一起35 k V變電站主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作事故分析與處理

郭宜果，魏 鑫

（1.山東電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250001；2.棗莊供電公司，山東 棗莊 277102）

0 引言

變壓器是變電站中關(guān)鍵的供電元件，其運(yùn)行狀況直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定［1］。根據(jù)GB－T 14285－2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》的要求：“電壓在10 kV以上、容量在10 MVA及以上的變壓器，采用縱差保護(hù)”?？v差保護(hù)作為變壓器電氣量主保護(hù)，反映變壓器繞組及其引出線的相間短路、中性點(diǎn)直接接地側(cè)接地短路、繞組的匝間短路等故障，對(duì)變壓器的安全運(yùn)行具有十分重要的意義［2］。變壓器差動(dòng)保護(hù)具有較高的靈敏度和速動(dòng)性，但是，由于該類型保護(hù)為元件保護(hù)，必須保證其動(dòng)作的選擇性，絕不應(yīng)該在區(qū)外故障的情況下動(dòng)作［3］。

2011年9月8日23時(shí)12分，某35 kV變電站10 kVⅠ段母線17號(hào)出線開關(guān)柜發(fā)生C相金屬性接地故障，本間隔過流保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合閘成功。隨后2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開主變兩側(cè)開關(guān)，造成全站失壓，發(fā)生了保護(hù)誤動(dòng)作的故障。

1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

1.1 事故相關(guān)運(yùn)行方式

該站1990年3月9日投運(yùn)，電壓等級(jí)為35／10kV，35 kV 2回進(jìn)線，單母線雙刀閘分段接線；主變2臺(tái)，型號(hào)分別為：SZ11－M－16000／35 （1 號(hào)主變）、SZ10－20000／35（2號(hào)主變）；10 kV 單母線分段，共有出線 7回。35 kV側(cè)為電源端，10 kV側(cè)為負(fù)荷端,主變差動(dòng)保護(hù)電流回路采用全星型接線。事故發(fā)生時(shí)，35 kV君安線53號(hào)開關(guān)帶2號(hào)主變、10 kVⅠ、Ⅱ段母線運(yùn)行，另一條35 kV進(jìn)線及1號(hào)主變處于熱備用狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)變電站運(yùn)行方式

1.2 故障現(xiàn)象及處理

2011年9月8日23:12:17，變電站10 kV安工 I線17號(hào)開關(guān)過流Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合成功；2011年9月8日23:12:18，安城站 2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，52號(hào)開關(guān)、12號(hào)開關(guān)跳閘，10 kVⅠ、Ⅱ段母線失電。

故障后，迅速通過遠(yuǎn)方遙控操作將1號(hào)主變投入，恢復(fù)供電。搶修人員及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)迅速組織現(xiàn)場(chǎng)檢查和設(shè)備搶修處理，運(yùn)行人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)、配合工作。

8日23:16，拉開全部10 kV開關(guān)，并投入 1號(hào)主變及10 kV I段母線上的出線開關(guān)，發(fā)現(xiàn)C相電壓過高（7.6 kV）。

9日00:00，運(yùn)行人員趕到變電站檢查，發(fā)現(xiàn) 17號(hào)開關(guān)柜內(nèi)鋁排斷線，隨即將17號(hào)開關(guān)轉(zhuǎn)為冷備用。

9日00:04，2號(hào)主變外觀檢查未發(fā)現(xiàn)異常，轉(zhuǎn)為冷備用。

9日00:16，10 kV母聯(lián) 10號(hào)開關(guān)及Ⅱ段母線出線恢復(fù)送電，至此，除 17號(hào)出線外其余出線全部恢復(fù)供電。

9日00:48，完成 17號(hào)間隔安措，開始搶修 17號(hào)間隔，同步開展17號(hào)線路巡視檢查。

9日03:13，完成 17號(hào)柜搶修，03:15完成線路檢查未發(fā)現(xiàn)問題，03:23，恢復(fù) 17號(hào)出線送電。

9日03:34，將2號(hào)主變轉(zhuǎn)為檢修，開始進(jìn)行檢查試驗(yàn)。

2 保護(hù)動(dòng)作分析

2.1 外部故障分析

在變電站10 kV 17號(hào)開關(guān)柜內(nèi)，開關(guān)至 173號(hào)刀閘之間C相套管下部鋁排燒斷（圖 2），引起弧光短路，過流Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合成功。分閘和重合時(shí)間分別為23:12:26:499、23:12:27:542，保護(hù)定值為12 A，不完全星型接線。保護(hù)動(dòng)作正確。

圖2 外部故障照片

23:12:18:645，2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，52號(hào)開關(guān)、12號(hào)開關(guān)跳閘，B相差流為41.03A，定值35.7 A，保護(hù)動(dòng)作正確。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，17號(hào)保護(hù)裝置時(shí)鐘較2號(hào)主變保護(hù)裝置時(shí)鐘快9 s，以2號(hào)主變裝置時(shí)鐘為基準(zhǔn)換算后，17號(hào)開關(guān)分閘、重合時(shí)間應(yīng)為23:12:17:499、23:12:18:542，動(dòng)作過程應(yīng)為：17號(hào)柜 C相鋁排斷線引起弧光短路（短路電流近10 kA），開關(guān)跳閘、重合，之后2號(hào)主變差動(dòng)動(dòng)作。

