關于600MW機組變壓器差動保護動作原因的探討

郭爽

摘要：某600MW機組C級檢修后起勵升壓過程中，由于變壓器勵磁涌流的存在導致高廠變保護動作跳閘，針對此次事故就繼電保護動作情況及引起保護動作的原因進行分析，并為以后避免此類異常發(fā)生提出了防范措施和整改意見。關鍵詞：差動保護;勵磁涌流;原因分析

中圖分類號：TM77

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）01-0041-04

0引言

繼電保護是電力系統(tǒng)的重要組成部分，保護正確動作是保證機組及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要技術手段。差動保護是用來切除變壓器繞組、套管及引出線上的故障的主保護。當變壓器發(fā)生正常勵磁涌流時變壓器差動保護應有躲過勵磁涌流的功能。但當變壓器由于某種原因?qū)е妈F芯內(nèi)剩磁過大引起快速起勵升壓時勵磁電流增大（但不超過額定電流），衰減時間延長，已不屬于正常的勵磁涌流。超過勵磁涌流檢測時間，此時若滿足差動定值，無論二次諧波分量是否滿足閉鎖定值，保護均會動作跳閘。[1]下面就某廠起機時發(fā)生的保護動作事件進行分析闡述。

1事故經(jīng)過

1號機組正常運行，有功負荷600MW，無功負荷90MVar，2號機出口500kV開關5022、5023在分閘位置，2號機定速3000r/min，滅磁開關合位，在某年某月某日10時39分，運行人員在DCS畫面點起勵按鈕進行發(fā)電機自動升壓。5s后發(fā)變組保護A、B柜保護動作光字牌聲光報警，滅磁開關跳閘，汽輪機跳閘。檢修人員迅速到6.9m保護繼電器室進行檢查，發(fā)現(xiàn)2號機高廠變雙套差動保護C相動作信號燈亮，發(fā)變組故障錄波器起動，記錄A、B柜廠變差動保護動作。（見表1、表2、表3）

2原因分析2.1發(fā)變組保護動作分析

查看發(fā)變組保護事件記錄，自起勵至發(fā)變組保護跳閘時間，剛過5S，跳閘時高廠變差動保護C相差動電流為0.3IN（折算至一次值為495.75A，達到保護定值），二次諧波分量為54.3%。根據(jù)變壓器保護邏輯，上電時如果電流二次諧波分量大于15%，判斷為勵磁涌流，閉鎖差動保護5s，5s后開放保護出口。同時發(fā)現(xiàn)文件中有發(fā)變組差動保護，主變差動保護，高廠變差動保護數(shù)次勵磁涌流檢測記錄。[2]當起勵建壓后，大約在6s左右，高廠變首先達到差動保護定值，盡管二次諧波大于制動定值，這時保護裝置勵磁涌流檢測制動功能已退出（Inrushtime定義為變壓器上電或外部故障切除后恢復電壓時，勵磁涌流檢測功能起作用的時間，整定值為5s），保護不再受二次諧波制動，瞬時動作跳閘，保護動作。[3]

二次諧波制動原理：利用差動電流中的二次諧波分量電流作為制動量，區(qū)分差流是內(nèi)部短路故障的短路電流還是勵磁涌流，實現(xiàn)勵磁涌流閉鎖。二次諧波制動比來衡量二次諧波電流的制動能力。[4]二次諧波制動比用二次諧波與基波分量的比值來表示，用于檢測勵磁涌流。一般整定為15%，當檢測到勵磁涌流中的二次諧波比大于15%時將保護制動，此功能僅激活5s，5s后保護開放。因正常的勵磁涌流往往出現(xiàn)在合閘瞬間，且這種沖擊電流存在的時間很短，保護閉鎖5s已足夠躲過勵磁涌流。[5]

該廠高廠變保護根據(jù)反措要求進行雙重化配置，采用雙套瑞士ABB生產(chǎn)的RET316*4型保護裝置，分別設置在發(fā)變組A、B柜中，兩套保護的交流電流、電壓回路，直流電源彼此獨立，分別取自不同的互感器及取自不同蓄電池組供電的直流母線段，且沒有任何電氣聯(lián)系?；究梢耘懦Ｗo裝置異常的可能性。

故障錄波器記錄故障時高廠變高壓側(cè)A、B、C相電流分別為0.132A（一次值330A）、0.105A（一次值262.5A）、0.195A（一次值487.5A），而低壓側(cè)無電流，由此驗證高廠變高低壓側(cè)的差動電流為496A，與發(fā)變組保護記錄數(shù)據(jù)相吻合，保護屬正確動作。2.2保護動作時發(fā)電機電流去向分析

保護動作時，發(fā)變組檢測到發(fā)電機電流值最大達到7121A，勵磁變高壓側(cè)電流為130A，高廠變高側(cè)電流為496A，由于主變低壓側(cè)電流及脫硫變高壓側(cè)電流沒有引入故障錄波器，可根據(jù)計算算出發(fā)電機流向主變及脫硫變的電流之和為6494A（=7121-130-496）。主變差動保護動作定值0.3IN，折算至一次值為6495A（=0.3×0.5×25000×1.732），脫硫變差動保護動作定值0.3IN，折算至一次值為126A（=0.3×0.7×600），可計算出6495+126=6621A>6494A，主變差動與脫硫變差動保護均未達到保護動作值。

