220 k V 主變壓器比率差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作分析

陳天英，李鐵成，侯仰軍，李 澤，陳鑠鑫

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.河北華電石家莊熱電有限公司，河北 石家莊 050021；

3.河北華瑞能源集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050021）

變壓器差動(dòng)保護(hù)作為變壓器內(nèi)部故障的主保護(hù)之一，其保護(hù)范圍包括變壓器本身、電流互感器與變壓器的引出線等，變壓器保護(hù)誤動(dòng)作跳閘會(huì)嚴(yán)重影響供電可靠性，造成停電面積增大[1]。研究表明大多保護(hù)誤動(dòng)作是由于不平衡電流、回路故障、絕緣不良、電磁干擾等造成的，近年來(lái)對(duì)于跳閘事故的研究多集中在繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置外部回路上，對(duì)裝置本身元件及回路故障少有涉及[2]。本文以一起主變壓器（簡(jiǎn)稱“主變”）保護(hù)裝置無(wú)故障跳閘事故為例，深入研究保護(hù)裝置內(nèi)部原理，通過(guò)分析本次故障情況找到變壓器保護(hù)誤動(dòng)作原因，并提出相應(yīng)的整改措施。

1 故障介紹

2019年7月2日15時(shí)34分56秒，220 k V M 站內(nèi)110 k V N 線路發(fā)生W 相永久性接地故障，13 ms 110 k V N 線路保護(hù)快速動(dòng)作，58 ms三相開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，1 574 ms重合于故障，1 656 ms三相開(kāi)關(guān)再次跳開(kāi)，1 717 ms 220 k V M 站內(nèi)1號(hào)主變A 套保護(hù)（CSC-326D）V、W 相比率差動(dòng)動(dòng)作出口，V 相差動(dòng)電流為0.980 A，制動(dòng)電流為1.055 A，W 相差動(dòng)電流為0.980 A，制動(dòng)電流為0.883 A，1 768 ms 1號(hào)主變?nèi)嗵_(kāi)，故障過(guò)程中主變保護(hù)裝置無(wú)告警。

2 故障原因分析

2.1 主變差動(dòng)保護(hù)定值分析

調(diào)閱1 號(hào)主變故障錄波圖發(fā)現(xiàn)，1 號(hào)主變A套保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)，故障電流大小與第一次故障時(shí)基本相同，且1號(hào)主變高中低三側(cè)電流之和基本為0，為區(qū)外故障特征。

調(diào)閱1 號(hào)主變A 套保護(hù)裝置內(nèi)部錄波圖發(fā)現(xiàn):（1）CPU1的高壓1側(cè)U、V 兩相呈現(xiàn)正常的故障電流波形，高壓1側(cè)W 相電流錄波為145 A左右的直流量，高壓2側(cè)三路電流在外部無(wú)輸入的情況下，同樣采集到145 A 左右的直流量，波形不正常，如圖1所示；（2）CPU2的高壓1側(cè)波形呈現(xiàn)正常的故障電流波形，高壓2側(cè)電流通道呈現(xiàn)正常的零漂電流波形，如圖2所示。在圖1和圖2中，錄波通道I1 A/I1B/I1C 表示主變高壓1側(cè)電流，錄波通道I2 A/I2B/I2C 表示主變高壓2側(cè)電流（備注:外回路無(wú)接線）。

圖1 主變A 套保護(hù)CPU1錄波數(shù)據(jù)

圖2 主變A 套保護(hù)CPU2錄波數(shù)據(jù)

根據(jù)1號(hào)主變保護(hù)裝置內(nèi)部錄波分析，A 套保護(hù)CPU1的高壓1側(cè)W 相電流和高壓2側(cè)三相電流采樣存在異常，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘異常采樣均來(lái)自CPU1的第三塊AD芯片，初步懷疑該AD芯片損壞。

