TA飽和導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作研究

徐 彪，歐陽宗帥，臧 欣，茹 梁，姜 維

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽供電分公司，湖南 衡陽 421002）

0 引言

基于當(dāng)前新能源接入的新型電力系統(tǒng)建設(shè)需要，大量電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)特性分析造成了較大的影響［1-3］。發(fā)生短路時(shí)，將有大量特殊的電磁暫態(tài)過程影響故障電流，并進(jìn)一步對(duì)保護(hù)測(cè)量元件產(chǎn)生影響。電流互感器作為重要的保護(hù)測(cè)量元件，其正確工作，對(duì)預(yù)防各類故障的發(fā)生至關(guān)重要［4-6］。這種暫態(tài)過程可能使得保護(hù)測(cè)量元件進(jìn)入飽和狀態(tài)，不能正確傳動(dòng)一次電流，進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)作［7-13］。

近年來，發(fā)生了多起變壓器區(qū)外故障致使TA飽和引起的變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)作事件［14-16］，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有較大影響。變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)作為差動(dòng)比率保護(hù)的補(bǔ)充，在變壓器發(fā)生嚴(yán)重區(qū)內(nèi)故障時(shí)能夠快速切斷故障，防止事故范圍的擴(kuò)大［17］。

本文聚焦于變壓器區(qū)外故障重合時(shí)由一次電流中直流分量與非周期分量導(dǎo)致的TA 飽和而使得變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)作的典型事故案例，分析事故發(fā)生的原因以及過程，研究TA傳變特性的數(shù)學(xué)建模以及影響TA飽和的各方面因素，針對(duì)性地提出改進(jìn)措施與建議，預(yù)防同類誤動(dòng)作事件的再次發(fā)生，保護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 事故過程與分析

1.1 事故概要

2021 年6 月15 日18：13，110 kV 某變電站35 kV 408 線路距變電站4.5 km 處發(fā)生A、C 兩相短路故障，導(dǎo)致該變電站35 kV408線路斷路器跳閘，2 s后該間隔重合閘動(dòng)作，重合于永久性故障，此時(shí)該變電站2號(hào)主變差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作，跳開高、中、低三側(cè)斷路器，故障隔離。此次跳閘無負(fù)荷損失。

1.2 事故前一次設(shè)備運(yùn)行方式

該110 kV 變電站三側(cè)均采用單母分段的一次接線方式，站內(nèi)有110 kV 主變2 臺(tái)，故障前，母聯(lián)400 斷路器為分位，2 號(hào)主變所在II 段母線35 kV 出線僅408一回。主變低壓側(cè)母聯(lián)斷路器、1 號(hào)、2 號(hào)主變低壓側(cè)斷路器均為合位，低壓側(cè)合環(huán)運(yùn)行，主接線方式如圖1所示。

圖1 某110 kV變電站一次接線圖Fig.1 Primary wiring diagram of a 110 kV substation

2 事故分析

2.1 保護(hù)動(dòng)作情況

線路保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)文顯示，該110 kV 變電站35 kV 408出線A、C相短路故障，保護(hù)裝置112 ms后過流I 段動(dòng)作跳閘，該出線TA 變比為400 A/5 A，反應(yīng)一次電流約3 200 A。再過2 s 后重合閘動(dòng)作，重合于故障，主變差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作。

2 號(hào)主變保護(hù)裝置報(bào)文顯示，35 kV 408 出線重合于故障，主變保護(hù)差動(dòng)速斷動(dòng)作，跳開2 號(hào)主變?nèi)齻?cè)。主變差動(dòng)速斷定值為12.4 A，主變A、C 相差動(dòng)電流為13.3 A已達(dá)速斷定值。

2.2 事故過程分析

故障線路及主變中壓側(cè)錄波波形如圖2所示。線路首先發(fā)生A 相單相接地故障，此時(shí)非故障相電壓上升為線電壓，進(jìn)而導(dǎo)致線路絕緣薄弱相C相被擊穿，發(fā)展為兩相接地短路故障。故障切除之后為線路重合閘等待狀態(tài)，線路絕緣逐漸恢復(fù)。

