發(fā)電機(jī)機(jī)端CT在不考慮剩磁的前提下，按主變高壓側(cè)短路且電流全偏移計算，開始飽和的時間約為90～120 ms，基本滿足一次C—100 ms—O循環(huán)的暫態(tài)性能要求。在本次事件中，如果機(jī)端CT的飽和起始時間在100 ms后，則差動保護(hù)不會誤動作。但是，由于5P級CT的剩磁系數(shù)較高，根據(jù)實測結(jié)果，機(jī)端CT的剩磁系數(shù)在80%以上。發(fā)生若干次區(qū)外故障后，在剩磁的積累作用下，CT的飽和時間會大大提前。本次區(qū)外故障時機(jī)端CT飽和應(yīng)該就是由剩磁過大引起的。

3 結(jié)論及措施

按上述分析，此發(fā)變組的一次時間常數(shù)非常大，外部故障時一次電流中直流分量衰減非常緩慢，機(jī)端CT的剩磁系數(shù)較高，在多次區(qū)外故障電流的剩磁積累作用下，CT的飽和時間會大大提前，不能保證良好的暫態(tài)性能，因此，本次區(qū)外故障時主變差動保護(hù)動作是由于機(jī)端CT剩磁過大、同時在故障電流作用下鐵芯迅速飽和引起的?？赏ㄟ^以下方法解決：（1）為防止剩磁過大引起CT飽和，可結(jié)合機(jī)組的大、小修試驗，定期對差動保護(hù)的CT作消磁處理。（2）CT的暫態(tài)性能不夠理想，可以從減小CT二次負(fù)載方面采取措施。（3）由于大型發(fā)電機(jī)—變壓器組的一次時間常數(shù)較大，暫態(tài)飽和問題普遍嚴(yán)重，可考慮選用TP級CT。

［1］王維儉.電力主設(shè)備繼電保護(hù)原理及應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，1996

［2］國家能源局.大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則［M］.北京：中國電力出版社，2012