110 kV變壓器差動保護越級跳閘誤動事故分析

孫海東，劉 斌，姜 華，王 哲，邢 鋼

（內蒙古電力（集團）有限責任公司烏蘭察布供電分公司，內蒙古 烏蘭察布 012000）

0 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)中至關重要的一次設備，主要用于電壓、電流變換，其保護裝置能否正確動作是確保變壓器安全隔離故障的關鍵[1-3]。差動保護作為變壓器的主保護，具有極高的靈敏度，在二次回路接線正確的情況下，發(fā)生區(qū)內故障時能夠有選擇地快速切除故障點，發(fā)生區(qū)外故障時可靠不動作。當二次回路出現問題時，就可能造成差動保護誤動的嚴重后果[4]。本文針對一起10 kV 出線短路故障，斷路器拒動導致故障越級至主變壓器低壓側，低壓側二次電流回路誤接線引起主變壓器差動保護越級跳閘的事故進行分析，并據此提出相應的防范和改進措施。

1 事故概況

1.1 事故前運行方式

某110 kV 變電站共有2 臺主變壓器，接線方式為YN/Y/△，110 kV、35 kV、10 kV 均采用單母線分段接線方式，電氣主接線如圖1所示。事故前1號、2 號主變壓器處于分列運行狀態(tài)，113 分段、313 分段、910 分段斷路器均在分位，151 進線Ⅰ、153 進線Ⅱ作為進線電源分別接在Ⅰ母和Ⅲ母上，10 kV 側Ⅰ母接有多條用戶間隔，Ⅱ母無用戶間隔。

圖1 110 kV變電站電氣主接線圖Fig.1 110 kV substation electrical main wiring diagram

1.2 事故經過

某日03：35.30.411，10 kVⅠ母912 出線2 間隔過流Ⅰ段保護動作，912開關無變位；03：35.30.412，1號主變壓器突變量保護啟動，03：35.30.432，1號主變壓器差動保護動作，跳開三側開關；03：35.30.471，912 出線2 間隔過流Ⅰ段保護動作恢復，故障點被切除。

2 事故原因分析

2.1 事故調查

現場調取保護裝置動作報文，912出線2間隔保護裝置報文顯示L1、L2 相發(fā)生相間短路故障，短路電流IL1=34.18 A，IL2=34.82 A，IL3=0.11 A，過流Ⅰ段保護動作，無開關變位信息；檢查高壓室發(fā)現912開關在合位，且后臺遙控912斷路器跳閘失敗，經開關柜就地強制操作分閘。1號主變壓器差動保護裝置動作時電流采樣數據見表1。

表1 1號主變壓器差動保護裝置動作電流采樣值Tab.1 No.1 transformer differential protection device operating current sampling A

隨后調取1 號主變壓器和912 出線2 的相關保護定值，見表2。

表2 1號主變壓器、912出線2相關保護定值Tab.2 No.1 transformer and 912 outlet 2 related settings

對912 出線2 開關柜進行檢查，在保護裝置過流Ⅰ段正確動作的情況下，912開關未跳閘；檢查控制回路發(fā)現無斷線、接地等異常情況；檢查操作機構發(fā)現分閘摯子因年久老化導致位置卡澀，電銜鐵無法正常觸及跳閘，經強制分閘后位置恢復正常。隨后多次對模擬故障試驗，912 保護裝置均能正常動作，傳動出口跳閘無誤。

對比912 出線2 和1 號主變壓器保護裝置動作報文發(fā)現兩者顯示的故障相不一致，根據1 號主變壓器低壓側顯示的三相電流值判斷故障相應為L2、L3相，而912出線2顯示故障相為L1、L2相，初步判斷兩者中有相序接反情況。檢查912 TA 二次回路接線無誤。檢查1號主變壓器低壓側901 TA二次回路，發(fā)現L1、L3 相相序接反，且差動保護回路的TA準確級未按規(guī)定接到10P25 保護級繞組，而是接到0.5測量級繞組上，現場接線如圖2所示。

圖2 1號主變壓器低壓側TA二次回路接線Fig.2 No.1 transformer low?voltage side current transformer secondary circuit wiring

2.2 原因分析

2.2.1 初步判斷

相間短路故障發(fā)生在912出線2，對于1號主變壓器差動保護而言屬區(qū)外故障，正常情況下穿越性故障電流差流很小，差動保護不會動作。由于912斷路器操作機構卡澀無法瞬時切除故障，因此越級至1號主變壓器低壓側后備保護延時動作跳開低壓側901斷路器進而切除故障點。從現場勘察情況初步判斷，造成1 號主變壓器差動保護誤動的原因可能為主變壓器低壓側TA準確級接錯或二次電流回路相序接反。

針對因主變壓器低壓側901 TA 準確級接至測量級可能造成短路故障，TA由于鐵心飽和限制低壓側二次電流，致使主變壓器產生差流，差動保護動作的情況進行分析。故障線路912出線2 TA變比為300/5，故障時保護裝置顯示二次短路最大電流為34.82 A，變換成一次電流為2 089.2 A，1號主變壓器低壓側TA變比為5000/5，變換成低壓側二次電流則為2.09 A，該值小于1 號主變壓器差動保護裝置動作時顯示的低壓側二次電流2.194 A；因而可以判定故障時主變壓器低壓側TA并未達到飽和，準確級接錯不是造成本次主變壓器越級跳閘的直接原因。

