一起勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原因分析及啟示

陳 俊，張琦雪，吳 龍，嚴(yán) 偉，沈全榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

自并勵(lì)勵(lì)磁變壓器的電氣特征與一般變壓器有很大的差別，勵(lì)磁變壓器所接負(fù)載為三相整流橋，正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁變壓器兩側(cè)電流中含有豐富的高次諧波，且諧波次數(shù)和諧波含量隨著發(fā)電機(jī)負(fù)荷的不同而變化，勵(lì)磁變壓器的差動(dòng)不平衡電流較一般變壓器大[1]，差動(dòng)保護(hù)定值整定時(shí)需考慮該不利因素。此外，由于種種原因?qū)е聞?lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的案例時(shí)有發(fā)生，且發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)能夠反映勵(lì)磁變壓器部分區(qū)內(nèi)短路故障，對于是否配置勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)存在一定的爭議。分析一起勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)案例，結(jié)果表明電流諧波含量豐富并不是導(dǎo)致勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的根源，不應(yīng)因此而摒棄勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)。勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)具有多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，合理整定其定值，可提高勵(lì)磁變壓器內(nèi)部短路故障檢測的靈敏度，尤其對于勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)故障，其靈敏度要高于勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)。

1 勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)案例分析

2006年5月17日，浙江某電廠600 MW機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，該保護(hù)為進(jìn)口微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品。勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，保護(hù)裝置記錄的勵(lì)磁變壓器兩側(cè)電流波形見圖1。

圖1 勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)的電流波形

圖 1 中，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3為勵(lì)磁變壓器高壓側(cè) A，B，C三相電流，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6為勵(lì)磁變壓器低壓側(cè) A，B，C 三相電流。可見，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)A，C相電流均發(fā)生了嚴(yán)重畸變。

考慮到勵(lì)磁變壓器正常運(yùn)行時(shí)兩側(cè)電流中的諧波含量比較豐富，且勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)連接三相整流橋，低壓側(cè)的回路相對復(fù)雜，如圖2所示[2]，電廠的分析結(jié)論是勵(lì)磁變低壓側(cè)電流畸變，導(dǎo)致勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，并因此而取消了勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)，以電流速斷保護(hù)作為勵(lì)磁變壓器的主保護(hù)。

圖2 三相橋式整流器示意

由圖2可見，勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)電流波形與整流橋的工作性能息息相關(guān)，整流橋換相失敗有可能產(chǎn)生類似畸變波形，因此初步分析可能是勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)整流橋換相失敗引起。

圖3 勵(lì)磁變接線組別示意

為便于分析勵(lì)磁變壓器高、低壓側(cè)電流波形的關(guān)系，不妨假設(shè)勵(lì)磁變壓器為理想變壓器，且其變比已折算成1：1，則兩側(cè)三相電流關(guān)系如下：

假設(shè)換相瞬間完成，正常工作情況下，低壓側(cè)電流為120o方波，高壓側(cè)為階梯波。由錄波的波形看，重點(diǎn)看低壓側(cè)波形，整流橋在B相與C相換相期間發(fā)生換相失敗（圖4中的240o位置），有很短的一段時(shí)間，三相電流均為零。根據(jù)上述計(jì)算公式，可由低壓側(cè)電流波形推算出高壓側(cè)階梯波的波形，如圖4所示，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)A，C兩相電流畸變時(shí)，高壓側(cè)三相電流均應(yīng)受到影響而發(fā)生畸變，而由圖1可見，保護(hù)裝置記錄的高壓側(cè)B相電流并未發(fā)生變化，實(shí)際波形特征與理論分析不一致。

圖4 由低壓側(cè)電流推算出的高壓側(cè)波形

此外，如圖2所示，三相整流橋換相失敗對勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)而言，相當(dāng)于短時(shí)區(qū)外故障，不應(yīng)產(chǎn)生勵(lì)磁變差流，而由圖1所示保護(hù)裝置錄波數(shù)據(jù)可見，此時(shí)卻產(chǎn)生了較大的差動(dòng)電流，因此可排除換相失敗導(dǎo)致勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的可能性。

勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，由保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)觸發(fā)故障錄波器錄下了當(dāng)時(shí)的波形，故障錄波器只引入勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)三相電流，不記錄低壓側(cè)電流，故障錄波器錄下的勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)三相電流波形如圖5所示。