后續(xù)線路重合于故障，從圖2中T1至T2時(shí)間段內(nèi)主變中壓側(cè)電流波形可以看到明顯畸變，該電流畸變A相偏向于正半軸，C相偏向于負(fù)半軸。

圖2 故障線路及主變中壓側(cè)故錄波形Fig.2 Fault recording waveform of faulty line and medium-voltage side of transformer

對(duì)重合于故障時(shí)刻波形諧波含量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。可以看出，二次諧波含量達(dá)到34.18%，遠(yuǎn)高于一般差動(dòng)比率諧波制動(dòng)定值（0.15-0.2），此時(shí)主變差動(dòng)比率差動(dòng)被諧波制動(dòng)閉鎖，且線路過流I 段動(dòng)作時(shí)間定值為0.1 s，長于主變差動(dòng)速斷定值，因而通過差動(dòng)速斷動(dòng)作。

圖3 重合時(shí)2號(hào)主變中壓側(cè)電流諧波含量Fig.3 Harmonic content of current at medium-voltage side of 2#transformer during reclosing

2.3 二次回路檢查分析

對(duì)2 號(hào)主變中壓側(cè)電流回路進(jìn)行二次負(fù)擔(dān)核算，電流回路二次負(fù)擔(dān)為1.2 Ω，按照第1次故障時(shí)短路電流計(jì)算中壓側(cè)二次電流應(yīng)該為26 A，而TA保護(hù)繞組的拐點(diǎn)電壓為72 V，TA核算合格。

2.4 事故結(jié)論

TA 在短時(shí)間內(nèi)重合于永久性故障時(shí)易發(fā)生暫態(tài)飽和現(xiàn)象，證明TA 抗飽和裕度不夠，而通過常規(guī)TA伏安特性核算只能確保TA 在第1 次故障時(shí)不會(huì)飽和，第1 次故障錄波波形也表明TA 伏安特性滿足短路要求。

該變電站2號(hào)主變中壓側(cè)TA暫態(tài)特性不佳，線路保護(hù)重合于故障時(shí)因一次電流中的衰減非周期分量，在TA鐵芯中產(chǎn)生并積累了偏磁，導(dǎo)致TA達(dá)到飽和，不能正確傳變短路電流，主變差動(dòng)保護(hù)計(jì)算出差流達(dá)到差動(dòng)速斷定值，主變差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作。

3 TA飽和研究

3.1 數(shù)學(xué)建模

系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，其暫態(tài)故障電流中含有非周期分量，該分量將會(huì)對(duì)TA 的暫態(tài)傳變特性產(chǎn)生影響。以系統(tǒng)發(fā)生三相短路，線路空載為例進(jìn)行分析，故障電流為：

根據(jù)式（1），暫態(tài)故障電流包含頻率與系統(tǒng)頻率相同的工頻分量Imcos(ωt+α)與幅值為Im、衰減時(shí)間常數(shù)為Ta的衰減非周期分量。

TA等效電路如圖4所示，該模型所有參數(shù)已折算到二次側(cè)。其中，i1與i2分別為TA的一次和二次側(cè)等效電流，iμ為TA 的勵(lì)磁電流；Z1與Z2為TA 一次側(cè)及二次側(cè)的等效阻抗，Lμ表示TA勵(lì)磁電感。

圖4 TA等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of TA

TA正常運(yùn)行時(shí)，TA工作在磁化曲線的線性部分，可以將勵(lì)磁電感視為常數(shù)。根據(jù)基爾霍夫定律與元件特性，對(duì)圖4分析得到：式（3）中，Ts為TA 二次電路時(shí)間常數(shù)。由式（3）可知，TA勵(lì)磁電流含有強(qiáng)迫非周期分量、自由非周期分量以及強(qiáng)迫工頻分量。

根據(jù)上文對(duì)勵(lì)磁電流的分析，可以看出由于一次電流中非周期分量的存在，將導(dǎo)致實(shí)際二次電流與理論二次電流發(fā)生偏移，而勵(lì)磁電流的大小又取決于TA的等效勵(lì)磁電感Lμ，其值取決于TA鐵芯飽和與否以及飽和程度。