17號(hào)開關(guān)保護(hù)動(dòng)作原因清晰，為該開關(guān)柜鋁排弧光短路引起，但2號(hào)主變差動(dòng)動(dòng)作原因不清晰，屬于誤動(dòng)作。為此，在搶修完成后立即將該主變轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)，進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下：一、二次設(shè)備、接線外觀檢查均未發(fā)現(xiàn)異常；設(shè)備絕緣測(cè)試均合格，12號(hào)開關(guān)斷口兩側(cè)絕緣電阻700 MΩ（23℃、濕度70%），52號(hào)開關(guān)斷口兩側(cè)絕緣電阻1500 MΩ（23℃、濕度70%），二次絕緣電阻30 MΩ （23℃、濕度70%）；一次設(shè)備耐壓試驗(yàn)分別于9日凌晨和10日上午復(fù)測(cè)，均正常；直流電阻測(cè)量合格；油色譜分析結(jié)論合格；2號(hào)主變差動(dòng)回路CT極性測(cè)量，無差錯(cuò)；2號(hào)主變?nèi)勘Ｗo(hù)傳動(dòng)試驗(yàn)正常。

針對(duì)以上情況，需要專門進(jìn)行2號(hào)主變差動(dòng)跳閘原因分析。

2.2 主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原理

主變差動(dòng)保護(hù)裝置為2001年深圳南瑞ISA387F型產(chǎn)品，裝置的差動(dòng)保護(hù)由復(fù)比率差動(dòng)和差動(dòng)電流速斷保護(hù)組成，動(dòng)作特性如圖3所示。

圖3 主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性

圖4 差動(dòng)速斷保護(hù)邏輯

定值d042以上為差動(dòng)速斷動(dòng)作區(qū)，d045和d043以上為比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作區(qū)。差動(dòng)電流門檻定值d045用以躲過變壓器正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電流，復(fù)式比率特性 Id／Ir＞d043用以躲過外部故障。 Id＞042 進(jìn)入差動(dòng)速斷區(qū)。保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖4、圖5所示。

圖5 比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)邏輯

變壓器為Y,d11接線，高壓側(cè)CT變比400／5，低壓側(cè) CT變比1500／5，均為5P20級(jí)別。差動(dòng)保護(hù)各側(cè)CT均按星型接線，同時(shí)由軟件對(duì)各側(cè)CT變比不一致進(jìn)行調(diào)整，各側(cè)CT變比調(diào)整系數(shù)由裝置自動(dòng)計(jì)算。變比調(diào)整系數(shù)

式中：UH為高壓側(cè)額定線電壓，UL為低壓側(cè)額定線電壓，NH為高壓側(cè)CT變比，NL為低壓側(cè)CT變比。

其動(dòng)作電流及制動(dòng)電流：

式中：Idx（x＝a，b，c）為差動(dòng)電流；Irx（x＝a，b，c）為制動(dòng)電流；IX（X＝A，B，C）為高壓側(cè) CT 二次電流；Ix（x＝a，b，c）為低壓側(cè)CT二次電流；K為CT變比調(diào)整系數(shù)。

本站差動(dòng)保護(hù)相關(guān)定值見表1。

2.3 保護(hù)動(dòng)作報(bào)告及錄波記錄

相電流越限記錄。2011年9月8號(hào)23:12:18:570，第 2 個(gè)事件，Idb＝47.21 A，累計(jì)時(shí)間：0.14 s。

表1 保護(hù)定值整定表

保護(hù)事件記錄。2011年 9月 8日 23:12:18:645，第 8個(gè)事件：pcpu復(fù)式比率差動(dòng)動(dòng)作，B相，Idb＝41.03＜0 A；2011 年 9 月 8 日 23:12:18:645， 第 7個(gè)事件：pcpu 差動(dòng)電流速斷動(dòng)作，B 相，Idb＝41.03＜0 A；2011年9月8日23:12:18:648，第6個(gè)事件:pcpu差動(dòng)電流速斷返回；2011年 9月 8日 23:12:18:702，第5個(gè)事件：pcpu復(fù)式比率差動(dòng)返回。

