一起220 kV主變壓器保護(hù)裝置發(fā)TV異常告警的原因分析

張巍，周國鵬，汪洋，倪浩，鐘著輝

(1.湖北科技學(xué)院 a.電子與信息工程學(xué)院；b.工程技術(shù)研究院，湖北 咸寧 437000； 2.國網(wǎng)常德供電公司，湖南 常德 415000)

0 引言

由于受到一次設(shè)備的影響，二次電壓往往包含三次諧波，引起電壓波形畸變和開口三角電壓升高，造成變電站內(nèi)誤發(fā)接地信號(hào)、無功測(cè)量不準(zhǔn)確、錄波頻繁啟動(dòng)、方向元件不正確動(dòng)作等諸多問題[1-3]。為保證主變壓器(以下簡(jiǎn)稱主變)保護(hù)裝置正確、可靠動(dòng)作，其接入的二次電壓必須真實(shí)反映一次系統(tǒng)電壓變化情況，防止保護(hù)裝置誤跳或拒跳，進(jìn)而造成系統(tǒng)事故、損失大量用電負(fù)荷[4-5]。

一般情況下，保護(hù)裝置都有一定的電壓異常檢測(cè)能力和零(N)線斷線檢測(cè)功能。電壓異常往往都是由電壓互感器(TV)的一/二次保險(xiǎn)熔斷、二次回路虛接或錯(cuò)誤等造成的[6-7]，因二次電壓本身存在波形畸變而引發(fā)個(gè)別保護(hù)裝置TV告警的情況較少見。本文以一起220 kV主變保護(hù)裝置發(fā)TV異常告警為例進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。

1 事件狀況

某220 kV變電站位于湖南西北地區(qū)，承擔(dān)著常德德山國家經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)工業(yè)用電的重任。為了適應(yīng)該地區(qū)供電容量猛增和更新站內(nèi)老舊保護(hù)設(shè)備的需要，根據(jù)《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》要求，對(duì)該站原#1主變保護(hù)裝置進(jìn)行技術(shù)改造，保護(hù)裝置型號(hào)見表1，主接線圖如圖1所示：220，110 kV雙母線接線； 10 kV單母線分段接線；#1主變610斷路器，510斷路器和310斷路器三側(cè)分別為220，110，10 kV I段母線供電。#1主變與110 kV側(cè)TV主要銘牌信息見表2，其中Y代表星形，d代表三角形。

表1 主變保護(hù)裝置更換Tab.1 Replacement of transformer protection

圖1 變電站主接線圖Fig.1 Main wiring of substation

表2 #1主變和10 kV側(cè)TV銘牌主要信息Tab.2 Main information of nameplate of No.1 main trans-former and 10 kV side TV

投運(yùn)后，#1主變A套保護(hù)頻發(fā)10 kV低壓側(cè)TV異常告警信號(hào)，B套保護(hù)正常。通過帶負(fù)荷檢查,得到A套保護(hù)10 kV二次電壓，見表3。

表3 A套保護(hù)10 kV二次電壓Tab.3 Secondary voltage of 10 kV A protection

表3中的電壓幅值及相位均正常，查看保護(hù)裝置顯示電壓與實(shí)測(cè)值一致。A，B保護(hù)裝置電壓均取自10 kV電壓并列屏的同一組電壓，測(cè)量可知B套保護(hù)電壓、10 kV電壓并列屏電壓均與A套保護(hù)一致,分析得出A套保護(hù)電壓異常告警并非由外部電壓引起。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查

通過查閱PCS978變壓器成套保護(hù)裝置技術(shù)和使用說明書可得到，引起保護(hù)裝置報(bào)TV異常有以下3種情況：

(1)正序電壓小于30.0 V，且任一相電流大于0.04倍的額定電流(In)或開關(guān)在合位狀態(tài)；

(2)負(fù)序電壓大于8.0 V；

(3)相電壓中的三次諧波分量超過工頻分量的10%，TV的N相異常。

滿足上述任一條件且保護(hù)裝置未啟動(dòng)時(shí)，延時(shí)1.25 s報(bào)該側(cè)母線TV異常，并閉鎖與電壓有關(guān)的保護(hù)。