3.2 TA飽和影響因素分析

TA飽和的根本原因是其鐵芯發(fā)生了磁飽和，所以可以通過尋找影響鐵芯磁通大小的各個(gè)因素，進(jìn)而對(duì)影響TA 飽和的原因進(jìn)行分析討論。根據(jù)電感元件的伏安特性規(guī)律以及磁通與磁通密度關(guān)系［17］，從式（2）可得：

綜上，影響TA飽和的因素包括：

1）TA 一次側(cè)短路電流大?。航Y(jié)合式（1）故障電流，一次側(cè)電流不含非周期分量時(shí)，磁通密度與一次電流大小成正比。

2）TA 一次側(cè)電流中非周期分量：一次側(cè)電流中非周期分量的存在與原磁通同向時(shí)，將促進(jìn)TA的進(jìn)一步飽和。

3）TA 前一狀態(tài)剩磁：根據(jù)式（6），剩磁B(0) 的方向與大小對(duì)TA鐵芯的飽和有相應(yīng)的影響。

4）二次回路負(fù)擔(dān)：二次回路阻抗L2與R2的大小對(duì)TA飽和具有影響，即常規(guī)的二次負(fù)擔(dān)核算能有效防止TA 飽和的出現(xiàn)。

5）TA本身鐵芯截面積以及磁通飽和密度Bs。

3.3 對(duì)應(yīng)本次事故分析

在本次事故中，重合于永久性故障，為中壓側(cè)A、C兩相短路接地故障，其故障電流數(shù)值較高，但不足以導(dǎo)致TA發(fā)生飽和。

根據(jù)主變高壓側(cè)電流波形，變換得到中壓側(cè)故障相一次電流波形如圖5所示，并對(duì)波形進(jìn)行分析，得到其非周期分量如圖中虛線所示?？梢缘玫?，在重合時(shí)故障相一次電流中存在最大幅值為20.96 A，衰減時(shí)間為18.72 ms 的非周期分量，該非周期分量對(duì)于本次事故中TA飽和起著較為重要的作用。

圖5 故障時(shí)一次電流及其非周期分量Fig.5 Primary current and its aperiodic component at the time of fault

在剩磁方面，第1 次故障跳開斷路器時(shí)以及后續(xù)重合期間主變中壓側(cè)A 相電流波形如圖6 所示，從圖中可以看出，在第1 次故障跳開時(shí)刻，剛經(jīng)歷正半周波，而重合時(shí)同樣起始于正半周波，從電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的角度而言，即剩磁與重合時(shí)的磁場(chǎng)方向相同，故障時(shí)剩磁的存在進(jìn)一步促進(jìn)了TA的飽和。

圖6 第一次故障跳開以及重合時(shí)故障電流Fig.6 Fault current at the first failure tripping and reclosing

除此之外，TA 本身暫態(tài)特性不佳，抗飽和裕度不夠也是本次事故的原因之一。

3.4 變電站保護(hù)TA選型

根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司反措要求規(guī)定，TA 容量、變比及相關(guān)特性的選取應(yīng)滿足系統(tǒng)短路容量的要求，選取時(shí)需要考慮保護(hù)裝置整定配合以及可靠性的規(guī)定［18］。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電流互感器的暫態(tài)特性、選型要求也做出了相關(guān)規(guī)定［19-21］，但對(duì)于生產(chǎn)工作僅具有一定參考價(jià)值，與實(shí)際生產(chǎn)工作存在一定出入。

保護(hù)用電磁型TA按功能可分為：P類與TP類電流互感器，而TP 類按照標(biāo)準(zhǔn)又可分為TPS、TPX、TPY 及TPZ 4 級(jí)［22］。TPY 型電流互感器帶有小氣隙，具有限制剩磁功能，暫態(tài)抗飽和特性較好，由于經(jīng)濟(jì)原因，一般僅在330 kV電壓等級(jí)以上的保護(hù)中采用，而220 kV及以下的保護(hù)中采用的一般都是P 類電流互感器［23-24］。本次事故中發(fā)生飽和的420TA 即為P 級(jí)，其不具有小氣隙，在暫態(tài)特性方面不如TPY級(jí)TA。

