100MW電廠變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作原因分析

王 野 姜萬(wàn)東 沈克明 羅吉澤 遲玉國(guó)

（1. 麗水學(xué)院電子與電工技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 麗水 323000；2. 江蘇國(guó)網(wǎng)自控科技股份有限公司，江蘇 昆山 215311）

1 故障概述

某100MW電廠廠級(jí)10kV/0.4kV變壓器在低壓側(cè)#1饋出線發(fā)生三相短路故障時(shí)，變壓器微機(jī)保護(hù)裝置比率差動(dòng)保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，致使該變壓器低壓側(cè)全部負(fù)荷停電。造成廠變低壓側(cè)的兩臺(tái)油泵電機(jī)跳閘停機(jī)，輸送兩臺(tái) 100MW 機(jī)組燃油供油停止，最終導(dǎo)致 100MW 機(jī)組停機(jī)。電廠比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作記錄情況見(jiàn)表1，100MW電廠變壓器比率差動(dòng)保護(hù)一次主接線如圖1所示。

表1 100MW電廠變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流記錄

現(xiàn)場(chǎng)差動(dòng)速斷保護(hù)裝置設(shè)置的參數(shù)及定值見(jiàn)表2。

圖1 100MW電廠變壓器差動(dòng)保護(hù)主接線圖

表2 差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作設(shè)定參數(shù)值

（續(xù)）

2 故障情況初步分析

作為變壓器差動(dòng)保護(hù)，低壓側(cè)饋出線故障屬于區(qū)外穿越性故障，比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作屬于誤動(dòng)作。該微機(jī)保護(hù)裝置比率差動(dòng)保護(hù)采用三折線比率差動(dòng)原理[1]，動(dòng)作區(qū)如圖2所示。

式中，Ih、Il分別為變壓器高壓側(cè)、低壓側(cè)電流互感器二次側(cè)電流（根據(jù)變壓器接線方式矯正后的等效電流）。兩側(cè)電流互感器均按 Y型接線，且指向變壓器，通過(guò)整定低壓側(cè)平衡系數(shù)（kp）、接線方式，裝置可自動(dòng)調(diào)節(jié)兩側(cè)電流幅值，相位。

圖2 比率差動(dòng)動(dòng)作曲線

比率差動(dòng)保護(hù)能保證外部短路不動(dòng)作，內(nèi)部故障時(shí)有較高的靈敏度。

根據(jù)裝置的動(dòng)作記錄與式（1）和式（2），計(jì)算制動(dòng)電流：

IresA=0.84A，IresB=8.5A，IresC=5.68A

從A相電流分析，制動(dòng)電流IresA小于制動(dòng)拐點(diǎn)Ikp1（見(jiàn)設(shè)定參數(shù)表），差動(dòng)電流IdifA=7.04A，大于比率差動(dòng)門檻電流Iopmin（見(jiàn)設(shè)定參數(shù)表），滿足動(dòng)作方程條件，比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

作為變壓器穿越性故障，從動(dòng)作的記錄值來(lái)看，變壓器的高壓側(cè)故障電流明顯很小，接近于 0。而作為單電源供電網(wǎng)絡(luò)，變壓器低壓側(cè)的饋出線發(fā)生故障，而電源側(cè)電流理論上不可能很小，那么很有可能是微機(jī)保護(hù)交流采樣異?；蜃儔浩鞲邏簜?cè) CT飽和造成。故障后對(duì)微機(jī)保護(hù)進(jìn)行了校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)的交流采樣數(shù)據(jù)正常。

從上面的分析可以初步斷定，可能是由于保護(hù)裝置的電流變送器或電流互感器的暫態(tài)飽和，造成高壓側(cè)電流計(jì)算偏小，導(dǎo)致的微機(jī)比率差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

3 故障分析

對(duì)于差動(dòng)保護(hù)來(lái)說(shuō)，與外部 CT的配合是至關(guān)重要的。由于短路時(shí)非周期分量的影響，即使短路電流不大，也可能產(chǎn)生嚴(yán)重的暫態(tài)飽和而形成很大的誤差，即使兩側(cè)CT特性相同，但如果剩磁不同，也可能飽和程度差別很大。因此不難解釋，動(dòng)作報(bào)告中，高壓側(cè)電流近似為 0，而低壓側(cè)電流很大的原因。

從保護(hù)裝置的動(dòng)作記錄上可以看出，低壓側(cè)的B相電流明顯大于 A，C兩相電流（IAl=11.04A，IBl=26.69A，ICl=15.74A）。根據(jù)短路理論，非周期分量在三相中有一相最大，而另外兩相較小，這就可以合理的解釋了為什么A，C電流明顯小于B相電流。從高壓側(cè)電流來(lái)看，高壓側(cè)非周期分量引起了CT暫態(tài)飽和，輸出電流為 0（或很?。?，引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

對(duì)于非周期分量體現(xiàn)為直流分量和豐富的低頻分量，對(duì)于P級(jí)電流互感器，其傳變直流能力很差。因而，直流則傳變?yōu)閯?lì)磁電流，而引起電流互感器的飽和。飽和程度不同，對(duì)保護(hù)的影響也不同。對(duì)于輕微飽和，在短路瞬間不致馬上飽和，而在一個(gè)周波后波形有所畸變，但是由于非周期分量的衰減，影響也越來(lái)越小。對(duì)于快速保護(hù)（1～2周波內(nèi)動(dòng)作），影響不大，而對(duì)于帶有延時(shí)的保護(hù)，由于非周期分量的衰減為0，也不會(huì)有太大影響。