從表3可得出前2個(gè)條件均不符合，且B套裝置未告警，因此A套保護(hù)發(fā)電壓異常與前2種情況無關(guān)。

測(cè)量得到TV并列柜10 kVⅠ段開口側(cè)的零序電壓為9.0 V，頻率顯示為150 Hz，表明開口側(cè)電壓是三次諧波電壓。將該電壓接入錄波器分析波形，測(cè)試結(jié)果見表4，其中3U0為TV開口三角零序電壓。

表4 三相電壓測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of three-phase voltage V

從表4中得出10 kV各相電壓中均包含5 V左右的三次諧波。以A相電壓為例，三次諧波含有率(即HR3)如圖2所示。

由圖2得到，HR3為10.54%(即>10%)，根據(jù)PCS978說明書可以判斷，TV異常報(bào)警是由二次電壓本身包含的三次諧波所造成。

3 原因分析

二次電壓包含三次諧波最直接的原因是非線性用電負(fù)荷的存在，其反饋到電力系統(tǒng)中使一次系統(tǒng)電壓本身包含有三次諧波。但由于變電站變壓器采用YN/YN/d11接線，來自電網(wǎng)用戶側(cè)的三次諧波電流經(jīng)低壓側(cè)三角繞組形成閉合回路，不能傳遞到二次側(cè)。經(jīng)查本站各10 kV出線均無諧波源，因此二次側(cè)三次諧波來自電網(wǎng)的可能性基本排除。而TV勵(lì)磁的非線性或二次回路也可能使二次電壓帶有三次諧波。

3.1 勵(lì)磁電流構(gòu)成

電磁型TV與變壓器結(jié)構(gòu)類似，由帶有鐵心的繞組構(gòu)成。由于鐵心具有非線性伏安特性，當(dāng)一次繞組接入電壓所產(chǎn)生的磁通超過飽和點(diǎn)時(shí)，繞組中的勵(lì)磁電流Im為尖頂波，如圖3所示。將尖頂波Im分解，可得基波和高次諧波。高次諧波中以三次諧波的含量最高，因此TV勵(lì)磁電流中必定包含有三次諧波分量，諧波含量的大小與變壓器的鐵心材料、磁通密度、結(jié)構(gòu)和使用條件等因素有關(guān)，取決于鐵心的飽和程度。

圖2 原電壓測(cè)試結(jié)果Fig.2 Resuilts of voltage test

圖3 TV勵(lì)磁電流組成Fig.3 Composition of TV exciting current

3.2 分析原因

為了消除諧振，目前非有效接地系統(tǒng)常采取在TV一次中性點(diǎn)接入消諧器[8]。如圖4所示，裝置內(nèi)小PT為保護(hù)裝置內(nèi)電壓轉(zhuǎn)換裝置，可將TV取得的二次電壓轉(zhuǎn)換成微機(jī)保護(hù)裝置的硬件電路能夠采集處理的低電壓；PTC為正溫度系數(shù)熱敏電阻；U2A，U2B，U2C分別為TV的二次繞組的三相電壓；U3A，U3B，U3C分別為裝置內(nèi)經(jīng)小TV電壓變換后的三相電壓；iAm，iBm，iCm分別為流過TV一次繞組的三相勵(lì)磁電流。

圖4 TV二次接線圖Fig.4 Circuit diagram of Voltage transformer

變壓器正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)引入消諧器對(duì)二次零序電壓帶來一定影響。當(dāng)星形接線的TV接入三相對(duì)稱電壓時(shí)，流過中性點(diǎn)消諧器的電流3i0為三相勵(lì)磁電流相量和，即

3i0=iAm+iBm+iCm。

(1)

勵(lì)磁電流包含基波和高次諧波(以三次諧波為主)。對(duì)基波和三次諧波各自獨(dú)立分析，若三相TV的勵(lì)磁特性完全相同，則各相基波的幅值相同，相位相差120°，流過中性點(diǎn)的基波電流

3i01=IAm1∠0°+IBm1∠-120°+ICm1∠120°，

(2)