4 改進(jìn)措施與建議

通過上文對(duì)于典型事故的過程分析以及TA 傳變特性的數(shù)學(xué)建模和飽和影響因素研究，針對(duì)性地提出以下措施，防止同類型誤動(dòng)作事故的再次發(fā)生，保護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 差動(dòng)保護(hù)裝置改進(jìn)

針對(duì)本事故差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)，考慮調(diào)整速斷保護(hù)、增加制動(dòng)特性措施以及增加比率差動(dòng)的飽和判據(jù)等方式［17，24］。但以上幾種措施分別存在著實(shí)際可操作性不強(qiáng)，不能保證速斷靈敏性或者快速性的要求等問題［25］。

在保護(hù)裝置中引入識(shí)別TA 飽和與否的各種算法［26］［27］，判斷故障差流是否是由于TA 的飽和而引起的，若有效識(shí)別出TA 已飽和，便閉鎖差動(dòng)速斷保護(hù)出口［28］，從而達(dá)到防止差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)作的目的。典型方案是采用基于同步識(shí)別法的TA飽和判別方法，其基本原理是鐵磁元件的磁化曲線在一次電流過零時(shí)刻附近的線性傳變區(qū)域，從而使區(qū)內(nèi)外故障的差流出現(xiàn)時(shí)刻存在差異。即區(qū)內(nèi)故障的差流與故障同時(shí)出現(xiàn)，而區(qū)外故障的差流要在一次電流過零點(diǎn)附近的線性傳變區(qū)域之后才會(huì)出現(xiàn)。進(jìn)而可根據(jù)差流與故障時(shí)刻是否同時(shí)刻來區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障［14］。

除此之外，也可以采用基于采樣值差動(dòng)原理的抗TA 飽和方法［25］。該方案取連續(xù)R個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)比率特性，以S個(gè)符合差動(dòng)條件點(diǎn)作為判據(jù)判斷保護(hù)是否動(dòng)作。正常情況下，基于快速性要求，R值選取小于一周波的數(shù)據(jù)窗。將S值根據(jù)二次諧波情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，諧波含量高時(shí)即飽和特征明顯情況下，設(shè)置S值為大值，差動(dòng)條件更難滿足；反則反之。通過在差動(dòng)速斷邏輯中增加該輔助判據(jù)，能夠有效防范TA飽和導(dǎo)致的差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)作，也不影響差動(dòng)速斷保護(hù)本身要求的動(dòng)作特性。

4.2 TA結(jié)構(gòu)工藝改進(jìn)

根據(jù)3.2節(jié)分析，TA本身結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝以及鐵芯也嚴(yán)重影響其飽和特性，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家可以對(duì)其生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)技術(shù)迭代，進(jìn)一步提升TA抗飽和能力［29］。

4.3 設(shè)計(jì)及運(yùn)維過程管控

在實(shí)際使用中，可以采用提高TA變比的方式提升TA 抗飽和能力，要求全面采用二次電流為1 A 制的TA，在條件允許的情況下采用抗飽和性能較好的TPY級(jí)TA［23，30］。對(duì)新改擴(kuò)建工程中使用的TA 在可研、設(shè)計(jì)階段優(yōu)化選型，在調(diào)試、驗(yàn)收階段嚴(yán)格把關(guān)，有效提升TA抗飽和能力。

各檢修單位嚴(yán)格按照規(guī)程要求開展TA 伏安特性核算工作，結(jié)合停電檢修使用“伏安特性自動(dòng)核算表”，對(duì)于核算不合格的TA及時(shí)更換，預(yù)防事故發(fā)生。

5 結(jié)語

本文以一起典型事故為例展開研究與分析，討論在變壓器區(qū)外故障時(shí)由于TA 飽和而導(dǎo)致的主變差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)作原因、過程以及改進(jìn)措施與建議，為預(yù)防和減少此類典型事故的發(fā)生提供幫助。