2.2.2 分析計算

2.2.2.1 變壓器正常運行

以事故現場型號為DF3330E 三圈變壓器差動保護裝置為例，當變壓器正常運行時，高低壓側各相電流向量如圖3所示。

圖3 正常運行時高低壓側各相電流向量圖Fig.3 The current vector diagram of each phase on the high and low voltage sides during normal operation

差動保護裝置中計算各相差流為：

式中：Ida、Idb、Idc—L1、L2、L3 相折算到高壓側的差流；

kL—低壓側平衡系數。

2.2.2.2 L1、L3相相序接反

（1）當主變壓器低壓側TA 二次回路L1、L3 相相序接反時，高低壓側各相電流向量如圖4所示。

圖4 L1、L3相相序接反時高低壓側各相電流向量圖Fig.4 The current vector diagram of each phase on the high and low voltage sides when L1 and L3 phase are reversed

此時差動保護裝置中計算各相差流為：

可見，二次電流回路相序正確時，差動保護裝置計算各相差流均為0，差動保護不動作。而當低壓側二次電流L1、L3 相相序接反時，差動保護裝置計算L1、L3 相的差流大小將從0 上升至，當變壓器負荷較大時，差流超過差動保護定值，差動保護就會動作。

（2）912 出線2 間隔發(fā)生L1、L2 相相間短路故障時，變壓器高低壓側電流變化如圖5所示。

圖5 變壓器低壓側L1、L2相相間短路Fig.5 Phase?to?phase short circuit of L1L2 on low?voltage side of the transformer

由故障情況可知：Ia=-Ib，Ic=0，。

圖6 L1、L2相相間短路，L1、L3相相序接反時高低壓側各相電流方向Fig.6 The current vector diagram of high and low voltage sides of phase?to?phase short circuit of L1L2 while L1 and L3 phases are reversed

根據差動保護裝置差流計算公式可得出各相實際差流為：

由理論計算結果可以看出，L1、L3 兩相的差流大小相等，L2相差流為0，結合現場采集的低壓側電流數據能夠計算出L1、L3 兩相差流值均為0.83×2.194 A=1.82 A，與現場變壓器差動保護裝置采集的差流數據基本吻合。

2.2.2.3 結論

綜上所述，可以判定本次變壓器差動保護越級跳閘的直接原因是912 出線2 發(fā)生相間短路故障，斷路器跳閘失敗，短路故障擴大到1號主變壓器，主變壓器低壓側二次電流回路L1、L3 相相序接反，造成變壓器差動保護裝置內計算差流超過差動保護動作值，差動保護瞬時動作進而引發(fā)變壓器跳閘事故。

3 防范措施建議

理清事故原因后，更正1號主變壓器低壓側TA二次回路相序和準確級接線，經帶負荷送電測試后，設備運行正常，三相電流相位無誤，變壓器差動保護裝置差流恢復正常。針對本次事故暴露出的問題，提出以下四點建議。

（1）重視設備年久老化問題。對于運行年限較長的斷路器、隔離開關等設備，為防止發(fā)生故障時設備拒動，擴大事故范圍，應經常性地檢查設備分合閘等操作是否正常，及時發(fā)現設備內部存在的缺陷，以便盡早安排檢修或更換。

（2）加強TA 及其二次回路的驗收工作。在基建工程驗收階段，調試人員應當加強對二次回路的驗收排查，特別是涉及差動保護的TA二次回路，應對設備銘牌、接線、準確等級以及極性進行確認[7-8]熟練使用380 V交流法從變壓器一次升流來驗證主變壓器差動保護電流回路接線的正確性，這是確保電流回路正確行之有效的方法。

（3）重視差動保護投運后帶負荷檢查。在變壓器帶負荷送電后，給定變壓器參考電壓，確定潮流方向，判斷有功和無功功率的方向，熟練使用相位表測量各側電流的幅值和角度，通過繪制六角圖觀察相對電流角度的相位差，能夠再次確認電流回路接線的正確性[9-11]。

（4）加強日常設備巡視。在投產運行階段，運行人員應當加強對二次設備的日常巡視，檢查保護裝置采集電流、電壓等數據是否正常，發(fā)現不正常運行狀態(tài)及時記錄上報，從而避免事故的發(fā)生。

4 結束語

繼電保護作為電網運行的一道重要防線，對于電力系統(tǒng)的安全可靠運行起著至關重要的作用，任何保護裝置的誤動、拒動都將對電網的穩(wěn)定造成很大影響。本文通過對一起110 kV 變壓器差動保護越級跳閘事故，分析了由于10 kV 出線短路故障斷路器跳閘失敗造成變壓器差動保護越級跳閘的事故經過，并對區(qū)外相間短路故障造成變壓器差動保護誤動的兩種原因進行向量計算分析，最終確定了引發(fā)事故的直接原因為變壓器差動保護TA二次回路誤接線，對此提出防范措施，為今后變電站TA二次回路的正確接線和校正，快速查找類似跳閘事故原因，縮短故障停電時間提供了經驗借鑒。