根據(jù)差動(dòng)動(dòng)作判據(jù)對(duì)主變?nèi)齻?cè)采樣所得的電流量進(jìn)行計(jì)算[3]，動(dòng)作電流門(mén)檻值為Idz，差動(dòng)保護(hù)最小啟動(dòng)電流為Icd，拐點(diǎn)電流分別是0.6Ie和5Ie，比率制動(dòng)系數(shù)分別是S1、S2和S3，保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻V 相的制動(dòng)電流為1.055 A，差動(dòng)電流為0.980 A，顯然在S2段，動(dòng)作電流門(mén)檻值Idz＝S2（Izd-0.6Ie）＋0.6IeS1＋I(xiàn)cd＝0.5×（1.055-0.6Ie）＋0.2×0.6Ie＋0.45＝0.814 A，式中，Ie＝＝0.904 A，主變差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作曲線如圖3所示。

圖3 主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作曲線

動(dòng)作時(shí)刻的差動(dòng)電流為0.980 A，大于對(duì)應(yīng)的動(dòng)作門(mén)檻值0.814 A，因此CPU1的V 相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口，（W 相同理），同時(shí)，由于N 線路故障，使得主變A 套保護(hù)感受到電流突變，因此CPU2啟動(dòng)，滿足保護(hù)動(dòng)作條件，主變A 套保護(hù)跳閘出口。

綜合上述分析，判定主變并未發(fā)生故障，主變A 套保護(hù)應(yīng)屬無(wú)故障動(dòng)作，B 套保護(hù)不動(dòng)作屬正常行為。

2.2 主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作邏輯

主變差動(dòng)保護(hù)裝置CSC-326 D 為雙CPU＋雙A/D 設(shè)計(jì)，CPU1負(fù)責(zé)保護(hù)邏輯，CPU2負(fù)責(zé)啟動(dòng)[3]。CPU1在自身差動(dòng)保護(hù)已滿足動(dòng)作條件且收到CPU2發(fā)送過(guò)來(lái)的“差動(dòng)啟動(dòng)標(biāo)志”時(shí)瞬時(shí)動(dòng)作出口，另外為防止2個(gè)CPU 間的通信問(wèn)題影響保護(hù)動(dòng)作行為，如果沒(méi)有收到CPU2發(fā)送過(guò)來(lái)的“差動(dòng)啟動(dòng)標(biāo)志”時(shí)，會(huì)延時(shí)60 ms后動(dòng)作出口[4]。

兩次故障時(shí)，1號(hào)主變A 套保護(hù)CPU1差動(dòng)保護(hù)均動(dòng)作，CPU2采樣通道正常，但CPU2僅啟動(dòng)差動(dòng)保護(hù)并未動(dòng)作，因此并未給CPU1發(fā)送“差動(dòng)啟動(dòng)標(biāo)識(shí)”，按照動(dòng)作邏輯，1號(hào)主變A 套保護(hù)應(yīng)延時(shí)60 ms出口，首次故障時(shí)，58 ms切除N 線路故障，未達(dá)到動(dòng)作所需的60 ms，故主變A 套保護(hù)未動(dòng)作。

2.3 主變差動(dòng)保護(hù)告警信號(hào)

根據(jù)保護(hù)裝置邏輯，差動(dòng)電流越限定值Is＝MAX（差動(dòng)電流越限門(mén)檻值，差動(dòng)電流越限封底值），考慮TA 的采樣精度，程序內(nèi)部設(shè)置了差動(dòng)電流越限封底值為0.06I n（I n為二次額定電流），裝置最小精確工作電流為0.08。

M 站主變差動(dòng)啟動(dòng)電流定值為0.45 A，高壓側(cè)TA 變比為2 500/5，差動(dòng)電流越限定值Is＝MAX（0.3×0.45，0.06×5）＝0.3 A，通過(guò)分析A 套主變保護(hù)的啟動(dòng)錄波可知，運(yùn)行過(guò)程中的差動(dòng)電流基本保持在0.1 A左右，小于差動(dòng)電流越限定值0.3 A，因此保護(hù)裝置未判出差動(dòng)電流越限告警。

2.4 硬件檢測(cè)分析

搭建與現(xiàn)場(chǎng)一致的裝置環(huán)境，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)返回插件進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，上電后使用測(cè)試儀進(jìn)行加量，高壓1側(cè)W 相電流采樣為零，完全復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象。

