一起10kV線路近區(qū)故障引起主變差動保護誤動的分析

李東波

（云南電網(wǎng)有限責任公司紅河供電局）

0 引言

主變壓器是變電站或者單位用來輸變電的一個總升（降）壓變壓器，此為變電站的核心環(huán)節(jié)。主變保護是主變壓器的可靠性保障，然而，因線路運行期間動蕩或者設計、安裝問題，會存在向保護裝置傳遞錯誤信號的可能性[1]。近年來，我國電力技術(shù)水平不斷提升，變壓器一、二次設備也越來越完善，電網(wǎng)安全性也隨之增加。繼電保護裝置從以往的電磁式升級為微機型，保護裝置工藝、結(jié)構(gòu)以及邏輯復雜性不斷提升，但對于電力系統(tǒng)來說，繼電保護設備可靠性依舊是重中之重[2]。本文基于主變電器在電力系統(tǒng)內(nèi)所承擔的職責，分析一起10kV線路近區(qū)故障引發(fā)主變差動保護誤動的實際案例，并提出有效的解決方案。

1 主變壓器在電力系統(tǒng)中的職責

基于功能用途、用電量和所處環(huán)境等具體要求，通常配電系統(tǒng)需要應用結(jié)構(gòu)類型與數(shù)量都比較合適的主變壓器，以承擔電壓轉(zhuǎn)換功能，有助于科學合理調(diào)配與控制變電站設備，此為變電站的一種核心設備[3]。第一，電壓數(shù)值變動控制環(huán)節(jié)，主變壓器充當變電主要設備，對電能輸送與轉(zhuǎn)換具有輔助作用，能夠滿足電力系統(tǒng)中所連接用戶與設備的多樣化需求，而且還能對電壓等級進行變換，為傳送過程中的數(shù)值精準性提供保障，實現(xiàn)電壓運送效率的提升，防止出現(xiàn)重過載風險[4]。第二，電力設備調(diào)配控制環(huán)節(jié)，因為電力設備內(nèi)部線圈特殊結(jié)構(gòu)，便于針對設備性能持續(xù)調(diào)整電能供應，確保額定功率、輸送電壓以及實際功率等處于正常范圍內(nèi)，進而對變電站設備提供安全保護[5]。

2 一起10kV線路近區(qū)故障引起主變差動保護誤動的案例

2.1 故障概況

2021年3月4日16時27分，某10kV線路088斷路器過流Ⅰ段保護跳閘，110kV #2主變低后備保護裝置發(fā)“復壓過流Ⅰ段1、2時限保護啟動、復壓過流Ⅱ段1、2時限保護啟動、復壓過流Ⅲ段保護啟動、復壓過流Ⅳ段保護啟動”，#2主變差動保護裝置發(fā)“差流越限報警啟動”、“C相比率差動保護動作”、“低壓側(cè)TA斷線啟動”，某10kV線路088斷路器一次重合閘動作成功。10kV備自投裝置出現(xiàn)“橋備投合橋開關(guān)動作”、“橋備投跳主電源開關(guān)動作”以及“橋備投成功”，接下來，某10kV線路088斷路器出現(xiàn)二次動作跳閘；#1主變低后備保護裝置發(fā)“復壓過流Ⅱ段1、2時限保護啟動、復壓過流Ⅰ段1、2時限保護啟動、復壓過流Ⅲ段保護啟動以及復壓過流Ⅳ段保護啟動”，之后35kV備自投裝置顯示“橋備投合橋開關(guān)動作”、“橋備投跳主電源開關(guān)動作”以及“橋備投成功”，見圖1。

圖1 線路近區(qū)故障示意圖

2.2 現(xiàn)場檢查原因和處理情況

經(jīng)檢修人員檢查發(fā)現(xiàn)事件原因為：#2主變10kV側(cè)002斷路器C相電流互感器差動回路繞組C4141-1：3與N4141-1：6接線端子因工藝不良長期相互擠壓，導致絕緣膠套受損，在某10kV線路088短路的故障大電流的沖擊下，C相與N端擠壓部位擊穿，引起分流作用，影響主變差流平衡，主變差動差流越限，導致主變比率差動保護動作跳閘，見圖2。檢查2號主變本體油枕油位、套管油位，均處于正常狀態(tài)，沒有滲漏油情況發(fā)生，且油溫、繞溫正常。經(jīng)化驗主變本體油樣，結(jié)果顯示為合格，對#2主變瓦斯繼電器進行檢查，結(jié)果為正常，沒有氣體產(chǎn)生。技術(shù)人員查看后臺的SOE故障數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)，在某瞬間線路保護動作出口位置，跳開088斷路器，而主變差動速斷保護出口在某瞬間跳開002斷路器?；谝陨锨闆r能夠判斷出，發(fā)生故障的原因是#2主變10kV側(cè)002斷路器C相TA差動繞組與N端擠壓部位擊穿，引起分流作用，影響主變差流平衡，主變差動差流越限，導致主變比率差動保護動作跳閘。

