500 kV變壓器零序差動保護極性校驗方法研究及現場試驗

游 力，熊 平，李震宇，劉翼平

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

零序差動保護主要應用在220 kV 及以上電壓等級的大型變壓器及換流變上［1-3］，在此類變壓器中，一般由三個單相變壓器組成三相變壓器組，變壓器內部發(fā)生相間短路可能性較小，以單相接地和匝間短路為主要的內部故障形式［4-6］。在變壓器繞組靠近中性點處單相接地故障時，零序差動保護有著靈敏度高的特點［7］，其主要應用于變壓器高壓側繞組發(fā)生單相接地故障時，且在縱差保護靈敏度不夠的情況下，同時對匝間短路故障也有一定的靈敏性［8］。和縱差保護不同，零序差動保護使用的電流量之間沒有電磁耦合關系，不受變壓器勵磁涌流的影響，不需要經勵磁涌流閉鎖元件閉鎖，因此零序差動保護對變壓器的安全具有重要意義。

但在實際運行中，變壓器零序差動保護誤動較多［9-10］，在常見的事故事件中，絕大部分是因CT 極性錯誤而導致保護誤動。原因有以下三點：1）在安裝過程中，由于人員未按照設計原理圖施工，導致零差CT一次或二次極性安裝錯誤［11-13］；2）在保護調試過程中，由于實際模擬單相接地故障較為困難，調試人員無法通過常規(guī)手段校驗其極性的正確性；3）在變壓器運行投產后，正常運行時高壓側零序電流很小，運維人員無法有效檢測零序電流極性［14］。因此，如何在現場便捷、準確、有效地校驗變壓器零序差動保護的極性便成為發(fā)揮其優(yōu)勢的重點和難點［15］。

本文針對上述問題提出了三種極性校驗的方法：單相接地短路法、勵磁涌流法及一次通流法，并分別介紹了這三種方法的原理、步驟及特點，最后通過試驗驗證了這三種方法的可行性。

1 零序差動保護原理及事故案例

1.1 保護原理

在保護配置原則中，零序差動所用電流互感器高、中壓側都以母線側為同極性端，而中性點零序電流則以主變側為同極性端，典型的配置如圖1所示［16］。

圖1 大型變壓器零序差動保護極性典型配置圖Fig.1 Typical configuration diagram of zero-sequence differential protection for power transformer

動作方程如下

式中：I01、I02為高壓側自產零序電流，I0n為中性點外接零序電流，I0cdqd為零序差動啟動定值，I0d為零序差電流，I0r為零序差動制動電流，K0bl為零序差動比率制動系數整定值。典型的動作曲線如圖2 所示［17-18］（其中啟動值0.3Ie，比率制動系統(tǒng)0.5［19］）。

圖2 零序差動保護動作特性Fig.2 Characteristic curve of zero-sequence differential protection

當發(fā)生區(qū)外故障時，故障電流流過變壓器高壓側繞組及高壓側CT，經區(qū)外故障點后由中性點CT 回流至變壓器，分別產生兩個方向相同的零序電流，I0d=|I˙01+ I˙02+I˙0n|=0 其相量之和為零，保護不動作。當變壓器高壓側或中壓側發(fā)生區(qū)內接地故障時，故障電流通過變壓器中性點至繞組流至故障點，同時電力系統(tǒng)通過變壓器高壓側引線提供短路電流至故障點，按實際CT 極性在中性點和引線就分別產生兩個方向相反的零序電流，I0d=|I˙01|+|I˙02|+|I˙0n|＞I0r，差動電流如超過動作啟動值，保護可靠動作。

1.2 極性錯誤時的保護動作特性及相關事故案例

實際當零序CT極性安裝錯誤時，會導致保護動作特性發(fā)生變化，當發(fā)生區(qū)外故障時，I0d=|I˙01+I˙02|+|I˙0n|＞I0r，差動電流大于制動電流，一旦差動電流超過動作啟動值，且I0d＞K0bl× I0r時，保護出口誤動作，造成變壓器區(qū)外故障下的全停甚至機組停機，下面以某起事故案例進行說明。

2019 年2 月，某500 kV 線路C 相發(fā)生單相接地故障且重合不成功。線路故障期間，某電廠1 號主變壓器保護的兩套主變零差保護同時動作，主變高壓側開關跳閘，機組停機［20］。

事故直接原因是由于主變零序差動保護兩側電流極性不一致，導致本次區(qū)外故障時主變零序差流反而達到定值，保護動作。

該主變零差保護取主變高壓側后備CT 和主變繞組CT 計算零序差流，在配置圖中，設計單位僅標明主變高壓側后備CT 一次極性，未標明主變繞組CT 一次極性。查主變本體銘牌和變壓器廠家設計資料，主變高壓側后備CT 與主變繞組CT 的安裝方向均為P1 端朝向變壓器的反方向。通過檢查二次回路發(fā)現，零差保護CT 的二次接線設計與零差保護“零度接線”的邏輯功能要求不匹配，區(qū)外故障時產生零序差流導致保護誤動。