（1）對(duì)CPU 插件5SF.004.071/V2外觀進(jìn)行目檢，插件上元器件及連接器外觀均完好，未有磕碰破損現(xiàn)象。

（2）對(duì)CPU 插 件 上 的 元 件 D10 芯 片（AD7865）焊點(diǎn)進(jìn)行鏡檢，焊點(diǎn)焊接良好，排除了AD 芯片焊接質(zhì)量問(wèn)題。

（3）對(duì)單板上電進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試AD 芯片電源（vcc）輸出電壓為5.06 V，測(cè)試運(yùn)放芯片正負(fù)電源輸出＋12.01 V 和-11.98 V 均正常。

（4）使用信號(hào)發(fā)生器分別在元件編號(hào)N3芯片（OP497）的輸入端pin-3、pin-10、pin-12、pin-14施加工頻1.0vpp信號(hào)，用示波器分別跟蹤測(cè)試元件N3芯片對(duì)應(yīng)的的輸出端信號(hào)（即:元件D10-AD7865模擬量信號(hào)輸入端）均正常，通過(guò)該測(cè)試手段，初步推測(cè)運(yùn)放芯片功能正常。

（5）為了進(jìn)一步判斷AD 芯片失效模式，使用晶體管圖示儀，依據(jù)AD 芯片（元件編號(hào)D9）模擬量輸入端I-V 曲線為參考源（D9和D10外電路完全一致），比對(duì)測(cè)試AD 芯片（元件編號(hào)D10）的4路模擬量輸入端I-V 曲線，比對(duì)結(jié)果表明兩片AD 芯片的輸入端I-V 曲線完全一致。因此，排除了AD 芯片因電過(guò)應(yīng)力而導(dǎo)致的失效，進(jìn)一步推測(cè)AD 芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤。

（6）使用仿真器查看AD 芯片輸出原始碼值，發(fā)現(xiàn)高壓1側(cè)W 相、高壓2側(cè)U/V/W 相采樣發(fā)生滿偏，如圖4所示，通過(guò)核對(duì)，其正好對(duì)應(yīng)高壓1側(cè)W 相、高壓2側(cè)三路電流，從而可以判定為AD芯片內(nèi)部回路損壞，導(dǎo)致內(nèi)部參考電壓出現(xiàn)異常，數(shù)據(jù)發(fā)生了偏移。

圖4 AD 芯片輸出原始碼值

3 整改措施

（1）從保護(hù)軟件方面，結(jié)合專業(yè)檢測(cè)的要求，對(duì)后續(xù)生成裝置增加零漂越限告警功能，零漂越限告警功能判據(jù)為:當(dāng)某一電流通道的直流分量含量持續(xù)1 min大于20%I n時(shí)，裝置報(bào)“零漂越限告警”。零漂越限告警能有效檢出AD 芯片損壞，對(duì)AD 芯片損壞，電流采樣滿偏有很靈敏的識(shí)別能力。

（2）為該AD 芯片加裝看門(mén)狗（watchdog），看門(mén)狗是通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控，它會(huì)定期查看芯片內(nèi)部情況，若在一定周期內(nèi)看門(mén)狗沒(méi)有收到來(lái)自軟件的信號(hào)，則認(rèn)為系統(tǒng)故障，會(huì)進(jìn)入中斷處理程序或強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。

4 結(jié)論

本文通過(guò)定值計(jì)算及硬件測(cè)試分析，解決主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作故障的三大疑點(diǎn)，為防止再次發(fā)生同類型差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作提供技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)依據(jù)，并針對(duì)AD芯片存在的問(wèn)題制定整改措施及建議，有效降低了使用該芯片保護(hù)裝置存在的安全隱患。之后將進(jìn)一步研究AD 芯片在保護(hù)裝置內(nèi)的運(yùn)行機(jī)理，提升保護(hù)裝置軟件方面的穩(wěn)定性，為主變保護(hù)裝置可靠動(dòng)作提供有力的理論依據(jù)。