2.3勵磁涌流產(chǎn)生的原因

正常起勵升壓，各變壓器鐵芯建立穩(wěn)態(tài)磁通，變壓器二次繞組空載，一次繞組中只流過很小的勵磁電流。當發(fā)電機起勵升壓，一側(cè)繞組受到外加電壓劇增時，基于磁鏈守恒定律，該繞組在磁路中產(chǎn)生單極性偏磁，若偏磁極性恰好與原來剩磁極性相同，同時變壓器鐵芯中已經(jīng)存在很大剩磁時，就可能因偏磁與剩磁和穩(wěn)態(tài)磁通疊加，導致鐵芯磁路極度飽和，從而大幅度降低變壓器勵磁電抗，引起勵磁涌流。[6]勵磁電流與磁通關系由磁化特性來決定，勵磁涌流的大小與鐵芯材料、合閘瞬間鐵芯剩磁，附加電壓的幅值和相位有關。[7]

起勵建壓開始到保護跳閘期間，錄波圖中分析出發(fā)電機機端電壓、電流，主變高側(cè)電壓，高廠變高側(cè)電流、勵磁變高側(cè)電流均有很大成分的二次諧波，且只存在于變壓器的一側(cè)，在同一時刻三相涌流之和近似于0，符合勵磁涌流的特征。如圖1所示，由高廠變高壓側(cè)電流波形可看出，三相電流均偏于時間軸的一側(cè)，存在很大的間斷角，且符合大于60o間斷角的涌流特點。

2.4本次起機異常狀態(tài)分析

與發(fā)電機連接的其它變壓器的繞組中為何也會出現(xiàn)電流呢？由于該廠發(fā)電機出口為單元接線方式，主變、高廠變、勵磁變、脫硫變均為封閉母線直接連接，當一臺變壓器發(fā)生勵磁涌流，一段時間后引起電流劇增的變壓器通過磁鏈的的相互耦合，會使封閉公共母線上的電壓產(chǎn)生非周期的波動，從而使與之并列連接的變壓器產(chǎn)生和應涌流，導致發(fā)電機發(fā)出7000多安培的電流，流向各變壓器有源側(cè)的繞組內(nèi)。而和應涌流特點是隨時間逐步增大隨后又不斷衰減的，持續(xù)時間長，波形特征不是很明顯，遠遠不如勵磁涌流幅值大，增長速度快。因此從主變、脫硫變檢測出的電流可以看出，不等和應涌流電流增大到保護動作值，剩磁嚴重的變壓器差動保護就已首先動作了。

發(fā)電機正常軟起勵升壓時的勵磁電流為1500A左右，而此次故障時勵磁電流最大達到2670A，勵磁調(diào)節(jié)器通過調(diào)整發(fā)電機勵磁電流來調(diào)整發(fā)電機機端電壓。由于故障電流的存在，導致機端電壓建立不起來，引起勵磁電流輸出增大。[8]

另外，在正常情況下，空載變壓器的勵磁涌流曲線具有明顯的波頭特征，然后逐漸衰減，而本次涌流的波形與變壓器正常涌流波形有明顯不同。變壓器帶電并不是系統(tǒng)全電壓沖擊，而是由發(fā)電機帶變壓器自動升壓產(chǎn)生的類似勵磁涌流的涌流，且電流并沒有達到6～8倍的額定電流，該電流持續(xù)時間已遠遠大于勵磁涌流的持續(xù)時間。此次異常情況有待研究。

檢查一次及二次回路無異常后，進行零起升壓試驗，手動緩慢升壓，并等待幾分鐘，直至升到機端額定電壓，再反方向?qū)㈦妷壕徛抵?。此過程已將變壓器鐵芯內(nèi)剩余的磁通完全消除掉。因此，再次將AVR改為自動升壓時，7s后發(fā)電機建壓到額定值，所有設備運行正常。

2.5并網(wǎng)前出現(xiàn)較大定子電流原因

變壓器檢修期間曾經(jīng)做過相應的電氣一次直流耐壓試驗，若沒有進行去磁或去磁不完全，致使變壓器鐵芯存在比較嚴重的剩磁，這種剩磁不會自動消失，剩磁和起機升壓建立的發(fā)電機勵磁進行疊加，導致鐵芯勵磁在磁場方向一致的半波飽和，另一半波不飽和，動態(tài)地改變等效電路電感參數(shù)，變壓器工作磁密不斷升高直到飽和，鐵損急劇增加，漏磁增強也會在鐵芯表面和其他磁性材料中引起渦流損耗，導致發(fā)電機定子電流增加。在此情況下，若沒有保護動作，運行人員及時發(fā)現(xiàn)進行滅磁，不需處理，再次升壓即可恢復正常。[9]

3采取防范措施

3.1修改勵磁調(diào)節(jié)器自動升壓時間

發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器自動升壓時間最長可設置為60s，該廠軟起勵時間設為7s，根據(jù)機組容量適當放長該時間，可避免升壓速度過快導致變壓器鐵芯中剩磁無法迅速消除。

3.2注意升壓操作

發(fā)電機轉(zhuǎn)速定速后，進行升壓操作時，運行人員應注意：

（1）手動升壓應緩慢進行，使定子電壓緩慢上升。

（2）升壓過程中，時刻監(jiān)視轉(zhuǎn)子電壓、勵磁電流和定子電壓表指示是否均勻上升。定子電流應為零，若發(fā)現(xiàn)有電流，應立即切除勵磁，進行檢查定子回路是否有故障點。

3.3進行零起升壓試驗

建議每次機組檢修后，進行零起升壓試驗，使變壓器中的剩磁得以消除。

4結束語

利用二次諧波制動原理躲過變壓器正?？蛰d合閘或外部故障切除后電壓恢復時出現(xiàn)的勵磁涌流的成熟技術，已在實際工程中得到應用。但針對此類類似勵磁涌流的情況，利用“躲避”策略并不是有效的方法。因此，需要我們在運行維護中將可能產(chǎn)生變壓器剩磁的因素消除，避免事故的再次發(fā)生，為機組電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行創(chuàng)作良好的環(huán)境。

參考文獻

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