2 現場校驗方法

2.1 高壓側單相接地短路法

該方法的主要原理是利用發(fā)變組并網前的系統(tǒng)狀態(tài)，將保護區(qū)外的高壓側的某一相接地刀閘臨時接地，然后投入發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，小幅度增加勵磁電流，在主變高壓側實際產生一個較小的零序電流分量，然后通過保護裝置的錄波功能查看變壓器零序差動電流是否正確反映故障類型，校驗現場保護CT 極性是否正確［21］。判別的依據為：由于該方法模擬的為區(qū)外故障，主變高壓側自產零序電流和中性點零序電流的相位應一致，校正后的零序電流差流應為零。

其特點有：1）適用于發(fā)電廠內，試驗時需要將主變高壓側電壓逐步增加至較小值，因此該方法的應用場合僅限于發(fā)電廠內；2）校驗結果準確、直觀，通過模擬實際的高壓側單相接地短路故障，可利用保護裝置及故障錄波裝置實時監(jiān)測電流相位關系，以保證其極性校驗的準確性［22］；3）不影響電網安全運行，由于機組處于未并網狀態(tài)，該方案更易得到調度部門的批準。

2.2 勵磁涌流法[23-24]

在大型變壓器空載合閘瞬間，由于變壓器鐵心飽和會引起勵磁涌流，此時變壓器產生的勵磁涌流存在較大的三相不平衡度。本方法的主要原理為利用勵磁涌流產生的零序分量，而對變壓器零序差動保護進行校驗。本方法主要通過保護裝置的啟動錄波功能錄取合閘瞬間變壓器電流波形，通過波形檢查零序差動極性是否正確。判斷依據：主變高壓側自產零序電流和中性點零序電流的波形相位應一致，幅值應相近。

在具備以下條件時應優(yōu)先采用勵磁涌流法：1）調度部門同意且認可結果；2）變壓器二次系統(tǒng)調試完成、一次試驗完成；3）除零序差動保護外其他保護均投入時。利用變壓器空載充電時產生的勵磁涌流對零序差動保護進行校驗更為方便、快捷。

2.3 一次通流法

一次通流法檢驗保護極性的正確性，是變壓器零序差動保護投入運行前可行的另一種校驗方法。原理是通過小型電流發(fā)生器、容性電流和負荷電流等一次電流在變壓器高壓側注入電流，流入低壓側設置的短路點［25］，然后通過表計測量零序差動保護用電流互感器的二次電流相位及幅值［26］。判斷依據：變壓器高壓側一次通流相別的電流和中性點零序電流的相位差應為0°，二次幅值應與變比有對應關系。

3 零序差動保護現場校驗過程

3.1 高壓側單相接地短路法試驗

本次試驗的變壓器容量為1 200 MVA，變比為500 kV/27 kV，聯接組別為YNd1，短路阻抗為18%。其配置有兩套零序差動保護，分別位于發(fā)變組保護A屏、B屏，零序差動保護定義的零序電流分別為一分支、二分支自產零序電流與主變高壓側中性點電流。高壓分支CT 以母線側為同極性端，中性點CT 則以主變側為同極性端。試驗時發(fā)變組短路試驗已完成，此時主變高壓側CT極性已由發(fā)變組短路試驗校驗正確，因此本試驗選擇高壓一分支（7B3間隔）的自產零序電流為基準進行分析判斷。試驗時主接線圖狀態(tài)如圖3所示。

圖3 高壓側單相接地短路法試驗接線圖Fig.3 Wiring diagram of single phase earth short circuit test

具體試驗方法與步驟如下：

1）完成發(fā)變組短路試驗后，將地刀7ES-B32 的A、B 兩相的接地線拆除，然后合上地刀7ES-B32，將7ES-B32 的C 相作為高壓側單相接地短路點（如圖3所示）。

2）合上主變高壓側邊斷路器7B3；

3）將勵磁臨時電源開關推工作位，合開關，對勵磁變充電；

4）選擇手動方式，合滅磁開關，起勵，緩慢地增加勵磁電流給定值，在高壓側線電壓約為2 kV時記錄在兩套保護裝置上手動啟動錄波，然后退勵磁，分滅磁開關。本次試驗UA=0.250×500 000/100=1.250 kV，UB=0.251×500 000/100=1.255 kV，UC=0。

5）調取保護裝置的錄波數據，對記錄的電流相位關系極性分析，判斷該變壓器零序差動保護的極性是否正確。

其中試驗波形如圖4 所示，試驗數據分析結果如表1所示。

表1 高壓側單相接地法試驗數據Table 1 Measurement of zero-sequence differential protection polarity test

由以上零序電流波形及測量數據可知，在變壓器高壓側區(qū)外單相接地短路故障時，高壓側自產零序電流（曲線2）與外接零序電流（曲線3）的幅值相位基本相同，差流基本為零，且保護不動作，從而驗證了零序差動保護極性的正確性，也進一步驗證了高壓側單相接地短路法的可行性。