圖5 故障錄波器記錄的電流波形

比較圖5和圖1所示勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電流波形，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后，從勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電流降為0時(shí)刻向前推3個(gè)周波左右，保護(hù)裝置錄下的勵(lì)磁變高壓側(cè)A，C兩相電流波形發(fā)生了畸變，而此時(shí)刻故障錄波器記錄下的勵(lì)磁變高壓側(cè)三相電流沒有任何異常，兩者記錄的波形數(shù)據(jù)不一致。因此，可以判斷本次勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作是由于保護(hù)裝置硬件短時(shí)采樣異常引起，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，勵(lì)磁變壓器兩側(cè)電流并未發(fā)生任何畸變，當(dāng)時(shí)的事故分析結(jié)論不正確，因此取消勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)是缺乏依據(jù)的。進(jìn)口保護(hù)設(shè)備均為單CPU硬件結(jié)構(gòu)，硬件異常易導(dǎo)致快速保護(hù)誤動(dòng)，據(jù)了解，該型號保護(hù)裝置在國內(nèi)其他電廠已多次發(fā)生類似情況。

2 勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)性能分析

勵(lì)磁變壓器由于其低壓側(cè)直接與整流橋相聯(lián)，兩側(cè)電流波形特征與常規(guī)變壓器有較大區(qū)別，波形諧波含量較高，但現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，只要采用合適的保護(hù)濾波算法、合理整理差動(dòng)保護(hù)定值，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)可以取得比較好的運(yùn)行效果。國內(nèi)絕大多數(shù)機(jī)組保護(hù)廠家均采用雙CPU硬件結(jié)構(gòu)，“與”門出口方式，可有效杜絕硬件異常導(dǎo)致的誤動(dòng)。

勵(lì)磁變壓器工作時(shí)，由于強(qiáng)勵(lì)磁持續(xù)時(shí)間較長，兩側(cè)電流互感器（TA）特性差異大，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)電流不平衡值較大，一般建議差動(dòng)啟動(dòng)定值整定為0.5～0.8倍額定電流。

圖6為江蘇某137.5 MW機(jī)組勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)區(qū)內(nèi)三相接地故障時(shí)的差流波形，故障時(shí)的短路電流較大，勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)TA迅速飽和，勵(lì)磁變壓器差流波形嚴(yán)重畸變，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)比率判據(jù)可能由于諧波制動(dòng)而無法動(dòng)作，但勵(lì)磁變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)可以快速動(dòng)作，本次故障勵(lì)磁變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為10 ms。此外，由于勵(lì)磁變壓器的高壓側(cè)連接于發(fā)電機(jī)的機(jī)端，連接點(diǎn)在發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍內(nèi)，因此發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)也可以快速反映該故障。

圖6 勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)內(nèi)部故障時(shí)的差流波形

由于勵(lì)磁變壓器的阻抗相對較大，勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流比高壓側(cè)故障時(shí)要小得多，勵(lì)磁變壓器兩側(cè)TA電流能夠正確傳變，勵(lì)磁變比率差動(dòng)保護(hù)可快速動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間一般為20～35 ms，而發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)對該故障的靈敏度是不滿足要求的，不能保證在此情況下可靠動(dòng)作[3]。勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)一般按躲過發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)條件整定，其優(yōu)點(diǎn)是接線簡單，且對TA的傳變要求較低，但其缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)對所有勵(lì)磁變壓器內(nèi)部故障的快速保護(hù)[4]，尤其對于低壓側(cè)故障，電流速斷保護(hù)的靈敏度要遠(yuǎn)低于勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)。

與勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)相比，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)在內(nèi)部故障檢測的靈敏度以及保護(hù)動(dòng)作的快速性方面具有明顯優(yōu)勢，現(xiàn)場有條件宜裝設(shè)勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)。

3 結(jié)束語

（1）對于現(xiàn)場勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原因分析，不應(yīng)放過任何疑點(diǎn)，更不應(yīng)在未查明原因的情況下否定勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)原理。

（2）勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)在現(xiàn)場大量應(yīng)用，取得了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可提高內(nèi)部故障檢測靈敏度，尤其對于低壓側(cè)故障，其靈敏度遠(yuǎn)高于勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)。

（3）在進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作行為分析時(shí)，應(yīng)結(jié)合保護(hù)裝置錄波數(shù)據(jù)和故障錄波器錄波數(shù)據(jù)，保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)啟動(dòng)故障錄波器的功能有助于分析保護(hù)硬件故障導(dǎo)致誤動(dòng)的情況，建議現(xiàn)場將動(dòng)作接點(diǎn)引入故障錄波器。

[1]高春如.大型發(fā)電機(jī)變壓器組繼電保護(hù)的整定計(jì)算[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3]徐紹麟.工程實(shí)用勵(lì)磁變壓器保護(hù)方案探討[J].繼電器，2003，31（1）：34-38.

[4]吳篤貴.靜止勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)配置方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（19）：72-75.