保護(hù)錄波記錄。由于沒有ISA通信管理機(jī)，故障波形無法從裝置導(dǎo)出，只能通過拍攝的方法獲得粗略分析,如圖 6、圖 7、圖 8所示。

圖6 高壓側(cè)電流波形

圖7 低壓側(cè)電流波形

圖8 差動(dòng)電流波形

2.4 保護(hù)動(dòng)作解析

從電流錄波數(shù)據(jù)分析，根據(jù)主變低壓側(cè)電流波形，故障發(fā)生的現(xiàn)象為：首先低壓側(cè)出線B、C相短路，一個(gè)周波以后引起A相故障造成三相短路。但是A相短路電流要小于B、C兩相。根據(jù)差流圖片，找裝置差動(dòng)啟動(dòng)和差動(dòng)啟動(dòng)后第19個(gè)點(diǎn)的三相進(jìn)行粗略分析，記保護(hù)啟動(dòng)時(shí)保護(hù)電流為IX0，第19個(gè)點(diǎn)時(shí)保護(hù)電流為Ix19，記錄如表2所示，表中，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)記為IX0，保護(hù)啟動(dòng)后記為Ix19，X與故障相別對(duì)應(yīng)。如，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)高壓側(cè)A相電流記為IA0。

表2 故障錄波數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 A

將表2數(shù)據(jù)代入式（2），計(jì)算差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)時(shí)保護(hù)裝置的差動(dòng)電流及制動(dòng)電流如表3所示。表中，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)記為 Idx0、Irx0，保護(hù)啟動(dòng)后記為 Idx19、Irx19，X 與故障相別對(duì)應(yīng)，如保護(hù)啟動(dòng)時(shí)a相差動(dòng)電流記為Ida0。

表3 故障電流計(jì)算結(jié)果列表 A

分析差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作情況：

Idb0／Irb0＝3.71

Idc0／Irc0＝無窮大

Ida19／Ira19＝無窮大

Idb19／Irb19＝1.06

Idc19／Irc19＝0.62

可見，無論是保護(hù)啟動(dòng)時(shí)還是保護(hù)啟動(dòng)后，復(fù)比率值均大于定值0.4，在保護(hù)動(dòng)作范圍內(nèi)，2號(hào)變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置正常動(dòng)作，排除裝置異常及整定不當(dāng)?shù)脑颉?/p>

進(jìn)一步分析主變高壓側(cè)電流波形。在外部故障后高壓側(cè)CT二次電流波形畸變嚴(yán)重，其中BC相最為明顯，電流值在到達(dá)波峰的時(shí)候突然變?yōu)槠巾敳ǎ@是典型的CT飽和現(xiàn)象。

從另外一個(gè)角度考慮，2號(hào)主變高低壓側(cè)均采用5P20（5A）級(jí)CT，當(dāng)外部故障時(shí)如穿越電流不超過額定電流的20倍，CT二次側(cè)電流不超過100 A，差動(dòng)保護(hù)不應(yīng)誤動(dòng)作。但本站2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作時(shí)，高低壓側(cè)CT二次側(cè)動(dòng)作電流均不超過70 A，應(yīng)是2號(hào)主變某一側(cè)CT繞組不滿足20倍額定電流的要求，導(dǎo)致CT過早飽和引起保護(hù)動(dòng)作。

3 結(jié)語

得到保護(hù)動(dòng)作分析的結(jié)論后，召集有關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行分析。經(jīng)查，該斷路器型號(hào)LW8－35，產(chǎn)品各項(xiàng)報(bào)告齊全，各CT均有合格證。為進(jìn)一步核實(shí)分析結(jié)論，試驗(yàn)班分別于9月11日上午、下午兩次對(duì)52號(hào)開關(guān)進(jìn)行套管CT試驗(yàn)，在伏安特性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)（斜柱側(cè)）套管CT出廠標(biāo)明的保護(hù)繞組LH3的伏安特性與出廠報(bào)告不符合，而出廠標(biāo)明的測(cè)量繞組LH4的伏安特性與保護(hù)繞組伏安特性曲線吻合。為進(jìn)一步核實(shí)，又分別在主變端子箱、開關(guān)機(jī)構(gòu)箱和本體CT接線板處進(jìn)行特性試驗(yàn)校核，結(jié)果均一致。

據(jù)此確定該斷路器套管CT測(cè)量繞組和保護(hù)繞組接反，發(fā)生10 kV出線短路時(shí)，故障電流穿越 2號(hào)主變，高壓側(cè)CT飽和，差動(dòng)回路出現(xiàn)超過整定值的差流，引起保護(hù)誤動(dòng)作跳閘。這與前述故障波形分析結(jié)論一致。

為確保該變電站安全運(yùn)行，決定在調(diào)整接頭并恢復(fù)接線后，將2號(hào)主變投入運(yùn)行，將運(yùn)行方式調(diào)整為10 kV母線I、II段母線分段運(yùn)行。經(jīng)再次全面復(fù)核無誤后，于11日19：44完成操作，2號(hào)主變轉(zhuǎn)運(yùn)行。2號(hào)主變接帶負(fù)荷（4.6 MW）后，帶負(fù)荷做六角圖結(jié)果正確，差動(dòng)回路差流在合格范圍內(nèi)，主變高壓側(cè)電流折算后和低壓側(cè)出線電流和基本吻合，該變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作故障得到圓滿處理。

［1］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［2］國(guó)家電力調(diào)度中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)典型故障分析 ［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

［3］陳曾田.電力變壓器保護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1989.