圖2 故障具體位置

2.3 故障波形分析

通過觀察圖3發(fā)現(xiàn)，在最初出現(xiàn)故障的情況下，2號主變高壓側(cè)中的A、B及C的三相電流偏向時間軸一側(cè)非常嚴重，可以看出故障最初產(chǎn)生時，存在非常大的直流分量，其中A相電流與C相電流的幅值顯著大于B相電流，其原因在于A電流和C電流相間出現(xiàn)故障。然而，波形并未畸變，可見電流互感器鐵心不飽和，而且CT有著優(yōu)良的傳變性能。

圖3 088斷路器電流波形

觀察圖4發(fā)現(xiàn)，#2主變低壓側(cè)的A相電流與C相電流在首周波的前半周波向時間軸一側(cè)偏離非常嚴重，可見存在較大的直流分量。然而，波形并未畸變，所以A相電流和C相電流出現(xiàn)故障后，并未即刻進入飽和狀態(tài)，第二周波才會逐漸飽和，而且故障電流在首周波內(nèi)出現(xiàn)的磁通，還不能使TA形成飽和狀態(tài)。峰值附件是飽和畸變發(fā)生，另一側(cè)峰值近區(qū)退出飽和，時間在1/4個周波左右。

圖4 002斷路器電流波形

依照裝置說明書具體要求，設備裝置采樣值應超過差動速斷定值，而且還要持續(xù)大約10ms，該情況下的差動速斷方可動作出口，A相差電流值在53s062ms時達到13.856A的基波幅值，而在53s076ms的位置則達到15.632A的基波幅值，在該時間范圍內(nèi)，電流表現(xiàn)為持續(xù)升高趨勢，也就是說，差動電流值比差動速斷定值大，并且持續(xù)10ms左右，差動速斷保護動作。

故障發(fā)生過程中，各次諧波與低壓側(cè)直流分量占比都非常小，直流分量值最大出現(xiàn)在故障第一周波前半周波，其中A相電流值最大，占比80.91%，在該直流分量情況下，#2主變低壓側(cè)很容易出現(xiàn)飽和。自第二個周期起，電流互感器會進入深入飽和狀態(tài)，電流諧波含量明顯比故障前大，因為衰減直流分量在暫態(tài)飽和情況下所產(chǎn)生的影響，二次電流諧波主要是偶次，最大二次諧波出現(xiàn)在差動速斷保護動作出口時，此期間的C相電流值二次諧波分量為56.55%。

綜合以上分析，在故障最初發(fā)生的時間段，諧波具有相對較小的含量，深入飽和后，達到最大二次諧波有效值，在基波幅值中的占比約56.55%，而三次諧波占比則在16.48%左右，五次諧波在7.42%左右，偶次諧波值顯著比奇次諧波值大。以上故障諧波與錄波波形分析符合實際波形與諧波分析現(xiàn)狀。所以得出結(jié)論，造成#2主變差動速斷保護誤動的因素主要在于，10kV線路故障還沒有徹底切除的情況下，#2主變低壓側(cè)002CT存在暫態(tài)飽和，造成低壓側(cè)波形畸變，而且低壓側(cè)二次電流無法將一次電流精準反應出來，所產(chǎn)生差流比較大，造成C相電流的瞬時值為21.91A，比13.7A的差動速斷定值大，持續(xù)時間也在10ms以上，由此引發(fā)差動速斷動作。

3 處理措施

3.1 提升P級電流互感器穩(wěn)態(tài)性能

低于220kV電壓等級P級電流互感器選型過程中，通常僅對電流互感器自身穩(wěn)態(tài)性能加以考慮，而P級互感器達到普通驗算的穩(wěn)態(tài)性能要求，且準確限值系數(shù)比較低與系統(tǒng)容量增大的情況下，必須補充驗算實際準確限值系數(shù)曲線與額定二次極限電動勢。額定二次極限電動勢要保證比保護校驗所需二次感應電動勢大。如果增加準確限值電流有具備飽和可能的情況下，二次基線電動勢法則不符合其要求，應該基于廠家所提供精確的誤差曲線，根據(jù)實際二次負載，對真實的準確限值系數(shù)進行查閱。工程應用實踐中，若電流互感器穩(wěn)態(tài)性能由于母線短路容量和原有設計水平相接近，而無法滿足實際要求的情況下，應降低二次負載或者二次負載容量，以符合基線電動勢法計算要求，使電流互感器應用穩(wěn)態(tài)性得到持續(xù)提升，最終解決互感器暫態(tài)飽和問題[6]。