式中：IAm1，IBm1，ICm1分別為三相基波電流有效值。

而勵(lì)磁電流中三次諧波相位相同，故流過中性點(diǎn)的三次諧波電流

3i03=IAm3∠0°+IBm3∠-360°+

ICm3∠360°=3Im3，

(3)

式中：IAm3，IBm3，ICm3分別為三相三次諧波電流有效值。

設(shè)消諧器電阻為R，則其兩端電壓

(4)

消諧器兩端電壓由TV三相勵(lì)磁電流的基波分量和諧波分量(三次諧波)之和在其電阻上產(chǎn)生的電壓降組成。當(dāng)三相勵(lì)磁電流大小不相等時(shí)，其電壓包含有基波和諧波，若三相TV的伏安特性完全相同，則基波電壓為0 V，但仍有三次諧波電流通過消諧器，進(jìn)而產(chǎn)生三次諧波電壓U0，該電壓使中性點(diǎn)電位偏移，疊加到一次繞組上傳變到二次側(cè)，從而在二次產(chǎn)生三次諧波零序電壓[9]。

4 解決對(duì)策

檢查保護(hù)裝置端子排至TV二次回路及接線，確認(rèn)N線導(dǎo)通及接地良好，可排除二次N線斷線問題。臨時(shí)短接中性點(diǎn)消諧器后，測(cè)量二次電壓見表5。HR3遠(yuǎn)低于10%，如圖5所示，保護(hù)裝置TV不告警，因此確認(rèn)中性點(diǎn)消諧器是導(dǎo)致二次電壓失真的原因。

表5 短接消諧器后三相電壓測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.5 Three-phase voltage test data after short vibration absorber V

圖5 短接消諧器后的電壓測(cè)試結(jié)果Fig.5 Results of voltage test after short vibration absorber

由于中性點(diǎn)消諧器是防止TV電壓諧振、保護(hù)TV的主要措施，不宜短接，可采取下列措施來減小其對(duì)二次電壓的影響。

(1)更換TV。選用勵(lì)磁特性好的TV，減小其三次諧波勵(lì)磁電流分量。

(2)更換高品質(zhì)消諧器。消諧器本質(zhì)是一個(gè)非線性電阻器，勵(lì)磁電流在其兩端產(chǎn)生的電壓與其電阻值成正比，因此篩選常態(tài)電阻相對(duì)較小的消諧器，可減少其影響。

(3)在二次開口電壓側(cè)，接入PTC電阻(如圖4所示)。正常時(shí)，PTC阻值較小，相當(dāng)于短接開口繞組，使二次側(cè)三次諧波電壓被吸收，當(dāng)一次接地時(shí)，開口繞組兩端電壓升高，流過PTC電阻的電流急劇增大，PTC電阻發(fā)熱，電阻迅速增大，對(duì)高電壓呈現(xiàn)高阻抗，防止接地故障時(shí)開口被短路，并保證接地監(jiān)視裝置能可靠動(dòng)作，PTC電阻值可選15 Ω左右[10]。

本例實(shí)際采取的處理措施是更換另一種型號(hào)的中性點(diǎn)消諧器，更換后實(shí)測(cè)開口電壓由9.0 V下降到4.5 V，電壓三次諧波含量下降到基波的4%。保護(hù)裝置不再發(fā)TV告警。

5 結(jié)論

部分新型保護(hù)裝置引入TV電壓N線斷開自動(dòng)判別功能，有助于裝置自動(dòng)發(fā)現(xiàn)電壓回路問題，但本事件表明，N線斷線并不是保護(hù)裝置發(fā)TV異常告警的唯一原因，中性點(diǎn)接消諧器也會(huì)造成三次諧波超標(biāo)報(bào)警，應(yīng)引起繼電保護(hù)自動(dòng)化運(yùn)維等相關(guān)專業(yè)的高度重視。

針對(duì)三次諧波引起TV異常告警的情況，應(yīng)該根據(jù)具體情況進(jìn)行解決，通常的辦法有接入PTC電阻、更換高品質(zhì)消諧器或抗飽和程度好的TV，并加強(qiáng)主變保護(hù)裝置日常巡視維護(hù)工作。