3.2 勵磁涌流法試驗

本次試驗的變壓器為有載調壓型三圈變，容量為80 MVA/48 MVA-48 MVA，連接組別為YNyn0-yn0+d。其配置有兩套零序差動保護，分別位于啟備變保護A屏、B屏，零序差動保護定義的零序電流分別為啟備變高壓側中性點電流與高壓側套管自產零序電流。高壓側套管CT 以母線側為同極性端，而中性點CT 則以主變側為同極性端，試驗示意圖如圖5 所示。試驗過程中，可分別通過合7A3或7AB3斷路器，通過500 kV一母或500 kV二母對啟備變進行空充，利用保護裝置的保護啟動錄波功能分別記錄兩套零差保護的電流波形和數據［27］。

圖5 中啟備變自產零序電流、高壓側零序電流計算所用In=1 A，高壓側套管CT 變比為300/1 A，中性點CT變比為150/1 A。

圖5 勵磁涌流校驗零序差動保護試驗示意圖Fig.5 Wiring diagram of zero-sequence differential protection polarity test with magnetizing inrush current method

兩套零序差動保護極性校核試驗波形如圖6 和圖7所示，試驗數據如表2和表3所示。

圖6 勵磁涌流法校驗零差保護極性錄波圖（A屏）Fig.6 Waveform of magnetizing inrush current method(Panel A)

圖7 勵磁涌流法校驗零差保護極性錄波圖（B屏）Fig.7 Waveform of magnetizing inrush current method(Panel B)

表2 勵磁涌流法試驗數據（A屏）Table 2 Test data of magnetizing inrush current method(Panel A)

表3 勵磁涌流法試驗數據（B屏）Table 3 Test data of magnetizing inrush current method(Panel B)

從波形圖和試驗數據可知兩套保護采集的高壓側自產零序電流與外接零序電流幅值相位基本相同，差流基本為零，且保護不動作。從而驗證了兩套零序差動保護極性的正確性［28］，也進一步驗證了勵磁涌流法的可行性。

3.3 一次通流法試驗

試驗對象為上節(jié)中同一臺啟備變，試驗原理圖如圖8所示［29］，具體的試驗步驟如下：

1）在啟備變間隔的GIS出口套管處，將ABC 相各引出一根通流用電纜，電纜截面滿足通流量大于50 A；

2）準備一個交流升流器（輸出電流大于50 A）及試驗電源；

3）在啟備變低壓側A、B分支的10 kV進線開關處各設置一個短路點；

4）在啟備變間隔的GIS 出口套管處，用升流器分別對試驗相的導線與地之間通入交流電流；

5）檢查本次通流范圍內的高壓側套管CT二次電流和高壓側中性點CT的二次電流的幅值及相位，對零序差動保護極性進行校核，檢查結果如表4所示。

圖8 一次通流法校驗零差保護極性接線圖Fig.8 Wiring diagram of zero-sequence differential protection polarity test with primary injection method

表4 一次通流法試驗數據Table 4 Test data of primary injection method

從表4 的試驗數據來看，兩套保護采集的高壓側自產零序電流與外接零序電流相位差基本為零，兩套零差保護CT的一、二次接線符合零差保護“零度接線”的邏輯［30］，從而驗證了兩套零序差動保護極性的正確性，也驗證了一次通流法的可行性。

4 結語

本文針對零序差動保護極性校核提出了三種方法：單相接地短路法、勵磁涌流法及一次通流法，并依照這三種方法對某廠的兩臺500 kV 變壓器的零序差動保護進行了試驗驗證，試驗結果證明這三種方法是可行的。相比較而言，三種方法各有特點，總結如下。

1）單相接地法，通過模擬實際的高壓側單相接地短路故障，該方法的最能模擬實際故障，校驗結果最為直觀，且在機組解列的狀態(tài)下，該方案易得到調度部門的批準；但是該方法有局限性，僅適用于電源側，且在高壓側需要設置一個接地點，有一定的安全隱患。

2）勵磁涌流法，該方法無需復雜的倒閘操作及附加的儀器設備，僅需空充變壓器，在三種方法中最為方便、快捷，且利用勵磁涌流產生的較大零序電流分量觀測幅值和相位，結果最為準確；但是首先需得到調度部門同意且認可其結果，所有的二次系統(tǒng)調試及變壓器特殊性試驗均要求完成，并將除零序差動保護外的其他保護均投入。

3）一次通流法，相比于前兩種方法，一次通流法最為調度部門認可，且可進行實時測量，便于校核電流的相位關系，發(fā)現極性錯誤時有利于整改；但是該方法對調壓器或者升流器的容量要求較高，對于大型變壓器較難實現，且需在低壓側設置短路點。

通過靈活運用這三種方法，可為變壓器零序差動保護正確投用提供有效保證，本文提供的試驗方法及結果可為其他場合的變壓器零序差動保護現場校驗提供參考，從而大大提高大型變壓器組的運行可靠性和安全性。