本文所提到的故障案例，額定二次準確限值系數(shù)是20，容量值在20VA，根據(jù)性能驗算，與互感器穩(wěn)態(tài)性要求相符合。為實現(xiàn)互感器抗飽和性能的提升，應基于現(xiàn)場運行實際，二次側(cè)與同型號電纜相連接，以降低電流互感器在暫態(tài)下的飽和程度。

3.2 選擇PR級或者TPY級的電流互感器

通常來說，TPY級電流互感器存在氣隙保護暫態(tài)特性，且鐵心內(nèi)部氣隙會導致磁阻的持續(xù)增加，降低電勢相等情況下的鐵心磁通數(shù)值，由此就很難使電流互感器飽和。然而，500kV電壓、220kV線路的電流互感器，會選擇與暫態(tài)飽和相滿足的TPY級電流互感器[7]。P級的電流互感器之所以能達到飽和狀態(tài)，主要是鐵心鐵磁材料存在非線性勵磁特征，也就是說，在設備運行過程中，鐵心磁通密度會比拐點電壓對應密度值大，在電流傳變情況下，鐵心磁通的密度會比材料飽和磁通密度大，這是導致電流互感器飽和的主要原因。

此外，P級電流互感器通常不會限制剩磁，系統(tǒng)短路故障發(fā)生的情況下，互感器鐵心剩磁能夠超過80%，故障出現(xiàn)后，互感器可能會在短時間內(nèi)出現(xiàn)飽和狀態(tài)。而PR級電流互感器則會對剩磁系數(shù)產(chǎn)生限制，因為鐵心本身有小氣隙，鐵心剩磁系數(shù)在10%以內(nèi)，外形尺寸、符合誤差和重量等接近P級電流互感器，而且價格比P級要高，但比TPY級互感器低，所以可選擇PR級電流互感器，從而消除剩磁影響系統(tǒng)保護的情況[8]。

3.3 選擇抗飽和能力強的保護裝置

通常主變保護裝置會選擇CT飽和判據(jù)，以避免變壓器區(qū)外故障出現(xiàn)后，CT飽和導致差動保護誤動作，CT飽和判據(jù)原理如下：通過鐵磁元件B-H曲線能夠得出，區(qū)外故障起始和電流過零點時，CT會有線性轉(zhuǎn)變區(qū)，所以，區(qū)外故障CT出現(xiàn)飽和的情況下，差動電流波形會有間斷。通過時差法，對變壓器區(qū)外故障進行判斷，若判斷結(jié)果顯示差動電流間斷，需要閉鎖差動保護。通過CT飽和識別專利技術(shù)，不僅能夠避免區(qū)外故障保護誤動，而且能夠確保區(qū)外故障與區(qū)內(nèi)故障演變成區(qū)內(nèi)故障快速動作。在常規(guī)差動速斷保護方面，選擇半波積分法對差流進行計算，并實施工頻量差動速斷保護，工頻量差流算法選擇全周傅里葉算法，自主變側(cè)電流采樣值內(nèi)將工頻量提取出來，再計算電流工頻量的和，最后得出差流有效值。

總而言之，對于已經(jīng)投入運行的變電站，將同型號二次電纜并聯(lián)在CT二次電纜中，是有效、經(jīng)濟的一種方案，如果想有效解決互感器暫態(tài)飽和問題，應以PR級互感器取代P級電流互感器，也可更換抗飽和性能更高的主變保護裝置。

4 結(jié)束語

綜上所述，電力系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運行，在很大程度上影響著我國國計民生，區(qū)域電力系統(tǒng)工作中，主變保護能夠維持功能穩(wěn)定，而且發(fā)揮著不可缺少的作用，特別是日常運行期間，為防止發(fā)生保護拒動或者誤動，而導致事故范圍的增加，專業(yè)人員應定期做好電力系統(tǒng)的維護試驗，科學判斷保護誤動現(xiàn)象，及時制定防范與故障解決方案。除此之外，變電站檢修人員應不斷提升自身業(yè)務技能水平，對于裝置嚴守與調(diào)試的質(zhì)量關(guān)卡要嚴格把守，特別是新安裝調(diào)試，必須嚴格根據(jù)定制單內(nèi)容謹慎調(diào)試，確保數(shù)據(jù)準確和項目齊全。在設定主變保護定值環(huán)節(jié)，要對整定規(guī)程嚴格執(zhí)行，定值單位標稱、內(nèi)容與數(shù)值必須符合設備要求，防止出現(xiàn)誤整定事故，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供安全保障。