對(duì)于比較嚴(yán)重的暫態(tài)飽和，體現(xiàn)在第一個(gè)半波內(nèi)就出現(xiàn)飽和情況。這對(duì)快速保護(hù)相當(dāng)不利（利用1/4周波保護(hù)除外）。由于飽和后二次電流迅速的減小到幾乎為 0，對(duì)于半波傅氏算法將導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果。如果兩側(cè)的 CT抗飽和能力有所差別，那么將導(dǎo)致比率差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

圖3 非周期分量導(dǎo)致CT嚴(yán)重飽和時(shí)二次電流波形圖

從圖3可以看到非周期分量導(dǎo)致CT嚴(yán)重飽和時(shí)二次電流波形圖[2]，嚴(yán)重的暫態(tài)飽和引起了二次電流輸出有半個(gè)多周波小電流輸出。如果采用半波傅氏算法，當(dāng)另一側(cè)保護(hù) CT沒(méi)有飽和時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一側(cè)電流為0（或很小），而另一側(cè)電流較大，引起比率差動(dòng)或者差動(dòng)速斷誤動(dòng)作。即使采用全波算法，也很難防止誤動(dòng)作。

考慮半波和全波傅氏算法對(duì)衰減直流分量的濾除情況，施加一信號(hào)x(t)，對(duì)于變壓器附近短路故障，由于變壓器的電抗較大，因此引起的非周期分量衰減時(shí)間較長(zhǎng)，暫定為兩個(gè)周波，即40ms。

采用全波傅氏算法[3]，輸出的x(t)基波有效值為6.941，則計(jì)算誤差為。衰減直流分量已經(jīng)對(duì)全波傅氏算法的輸出造成一比較大的誤差。該情況為穩(wěn)態(tài)情況分析，如果在暫態(tài)情況下，可能造成的誤差更為嚴(yán)重。

而采用半波傅氏算法[3]，輸出的x(t)基波有效值為9.752，則計(jì)算誤差為。半波傅氏算法在短路開(kāi)始的半個(gè)周波內(nèi)由于衰減直流分量所造成的誤差達(dá)到30%以上，因此可以看出在這種情況下，半波算法不適合用在直流分量很嚴(yán)重的場(chǎng)合。當(dāng)然，如果對(duì)于嚴(yán)重的區(qū)內(nèi)故障，這樣情況下可以加快動(dòng)作時(shí)間，但對(duì)于差動(dòng)類型的保護(hù)，如果在非周期分量作用下，CT兩側(cè)特性有差別時(shí)，很可能導(dǎo)致區(qū)外誤動(dòng)（近端故障）。

由此可以看出，全波傅氏算法對(duì)于衰減直流分量的抑制能力較差，而半波傅氏算法抑制非周期分量的能力被削弱了。

4 解決分析辦法

針對(duì)故障情況的初步分析，擬嘗試以下措施預(yù)防今后類似誤動(dòng)問(wèn)題，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

1）增加判斷時(shí)間來(lái)避免誤動(dòng)作。對(duì)于 110kV以下系統(tǒng)，一般非周期衰減時(shí)間常數(shù)都小于60ms，但對(duì)于變壓器或發(fā)電機(jī)出口處發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，衰減時(shí)間將加長(zhǎng)。為避免 CT暫態(tài)飽和而引起誤動(dòng)，可放慢比率差動(dòng)保護(hù)速度到 60ms以上，而差動(dòng)速斷應(yīng)在定值上考慮上面問(wèn)題，且動(dòng)作速度也不應(yīng)太快。

2）差動(dòng)保護(hù)用CT應(yīng)滿足抗飽和措施，可參照差動(dòng)保護(hù)抗電流互感器飽和措施[2]，差動(dòng)保護(hù)一般配的CT為TPY型。

3）軟件上盡量采用全波傅立葉算法，采用差分與傅立葉算法相結(jié)合。

5 結(jié)論

根據(jù)某 100MW 電廠變壓器微機(jī)差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)作導(dǎo)致的兩臺(tái) 100MW 機(jī)組停機(jī)，對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行了以下整改措施：

1）采用全波傅里葉算法配合前級(jí)差分輸入。

2）增加了對(duì)故障判別的次數(shù)，防止由于CT暫態(tài)飽和而導(dǎo)致一次電流很小，而另一側(cè)電流很大，而引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

經(jīng)過(guò)對(duì)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行了升級(jí)，重新投入生產(chǎn)使用后，至發(fā)稿期間再無(wú)此類誤動(dòng)作。這次誤動(dòng)作分析和問(wèn)題處理，也為今后微機(jī)保護(hù)在可靠性設(shè)計(jì)和軟件檢測(cè)硬件上提供一些值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 王維儉. 電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理及應(yīng)用[M]. 北京:中國(guó)電力出版社, 2002: 56-58.

[2] 袁季修, 盛和樂(lè), 吳聚業(yè). 保護(hù)用電流互感器應(yīng)用指南[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2004: 4-94.

[3] 李艷紅, 譚惠尹. 淺談全波傅里葉算法與半波傅里葉算法[J]. 電子世界, 2012(13): 97-98.